JP2001287697A

JP2001287697A - 船舶の航路保持制御装置及び方法

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Publication number: JP2001287697A
Application number: JP2000106981A
Authority: JP
Inventors: Unso Hayashi; 雲聰林; Toshiro Saeki; 敏朗佐伯; Hiroyuki Enchiyou; 浩之円丁
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-10-16
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP4736158B2

Abstract

(57)【要約】【課題】推力のはたつきがなく、航路保持制御の行き
過ぎ現象が軽減された、一軸の推進器を１個のみ有する
船舶にも適用可能な、船舶の航路保持制御装置を提供す
る。【解決手段】船舶の航路保持制御装置は、船舶Ｑが保
持すべき計画航路Ａを決定する手段と、計画航路Ａにお
いて船舶Ｑが保持すべき指定航路船速を設定する手段
と、船舶現在位置Xs、Ys、方位及び速度を測定する手段
と、これら測定値と計画航路Ａと指定航路船速とから、
航路偏差ΔＹ、方位偏差Δｐ及び速度偏差を又は方位偏
差及び速度偏差を算出する手段と、これら算出された偏
差から１個又は複数個の推進器が出力すべき推力を算出
する手段とを有する。計画航路Ａは連続な航路とする。
航路偏差ΔＹと方位偏差Δｐは、船舶現在位置Xs、Ysか
ら計画航路Ａに対して下した垂線と計画航路Ａとの交点
Xm、Ymから所定の距離ｄだけ離れた計画航路Ａ上の点を
目標点Xt、Ytとして算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作業上の要請から
操船において所定の船速で所定の航路を保持する必要が
あるケーブル敷設船、海洋調査船、オイルリグ等の船舶
・海洋構造物（以下、船舶と呼ぶ）に用いられる、自動
的に航路・船速保持を行う航路保持制御装置及び方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の航路保持制御装置及び方法におい
ては、海図上において時系列的・離散的に経由点WPk(k=
1,2,…)を設定し、これら経由点に基づく船舶位置偏差
と方位偏差を算出し、これら算出された偏差を無くすよ
うに船舶の推力を調整することにより航路保持制御を行
っていた。

【０００３】図１２は従来の制御手法を示したものであ
る。船舶Ｑが、最後に通過した経由点（前回経由点）WP
nと今度通過する経由点（今回経由点）WPn+1間に存在す
る場合は、今回経由点WPn+1を制御上の目標点とする。
すなわち、前回経由点WPnと今回経由点WPn+1とを結ぶ直
線に対して船舶現在位置(Xs,Ys)から垂直線を下ろし、
双方の交点を最近点(Xm,Ym)とし、船舶位置偏差ΔX、Δ
Yは、最近点(Xm,Ym)から目標点たる今回経由点WPn+1ま
での距離をΔXと、最近点(Xm,Ym)から船舶現在位置(Xs,
Ys)までの距離をΔYとすることで与えられる。また、船
長方向と、船舶現在位置(Xs,Xs)と今回経由点WPn+1とを
結ぶ直線とがなす角度が方位偏差Δpとして与えられ
る。これらの偏差ΔX、ΔY、Δpを無くすように推進器
推力の制御を行うことにより、船舶の航路保持がなされ
ていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、目標点たる経由点は船舶がこれを通過した際に次の
経由点に移行する。したがって、変向点である経由点を
通過した場合には、この移行の際に上記偏差は不連続に
変化することとなる。推進器駆動部に与えられる推力指
令値は偏差の値に依存するから、このような偏差の不連
続は、実際の推力のばたつきをもたらすこととなる。

【０００５】また、上述の経由点偏差に基づく従来の制
御手法では、図１３に示すような実際の航路Ｊの行き過
ぎ現象Oが生じてしまう。つまり、経由点WPn+1が転向点
である場合に、制御の結果として目標点たる経由点にWP
n+1に船舶Ｑが到達しても、次なる目標点たる経由点WPn
+2の位置と経由点WPn+1への船舶Ｑの進入角度との関係
次第では、線分WPn+1WPn+2から現実の船舶航路は大きく
逸脱することがある。また、通常、行き過ぎ現象Oを積
極的に減らすような制御は行わない。

【０００６】さらに、上述の経由点偏差に基づく従来の
制御手法では、位置偏差ΔX、ΔY、方位偏差Δｐを計算
して操船する場合は、３自由度の制御であるため、一軸
のプロペラ及び舵からなる推進器１個のみでは、発生し
た船幅方向推力と発生モーメントが依存するので航路保
持に必要な推力を出すことが原理的に不可能である。従
って、従来の制御手法は２つ以上の独立した推進器を有
し、船長方向推力と船幅方向推力及びモーメントを自由
に提供できる（すなわち３自由度を有する）船舶におい
てのみ適用されていた。

