JP2629179B2 - 船舶の変針制御装置 - Google Patents
船舶の変針制御装置Info
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- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
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- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
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- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
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- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、変針点を有する航路を船舶が自動操縦によ
って航行する場合に、船舶を滑らかに且設定航路に沿っ
て正しく変針させる為の変針制御装置に関するものであ
る。
って航行する場合に、船舶を滑らかに且設定航路に沿っ
て正しく変針させる為の変針制御装置に関するものであ
る。
［従来の技術］ 一般に船を変針させる場合、変針したい方向へ舵をと
り一定の舵角を保持した後、船首方位がある程度変化し
た時点で舵を反転し、回頭運動を止め舵を中央に戻す。
この操舵の状態を示したものが第３図であり、図中ｔは
時間、δは舵角、ψは方位角（回頭角）を示す。
り一定の舵角を保持した後、船首方位がある程度変化し
た時点で舵を反転し、回頭運動を止め舵を中央に戻す。
この操舵の状態を示したものが第３図であり、図中ｔは
時間、δは舵角、ψは方位角（回頭角）を示す。
大洋上でこの変針動作を行う場合は、変針後の航路に
ついて特に考えなくてもよいが、湾内など狭い海域では
与えられた航路（設定航路）に沿って変針操船を行う必
要がある。ところが、船は舵の変針力に比べ慣性が非常
に大きい為、舵を操作してもすぐには応答しない。従っ
て、予め船の運動を予測して変針を始めなければ現在の
航路から新しい設定航路へ滑らかに且正しく変針させる
ことはできない。
ついて特に考えなくてもよいが、湾内など狭い海域では
与えられた航路（設定航路）に沿って変針操船を行う必
要がある。ところが、船は舵の変針力に比べ慣性が非常
に大きい為、舵を操作してもすぐには応答しない。従っ
て、予め船の運動を予測して変針を始めなければ現在の
航路から新しい設定航路へ滑らかに且正しく変針させる
ことはできない。
従来この変針操作は操船者の手動によっており、変針
点に近づいたら徐々に目標方位を変化させ、これに追従
させることで変針させる。どの程度変針点に近づいた時
点で変針を開始するか及び目標方位の変化については操
船者の勘に頼り試行錯誤で決めている。又、変針操船か
ら直線航行に移行する場合についても同様でやはり操船
者の勘に頼っていた。
点に近づいたら徐々に目標方位を変化させ、これに追従
させることで変針させる。どの程度変針点に近づいた時
点で変針を開始するか及び目標方位の変化については操
船者の勘に頼り試行錯誤で決めている。又、変針操船か
ら直線航行に移行する場合についても同様でやはり操船
者の勘に頼っていた。
［発明が解決しようとする問題点］ 然し、上記した従来の方法では、変針操作を人の勘に
頼っていたため熟練した操船者が必要であるし、新しい
船型では操船者が習熟する迄の間、変針点を行き過ぎた
り、早く変針してしまうこと等があり、正しい設定航路
に変針することができず危険を伴っていた。特に、変針
角が大きい場合人の勘では船の動きを予想することが難
しく、航路からの偏差が大きくなるという問題がある。
頼っていたため熟練した操船者が必要であるし、新しい
船型では操船者が習熟する迄の間、変針点を行き過ぎた
り、早く変針してしまうこと等があり、正しい設定航路
に変針することができず危険を伴っていた。特に、変針
角が大きい場合人の勘では船の動きを予想することが難
しく、航路からの偏差が大きくなるという問題がある。
［問題点を解決するための手段］ 本発明は、設定された航路と自船の位置、自船の速度
に基づき、変針運動の基礎式によって変針時期、変針運
動中の回頭角、回頭角速度を予測して演算する演算器
と、 変針運動中の実際の回頭角、回頭角速度を検出する検
出器と、 前記演算器からの予測された演算結果と検出器からの
実際の検出結果に基づき、変針時期に操舵角を制御する
