WO2022172657A1 - 船体制御装置、および、船体制御方法 - Google Patents

船体制御装置、および、船体制御方法 Download PDF

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知靖 高橋
直哉 橋本
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古野電気株式会社
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    • G05D2109/30—Water vehicles
    • G05D2109/34—Water vehicles operating on the water surface

Definitions

  • the present invention relates to ship autopilot (automatic navigation control) technology.
  • Patent Document 1 describes an autopilot device for ships.
  • the autopilot device of Patent Document 1 uses feedback control (PID control) to control the steering angle.
  • PID control feedback control
  • an object of the present invention is to provide a technique for appropriately setting feedback control according to the hull.
  • a hull control device of the present invention includes a hull characteristic parameter setting section, a control parameter calculation section, and an autopilot execution section.
  • the hull characteristic parameter setting section sets the hull characteristic parameters of a coupled system of first-order lag and dead time, which integrate the behavior of the steering gear and the behavior of the hull.
  • the control parameter calculator uses the hull characteristic parameter to calculate a control parameter for feedback control with respect to the rudder angle of the steering gear.
  • the autopilot execution unit uses the control parameters to perform feedback control.
  • hull characteristic parameters are set according to the hull, and control parameters are calculated accordingly.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an autopilot control section of a hull control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the hull control system including the hull control device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3(A) is a diagram showing a target heading and a heading
  • FIG. 3(B) is a diagram showing a rudder angle.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a schematic process from autotuning to autopilot control.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the first aspect of the hull characteristic parameter setting section.
  • FIG. 6 is a system configuration diagram of a first mode of setting hull characteristic parameters.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an autopilot control section of a hull control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the hull control system including the hull control device according to the embodiment of the
  • FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the characteristic parameter estimator.
  • FIG. 8 is a waveform diagram showing an example of the response waveform of the turning angular velocity for setting the hull characteristic parameter.
  • FIG. 9(A) is a flow chart showing a schematic process of the first calculation mode of the maneuverability index
  • FIG. 9(B) is a flow chart showing a schematic process of calculating the hull characteristic parameters.
  • FIG. 10 is a functional block diagram showing the configuration of the second aspect of the hull characteristic parameter setting section.
  • FIG. 11 is a system configuration diagram of a second mode of setting hull characteristic parameters.
  • FIG. 12 is a flow chart showing a schematic process of the second calculation mode of the maneuverability index.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of changes in heading over time.
  • FIG. 14(A) is a graph showing changes over time in heading ⁇ H and target heading ⁇ set
  • FIG. 14(B) is a graph showing changes over time in set turn rate rset and turning angular velocity rt
  • FIG. 14(C) are graphs showing changes in the steering angle ra over time.
  • 4 is a flowchart showing a schematic process of calculating control parameters
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of an autopilot control section of a hull control system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing the configuration of the hull control system including the hull control device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3(A) is a diagram showing a target heading and a heading
  • FIG. 3(B) is a diagram showing a rudder angle.
  • the hull control system 1 includes a hull control device 10 , a propulsive force generator 91 and a steering gear 92 .
  • the hull control system 1 is provided in a hull 90 (see FIG. 3) that performs automatic navigation control (autopilot control).
  • the propulsive force generator 91 is composed of an engine or a motor and a propeller or the like driven by this.
  • the steering gear 92 is provided near the stern 902 (see FIG. 3) of the hull 90 .
  • the hull control device 10 includes an autopilot control unit 20 (referred to as AP control unit 20 in FIG. 2), an operation unit 30, a sensor 40, a rudder angle sensor 42, a display unit 50, and a propulsion force control unit. 60.
  • Autopilot control unit 20, operation unit 30, sensor 40, rudder angle sensor 42, display unit 50, and propulsion force control unit 60 are connected by data communication network 100 installed on the hull.
  • the operation unit 30 is realized by, for example, a touch panel, physical buttons and switches, and the like.
  • the operation unit 30 accepts various operations including autopilot control settings.
  • the operation unit 30 outputs operation details to the autopilot control unit 20 .
  • the sensor 40 measures the speed v of the vessel (hull) equipped with the hull control device 10, the heading ⁇ H , and other information relating to the movement, attitude, and position of the hull.
  • the sensor 40 is realized by a positioning sensor using a GNSS (eg, GPS) positioning signal, an inertial sensor (an acceleration sensor, an angular velocity sensor, etc.), a magnetic sensor, or the like.
  • GNSS eg, GPS
  • an inertial sensor an acceleration sensor, an angular velocity sensor, etc.
  • magnetic sensor or the like.
  • the steering angle sensor 42 measures the steering angle ra of the steering 92 (see FIG. 3(B)).
  • the steering angle sensor 42 outputs the measured steering angle ra to the autopilot control section 20 .
  • the steering angle sensor 42 is implemented by, for example, a sensor that mechanically measures the steering angle, a sensor that electrically and optically measures the steering angle, or the like.
  • the display unit 50 is realized by, for example, a liquid crystal panel.
  • the display unit 50 displays information related to autopilot control input from the autopilot control unit 20 and the like. Although it is possible to omit the display unit 50, it is preferable to have the display unit 50. With the display unit 50, the user can easily grasp the autopilot control state and the like.
  • the propulsive force control unit 60 connects to the propulsive force generation unit 91 .
  • the propulsive force generator 91 generates a propulsive force with an output according to the propulsive force control signal from the propulsive force control unit 60 .
  • the autopilot control unit 20 is configured by, for example, an arithmetic processing unit such as a CPU and a storage unit.
  • the storage unit stores programs to be executed by the autopilot control unit 20 . Also, the storage unit is used when the CPU performs calculations.
  • the autopilot control unit 20 executes autopilot control.
  • the autopilot control unit 20 also calculates control parameters for autopilot control (proportional coefficient K P for P control, proportional coefficient K D for D control) and a set turn rate r set .
  • control parameters for autopilot control proportional coefficient K P for P control, proportional coefficient K D for D control
  • a set turn rate r set At this time, the autopilot control unit 20 calculates these control parameters (P control proportional coefficient K P , D control proportional coefficient K D ) and the set turn rate r set , using the hull characteristic parameter (turning performance Set the index K * , the followability index T * , and the dead time L).
  • a method of setting hull characteristic parameters (turning index K * , trackability index T * , and dead time L) and a method of calculating control parameters (proportional coefficient KP for P control, proportional coefficient KD for D control) , and the set turn rate r_set will be described in detail later.
  • the autopilot control unit 20 connects to the steering gear 92 .
  • the autopilot control unit 20 sets a command steering angle ri by autopilot control and outputs it to the steering 92 .
  • the steering 92 changes the steering angle ra according to the commanded steering angle ri.
  • the heading ⁇ H is the direction in which the bow 901 of the hull 90 faces.
  • the target azimuth ⁇ set is the azimuth to which the bow 901 is to be directed by autopilot control.
  • the autopilot control unit 20 performs autopilot control so that the heading ⁇ H approaches the target heading ⁇ set , in other words, the argument d ⁇ , which is the difference between the target heading ⁇ set and the heading ⁇ H , approaches zero.
  • the commanded steering angle ri is set sequentially as follows. At this time, the steering angle ra measured by the steering angle sensor 42 is fed back to the autopilot control section 20 . Based on this steering angle ra, the autopilot control unit 20 executes feedback control (for example, PID control) using the control parameters described above, sets the command steering angle ri according to the set turn rate rset, Output to the steering gear 92 .
  • the P control proportionality coefficient KP and the D control proportionality coefficient KD are specifically set as control parameters by a method to be described later. are also set appropriately.
  • the autopilot control unit 20 controls the control parameters (P control proportional coefficient K P , D control proportional coefficient K D ), the set turn rate r set , and the hull characteristic parameter (turning index K * , the followability index T * , and the dead time L) are set. That is, the autopilot control unit 20 sets a hull characteristic parameter of a coupled system of first-order delay and dead time, and calculates and sets a control parameter and a set turn rate from the hull characteristic parameter.
  • the autopilot control unit 20 can perform appropriate feedback control according to the shape and size of the hull 90 and the steering gear 92, that is, according to the behavior of the hull 90 and the behavior of the steering gear 92. . Therefore, the hull control device 10 can perform appropriate autopilot control according to the shape and size of the hull 90 and the steering gear 92 .
  • the hull 90 when the hull 90 is small and the operation of the steering gear 92 is not so fast as to the operation of the hull 90 , in other words, the hull 90 operates in accordance with the operation of the steering gear 92 . Autopilot control using the settings described below works more effectively when it is easier.
