JPS60236894A - 舶用オ−トパイロツト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、舶用オートパイロットに係り、特に最適な制
御ゲインを演算すると共に、外乱要素（波・潮流・風等
）に対応した演算をし、かつ船舶が針路を変更しようと
した場合（以下「変帽時」という）においては最適な変
針制御をして常に船舶の最適操舵を実現し高い省燃費性
を有する舶用オートパイロットに関する。

〈従来技術〉 従来の舶用オートパイロットにおいては、例えば船首方
位信号発生器であるジャイロコンパスからの船首方位信
号と船体の速度信号に基づいて自己位置を連続的に推定
する航法装置等によって決定した設定コースに、ヨー軸
周りの姿勢制御のみで乗せる様な自動制御方法を採用し
ているのがほとんどであった。即ち、ヨー軸周りの姿勢
制御のみで船体の設定コースと船首方位の差、変態時の
設定ターンレート（切替スイッチ等を用いて手動でター
ンレートを設定し出力していた）と実測のターンレート
の差がゼロになる様に制御ゲインを人間（航海士）が調
整し、比例・積分・微分〈以下ｒＰＩＤＪという）制御
を行っていた。以下この様な舶用オートパイロットを第
１図を用いて説明する。

第１図は、従来技術である舶用オートパイロットのブロ
ックを示す図である。

図において、１は船体、２は船首方位信号ψを出力する
ジャイロコンパス、３は命令舵角信＠Ｕｄｏを演算し出
力する演算部である。この演算部３は船首方位信号ψと
設定針路信号ψｍとから針路偏差信号△φを出力する減
算器４と、ターンレート信号φ（・は１１１Ｍ微分を表
わす）を出力するターンレート演算部５　（図では船首
方位信号ψを微分回路を用いて微分しているが、別途タ
ーンレートメータ（図省略）を用いてもよい）と、ター
ンレート信号ψと外部から機械的に設定された設定ター
ンレート信号ψｎｏとの差を取りターンレート偏差信号
Δψ０を出力する減算器５１と、−次遅れもしくは二次
遅れフィルタ等から成る入力フィルタ部６と、この入力
フィルタ部６でフィルタへ リングされた針路偏差！信号Δψｏ　＜Ｉはフィル以下
同様）及びターンレート偏差！信号ΔψをＰＩＤ演算し
命令舵角信号Ｕｄｏを出力づるＰＩＤ演算回路７とから
成る。８は命令舵角信号Ｕｄ。

に基づいて舵９を駆動させる舵取り機である。

この様な構成の舶用オートパイロットにおける操舵機能
を以下に説明する。

′６ＩＡ痺器４は、船首方位信号ψと設定針路信号φｍ
とを比較し、釧路偏差信号Δψを入力フィルタ部６に出
力する。又減算器５１は、ターンレート信号ψと設定タ
ーンレート信号ψｍｏとを比較し、ターンレート偏差信
号Δψ０を入力フィルタ部６に出力する。ｆＩ！８偏差
信号Δψとターンレート偏差信号△ψ０は、入力フィル
タ部６であらかじめ手動設定されたフィルタ設定値Ｍｆ
に基づいてフィルタリングされ、ＰｒＤ演算回路７に導
かれる。

△ よって手動で設定される制御パラメータＭｏ　（例えば
Ｐ　Ｉ　Ｄ　Ｉ制御ゲインや時定数）に基づいてＰＩＤ
演算し、命令舵角信号ＩＪｄｏとして舵取り機８に出力
し舵９を駆動する。

ところで、この様な構成の舶用オートパイロットには、
次の様な問題点があった。

■：ＰＩＤ演算回路７において、回路の最適ゲインを決
定する制御パラメータＭｇを外部から航海士が手動設定
しているため、船体１の運動特性の変化に対して前記制
御パラメータＭ（＋を適正な値に調整することが困難で
ある。

■：仮に制御パラメータＭ（＋を適正な値に調整するこ
とができたとしても、これを設定する航海士にかかる負
担は非常に大きなものとなる。

■二制御パラメータＭｇを適正な値に調整できないと、
望ましい制御特性、即ち高い保釧能力（針路保持）と高
い変針能力（針路変更）が得にくくなり、従って輸送の
高信頼性が望めず、又パイロットシステムの省エネ化〈
省燃費化〉を達成することが困難である。

■：入力フィルタ部６は一次遅れもしくは二次遅れフィ
ルタで構成されているので、船首方位信号ψに複雑な外
乱要素（波・潮流・風等による外乱）が含まれた場合に
は十分なフィルタリング効果を期待することができにく
い。

