JP2016144971A - 船体制御装置、船体制御方法 - Google Patents

船体制御装置、船体制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】外乱に対する船体の姿勢を、より安定的に維持できる船体制御装置、船体制御方法を提供する。【解決手段】船体制御装置10の舵制御部20は、船尾方位算出部201、目標方位算出部202、偏角算出部203、および、舵機駆動信号決定部204を備える。船尾方位算出部201は、船尾方位を算出する。目標方位算出部202は、外乱方向から船体の目標方位を算出する。偏角算出部203は、目標方位と船尾方位の差分から偏角を算出する。舵機駆動信号決定部204は、偏角に基づいて船尾方位と目標方位とを近づけるように指令舵角を決定し、該指令舵角に応じた舵機駆動信号を決定する。【選択図】 図1

Description

本発明は、風や潮流等の外乱の影響を考慮して船体に所定の航走動作を行わせる船体制御装置、船体制御方法に関する。
一本釣り漁船等では、魚礁や瀬のような目的魚が多く生息する特定の位置および領域で漁を行うことによって、漁の効率を向上させることができる。このため、船体を定点保持させる、または、船舶を所定の流しラインに沿って航走させる等の船体制御を行う必要がある。
従来、このような船体制御は、操船者が自船の動きを見ながら舵と推進力とを手動で調整することによって実現されてきた。この方法では、操船者の負担が大きくなってしまう。
このため、特許文献1に記載の自動操舵装置は、風等の外乱を考慮して自動で舵角を設定している。
国際公開2013/121935号パンフレット
しかしながら、特許文献1に記載の自動操舵装置では、外乱方向および外乱の大きさの変化等に対する追従が遅くなる場合もある。
したがって、本発明の目的は、外乱に対する船体の姿勢を、より安定的に維持できる船体制御装置、船体制御方法を提供することにある。
この発明の船体制御装置は、目標方位算出部、船尾方位算出部、および、舵機駆動信号決定部を備える。目標方位算出部は、外乱方向から船体の目標方位を算出する。船尾方位算出部は、船尾方位を算出する。舵機駆動信号決定部は、船尾方位と目標方位とを近づけるように指令舵角を決定し、該指令舵角に応じた舵機駆動信号を決定する。
この構成では、船尾が外乱方向と対向するように船体制御される。船体は、一般的に船首が先細り形状であり、船尾は平坦な面を有する形状である。また、舵は船尾の船底付近に取り付けられている。このため、船体の構造上、船首は外乱による方位の変化が生じ易く、船尾は外乱による方位の変化が生じにくい。したがって、この構成を用いることによって、船体に対する外乱の影響が抑制され、安定した船体制御が実現される。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、今回の指令舵角、および、前回の指令舵角と今回の指令舵角とから算出される指令舵角の変化量を用いて舵機駆動信号を決定する。
この構成では、舵角が必要以上に変化することを抑制でき、舵角を安定して制御することができる。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値以上であることを検出すると舵機駆動信号を出力し、指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値未満であることを検出すると舵角キープを実行するように舵機駆動信号の出力を停止する。
この構成では、舵の切りすぎを抑制できる。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、指令舵角の変化量が第1閾値以上である場合に、今回の指令舵角が舵角キープ用の上限閾値より大きいまたは下限閾値未満であることを検出すると、舵角キープを有効にするように舵機駆動信号の出力を停止する。舵機駆動信号決定部は、指令舵角の変化量が第1閾値以上である場合に、今回の指令舵角が舵角キープ用の上限閾値以下または下限閾値以上であることを検出すると、舵角キープを無効にするように舵機駆動信号を出力する。
この構成では、外乱方向に船尾が対向する前に舵が反対方向に切り換えされることが抑制され、且つ、船尾方位が収束しにくくなることが抑制される。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、船尾の回頭角速度が切り戻し強化用の上限閾値以上または切り戻し強化用の下限閾値以下であることを検出すると、舵角の変化速度を速くするように舵機駆動信号を決定する。
この構成では、船尾の回頭角速度が速くなりすぎることによって船尾方位が目標方位に収束しにくくなることが抑制される。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、船速が前後進判別用の閾値以下であることを検出すると、船尾が先頭側となる航走態様に応じた指令舵角を設定する。
この構成では、船尾が外乱方向に対向する航走態様に応じた指令舵角が設定され、航走態様に応じた船体制御が自動で実行される。
また、この発明の船体制御装置における舵機駆動信号決定部は、外乱の大きさおよび船体に対する外乱の相対方位から指令舵角を算出するフィードバック制御の係数を決定する。
この構成では、外乱の変化により素早く対応して指令舵角が算出される。
また、この発明の船体制御装置における目標方位算出部は、船体の動力の主機特性と動力に接続するプロペラの回転数とを用いて目標方位を算出する。
この構成では、計測できない外乱があっても目標方位が算出される。
この発明によれば、外乱に対して、船体の姿勢をより安定的に維持することができる。