【０００７】本発明は上記の課題を解決するための手段
を提供するものである。すなわち、推力のはたつきがな
く、航路保持制御の行き過ぎ現象が軽減された、一軸の
推進器を１個のみ有する船舶にも適用可能な、船舶の航
路保持制御装置及び方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による船舶の航路
保持制御装置は、船舶が保持すべき計画航路を決定する
手段と、計画航路において船舶が保持すべき指定航路船
速を設定する手段と、船舶現在位置、方位及び速度を測
定する手段と、これら測定値と計画航路と指定航路船速
とから、航路偏差、方位偏差及び速度偏差又は方位偏差
及び速度偏差を算出する手段と、これら算出された偏差
から１個又は複数個の推進器が出力すべき推力を算出す
る手段とを有する船舶の航路保持制御装置において、計
画航路は連続な航路であること、航路偏差と方位偏差
は、船舶現在位置から計画航路に対して下した垂線と計
画航路との交点から所定の距離だけ離れた計画航路上の
点を目標点として算出されることを特徴とするものであ
る。

【０００９】本発明による船舶の航路保持制御方法は、
船舶が保持すべき連続な計画航路を決定し、船舶現在位
置から計画航路に対して下した垂線と計画航路との交点
とこの船舶現在位置との距離を航路偏差とし、船舶現在
位置と前記交点から所定の距離だけ離れた計画航路上の
点とを結ぶ直線と船長方向とが成す角度を方位偏差と
し、指定航路船速を与える船長方向の船速と現在の船長
方向船速との差を速度偏差とし、これら全ての偏差又は
方位偏差と速度偏差とがゼロとなるように船舶を航行さ
せるものである。

【００１０】本発明による船舶の航路保持制御装置及び
方法によれば、連続した計画航路上に船舶の走行に伴っ
て移動する目標点を設定することにより、航路偏差、方
位偏差、速度偏差が不連続に変化することはない。よっ
て、推力のばたつきのない船舶の航路保持制御が行え
る。

【００１１】さらに、本発明による船舶の航路保持制御
装置及び方法では、速度制御と船首方位制御の２自由度
の制御のみで船舶の航路保持制御が可能となる。よっ
て、一軸の推進器を１個のみ有する船舶にも適用が可能
となる。

【００１２】上記本発明による船舶の航路保持制御装置
及び方法において、上記所定の距離は、計画航路の形
状、航路偏差及び外乱の測定値の少なくともいずれかに
依存して変化することが好ましい。

【００１３】上記所定の距離を小さくすると船舶の計画
航路への復帰が早くなり（偏差が大きくなることによ
る）、大きくするとその逆の状況であることを利用し
て、船舶を取り巻く種々の状況に対して適応的にこの距
離を変化させることにより、船舶の乗り心地のよい航路
保持制御を行うことができる。

【００１４】また、本発明による他の船舶の航路保持制
御装置は、与えられた経由点から船舶が保持すべき計画
航路を決定する手段を有する船舶の航路保持制御装置に
おいて、計画航路は複数の線分と一定半径の円弧とで構
成される連続な航路であること、前記与えられた経由点
から抽出された時系列的に連続する３点以上の経由点を
用いて計画航路を適時更新することを特徴とするもので
ある。

【００１５】本発明による他の船舶の航路保持制御方法
は、与えられた経由点から船舶が保持すべき計画航路を
決定し、計画航路に対して船舶の航路保持を行う船舶の
航路保持制御方法において、計画航路は複数の線分と一
定半径の円弧とで構成される連続な航路であること、前
記与えられた経由点から抽出された時系列的に連続する
３点以上の経由点を用いて計画航路を適時更新すること
特徴とするものである。

【００１６】本発明による他の船舶の航路保持制御装置
及び方法では、与えられた経由点から抽出された時系列
的に連続する３点以上の経由点を用いて計画航路を適時
更新することにより、将来における不測の航路変更を余
儀なくされる場合に、必要最小限の経由点の変更によ
り、不要な演算を行うことなく迅速かつ簡便な対応が可
能となる。

【００１７】また、本発明による船舶の航路保持制御装
置及び方法では、計画航路が複数の線分と一定半径の円
弧とで構成される連続な航路であるために操船の容易化
が図れる。

【００１８】さらに、船舶の運動特性は強い非線形性を
有するので、全ての運動パターンについて満足できる制
御性能を発揮可能なコントローラのチューニングや設計
は難しい。よって、複数の線分と一定半径の円弧の組合
せで計画航路を構成すると、これら２つのパターンの運
動に合わせるようにコントローラをチューニングすれば
よく、あるいは簡単なコントローラ設計で満足できる制
御性能を達成することができる。

【００１９】また、上記の本発明による他の船舶の航路
保持制御装置及び方法では、計画航路は複数の計画航路
セグメントから構成されること、計画航路の更新は、抽
出された経由点から新たな計画航路セグメントを作成
し、不要となった計画航路セグメントを削除し、前記新
たな計画航路セグメントを接続することにより行ってよ
い。