と共に、変針運動中には予測演算された回頭角、回頭角
速度と実際の回頭角、回頭角速度とが一致するよう操舵
角を制御する操舵制御器と を具備したことを特徴とするものである。
に基づき、変針運動の基礎式によって変針時期、変針運
動中の回頭角、回頭角速度を予測して演算する演算器
と、 変針運動中の実際の回頭角、回頭角速度を検出する検
出器と、 前記演算器からの予測された演算結果と検出器からの
実際の検出結果に基づき、変針時期に操舵角を制御する
と共に、変針運動中には予測演算された回頭角、回頭角
速度と実際の回頭角、回頭角速度とが一致するよう操舵
角を制御する操舵制御器と を具備したことを特徴とするものである。
［作用］ 演算された変針時期となると操舵制御器は演算器によ
って入力される信号に基づき舵を所定の舵角だけ駆動す
る。更に変針中は検出器からフィードバックされる実際
の回頭角、回頭角速度と演算器で予測演算された回頭
角、回頭角速都とが一致する操舵角を調整する。
って入力される信号に基づき舵を所定の舵角だけ駆動す
る。更に変針中は検出器からフィードバックされる実際
の回頭角、回頭角速度と演算器で予測演算された回頭
角、回頭角速都とが一致する操舵角を調整する。
［実 施 例］ 以下、図面の参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず本発明では、変針点Ｐを持つ航路を船舶が自動操
縦によって航行する際に、その船の変針運動を予め予測
計算し、とるべき舵角の値、変針点Ｐの手前のどの位置
で変針を開始するのか等の情報を求め、変針中は船の位
置、姿勢を検出しつつ検出結果をフィードバックして、
船を滑らかに自動変針させようとするものである。
縦によって航行する際に、その船の変針運動を予め予測
計算し、とるべき舵角の値、変針点Ｐの手前のどの位置
で変針を開始するのか等の情報を求め、変針中は船の位
置、姿勢を検出しつつ検出結果をフィードバックして、
船を滑らかに自動変針させようとするものである。
変針運動の基本運動方程式として、 Ｔ＋＝Ｋδ （１） を与え、該式より変針運動に必要な情報を求める。
ここでψ：回頭角、：回頭角速度、：回頭角加速
度、δ：舵角を示す。又、Ｋは舵による旋回力に対する
水の抵抗の比、即ちその船が本来持っている旋回力の強
さを示すものであり、Ｔは船の慣性に対する水の抵抗の
比、即ち操舵に応じてその旋回力を発揮するすばやさを
示すものである。
度、δ：舵角を示す。又、Ｋは舵による旋回力に対する
水の抵抗の比、即ちその船が本来持っている旋回力の強
さを示すものであり、Ｔは船の慣性に対する水の抵抗の
比、即ち操舵に応じてその旋回力を発揮するすばやさを
示すものである。
変針する為には前記した如く第３図に示す様な操舵を
する。即ち、変針したい方向に舵角δ０をとる、回頭角
がある程度目標とする回頭角まで変針した時点t1で舵を
反転し、回頭運動を止めたのち舵を中央に戻す。舵を中
央に戻した時点で回頭角速度（回頭角の微分値）が零で
あれば、変針は完了する。
する。即ち、変針したい方向に舵角δ０をとる、回頭角
がある程度目標とする回頭角まで変針した時点t1で舵を
反転し、回頭運動を止めたのち舵を中央に戻す。舵を中
央に戻した時点で回頭角速度（回頭角の微分値）が零で
あれば、変針は完了する。
変針前の船の回頭角（方位角）を零とし、そこからφ
０だけ変針する場合を考え、取扱いを容易とする為操舵
に要する時間（舵角変更に要する時間）は無視する。
０だけ変針する場合を考え、取扱いを容易とする為操舵
に要する時間（舵角変更に要する時間）は無視する。
第３図に示した操舵パターンとする為の条件は、 となる。（２）の条件で（１）式を解くと、次式が得ら
れる。
れる。
舵を中央に戻した時点、すなわちt2で変針を完了する
ためにはt2＜ｔで（ｔ）＝０、φ０であれば良い。従
って（５）式、（８）式より （９）式、（10）式が恒等的に成り立つためには、次
の条件が満たされれば良い。
ためにはt2＜ｔで（ｔ）＝０、φ０であれば良い。従
って（５）式、（８）式より （９）式、（10）式が恒等的に成り立つためには、次
の条件が満たされれば良い。
（12）式より これを（11）式に代入すると ここで とおくと上式はｘについての２次式となる。
ax2−2x＋１＝０ （13） （13）式をｘについて解き、更にt1,t2を求めると、
次式を得る。
次式を得る。
（14）式のt1を（６）、（７）式に代入した値は次の
ようになる。
ようになる。
舵の反転時期としては、t1ではなく（16）式を用い、
方位角がψ（t1）まで変化した時点で舵を反転するもの
とする。