■変針時（変針開始時点から変針終了時点）においては
、設定ターンレートと実測ターンレートとの差を検出し
この差に応じて一定の設定ターンレート信号を変針終了
時点まで保持する様にしていたので、船体が慣性の影響
を受けて大きくオーバーシュートをしてしまう。狭水道
航行中にオーバーシュートが大きいと、他船との衝突や
対岸への坐礁等の危険が生じる。この様なオーバーシュ
ートをさけるために設定ターンレートの値を変針終了時
のあらかじめ前にゼロとなる様に手動で設定することも
考えられるが変針量や船体の形状や特性等の諸条件によ
ってターンレートの値が異るため極めて困難である。

〈発明の目的ン 本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みて成された
ものであり、その船体にとって高い保針性と高い変針性
を満足しつつ燃料消費量を最少にする様な最適な制御ゲ
インを航海士の手をわずられせることなく、自動的に決
定できる様にすると共に、船体の運動特性が変化した場
合にあっ、でも、常に最適運航が可能な操舵を行ない燃
料消費量を最少にする舶用オートパイロットを提供する
ことを目的とする。

〈発明の構成〉 上述した目的を達成するため、本発明の舶用オートパイ
ロットの構成を、 （１）設定針路信号と船体に設けられた船首方位信号発
生器から得られる船首方位信号と前記船体の船速信号と
前記船体の舵角信号とを入力し、これ等各信号に基づい
て前記船体の運動特性を演算し前記船体に最適な制御ゲ
インを得ると共に前記船首方位信号に含まれる外乱要素
の内操舵に有害な高周波成分を取り除く演算を行ない、
前記船体の針路を前記船体に対する外乱要素に左右され
ること無く常に最適状態で操舵が可能な命令舵角信号を
演算する演算部、 を具備したことを特徴とする舶用オートパイロットとし
た。

更に詳細に上述した演算部の構成を述べると、この演算
部は、 ■少なくとも前記船首方位信号と前記船速信号と舵角信
号を入力しこれ等入力から船体の運動特性を演算する船
体運動特性演算部と、 ■前記船首方位信号に含まれる操舵に有害な高周波成分
を除外する構成のフィシンｉと、■前記船体運動特性演
算部の出力、及び前記船首方位信号と設定針路信号又は
これ等船首方位信号と設定針路信号の差である針路偏差
信号を入力し、これ等入力から設定ターンレート信号を
演算する設定ターンレート演算部と、 ■少くとも前記船体運動特性演算部の出力と前記フィル
タ部の出力とを入力し、これ等入力から前記命令舵角信
号を演算し出力する最適舵角演算部と、かう成る。

■又、上述のフィルター部は、前記船首方位信号やター
ンレート信号等に含まれる操舵に有害な高周波成分を舵
角信号と前記船体運動特性演算部の出力を用いて除外す
る構成のカルマンフィルタから成る。

〈発明の実施例〉 上述した構成の具体的実施例について、以下図面を用い
て説明する。

（第２図ブロック図の概要） 第２図は、本発明の舶用オートパイロットのブロックを
示した図である。第２図において第１図と重複する部分
・機能については同一番号・符号を付けてその説明は省
略する。

第２図において、１０は対水速度計を代表する（船速信
号■を出力）電磁ログ、１１は本発明に係る舶用オート
７（イロットの演算部である。この演算部１１の主要構
成要素は、ターンレート演算部５、船体運動特性演算部
１２、フィルタ部１５、最適舵角演算部１６及び設定タ
ーンレート演算部１９である。

尚、船体運動特性演算部１２は、船首方位信号ψとター
ンレート演算部５からのターンレート信号ψと舵角信号
δに基づいて船体１の運動特性を演算する運動特性演算
回路１３と、この運動特性演算回路１３の出力と船速信
号Ｖとから船速の補正をする船速補正演算回路１４とで
構成される。ここで、船速補正演算回路１４は、船速が
変化すると運動特性演算回路１３の出力である演算結果
が真の値からず、れ、でくるので、このずれを補正する
ために設けられたものである。

又、最適舵角演算部１Ｇは、船体運動特性演算部１２の
出力を入力し舵角演算回路１８の最適ゲインを演算する
最適ゲイン演算回路１７とこの最適ゲイン演算回路１７
からの最適ゲインを入力し命令舵角Ｕｄを出力する舵角
演算回路１８とで構成されている。

（船体運動特性演算部） 船体運動特性演算部１２の構成及び機能について、第３
図乃至第５図を用いて以下詳細に述べる。尚、第３図乃
至第５図にａ３いて、第１図及び第２図と重複する部分
・機能については同一番号・記号を用いてその説明は省
略する。