  • the autopilot control unit 20 includes a hull characteristic parameter setting unit 21, a set turn rate calculation unit 22, a control parameter calculation unit 23, and an autopilot execution unit 24 (AP execution unit 24 in FIG. ) is provided.
  • the hull characteristic parameter setting unit 21 sets hull characteristic parameters estimated by a coupled system of first-order lag and dead time using one of a plurality of types of setting methods. That is, the hull characteristic parameter setting unit 21 sets the turning index K * , the followability index T * , and the dead time L.
  • the hull characteristic parameter setting unit 21 outputs the hull characteristic parameters to the set turn rate calculator 22 and the control parameter calculator 23 .
  • the set turn rate calculator 22 calculates the set turn rate r set using the hull characteristic parameters (turning index K * , trackability index T * , and dead time L) and the target heading ⁇ set . .
  • the set turn rate calculation unit 22 outputs the set turn rate r set to the control parameter calculation unit 23 and the autopilot execution unit 24 .
  • the control parameter calculator 23 uses the hull characteristic parameters (turning index K * , tracking index T * , and dead time L) and the set turn rate r set to calculate the control parameter (P control proportional coefficient K P , D control proportional coefficient K D ) is calculated.
  • the control parameter calculator 23 outputs the control parameters (P control proportional coefficient K P , D control proportional coefficient K D ) to the autopilot execution unit 24 .
  • the autopilot execution unit 24 performs feedback control using the control parameters (P control proportional coefficient K P , D control proportional coefficient K D ) and the set turn rate r set to change the command steering angle ri to Output to the steering gear 92 .
  • FIG. 4 is a flowchart showing a schematic process from autotuning to autopilot control.
  • the arithmetic processing unit performs predetermined processing and control to obtain hull characteristic parameters (turning index K * , followability index T * , and dead time L). ) is set (S11).
  • the arithmetic processing unit uses the hull characteristic parameters to calculate a set turn rate r set (S12).
  • the arithmetic processing unit calculates control parameters (proportional coefficient K P for P control, proportional coefficient K D for D control) using the hull characteristic parameter and the set turn rate r set (S13).
  • the arithmetic processing unit performs autopilot control using the control parameters and the set turn rate r set (S14).
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the first aspect of the hull characteristic parameter setting section.
  • FIG. 6 is a system configuration diagram of a first mode of setting hull characteristic parameters.
  • the hull characteristic parameter setting unit 21 includes a maneuverability index calculator 211 , a steering speed calculator 212 , and a characteristic parameter estimator 213 .
  • the heading ⁇ H , the turning angular velocity rt, and the rudder angle ra are input to the maneuverability index calculator 211 .
  • These heading ⁇ H , turning angular velocity rt, and rudder angle ra are generated for calculating the operability index, and are obtained by, for example, a Z test (more specifically, a 5° Z test). .
  • the heading ⁇ H is input from the sensor 40 to the maneuverability index calculator 211 .
  • the turning angular velocity rt is input from the turning angular velocity calculating section 202 to the maneuverability index calculating section 211 .
  • a turning angular velocity calculation unit 202 calculates a turning angular velocity rt from the time change rate of the heading ⁇ H measured by the sensor 40 .
  • the turning angular velocity calculation unit 202 is implemented by, for example, an arithmetic processing unit that constitutes the autopilot control unit 20 including the hull characteristic parameter setting unit 21 .
  • the steering angle ra is input from the steering angle sensor 42 to the maneuverability index calculator 211 . More specifically, the commanded rudder angle determination unit 201 switches the commanded rudder angle ri according to the heading ⁇ H in the Z test. Commanded steering angle determination section 201 is implemented by autopilot control section 20 . The commanded rudder angle determination unit 201 outputs the commanded rudder angle ri to the steering 92 . The steering 92 performs steering angle control according to the commanded steering angle ri. The rudder angle sensor 42 measures the rudder angle (actual rudder angle) ra of the steering 92 and outputs it to the maneuverability index calculator 211 . The steering angle sensor 42 also outputs the steering angle ra to the steering speed calculator 212 .
  • the maneuverability index calculator 211 calculates the maneuverability index, that is, the turning index (gain) K and the followability index (time constant) T. Calculate For example, the maneuverability index calculator 211 calculates the maneuverability index (the turning index K and the followability index T) using the known Nomoto model.
  • the steering speed calculation unit 212 calculates the steering speed ⁇ ra from the time rate of change of the steering angle ra.
  • Characteristic parameter estimation unit 213 uses the maneuverability index (turning index K and followability index T) and the steering speed ⁇ ra to estimate the hull characteristic parameters (turning index (gain) K * , followability index (Time constant) T * and dead time L) are calculated. At this time, the characteristic parameter estimator 213 calculates the hull characteristic parameters using a simulation of the response of the turning angular velocity to the commanded steering angle in steps.
  • FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the characteristic parameter estimator.
  • FIG. 8 is a waveform diagram showing an example of the response waveform of the turning angular velocity for setting the hull characteristic parameter.
  • the characteristic parameter estimation unit 213 includes a simulation input value setting unit 231, a Ship model calculation unit 232, and a parameter calculation unit 233.
  • the steering speed ⁇ ra is input to the simulation input value setting unit 231 .
  • a command steering angle ri is input to the simulation input value setting section 231 .
  • the simulation input value setting unit 231 sets the commanded steering angle for simulation in a stepwise manner so that the commanded steering angle ri becomes the maximum value, and sets the simulation input value using a ramp function for the commanded steering angle. .
  • the simulation input value setting unit 231 sets the slope of the ramp function by the turning speed ⁇ ra.
  • the simulation input value setting section 231 outputs the simulation input value to the Ship model calculation section 232 .
  • the Ship model calculation unit 232 applies the simulation input values and the maneuverability index (the turning index K and the followability index T) to the Nomoto model to simulate the turning angular velocity rt.
  • a simulation waveform of the time change of the turning angular velocity rt is obtained as shown in FIG.
  • the turning angular velocity rt increases over time according to the slope of the ramp function (steering speed ⁇ ra) and the followability index T, and is a value obtained by multiplying the command steering angle ri by the turning index K. It becomes a non-linear waveform peaking out at (Kri).
  • the Ship model calculation unit 232 outputs the turning angular velocity rt obtained by the simulation to the parameter calculation unit 233 .
  • the parameter calculator 233 calculates the hull characteristic parameters (turning index (gain) K * , tracking index (time constant) T * and the dead time L) are calculated.
  • the parameter calculator 233 uses the turning index K of the maneuverability index to calculate the turning index K * of the hull characteristic parameter. For example, the parameter calculator 233 sets the turning index K * of the hull characteristic parameters to the same value as the turning index K of the maneuverability index.
  • the parameter calculator 233 calculates the trackability index T * and the dead time L of the hull characteristic parameter using the time during which the turning angular velocity in the simulation waveform of the turning angular velocity rt is a predetermined value. More specifically, the parameter calculator 233 detects the time ta at the first value (the value of aKri in FIG. 8) of the turning angular velocity rt in the simulation waveform. The parameter calculator 233 detects the time tb at the second value (the value of bKri in FIG. 8) of the turning angular velocity rt in the simulation waveform. Note that a and b are values larger than 0 and smaller than 1, and a is smaller than b (a ⁇ b).
  • the first value is set near the boundary between a section in which the rate of change in the slope of the waveform changes and a section in which the rate of change in the slope of the waveform is constant.
  • the second value is set near the boundary between a section in which the rate of change in the slope of the waveform is constant and a section in which the rate of change in the slope of the waveform changes.
  • the time ta and the time tb are changed according to the step width of the commanded steering angle.
  • the parameter calculator 233 calculates the trackability index T * of the hull characteristic parameter using the time ta, the time tb, and the following equation.
  • T * C 1 (tb ⁇ ta) C 1 is a predetermined constant.
  • the parameter calculation unit 233 calculates the dead time L of the hull characteristic parameters using the time ta and time tb and the following equation.
  • the characteristic parameter estimation unit 213 can estimate and calculate the hull characteristic parameters according to the shape, size, and performance of the hull 90 and the steering gear 92 .
  • FIG. 9(A) is a flow chart showing a schematic process of the first calculation mode of the maneuverability index
  • FIG. 9(B) is a flow chart showing a schematic process of calculating the hull characteristic parameters.
  • the processor controls the execution of the Z test (S21).
  • the arithmetic processing unit measures the heading ⁇ H (S22) and calculates the turning angular velocity rt (S23). Further, the arithmetic processing unit measures the steering angle ra (S24).
  • the arithmetic processing unit calculates a maneuverability index using the heading ⁇ H , the turning angular velocity rt, and the rudder angle ra (S25).
