JP6390762B2 - オブジェクト近傍の船舶の運動を制御する方法 - Google Patents

Description

本開示は、水域における船舶の運動を制御するためのシステムおよび方法に関する。

本明細書に参照により全体が組み込まれる米国特許第６，２３４，８５３号は、船舶オペレータからの操縦コマンドに応答すべく、操縦桿またはプッシュボタンデバイスからのコマンド信号を受信するエンジン制御ユニットの制御下、船舶の船舶推進ユニットを利用するドッキングシステムについて開示する。ドッキングシステムは、標準の条件下で船舶を操作するために通常使用されるデバイス以外には、追加の推進デバイスを必要としない。当該発明のドッキングまたは操縦システムは、オペレータのコマンド信号に応答するための２つの船舶推進ユニットを使用し、オペレータが、前進コマンドまたは後退コマンドを、時計まわり回転コマンドまたは反時計まわり回転コマンドと両方若しくは単独での組み合わせにおいて組み合わせて選択できるようにする。

本明細書に参照により全体が組み込まれる米国特許第６，２７３，７７１号は、船舶に取り付け可能で、且つ、シリアル通信バスおよびコントローラと信号通信で接続可能な船舶推進システムを組み込んだ船舶のための制御システムについて開示する。また、複数の入力デバイスおよび出力デバイスが通信バスに信号通信で接続され、ＣＡＮ Ｋｉｎｇｄｏｍネットワーク等のバスアクセスマネージャが、コントローラと信号通信で接続され、当該バスとの信号通信における当該複数のデバイスに対する追加のデバイスの組み込みを調節し、これによって、コントローラは、通信バス上の当該複数のデバイスの各々と信号通信で接続される。入力デバイスおよび出力デバイスはそれぞれ、他のデバイスによって受信されるためのメッセージをシリアル通信バスに送信できる。

本明細書に参照により全体が組み込まれる米国特許第７，２６７，０６８号は、操縦桿等の手動で操作可能な制御デバイスから受信されたコマンドに応答して、第１の船舶推進デバイスおよび第２の船舶推進デバイスをそれぞれのステアリング軸を中心に別々に回転させることによって、操縦される船舶を開示する。第１の船舶推進デバイスおよび第２の船舶推進デバイスは、船舶の中心線上の一点において交差するそれらの推力ベクトルに揃えられ、回転運動が命令されないときは、船舶の重心において交差する、それらの推力ベクトルに揃えられる。船舶推進デバイスを駆動するための内燃エンジンが設けられている。２つの船舶推進デバイスのステアリング軸は概して、鉛直且つ互いに平行である。２つのステアリング軸は、船舶の船殻の底面を通って伸びる。

本明細書に参照により全体が組み込まれる米国特許第７，３０５，９２８号は、船舶のオペレータによって選択された所望の位置および船首方位に従い、船舶がその地球上の位置および船首方位を維持するように、船舶を操縦する船舶位置決めシステムについて開示する。操縦桿と組み合わせて使用するとき、船舶のオペレータは、当該システムを位置保持有効モードに置くことができ、その後、当該システムは、操縦桿のアクティブモードから非アクティブモードへの最初の変更時に得られた所望の位置を維持する。このようにして、オペレータは、選択的に船舶を手動で操縦でき、操縦桿が放されたとき、船舶は、オペレータが操縦桿を用いて船舶を操縦することをやめた時点における位置を維持することになる。

この発明の概要は、詳細な説明においてさらに後述される概念の抜粋を導入するためのものである。この発明の概要は、特許請求された主題の重要なまたは必須の特徴部を特定する意図はなく、また特許請求された主題の範囲を限定する役割として使用される意図もない。

本開示の一例によると、方法は、オブジェクト近傍の船舶の運動を制御し、船舶はコントローラからのコマンドに従い、船舶推進システムによって生成される推力によって推進される。方法は、コントローラで、所望の運動操作部からの船舶の所望の運動を表わす信号を受け取る段階を備える。コントローラは、船舶の所望の運動を、目標直線推力および船舶上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解し、目標直線推力および船舶上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントの達成をもたらすことになる船舶推進システムの推力ベクトルの大きさおよび向きを決定する。センサが、オブジェクトと船舶との間の最短距離および船舶に対するオブジェクトの方向を感知する。コントローラは、オブジェクトと船舶との間の最短距離を、予め定められた範囲と比較する。船舶がオブジェクトからの予め定められた範囲内にあることに応答して、コントローラは、オブジェクトの方向に正味推力を生じさせる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する。

また、オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するための別の方法も開示される。方法は、コントローラで、操縦桿からの船舶の所望の運動を表わす信号を受け取る段階を含む。センサが、オブジェクトと船舶との間の最短距離および船舶に対するオブジェクトの方向を感知する。コントローラは、船舶の所望の運動を、上記最短距離および上記方向と比較する。上記比較に基づいて、コントローラは、船舶推進システムに対し、所望の運動を達成するための推力を生成するように命令するか、または代替的に、船舶推進システムに対し、船舶がオブジェクトからの少なくとも予め定められた範囲を維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかを選択する。すると、船舶推進システムは、命令通り、所望の運動または修正された運動を達成するための推力を生成する。

船舶の運動を制御するためのシステムおよび方法の例について、以下の図面を参照して説明する。同様の特徴部および同様の成分を参照する際、添付図面にわたり同一の番号を使用する。

船舶上の制御システムの概略図である。

本開示の船舶と共に使用される操縦桿の側面図である。

操縦桿の平面図である。

船舶の前進運動中の推力ベクトルの配置を示す。

船舶を、重心を中心に回転させるために使用される推力ベクトルの配置を示す。 船舶を、重心を中心に回転させるために使用される推力ベクトルの配置を示す。

様々なオブジェクトの近傍にある船舶の例を示す。 様々なオブジェクトの近傍にある船舶の例を示す。 様々なオブジェクトの近傍にある船舶の例を示す。 様々なオブジェクトの近傍にある船舶の例を示す。