方位角がψ（t1）まで変化した時点で舵を反転するもの
とする。
以上が変針の為の操舵方法であるが、次に、その間に
船がどのような航跡をたどるかについて考察する。
船がどのような航跡をたどるかについて考察する。
一般に船が旋回する場合、第５図に示す如く、ある横
流れ角βをもつ。
流れ角βをもつ。
ここでVs:船の速度 L:船の長さ （17）式は定常旋回中の関係であるが、変針運動中も
成立するものと仮定し、更に変針運動中の船速の変化は
小さいものとして一定とみなすと、変針運動中の横流れ
角β（ｔ）の近似式として次式を得る。
成立するものと仮定し、更に変針運動中の船速の変化は
小さいものとして一定とみなすと、変針運動中の横流れ
角β（ｔ）の近似式として次式を得る。
第６図に示す様に変針運動中に船が変針前の航路方向
に進行する距離lxと該航路に対して垂直方向に進行する
距離lyは船速Vsのそれぞれの方向に対する速度成分を積
分することで得られる。
に進行する距離lxと該航路に対して垂直方向に進行する
距離lyは船速Vsのそれぞれの方向に対する速度成分を積
分することで得られる。
ここでVs（ｔ）は、一定値もしくは、旋回試験結果等
から推定した変針運動中の船速の変化を与える式を用い
る。
から推定した変針運動中の船速の変化を与える式を用い
る。
変針点Ｐは、変針前の航路と変針後の航路の交点で与
えられ、操舵を開始してから変針点Ｐ迄の距離ｌは次式
で与えられる。
えられ、操舵を開始してから変針点Ｐ迄の距離ｌは次式
で与えられる。
なお、（18）、（19）、（20）式中のψ（ｔ）、
（ｔ）は（３）（４）、（６）（７）で式で与えられ
る。
（ｔ）は（３）（４）、（６）（７）で式で与えられ
る。
従って、変針点の手前ｌの地点で変針点操船を開始す
れば航路に従って変針させることができる。
れば航路に従って変針させることができる。
以上の方法では、変針の為の基本となる操船であって
（１）式による推定誤差や外乱に対応できない。そこで
以下に述べる方法によって斯かる問題に対応する。
（１）式による推定誤差や外乱に対応できない。そこで
以下に述べる方法によって斯かる問題に対応する。
実際に航行している船舶は必ずしも予定した航路上を
完全に航行しているとは限らない。この為、第６図に示
すように、変針点Ｐと自船との間に新しい航路Ｚと平行
で平行線間の距離がl sinψ０である様な境界線Ｘを仮
定して、この境界線Ｘに到達した地点で変針運動に入る
ものとする。
完全に航行しているとは限らない。この為、第６図に示
すように、変針点Ｐと自船との間に新しい航路Ｚと平行
で平行線間の距離がl sinψ０である様な境界線Ｘを仮
定して、この境界線Ｘに到達した地点で変針運動に入る
ものとする。
又、変針運動中の運動を予測した運動に近づける為の
フィードバック制御を行う。即ち、変針運動中は舵角を
δ０に固定的に保持するのではなく、変針中の回頭角、
回頭角速度をフィードバックし次式（22）によって、実
際の運動が予測した運動（３）、（４）、（６）、
（７）式に近づくように舵角を調整する。
フィードバック制御を行う。即ち、変針運動中は舵角を
δ０に固定的に保持するのではなく、変針中の回頭角、
回頭角速度をフィードバックし次式（22）によって、実
際の運動が予測した運動（３）、（４）、（６）、
（７）式に近づくように舵角を調整する。
δ＊＝δ０−Kp（ψａ−ψ（ｔ））−KD（ａ−
（ｔ）） （22） ここで δ＊：変針運動中の舵角 ψa,a:運動中の回頭角、回頭角速度、 KP,KD:フィードバックゲイン である。
（ｔ）） （22） ここで δ＊：変針運動中の舵角 ψa,a:運動中の回頭角、回頭角速度、 KP,KD:フィードバックゲイン である。
以上本発明に係る変針操船の基本方式を述べたが、該
基本方式に基づき変針操船を行う自動制御装置を第１図
について説明する。
基本方式に基づき変針操船を行う自動制御装置を第１図
について説明する。
第１図中１は自船位置計測器であり、これには自船に
設けたレーダ、レーザ計測器、或は地上に設けた機器に
より電波、音波、レーザ等を用いた３角測量により自船
位置を計測してその結果を本船へ通信する計測器等が挙
げられ、計測結果は演算器４に入力される。又、該演算
器４には自船の航行速度が速度検出器２によって検出さ
れ入力される。３は航路設定器であり、操船者が海図等
により航路上の特点ポイントの位置を設定するものであ
り、この設定は陸上の管制塔からの指令によっても行わ
れる。この設定結果は前記演算器４に入力される。演算
器４は、設定入力信号及び自船の位置より操舵に必要な
データを演算する。該演算結果及び回頭角検出器５、回
頭角速度検出器６それぞれの検出結果が操舵制御器７に