一般にある角億に舵を切った場合、船体１は徐々に旋回
を開始し、一定のターンレートに達した所で定常旋回を
続ける。この関係を図に表わすと第３図の様になる。

第３図は、横軸を時間ｔ　（秒）、縦軸をターンレート
（度／秒）にとった場合の、船体１の旋回特性を表わし
たものである。

当 時間≠〒である追従性指数Ｔと、舵角δの１度＼りのタ
ーンレートである旋回性指数Ｋ　（＝Ｋｏ　／δ（秒）
−１）とからめることができる。

換言すれば、追従性化数丁は舵切りが船体１の動きに至
るまでの遅れ時間係数のことであり、旋回性指数には舵
９が船体１にどれ位の大きさのターンレートを与えられ
るかを承り係数のことである。

ここで船体運動特性演算部１２をアルゴリズムで表わす
と以下の様になる。

追従性化数丁と旋回性指数Ｋを使って、船体１の動きを
近似的に表わすと、 となる。、但し、ψを回頭角加速度とする（・・は２階
微分を表わす）。ここで（１／Ｔ）＝α、（Ｋ／Ｔ）＝
β、とすると（１）式は、 ψ＋α　・　ψ−β　・　δ　・・・　（２）と表わす
ことができる。

追従性化数丁及び旋回性指数にの値は、船体１により固
有のものであるが、同じ船体１においても船速、積み荷
状態、バラスト等によりその値は異る。一般に、船速に
対して、追従性指数Ｔは反比例し、旋回性指数には正比
例することが知られている。そこで船便等から基準船速
、即ち定常航海速度におけるおおよその追従性指数Ｔと
旋回性指数にの値をめ、初期値としておく。そして、拡
張カルマンフィルタの技術等（尚、カルマンフィルタの
説明は公知の知識であるため説明は省略する）を用いて
より正確な追従性指数Ｔと旋回性指数にの値に近づけて
いく。

となる。船首方位信号ψ及びターンレート信号ψはジャ
イロコンパス２から、舵角信号δはμ信号や舵取り機の
出力からそれぞれまるから、ある時点での船首方位信号
ψとターンレート信号必が判れば、それ以降の船首方位
信号ψとターンレート信号ψの値は（４）式を用いて舵
角信号δから計算される。ここで、あらかじめ計算され
た追従性指ＷｉＴの初期設定値Ｔと旋回性指数にの初期
設へ 定値にの値が、実際の船体１から得られる追従性化数丁
と旋回性指数にの値に正しく設定されているならば、そ
れ以降のジャイロコンパス２からの実測値と計算結果と
は一致する。　このことについて更に詳細に説明する。

（２）式を変形すると、ψ−−α・φ＋β・δ　・・・
（５） となる。今、舵角信号δがわかっている場合において、
現在の船首方位信号の観測値をψｔ、ターンレート信号
の観測値をψｔとすると、Δを秒後のジャイロコンパス
２からの船首方位信号とターンレート信号はψｔ＋Δｔ
、ψｔ＋Δｔであり・Δｔは、（５）式から、 △ Δｔの間に差が生じた場合、その原因は（６）式いるた
めか、もしくはψｔ＋Δを及びψｔ＋Δｔに外乱要素が
混っているためと考えられる。そこで、α及びβについ
ては、 △ ＝α＋Δα　・・・（８） △ ＝β＋Δβ　・・・　（９） へ　へ φｔ＋Δｔ＝ψを十Δｔ＋ ここで、カルマンゲイン（Ｋφ＋、にφ２．に≠＋、に
＊ｚ＋Ｋａ＋、Ｋａｚ＋Ｋｓ＋＋Ｋ　ｓ　ｚ）の値が大
きすぎると計算結果が発散してしまうし、小さすぎれば
収束に時間がかかる。そこで（８）八 〜（１１）式の計算結果である　α、β、ψ１十ペ ッツ３ぜ、α、ｔｊ、ψｔ＋＾ｔ、ψｔ＋Δｔが大ｔは
安定にしかも速く正しい値に収束する。