本開示による、オブジェクト近傍の船舶を操縦するための方法を示す。 本開示による、オブジェクト近傍の船舶を操縦するための方法を示す。

本開示においては、簡潔性、明確性および理解のために特定の用語が使用されている。このような用語は、専ら説明目的のみで使用されており、広く解釈されることを意図しているのであるから、当該用語からは先行技術要件を超える不要な限定は示唆されない。本明細書に記載の異なるシステムおよび方法は、単独で、あるいは他のシステムおよび方法と組み合わせて使用されてよい。様々な均等形態、代替形態および修正形態が、添付の特許請求の範囲内でなされ得る。添付の特許請求の範囲における各限定は、「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」または「ｓｔｅｐ ｆｏｒ」という文言がそれぞれの限定において明示的に記載されている場合にのみ、米国特許法第１１２条（ｆ）項における解釈が発動される意図である。

図１は、船舶１０を示す。船舶１０は、他のモードの中でも特に、例えば、後述のような、通常動作モード、ウェイポイント追跡モード、自動航進モード、位置保持モードおよび操縦桿モードで操作可能である。船舶１０は、船舶１０を推進するための第１の推力Ｔ１および第２の推力Ｔ２を生成する第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂを有し、本明細書において以下に詳しく説明する。図示の通り、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂは船外モータであるが、代替的にこれらは船内モータ、船尾ドライブまたはポッドドライブであってよい。各推進デバイスには、エンジン１４ａ、１４ｂが設けられており、エンジン１４ａ、１４ｂはトランスミッション１６ａ、１６ｂに動作可能に接続され、トランスミッション１６ａ、１６ｂはプロペラ１８ａ、１８ｂに動作可能に接続されている。

また、船舶１０は、船舶推進システム２０を構成する様々な制御要素を含む。船舶推進システム２０は、例えば、米国特許第６，２７３，７７１号に記載のＣＡＮバスを介して、例えばコマンド制御モジュール（ＣＣＭ）等のコントローラ２４と、それぞれの推進デバイス１２ａ、１２ｂに関連付けられた推進制御モジュール（ＰＣＭ）２６ａ、２６ｂと、信号通信する操作コンソール２２を含む。コントローラ２４およびＰＣＭ２６ａ、２６ｂの各々は、メモリおよびプログラム可能なプロセッサを含んでよい。従来通り、プロセッサは、コンピュータ可読コードが格納された揮発性または不揮発性メモリを含むコンピュータ可読媒体に通信可能に接続されてよい。プロセッサはコンピュータ可読コードにアクセスしてよく、コンピュータ可読媒体はコードの実行時に、本明細書に後述される機能を実行する。船舶推進システム２０の他の例においては、当該システムがＣＣＭおよびＰＣＭの両方を有する代わりに、１つのみのコントローラが設けられる。他の例においては、各推進デバイスに対し１つのＣＣＭが設けられ、および／または、推進デバイスのステアリングおよびトリムとは別個にエンジン速度および諸機能を制御するための追加の制御モジュールが設けられる。例えば、ＰＣＭ２６ａ、２６ｂは、推進デバイス１２ａ、１２ｂのエンジン１４ａ、１４ｂおよびトランスミッション１６ａ、１６ｂを制御してよい一方、追加の推力ベクトルモジュール（ＴＶＭ）がそれらの向きを制御してよい。システム２０の他の例においては、船舶制御要素は、シリアル配線されたＣＡＮバスによるのではなく、無線通信を介して接続される。図１中に示される破線は、様々な制御要素が互いに通信可能であることを示す目的のみであり、これら制御要素を接続する実際の配線を表わすわけでも、当該制御要素間の唯一の通信パスを表わすわけでもないことに留意すべきである。

操作コンソール２２は、キーパッド２８、操縦桿３０、舵輪３２、および、１または複数のスロットル／シフトレバー３４等の複数のユーザ入力デバイスを含む。これらデバイスの各々は、コントローラ２４にコマンドを入力する。すると、コントローラ２４はＰＣＭ２６ａ、２６ｂと通信することによって、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂと通信する。また、コントローラ２４は、慣性測定装置（ＩＭＵ）３６から情報を受信する。ＩＭＵ３６は、全地球測位システム（ＧＰＳ）３８の部分を有し、当該全地球測位システム３８はまた、図示の例において、船舶１０上の事前に選択された固定位置に配置されたＧＰＳ受信機４０を有し、当該ＧＰＳ受信機４０は、船舶１０の地球上の位置に関する情報を供給する。ＧＰＳ受信機４０およびＩＭＵ３６からの信号がコントローラ２４に供給される。一例においては、ＩＭＵ３６は、ソリッドステートの磁力計を使用して、地球の磁場の向きを検出し、磁北を基準とする船舶の船首方位を示す、ソリッドステートのレートジャイロ電子コンパスであってよい。

舵輪３２およびスロットル／シフトレバー３４は従来の態様で機能し、例えば、舵輪３２の回転によりトランスデューサを作動させ、トランスデューサはコントローラ２４に対し、船舶１０の所望の向きに関する信号を供給するといった具合である。次に、コントローラ２４はＰＣＭ２６ａ、２６ｂ（および／またはＴＶＭ若しくは追加のモジュールが設けられている場合、ＴＶＭ若しくは追加のモジュール）に信号を送信し、するとＰＣＭ２６ａ、２６ｂが、推進デバイス１２ａ、１２ｂの所望の向きを達成すべく、操縦アクチュエータを作動させる。推進デバイス１２ａ、１２ｂは、それらのステアリング軸を中心に別個に操縦可能である。スロットル／シフトレバー３４は、コントローラ２４に対し、トランスミッション１６ａ、１６ｂの所望のギア（前進、後退またはニュートラル）および推進デバイス１２ａ、１２ｂのエンジン１４ａ、１４ｂの所望の回転速度に関する信号を送信する。次に、コントローラ２４はＰＣＭ２６ａ、２６ｂに信号を送信し、次にＰＣＭ２６ａ、２６ｂが、トランスミッション１６ａ、１６ｂおよびエンジン１４ａ、１４ｂの電気機械的アクチュエータをそれぞれシフトおよびスロットルのために作動させる。操縦桿３０等の手動で操作可能な制御デバイスも使用して、コントローラ２４に信号を供給できる。操縦桿３０を使用すると、船舶１０のオペレータが、後述のような船舶１０の並進または回転を達成するといったように、船舶１０を手動で操縦することを許容することができる。代替の例においては、様々なコンポーネント２８、３０、３２、３４は、ＰＣＭ２６ａ、２６ｂと直接通信してよく、または、１または複数の中央コントローラと通信してもよいことを理解されたい。