  • the arithmetic processing unit sets a simulation input value using the turning speed ⁇ ra and the commanded steering angle ri (S261).
  • the arithmetic processing unit uses the simulation input value and the operability index to execute the Ship operation (S262).
  • the arithmetic processing unit calculates hull characteristic parameters from the response waveform of the turning angular velocity, which is the simulation result (S263).
  • FIG. 10 is a functional block diagram showing the configuration of the second aspect of the hull characteristic parameter setting section.
  • FIG. 11 is a system configuration diagram of a second mode of setting hull characteristic parameters.
  • the hull characteristic parameter setting unit 21A includes a maneuverability index calculator 211A, a steering speed calculator 212, and a characteristic parameter estimator 213.
  • the configuration and basic processing of the steering speed calculation unit 212 and the characteristic parameter estimation unit 213 are similar to the configuration of the steering speed calculation unit 212 and the characteristic parameter estimation unit 213 in the hull characteristic parameter setting unit 21 described above. and basic processing, and detailed description thereof will be omitted.
  • the waterline length Lpp, the ship width B, and the ship speed v are input to the maneuverability index calculation unit 211A.
  • the hull length LL is input by a user or the like, for example, through the operation unit 30 (corresponding to the hull length input unit 31 in FIG. 11).
  • the ship width B is input by the user or the like at the operation unit 30 (corresponding to the ship width input unit 32 in FIG. 11).
  • the boat speed v is measured by the sensor 40 and input, for example.
  • Maneuverability index calculation unit 211A uses waterline length Lpp, ship width B, and ship speed v to calculate a maneuverability index, that is, a turnability index (gain) K and a followability index (time constant). Calculate T.
  • the maneuverability index calculation unit 211A includes a turning index calculation unit 2111, a non-dimensionalization unit 2112, a non-dimensional followability index calculation unit 2113, and a dimensionalization unit 2114. Prepare.
  • the water line length Lpp and the ship width B are input to the turning index calculation unit 2111 .
  • the turning index calculation unit 2111 calculates the turning index K from the waterline length Lpp and the ship width B using the following equation.
  • the dimensionless unit 2112 receives the turning index K, the waterline length Lpp, and the boat speed v.
  • the non-dimensionalizing unit 2112 non-dimensionalizes the turning index K using the waterline length Lpp and the boat speed v.
  • a non-dimensional turning index K' is input to the non-dimensional tracking index calculation unit 2113 .
  • the dimensionless followability index calculation unit 2113 calculates a dimensionless followability index T′ from the dimensionless turnability index K′ using the following equation.
  • T′ k 2 K′ ⁇ C 4 Note that k2 and C4 are desired constants. This formula is statistically derived from experimental results using a plurality of vessels having the same shape as the hull 90. FIG.
  • the non-dimensional followability index T', the length between waterlines Lpp, and the ship speed v are input to the dimensionalization unit 2114.
  • the dimensionalization unit 2114 dimensionalizes the dimensionless followability index T′ using the waterline length Lpp and the ship speed v.
  • the maneuverability index calculation unit 211A outputs the turnability index K output from the turnability index calculation unit 2111 and the followability index T output from the dimensionalization unit 2114 to the characteristic parameter estimation unit 213.
  • the maneuverability index calculator 211A can calculate the maneuverability index according to the shape, size, and performance of the hull 90 and the steering gear 92. Consequently, the characteristic parameter estimator 213 can , hull characteristic parameters corresponding to the shape, size, and performance of the hull 90 and the steering gear 92 can be estimated and calculated.
  • the calculation formula for the turning index K and the calculation formula for the dimensionless follow-up index T′ are determined by the water line length Lpp and the ship width B , it is better to change the coefficient to be multiplied by the dimensionless turning index K′.
  • the hull characteristic parameter setting unit 21A can set the hull characteristic parameters without performing the Z test.
  • FIG. 12 is a flow chart showing a schematic process of the second calculation mode of the maneuverability index.
  • the arithmetic processing unit receives the input of the hull length LL (S311) and calculates the waterline length Lpp (S32). Further, the arithmetic processing unit receives input of the ship width B (S312) and measures the ship speed v (S313).
  • the arithmetic processing unit calculates a turning index K from the waterline length Lpp and the ship width B (S33).
  • the arithmetic processing unit non-dimensionalizes the turning index K using the waterline length Lpp and the boat speed v to calculate a dimensionless turning index K' (S34).
  • the arithmetic processing unit calculates a non-dimensional tracking index T' from the non-dimensional turning index K' (S35).
  • the arithmetic processing unit converts the dimensionless followability index T' into a dimension and calculates a followability index T (S36).
  • FIG. 13 is a graph showing an example of changes in heading over time.
  • a two-dot chain line shown in FIG. 13 indicates the time change of the heading when the step function of the upper limit value ra max of the rudder angle ra is input.
  • a solid line indicates a straight line for calculating the set turn rate r set .
  • ⁇ set is the target orientation.
  • the heading does not change during the dead time L, and gradually rises according to the tracking index (time constant) T * of the first-order lag system, turning index K * of the first-order lag system. , and reaches the target heading ⁇ set .
  • the set turn rate calculator 22 uses this characteristic to calculate the set turn rate r set . More specifically, the set turn rate calculator 22 calculates the time difference between the control start time and the time to reach the target heading ⁇ set (determined from the hull characteristic parameters of the first-order lag system) and the target heading ⁇ set . , the set turn rate r set is calculated using the following equation.
  • r set ⁇ set /f 3 (L, T * , K * , ⁇ set )
  • f 3 (L, T * , K * , ⁇ set ) is a constant that defines the time difference between the control start time and the arrival time of the heading to the target heading ⁇ set . That is, the set turn rate calculator 22 sets the slope of the solid line shown in FIG. 13 as the set turn rate r set .
  • the set turn rate calculator 22 can set the set turn rate r set to an appropriate value according to the shape, size, and performance of the hull 90 .
  • FIG. 14(A) is a graph showing changes over time in the heading ⁇ H and the target heading ⁇ set , where the solid line indicates the heading and the dotted line indicates the target heading.
  • FIG. 14B is a graph showing changes over time in the set turn rate r set and the turning angular velocity rt, where the solid line shows the turning angular velocity rt and the dotted line shows the set turn rate r set .
  • FIG. 14(C) is a graph showing changes in the steering angle ra over time.
  • the control parameter calculator 23 sets evaluation criteria for each of the heading ⁇ H , the turning angular velocity rt, and the rudder angle ra at the time of course change.
  • the control parameter calculator 23 sets an evaluation criterion based on the squared error between the overshoot amount M of the heading ⁇ H with respect to the target heading ⁇ set and the target value Mset . That is, the control parameter calculation unit 23 calculates the maximum value in the period in which the heading ⁇ H exceeds the target heading ⁇ set shown in FIG. set.
  • the target value M set for the amount of overshoot can be set to the maximum amount of overshoot required to achieve the desired behavior of the hull 90 .
  • the control parameter calculator 23 sets the evaluation criteria based on the square error between the turning angular velocity rt and the set turn rate rset. More specifically, the control parameter calculator 23 detects the time when the turning angular velocity rt first reaches the set turn rate rset as time t1 (see FIG. 14B). Further, the control parameter calculator 23 detects the time when the heading ⁇ H reaches the target heading ⁇ set for the first time as time t2 (see FIG. 14A).
  • the control parameter calculator 23 sets an evaluation criterion based on the square error between the turning angular velocity rt and the set turn rate rset between time t1 and time t2. More specifically, the control parameter calculator 23 sets the statistical value of the squared error between the turning angular velocity rt and the set turn rate rset between time t1 and time t2 as the evaluation criterion. That is, the control parameter calculator 23 sets the evaluation criteria based on the difference between the turning angular velocity rt and the set turn rate rset in the period between time t1 and time t2 shown in FIG. 14(B).
  • control parameter calculator 23 can set appropriate evaluation criteria according to the shape, size, and performance of the hull 90 .
  • the control parameter calculator 23 sets an evaluation function using each evaluation criterion described above. Then, the control parameter calculator 23 calculates the control parameters (proportional coefficient K P for P control, proportional coefficient K D for D control) such that the evaluation function is minimized. As a result, the calculated control parameters are appropriate values according to the shape, size, and performance of the hull 90 .
  • the control parameter calculator 23 calculates control parameters (proportional coefficient for P control K P , The D control proportional coefficient K D ) is calculated in advance. Then, the control parameter calculator 23 stores each combination as a database.