【００２０】計画航路は、航路の最初から最後まで与え
られている必要はなく、当座の航海に必要な長さだけ与
えられていれば十分である。よって、計画航路を複数の
計画航路セグメントから構成し、計画航路セグメントを
用いて計画航路の更新を行うことにより、計画航路の更
新を簡便かつ効率的に行うことができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１〜
図１１に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形
態における船舶の航路保持制御装置の構成を示すもので
ある。

【００２２】経由点設定部１では、操船者による入力に
より、海図上に、航路を最初から最後まで計画するのに
必要とする経由点WPkが設定される。添え字kは通過順序
に対応している。経由点WPkは、原則として船舶の旋回
能力を考慮して十分な間隔で設定されるものとし、特に
短い間隔で連続的に設定されることは禁止される。通常
の操船では、この制限が本発明の実施上の障害となるこ
とはない。なお、本実施の形態では、始点と終点を除い
た経由点WPkは、全て転向点とする。以下の説明から、
仮に転向点でない経由点が存在しても、転向点たる経由
点のみを取り扱えば本発明の実施に影響はないことは明
らかである。

【００２３】航路計画部２では、経由点設定部１から得
られた経由点WPkの一部に関する位置情報を用いて当座
の航海に必要な長さの計画航路を作成する。また、現在
の計画航路における最後の経由点に船舶が到達する前に
新たな経由点位置情報を得て、計画航路を新たに作成
し、更新する。

【００２４】偏差演算部３は、船位測定部８、船首方位
測定部９及び船速測定部１０から得られた船舶の現在位
置、船首方位及び船速と、外乱測定部１１からの情報、
例えば潮流計や風速計からの情報と、航路計画部２から
得られた計画航路と、船速度設定手段１２において設定
された指定航路船速とに基づいて、航路偏差ΔY、方位
偏差Δp、及び速度偏差ΔＶを算出する（図２に詳細に
示す）。

【００２５】制御力演算部４は、航路偏差ΔY、方位偏
差Δp及び速度偏差ΔＶを無くすような制御ロジックに
基づいて、船長方向、船幅方向の制御力及び制御モーメ
ントを算出する。これらの制御力及び制御モーメントの
算出値は船舶の重心における値である。

【００２６】推進器配分部５は、船舶の有する推進器の
数、これらの設置位置や定格推力等の情報を基に、制御
力演算部４で算出された制御力及び制御モーメントの値
を満たすような各推進器が出力すべき推力を算出する。
推進器駆動部６は、推進器配分部５から出力された推力
の算出値を受けて、船体７に設置された各推進器に航路
保持に必要な推力を発生させるために動作する。

【００２７】以下、本発明の実施例の主要構成部につ
き、具体的に説明する。経由点設定部１は、船位測定部
８から得られた船舶の現在位置が所定の更新領域に達し
たときに、図３に示すような、船舶の通過順序が前回、
今回、次回、次々回である４つの経由点からなる指定経
由点群（説明上、WP1〜WP4とする）に関する位置情報を
航路計画部２に渡す。

【００２８】航路計画部２では、経由点設定部１からの
指定経由点群WP1〜WP4の位置情報に基づいて計画航路の
更新を行う。計画航路は２つの計画航路セグメント（以
下、セグメントと略す）から構成されており、計画航路
の更新は、新たにセグメントを作成し、航路保持制御に
不要となったセグメントを削除し、この新たに作成した
セグメントを残ったセグメントに接続することにより行
われる。

【００２９】航路計画部２におけるセグメントの作成に
ついて説明する。図３に示すように、まず経由点間を直
線で結び、その後、これらの直線が変針点における接線
となるような円弧（円形航路）を設けることによりセグ
メントは作成される。なお、全ての円弧の半径は、最小
旋回半径等の船の運動特性を考慮して設定された一定の
半径ｒ（以後、航路回転半径と呼ぶ）を有する。セグメ
ントは、指定経由点群の位置関係に対応して、以下に示
すタイプ１、タイプ２及びタイプ３に区別される。