本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置および舵制御部の主要構成を示すブロック図 本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置による船体制御の概念を示す図 本発明に第1の実施形態に係る船体制御の主要フローを示すフローチャート 本発明の第1の実施形態に係る舵機駆動信号決定部の制御ブロック図 本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置における指令舵角、実舵角(推定)の時間推移、および、舵機駆動信号の波形を示すグラフ 本発明の第1の実施形態に係る舵機駆動信号の生成処理を示すフローチャート 本発明の第1の実施形態に係る舵角の切り戻し調整処理を示すフローチャート 本発明の第2の実施形態に係る船体制御装置における舵機駆動信号決定部の制御ブロック図 本発明の第2の実施形態に係る船体制御装置における指令舵角、実舵角(推定)の時間推移、および、舵機駆動信号の波形を示すグラフ 本発明の第2の実施形態に係る舵機駆動信号の生成処理を示すフローチャート 本発明の第3の実施形態に係る船体制御装置の主要構成を示すブロック図 本発明の第3の実施形態に係る船体制御装置のスロットル操作指示に関する表示態様例を示す図 本発明の第4の実施形態に係る船体制御装置の目標航路(流しライン)の各種入力態様を示す図 本発明の第4の実施形態に係る船体制御装置のAP制御部で実行する船体の目標航路(流しライン)の入力処理を示すフローチャート 本発明の第5の実施形態に係る船体制御装置の舵制御部で実行する前進モードと後進モードの自動切替処理を示すフローチャート 本発明の第6の実施形態に係る船体制御装置の舵制御部で実行する前進モードと後進モードの自動切替処理を示すフローチャート 本発明の第7の実施形態に係る船体制御装置のパラメータの設定処理を示すフローチャート 本発明の第7の実施形態に係る船体制御装置のパラメータ例を示す表 本発明の第8の実施形態に係る船体制御装置の制御ブロック図 本発明の第8の実施形態に係る船体制御装置における相対風向の定義を示す図 本発明の第9の実施形態に係る船体制御装置の目標方位算出方法を示すフローチャート 本発明の第9の実施形態に係る船体制御装置の目標方位およびプロペラ回転数の目標値の算出概念を説明するための図
本発明の第1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(A)は、本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置の主要構成を示すブロック図である。図1(B)は、本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置舵制御部の主要構成を示すブロック図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置による船体制御の概念を示す図である。
図1(A)に示すように、船体制御装置10は、舵制御部20および方位センサ30を備える。舵制御部20には、外乱パラメータ、および、方位センサ30で検出された船体方位が入力される。外乱パラメータとは、風向、風速、潮流の方向、潮流の大きさ等である。舵制御部20は、外乱パラメータと船体方位とを用いて、舵機駆動信号を生成して、舵91に出力する。舵91は、舵機駆動信号に応じて舵角を変化させる。
この際、図2に示すように、舵制御部20は、船体90の船尾が外乱方向に対向するように舵角を調整する舵機駆動信号を生成する。このような船体制御を行って、船尾を外乱方向(外乱到来方向)に対向させることによって、外乱によって船体90が外乱方向に対して横を向くように回動することを抑制できる。船体90が外乱方向に対して横を向くとは、船体90の船首と船尾を結ぶ方向と外乱方向とが略直交する状態を示す。
船体90は、一般的に、航走性能等を考慮して、船首が先細り形状となっており、船尾は平坦な壁を有する形状である。また、舵91は、船体90の船尾付近に装備されている。したがって、舵91の装備位置と船尾との距離は短く、舵91の装備位置と船首との距離は長い。
ここで、船体90が回動する際の支点901は舵91の装備位置である。したがって、船首が外乱方向に対向する場合で外乱方向が変化すれば、この影響を受けて船体90が回動し易い。一方、船尾が外乱方向に対向する状態で外乱方向が変化しても、船体90への影響は小さく、回動し難い。
このように、船体90の船尾が外乱方向に対向するように、船体制御を行うことによって、船首を外乱方向に対向させるよりも安定して所望の姿勢を維持することができる。
次に、このような船体制御を行うより具体的な構成および方法について説明する。図3は、本発明に第1の実施形態に係る船体制御の主要フローを示すフローチャートである。
図1(B)に示すように、舵制御部20は、船尾方位算出部201、目標方位算出部202、偏角算出部203、および、舵機駆動信号決定部204を備える。
船尾方位算出部201には、方位センサ30から船体方位が入力される。方位センサ30は、例えばサテライトコンパス等からなり、船体90の方位を算出する。
船尾方位算出部201は、船体方位から船尾方位を算出する(図3:S101)。例えば、方位センサ30で船首方位が算出されていれば、船尾方位算出部201は、船首方位から船尾方位を算出して、偏角算出部203に出力する。また、方位センサ30で船尾方位が算出されていれば、船尾方位算出部201は、そのまま船尾方位を偏角算出部203に出力する。
目標方位算出部202は、外乱パラメータから外乱方向を取得し、外乱方向と逆方向となる目標方位を算出して、偏角算出部203に出力する(図3:S102)。
偏角算出部203は、船尾方位と目標方位とを差分して偏角(図2参照)を算出し、舵機駆動信号決定部204に出力する(図3:S103)。
舵機駆動信号決定部204は、偏角に基づいて舵機駆動信号を生成し、舵91に出力する(図3:S104)。
舵機駆動信号決定部204は、次に示す処理を実行することによって、舵機駆動信号を生成する。図4は、本発明の第1の実施形態に係る舵機駆動信号決定部の制御ブロック図である。なお、下記の各制御ブロックは、個別の機能部で実行してもよい。
図4に示すように、舵機駆動信号決定部204は、偏角と船尾方位とから指令舵角δnewを算出する。舵機駆動信号決定部204は、例えば、PD制御によって指令舵角δnewを算出する。PD制御を用いる場合、舵機駆動信号決定部204は、偏角にP制御を行うことで比例舵角を算出し、船尾方位の変化量から算出される回頭角速度にD制御を行うことで微分舵角を算出する。舵機駆動信号決定部204は、比例舵角と微分舵角を加算することによって指令舵角δnewを算出する。舵機駆動信号決定部204は、算出した指令舵角δnewを記憶する。