  • the control parameter calculator 23 Upon receiving the hull characteristic parameters (turning index (gain) K * , tracking index (time constant) T * , and dead time L), the control parameter calculator 23 searches the database and calculates the received hull control parameters. (proportional coefficient K P for P control, proportional coefficient K D for D control) corresponding to are read out from the database and output.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a schematic process of calculating control parameters.
  • the arithmetic processing unit calculates the overshoot amount M of the heading ⁇ H with respect to the target heading ⁇ set , and calculates the squared error between the overshoot amount M and the target value Mset (S411).
  • the arithmetic processing unit calculates the squared error between the set turn rate rset and the turning angular velocity rt (S412).
  • the arithmetic processing unit calculates the square value of the steering angle ra (S413).
  • the arithmetic processing unit sets evaluation criteria based on the above calculated values, and sets evaluation functions based on the evaluation criteria (S414).
  • the arithmetic processing unit estimates and calculates control parameters using the evaluation function (S415).
  • control parameters and the set turn rate r set are set from the hull characteristic parameters set by the combined system of the first-order delay and the dead time.
  • the set turn rate r set may be a predetermined value.
  • the evaluation function may be set using at least one of the above three types.
  • Hull control device 20 Autopilot control unit 21, 21A: Hull characteristic parameter setting unit 22: Set turn rate calculation unit 23: Control parameter calculation unit 24: Autopilot execution unit 30: Operation unit 31: Hull length input unit 32 : Ship width input unit 40: Sensor 42: Rudder angle sensor 50: Display unit 60: Propulsion force control unit 90: Hull 91: Propulsion force generation unit 92: Steering system 100: Data communication network 201: Command rudder angle determination unit 202: Turning angular velocity calculator 211, 211A: Maneuverability index calculator 212: Turning speed calculator 213: Characteristic parameter estimator 231: Simulation input value setter 232: Ship model calculator 233: Parameter calculator 901: Bow 902: Stern 2111: Turning index calculation unit 2112: Non-dimensional unit 2113: Non-dimensional followability index calculation unit 2114: Dimensional unit

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Abstract

【課題】船体に応じて、フィードバック制御の設定を適正に行う。 【解決手段】　船体制御装置１０は、船体特性パラメータ設定部２１、制御パラメータ算出部２３、および、オートパイロット実行部２４を備える。船体特性パラメータ設定部２１は、舵機の挙動と船体の挙動を一体とした一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定する。制御パラメータ算出部２３は、船体特性パラメータを用いて、舵機９２の舵角に対するフィードバック制御の制御パラメータを算出する。オートパイロット実行部２４は、制御パラメータを用いて、フィードバック制御を行う。

Description

船体制御装置、および、船体制御方法
　本発明は、船舶のオートパイロット（自動航行制御）の技術に関する。
　特許文献１には、船舶用のオートパイロット装置が記載されている。特許文献１のオートパイロット装置は、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）を用いて、舵角を制御している。
特開昭５５－１６４５９４号公報
　しかしながら、フィードバック制御の設定が適正でないと、所望とするオートパイロットの制御を実現できない。
　したがって、本発明の目的は、船体に応じて、フィードバック制御の設定を適正に行う技術を提供することにある。
　この発明の船体制御装置は、船体特性パラメータ設定部、制御パラメータ算出部、および、オートパイロット実行部を備える。船体特性パラメータ設定部は、舵機の挙動と船体の挙動を一体とした一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定する。制御パラメータ算出部は、船体特性パラメータを用いて、舵機の舵角に対するフィードバック制御の制御パラメータを算出する。オートパイロット実行部は、制御パラメータを用いて、フィードバック制御を行う。
　この構成では、船体に応じた船体特性パラメータが設定され、これに応じた制御パラメータが算出される。
　この発明によれば、船体に応じて、フィードバック制御の設定を適正に行うことができる。
図１は、本発明の実施形態に係る船体制御装置のオートパイロット制御部の構成を示す機能ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係る船体制御装置を含む船体制御システムの構成を示す機能ブロック図である。 図３（Ａ）は、目標方位および船首方位を示す図であり、図３（Ｂ）は、舵角を示す図である。 図４は、オートチューニングからオートパイロット制御までの概略処理を示すフローチャートである。 図５は、船体特性パラメータ設定部の第１態様の構成を示す機能ブロック図である。 図６は、船体特性パラメータの設定の第１態様のシステム構成図である。 図７は、特性パラメータ推定部の構成を示す機能ブロック図である。 図８は、船体特性パラメータを設定するための回頭角速度の応答波形の一例を示す波形図である。 図９（Ａ）は、操縦性指数の第１の算出態様の概略処理を示すフローチャートであり、図９（Ｂ）は、船体特性パラメータの算出の概略処理を示すフローチャートである。 図１０は、船体特性パラメータ設定部の第２態様の構成を示す機能ブロック図である。 図１１は、船体特性パラメータの設定の第２態様のシステム構成図である。 図１２は、操縦性指数の第２の算出態様の概略処理を示すフローチャートである。 図１３は、船首方位の時間変化の一例を示すグラフである。 図１４（Ａ）は、船首方位θＨと目標方位θｓｅｔの時間変化を示すグラフであり、図１４（Ｂ）は、設定ターンレートｒｓｅｔと回頭角速度ｒｔとの時間変化を示すグラフであり、図１４（Ｃ）は、舵角ｒａの時間変化を示すグラフである。 制御パラメータの算出の概略処理を示すフローチャートである。