【００３０】図４に、タイプ１のセグメントの一例を示
す。タイプ１は、前回経由点WP1と今回経由点WP2を結ぶ
直線Ｌ１２と、今回経由点WP2と次回経由点WP3を結ぶ直
線Ｌ２３とを、航路回転半径ｒを有する円弧で連続に接
続できる場合に適用される。すなわち、経由点WP2とWP3
との間の距離が、今回経由点WP2に関する変針点・経由
点間距離ｓ２と次回経由点WP3に関する変針点・経由点
間距離ｓ３との和ｓ２＋ｓ３以上である場合に適用され
る。変針点・経由点間距離ｓ３を考慮するのは、次回の
セグメント作成が適切に行われることを保証するためで
ある。今回経由点WP2から変針点Ｃ１（又はＣ２）まで
の距離である変針点・経由点間距離ｓ２は、直線Ｌ１２
と直線Ｌ２３との角度である旋回角度γ２と航路回転半
径ｒから、式ｓ２＝ｒ・ｔａｎ（γ２／２）で決定され
る。このように変針点・経由点間距離ｓ２を決定するこ
とにより、変針点Ｃ２、Ｃ３において円弧Ｒ１に直線Ｌ
１２、Ｌ２３が接することとなる。なお、次回経由点WP
3と変針点Ｃ３（又はＣ４）までの距離である変針点・
経由点間距離ｓ３は、直線Ｌ２３と直線Ｌ３４との角度
である旋回角度γ３と航路回転半径ｒから同様に決定さ
れる。

【００３１】以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ
１まで延びた直線と、変針点Ｃ１変針点Ｃ２まで、旋回
半径ｒで今回経由点WP2を迂回する円弧Ｒ１と、変針点
Ｃ２と次回経由点WP3まで延びた直線とからなるタイプ
１のセグメントが形成される。なお、後述する計画航路
の更新方法との関係から、タイプ１のセグメントは、前
回経由点WP1から次回経由点WP3までの航路を与えれば十
分である。図５に、タイプ２のセグメントの一例を示
す。タイプ２のセグメントは、経由点WP1を始点、WP2を
終点としたベクトルWP1WP2と経由点WP3を始点、WP4を終
点としたベクトルWP3WP4とが平行であり、かつ、経由点
WP2とWP3との間の距離が既述した和ｓ２＋ｓ３未満であ
るためにタイプ１を適用できない場合において適用され
る。

【００３２】タイプ２のセグメントは、直線Ｌ１２上の
変針点Ｃ１と直線Ｌ３４上の変針点Ｃ２を２つの円弧Ｒ
１、Ｒ２で結ぶことにより作成される。変針点Ｃ１は、
経由点WP2から距離ｓだけ離れた直線Ｌ１２上に与えら
れる。この距離ｓの値は、セグメント作成の際に、ゼロ
以上変針点・経由点間距離ｓ３未満の適当な値が設定さ
れる。円弧Ｒ１は、その半径が航路回転半径ｒであり、
変針点Ｃ１において直線Ｌ１２が接するものとして与え
る。また、円弧Ｒ１は、直線Ｌ３４に向かって角度ηま
で旋回する航路を与えるものとし、その終点を変針点Ｃ
３とする。旋回角度ηは、直線Ｌ１２とＬ３４間の距離
Ｄと航路回転半径ｒから、式η＝ｃｏｓ^−１（１−Ｄ／
２ｒ）で決定される。円弧Ｒ２は、その半径が航路回転
半径ｒであり、変針点Ｃ３から円弧Ｒ１とは逆方向に同
じく角度ηで旋回するものとして与える。このように円
弧Ｒ１、Ｒ２を与えれば、必然的に、変針点Ｃ３で航路
は連続となり、円弧Ｒ２の終点たる変針点Ｃ２は直線Ｌ
２３上に置かれることとなり、かつ、変針点Ｃ２で航路
は連続となる。

【００３３】以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ
１まで延びた直線と、変針点Ｃ１から変針点Ｃ３までを
繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ１と、変針点Ｃ３から変針点Ｃ２ま
でを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ２と、変針点Ｃ２から次々回経
由点WP4まで延びた直線とからなるタイプ２のセグメン
トが形成される。

【００３４】図６に、タイプ３のセグメントの一例を示
す。タイプ３のセグメントは、ベクトルWP1WP2と、ベク
トルWP3WP4とが平行でなく（従ってこれらベクトルが反
平行の場合はタイプ２ではなく、タイプ３が適用され
る）、かつ、経由点WP2とWP3との間の距離が既述した和
ｓ２＋ｓ３未満であるためにタイプ１を適用できない場
合において適用される。

【００３５】タイプ３のセグメントは、直線Ｌ１２上の
変針点Ｃ１と直線Ｌ３４上の変針点Ｃ２を２つの円弧Ｒ
１、Ｒ２で結ぶことにより作成される。変針点Ｃ１は、
経由点WP2と同じ位置に与えられる。円弧Ｒ１は、その
半径が航路回転半径ｒであり、変針点Ｃ１における接線
が直線Ｌ１２となるものとして与える。また、円弧Ｒ１
は、直線Ｌ３４に向かって角度μ１＋μ２まで旋回する
航路を与えるものとし、その終点を変針点Ｃ４とする。
旋回角度μ１は、当該角度まで旋回したときの円弧Ｒ１
上の点Ｃ３において、円弧Ｒ１の接線Ｌが直線Ｌ３４に
対して平行となる条件により決定される。点Ｃ３から
は、直線Ｌと直線Ｌ３４に対して、既述したタイプ２の
セグメントを適用することによりタイプ３のセグメント
が決定される。ここで、点Ｃ３から変針点Ｃ４までの旋
回角度μ２は、直線Ｌと直線Ｌ３４間の距離Ｄ、航路回
転半径ｒから、式 μ２＝ｃｏｓ^−１（１−Ｄ／２ｒ）で与えられる。円弧Ｒ２は、その半径が航路回転半径ｒ
であり、変針点Ｃ４からは円弧Ｒ１と逆方向に角度μ２
で旋回するものとして与える。このように円弧Ｒ１、Ｒ
２を与えれば、必然的に、変針点Ｃ１、Ｃ４で航路は連
続となり、円弧Ｒ２の終点たる変針点Ｃ２は直線Ｌ３４
上に置かれることとなり、かつ、変針点Ｃ２で航路は連
続となる。