第４図は、船体運動特性演算部１２のブロック図であり
、以上述べた拡張カルマンフィルタのアルゴリズムの考
えを具体的に表わしたものである。

第４図において、運動特性演算回路１３は追従性へ 指数下と旋回性指数にのそれぞれの初期設定値下。

ム Ｋをめる改良形拡張カルマンフィルタを基礎としたアル
ゴリズムで構成されている。即ち、運動特性演算回路１
３は、舵角δを入力し船首方位信号のＩ！測値ψｔとタ
ーンレート信号の観測値ψｔに対するΔを秒模の船首方
位信号ψを十Δｔとターシレー１−信号（１）　ｔ＋Δ
ｔを（６）式及び（７）式を用いて演算する状態予測部
１３１と、この状態予測部１３１の出力と船首方位信号
の観測値ψを及びターンレート信号の観測値ψｔとから
それぞれ偏差信号Δψ、Δψを演算する減算器１３５の
出力をゲインコントロールするゲインコントロール部１
３２と、このゲインコントロール部１３２の各ゲインを
修正する修正ゲインコントロール部１３３と、実測値と
計算値との間に差が生じた場合に状態予測部１３１のα
及びβについて修正し差が無くなったなった所で一定値
に収束する様な演算をづ“る船体運動パラメータの同定
部１３４とから構成されている。

第５図は、手動操舵や自動操舵の変針制御時における上
述の動作をフローチャートで表わしたものである。

（フィルタ部） 再び第２図に戻って説明を続ける。

フィルタ部１５は、船首方位信号ψやターンレート信号
［有］等に含まれる外乱やノイズの内、操舵に有害な高
周波成分を取り除き、最適舵角演算部１６にフィルタリ
ングした信号を出力するローパスフィルタで構成されて
いる。

（最適舵角演算部） 次に最適舵角演算６ＩＩｉｅについて説明する。

最適舵角演算部１６の目的は、設定側路及び設定ターン
レート上に船体１が乗る様に舵８を操舵することである
。いいかえれば、以下に述べる評価関数ＪＥの値を最小
、つまり燃料消費Ｍが最少になる様な演算を行ない命令
舵角信号Ｕｄを出力することである。

この最適舵角演算部１０をアルゴリズムで表わすと以下
の様になる。

省エネ性のＦ＋１′（１１ＩＩＶ！Ｉ数ＪＥは、船体運
航時の船体運動にかかるエネルギを針路偏差信号△ψ、
舵角信りδ、ターンレート信号ψの関数としてとらえた
場合、 λａ　（ＪΔψｄｔ）　２・・・（１２）という一つの
エネルギ量として定１的に捉えることができる。但し、
λ１〜λ４は重み係数（λ１＝０．５　＜固定）、λ４
＝０．００００１　（固定）、λ２．λ３はその船体の
主要項目から計算される）、に■２は針路偏差の２乗平
均、Ｔ２は舵角の２乗平均、φ′りは無次元化ターンレ
ート信号の２乗平均とする（−は平均された値を表わす
）。

尚、無次元化ターンレート信号ψ−は、で表わされる。

但し、Ｌは船長とする。（１２）式において、評価関数
Ｊ　Ｅの値が小さい程、保針性が良く、かつ省燃料性が
良い。ここで最適レギュレータ理論を応用し、その船独
自の評価関数ＪＥを最小とする様な最適な制御ゲイン決
定することができる。船体運動システムを状態変数を用
いて表わすと、 ｘ　（ｔ　）＝Ｆｘ　（ｔ　）＋Ｂｕ　（ｔ　）−（１
４）Ｖ　（ｔ　）＝）−ＩＸ　（ｔ　）　・（１５）の
関係が得られる。但し、×　（ｔ）は状態ベクトル、ｙ
（ｔ）は出力ベクトル、Ｆはシステム行列、Ｂは入力行
列、Ｈは出力行列、ｕ（ｔ）は制御ベクトルである。今
、評価関数ベクトルＪ　（ｔ　）を考えた場合これ等シ
ステムが可観測、可制御の条件を満足するならば、評価
関数ベクトルＪ　（ｔ　）の値を最小にする様なｉ＋１
Ｊｔｌベクトルｕ（ｔ）は次゛の式でめることができる
。

Ｊ　（Ｌ　）＝ｘ　（ｔ　＋　）Ｓｘ　（ｔ　＋　）＋
となる。但しｔ　Ｌ＞　ｔ　ｏ　＋　Ｔは転置とする。

この（１６）式において重み係数λｌ〜λ４は、Ｒ及び
０行列の要素となるので評価関数ベクトルＪ（１）を最
小にする制御ベクトルｕ　（’ｔ　）は、ｕ　（ｔ　）
　＝−ＫＸ　（ｔ　）　−（１７）となり、又最適な制
御ゲイン行列には、Ｋ−Ｒ−ＩＢＳ　・・・（１８） となる。ここでＳは次のりカッティ方程式の弊行列であ
る。即ち、 ５−−ＦＴＳ−８Ｆ＋５ＢＲ−’　ＢＳ−ＨＱＨ・・・
（１９） で表わされる。