　本発明の実施形態に係る船体制御装置、および、船体制御方法について、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る船体制御装置のオートパイロット制御部の構成を示す機能ブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る船体制御装置を含む船体制御システムの構成を示す機能ブロック図である。図３（Ａ）は、目標方位および船首方位を示す図であり、図３（Ｂ）は、舵角を示す図である。
　（船体制御システムの構成）
　図２に示すように、船体制御システム１は、船体制御装置１０、推進力発生部９１、および、舵機９２を備える。船体制御システム１は、自動航行制御（オートパイロット制御）を行う船体９０（図３参照）に備えられている。推進力発生部９１は、エンジンまたはモータと、これによって駆動されるプロペラ等とによって構成される。舵機９２は、船体９０の船尾９０２（図３参照）付近に備えられる。
　船体制御装置１０は、オートパイロット制御部２０（図２では、ＡＰ制御部２０と記載している。）、操作部３０、センサ４０、舵角センサ４２、表示部５０、および、推進力制御部６０を備える。オートパイロット制御部２０、操作部３０、センサ４０、舵角センサ４２、表示部５０、および、推進力制御部６０は、船体に装備されたデータ通信ネットワーク１００によって接続される。
　操作部３０は、例えば、タッチパネル、物理的なボタンやスイッチ等によって実現される。操作部３０は、オートパイロット制御の設定を含む各種の操作を受け付ける。操作部３０は、操作内容を、オートパイロット制御部２０に出力する。
　センサ４０は、船体制御装置１０が備えられた船舶（船体）の船速ｖ、および、船首方位θＨ等、船体の移動、姿勢、位置に関する情報を計測する。例えば、センサ４０は、ＧＮＳＳ（例えば、ＧＰＳ）の測位信号を利用した測位センサ、慣性センサ（加速度センサや角速度センサ等）、磁気センサ等によって実現される。
　舵角センサ４２は、舵機９２の舵角ｒａ（図３（Ｂ）参照）を計測する。舵角センサ４２は、計測した舵角ｒａを、オートパイロット制御部２０に出力する。舵角センサ４２は、例えば、機構的に舵角を計測するセンサ、電気的、光学的に舵角を計測するセンサ等によって実現される。
　表示部５０は、例えば、液晶パネル等によって実現される。表示部５０は、オートパイロット制御部２０から入力されたオートパイロット制御に関連する情報等を表示する。なお、表示部５０は、省略することも可能であるが、あることが好ましく、表示部５０があることによって、ユーザは、オートパイロット制御状態等を容易に把握できる。
　推進力制御部６０は、推進力発生部９１に接続する。推進力発生部９１は、推進力制御部６０からの推進力制御信号に応じた出力で、推進力を発生する。
　（オートパイロット制御部２０の概略構成および概略処理）
　オートパイロット制御部２０は、例えば、ＣＰＵ等の演算処理装置と記憶部とによって構成される。記憶部は、オートパイロット制御部２０で実行するプログラムを記憶する。また、記憶部は、ＣＰＵの演算時に利用される。
　オートパイロット制御部２０は、オートパイロット制御を実行する。また、オートパイロット制御部２０は、オートパイロット制御用の制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）、設定ターンレートｒｓｅｔを算出する。この際、オートパイロット制御部２０は、これら制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）、および、設定ターンレートｒｓｅｔを算出するために、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を設定する。なお、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）の設定方法、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）の算出方法、設定ターンレートｒｓｅｔの設定方法の具体的な内容は後述する。
　オートパイロット制御部２０は、舵機９２に接続する。オートパイロット制御部２０は、オートパイロット制御によって、指令舵角ｒｉを設定し、舵機９２に出力する。舵機９２は、指令舵角ｒｉに応じて、舵角ｒａを変化させる。
　図３（Ａ）に示すように、船首方位θＨとは、船体９０の船首９０１が向く方位である。目標方位θｓｅｔとは、オートパイロット制御によって船首９０１を向かせたい方位である。
　オートパイロット制御部２０は、オートパイロット制御として、船首方位θＨを目標方位θｓｅｔに近づけるように、言い換えれば、目標方位θｓｅｔと船首方位θＨとの差である偏角ｄθが０に近づくように、逐次的に指令舵角ｒｉを設定する。この際、オートパイロット制御部２０には、舵角センサ４２で計測された舵角ｒａがフィードバックされる。オートパイロット制御部２０は、この舵角ｒａに基づいて、上述の制御パラメータを用いたフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）を実行し、設定ターンレートｒｓｅｔにしたがって、指令舵角ｒｉを設定し、舵機９２に出力する。なお、オートパイロット制御部２０では、制御パラメータとして、Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤを、後述する方法によって具体的に設定しているが、Ｉ制御比例係数ＫＩについても適宜設定されている。
　この際、オートパイロット制御部２０は、後述するように、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）、設定ターンレートｒｓｅｔ、および、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を設定する。すなわち、オートパイロット制御部２０は、一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定し、この船体特性パラメータから、制御パラメータおよび設定ターンレートを算出し、設定する。
　これにより、オートパイロット制御部２０は、船体９０および舵機９２の形状、大きさに応じた、すなわち、船体９０の挙動および舵機９２の挙動に応じた、適正なフィードバック制御を行うことができる。したがって、船体制御装置１０は、船体９０および舵機９２の形状、大きさに応じて、適切なオートパイロット制御を行うことができる。特に、小型船舶のように、船体９０が小さく、舵機９２の動作が船体９０の動作に対して無視できない程度に速くない場合、言い換えれば、舵機９２の動作に合わせて船体９０が動作し易い場合に、後述する設定を用いたオートパイロット制御は、より効果的に作用する。
　また、一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定することによって、２次遅れ系等の設定が煩雑なパラメータを設定しなくてもよい。したがって、船体特性パラメータの設定が容易になる。
　（より具体的な設定方法の説明）
　図１に示すように、オートパイロット制御部２０は、船体特性パラメータ設定部２１、設定ターンレート算出部２２、制御パラメータ算出部２３、および、オートパイロット実行部２４（図１では、ＡＰ実行部２４と記載している。）を備える。
　船体特性パラメータ設定部２１は、複数種類の設定方法のいずれかを用いて、一次遅れとむだ時間の結合系によって推定された船体特性パラメータを設定する。すなわち、船体特性パラメータ設定部２１は、旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌを設定する。船体特性パラメータ設定部２１は、船体特性パラメータを、設定ターンレート算出部２２、および、制御パラメータ算出部２３に出力する。
　設定ターンレート算出部２２は、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）と、目標方位θｓｅｔと、を用いて、設定ターンレートｒｓｅｔを算出する。設定ターンレート算出部２２は、設定ターンレートｒｓｅｔを、制御パラメータ算出部２３およびオートパイロット実行部２４に出力する。
　制御パラメータ算出部２３は、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）と、設定ターンレートｒｓｅｔと、を用いて、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）を算出する。制御パラメータ算出部２３は、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）を、オートパイロット実行部２４に出力する。
　オートパイロット実行部２４は、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）と、設定ターンレートｒｓｅｔとを用いて、フィードバック制御を行って、指令舵角ｒｉを、舵機９２に出力する。
　なお、これらの処理は、プログラム等にして予め記憶部に記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理装置によって、このプログラムを読み出して実行することで、実現してもよい。この場合、演算処理装置は、例えば、図４に示すフローチャートの処理を実行すればよい。図４は、オートチューニングからオートパイロット制御までの概略処理を示すフローチャートである。
　演算処理装置は、例えば、操作部３０からオートチューニングの操作入力を受けると、所定の処理、制御を行って、船体特性パラメータ（旋回性指数Ｋ＊、追従性指数Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を設定する（Ｓ１１）。演算処理装置は、船体特性パラメータを用いて、設定ターンレートｒｓｅｔを算出する（Ｓ１２）。