【００３６】以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ
１まで延びた直線と、変針点Ｃ１から変針点Ｃ４までを
繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ１と、変針点Ｃ４から変針点Ｃ２ま
でを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ２と、変針点Ｃ２から次々回経
由点WP4まで延びた直線とからなるタイプ３のセグメン
トが形成される。

【００３７】航路計画部２において、与えられた指定経
由点群についてのセグメントの決定は、図７に示すアル
ゴリズムに基づいて行われる。航路計画部２に、指定経
由点群WP1〜WP4が与えられると（Ｓ４１）、まず、当該
指定経由点群WP1〜WP3に対してタイプ１のセグメントを
適用できるか否かの判定が行われる（Ｓ４２）。すなわ
ち、この判定では、経由点WP2とWP3との間の距離が、変
針点・経由点間距離の和ｓ２＋ｓ３以上か否かが判定さ
れる。経由点WP2とWP3との間の距離がｓ２＋ｓ３以上と
判定された場合には、上述した手順により指定経由点群
WP1〜WP3に対してタイプ１のセグメントが形成される
（Ｓ４３）。経由点WP2とWP3との間の距離がｓ２＋ｓ３
未満と判定された場合には、指定経由点群WP1〜WP4にタ
イプ２及びタイプ３のセグメントのいずれが適用可能か
が判定される（Ｓ４４）。この判定では、ベクトルWP1W
P2及びベクトルWP3WP4が平行であるか否かが調べられ
る。平行の場合には、指定経由点群WP1〜WP4に対してタ
イプ２のセグメントが形成され（Ｓ４５）、平行でない
場合には、タイプ３のセグメントが形成される（Ｓ４
６）。

【００３８】図８に、航路計画部２における計画航路更
新処理フローを示す。船舶が現在航路保持制御の対象と
している計画航路は、指定経由点群WP1〜WP4の位置情報
について作成されたセグメントを、当該位置情報より一
つ前に得られた指定経由点群情報について作成されたセ
グメントに接続したものである。

【００３９】まず、船位測定手段８から得られた船舶現
在位置が今回経由点WP2を中心とする所定の半径の円で
ある更新領域に達したか否かを判定する（Ｓ８１）。到
達しない場合は以後の処理を行わない。到達した場合
は、現在制御に用いているセグメントがタイプ１か否か
を判断する（Ｓ８２）。タイプ１である場合には、指定
経由点群を１点（未来へ）ずらす形で更新する（Ｓ８
３）。そして、新たな指定経由点群につきセグメントを
作成し、不必要となった（古い方の）セグメントを削除
し、この新たに作成されたセグメントを残ったセグメン
トに接続することにより計画航路が更新される（Ｓ８
４）。なお、このセグメント同士は、残ったセグメント
の最後の変針点以降が新たなセグメントとなるように接
続されることにより計画航路を形成する。

【００４０】Ｓ８２においてタイプ１でない場合は、現
在制御に用いているセグメントの最後の変針点を中心と
する所定の半径の円たる更新領域に船舶の現在位置が到
達したか否かを判断する（Ｓ８５）。到達していない場
合は、更新を行わない。到達した場合は、指定経由点群
を２点シフトする形で更新する（つまり、WP3〜WP6が新
たな指定経由点群となる）（Ｓ８３）。その後、新たな
指定経由点群につきセグメントを作成し、不要となった
セグメントを削除し、残ったセグメントに前記新たに作
成されたセグメントを接続することにより計画航路が更
新される（Ｓ８４）。

【００４１】なお、指定経由点群が５つ以上の場合は、
例えば上記３タイプのセグメントを合成したセグメント
を作成することにより本実施例は容易に変更かつ対応可
能である。指定経由点が３点の場合でも、適当に広い間
隔で経由点WPkを与えれば本実施例は容易に変更かつ対
応可能である（この場合、セグメントはタイプ１のみ使
用する）。