舵機駆動信号決定部204は、今回算出した指令舵角(今回の指令舵角)δnewと、記憶していた前回算出した指令舵角(前回の指令舵角)δpreとを用いて指令舵角の変化量δchgを算出する。具体的には、舵機駆動信号決定部204は、今回の指令舵角δnewから前回の指令舵角δpreを差分することによって、指令舵角の変化量δchgを算出する。
舵機駆動信号決定部204は、今回の指令舵角δnewおよび指令舵角の変化量δchgから切り戻し調整を行うか否かを判定する。切り戻し調整とは、指令舵角の大きさおよび指令舵角の変化量に応じて、転舵を開始するか、転舵を禁止するかを決定することである。また、切り戻し調整とは、転舵を行う場合に、転舵速度を速くするか否かを調整することである。
舵機駆動信号決定部204は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値THchg以上であれば、転舵の開始、一時的な禁止の決定処理に移行する。舵機駆動信号決定部204は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値THchg未満であれば、舵角キープ処理を実行する(転舵トリガを発生させず、舵機駆動信号を出力しない)。
舵機駆動信号決定部204は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値THchg以上で、且つ、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkpより大きい、または、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkpより小さければ、転舵を禁止し、転舵トリガを発生しない(舵角キープを実行する)。
舵機駆動信号決定部204は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値THchg以上で、且つ、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkp以下、または、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkp以上であれば、転舵トリガを発生する。転舵トリガは、指令舵角と同様に記憶される。
舵機駆動信号決定部204は、転舵トリガの発生期間に舵機駆動信号を出力する。舵機駆動信号は、所定のパルス長を有する単パルス信号を、所定の時間間隔で繰り返した信号である。したがって、舵機駆動信号決定部204は、転舵トリガの発生期間のみ、単パルス信号を繰り返し出力することによって舵機駆動信号を実現する。
図5は、本発明の第1の実施形態に係る船体制御装置における指令舵角、実舵角(推定)の時間推移、および、舵機駆動信号の波形を示すグラフである。
図5に示すように、船体制御装置10の処理を用いた場合、基本的には、指令舵角の変化量δchgの絶対値が第1閾値以上の期間において、舵機駆動信号は出力される(図5の期間TA)。
また、船体制御装置10の処理を用いた場合、基本的には、指令舵角の変化量δchgの絶対値が第1閾値未満の期間において、舵機駆動信号は出力されない(図5の期間TB:舵角キープB)。
さらに、船体制御装置10の処理を用いた場合、指令舵角の変化量δchgの絶対値が第1閾値以上であっても、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkpより大きい、または、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkpより小さければ、舵機駆動信号は出力されない(図5の期間TC:舵角キープA)。
また、船体制御装置10の処理を用いた場合、指令舵角の変化量δchgの絶対値が第1閾値以上であって、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkp以下、または、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkp以上であれば、舵機駆動信号は出力される(図5の期間TD)。
図5に示すように、船体制御装置10の処理を用いることによって、実舵角を0°に徐々に近づけることができる。また、船尾を外乱方向に対向させることによって、図5に示すように、外乱の急激な変化が生じても、船尾方位と目標方位との差(偏角)が外乱の影響を受けて急激に変化することを抑制でき、上述の処理を実行することで、実舵角を0°に徐々に近づけることができる。これにより、安定した船体制御を行うことができる。
なお、上述の説明では、それぞれ個別の機能ブロックおよび制御ブロックを組み合わせて船体制御を行う態様を示したが、全体を1つの演算処理装置で実現することもできる。この場合、演算処理装置は、以下のフローをプログラム化して記憶しておき、当該プログラムを読み出して実行することによって、船体制御を実現することができる。
図6は、本発明の第1の実施形態に係る舵機駆動信号の生成処理を示すフローチャートである。
船体制御の演算処理装置は、船尾方位と目標方位とから偏角を算出し、偏角から指令舵角δnewを算出する(S401)。演算処理装置は、前回の転舵時の指令舵角δpreを取得する(S402)。演算処理装置は、今回の指令舵角δnewから前回の指令舵角δpreを差分して、指令舵角の変化量δchgを算出する(S403)。
演算処理装置は、舵角キープ用の第1閾値THchgを記憶している。演算処理装置は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値THchg以上であれば(S404:YES)、舵角の切り戻し調整(図7のフローに準じた処理)を実行する。演算処理装置は、図7のフローに準じた舵角の切り戻し調整の結果に基づいて舵機駆動信号の出力制御を実行する(S406)。
演算処理装置は、指令舵角の変化量δchgが第1閾値未満であれば(S404:NO)、舵角キープを実行し、舵機駆動信号を出力しない(S407)。
次に、舵角の切り戻し調整について説明する。図7は、本発明の第1の実施形態に係る舵角の切り戻し調整処理を示すフローチャートである。
演算処理装置は、舵角キープ判定用の上限閾値THHkpと舵角キープ判定用の下限閾値THLkpとを記憶している。