　演算処理装置は、船体特性パラメータおよび設定ターンレートｒｓｅｔを用いて、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）を算出する（Ｓ１３）。演算処理装置は、制御パラメータおよび設定ターンレートｒｓｅｔを用いて、オートパイロット制御を行う（Ｓ１４）。
　（船体特性パラメータの設定の第１態様）
　図５は、船体特性パラメータ設定部の第１態様の構成を示す機能ブロック図である。図６は、船体特性パラメータの設定の第１態様のシステム構成図である。
　図５に示すように、船体特性パラメータ設定部２１は、操縦性指数算出部２１１、転舵速度算出部２１２、および、特性パラメータ推定部２１３を備える。
　操縦性指数算出部２１１には、船首方位θＨ、回頭角速度ｒｔ、および、舵角ｒａが入力される。これらの船首方位θＨ、回頭角速度ｒｔ、および、舵角ｒａは、操作性指数の算出のために生成されており、例えば、Ｚ試験（より具体的には、５°Ｚ試験）によって得られる。
　図６に示すように、船首方位θＨは、センサ４０から操縦性指数算出部２１１に入力される。
　回頭角速度ｒｔは、回頭角速度算出部２０２から操縦性指数算出部２１１に入力される。回頭角速度算出部２０２は、センサ４０で計測した船首方位θＨの時間変化率から回頭角速度ｒｔを算出する。回頭角速度算出部２０２は、例えば、船体特性パラメータ設定部２１を含むオートパイロット制御部２０を構成する演算処理装置によって実現される。
　舵角ｒａは、舵角センサ４２から操縦性指数算出部２１１に入力される。より具体的には、指令舵角決定部２０１は、Ｚ試験において船首方位θＨによって指令舵角ｒｉを切り替える。指令舵角決定部２０１は、オートパイロット制御部２０によって実現される。指令舵角決定部２０１は、指令舵角ｒｉを舵機９２に出力する。舵機９２は、指令舵角ｒｉに応じて、舵角制御する。舵角センサ４２は、舵機９２の舵角（実舵角）ｒａを計測し、操縦性指数算出部２１１に出力する。なお、舵角センサ４２は、舵角ｒａを、転舵速度算出部２１２にも出力する。
　操縦性指数算出部２１１は、船首方位θＨ、回頭角速度ｒｔ、および、舵角ｒａを用いて、操縦性指数、すなわち、旋回性指数（ゲイン）Ｋ、および、追従性指数（時定数）Ｔを算出する。例えば、操縦性指数算出部２１１は、既知の野本モデルを用いて、操縦性指数（旋回性指数Ｋ、および、追従性指数Ｔ）を算出する。
　転舵速度算出部２１２は、舵角ｒａの時間変化率から転舵速度ωｒａを算出する。
　特性パラメータ推定部２１３は、操縦性指数（旋回性指数Ｋ、および、追従性指数Ｔ）、および、転舵速度ωｒａを用いて、船体特性パラメータ（旋回性指数（ゲイン）Ｋ＊、追従性指数（時定数）Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を算出する。この際、特性パラメータ推定部２１３は、ステップ状の指令舵角に対する回頭角速度の応答シミュレーションを用いて、船体特性パラメータを算出する。
　図７は、特性パラメータ推定部の構成を示す機能ブロック図である。図８は、船体特性パラメータを設定するための回頭角速度の応答波形の一例を示す波形図である。
　図７に示すように、特性パラメータ推定部２１３は、シミュレーション入力値設定部２３１、Ｓｈｉｐモデル演算部２３２、および、パラメータ算出部２３３を備える。
　シミュレーション入力値設定部２３１には、転舵速度ωｒａが入力される。また、シミュレーション入力値設定部２３１には、指令舵角ｒｉが入力される。シミュレーション入力値設定部２３１は、指令舵角ｒｉが最大値となるように、ステップ状に、シミュレーション用の指令舵角を設定し、指令舵角に対するランプ関数を用いて、シミュレーション入力値を設定する。この際、シミュレーション入力値設定部２３１は、ランプ関数の傾きを、転舵速度ωｒａによって設定する。シミュレーション入力値設定部２３１は、シミュレーション入力値を、Ｓｈｉｐモデル演算部２３２に出力する。
　Ｓｈｉｐモデル演算部２３２は、シミュレーション入力値と、操縦性指数（旋回性指数Ｋ、および、追従性指数Ｔ）とを、野本モデルに適用して、回頭角速度ｒｔをシミュレーションする。この演算によって、図８に示すような、回頭角速度ｒｔの時間変化のシミュレーション波形が得られる。図８に示すように、回頭角速度ｒｔは、ランプ関数の傾き（転舵速度ωｒａ）と追従性指数Ｔに応じて、経時的に増加し、指令舵角ｒｉに旋回性指数Ｋを乗算した値（Ｋｒｉ）で頭打ちする非線形波形となる。Ｓｈｉｐモデル演算部２３２は、シミュレーションで得られた回頭角速度ｒｔを、パラメータ算出部２３３に出力する。
　パラメータ算出部２３３は、操縦性指数の旋回性指数Ｋ、および、シミュレーションで得られた回頭角速度ｒｔを用いて、船体特性パラメータ（旋回性指数（ゲイン）Ｋ＊、追従性指数（時定数）Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を算出する。
　より具体的には、パラメータ算出部２３３は、操縦性指数の旋回性指数Ｋを用いて、船体特性パラメータの旋回性指数Ｋ＊を算出する。例えば、パラメータ算出部２３３は、船体特性パラメータの旋回性指数Ｋ＊を、操縦性指数の旋回性指数Ｋと同じ値にする。
　パラメータ算出部２３３は、回頭角速度ｒｔのシミュレーション波形における回頭角速度が所定値の時間を用いて、船体特性パラメータの追従性指数Ｔ＊およびむだ時間Ｌを算出する。より具体的には、パラメータ算出部２３３は、シミュレーション波形における回頭角速度ｒｔの第１値（図８のａＫｒｉの値）での時間ｔａを検出する。パラメータ算出部２３３は、シミュレーション波形における回頭角速度ｒｔの第２値（図８のｂＫｒｉの値）での時間ｔｂを検出する。なお、ａ、ｂは、０より大きく１より小さい値であり、ａはｂよりも小さい（ａ＜ｂ）。例えば、第１値は、波形の傾きの変化率が変化する区間から波形の傾きの変化率が一定となる区間に移行する境界付近に設定される。また、第２値は、波形の傾きの変化率が一定となる区間から波形の傾きの変化率が変化する区間に移行する境界付近に設定される。また、時間ｔａ、時間ｔｂは、指令舵角のステップ幅によって変化させる。
　パラメータ算出部２３３は、時間ｔａ、および、時間ｔｂと、次式を用いて、船体特性パラメータの追従性指数Ｔ＊を算出する。
　Ｔ＊＝Ｃ１（ｔｂ－ｔａ）
　Ｃ１は、所定の定数である。
　パラメータ算出部２３３は、時間ｔａ、および、時間ｔｂと、次式を用いて、船体特性パラメータのむだ時間Ｌを算出する。
　Ｌ＝Ｃ２１ｔａ－Ｃ２２ｔｂ
　Ｃ２１およびＣ２２は、所定の定数である。
　このような処理を行うことによって、特性パラメータ推定部２１３は、船体９０および舵機９２の形状、大きさ、性能に応じた船体特性パラメータを推定して、算出できる。
　なお、これらの処理は、プログラム等にして予め記憶部に記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理装置によって、このプログラムを読み出して実行することで、実現してもよい。この場合、演算処理装置は、例えば、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すフローチャートの処理を実行すればよい。図９（Ａ）は、操縦性指数の第１の算出態様の概略処理を示すフローチャートであり、図９（Ｂ）は、船体特性パラメータの算出の概略処理を示すフローチャートである。
　演算処理装置は、Ｚ試験の実施を制御する（Ｓ２１）。演算処理装置は、船首方位θＨを計測し（Ｓ２２）、回頭角速度ｒｔを算出する（Ｓ２３）。また、演算処理装置は、舵角ｒａを計測する（Ｓ２４）。
　演算処理装置は、船首方位θＨ、回頭角速度ｒｔ、および、舵角ｒａを用いて、操縦性指数を算出する（Ｓ２５）。
　演算処理装置は、転舵速度ωｒａと指令舵角ｒｉとを用いて、シミュレーション入力値を設定する（Ｓ２６１）。演算処理装置は、シミュレーション入力値と、操作性指数とを用いて、Ｓｈｉｐ演算を実行する（Ｓ２６２）。
　演算処理装置は、シミュレーション結果である回頭角速度の応答波形から、船体特性パラメータを算出する（Ｓ２６３）。
　（船体特性パラメータの設定の第２態様）
　図１０は、船体特性パラメータ設定部の第２態様の構成を示す機能ブロック図である。図１１は、船体特性パラメータの設定の第２態様のシステム構成図である。
　図１０に示すように、船体特性パラメータ設定部２１Ａは、操縦性指数算出部２１１Ａ、転舵速度算出部２１２、および、特性パラメータ推定部２１３を備える。なお、転舵速度算出部２１２、および、特性パラメータ推定部２１３の構成および基本的な処理は、上述の船体特性パラメータ設定部２１における転舵速度算出部２１２、および、特性パラメータ推定部２１３の構成および基本的な処理と同様であり、詳細な説明は省略する。
　操縦性指数算出部２１１Ａには、水線間長Ｌｐｐ、船幅Ｂ、および、船速ｖが入力される。
　水線間長Ｌｐｐは、船体長ＬＬから算出される。具体的には、例えば、水線間長Ｌｐｐは、Ｌｐｐ＝ｋ１Ｌの算出式によって算出される。なお、ｋ１は１．０よりも小さい所定の定数であり、船体９０の喫水高等によって設定できる。船体長ＬＬは、例えば、操作部３０（図１１での船体長入力部３１に相当）にてユーザ等によって入力される。
　船幅Ｂは、例えば、操作部３０（図１１での船幅入力部３２に相当）にてユーザ等によって入力される。船速ｖは、例えば、センサ４０で計測され、入力される。
　操縦性指数算出部２１１Ａは、水線間長Ｌｐｐ、船幅Ｂ、および、船速ｖを用いて、操縦性指数、すなわち、旋回性指数（ゲイン）Ｋ、および、追従性指数（時定数）Ｔを算出する。