図２および３を参照し、ここから操縦桿３０の操作について説明する。図２は、操縦桿３０の単純な概略図であり、操縦桿３０は、船舶１０のオペレータによって選択された所望の運動を表わす信号を供給するために使用可能な手動で操作できる制御デバイスを提供する。図２中の例は、基部４２および手で操作可能なハンドル４４を示す。典型的な適用において、ハンドル４４は大まかに矢印４６で表された方向に動かすことができ、また軸４８を中心に回転可能である。操縦桿ハンドル４４は、基部４２におけるその接続点を中心に傾斜させることによって、事実上あらゆる方向に動かすことができることを理解されたい。図２中、矢印４６は図の平面内に示されているが、図の平面に平行ではない他の方向において同様のタイプの動きも可能である。

図３は、操縦桿３０の平面図である。ハンドル４４は、図２の矢印４６で示される通り、矢印５０、５１、５２および５３で表される方向を含む様々な方向に動かすことができる。しかしながら、ハンドル４４は、その軸４８を基準にあらゆる方向に動かすことができ、矢印５０、５１、５２および５３により表わされる２つの線の動きに限定されないことを理解されたい。実際、ハンドル４４が基部４２内のその接続点を中心に傾斜されるとき、ハンドル４４の動きは、事実上無限数の可能なパスを有する。また、ハンドル４４は矢印５４で表されるように、軸４８を中心に回転可能である。船舶のオペレータによって、ハンドル４４の動きを通して表わされる船舶１０の所望の運動を表わす信号を供給するために使用可能な多くの異なるタイプの操縦桿デバイスがあることに留意されたい。例えば、４または４より多い方向の入力を可能にするキーパッド、トラックボールおよび／または他の類似の入力デバイスが使用可能である。

図３を継続して参照するところ、オペレータは、矢印５２で表される左舷または矢印５３で表される右舷に向けての完全な直線運動、矢印５０で表される前方向または矢印５１で表される後方向の完全な直線運動、またはこれらの方向の任意の２つの組み合わせを要求できることがわかる。換言すると、ハンドル４４を破線５６沿いに動かすことによって、右側および前方に向かう、または左側および後方に向かう直線運動を命令可能である。同様に、線５８沿いの直線運動が命令可能である。また、船舶のオペレータは、横方向または前方／後方の直線運動の組み合わせに、矢印５４で表されるような回転との組み合わせを要求できることを理解されたい。これらの可能性のうち任意のものが、操縦桿３０の使用を介して達成可能であり、操縦桿３０は、コントローラ２４と通信し、最終的にはＰＣＭ２６ａ、２６ｂと通信する。また、ハンドル４４の位置によって表わされる運動の大きさ、すなわち強度も、操縦桿３０からの出力として供給される。換言すると、ハンドル４４が一方側または他方側に向けてわずかに動かされる場合は、代わりに、ハンドル４４が基部４２に対するその垂直位置から離れるようにより高強度の大きさで動かされた場合よりも、その方向に命令される推力はより小さい。さらに、矢印５４で表わされるような軸４８を中心とするハンドル４４の回転は、所望の運動の強度を表わす信号を供給する。軸４８を中心とするハンドル４４のわずかな回転が、船舶１０上の事前に選択された点を中心とするわずかな回転推力のコマンドを表わすことになる。他方で、軸４８を中心とするハンドル４４のより強い回転は、より高強度の大きさの回転推力のコマンドを表わすことになる。

また、操縦桿３０は、コントローラ２４に対し、操縦桿３０がアクティブ状態にあるか、または非アクティブ状態にあるかに関する情報を供給できる。オペレータが操縦桿３０を操作している間、操縦桿３０はアクティブ状態にある。しかしながら、オペレータが操縦桿３０を放し、そのハンドル４４が中央／直立のニュートラル位置に戻ることを許容すると、操縦桿３０は、非アクティブ状態に戻る。一例においては、ハンドル４４のその中央にある状態から離れる動き、またはその軸４８を中心とするハンドル４４の回転、あるいはそれら両方が、コントローラ２４に、操縦桿３０がアクティブ状態にあることを判断させ、続けて、スロットル／シフトレバー３４または舵輪３２の位置に関わらず、操縦桿３０からのコマンドに対し動作させる。別の例において、操縦桿の動き３０によって、コントローラ２４が、操縦桿３０がアクティブ状態にあることを判断し、続けて、操縦桿３０からのコマンドに対し動作することをもたらす前に、スロットル／シフトレバー３４および舵輪３２の一方または両方は、戻り止め位置にある必要がある。一例においては、スロットル／シフトレバー３４の戻り止め位置は、前方戻り止め位置またはニュートラル戻り止め位置である。舵輪３２の戻り止め位置は、ゼロ度の位置であってよい。別の例において、トランスミッション１６ａ、１６ｂが両方ともニュートラルになった後でなければ、操縦桿モードは有効化できない。