この様なアルゴリズムで表わせる最適舵角演算部１Ｇは
、評価関数ベクトルＪ　（ｔ　）を最小にするンを演算
する最適ゲイン演算回路１１とで構成することができる
。

（最適舵角演算部（最適ゲイン演算回路））りあらかじ
め設定された船体主要項目の重み係数λ２．λ３　（λ
言、λ４は固定）とから最適ゲインを決定する。

尚、評価関数ＪＥの重み係数λ１〜λ４の内λ１〜λ３
までは船体１の長さや排水量等の値からめているが、追
従性指数下と旋回性指数にの値もこれ等の値と密接な関
係があり（λ４は経験値）従ってその値を自動的に決定
することも可能であるから、重み係数λ２．λ３の設定
スイッチは無くともよい。

ここで、オンラインで定常解をめることはほとんど不可
能なのでいくつかのＴ、に、λ１〜λ４について最適な
制御ゲインをめておき、ゲインテーブルとてしてメモリ
内に格納しておく。

その−Ｆで、このテーブルをサーチすればその船自身の
最適な制御ゲインが得られる（ゲインスケジコーリング
法）。ここでまった最適な制御ゲインは（１６）式の評
価関数ベクトルＪ　（ｔ　）を最小にする様な値である
。例えば、λｌの値を大きくすれば、側路偏差Ｆ信号Δ
ψ（Ｆはフィルタリングを意味する。以下同様）をより
小さくするような制御ゲインが演算され、λ１の値を小
さくすればある程度の針路偏差Ｆ信号Δψは無視するよ
うな制御ゲインが演算されることになる。

ここで最適ゲイン演算回路１７について第６図に示すブ
ロック図を用いて説明する。尚、第６図において第２図
と重複する部分・機能については同一番号・記号をつけ
てその説明は省略する。

第６図において、１７ａはλ３．λ、テーブルであり、
このλ２．λ３テーブル１７ａはあらかじめ多くのλ２
．λ３の値に基づき計算された結果のみがマトリックス
になってメモリ内０に記憶されており、あるλ２．λ３
の入力値に対応する値が一意にめることができる様にな
っている。１７ｂはＴ、にテーブルであり、このＴ、に
テーブル１７ｂは、あらかじめ多くのＴ、にの値に基づ
き計算された結果のみがマトリックスになってメモリ内
に△へ 記憶されており、あるα、βの入力値に基づいて対応す
るＴ、にの値が一意にめることができる様になっている
。１７ｃはゲインテーブルであり、このゲインテーブル
１７ｃはあらかじめ多くのλ２゜λ３及びＴ、にの値が
マトリックスになってメモリ内に記憶されており、λ２
．λ３テーブル１７ａ及びＴ、にテーブル１７ｂからの
入力に対応する制御ゲインを一意にめることができる。

従って、船体１のλ２．λ３．Ｔ、Ｋが決定されれば、
自動的に最適な制御ゲインＧＩ−Ｇ３が決定される。

尚、λ１〜λ４は船体１の特性によって得られる値であ
るが、これ等の値を任意に変更することにより異なった
制御性が得られる。即ち、針路偏差Ｆ信号Δψにかかる
重み係数λ１を２種類に別けて２つのゲインテーブルを
作成し、保針性よりも省燃料性を重視した制御ゲインと
、省燃料性よりも保針性を重視した制御ゲインといった
別々の制御ゲインを設定する様にしてもよい。

（最適舵角演算部（舵角演算回路））−舵角演算回路１
８は、針路偏差Ｆ信号Δψと、り小 一ンレートＦ信号ψと、設定ターンレート演算部１９（
詳細は後述する）からの設定ターンレート信号ψイとを
入力し、命令舵角信号Ｕｄを演算する。

ここで舵角演算回路１８について第７図に示すブロック
図を用いて説明する。第７図において第２図及び第６図
と重複する部分・機能については同一番号・記号をつけ
てその説明は省略する。

へ 第７図において、１８ａはターンレー］〜Ｆ信号ψと設
定ターンレート信号φｍとを人力しターンレ△ −１−偏差Ｆ信号Δψを演算し出力するターンレート偏
差演算回路１８ｃの出力にゲインＧ１を乗する構成とな
っているので微分回路と同様の意味を有へ する機能であり、１８ｂは側路偏差Ｆ信号Δψにゲーイ
ンＧ２を乗する構成となっているので比例回路と同様の
意味を有するｍ能であり、１８ｄはε１路偏へ 差Ｆ信号Δψを積分回路１８ｅで積分しその積分値にゲ
インＧ３を乗する構成とな９ているので積分回路と同様
の意味を有する機能であり、１８「はＰ。