演算処理装置は、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkp以下であり(S451:YES)、且つ、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkp以上であれば(S452:YES)、舵角キープを無効にする(S454)。すなわち、演算処理装置は、舵機駆動信号を出力する。
演算処理装置は、今回の指令舵角δnewが上限閾値THHkpより大きい(S451:NO)、または、今回の指令舵角δnewが下限閾値THLkpより小さければ(S452:NO)、舵角キープを有効にする。すなわち、演算処理装置は、舵機駆動信号を出力しない。
このような処理を実行することによって、上述のような安定した船体制御を実現することができる。
また、本実施形態の構成および処理を用いることによって、舵角センサを用いなくても、安定した船体制御を実現することができる。
次に、本発明の第2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。本実施形態に係る船体制御装置および船体制御方法は、舵機駆動信号決定部204の機能が、第1の実施形態に係る船体制御装置および船体制御方法と異なる。
図8は、本発明の第2の実施形態に係る船体制御装置における舵機駆動信号決定部の制御ブロック図である。本実施形態に係る舵機駆動信号決定部は、第1の実施形態に係る舵機駆動信号決定部に対して、切り戻し強化判定を追加したものである。
舵機駆動信号決定部は、回頭角速度ωtrに基づいて、切り戻し強化判定を実行する。回頭角速度ωtrは、例えば、船体方位、船尾方位の時間変化率から算出することができる。回頭角速度ωrtは、船尾方位を基準方位として、一方の回転方向を「+」とし、他方の回転方向を「−」として算出される。舵機駆動信号決定部は、回頭角速度ωrtが切り戻し強化用の上限閾値以上または切り戻し強化用の下限閾値以下であれば、切り戻し強化を実行する。舵機駆動信号決定部は、回頭角速度ωrtが切り戻し強化用の上限閾値未満または切り戻し強化用の下限閾値より大きければ、切り戻し強化を停止する。切り戻し強化とは、変更前と比較して速く舵角を変更することができる。
舵機駆動信号決定部は、切り戻し強化の実行と判定すると、舵機駆動信号を構成する単パルス信号のパルス長が長く、単パルス信号の間隔が狭くなるように転舵トリガを出力する。
舵機駆動信号決定部は、切り戻し強化の停止と判定すると、舵機駆動信号を構成する単パルス信号のパルス長および単パルス信号の間隔を元に戻して、初期設定された転舵トリガを出力する。なお、この切り戻し強化の判定結果は、切り戻しの調整判定、すなわち、舵角キープの判定にも利用することができる。
図9は、本発明の第2の実施形態に係る船体制御装置における指令舵角、実舵角(推定)の時間推移、および、舵機駆動信号の波形を示すグラフである。
図9に示すように、本実施形態の船体制御装置の構成および処理を用いることによって、切り戻し強化の期間は、舵機駆動信号を構成するパルスが初期設定の状態よりも長く出力される。これにより、舵91が速く回動し、実舵角を速く0°に近づけるように船体制御することができる。すなわち、船尾方位を目標方位に速く一致させるように船体制御することができる。
なお、第1の実施形態と同様に、本実施形態においても、演算処理装置が、以下のフローをプログラム化して記憶しておき、当該プログラムを読み出して実行することによって、船体制御を実現することができる。
図10は、本発明の第2の実施形態に係る舵機駆動信号の生成処理を示すフローチャートである。図10におけるステップS451からステップS454は、第1の実施形態に係る図7と同じである。
演算処理装置は、前回の舵角キープが有効であるか否かを検出する。また、演算処理装置は、今回の舵角キープが無効であるか否かを検出する。演算処理装置は、前回の舵角キープが有効であり(S461:YES)、今回の舵角キープが無効であれば(S462:YES)、回頭角速度ωtrを取得する(S463)。
演算処理装置は、切り戻し強化用の上限閾値THHtrと切り戻し強化用の下限閾値THLtrとを予め記憶している。演算処理装置は、回頭角速度ωtrが上限閾値THHtr以上であるか(S464:YES)、下限閾値THLtr以下であれば(S466:YES)、切り戻し強化を実行する(S465)。演算処理装置は、回頭角速度ωtrが上限閾値THHtr未満で(S464:NO)、下限閾値THLtrよりも大きければ(S466:NO)、切り戻し強化を終了(停止)する(S467)。
次に、第3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11は、本発明の第3の実施形態に係る船体制御装置の主要構成を示すブロック図である。
本実施形態に係る船体制御装置10Aは、第1、第2の実施形態に係る船体制御装置10に対して、さらに、AP制御(自動航行制御)、スロットル制御に関する構成を追加したものである。
船体制御装置10Aは、方位センサ30、AP制御部40、操作入力部50、および、表示部60を備える。
AP制御部40は、舵制御部41、および、スロットル制御部42を備える。舵制御部41は、上述の実施形態に示した舵制御部20と同じ構成である。舵制御部41は舵91を自動制御する。スロットル制御部42は、操作入力部50からの操作入力に応じて、動力92の制御を行う。
操作入力部50は、操舵者からの操作入力を受け付ける。操作入力内容としては、例えば、自船の目標位置、目標方位等である。操作入力内容は、AP制御部40に出力される。
表示部60は、操舵者に対して視覚的情報を提供する構成からなり、画像等を表示するディスプレイ、表示ランプ等を備える。
AP制御部40は、測位装置(図示せず)から得られる自船位置、船体方位、目標位置、目標方位から、自船を目標位置、目標方位に到達させるための舵角、および推進力を算出する。
AP制御部40の舵制御部41は、算出された舵角から各タイミングでの指令舵角を算出し、上述の実施形態に示したように舵機駆動信号を生成し、舵91に出力する。
AP制御部40は、舵制御部41における舵機駆動信号に同期して、表示部60にスロットル操作指示に関する表示を行う。図12は、本発明の第3の実施形態に係る船体制御装置のスロットル操作指示に関する表示態様例を示す図である。
