JPH0330557B2

JPH0330557B2 -

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Publication number: JPH0330557B2
Application number: JP58092088A
Authority: JP
Priority date: 1983-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1991-04-30
Also published as: JPS59220496A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は船舶の自動操舵装置に係り、詳しく
は、船舶が波・風などの外乱下で航行する際、そ
の推進エネルギの直進航行時の推進エネルギから
の増加率を評価関数とし、この評価関数値が最小
となるように操舵させ、動特性および外乱適応型
とした省エネルギ型の船舶の自動操舵装置に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来の船舶の自動操舵装置は、周知の通り、設
定された方位に船舶を直進航行させること、すな
わち、方位偏差をできるだけ小さくすることにあ
る。このために、ジヤイロコンパスなどにより検
出された実方位と設定方位との差に、例えば、比
例、微分、積分などの演算を施して舵を取らせる
フイードバツク制御が行われている。さらに最近
においては、設定された方位に航行し、しかも、
省エネルギを目指すように制御している自動操舵
装置が出現している。そのような装置で制御を行
う際、ある評価関数を最小にするようにそのゲイ
ンを調整している。そして、現在までに提案され
かつ採用されている評価関数は、例えば J₁＝λ₁ ²＋λ₂ ²＋λ₃ψ〓²…… (1) なお、²は舵角の自乗平均値、 ²は方位角の自乗平均値、 ψ〓²は方位角速度の自乗平均値、 λ₁，λ₂，λ₃は重み係数、であつて、最適レギユレータ理論などを用いて最
適制御則を計算によつて求めている。

このような制御において、航行中の船体の運動
状態を諸検出量より同定するものや、その状態に
よつて重み係数を可変にする方法などが採られて
いるが、いずれにしてもジヤイロコンパスで検出
された方位角に基づいて、上記評価関数値を最小
にするものである。このような評価関数J₁は上述
したような自乗項のみで表わされており、後述す
る斜航角を加味する場合にも、斜航角を舵角と方
位角速度とを用いて近似的に求めている。このよ
うな評価関数が用いられているのは、それが自乗
項のみからなつていて、その値を最小にする制御
が、旧来から存在する近代制御理論を用いて極め
て容易に行い得ること、および、斜航角βを高精
度で検出するのが容易でないという理由に基づい
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような評価関数を用いた制御は、次のよう
な欠点がある。上述の評価関数J₁それ自体を、で
きるだけ小さな操作量により、できるだけ小さい
偏差に留めようという意味、船舶の制御に適用し
て言い換えると、船舶が直進状態からずれたと
き、それを直進状態に戻すために、最小のJ₁で戻
すことができるという意味しか持つていない。し
たがつて、後で詳しく述べるような外乱を受けて
航行する船舶における真の意味での省エネルギ機
能を有していない。すなわち、船体は舵を取つた
ときのみならず、外乱を横または斜めから受けた
ときも斜航するのであり、斜航角βを舵角δまた
は方位角速度ψのみで近似すると、操舵に無関係
な斜航が生じた場合、上記の近似は全く不合理と
なり、燃焼消費量が最小となる適切な操舵制御が
なされないことになる。

例えば、特開昭55−11968号公報に記載の船舶
運航制御方式においては、船体運動の独立な成分
である方位角ψと斜航角βを強引に従属とみな
し、方位角ψのみをフイードバツクし制御してい
る。すなわち、方位角ψと斜航角βの両者をフイ
ードバツクするようにはなつていない。したがつ
て、特開昭55−11968号公報の場合は動特性適応
型であるといえるが、外乱適応型とはなつていな
い。これは、制御則の導出が正しくないことに起
因している。

本発明は上述の欠点を解消するためになされた
もので、その目的は、コントローラにより舵角を
調整し目標針路に船舶を航行させる場合、上述し
た外乱をも考慮し、航行中ある目標に向かう航程
において、燃料消費量を最小に維持する省エネル
ギ航行を可能にした船舶の自動操舵装置を提供す
ることである。

すなわち、正しい状態変数（互いに独立な方位
角ψと斜航角β）を採用し、正しい評価関数J₂
（正定でない被積分関数）を用い、不規則な外乱
を現実に則したものとして処理する。そして、正
しい最適制御を採り、外乱の変化に応じて最適化
できるようになつている動特性および外乱適応型
である真の意味の省エネルギを図るものである。

ここで、上記した状態変数について、以下に説
明を加える。船体運動は方位角ψと斜航角（横流
れ角）βで表される。これらは、波、風などの不
規則な外乱を受けることにより、また舵を取るこ
とにより生じる。