故に、操縦桿モードでは、ユーザは、本明細書において図２および図３を参照して上記した回転運動および／または並進運動を命令すべく、操縦桿３０を操作してよい。別のモードでは、当業者にとって従来的であるように、スロットル／シフトレバー３４および舵輪３２を使用して、コントローラ２４を介してＰＣＭ２６ａ、２６ｂにコマンドを送信し、当該コマンドに応答するように推進デバイス１２ａ、１２ｂを動作させてよい。さらに、代替的な自動航進モードでは、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂを制御すべく、コントローラ２４は、ＰＣＭ２６ａ、２６ｂと信号通信で接続されてもよく、その結果、風、波、流れの存在または他の外部要因が船舶１０に航路からのずれを強いるにも関わらず、船舶１０が所望の船首方位を維持するようになる。自動航進機能は、例えば、船舶１０のオペレータが、キーパッド２８または操作コンソール２２上の対話型ディスプレイを使用して、真北に対し、所望の船首方位角を指定することによって実装可能である。代替的に、オペレータは、操縦桿３０または舵輪３２を作動させて、船舶１０を所望の船首方位の方向に向けてよく、その後、キーパッド２８に設けられた船首方位維持ボタンを選択することによって、この所望の船首方位を維持してよい。代替的に、オペレータは、船舶１０をウェイポイント追跡モードで操作してよく、ウェイポイント追跡モードでは、船舶１０は、あるウェイポイント（地理的座標）から、所望のウェイポイントに到達するために計算された船首方位における別のウェイポイントへと推進される。また、船舶の所望の地球上の位置および所望の船首方位を維持する位置保持モードも、いくつかの方法で作動されてよい。例えば、船舶１０のオペレータは、キーパッド２８上のボタンまたはスイッチを作動させてよく、当該ボタンまたはスイッチは、コントローラ２４に対し、スイッチが作動中は常に、船舶１０の現在位置を維持するように命令する。一例においては、船舶１０のオペレータが、位置保持モードを作動させると、位置保持モードがアクティブ化され、操縦桿３０は非アクティブ化される。位置保持モードが有効化されている場合に、船舶１０のオペレータによって操縦桿３０が操作されると、オペレータの船舶の位置を手動で操作したいというその明示の要求のために、コントローラ２４は位置保持モードを一時的に非アクティブ化してよい。しかしながら、オペレータが操縦桿３０を放すとすぐに、操縦桿３０が非アクティブ状態に戻ることに併せて、位置保持モードが有効化され、システム２０に対し、船舶１０のその新しい船首方位および位置の維持を開始させる。

船舶１０の所望の船首方位を維持すべく、コントローラ２４は、所望の船首方位（オペレータによって入力される、または所望のウェイポイントに基づいて計算される）および船舶の実際の船首方位および／または航路に関する比較情報を有している必要がある。コントローラ２４は、例えばＩＭＵ３６によって検出された船舶１０の実際の船首方位および／または航路を、オペレータによって入力されたまたは所望のウェイポイントに基づいて計算された所望の船首方位と比較する。例えば、所望の船首方位と、実際の船首方位および／または航路との間の差異が、特定の閾値を超えている場合、コントローラ２４は船首方位を所望の値に訂正し、それ以降、当該船首方位を維持すべく、推進デバイス１２ａ、１２ｂを位置決めしてよく、および／または推進デバイス１２ａ、１２ｂのうちの一方によってもたらされる推力を変更してよい。例えば、コントローラ２４は、ＣＡＮバスを介してＰＣＭ２６ａ、２６ｂに対し信号を送信して、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂの船舶１０に対する回転角度を設定してよく、エンジン速度を設定してよく、および／または、所望の船首方位を達成するために要求される船舶１０の運動に基づいて、シフト位置を設定してよい。

図４には、船舶１０がその重心６０と共に概略的に図示されており、重心６０は、船舶１０上の較正された事前に選択された点であってよい。他の例においては、代わりに、点６０は瞬間回転中心であってよい。回転中心は、いくつかの要素の関数であり、当該要素は、船舶１０の水中移動時のその速度、船舶１０の船殻に対する流体力、船舶１０内に含まれる積荷の重量配分、および船舶１０が喫水線より下に配置される度合いを含む。回転中心の位置は、様々な条件設定に対し、経験的に判断されてよい。以下の説明のため、点６０を重心として言及するが、回転中心を使用して類似の計算が行われてよい。

第１のステアリング軸１３ａおよび第２のステアリング軸１３ｂが、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂに対し示されている。第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂは、それぞれ第１のステアリング軸１３ａおよび第２のステアリング軸１３ｂを中心に回転可能である。第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂの回転の範囲は、船舶１０の中心線６２に対して対称であってよい。本開示の位置決め方法は、船舶１０の迅速且つ正確な操縦を可能にする効率的な態様において、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂをそれぞれステアリング軸１３ａ、１３ｂを中心に回転させ、それらの動作を前進ギアまたは後退ギアで調整し、それらの推力Ｔ１、Ｔ２の大きさを調整（例えば、エンジン速度および／またはプロペラピッチ若しくはトランスミッションスリップを調整することによって）する。一方の推進デバイス１２ａの回転、ギアおよび推力の大きさは、他方の推進デバイス１２ｂの回転、ギアおよび推力の大きさとは独立して異なってよい。

図４は、船舶１０を、右方向または左方向の運動がなく且つその重心６０を中心とする回転がない状態で、矢印６１で表わされる前方向に動かすことが所望される場合に使用される推力の向きを示す。これは、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂを整列した位置まで回転させることによってなされ、当該位置において、それらの推力ベクトルＴ１およびＴ２は互いに平行である。図４でわかる通り、第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２は大きさが等しく、同一の前方向に向けられている。これは、重心６０を中心とする結果としての回転を生じさせず、左方向または右方向における結果としての運動を生じさせない。矢印６１で表される方向の運動は、矢印６１に平行な向きに分解される第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２のすべてのベクトル成分（本明細書においてさらに詳しく後述される）から生じる。矢印６１に平行な結果としての推力成分は加法的なものであり、それらは共に矢印６１の方向における正味前進推力を船舶１０にもたらす。