図12に示すように、表示部60は、表示ランプ610を備えている。AP制御部40は、舵機駆動信号に同期して、表示ランプ610を点灯または消灯させる。
AP制御部40は、スロットルを開くタイミングを点灯に関連付け、スロットルをしぼるタイミングを消灯に関連付けている。すなわち、AP制御部40は、舵機駆動信号に同期して、推進力を上げたいタイミングで、表示ランプ610を点灯させる。一方、AP制御部40は、舵機駆動信号に同期して、推進力を下げたいタイミングで、表示ランプ610を消灯させる。
操舵者は、この表示ランプ610の表示態様を見て、操作入力部50のスロットル操作入力部を操作する。スロットル制御部42は、このスロットル操作を検出し、スロットル操作に応じて、動力92の出力制御を行う。
このような構成とすることによって、動力92による推進力の開始、調整、停止を、舵91の動きに同期させることができる。これにより、自船を目標位置に航走させる、目標位置に維持させる、目標方位の船尾が向くように(例えば、外乱に船尾が対向するように)する、等の船体制御を容易且つ確実に行うことができる。
なお、図12に示すように、船体90が前進する時と後進する時とで、表示態様(例えば、表示色)を替えることが好ましい。これにより、操舵者はスロットル操作をより正確に行うことができる。
さらに、スロットルの開放量等に応じて表示態様を異ならせてもよい。例えば、スロットルの開放量が大きくなるほど輝度を高くする等の表示制御を行ってもよい。これにより、操舵者はスロットル操作をさらに正確に行うことができる。
なお、本実施形態では、動力92を手動で制御する例を示したが、舵機駆動信号に同期してスロットル制御部42によって動力92を自動で制御してもよい。
次に、本発明の第4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。本実施形態に係る船体制御装置は、第3の実施形態に係る船体制御装置と機能部の構成は同じであり、さらに、船体制御用の操作入力の補助機能を備えたものである。
本実施形態の船体制御装置では、表示部60にタッチ式の操作入力部(以下、タッチパネルと称する。)を備える。船体制御装置は、表示部60への操作入力を受け付けて、上述の自動航行制御に関する船体制御を行う。
図13は、本発明の第4の実施形態に係る船体制御装置の目標航路(流しライン)の各種入力態様を示す図である。図14は、本発明の第4の実施形態に係る船体制御装置のAP制御部で実行する船体の目標航路(流しライン)の入力処理を示すフローチャートである。図14は、図13(A)に示す入力態様の場合のフローチャートである。
表示部60には、図13に示すように、例えば海図が表示されている。操舵者は海図を見ながら、次の手順で目標航路(流しライン)の操作入力し、これをAP制御部が検出して目標航路の設定を行う。
AP制御部は、タッチパネルへの操作入力によって、ライン入力スイッチの設定箇所がタッチされたか否かを検出する。AP制御部は、図13(A)の操作A1に示すように、ライン入力スイッチの設定箇所がタッチされていれば(S501:YES)、ライン入力モードに移行する。AP制御部は、ライン入力スイッチの設定箇所がタッチされていなければ(S501:NO)、予め設定されているタッチパネルの操作入力仕様に応じた操作入力を受け付ける。
ライン入力モードに移行すると、AP制御部は、タッチ位置を検出し、この位置を流しラインの始点に設定する(S502)。
AP制御部は、図13(A)の操作A2に示すようなタッチにしたがってタッチ位置の軌跡を検出し、流しラインの座標変化を検出する(S503)。AP制御部は、タッチされた時点での海図の経度緯度を取得し、検出した流しラインの緯度経度を算出する(S504)。
AP制御部は、自船の位置および船体方位を取得し、検出した流しラインに沿って船体が移動するように、上述の船体制御を実行する(S505)。
このような構成および処理とすることによって、操舵者は、容易に流しラインを設定することできる。また、流しラインに沿って船体が移動するように船体制御されることで、船体制御に対する操舵者の負荷を軽減することができる。
なお、ライン入力スイッチの設定箇所がタッチされていない場合(S501:NO)、AP制御部は、タッチパネルへのタッチ状態を検出し(S506)、タッチ状態に応じた表示制御を実行する(S507)。例えば、拡大表示に対応したアクションのタッチ入力を検出すれば、表示されている画像を拡大表示する。また、表示画面の移動に対応したアクションのタッチ入力を検出すれば、表示されている海図の範囲をシフトさせる。
このような構成および処理とすることで、流しラインの入力と画像表示態様の設定入力とを間違えて操作入力することを抑制することができる。
また、流しラインの入力は、図13(B)、図13(C)に示す方法であってもよい。図13(B)に示す方法では、AP制御部は、表示画面上の二本の軌跡(図13(B)の操作A31,A32の軌跡)を検出する。AP制御部は、二本の軌跡の中間位置を検出し、この中間位置を結ぶ線を流しラインに設定する。図13(C)に示す方法では、AP制御部は、表示画面上の三本の軌跡(図13(C)の操作A41,A42,A43の軌跡)を検出する。AP制御部は、三本の軌跡の真ん中の軌跡(図13(C)の操作A43の軌跡)を検出し、この軌跡を流しラインに設定する。
次に、本発明の第5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。本実施形態に係る船体制御装置は、第3の実施形態に係る船体制御装置と機能部の構成は同じであり、さらに、前進モードと後進モードの自動切替機能を備えたものである。
図15は、本発明の第5の実施形態に係る船体制御装置の舵制御部で実行する前進モードと後進モードの自動切替処理を示すフローチャートである。
舵制御部は、対地船速Vsを計測する(S601)。対地船速Vsは、自船位置の測位結果の時間変化率によって計測することができる。なお、この時点で、舵制御部は、手動のスタンバイモードに設定されている。
舵制御部は、対地船速Vsとモード切替閾値Vthとを比較する。モード切替閾値Vthは、例えば、次の概念によって設定される。船体を前進させる場合、すなわち、船首方向に船体を推進させる場合は、通常の航行状態であり、一般的に推進速度は速い(例えば、10kn以上)。船体を後進させる場合、すなわち、船尾方向に船体を推進させる場合は、定点保持制御、流し制御の場合を多く、推進速度は遅い(例えば、1knから2kn程度)。したがって、モード切替閾値Vthを、通常の前進時の推進速度より低く且つ後進時の推進速度よりも高く設定する。
