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公開番号2021064248
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210422
出願番号2019189368
出願日20191016
発明の名称船舶用自動操船装置
出願人東京計器株式会社
代理人個人
主分類G05B 11/36 20060101AFI20210326BHJP(制御;調整)
要約【課題】TCSとBCSとを統合して船舶の操船制御を行うことができる船舶用自動操船装置を提供する。
【解決手段】surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置4と、船首方位及び船体位置を検出するセンサ5とを備える船舶用自動操船装置1であって、予め設定された計画航路に追従するように船舶のsway方向の船体位置y及び船首方位ψのフィードバック制御を行う航路制御部と、計画航路における目的地である到達位置(xB,yB)に船体位置(x,y)を一致させるように船舶のsurge方向及びsway方向の船体位置(x,y)をフィードバック制御する位置制御部と、到達位置(xB,yB)と船体位置(x,y)との離間距離に基づいて、航路制御部によりフィードバック制御を行う移動モードと、位置制御部によりフィードバック制御を行う保持モードとを切り替えるモード切替部15とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操船装置であって、
予め設定された計画航路に追従するように前記船舶のsway方向の船体位置及び船首方位のフィードバック制御を行う航路制御部と、
前記計画航路における目的地である到達位置に前記船体位置を一致させるように前記船舶のsurge方向及びsway方向の船体位置をフィードバック制御する位置制御部と、
前記到達位置と船体位置との離間距離に基づいて、前記航路制御部によりフィードバック制御を行う移動モードと、前記位置制御部によりフィードバック制御を行う保持モードとを切り替えるモード切替部と
を備える船舶用自動操船装置。
続きを表示(約 600 文字)【請求項2】
前記航路制御部は、予め設定された参照速度に追従するように前記船舶のsurge速度をフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操船装置。
【請求項3】
前記参照速度は、前記到達位置に向かって漸次減速するように予め設定され、前記モード切替部は、前記参照速度が所定の速度閾値以下である場合に、前記移動モードから前記保持モードに切り替えることを特徴とする請求項2に記載の船舶用自動操船装置。
【請求項4】
前記モード切替部は、前記到達位置と船体位置との距離が所定の距離閾値以下である場合に、前記移動モードから前記保持モードに切り替えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船舶用自動操船装置。
【請求項5】
船体位置に基づいて前記船舶の対地速度を推定する速度推定部を更に備え、
前記航路制御部は、前記参照速度と前記推定された対地速度との誤差に基づいて、前記船舶のsurge速度をフィードバック制御することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の船舶用自動操船装置。
【請求項6】
前記位置制御部は、前記到達位置において、前記船舶の船首方位が予め設定された到達方位を向くように該船首方位をフィードバック制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の船舶用自動操船装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、離着桟制御を行う船舶用自動操船装置に関する。
続きを表示(約 5,500 文字)【背景技術】
【0002】
近年、利便性向上の期待や航海機器とのシステム化の実現などを目的として、船舶の離着桟操船を自動で制御する離着桟制御システム(以下、BCS:Berthing Control System)の需要が拡大している。BCSは、船体方位と船体位置とを出発点から到達点まで移動・保持するシステムであり、その制御方法として、非特許文献1,2が知られている。
【0003】
また、計画航路に追従させる航路制御システム(以下、TCS:Track Control System)に関連する技術として、指令舵角を出力するフィードバック制御部を、方位誤差、航路誤差及び潮流の推定を行う推定器と、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器として構成し、推定器が、方位制御系フィードバックゲイン器へsway方向の潮流推定誤差に基づく修正量を入力することを特徴とする船舶用自動操舵装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
小瀬邦治、福戸淳司、菅野賢治、赤木茂、原田美秀子著「船の自動離着棧システムに関する研究」日本造船学会論文集第160号、1986年、p.103‐p.110
小山健夫、金雁、金奎煥著「船の自動離着棧のシステム的考察(第1報)」日本造船学会論文集第162号、1987年、p.201‐p.210
【特許文献】
【0005】
特開2016−159695号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、TCSとBCSとを統合して船舶の操船制御を行うことができる船舶用自動操船装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施形態においては、surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操船装置であって、予め設定された計画航路に追従するように前記船舶のsway方向の船体位置及び船首方位のフィードバック制御を行う航路制御部と、前記計画航路における目的地である到達位置に前記船体位置を一致させるように前記船舶のsurge方向及びsway方向の船体位置をフィードバック制御する位置制御部と、前記到達位置と船体位置との離間距離に基づいて、前記航路制御部によりフィードバック制御を行う移動モードと、前記位置制御部によりフィードバック制御を行う保持モードとを切り替えるモード切替部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【0008】
船舶用自動操船装置と制御対象とを含むシステム全体のブロック図である。
フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。
計画航路と制御モードとを示す図である。
船体モデルを示す図である。
アジマススラスターの特性を示す図である。
保持モードにおける誤差を示す図である。
移動モードにおける誤差を示す図である。
移動モード及び保持モードのそれぞれに対応する制御対象を示す図である。
surge方向の速度制御を示す図である。
参照速度の時系列を示す図である。
船体速度と潮流成分とを示す図である。
簡略化した速度制御を示す図である。
surge方向の位置制御を示す図である。
シミュレーションにおける速度制御に係る制御ゲインを示す図である。
シミュレーションにおける位置制御に係る制御ゲインを示す図である。
シミュレーション結果における計画航路と船体航跡とを示す図である。
シミュレーション結果における船体運動量を示す図である。
シミュレーション結果における誤差量を示す図である。
シミュレーション結果における操作量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【0010】
(1.1 船舶用自動操船装置の構成)
まず、本実施形態に係る船舶用自動操船装置を含むシステムについて説明する。図1は、船舶用自動操船装置と制御対象とを含むシステム全体のブロック図である。図2は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。
【0011】
図1に示すように、本実施形態における船舶用自動操船装置1は、推進駆動装置4及びセンサ類5が備えられた船体3を制御するものであって、船体位置を計画航路に追従させるとともに、計画航路における最終地点である到達位置に一致させるように、surge方向及びsway方向の速度n