【００４２】図１１は、計画航路の更新処理の具体例を
示すものである。図１１上部は、経由点WP1を中心とす
る円Ｕ０内に船舶Ｑが到達した際に作成（更新）された
計画航路を示すものである。この計画航路は、経由点WP
0〜WP2に対するタイプ１のセグメントＧ１（よって、円
Ｕ０が更新領域となる）と経由点WP1〜WP4に対するタイ
プ２のセグメントＧ２とから構成されており、セグメン
トＧ１の変針点Ｃａ以降がセグメントＧ２となるように
両セグメントが接続されたものである。変針点Ｃｂはセ
グメントＧ２における最後の変針点であり、セグメント
Ｇ２はタイプ２であるから、変針点Ｃｂを中心とする円
Ｕ１が更新領域である。この更新領域Ｕ１内に船舶Ｑが
到達したと判断されると計画航路の更新を行う。

【００４３】図１１下部は、更新後の計画航路を示すも
のである。新たに経由点WP3〜WP6に対するタイプ３のセ
グメントＧ３が作成され、不必要となったセグメントＧ
１は削除され、更新後の計画航路は、セグメントＧ２の
最後の変針点Ｃｂ以降がセグメントＧ３となるように両
セグメントが接続されたものである。次の計画航路の更
新は、セグメントＧ３はタイプ３であるから、セグメン
トＧ３の最後の変針点Ｃｃを中心とする円Ｕ２内に船舶
Ｑが到達すると行われる。

【００４４】偏差演算部３は、航路計画部２により決定
された計画航路からの船舶の位置偏差ΔY、方位偏差Δ
ｐを算出する。図９は、これら偏差の計画航路に対する
関係を示すものである。船舶現在位置(Xs,Ys)は船位測
定手段８により与えられ、この位置より計画航路Ａに対
して下した垂線とこの計画航路Ａとの交点が最近点(Xm,
Ym)である。制御上の目標点(Xt,Yt)は、最近点(Xm,Ym)
から航路保持制御前方距離ｄだけ船舶の進行方向に離れ
た点を設定する。船舶現在位置(Xs,Ys)から最近点(Xm,Y
m)までの距離を航路偏差ΔYとし、船長方向と船舶現在
位置(Xs,Ys)と目標点(Xt,Yt)を結ぶ直線Ｍがなす角度を
方位偏差Δｐとする。航路偏差ΔY、方位偏差Δｐは以
下の式で与えられる。

【００４５】 Δｙ＝√（Ｘｓ−Ｘｍ）^２＋（Ｙｓ−Ｙｍ）^２ Δｐ＝π／２−ｃｏｓ^−１〔（ｌts^２＋ｌsm^２＋ｌm
t^２）／２ｌtsｌsm〕−Δα ここでｌts＝√（Ｘｔ−Ｘｓ）^２＋（Ｙｔ−Ｙｓ）^２ｌsm＝√（Ｘｓ−Ｘｍ）^２＋（Ｙｓ−Ｙｍ）^２ｌmt＝√（Ｘｍ−Ｘｔ）^２＋（Ｙｍ−Ｙｔ）^２＝ｄ Δαは、最近点(Xm,Ym)における計画航路Ａの接線Ｈ方
向と船長方向の成す角度である。なお、上記の式は、本
実施例における直線と円弧からなる計画航路のみならず
連続な計画航路において一般的に成立する。よって、本
発明は、本実施例以外の連続な計画航路（例えば、計画
航路作成において経由点間をスプライン補間で繋ぐ等）
について容易に適用可能である。

【００４６】また、航路保持制御では、計画航路上にお
いて、船速設定部１２で設定される指定航路船速Ｖｐを
一定に保つことが要求される。この指定航路船速Ｖｐ
と、船速測定部１０により測定された船長方向の速度Ｖ
ｓと、航路計画部２からの計画航路を用いて、偏差演算
部３では速度偏差ΔＶ＝Ｖｃ―Ｖｓを演算する。ここでＶｃ＝Ｖｐ／ｃｏｓ（Δα） Δαは、図９に示した、最近点(Xm,Ym)における計画航
路の接線と船長方向の成す角度である。このように船舶
は指定航路船速を保つように制御されているため、方位
偏差Δｐを無くすように制御を行えば船舶は計画航路に
保持される。よって、本発明により、一軸（プロペラと
舵からなる）推進器を１個のみ有する船舶でも航路保持
制御が可能である。

【００４７】制御力演算部４では、航路偏差ΔY、方位
偏差Δｐ及び速度偏差ΔＶを無くすために必要とする船
舶の推力及びモーメントを、以下のように求める。

【００４８】Ｆx＝ｆＸ（ΔＶ）Ｆｙ＝ｆＹ（ΔY，Δｐ）Ｎ＝ｆＮ（ΔY，Δｐ）ここで、Ｆｘは船長方向指令推力、Ｆｙは船幅方向指令
推力、Ｎは指令モーメントである。

【００４９】推力配分部５は、これら指令推力Ｆｘ、Ｆ
ｙ及び指令モーメントＮの値を用いて、各推進器が出力
すべき推力を演算する。なお、推力配分部５は、１個の
推進器のみしか有さない船舶では不要である。推進器駆
動部６は、これら推力の演算値に応した推力を発生する
ように船舶に配置された各推進器の制御を行い、結果、
船舶が計画航路に保持される。