舵制御部は、対地船速Vsがモード切替閾値Vthよりも大きければ(S602:YES)、舵角の設定方向を前進モードに設定する(S603)。舵制御部は、対地船速Vsがモード切替閾値Vth以下であれば(S602:NO)、舵角の設定方向を後進モードに設定する(S604)。ここで、前進モードとは、船首方向に船体を推進させるモードである。後進モードとは、船尾方向に船体を推進させるモードである。
このような構成および処理を用いることによって、推進方向を検出するセンサを備えることなく、前進と後進を検出することができる。さらに、前進、後進の切り換えに応じて、舵切りの方向を自動で変更することができる。したがって、前進、後進を意識することなく、船体が目標の姿勢になるように(例えば、船尾方位が目標方位に近づくように)、自動で船体制御を実行することができる。また、操舵者が前進と後進を間違えて舵切りを行うことを防止することができる。
次に、本発明の第6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。本実施形態に係る船体制御装置は、第4の実施形態に係る船体制御装置と機能部の構成は同じであり、前進モードと後進モードの自動切替機能が異なる。
本実施形態では、推進方向を検出する推進方向検出部を備えている。推進方向検出部は、クラッチの接続態様、プロペラの回転方向等を検出するセンサを備え、センサの出力結果から推進方向を検出する。推進方向の検出結果は、舵制御部に出力される。
図16は、本発明の第6の実施形態に係る船体制御装置の舵制御部で実行する前進モードと後進モードの自動切替処理を示すフローチャートである。
舵制御部は、推進方向を取得する(S611)。舵制御部は、推進方向が前進方向であれば(S602:YES)、舵が前進モードであるか否かを検出する。舵制御部は、前進モードが設定されていれば(S603:YES)、前進用の舵制御を行う(S604)。舵制御部は、前進モードが設定されていなければ(S603:NO)、スタンバイモード(舵切りの手動モード)に移行する(S605)。
舵制御部は、推進方向が前進方向でない場合も(S602:NO)、舵が前進モードであるか否かを検出する。舵制御部は、前進モードが設定されていれば(S606:YES)、前進用の舵制御を行う(S607)。舵制御部は、前進モードが設定されていなければ(S606:NO)、後進用の舵制御を行う(S608)。
このような構成および処理であっても、前進の舵切りと後進の舵切りを自動で変更することができる。これにより、第5の実施形態と同様に、前進、後進を意識することなく、船体が目標の姿勢になるように(例えば、船尾方位が目標方位に近づくように)、自動で船体制御を実行することができる。
次に、本発明の第7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。本実施形態に係る船体制御装置は、上述の各実施形態(特に第1の実施形態参照)に対して、次に示す指令舵角算出用および舵キープ用のパラメータ設定を適用したものである。
図17は、本発明の第7の実施形態に係る船体制御装置のパラメータの設定処理を示すフローチャートである。図18は、本発明の第7の実施形態に係る船体制御装置のパラメータ例を示す表である。
舵機駆動信号決定部は、操作入力部からパラメータのモード選択を受け付ける。モードは、舵の効き具合によって分類されている。例えば、本実施形態では、通常モードと、舵の効きが悪い強化モードとが設定されている。
舵機駆動信号決定部は、選択されたモードが既に設定されているモードと異なれば、すなわちモード変更が選択されていれば(S411:YES)、新たに選択されたモードを設定する(S412)。舵機駆動信号決定部は、モード変更が行われていなければ、現状のモードを維持する。
舵機駆動信号決定部は、選択されているモードに対して設定されているパラメータレベルを選択する(S413:YES)。複数のパラメータレベルにはそれぞれKp,Kd,THHkpの組が関連付けされている。Kp,Kdは、指令舵角を算出するPD制御の係数パラメータである。Kpは舵角の大きさに関係し、Kdは転舵速度に関係する。THHkpは、上述のように、舵角キープを無効にする閾値である。パラメータKp,Kdは外乱の大きさに段階を設け、段階毎に設定されている。パラメータTHHkpはパラメータKp,Kdの大きさに応じて設定されている。
舵機駆動信号決定部は、選択されたパラメータレベルに関連付けされた各パラメータKp,Kd,THHkpを読み出す(S414)。舵機駆動信号決定部は、パラメータKp,Kdを設定したPD制御を用いて指令舵角δnewを算出する。舵機駆動信号決定部は、パラメータTHHkpを用いて舵角キープ処理(舵角キープの有効、無効の判断)を実行する(S415)。
なお、パラメータレベルが新たに選択されていなければ(S413:NO)、既に設定されているKp,Kdを利用して指令舵角δnewの算出し、既に設定されているTHHkpを利用して舵角キープ処理を実行する(S416)。
このような処理を行うことによって、外乱の大きさに応じた適切な舵機駆動信号を生成でき、適切な船体制御を行うことができる。例えば、外乱の大きさに応じて、船尾方位と目標方位との偏角を、発散させることなく徐々に0°に近づけることができ、船尾を外乱方向に対向させることができる。
さらに、舵の効きに応じてパラメータレベルを複数種類設けておくことにより、船舶の舵の効きと外乱の大きさに応じた適切な舵機駆動信号を生成できる。これにより、適切な船体制御を行うことができる。
また、このようなパラメータの手動設定を行うことによって、船舶の速度が推進力を不定期にオフにするような場合(例えば、船尾を外乱方向に向けながら定点保持するような場合)であっても、PD制御を比較的安定な状態に維持できる。したがって、特に、推進力が小さな状況において、上述の処理は有効であり、操舵者の負荷を軽減しながら、適切な船体制御を実行することができる。
なお、本実施形態では、THHkpをKp,Kdに合わせて設定する態様を示したが、他の閾値となる角度についても、Kp,Kdに合わせて設定することができる。