,θ

、yaw周りの角速度θ

を制御可能な推進駆動装置4によって制御する装置である。ここで推進駆動装置4は、船首と船尾とに設けられたアジマススラスターとする。
【0012】
船舶用自動操船装置1は、軌道計画部11、誤差演算部12、フィードバック制御部13、速度推定部14、モード切替部15を備えている。誘導システム2から計画航路が軌道計画部11に入力され、軌道計画部11からは参照方位ψ

、参照位置x

、y

、参照速度u

、到達方位ψ

、到達位置x

,y

を含む参照信号が出力される。ここで、参照方位ψ

は船体3を航路に追従させるための方位であり、参照位置x

、y

は航路上の一点である。また、到達位置x

,y

は計画航路の終点であり目的地点の位置であり、到達方位ψ

は予め設定された到達位置x

,y

において船体3が向くべき方位である。
【0013】
船体3のセンサ類5は、船体3の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体位置(x,y)を検出するGNSSセンサを含む。なお、センサ類5は、船首方位ψ、船体位置(x,y)をそれぞれ検出可能なセンサを含むものであれば良い。
【0014】
速度推定部14には、センサ類5からの検出信号のうち、船体位置(x,y)が入力され、速度推定部14は、船体位置(x,y)に基づいて船体3の速度を推定して推定速度u^として出力する。
【0015】
誤差演算部12には、船首方位ψ、船体位置(x,y)等のセンサ類5からの検出信号と速度推定部14からの推定速度u^が入力され、誤差演算部12は、参照方位ψ