　具体的には、図１１に示すように、操縦性指数算出部２１１Ａは、旋回性指数算出部２１１１、無次元化部２１１２、無次元化追従性指数算出部２１１３、および、有次元化部２１１４を備える。
　旋回性指数算出部２１１１には、水線間長Ｌｐｐと船幅Ｂとが入力される。旋回性指数算出部２１１１は、水線間長Ｌｐｐと船幅Ｂとから、次式を用いて、旋回性指数Ｋを算出する。
　Ｋ＝ｆ１（Ｌｐｐ）／ｆ２（Ｂ）＋Ｃ３
　なお、ｆ１（Ｌｐｐ）は、水線間長Ｌｐｐによって決まる定数であり、ｆ２（Ｂ）は、船幅Ｂによって決まる定数であり、Ｃ３は所望の定数である。この式は、船体９０と同様の形状からなる複数の船舶による実験結果から統計的に導き出されたものである。
　無次元化部２１１２には、旋回性指数Ｋ、水線間長Ｌｐｐ、および、船速ｖが入力される。無次元化部２１１２は、水線間長Ｌｐｐおよび船速ｖを用いて、旋回性指数Ｋを無次元化する。無次元化旋回性指数Ｋ'は、例えば、Ｋ'＝（Ｌｐｐ／ｖ）Ｋの式から算出される。
　無次元化追従性指数算出部２１１３には、無次元化旋回性指数Ｋ'が入力される。無次元化追従性指数算出部２１１３は、無次元化旋回性指数Ｋ'から、次式を用いて、無次元化追従性指数Ｔ'を算出する。
　Ｔ'＝ｋ２Ｋ'－Ｃ４
　なお、ｋ２、Ｃ４は、所望の定数である。この式は、船体９０と同様の形状からなる複数の船舶による実験結果から統計的に導き出されたものである。
　有次元化部２１１４には、無次元化追従性指数Ｔ'、水線間長Ｌｐｐ、および、船速ｖが入力される。有次元化部２１１４は、水線間長Ｌｐｐ、および、船速ｖを用いて、無次元化追従性指数Ｔ'を有次元化する。有次元化された追従性指数Ｔは、例えば、Ｔ＝（Ｌｐｐ／ｖ）Ｔ'の式から算出される。
　操縦性指数算出部２１１Ａは、旋回性指数算出部２１１１から出力された旋回性指数Ｋと、有次元化部２１１４から出力された追従性指数Ｔとを、特性パラメータ推定部２１３に出力する。
　操縦性指数算出部２１１Ａは、このような構成および処理を用いることによって、船体９０および舵機９２の形状、大きさ、性能に応じた操縦性指数を算出でき、ひいては、特性パラメータ推定部２１３は、船体９０および舵機９２の形状、大きさ、性能に応じた船体特性パラメータを推定して、算出できる。
　なお、上述の旋回性指数Ｋの算出式、および、無次元化追従性指数Ｔ'の算出式は、船舶の仕様によって、例えば排水艇か滑走艇かによって、水線間長Ｌｐｐ、船幅Ｂ、無次元化旋回性指数Ｋ'に乗算する係数を変化させると、よりよい。
　また、この構成および処理を採用することで、船体特性パラメータ設定部２１Ａは、Ｚ試験を行わなくても、船体特性パラメータを設定できる。
　なお、これらの処理は、プログラム等にして予め記憶部に記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理装置によって、このプログラムを読み出して実行することで、実現してもよい。この場合、演算処理装置は、例えば、図１２に示すフローチャートの処理を実行すればよい。図１２は、操縦性指数の第２の算出態様の概略処理を示すフローチャートである。
　演算処理装置は、船体長ＬＬの入力を受け付け（Ｓ３１１）、水線間長Ｌｐｐを算出する（Ｓ３２）。また、演算処理装置は、船幅Ｂの入力を受け付け（Ｓ３１２）、船速ｖを計測する（Ｓ３１３）。
　演算処理装置は、水線間長Ｌｐｐと船幅Ｂとから、旋回性指数Ｋを算出する（Ｓ３３）。演算処理装置は、水線間長Ｌｐｐと船速ｖとを用いて、旋回性指数Ｋを無次元化し、無次元化旋回性指数Ｋ'を算出する（Ｓ３４）。
　演算処理装置は、無次元化旋回性指数Ｋ'から、無次元化追従性指数Ｔ'を算出する（Ｓ３５）。演算処理装置は、無次元化追従性指数Ｔ'を有次元化し、追従性指数Ｔを算出する（Ｓ３６）。
　（設定ターンレートｒｓｅｔの具体的な算出方法）
　図１３は、船首方位の時間変化の一例を示すグラフである。図１３に示す二点鎖線は、舵角ｒａの上限値ｒａｍａｘのステップ関数を入力したときの船首方位の時間変化を示す。実線は、設定ターンレートｒｓｅｔを算出するための直線を示す。また、θｓｅｔは、目標方位である。
　図１３に示すように、船首方位は、むだ時間Ｌの間、変化せず、一次遅れ系の追従性指数（時定数）Ｔ＊に応じて徐々に立ち上がり、一次遅れ系の旋回性指数Ｋ＊に応じた変化率で変化して、目標方位θｓｅｔに到達する。
　そこで、設定ターンレート算出部２２は、この特性を利用し、設定ターンレートｒｓｅｔを算出する。より具体的には、設定ターンレート算出部２２は、制御開始時間と目標方位θｓｅｔへの到達時間との時間差（一次遅れ系の船体特性パラメータから決定される）と、目標方位θｓｅｔとから、次式を用いて、設定ターンレートｒｓｅｔを算出する。
　ｒｓｅｔ＝θｓｅｔ／ｆ３（Ｌ，Ｔ＊，Ｋ＊，θｓｅｔ）
　なお、ｆ３（Ｌ，Ｔ＊，Ｋ＊，θｓｅｔ）は、制御開始時間と船首方位の目標方位θｓｅｔへの到達時間との時間差を定義する定数である。すなわち、設定ターンレート算出部２２は、図１３に示す実線の傾きを、設定ターンレートｒｓｅｔに設定する。
　これにより、設定ターンレート算出部２２は、設定ターンレートｒｓｅｔを、船体９０の形状、大きさ、性能に応じた適正値に、設定できる。
　（制御パラメータの具体的な設定方法）
　図１４（Ａ）は、船首方位θＨと目標方位θｓｅｔの時間変化を示すグラフであり、実線が船首方位を示し、点線が目標方位を示す。図１４（Ｂ）は、設定ターンレートｒｓｅｔと回頭角速度ｒｔとの時間変化を示すグラフであり、実線が回頭角速度ｒｔを示し、点線が設定ターンレートｒｓｅｔを示す。図１４（Ｃ）は、舵角ｒａの時間変化を示すグラフである。
　制御パラメータ算出部２３は、変針時における船首方位θＨ、回頭角速度ｒｔ、および、舵角ｒａのそれぞれに関する評価基準を設定する。
　（変針時の船首方位θＨに関する評価基準）
　制御パラメータ算出部２３は、船首方位θＨの目標方位θｓｅｔに対するオーバシュート量Ｍと、その目標値Ｍｓｅｔとの二乗誤差に基づいて、評価基準に設定する。すなわち、制御パラメータ算出部２３は、図１４（Ａ）に示す船首方位θＨが目標方位θｓｅｔを超えた期間における最大値と、その最大値に対する目標値との差に基づいて、評価基準に設定する。
　なお、例えば、オーバシュート量の目標値Ｍｓｅｔは、船体９０の所望の挙動を実現するために必要な最大のオーバシュート量で設定することが可能である。
　（変針時の回頭角速度ｒｔに関する評価基準）
　制御パラメータ算出部２３は、回頭角速度ｒｔと設定ターンレートｒｓｅｔとの二乗誤差に基づいて、評価基準に設定する。より具体的には、制御パラメータ算出部２３は、回頭角速度ｒｔが設定ターンレートｒｓｅｔに初めて達した時間を時間ｔ１（図１４（Ｂ）参照）として検出する。また、制御パラメータ算出部２３は、船首方位θＨが目標方位θｓｅｔに初めて達した時間を時間ｔ２（図１４（Ａ）参照）として検出する。
　制御パラメータ算出部２３は、時間ｔ１から時間ｔ２の間における回頭角速度ｒｔと設定ターンレートｒｓｅｔとの二乗誤差に基づいて、評価基準に設定する。より具体的には、制御パラメータ算出部２３は、時間ｔ１から時間ｔ２の間における回頭角速度ｒｔと設定ターンレートｒｓｅｔとの二乗誤差の統計値を、評価基準に設定する。すなわち、制御パラメータ算出部２３は、図１４（Ｂ）に示す時間ｔ１と時間ｔ２との間の期間における回頭角速度ｒｔと設定ターンレートｒｓｅｔと差に基づいて、評価基準を設定する。
　（変針時の舵角ｒａに関する評価基準）
　制御パラメータ算出部２３は、舵角ｒａの二乗値に基づいて、評価基準を設定する。より具体的には、制御パラメータ算出部２３は、舵角ｒａの二乗値の統計値を、評価基準に設定する。すなわち、制御パラメータ算出部２３は、図１４（Ｃ）に示す。基準舵角（舵角ｒａ＝０°）に対する舵角ｒａの大きさに基づいて、評価基準を設定する。
　このような評価基準を設定することで、制御パラメータ算出部２３は、船体９０の形状、大きさ、性能に応じた適正な評価基準を設定できる。
　制御パラメータ算出部２３は、上述の各評価基準を用いた評価関数を設定する。そして、制御パラメータ算出部２３は、評価関数が最小となるように、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）を算出する。これにより、算出される制御パラメータは、船体９０の形状、大きさ、性能に応じた適正な値となる。
　制御パラメータ算出部２３は、船体特性パラメータ（旋回性指数（ゲイン）Ｋ＊、追従性指数（時定数）Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）毎に、制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）を予め算出している。そして、制御パラメータ算出部２３は、各組合せを、データベース化して記憶する。
　制御パラメータ算出部２３は、船体特性パラメータ（旋回性指数（ゲイン）Ｋ＊、追従性指数（時定数）Ｔ＊、および、むだ時間Ｌ）を受け付けると、データベースを検索し、受け付けた船体制御パラメータに対応する制御パラメータ（Ｐ制御用比例係数ＫＰ、Ｄ制御用比例係数ＫＤ）をデータベースから読み出し、出力する。
　なお、これらの処理は、プログラム等にして予め記憶部に記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理装置によって、このプログラムを読み出して実行することで、実現してもよい。この場合、演算処理装置は、例えば、図１５に示すフローチャートの処理を実行すればよい。図１５は、制御パラメータの算出の概略処理を示すフローチャートである。