次に、本発明の第8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。本実施形態に係る船体制御装置は、上述の各実施形態(特に第1の実施形態参照)に対して、次に示す指令舵角算出用のパラメータ設定を適用したものである。図19は、本発明の第8の実施形態に係る船体制御装置の制御ブロック図である。
図19に示すように、本実施形態の船体制御装置の舵機駆動信号決定部は、舵機駆動信号を生成する指令舵角のPD制御に利用するKp,Kdを、相対風向を用いた演算式から算出する。
図20は、本発明の第8の実施形態に係る船体制御装置における相対風向の定義を示す図である。図20に示すように、本実施形態の船体制御装置では、船体90の船尾に対向する方向を相対風向0°の方向とし、船体90の船首に対向する方向を相対風向180°の方向とする。また、船体90の左舷方向を+の角度の方向とし、船体90の右舷方向を−の角度の方向とする。
舵機駆動信号決定部は、次式を用いてKp,Kdを設定する。
Kp=Kpdef+Cp×AWA
Kd=Kddef+Cd×AWA
ここで、Kpdefは相対風向0°の時(船尾が風上を向いている時)の比例係数であり、Kddefは相対風向0°の時(船首が風上を向いている時)の微分係数である。Cp,Cdは補正係数であり、外乱の大きさ、船舶の大きさ、舵の効き具合に応じて適宜設定されている。また、AWAは風向である。
このような処理を行うことによって、船体が風の影響を受けてからKp,Kdが設定されるのではなく、船体が風の影響を受ける前にKp,Kdを設定することができる。これにより、PD制御に対して設定パラメータのフィードバック処理を行わないので、パラメータの適応による遅延を改善できる。したがって、船体が受ける風に応じて指令舵角を素早く設定し、船体制御することができる。
次に、本発明の第9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。本実施形態に係る船体制御装置は、基本的な船体制御に関する構成および処理が上述の各実施形態に示した船体制御装置と同じであり、次に示す外乱パラメータから目標方位および目標推進力の決定方法を用いている。
図21は、本発明の第9の実施形態に係る船体制御装置の目標方位算出方法を示すフローチャートである。図22は、本発明の第9の実施形態に係る船体制御装置の目標方位およびプロペラ回転数の目標値の算出概念を説明するための図である。図22(A)は各船速のベクトル関係図であり、図22(B)は主機特性から船速、プロペラ回転数を算出する概念を示す図である。
舵機駆動信号決定部は、プロペラの回転数を取得する(S701)。プロペラの回転数は、別途船体に設置したプロペラ回転数検出部によって検出する。
舵機駆動信号決定部は、図22(B)に示すように、検出したプロペラ回転数と主機特性とから、プロペラ回転に起因する対水船速(ベクトル量)を推定算出する(S702)。このベクトルを規定する方向は、船体方位(船尾方向または船首方位)から算出することができる。
舵機駆動信号決定部は、上述のように、測位結果から対地船速(ベクトル量)を算出する(S703)。
図22(A)に示すように、船舶の対水船速は、プロペラ回転に起因する対水船速のベクトルと風に起因する対水船速のベクトルとを加算したベクトルで表される。また、対地船速は、対水船速のベクトルと表層潮流速度のベクトルとを加算したベクトルで表される。したがって、外乱に起因する対水船速は、風に起因する対水船速のベクトルと表層潮流速度のベクトルとを加算したベクトルで表される。
この関係を利用して、舵機駆動信号決定部は、対地船速のベクトルとプロペラ回転数に起因する対水船速のベクトルとの差分から、外乱に起因する対水船速のベクトル(図22(A)参照)を算出する(S704)。
舵機駆動信号決定部は、図22(B)に示すように、外乱に起因する対水船速の大きさと主機特性とから、プロペラ回転数の目標値を算出する(S705)。舵機駆動信号決定部を含むAP制御部は、プロペラ回転数の目標値に基づいて、操舵者にスロットル操作の補助通知(例えば、上述の表示ランプ610の輝度調整等)を行う。
舵機駆動信号決定部は、外乱に起因する対水船速の方向から目標方位を算出する(S706)。舵機駆動信号決定部は、この目標方位に基づいて指令舵角を決定し、舵機駆動信号を生成する。
このような構成および処理を用いることによって、計測が容易では無い表層潮流の影響も含めて船体が受ける外乱方向および外乱の大きさを算出することができる。これにより、より正確な目標方位および目標推進力を設定でき、適切な船体制御を行うことができる。
なお、上述の各実施形態では、船尾を外乱方向に対向させる船体制御を、基本の船体制御としているが、閾値およびパラメータの設定、表示態様、目標航路の設定、外乱の推定、目標方位の算出に関しては、船首を外乱方向に対向させる場合にも適用することが可能である。しかしながら、船尾を外乱方向に対向させる姿勢を採用することによって、より安定した船体制御を行うことができ、本願発明の各構成および処理が有効である。
また、上述の各実施形態では、推進力の制御、すなわちスロットル制御は、基本的に操舵者が行っているが、スロットル制御に関する構成および処理を備える態様においては、スロットル制御を自動化することも可能である。
また、上述の各実施形態では、指令舵角の算出にPD制御を行う例を示したが、P制御を行ってもよい。
10,10A:船体制御装置
20:舵制御部
30:方位センサ
40:AP制御部
41:舵制御部
42:スロットル制御部
50:操作入力部
60:表示部
90:船体
91:舵
92:動力
201:船尾方位算出部
202:目標方位算出部
203:偏角算出部
204:舵機駆動信号決定部
610:表示ランプ
901:船体90の回動の支点

Claims (16)

  1. 外乱方向から船体の目標方位を算出する目標方位算出部と、
    船尾方位を算出する船尾方位算出部と、
    前記船尾方位と前記目標方位とを近づけるように指令舵角を決定し、該指令舵角に応じた舵機駆動信号を決定する舵機駆動信号決定部と、
    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、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    今回の指令舵角、および、前回の指令舵角と前記今回の指令舵角とから算出される指令舵角の変化量を用いて前記舵機駆動信号を決定する、