、参照位置x

,y

、到達方位ψ

、到達位置x

,y

、参照速度u

と、検出信号、推定速度との比較を行い、方位誤差ψ

、航路誤差y

、位置誤差x

,y

、速度誤差u

を出力する。
【0016】
フィードバック制御部13は、図2に示すように、航路制御部132と、位置制御部133とを備える。航路制御部132は、方位誤差ψ

を低減させるyaw角速度θ

、航路誤差y

、速度誤差u

をそれぞれ低減させるsurge速度n

、sway速度θ

を制御量として推進駆動装置4へ出力する。位置制御部133は、方位誤差ψ

を低減させるyaw角速度θ

、位置誤差x

,y

を低減させるsurge速度n

、sway速度θ

を制御量として推進駆動装置4へ出力する。
【0017】
モード切替部15は、後述する条件に基づいて、航路制御部132により制御量を推進駆動装置4へ出力させる移動モードと、位置制御部133により制御量を推進駆動装置4へ出力させる保持モードとを切り替える。また、モード切替部15は、誤差演算部12についても移動モードと保持モードとの切り替えを行う。
【0018】
誤差演算部12は、移動モードにおいて、参照方位ψ

と船首方位ψとの誤差、計画航路に対するsway方向の船体位置の誤差、参照速度u

と速度推定部14により出力された推定速度u^との誤差を、それぞれ、方位誤差ψ

、航路誤差y

、速度誤差u

としてフィードバック制御部13の航路制御部132に出力する。
【0019】
また、誤差演算部12は、保持モードにおいて、到達方位ψ

と船首方位ψとの誤差、到達位置x

,y

と船体位置x,yとの誤差を、それぞれ、方位誤差ψ

、位置誤差x

,y

としてフィードバック制御部13の位置制御部133に出力する。
【0020】
(1.2 計画航路と制御モード)
計画航路について説明する。図3は、計画航路と制御モードとを示す図である。
【0021】
船体位置の移動・保持は、図3に示すように、計画航路に船体航跡を追従させるものである。図3において、O−XYは地球固定座標、点Aは船体位置の出発点、点Bは到達点、点Wは点Aから点Bまでの中間点であるウェイポイント、点Cは旋回中心である。ウェイポイントは、多様な計画航路に対応するために設定される。
【0022】
計画航路は直線と曲線の組み合わせにより構成され、船舶用自動操船装置1は、計画航路上を移動モードと保持モードとで航行するように船舶を制御する。船舶用自動操船装置1は、概ね、以下のようなシーケンスにより計画航路に沿って出発位置である点Aから到達位置である点Bまでの航行を制御する。
【0023】
まず、船舶用自動操船装置1は、点Aにおける船体の船首方位ψを、初期方位ψ

から計画方位ψ
AW
に旋回制御によって収束させる(ステップ1)。計画方位ψ
AW
は、図3における直線AW方向における点W側を向く。次に、船舶用自動操船装置1は、船体位置を移動モードと保持モードとによって点Aから点Bに移し(ステップ2)、ステップ1と同様に、点Bにおける船首方位ψを、計画方位ψ
WB
から到達方位ψ

に一致させる(ステップ3)。ここで、計画方位ψ
WB
は、図3における直線WB方向における点B側を向き、到達方位ψ

は、点Bにおける船首方位ψとして予め設定される方位である。なお、旋回制御は、後述するように、旋回運動と方位制御とによって構成される。
【0024】
(1.3 船体モデル)
【0025】
船体運動モデルは、3自由度の線形項で表すと、次式になる。
【0026】
ここで、ξ=[u v r]

,γ=[γ

γ

γ



は推進駆動装置4の推力とモーメント、添字

は転置行列、添字





は、それぞれ、surge,sway,yawの運動成分を示し、一定船速はu

≒0とし、
【0027】
である。ここで、X
u・
,X

,Y
v・
,Y
r・
,N
v・
,N
r・
,Y

,Y

,N

,N

は流体微係数、mは質量、I

はyaw周りの慣性モーメント、x

は船体中央から重心までの距離である。
【0028】
(1)式を書き直すと、
【0029】
になる。ここで、
【0030】
ここで、添字
−1
は逆行列
(【0031】以降は省略されています)

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