図５および図６に図示の通り、直線運動と組み合わせて、船舶１０の回転が所望される場合、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂは、それぞれ第１のステアリング軸１３ａおよび第２のステアリング軸１３ｂを中心に、中心線６２に対してステアリング角θまで回転させられ、その結果、それらの推力ベクトルは中心線６２上の一点で交差する。わかりやすくするため、推力ベクトルＴ１は図５に示されていない（その大きさおよび向きについては、図６を参照）が、その関連する作用線６８が、推力ベクトルＴ２の作用線６６と点６４で交差して図示されている。点６４は重心６０と一致しないので、有効モーメントアームＭ１が、第１の推進デバイス１２ａによって生成される推力Ｔ１に対して存在する。重心６０を中心とするモーメントは、寸法Ｍ１が乗算された推力ベクトルＴ１の大きさに等しい。モーメントアームＭ１は、破線６８に対し直角に交わり、第１の推力ベクトルＴ１は破線６８に沿って整列する。よって、それは、斜辺Ｈも有する直角三角形の一辺である。また、図５中のもう１つの直角三角形が、辺Ｌ、Ｗ／２および斜辺Ｈを有することを理解されたい。推進デバイス１２ａ、１２ｂがそれらのそれぞれのステアリング軸１３ａ、１３ｂを中心に同一の角θで回転させられる限り、モーメントアームＭ１と等しい大きさのモーメントアームＭ２（わかりやすくするため不図示）が、線６６に沿って向けられた第２の推力ベクトルＴ２に対し存在することになる。

図５を継続して参照するところ、モーメントアームＭ１の長さは、ステアリング角θ、角Φ、角π、第１のステアリング軸１３ａと第２のステアリング軸１３ｂとの間の距離（当該距離は図５中、Ｗに等しい）、および重心６０と第１のステアリング軸および第２のステアリング軸間を伸びる線との間の垂直距離Ｌの関数として決定できることは、当業者の認識するところである。第１のステアリング軸１３ａと重心６０との間を伸びる線の長さは、直角三角形の斜辺Ｈであり、ＬおよびＷを与えることでピタゴラスの定理を使用して、簡単に決定されることができる。ＬとＷは既知であり、コントローラのメモリに保存される。θの大きさは、式１〜式４に関して、以下に説明されるように計算される。角Ωの大きさは、９０−θである。角Φの大きさは、第１のステアリング軸１３ａおよび船舶の中心線６２間の距離（Ｗ／２として示される）に対する長さＬの比率のアークタンジェントに等しい。モーメントアームＭ１の長さは、コントローラ２４によって、線Ｈの長さおよび角π（Ω−Φ）の大きさを使用して、数学的に決定されてよい。

推力ベクトルＴ１、Ｔ２はそれぞれ、前／後方向および左／右方向の両方のベクトル成分に分解される。これらのベクトル成分が絶対的な大きさにおいて互いに等しい場合、当該ベクトル成分は、互いに打ち消し合うか、または加法的であってよい。絶対的な大きさにおいて等しくない場合、当該ベクトル成分は、互いを一部減算するか、または加法的であってよいが、特定の直線方向に合力が存在することになる。説明のために、図５は、第２の推力ベクトルＴ２のベクトル成分を示している。図示の通り、第２の推力ベクトルＴ２は線６６に沿って向いており、線６６は中心線６２に対しステアリング角θをなす。第２の推力ベクトルＴ２は、中心線６２に対して平行な成分および垂直な成分に分解されてよく、当該成分は、ステアリング角θの関数として計算される。例えば、第２の推力ベクトルＴ２は、第２の推力ベクトルＴ２に、コサインθおよびサインθをそれぞれ乗算することによって、後向きの力Ｆ２Ｙおよび横向きの力Ｆ２Ｘに分解されてよい。また、第１の推力Ｔ１のベクトル成分も同様に、前／後向きの成分および横向きの成分に分解されてよい。これらの関係を使用し、船舶推進システム２０により生成される正味推力のベクトル成分ＦＸ、ＦＹは、Ｔ１およびＴ２のそれぞれの前方／後方ベクトル成分および左／右ベクトル成分を加算することによって、計算されてよい。

図５および図６の例においては、Ｔ１はＸ方向およびＹ方向の両方に正のベクトル成分を有する一方、Ｔ２はＸ方向に正のベクトル成分およびＹ方向に負のベクトル成分を有し、故にＹ方向の負のベクトル成分は、Ｔ１のＹ方向のベクトル成分から減算されることに留意されたい。船舶１０に作用する正味推力は、ＦＸおよびＦＹのベクトルの加算によって決定されてよい。

図６を参照すると、また、モーメント（矢印７０によって表される）が船舶１０にかかり、船舶１０をその重心６０を中心に回転させてよい。モーメント７０は、時計まわり（ＣＷ）または反時計まわり（ＣＣＷ）のいずれかの回転方向にかかってよい。モーメント７０から生じる回転力は、船舶１０に対し、直線力と組み合わせて、または単独で加えられてよい。モーメント７０を直線力と組み合わせるべく、第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２は、概して反対向きに、図６に示される点６４で交差するそれぞれの作用線６８、６６と整列する。図６中、作図線は示されていないが、有効モーメントアームＭ１、Ｍ２が第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２並びに重心６０に対して存在する。従って、モーメントが矢印７０によって表わされるように、船舶１０に与えられる。推力ベクトルＴ１、Ｔ２が大きさにおいて互いに等しく、それぞれ線６８および線６６に沿って与えられ、中心線６２を基準に対称であり且つ反対向きである場合、中心線６２に平行な正味成分力は互いに等しく、従って、正味の直線力は、船舶１０に対し前／後方向には与えられない。しかしながら、第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２は、中心線６２に対して垂直な力にも分解され、この例においては、それらは加法的である。結果的に、図６の船舶１０がモーメント７０に応答して、時計まわりの方向に回転するので、船舶１０は、右に動くことになる。