【００５０】なお、航路保持制御前方距離ｄは、航路制
御保持制御のためのパラメータであり、航路保持制御前
方距離ｄを小さくするほど、方位偏差Δｐの値が大きく
なるために船舶の計画航路への復帰が早くなる。一方
で、船首方位の振れも大きくなることから制御推力の急
激な変化が生じ、船舶の乗心地に悪影響を及ぼす。そこ
で、本実施例において、航路保持制御前方距離ｄは、最
近点(Xm,Ym)における計画航路の形状、航路偏差ΔY、外
乱測定部１１からの風、波等の情報に基づき、偏差演算
部３において以下のように調整されてよい。

【００５１】円形航路では、船舶は旋回動作を行うこと
から、航路保持制御前方距離ｄは、最近点(Xm,Ym)にお
ける計画航路の形状が円形航路である場合には小さく、
当該形状が直線航路で有る場合には大きくする。

【００５２】航路偏差ΔYが大きい場合には早く計画航
路に船舶を復帰させるため、航路保持制御前方距離ｄ
は、航路偏差ΔYが大きい場合には小さく、航路偏差ΔY
が小さい場合には大きくする。

【００５３】外乱が大きい場合に船舶の乗心地を考慮し
て、航路保持制御前方距離ｄは、風、波等が大きい場合
には大きく、風、波等が小さい場合には小さくする。

【００５４】さらに、航路保持制御に航路偏差ΔYを考
慮しない場合には、航路保持制御前方距離ｄは、図１０
に示す演算方法により決定するのも効果的である。

【００５５】方位制御及び速度制御が完全に行われる理
想的な状況を考えれば、簡単な考察により、 ΔY＝ΔY_０ｅｘｐ（−Ｖｐ・ｔ／ｄ）なる関係が得られる。ｔは時間、ΔY_０はｔ＝０でのΔY
の値、Ｖｐは計画航路上において保持すべき指定航路船
速である。つまり、航路保持制御前方距離ｄが極力小さ
い方が航路偏差ΔYの減少が早いことが理解できる。し
かし、船長方向と最近点接線方向の成す角度をΔφとす
れば、Δφに対して、ｄ（ｔａｎΔφ）／ｄｔ＝−Ｖｐ・ΔY／ｄ^２が成立するから、航路保持制御前方距離ｄは無限に小さ
くすることは不可能であることがわかる。つまり、左辺
の値は船舶の回頭速度とその時刻のΔφにより制限され
るからである。従って、可能な最小の航路保持制御前方
距離ｄは、ある時刻ｔにおいて、ｄ＝√−Ｖｐ・ΔＹ／max〔ｄ（ｔａｎΔΦ）／ｄｔ〕 ΔΦ＝ΔΦｔｄΔΦ／ｄｔ＝（ｄθ／ｄｔ）max となる。ここで、ΔφｔはΔφの時刻ｔでの値であり、
（ｄθ／ｄｔ）ｍａｘは船舶の最大回頭角速度である
（Ｓ５）。そして、このように求められた航路保持制御
前方距離ｄをチェックし、制御の安定性から決定された
下限値ｄｍｉｎ未満である場合は、このｄｍｉｎを航路
保持制御前方距離ｄとする（Ｓ６）。

【００５６】なお、上記の航路保持制御前方距離ｄを決
定する処理の前に、制御性の向上を図るべく以下の処理
を行う。円形航路を走行する場合、船舶の必要な回頭角
度はＶｐ/ｒであるから、計画航路の形状を判断し（Ｓ
１）、円形航路の場合は、最大回頭速度を（ｄθ／ｄ
ｔ）ｍａｘ−Ｖｐ/ｒとする（Ｓ２）。さらに、荒天で
の航海では、船舶の操船力が落ちることから、外乱測定
部１１からの情報から荒天か否かを判断し（Ｓ３）、荒
天の場合には最大回頭角速度にｍ％のマージン率を掛け
る（Ｓ４）。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、推力のはたつきがな
く、航路保持制御の行き過ぎ現象が軽減された、一軸の
推進器を１個のみ有する船舶にも適用可能な、船舶の航
路保持制御装置及び方法が提供される。

【００５８】また本発明によれば、操船が容易であり、
船舶を取り巻く種々の状況に対して、乗り心地のよい航
路保持制御を行う船舶の航路保持制御装置及び方法が提
供される。

【００５９】さらに本発明によれば、将来における不測
の航路変更を余儀なくされる場合に、必要最小限の経由
点の変更により、不要な演算を行うことなく迅速かつ簡
便な対応が可能な船舶の航路保持制御装置及び方法が提
供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による船舶の航路保持制御装置の構成を
示すブロック図である。