１、Ｄの各機能の出力（制御量）を加算しりる加算回路
である。即ち、舵角演算回路１８は最適ゲイン演算回路
１７によって得られたゲインＧ、〜Ｇ３を基にＰＩＤ演
算を行ない、最適な命令舵角信号Ｌｔｄを舵取り機７に
出力する。

（設定ターンレート演算回路） 設定ターンレート演算回路１９は、第２図に示す△へ 様に、船体運動特性演算部１２の出力α、βから初期の
目標設定ターンレート＜１）ｍ’〜を演算（旋回性指数
Ｋを何倍かにして旋回性指数１〈の初期設定値本実施例
では常数を１．０に設定）する初期値設定ターンレート
演算回路１９ａと、この初期値設定ターンレート演算回
路１９ａの出力φ、ｊ％と針路偏　□差信号Δψとから
設定ターンレート信号φｍを演算（針路偏差信号Δψと
設定ターンレート信号ψｍの差が小さくなるに従って設
定ターンレート信号Φｍの値を小さくしていく）する設
定ターンレート演算回路１９１１で構成されており、具
体的には第８図に示す様な特性からなる演算を行う。

第８図において、横軸を針路偏差Ｆ信号Δψとし、縦軸
を設定ターンレート信号φｍとし、今、横軸上において
、Ａを変針開始時点の針路偏差Δψａ　、　Ｂを例えば
ほぼ変針中間時点の針路偏差△ψｂ＝△ψ１／２、Ｃを
変剣終了時点の針路偏差△ψｃ”０、変針角度をθとす
ると、各時点（八−Ｃ＞における針路偏差Ｆ信号Δψと
変針角度θの関係は、 上となり（ゐｌ＼＝ψｍ　＝Ｋ）、 ■Ｂでは釧路偏差Ｆ信号Δψは（θ／２）と等しへ 等しいかそれ以下（ψｍ＝Ｋ・２Δψ／θ）となる関係
にある。

ここで、Ｂ〜Ｃに示す様に設定ターンレート信号ψｍの
値が小さくなっているのは、船体１をなめらかに回頭さ
せつつ目的のコースに乗せるためである。■において、
設定ターンレート信号φｍの値を導きだす演算式の一例
をシュミレーションの結果を基にめると、ψｍ・２・（
Δψ／Δψａ）が得られる。又他の方法からめると、例
えばＥＸＰ　＜−（０，５−Δψａ／Δψ）−１）とい
う指数関数という演算式もめることができる。

要は針路偏差の減少に伴って設定ターンレート信号の設
定値が減少する様な結果となればよい。又、第８図にお
いて、Ｂは必ずしも中間時点に設定する必要はなくその
時のターンレートと船体等の関係から決めればよいこと
は勿論である。

第９図は、以上述べた各機能の自動操舵時におけるフロ
ーチャートを示したものである。

〈発明の他の実施例〉 上述した本発明の構成において外乱等が著しく大きい場
合は船舶の運航上支障がでる場合がある。

即ち、ローノイズフィルタ１５では外乱等の影響を完全
に取り切れない場合が発生する。この様な場合は以下に
述べるカルマンフィルタを用いることで解決できる。

（カルマンフィルり部） 以下カルマンフィルタ部について第１０図乃至第１１図
を用いて説明する。尚、第１０図乃至第１１図において
第１図乃至第９図と重複する部分・機能については同一
番号・記号を付けてその説明は省略する。

外乱等のノイズが存在する場合は、演算した針路及びタ
ーンレートと、実測した船首方位信号ψ及Ｕターンレー
ト信号ψ（又は針路偏差信号Δψ及びターンレート信号
委）との間には当然差が生じる。外乱は周期的な動き（
ヨーイング）となって船体１に発生するが、その動きに
対してその都度舵９を切っているとかえって抵抗の増加
となり、エネルギーロスとなる。しかし、低周期の外乱
に対しては、ある程度前９を切ってやらないと、船体１
はとんでもない方向に進んでしまう恐がある。

そこで、フィルタ部にカルマンフィルタを用いることで
この問題を解決する。

カルマンフィルタは、船首方位信号ψとターンレート信
号ψに関し、本当に船体１によるものと、１の動きによ
るものと外乱によるものの内、操舵に有害な高周波成分
を取り除き、低周期の外乱と操舵に必要な値を取り出し
て出力する。