他方で、モーメント７０が船舶１０に対する唯一の力であり、前／後方向または左／右方向における横運動がないことが所望される場合、図６中、Ｔ１'およびＴ２'で表される代替的な第１の推力ベクトルおよび第２の推力ベクトルが、中心線６２に対し平行な破線６８'および６６'に沿って互いに平行に整列する。第１の推力ベクトルＴ１'および第２の推力ベクトルＴ２'は等しい大きさであり、反対向きである。結果的に、前／後方向には、船舶１０に正味の力が与えられない。推力ベクトルＴ１'および推力ベクトルＴ２'の両方の角θが０度に等しいので、船舶１０に対し、中心線６２に対し垂直な方向に合力は与えられない。結果的に、船舶１０の重心６０を中心とする回転は、前／後方向または左／右方向における直線運動がない状態で達成される。

図２〜６を参照すると、船舶１０のオペレータは、操縦桿ハンドル４４の動きを使用して、船舶１０の事実上あらゆるタイプの所望の運動を表わせることが理解されよう。操縦桿３０からの信号の受信に応答して、アルゴリズムは、重心６０を中心とする回転（モーメント７０で図示）がオペレータによって要求されているか否かを判断する。回転なしの前方並進が要求された場合、図４に示されるように、第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂは、それらの推力ベクトルが前方に平行な向きに整列するように向きを合わされ、Ｔ１の大きさおよび向きがＴ２のそれと等しい限り、船舶１０は前方向に移動することになる。他方で、操縦桿３０からの信号が重心６０を中心とする回転が要求されていることを示す場合、第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２は、重心６０で交差せず、代わりに中心線６２沿いの別の点６４で交差する線６８と線６６沿いに向きを合わされる。図５および図６に示される通り、この交点６４は、重心６０から前方であってよい。図６中に示された推力Ｔ１および推力Ｔ２は、船舶１０の時計まわりの回転（モーメント７０で示される）をもたらす。代替的に、それらが、重心６０より後方にある、中心線６２沿いの点で交差するように第１の推進デバイス１２ａおよび第２の推進デバイス１２ｂが回転される場合、他はすべて等しい状態で、反対の効果が実現され得るであろう。また、交点６４が重心６０より前方にある状態で、第１の推進ベクトルＴ１および第２の推進ベクトルＴ２の向きを逆にすると、船舶１０の反時計まわりの方向の回転を生じさせ得ることも理解されたい。

推進デバイス１２ａ、１２ｂのステアリング角は、同一である必要はないことに留意すべきである。例えば、第１の推進デバイス１２ａは、中心線６２に対し角θ_１で操縦されてよい一方、第２の推進デバイス１２ｂは角θ_２で操縦されてよい。操縦桿３０への入力がなされると、コントローラ２４は、推進システム２０の所望される正味推力および正味モーメントをメモリ内に格納されたマップに基づいて決定する。当該マップは、操縦桿の特定の入力を、目標直線推力および事前に選択された点を中心とする目標モーメントと相関付ける。従って、それ以降、Ｔ１、Ｔ２、θ_１およびθ_２は、コントローラ２４によって、以下の式に従い、上記の幾何学的関係を使用して計算できることがわかる。

式中、ＦＸおよびＦＹは既知の目標直線推力のベクトル成分であり、ＭＴは事前に選択された点を中心とする既知の合計目標モーメント（時計まわりモーメントＭＣＷおよび反時計まわりモーメントＭＣＣＷを含む）であり、ＬおよびＷ／２も上記の通り既知である。次に、コントローラ２４は、４つの式を使用して、４つの未知のもの（Ｔ１、Ｔ２、θ_１およびθ_２）を求め、それにより、船舶１０の所望の運動を達成することになる各推進デバイス１２ａ、１２ｂのステアリング角、シフト位置および推力の大きさを決定する。式１〜５は、図５および図６に示される推力の配置に特有のものであり、異なる向きの推力が与えられると、異なるベクトル成分が、時計まわり回転若しくは反時計まわり回転および前進／後退若しくは右／左並進に寄与することになることに留意されたい。

横運動、回転運動、またはこれら２つの組み合わせを達成すべく、推力ベクトルＴ１、Ｔ２をＸ成分およびＹ成分に分解することに関する上記原理は、本方法の操縦アルゴリズムの基礎である。この操縦アルゴリズムは操縦桿モード中、操縦桿３０からのコマンドに応答して使用されるのみでなく、当該操縦アルゴリズムはまた、船舶１０が位置保持モードで動作する間の推進デバイス１２ａ、１２ｂの回転位置、シフト位置および推力の大きさの制御にも使用される。換言すると、コントローラ２４は、位置保持モード中、船舶の船首方位および位置を維持すべく、これらの変数の各々に対し、自動訂正を行い、それは、あたかもオペレータが実際に操縦桿を操作してこのような訂正をなす場合と同様である。上記の自動航進モードまたはウェイポイント追跡モード中に、類似の方法が使用されてよい。

ここで図１に戻ると、船舶１０には、１または複数のセンサ７２、７４、７６および７８も設けられてよい。船舶１０の船首側、船尾側および左舷側および右舷側の各々に１つのセンサが示されているものの、各位置にこれよりも少ないまたは多いセンサが設けられてよい。センサ７２〜７８は、距離および方向のセンサである。例えば、センサは、船舶１０近傍にあるドック、防波堤、スリップ、大きな岩若しくは木等のオブジェクトＯの方向および距離の両方を個々に判断可能なレーダ、ソナー、カメラ、レーザー、ドップラー方向探知機、または他のデバイスであってよい。代替的に、距離を感知するために設けられているものとは別に、方向を感知するための別個のセンサが設けられてよく、または２種類以上の距離／方向センサが、船舶１０の単一の場所に設けられてよい。センサ７２〜７８は、船舶１０に対するオブジェクトの方向、およびオブジェクトＯと船舶１０との間の最短距離の両方に関する情報を供給する。センサ７２〜７８は、この距離および方向の情報をコントローラ２４に対し、上記のようなＣＡＮバスまたは無線接続を介する等して供給する。