【図２】同装置の偏差演算部の詳細を示すブロック図で
ある。

【図３】計画航路セグメントを作成するための指定経由
点群の説明図である。

【図４】タイプ１の計画航路セグメントの一例を示す説
明図である。

【図５】タイプ２の計画航路セグメントの一例を示す説
明図である。

【図６】タイプ３の計画航路セグメントの一例を示す説
明図である。

【図７】タイプ１〜３を選択するためのアルゴリズムを
示すフローチャートである。

【図８】航路偏差、方位偏差の計画航路に対する幾何的
関係を示す説明図である。

【図９】航路偏差、方位偏差の計画航路に対する幾何的
関係を示す説明図である。

【図１０】航路保持制御前方距離を求める手順を示すフ
ローチャートである。

【図１１】計画航路更新の具体例を示す説明図である。

【図１２】従来技術による船舶の航路保持制御方法の説
明図である。

【図１３】従来技術による船舶の航路保持制御における
問題点を示す図である。

【符号の説明】

WPk 経由点 Xs、Ys 船舶現在位置 Xm、Ym 最近点 Xt、Yt 目標点ｄ航路保持制御前方距離 ΔY 航路偏差 Δｐ方位偏差 ΔＶ速度偏差Ａ計画航路Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３計画航路セグメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者円丁浩之大阪市住之江区南港北１丁目７番89号日立造船株式会社内Ｆターム(参考） 5H301 AA04 CC03 CC06 DD01 GG14 GG16 HH02 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】船舶が保持すべき計画航路を決定する手
段と、計画航路において船舶が保持すべき指定航路船速
を設定する手段と、船舶現在位置、方位及び速度を測定
する手段と、これら測定値と計画航路と指定航路船速と
から、航路偏差、方位偏差及び速度偏差を又は方位偏差
及び速度偏差を算出する手段と、これら算出された偏差
から１個又は複数個の推進器が出力すべき推力を算出す
る手段とを有する船舶の航路保持制御装置において、計
画航路は連続な航路であること、航路偏差と方位偏差
は、船舶現在位置から計画航路に対して下した垂線と計
画航路との交点から所定の距離だけ離れた計画航路上の
点を目標点として算出されることを特徴とする船舶の航
路保持制御装置。
【請求項２】上記所定の距離は、計画航路の形状、航
路偏差及び外乱の測定値の少なくともいずれかに依存し
て変化する請求項１の船舶の航路保持制御装置。
【請求項３】与えられた経由点から船舶が保持すべき
計画航路を決定する手段を有する船舶の航路保持制御装
置において、計画航路は複数の線分と一定半径の円弧と
で構成される連続な航路であること、前記与えられた経
由点から抽出された時系列的に連続する３点以上の経由
点を用いて計画航路を適時更新することを特徴とする船
舶の航路保持制御装置。
【請求項４】計画航路は複数の計画航路セグメントか
ら構成されること、計画航路の更新は、抽出された経由
点から新たな計画航路セグメントを作成し、不要となっ
た計画航路セグメントを削除し、前記新たな計画航路セ
グメントを接続することにより行われることを特徴とす
る請求項３の船舶の航路保持制御装置。
【請求項５】船舶が保持すべき連続な計画航路を決定
し、船舶現在位置から計画航路に対して下した垂線と計
画航路との交点と船舶現在位置との距離を航路偏差と
し、船舶現在位置と前記交点から所定の距離だけ離れた
計画航路上の点とを結ぶ直線と船長方向とが成す角度を
方位偏差とし、指定航路船速を与える船長方向の船速と
現在の船長方向船速との差を速度偏差とし、これら全て
の偏差又は方位偏差と速度偏差とがゼロとなるように船
舶を航行させる船舶の航路保持制御方法。
【請求項６】上記所定の距離は、計画航路の形状、航
路偏差及び外乱の測定値の少なくともいずれかに依存し
て変化させることを特徴とする請求項５の船舶の航路保
持制御方法。
【請求項７】与えられた経由点から船舶が保持すべき
計画航路を決定し、計画航路に対して船舶の航路保持を
行う船舶の航路保持制御方法において、計画航路は複数
の線分と一定半径の円弧とで構成される連続な航路であ
ること、前記与えられた経由点から抽出された時系列的
に連続する３点以上の経由点を用いて計画航路を適時更
新すること特徴とする船舶の航路保持制御方法。
【請求項８】計画航路は複数の計画航路セグメントか
ら構成されること、計画航路の更新は、抽出された経由
点から新たな計画航路セグメントを作成し、不要となっ
た計画航路セグメントを削除し、前記新たな計画航路セ
グメントを接続することにより行われることを特徴とす
る請求項７の船舶の航路保持制御方法。