ψ＝ψ_d＋ψ_r β＝β_d＋β_r ψ_d，β_dは外乱によるψ，β ψ_r，β_rは舵によるψ，β (a) このψ_r，β_rは入力である舵角δの出力である。

ψ〓_r＝F₁δ β_r＝F₂δ ψ〓_r＝ｄ／dtψ_r（ｄ／dtは時間微分） F₁，F₂はオペレータ (b) 近似的には、 β_r＝c₁ψ〓_r＋c₂δ c₁，c₂は定数 (c) と表せる。

しかし、ψ_d，β_dは独立である。なぜなら、互い
に独立な旋回モーメントと横力を成分とする不規
則な外乱により生じるからである。

ψ_d，β_dが独立ならば、ψ，βは独立である。し
たがつて、ψ，β，δから構成される評価関数
（評価基準）を最小にするδを求めるには、ψだ
けでなくβもフイードバツクしなければならな
い。

しかし、上記の特開昭55−11968号公報におい
ては、 β＝c₁ψ〓＋c₂δ c₁，c₂は定数 (d) としており、ψのみをフイードバツクしている。
上記した理由により、式(d)は正しくないのであ
る。

なお、本発明においては、省エネルギを可能に
する新しい評価関数を見出すと共に、斜航角の検
出を精度よく行うことができるようになつたの
で、実現できたものであるが、後者に関しては本
発明の要旨とするところでないので説明を省く。
なお、前者の新しい評価関数の詳細については後
述するが、概略は以下の通りである。従来の評価
関数J₁は前述したように方位角を小さくすること
を目的としているが、船舶がある目標までたとえ
方位角が大きい状態で航行しても、燃料消費量が
最小になれば何ら差し支えない。本発明は、それ
に採用される評価関数を最小にすることによつ
て、推進エネルギの増加を最小に留めることがで
きるという知見に基づくものである。

なお、評価関数の被積分関数は、ψ，ψ〓，β，
δの関数であり、正定ではない（ψ〓＝ｄ／dtψ）。特開昭55−11968号公報では、一般形としてはψ，
ψ，β，δの関数〔該公報の式(8)′〕として表現
されているが、使つているのは、ψ，ψ〓，δの関
数であり〔該公報の式(8)〕、これは正定である。

ちなみに、不規則な外乱は有色雑音である。し
かし、特開昭55−11968号公報では、最適制御則
の導出過程から推して、白色雑音としている。ま
た、最適制御則について、特開昭55−11968号公
報では、評価関数の被積分関数が正定であり、外
乱を白色雑音であるとして最適レギユレータ理論
を適用している。これは当を得ていない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、コントローラ４により舵角を調整し
目標針路に船舶を航行させる場合、航行中のある
状態における船体２の斜航角を加味して波・風な
どによる外乱の強さを推定し、この外乱の強さか
ら燃料消費量に関する評価関数値を最小とすると
きのコントローラ４のゲインを推定し、このゲイ
ンを有するコントローラ４により、船舶を目標に
向かつて航行させる自動操舵装置としたことであ
る。そして、動特性適応型とするための動特性演
算手段、外乱適応型とするための外乱演算手段、
正しい最適ゲインを求めるためのゲイン出力手段
とを有し、システムを正しく表現するため、状態
変数として独立な方位角ψと斜航角βを用いてい
おり、真の意味の省エネルギを実現する。

本発明の船舶の自動操舵装置の特徴とするとこ
ろは、第１図を参照して、航行中に検出された舵
角δ、方位角ψ、斜航角βからそのときの船体の
動特性を推定する動特性演算手段５と、検出され
た方位角ψ、斜航角βから外乱の強さを推定する
外乱演算手段６と、この外乱演算手段６および動
特性演算手段５から出力される外乱の強さと船体
２の動特性を用いてコントローラ４で制御される
船舶の航行状態をシミユレーシヨンする航行シミ
ユレーシヨン部１０とを設けている。そして、こ
の航行シミユレーシヨン部１０から出力される舵
角δ、方位角ψ、方位角速度ψ〓、斜航角βに基づ
いて評価関数値を計算する評価関数演算部１１
と、この評価関数値が最小となる航行シミユレー
シヨン部１０のコントローラ１３のゲインを探索
する最適利得探索部１２とを有すると共に、コン
トローラ４にその最適ゲインを出力するゲイン出
力手段７とを具備している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コントローラにより舵角を調
整し目標針路に船舶を航行させる場合、設定され
た船速における航行中船体に作用する外乱をも考
慮し、そのような外乱や船体の状態が維持される
限り、燃料消費量を最小に維持して船舶の真の省
エネルギ航行を行わせることができる。したがつ
て、外乱などに変化があれば、その都度、それに
応じた省エネルギ航行が行われ、最終目的地まで
の一航海を通じて、最も少ない燃料消費量でもつ
て船舶を航行させることができる。すなわち、動
特性の変化に応じて最適化できるだけでなく、
波、風などの不規則な外乱の変化に応じて最適化
でき、真の意味の省エネルギが実現される。