このカルマンフィルタをアルゴリズムで表わすと以下の
様になる。

今、現在の船首方位信号をψｔ１ターンレート信号の真
値をψｔとすると、Δ【秒後の船首方位△ ψｔ＋Δｔの計算値は（７）式の様になり、又りへ 一ンレートψｔ＋Δｔの計算値は（６）式の様になる。

一方、Δを秒後の船首方位信号ψを十Δする＼ Δｔとψを十Δｔの間に生じる。

ここで、舵角制御に必要な外乱の低周波成分をヘ ーφｔ　＋Δｔ＋Ｅψ′　・・・　（２１）の形で船首
方位信号とターンレート信号の値を修正する様になって
いる（尚、このときカルマンゲイン（ｋψ１．にφ２．
泥↓＋、！＋２）の値は、どの程度外乱の成分を取り入
れるかによって決まる）。この様なアルゴリズムで表わ
せるカルマンフィルタによって、操舵に有害な高周波成
分を取り除くことができる。

第１０図（Ａ）において、２０は上述したアルゴリズム
から成るカルマンフィルタ部、２１及び３１ハ減算器で
ある。

（減算器） 減算器２１は、カルマンフィルタ部２０からのターシレ
ー１〜Ｆ信号ψを、設定ターンレート演算回路１９１か
らの設定ターンレート信号φｍに基づいて演自しターン
レート偏差Ｆ信号Δφを最適舵角演算部１６内の舵角演
算回路　１８１へ出力する。

（最適舵角演算部〈舵角演算回路）） 第１１図は、舵角演算回路１８１のブロック図である。

第１１図において第７図と重複する部分には同一番号・
記号を付けその説明は省略する。

へ 第１１図において、１８１ａは側路偏差Ｆ信号Δψにゲ
インＧ１を乗する構成となっているので微分回路と同様
の意味を有する機能であり、１８１ｂはターンレート偏
差信号ΔψにゲインＧ２を乗する構成となっているので
比例回路と同様の意味を有ず△ る機能であり、１８１Ｃは針路偏差Ｆ信号Δψを積分回
路１８１ｄで積分しその積分値にゲ、インＧ３を乗する
構成となっているので積分回路と同様の意味を有する機
能であり、１８１ｅは可変可能な第１舵角リミット回路
、１８１ｆ及び１８１ｇはそれぞれ±３５°固定（±３
５６以上の操舵を行なわないようにしである）となった
第２．第３舵角リミツトである。

第１１図の様に、舵角リミット回路Ｌ１〜Ｌ３を配置す
ると、外乱が大きい場合に発生する積分出力制限による
針路不安定を防止することが可能となる。この様にして
舵角演算回路１８１では、最適ゲイン演算回路１１によ
って得られたゲインＧ＋。

Ｇ２．Ｇ３を基にＰＩＤ演算を行ない、最適な命令舵角
信号Ｕｄを舵取り機７に出力する。

尚、本第１０図（Ａ）の回路においＣも各機能の自動操
舵時には第９図のフローチャートの様になる。

以上述べた第２図乃至第１１図に述べた具体的実施例は
、以下の様に変形することが可能である。

■第２図においては釧路偏差信号Δφをローパスフィル
タ部１５に入力し、針路偏差信号△ψにフィルタをかり
る様にしたが、第１０図（△）においては、カルマンフ
ィルタ部２０でフィルタリングした船首方位Ｆ信号ψを
、減痺器３１で設定針路信へ 丹ψｍと比較し、針路偏差Ｆ信号Δψを得る様にして説
明したがこの逆の構成としてもよい。

・≧）又、第１０図（Ａ）は同（Ｂ）図の様にも構成・
ｊることか可０しである。尚、この（Ｂ）図において設
定ターンレート演算部に入力される針路偏差信号Δψは
、破線ｅで示す様に針路偏差Ｆ信号△へ ψとしてもよい。

■第１２図（Ａ）、（Ｂ）のブロック図に示す様に、運
動特性演算回路１３に入力する信号を、船首方位信号ψ
と舵角信号δ、又は釧路偏差信号Δψと舵角信号δとし
ても船体運動特性は計算が可能である。

■第２図においては、船速信号■は電磁ログ等の測定手
段から自動的に得る様にしているが、手動で設定する様
な方法を用いてもよい。

■ターンレート信号φは、第１２図（Ｂ）に示す様に針
路偏差信号Δψを微分してローパスフィルタ部１５又は
カルマンフィルタ部２０に入力する様にしてもよい。

■最適演算回路として第２図には第７図を、第１０図（
Ａ）には第１１図を用いて説明したが、これを逆にして
用いても何等さしつかえない。尚、第１０図（Ａ）にお
いてターンレート偏差演算回路２１の機能は、第７図及
び第１０図（Ｂ）に示す様に最適演算回路１８内に設け
る様にしてもよい。