入力され、該操舵制御器７は演算器４、両検出器5,6か
ら入力された信号を基に舵取装置８を駆動せしめて舵の
舵角を調整する。
設けたレーダ、レーザ計測器、或は地上に設けた機器に
より電波、音波、レーザ等を用いた３角測量により自船
位置を計測してその結果を本船へ通信する計測器等が挙
げられ、計測結果は演算器４に入力される。又、該演算
器４には自船の航行速度が速度検出器２によって検出さ
れ入力される。３は航路設定器であり、操船者が海図等
により航路上の特点ポイントの位置を設定するものであ
り、この設定は陸上の管制塔からの指令によっても行わ
れる。この設定結果は前記演算器４に入力される。演算
器４は、設定入力信号及び自船の位置より操舵に必要な
データを演算する。該演算結果及び回頭角検出器５、回
頭角速度検出器６それぞれの検出結果が操舵制御器７に
入力され、該操舵制御器７は演算器４、両検出器5,6か
ら入力された信号を基に舵取装置８を駆動せしめて舵の
舵角を調整する。
以下本発明の作動を第２図に沿って説明する。
航路設定器３より変針点Ｐ、変針角ψ０、初期舵角δ
０を演算器４に入力する。該演算器４では（１）式に基
づき、前記（２）式〜（21）式の演算を行い、変針開始
位置、変針点Ｐの手前、 を求める。位置計測器１からの位置検出結果より、自船
が変針開始位置に到達したことが確認されると、舵角を
δ０とすべき信号を舵取制御器７は舵角がδ０とすべく
操舵装置８を駆動する。
０を演算器４に入力する。該演算器４では（１）式に基
づき、前記（２）式〜（21）式の演算を行い、変針開始
位置、変針点Ｐの手前、 を求める。位置計測器１からの位置検出結果より、自船
が変針開始位置に到達したことが確認されると、舵角を
δ０とすべき信号を舵取制御器７は舵角がδ０とすべく
操舵装置８を駆動する。
又、操舵制御器７には回頭角検出器５及び回頭角速度
検出器６から実際の運動中の回頭角速度ａが入力され
ていると共に演算器４からはその時々の予定回頭角ψ
（ｔ）、回頭角速度（ｔ）（演算器）が入力されてお
り、両入力によって、下記（11）式より修正舵角δ＊が
求められる。
検出器６から実際の運動中の回頭角速度ａが入力され
ていると共に演算器４からはその時々の予定回頭角ψ
（ｔ）、回頭角速度（ｔ）（演算器）が入力されてお
り、両入力によって、下記（11）式より修正舵角δ＊が
求められる。
δ＊＝δ０−KP（ψａ−ψ（ｔ））−KD（ａ−
（ｔ）） （11） 両検出器5,6からの検出結果と演算値とが一致してい
れば、 φａ−φ（ｔ）＝０ａ −（ｔ）＝０ となってδ＊＝δ０であることは勿論である。
（ｔ）） （11） 両検出器5,6からの検出結果と演算値とが一致してい
れば、 φａ−φ（ｔ）＝０ａ −（ｔ）＝０ となってδ＊＝δ０であることは勿論である。
次に、演算器４に於いて演算されるψ（ｔ）が下記、 となった時点で操舵制御器７へ舵角−δ０の信号を入力
する。該操舵制御器７は該信号に基づき舵を−δ０とな
る迄反転させる。
する。該操舵制御器７は該信号に基づき舵を−δ０とな
る迄反転させる。
反転後は、演算器４からのψ（ｔ）（（５）式）、
（ｔ）（（６）式）と回頭角検出器５及び回頭角速度検
出器６からの検出結果とに基づき操舵制御器７は前記し
たと同様修正舵角δ＊を求めて舵取装置８を制御する。
（ｔ）（（６）式）と回頭角検出器５及び回頭角速度検
出器６からの検出結果とに基づき操舵制御器７は前記し
たと同様修正舵角δ＊を求めて舵取装置８を制御する。
回頭角ψ（ｔ）がψ０に到達した時点で変針操船は完
了する。
了する。
変針操船が完了すると航路設定器３によって設定入力
された新しい航路（直線航路）に対する自動航行に移行
する。航路設定器３によって入力されるψ０は零であ
り、従って、操舵制御器７によって制御される舵角の基
準も零となる。
された新しい航路（直線航路）に対する自動航行に移行
する。航路設定器３によって入力されるψ０は零であ
り、従って、操舵制御器７によって制御される舵角の基
準も零となる。
尚、回頭角ψ（ｔ）が より大きくなった時点で変針操船が完了したとし、以後
は新しい直線航路に対する自動航行に移行してもよい。
は新しい直線航路に対する自動航行に移行してもよい。
［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば操船者は、航路を設定
入力するだけでよく、実際の変針操船には操船者の操作
を必要としないので、人為的誤差も生じることなく正確
安全に変針操船を行うことができると共に熟練を要しな
いので船型が変った場合でも直ちに適正な変針操船を行
うことができる。