〔実施例〕

以下、本発明をその実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本発明の実施例である船舶の自動操舵
装置１の全体系統図である。これは、船体２の舵
３に舵角を指令するコントローラ４と、船体２の
動特性を表わす運動微係数を推定する動特性演算
手段５と、外乱の強さを推定する外乱演算手段６
と、最適ゲインを出力するゲイン出力手段７と
を、その主たる構成としている。

詳述すると、前記動特性演算手段５は、船舶が
航行中のある状態下で船速を変更した時などから
ある一定の時間間隔で検出された舵角δ、方位角
ψ、斜航角βと、方位角ψより求められた方位角
速度ψ〓とから、そのときの船体２の船速、積荷や
燃料残存状態により定まる動特性を推定するもの
で、船体２の運動方程式に上記値を与えることに
より、その時点における運動微係数を演算し、こ
の係数をゲイン出力手段７の後述する航行シミユ
レーシヨン部１０に出力するものである。

前記外乱演算手段６は、上述と同様の方位角ψ
と斜航角βおよび求められた方位角速度ψ〓とか
ら、そのときの波・風などによる外乱の強さを演
算し、その外乱の強さを航行シミユレーシヨン部
１０に出力するものである。なお、この外乱の強
さとは、波・風により船体２に生じる旋回モーメ
ントと横力（サイドフオース）などであり、これ
らを周波数領域でスペクトル処理するものであつ
ても、また、時間領域で処理するものであつても
よいが、図は前者によるものを示している。この
場合、船体運動スペクトル密度計算部８と外乱ス
ペクトル密度計算部９が設けられ、前者において
は、方位角ψ、斜航角β、方位角速度ψ〓より、周
波数領域でそれぞれの運動スペクトル密度が計算
され、これらのスペクトル密度を受けて、後者で
は周波数領域で外乱スペクトル密度が計算される
ようになつている。そして、これらの外乱スペク
トル密度が航行シミユレーシヨン部１０に出力さ
れ、前述した運動微係数と共に幾種類もの仮想操
舵における航行状態のシミユレーシヨンに供され
る。

前記ゲイン出力手段７は、航行状態をシミユレ
ーシヨンする航行シミユレーシヨン部１０と、評
価関数演算部１１と、最適利得探索部１２とを有
し、コントローラ４にその最適ゲインを出力する
ものである。その航行シミユレーシヨン部１０
は、数学モデルのコントローラ１３、舵１４、船
体１５とを用いて演算するものであつて、前述し
た船体２の運動微係数と外乱スペクトル密度を用
いて、コントローラ１３による幾種類もの舵角調
整信号、すなわち、角ゲインにおける異なる値で
もつてそれぞれに対応する幾通りものシミユレー
シヨンを行うものである。そして、この各シミユ
レーシヨンにおける舵角δ_s、方位角ψ_s、斜航角β_s
および方位角ψ_sより求められる方位角速度ψ〓_s、ま
たは、それぞれのスペクトル密度および相互スペ
クトル密度を評価関数演算部１１に出力する。

ここで、本発明で採用される新しい評価関数に
ついて説明する。新しい評価関数J₂は、外乱によ
る斜航角を加味した推進エネルギの増加率を示す
下記の式(6)で与えられるものである。この評価関
数J₂は次のような論理により導かれる。