勿論第７図のターンレート偏差演算回路１８ｂを外部に
設けてもよいことはいうまでもない。

■演算部１０の回路内の各機能は、必要に応じてマイク
ロコンピュータ等で構成してもよい。

〈発明の効果）・ １ス上、実施例及びその他の実施例と共に本発明を具体
的に説明したが、船体運動特性を演算し、「１的とする
最適の定義に添って（省エネルギー操舵等）２ｒ価関数
を満足する様に構成した本発明の舶用オートパイロット
によれば、 （ｉ）最適舵角演算部において、制御ゲインがあらかじ
め多くの船体の特性別に計算されてメモリ内に記憶設定
されているので、オンラインでその船体に最適な制御ゲ
インが決定され出力されるので最適操舵が実現できる。

■積み荷の状態等により船体の状態特性が変化しても、
最適な制御ゲインが自動的にその変化に追従できるので
常に安定した操舵が可能である。

■航海士にかかる負担は、大幅に軽減される。

■船体ごとに自動的に最適の制御ゲインが得られるので
、高い保針性を満足しつつ燃料消費量を最少にすること
ができる。

■又、変針時においてもオーバーシュート無く変針でき
るので、無駄な操舵をせず従って高い変針性を満足しつ
つ高い安全性（オーバーシュートが大きいと、他の船舶
との衝突や、対岸への坐礁などの危険が生ずる）を保持
しつつ燃料消費量を最少にすることができる。

■高い変針能力と高い保針能力が得られるので船舶輸送
に対して高信頼性が得られる。

■外乱要素を十分にフィルタリングすることができるの
で、無駄前を防ぐことができる。

等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術である舶用オートパイロットのブロッ
ク図、第２図は本発明の舶用オートパイロットのブロッ
ク図、第３図は船体の旋回特性図、第４図は船体運動特
性演算部を表わしたブロック図、第５図は手動操舵又は
自動操舵の変針制御時のフローチャート、第６図は最適
ゲイン演算回路のブロック図、第７図社舵角演算部のブ
ロック図、第８図は設定ターンレート演算部で行なう演
算特性図、第９図は自動操舵時のフローチャート、第１
０図乃至第１２図は本発明の他の実施例を表わしたブロ
ック図である。 １・・・船体、５・・・ターンレート演幹部、１２・・
・船体運動特性演算部、１３・・・運動特性演算回路、
１４・・・船速補正回路、１５・・・ローパスフィルタ
部、１Ｇ−・・最適舵角演算部、１７・・・最適ゲイン
演算回路、１８・・・舵角演算回路、１９・・・設定タ
ーンレート演算部、２０・・・カルマンフィルタ部、２
１・・・ターンレート偏差演算回路 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）設定針路信号と船体に設置ｅｌられた船首方位信
   号発生器から得られる船首方位信号と設定ターンレート
   信号とターンレート信号とに基づいて命令舵角信号を得
   る構成の舶用オートパイロットにおいて、 前記設定針路信号と前記船首方位信号と前記船体の船速
   信号と前記船体の舵角信号とを入力し、前記船体の運動
   特性を演算し前記船体に最適な制御ゲインを得ると共に
   前記船首方位信号に含まれる外乱要素の内操舵に有害な
   高周波成分を取り除き前記命令舵角信号を演算する演算
   部を具備したことを特徴とする舶用オートパイロット。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項記載の演算部は、少な
   くとも前記船首方位信号と前記船速信号と前記舵角信号
   を入力しこれ等入力から船体の運動特性を演算する船体
   運動特性演算部と、前記船首方位信号に含まれる操舵に
   有害な高周波成分を除外する構成のフィルタ部と、前記
   船体運動特性演算部の出力及び前記船首方位信号と前記
   設定針路信号又はこれ等船首方位信号と設定針路信号と
   の差である針路偏差信号を入力しこれ等入力から設定タ
   ーンレート信号を演算する設定ターンレート演算部と、
   少くとも前記船体運動特性演算部の出力と前記フィルタ
   部の出力とを入力しこれ等入力から前記命令舵角信号を
   演算する最適舵角演算部とから構成されることを特徴と
   する舶用オートパイロット。
3. （３）前記特許請求の範囲第２項記載のフィルタ部を、
   前記船首方位信号に含まれる操舵に有害な高周波成分を
   舵角信号と前記船体運動特性演算部の出力を用いて除外
   する構成のカルマンフィルタとしたことを特徴とする舶
   用オートパイロット。