    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、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    前記指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値以上であることを検出する前記舵機駆動信号を出力し、
    前記指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値未満であることを検出すると、舵角キープを実行するように前記舵機駆動信号の出力を停止する、
    船体制御装置。
  4. 請求項3に記載の船体制御装置であって、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    前記指令舵角の変化量が前記第1閾値以上である場合に、
    前記今回の指令舵角が、舵角キープ用の上限閾値より大きいまたは下限閾値未満であることを検出すると、前記舵角キープを有効にするように前記舵機駆動信号の出力を停止し、
    前記今回の指令舵角が、前記舵角キープ用の前記上限閾値以下または前記下限閾値以上であることを検出すると、前記舵角キープを無効にするように前記舵機駆動信号を出力する、
    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、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    前記船尾の回頭角速度が切り戻し強化用の上限閾値以上または切り戻し強化用の下限閾値以下であることを検出すると、前記舵角の変化速度を速くするように前記舵機駆動信号を決定する、
    船体制御装置。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の船体制御装置であって、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    船速が前後進判別用の閾値以下であることを検出すると、前記船尾が先頭側となる航走態様に応じた前記指令舵角を設定する、
    船体制御装置。
  7. 請求項1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、
    前記舵機駆動信号決定部は、
    前記外乱の大きさおよび前記船体に対する前記外乱の相対方位から指令舵角を算出するフィードバック制御の係数を決定する、
    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、
    前記目標方位算出部は、
    前記船体の動力の主機特性と前記動力に接続するプロペラの回転数とを用いて、前記目標方位を算出する、
    船体制御装置。
  9. 外乱方向から船体の目標方位を算出する目標方位算出工程と、
    船尾方位を算出する船尾方位算出工程と、
    前記船尾方位と前記目標方位とを近づけるように指令舵角を決定し、該指令舵角に応じた舵機駆動信号を決定する舵機駆動信号決定工程と、
    を有する、船体制御方法。
  10. 請求項91に記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    今回の指令舵角、および、前回の指令舵角と前記今回の指令舵角とから算出される指令舵角の変化量を用いて前記舵機駆動信号を決定する、
    船体制御方法。
  11. 請求項10に記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    前記指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値以上であることを検出する前記舵機駆動信号を出力し、
    前記指令舵角の変化量が舵角キープ用の第1閾値未満であることを検出すると、舵角キープを実行するように前記舵機駆動信号の出力を停止する、
    船体制御方法。
  12. 請求項11に記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    前記指令舵角の変化量が前記第1閾値以上である場合に、
    前記今回の指令舵角が、舵角キープ用の上限閾値より大きいまたは下限閾値未満であることを検出すると、前記舵角キープを有効にするように前記舵機駆動信号の出力を停止し、
    前記今回の指令舵角が、前記舵角キープ用の前記上限閾値以下または前記下限閾値以上であることを検出すると、前記舵角キープを無効にするように前記舵機駆動信号を出力する、
    船体制御方法。
  13. 請求項12に記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    前記船尾の回頭角速度が切り戻し強化用の上限閾値以上または切り戻し強化用の下限閾値以下であることを検出すると、前記舵角の変化速度を速くするように前記舵機駆動信号を決定する、
    船体制御方法。
  14. 請求項9乃至請求項13のいずれかに記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    船速が前後進判別用の閾値以下であることを検出すると、前記船尾が先頭側となる航走態様に応じた前記指令舵角を設定する、
    船体制御方法。
  15. 請求項9乃至請求項14のいずれかに記載の船体制御方法であって、
    前記舵機駆動信号決定工程は、
    前記外乱の大きさおよび前記船体に対する前記外乱の相対方位から指令舵角を算出するフィードバック制御の係数を決定する、
    船体制御方法。
  16. 請求項9乃至請求項15のいずれかに記載の船体制御方法であって、
    前記目標方位算出工程は、
    前記船体の動力の主機特性と前記動力に接続するプロペラの回転数とを用いて、前記目標方位を算出する、
    船体制御方法。
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