第２図に示すように船体２の座標原点をその重
心Ｇに採ると、外乱下で蛇行したり針路からのず
れを起こしながら一航海を行うに必要な推進エネ
ルギＥは、Ｅ＝∫〓₀Tudt…… (2) と表わされる。なお、Ｔは推力、ｕは船体２の前
進方向速度すなわち船速Ｕの斜航角β余弦、τは
一航海に要する時間である。ところで、船舶が舵
を取らずに直進した場合の推進エネルギE₀は、 E₀＝∫〓⁰ ₀T₀u₀dt……(3) と表わせ、船体２が蛇行や斜航することなく、舵
角を零に保つたまゝ船首方向に理想的に航行する
場合の推進エネルギである。なお、τ₀は一般にτ
より小さい。これらの式(2)および(3)から推進エネ
ルギの増加率J₂は、 J₂＝（Ｅ−E₀）／E₀…… (4) と表わされ、自動操舵により波・風・潮流などの
外乱下を航行するときに必要な推進エネルギと、
平水状態を直進するときに要するそれと比較した
場合の増加率である。この式(4)に船体２の前進方
向の運動方程式を考慮して整理すると、 J₂＝μ₁（−）²＋μ₂（β＋γψ〓）ψ〓＋μ₃ ²＋μ₄ ²…… (5) となる。こゝで、−の記号は時間平均値を表わし、
例えばδeについては、 ²＝（１／τ₀）∫〓⁰ ₀δ² _edτ と表わされるものである。なお、μ₁，μ₂，μ₃，μ₄
は定数、γは距離を表わす定数である。また、δe
は有効舵角であり、ａ，ｂを定数としてδe＝δ−
aβ−bψ〓と表わすことができる。加えて、上記式
(5)の各項の物理的意味は次の通りである。第１項
の（−）²は、船舶が蛇行することによつて航
路が直進時より長くなることによる推進エネルギ
の損失、第２項の（β＋γψ〓）ψ〓は、船体が遠心力
すなわち慣性抵抗を受けることによつて生ずる推
進エネルギの損失、第３項の²は、船体が斜航す
ることによつて受ける抵抗による推進エネルギの
損失、第４項の²は、操舵操作による推進エネ
ルギの損失を表わしている。

上記の式(5)をさらに整理すると、評価関数J₂
は、次式で表わされる。

J₂＝λ₁ ²＋λ₂ ²＋λ₃βψ〓＋λ₄ψ〓² ＋λ₅ ²＋λ₆＋λ₇＋λ₈δψ〓……(6) なお、δは舵角、βは斜航角、ψは方位角、ψ〓
は方位角速度、λ₁〜λ₈は定数である。

再び、前述したゲイン出力手段７の残りの構成
を述べる。最適利得探索部１２は、前記評価関数
演算部１１で演算される評価関数値を最小にする
ように、例えば、山登り法などの手法を用いてコ
ントローラ１３のゲインを探索するもので、その
ゲインを最適ゲインとして船体２を操舵調整する
コントローラ４に出力するものである。なお、コ
ントローラ４へのゲイン入力のために、最適制御
ゲイン自動設定部１６が必要に応じてゲイン出力
手段７の内部または外部に設けられる。

このような実施例によれば、次のようにして燃
料消費量が最小となるよう船舶を自動操舵させる
ことができる。

第１図において、まず、目標に向かう針路ψ₀
がコントローラ４に入力される。いま、コントロ
ーラ４において例えばPID制御がなされるとする
と、そこに予め入力されているPIDの各ゲイン
Kp₀，Ki₀，Kd₀により、舵３が舵角δ₀となるよう
操舵指令がなされる。その結果、船体２は舵角δ₀
にしたがつて目標針路ψ₀を採つて航行する。と
ころが、このような航行中に波・風などの外乱が
船体２に作用すると、第２図に示すように船体２
が針路ψ₀より方位角ψ外れた針路ψbを採つたり、
また、場合によつては横滑りを起こして左右方向
速度ｖが生じ、これによる斜航角βが発生したり
する。ところで、船体２に作用する外乱は急変す
ることもあるが、通常はある一定時間持続するの
で、その外乱が持続する間における航行中設定さ
れている船速Ｕの下で、ある目標に向かう間の燃
料消費量を最小にする必要がある。そのための操
舵量を計算するために、上記方位角ψと斜航角β
が図示しない計測機器により検出され、その検出
量と前記舵角δ₀が動特性演算手段５に入力され
る。なお、船体２のそのときの動特性は前述した
ように、船速、重心位置などにより異なるので、
航行中に異なつた船速を設定したり、排水量や重
心位置が異なる事情が生じたときなどは、その都
度上述の検出が行われてその状態における動特性
が演算される。

上述した方位角ψと斜航角βおよびそのときの
舵角δ₀が検出され、かつ、その方位角ψより方位
角速度ψ〓が計算され、これらを用いて動特性演算
手段５においてその外乱下における船体２の動特
性を指標する運動微係数が演算され、この微係数
がゲイン出力手段７の航行シミユレーシヨン部１
０に出力されて、船体１５の動特性として扱われ
る。