　演算処理装置は、目標方位θｓｅｔに対する船首方位θＨのオーバシュート量Ｍを算出し、オーバシュート量Ｍとその目標値Ｍｓｅｔとの二乗誤差を算出する（Ｓ４１１）。演算処理装置は、設定ターンレートｒｓｅｔと回頭角速度ｒｔとの二乗誤差を算出する（Ｓ４１２）。演算処理装置は、舵角ｒａの二乗値を算出する（Ｓ４１３）。
　演算処理装置は、上述の各算出値に基づいて評価基準を設定し、当該評価基準によって評価関数を設定する（Ｓ４１４）。演算処理装置は、評価関数を用いて、制御パラメータを推定、算出する（Ｓ４１５）。
　なお、上述の説明では、制御パラメータと設定ターンレートｒｓｅｔとを、一次遅れとむだ時間の結合系で設定された船体特性パラメータから設定する態様を示した。しかしながら、設定ターンレートｒｓｅｔは、予め決められた所定値にしてもよい。
　また、上述の説明では、評価関数の評価基準を３種類用いる態様を示した。しかしながら、上述の３種類のうち、少なくとも１種類を用いて評価関数を設定してもよい。
１０：船体制御装置
２０：オートパイロット制御部
２１、２１Ａ：船体特性パラメータ設定部
２２：設定ターンレート算出部
２３：制御パラメータ算出部
２４：オートパイロット実行部
３０：操作部
３１：船体長入力部
３２：船幅入力部
４０：センサ
４２：舵角センサ
５０：表示部
６０：推進力制御部
９０：船体
９１：推進力発生部
９２：舵機
１００：データ通信ネットワーク
２０１：指令舵角決定部
２０２：回頭角速度算出部
２１１、２１１Ａ：操縦性指数算出部
２１２：転舵速度算出部
２１３：特性パラメータ推定部
２３１：シミュレーション入力値設定部
２３２：Ｓｈｉｐモデル演算部
２３３：パラメータ算出部
９０１：船首
９０２：船尾
２１１１：旋回性指数算出部
２１１２：無次元化部
２１１３：無次元化追従性指数算出部
２１１４：有次元化部

Claims (22)

  1. 　舵機の挙動と船体の挙動を一体とした一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定する船体特性パラメータ設定部と、
    　前記船体特性パラメータを用いて、前記舵機の舵角に対するフィードバック制御の制御パラメータを算出する制御パラメータ算出部と、
    　前記制御パラメータを用いて、前記フィードバック制御を行う、オートパイロット実行部と、
    　を備える、船体制御装置。
  2. 　請求項１に記載の船体制御装置であって、
    　前記船体特性パラメータを用いて、前記舵角に対する指令舵角の設定ターンレートを算出する設定ターンレート算出部を備え、
    　前記オートパイロット実行部は、
    　前記設定ターンレートを用いて、前記フィードバック制御を行う、
    　船体制御装置。
  3. 　請求項２に記載の船体制御装置であって、
    　前記設定ターンレート算出部は、
    　前記船体特性パラメータと目標方位とを用いて、前記設定ターンレートを算出する、
    　船体制御装置。
  4. 　請求項２または請求項３に記載の船体制御装置であって、
    　前記制御パラメータ算出部は、
    　前記舵角、回頭角速度、および、船首方位を評価基準に含む評価関数を用いて、前記制御パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  5. 　請求項４に記載の船体制御装置であって、
    　前記制御パラメータ算出部は、
    　目標方位に対する前記船首方位のオーバシュート量とその目標値との二乗誤差を前記評価基準に含んで、前記制御パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  6. 　請求項４または請求項５に記載の船体制御装置であって、
    　前記制御パラメータ算出部は、
    　前記設定ターンレートと前記回頭角速度との二乗誤差を前記評価基準に含んで、前記制御パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  7. 　請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の船体制御装置であって、
    　前記制御パラメータ算出部は、
    　前記舵角の二乗値を前記評価基準に含んで、前記制御パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  8. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の船体制御装置であって、
    　前記船体特性パラメータ設定部は、
    　船首方位、回頭角速度、および、前記舵角を用いて、操縦性指数を算出する操縦性指数算出部と、
    　前記舵角を用いて、転舵速度を算出する転舵速度算出部と、
    　前記操縦性指数と前記転舵速度とを用いて、前記船体特性パラメータを算出する特性パラメータ推定部と、
    　を備える、船体制御装置。
  9. 　請求項８に記載の船体制御装置であって、
    　前記特性パラメータ推定部は、
    　前記転舵速度と前記操縦性指数とから算出される回頭角速度の時間変化特性を用いて、前記船体特性パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  10. 　請求項９に記載の船体制御装置であって、
    　前記特性パラメータ推定部は、
    　前記時間変化特性における前記回頭角速度がそれぞれに異なる所定値となる２つの時間を用いて、前記船体特性パラメータを算出する、
    　船体制御装置。
  11. 　請求項１０に記載の船体制御装置であって、
    　前記特性パラメータ推定部は、
    　前記時間変化特性を用いて、前記船体特性パラメータにおける追従性指数およびむだ時間の少なくとも一方を算出する、
    　船体制御装置。
  12. 　請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の船体制御装置であって、
    　前記船体特性パラメータ設定部は、
    　前記船体に対する水線間長、前記船体の幅、および、前記船体の船速を用いて、操縦性指数を算出する操縦性指数算出部と、
    　前記舵角を用いて、転舵速度を算出する転舵速度算出部と、
    　前記操縦性指数と前記転舵速度とを用いて、前記船体特性パラメータを算出する特性パラメータ推定部と、
    　を備える、船体制御装置。
  13. 　請求項１２に記載の船体制御装置であって、
    　前記操縦性指数算出部は、
    　前記水線間長と前記船体の幅とを用いて、前記操縦性指数における旋回性指数を算出する旋回性指数算出部と、
    　前記旋回性指数、前記水線間長、および、前記船速を用いて、前記操縦性指数における追従性指数を算出する追従性指数算出部と、
    　を備える、
    　船体制御装置。
  14. 　請求項１３に記載の船体制御装置であって、
    　前記操縦性指数算出部は、
    　前記旋回性指数を無次元化する無次元化部を備え、
    　前記追従性指数算出部は、
    　　前記無次元化された旋回性指数から、無次元化追従性指数を算出する無次元化追従性指数算出部と、
    　　前記無次元化追従性指数を有次元化する有次元化部と、
    　を備える、
    　船体制御装置。
  15. 　舵機の挙動と船体の挙動を一体とした一次遅れとむだ時間の結合系の船体特性パラメータを設定し、
    　前記船体特性パラメータを用いて、前記舵機の舵角に対するフィードバック制御の制御パラメータを算出し、
    　前記制御パラメータを用いて、前記フィードバック制御を行う、
    　船体制御方法。
  16. 　請求項１５に記載の船体制御方法であって、
    　前記船体特性パラメータを用いて、前記舵角に対する指令舵角の設定ターンレートを算出し、
    　前記設定ターンレートを用いて、前記フィードバック制御を行う、
    　船体制御方法。
  17. 　請求項１６に記載の船体制御方法であって、
    　前記船体特性パラメータと目標方位とを用いて、前記設定ターンレートを算出する、
    　船体制御方法。
  18. 　請求項１６または請求項１７に記載の船体制御方法であって、
    　前記舵角、回頭角速度、および、船首方位を評価基準に含む評価関数を用いて、前記制御パラメータを算出する、
    　船体制御方法。
  19. 　請求項１６乃至請求項１８のいずれかに記載の船体制御方法であって、
    　船首方位、回頭角速度、および、前記舵角を用いて、操縦性指数を算出し、
    　前記舵角を用いて、転舵速度を算出し、
    　前記操縦性指数と前記転舵速度とを用いて、前記船体特性パラメータを算出する、
    　船体制御方法。
  20. 　請求項１９に記載の船体制御方法であって、
    　前記転舵速度と前記操縦性指数とから算出される回頭角速度の時間変化特性を用いて、前記船体特性パラメータを算出する、
    　船体制御方法。
  21. 　請求項１６乃至請求項１８のいずれかに記載の船体制御方法であって、
    　前記船体に対する水線間長、前記船体の幅、および、前記船体の船速を用いて、操縦性指数を算出し、
    　前記舵角を用いて、転舵速度を算出し、
    　前記操縦性指数と前記転舵速度とを用いて、前記船体特性パラメータを算出する、
    　船体制御方法。
  22. 　請求項２１に記載の船体制御方法であって、
    　前記水線間長と前記船体の幅とを用いて、前記操縦性指数における旋回性指数を算出し、
    　前記旋回性指数、前記水線間長、および、前記船速を用いて、前記操縦性指数における追従性指数を算出する、
    　船体制御方法。
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