図７〜図１０は、船舶１０がスリップ、ドックまたは防波堤等のオブジェクトに接近中の様々な状況を示す。通常、操縦桿モードにおいて船舶１０の並進運動および回転運動に対する正確な制御が得られることを理由として、オペレータは、オブジェクトに接触させることなく、オブジェクトに対する所望の位置に船舶１０を配置すべく、このようなオブジェクトに接近中は、操縦桿モードを使用するであろう。また、ひとたびオペレータがオブジェクトに対する所望の位置を達成すると、オペレータは船舶１０を位置保持モードに置くことにより、船舶１０に、オブジェクトの近くにある間は、その位置および船首方位を維持させるようにしてよい。しかしながら、操縦桿モード中のオペレータのエラー、風、潮流および／または波により生じる揺れ、または位置保持モードのための情報を供給するＧＰＳシステム３８に内在するエラーのいずれかに起因して、船舶１０はそれでもなおオブジェクトに接近し過ぎる可能性があり、これにより船舶１０の損傷につながる可能性がある。従って、本開示は、次のような方法を考案する。すなわち、当該方法においては、距離および方向センサ７２〜７８からの情報がコントローラ２４によって使用され、船舶１０の所望の運動を、オブジェクトと船舶１０との間の最短距離および船舶に対するオブジェクトの方向と比較し、その後、船舶推進システム２０に対し、所望の運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうか、あるいは代替的に、船舶推進システム２０に対し、船舶１０がオブジェクトに接触しないことを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択する。一例においては、方法は、船舶１０がオブジェクトＯからの少なくとも予め定められた範囲Ｒを維持することを保証する段階を含む。図１を参照されたい。

具体的には、図１および図１１を参照すると、方法は、ボックス１１０に示されるように、コントローラ２４で、所望の運動操作部２９からの船舶１０の所望の運動を表わす信号を受け取る段階を含んでよい。一例においては、所望の運動操作部２９は操縦桿３０である。別の例においては、所望の運動操作部２９は、位置保持モードを有効にするキーパッド２８である。次に、ボックス１１２に示されるように、方法は、船舶１０の所望の運動を、目標直線推力および船舶１０上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解する段階を含む。例えば、事前に選択された点は、船舶の重心６０であってよいが、上記のように、瞬間回転中心等、他の興味のある点（ＰＯＩ：Ｐｏｉｎｔ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）がその場で計算可能であり、またはシステム内へと較正され得る。本方法の操作を説明するために、回転中心の位置または重心６０の位置は、コントローラ２４のプロセッサ内で動作するソフトウェアによって認識されていると想定する。コントローラ２４は、ルックアップテーブルまたは他の入力‐出力マップを使用して、所望の運動操作部２９からの特定の入力に対応する目標直線推力および目標モーメントを見つける。

ボックス１１４に示されるように、方法は、目標直線推力および船舶１０上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントの達成をもたらすことになる船舶推進システムの推力ベクトルの大きさおよび向きを決定する段階を含む。例えば、これには、所望の正味推力および所望の正味モーメントをもたらすべく、図４〜６を参照して上記した通り、式１〜５を使用して２つの推進デバイス１２ａ、１２ｂのステアリング角および大きさを決定する段階を含んでよい。別の例において、１つの船舶推進デバイスのみが設けられてよく、その推力ベクトルはそれ自体で正味推力を構成することになる。３つ以上の船舶推進デバイスが設けられる場合、上記の同一原理を使用して、各推進デバイスのステアリング角および推力の大きさを求めてよい。これにより、システム２０の操縦桿３０または位置保持部を介して入力された目標直線推力および目標モーメントが与えられると、コントローラ２４は、所望の正味推力および所望の正味モーメントをもたらすことになる、個々の推進デバイスからの個々の推力ベクトルの大きさおよび向きを決定してよい。

次に、方法は、１１６で示されるように、センサ７２、７４、７６、７８で、オブジェクトＯと船舶１０との間の最短距離および船舶１０に対するオブジェクトＯの方向を感知する段階を含む。例えば、図７を参照すると、センサ７２は、船舶１０とオブジェクト８２との間の最短距離８４を感知してよい。また、センサ７２は、船舶１０に対するオブジェクト８２の方向８０を真正面であると感知してよい。ボックス１１８に示されるように、次にコントローラ２４は、オブジェクト８２と船舶１０との間の最短距離８４を予め定められた範囲８１と比較する。この予め定められた範囲８１は、本操縦アルゴリズムによる使用のために、較正され、コントローラ２４のメモリ内に格納されてよい。他の例においては、予め定められた範囲８１は、船舶１０の速度またはシステム２０が動作中のモードに依存してよく、予め定められた範囲８１は、ルックアップテーブルまたは類似の入力／出力マップから決定されてよい。さらなる他の例においては、オペレータがキーパッド２８または操作コンソール２２に配置された他の対話型ディスプレイを介して、所望の予め定められた範囲を入力してよい。

ボックス１２０に示されるように、船舶１０が、オブジェクト８２からの予め定められた範囲８１内にある（すなわち、予め定められた範囲の地点にある、または予め定められた範囲よりオブジェクトに近い）ことに応答して、コントローラ２４は、オブジェクト８２の方向８０に正味推力を生じさせる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する。従って、図７中の船舶１０の右側に略図で示される通り、船舶推進システム２０は領域Ｓで示される右舷方向、矢印Ａで示される船尾方向、領域Ｐで示される左舷方向、または矢印ＣＷおよびＣＣＷで示されるヨー方向のいずれかに推力を生成してよいが、領域Ｆで示される船首方向に正味推力を生成してはならない。有意にも、コントローラ２４は、そこに関する作用のためのＰＣＭ２６ａ、２６ｂに対する前向きの正味推力コマンドをリレーしない。目標正味推力Ｔが、船首方向にのみ向けられているこの例においては、コントローラ２４は、ひとたび船舶１０がオブジェクト８２からの予め定められた範囲内に存在すると、船舶推進システム２０からの正味推力を命令しなくなる。