一方、外乱演算手段６にも同様に、前記方位角
ψと斜航角βが例えば数分ないし十数分の一定時
間ごとに入力され、かつ、方位角速度ψ〓が計算さ
れ、これらから外乱の強さが演算される。その過
程は、まず、船体運動スペクトル密度計算部８に
おいて、第３図ａ〜ｃに示すように方位角ψ、斜
航角β、方位角速度ψ〓の周波数に対する運動スペ
クトル密度Φββ，Φψψ，Φβψ〓が計算される。次
に、このスペクトル密度を受けて外乱スペクトル
密度計算部９では、周波数に対する外乱の強さ、
すなわち、旋回モーメントや横力などのスペクト
ル密度Φyy，Φnn，Φynが、第４図ａ，ｂに示す
ように推定計算される。

この外乱のスペクトル密度Φyy，Φnn，Φynが
ゲイン出力手段７に入力されると共に、すでに動
特性演算手段５から船体１５に入力されている運
動微係数に基づいて、船体２の航行状態のシミユ
レーシヨンが、数学モデルである航行シミユレー
シヨン部１０において行われる。この際、最適利
得探索部１２は、前記評価関数演算部１１で演算
される評価関数値を最小とするように例えば、山
登り法などの手法を用いてコントローラ１３のゲ
インを探索する。そして、このゲインが上述した
状態にある船体２の航行における最小燃料消費量
となる最適ゲインとして、最適制御ゲイン自動設
定部１６を介して実船体２を操舵調整するコント
ローラ４に入力される。すなわち、コントローラ
４に記憶されている前述のゲインKp₀，Ki₀，
Kd₀が、最適ゲインであるKp₁，Ki₁，Kd₁に置き
換えられる。したがつて、コントローラ４は新し
いゲインに基づいて操舵信号を発信する。船体２
は上述した外乱の強さや船体２の速度などが変わ
らない状態で所望の目標に向けて航行する間、実
質的に燃料消費量が最小となる航海がなされる。

なお、外乱の強さや船体２の状態が変れば、そ
の都度上述した一連の検出、演算などの処理が行
われることはいうまでもない。したがつて、船舶
が最終目的地に到達するまでの間に、設定船速を
変えてもその状態における目標までの航行中の燃
料消費量を最小にすることができ、総じて、一航
海における燃料消費量を少なくできる。

以上を簡潔にまとめると、コントローラにより
舵角を調整し、目標針路に船舶を航行させる場
合、航行中のある状態における船体の斜航角を加
味して波・風などによる外乱の強さを推定し、こ
の外乱の強さから燃料消費量に関する評価関数値
を最小とするときのゲインを推定し、このゲイン
によりコントローラを稼働させ、船舶を目標に向
かつて最小の燃料消費量で航行させることができ
る。

本発明は以上の説明から判るように、コントロ
ーラにより舵角を調整し目標針路に船舶を航行さ
せる場合、設定された船速における航行中船体に
作用する外乱をも考慮し、そのような外乱や船体
の状態が維持される限り、燃料消費量を最小に維
持して船舶の真の省エネルギ航行を行わせること
ができる。したがつて、外乱などに変化があれ
ば、その都度、それに応じた省エネルギ航行が行
われ、最終目的地までの一航海を通じて、最も少
ない燃料消費量でもつて船舶を航行させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である船舶の自動操舵
装置の全体系統図、第２図は外乱を受けている船
体の力学モデル図、第３図ａ〜ｃは運動スペクト
ル図、第４図ａ，ｂは外乱のスペクトル図であ
る。２……船体、４……コントローラ、５……動特
性演算手段、６……外乱演算手段、７……ゲイン
出力手段、１０……航行シミユレーシヨン部、１
１……評価関数演算部、１２……最適利得探索
部、１３……数学モデルのコントローラ、δ，δ₀
……舵角、β……斜航角、ψ……方位角。

Claims

【特許請求の範囲】１目標方位と実方位の差に応じて舵を取らせる
閉ループを構成する自動操舵装置において、航行中に検出された舵角、方位角、斜航角から
そのときの船体の動特性を推定する動特性演算手
段と、検出された方位角、斜航角から外乱の強さを推
定する外乱演算手段と、この外乱演算手段および前記動特性演算手段か
ら出力される外乱の強さと船体の動特性を用い
て、前記閉ループの船舶の航行状態をシミユレー
シヨンする航行シミユレーシヨン部と、この航行
シミユレーシヨン部から出力される舵角、方位
角、方向角速度、斜航角の関数として示される推
進エネルギ増加率を表わす評価関数値を計算する
評価関数演算部と、この評価関数値を最小とする
航行シミユレーシヨン部のコントローラのゲイン
を探索する最適利得探索部とを有すると共に、前
記閉ループを構成するコントローラにその最適ゲ
インを出力するゲイン出力手段と、を具備することを特徴とする船舶の自動操舵装
置。