入力するだけでよく、実際の変針操船には操船者の操作
を必要としないので、人為的誤差も生じることなく正確
安全に変針操船を行うことができると共に熟練を要しな
いので船型が変った場合でも直ちに適正な変針操船を行
うことができる。
第１図は本発明の１実施例を示すブロック図、第２図は
該実施例に於ける作動を示すフローチャート、第３図は
変針操船の操船パターンを示す図、第４図は該操船パタ
ーンによる航行の軌跡を示す図、第５図は旋回する場合
の横流れの影響を示す図、第６図は航行している船舶が
予定した航路から外れている場合の操船の方法を示す図
である。 １は位置計測器、２は速度検出器、３は航路設定器、４
は演算器、５は回頭角検出器、６は回頭角速度検出器、
７は操舵制御器、８舵取装置を示す。
該実施例に於ける作動を示すフローチャート、第３図は
変針操船の操船パターンを示す図、第４図は該操船パタ
ーンによる航行の軌跡を示す図、第５図は旋回する場合
の横流れの影響を示す図、第６図は航行している船舶が
予定した航路から外れている場合の操船の方法を示す図
である。 １は位置計測器、２は速度検出器、３は航路設定器、４
は演算器、５は回頭角検出器、６は回頭角速度検出器、
７は操舵制御器、８舵取装置を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】設定された航路と自船の位置、自船の速度
に基づき、変針運動の基礎式によって変針時期、変針運
動中の回頭角、回頭角速度を予測して演算する演算器
と、 変針運動中の実際の回頭角、回頭角速度を検出する検出
器と、 前記演算器からの予測された演算結果と検出器からの実
際の検出結果に基づき、変針時期に操舵角を制御すると
共に、変針運動中には予測演算された回頭角、回頭角速
度と実際の回頭角、回頭角速度とが一致するよう操舵角
を制御する操舵制御器と を具備したことを特徴とする船舶の変針制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62037327A JP2629179B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 船舶の変針制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62037327A JP2629179B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 船舶の変針制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63203497A JPS63203497A (ja) | 1988-08-23 |
| JP2629179B2 true JP2629179B2 (ja) | 1997-07-09 |
Family
ID=12494551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62037327A Expired - Fee Related JP2629179B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 船舶の変針制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2629179B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5388777B2 (ja) * | 2009-09-25 | 2014-01-15 | ジャパン・ハムワージ株式会社 | 舵取機の作動監視方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57107997A (en) * | 1980-12-26 | 1982-07-05 | Nippon Hakuyo Kiki Kaihatsu Kyokai | Automatic steering gear for ship |
| JPS62295794A (ja) * | 1986-06-13 | 1987-12-23 | Hitachi Zosen Corp | 自動操船方法 |
-
1987
- 1987-02-20 JP JP62037327A patent/JP2629179B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63203497A (ja) | 1988-08-23 |
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