操縦桿３０を介して、またはシステム２０の位置保持部からコントローラ２４に入力される他の所望の方向は、それらが船舶１０をオブジェクト８２からの予め定められた範囲８１内にもたらさない限り、有効化されることに留意されたい。換言すると、船舶１０がオブジェクト８２からの予め定められた範囲８１内にあることに応答して、方法は、さらに、オブジェクト８２の方向８０に正味推力を生じさせない推力ベクトルのベクトル成分を生成する段階を含む。例えば、図７を簡単に参照すると、オブジェクト８２が船舶１０の前に存在する場合、船舶推進システム２０は、左または右（一方が命令される場合）に正味推力を生成可能であってよいが、前方Ｙ方向に正味推力を生成することは許容されない。２つの船舶推進デバイス１２ａ、１２ｂが設けられる場合、いずれか一方はＹ方向に個別の推力を生成することを許容されてよいが、Ｙ方向の正味前進推力は０である必要があることに留意されたい。つまり、推進デバイス１２ａ、１２ｂのうちの一方によって生成される個別の推力Ｔ１または推力Ｔ２のベクトル成分は、他方の推進デバイスが船尾方向に推力成分を生成して、このような船首方向の推力を無効にするまたは相殺する限り、船首方向に配向されてよい。別の例において、コントローラ２４は、あらゆる推力ベクトル成分が、オブジェクト８２の方向８０に配向されるのを阻止してよい。

コントローラ２４は、所望の運動操作部２９からの信号に応答して、オブジェクトの方向における運動のみを除いては、すべての運動を阻止するわけではないので、コントローラ２４は、生成されることになる推力を上記の式１〜４に従い計算してよい。例えば、船首方向の正味推力が阻止される場合、コントローラ２４は、ＦＹ＝０を設定してよい一方、ＦＸ、ＭＣＷおよびＭＣＣＷの式は、所望の運動操作部２９への入力からマッピングされた値に設定されたままである。次に、コントローラ２４はＴ１、Ｔ２、θ_１およびθ_２を求めてよく、続けて、当該推力を当該角で生成するための信号をＰＣＭ２６ａ、２６ｂに送信してよく、オブジェクトの方向に船舶１０を動かすことはないが、入力された目標直線推力および目標モーメントを部分的に達成する修正された正味推力をもたらす。

対照的に、船舶１０がオブジェクト８２からの予め定められた範囲を超えて（範囲外）存在することに応答して、方法は、目標直線推力および船舶１０上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントの達成をもたらすことになる推力ベクトルを生成する段階を含む。換言すると、図７の例を使用すると、センサ７２によって感知される際、船舶１０がオブジェクト８２に近過ぎない限り、船舶１０は船首方向８０に動くことが許容されることになる。この例において、コントローラ２４は、式１〜４によるＦＸ、ＦＹ，ＭＣＷおよびＭＣＣＷを所望の運動操作部２９からマッピングされた値に設定することにより、Ｔ１、Ｔ２、θ_１およびθ_２を計算する。その間、センサ７２は、オブジェクト８２と船舶１０との間の最短距離の感知を継続し、オブジェクト８２と船舶１０との間の距離８４と、予め定められた範囲８１との比較を継続することになる。ひとたび船舶１０がオブジェクト８２からの予め定められた範囲８１内に入ると、コントローラ２４は、さらなる前進運動を阻止することになる。

多数の場所にセンサを設けることにより、船舶１０は、船舶１０の前だけでなく、その側方にあるオブジェクトを感知することにも留意されたい。例えば、図８に示される通り、センサ７４は、船舶１０の右舷側にあるオブジェクト８２'を感知可能であってよい。この例においては、船舶１０に対するオブジェクト８２'の方向は、右であることに留意されたい。故に、正味推力ベクトルの阻止されるベクトル成分は、図８中の略図における領域Ｓで示される右舷方向８５である。センサ７４が、船舶１０が右舷方向８５のオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９内にあることを判断すると、コントローラ２４は、船舶推進システム２０が右舷方向８５に推力を生成することを自動的に阻止することになる。また、矢印ＣＷで示される時計まわりの方向、または矢印ＣＣＷで示される反時計まわりの方向の船舶１０の回転も阻止されてよく、これは、とりわけ、右舷の船首がオブジェクト８２'近傍にあるとき、または、右舷の船尾がオブジェクト８２'の近傍にあるときを感知すべく、船舶１０の右舷側の船首および／または船尾により近い位置に追加のセンサが設けられる場合にそうあってよい。換言すると、船舶１０がオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９内にあることに応答して、コントローラ２４は、船舶１０をヨーイングさせ、その結果、船舶１０の任意の部分がオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９を維持しなくなる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する。コントローラ２４は、式３のＭＣＷおよび式４のＭＣＣＷをゼロに設定することによって、これを行ってよい。しかしながら、図８中の略図に示されるように、船舶１０は、領域Ｆによって示される船首方向、領域Ａによって示される船尾方向、および／または領域Ｐによって示される左舷方向には、引き続き正味推力を生成してよい。

しばしば、センサ７４等のセンサが、船舶１０がオブジェクト８２'等のオブジェクトからの予め定められた範囲８９内にあることを判断するまでの時間が、あまりにも遅すぎて、オブジェクト８２'の方向８５におけるさらなる正味推力を阻止するだけでは、船舶１０がオブジェクト８２'に接触することを防ぐことができない。故に、本開示のシステムはまた、船舶１０がオブジェクトからの予め定められた範囲から所与の距離内に入ると、逆制御動作を取るようにプログラムされている。例えば、本方法は、船舶１０がオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９から所与の距離８８内に入ることに応答して、オブジェクト８２'の方向８５と反対の方向８６に正味推力を生成する段階を含んでよい。コントローラ２４は、ＦＸ、ＦＹ、ＭＣＷまたはＭＣＣＷ（該当する場合）を、船舶１０が予め定められた範囲８９から所与の距離８８内に入る前に既に設定されていた値と、符号が逆の所望の値に等しくなるように設定することにより、このような逆制御動作を生成するために要求される推力およびステアリング角を計算してよい。所与の距離８８は較正され且つコントローラのメモリ内に保存されてよく、船舶１０の現在の動作条件に基づいて参照されてよく、または入力デバイスを介してオペレータによって入力されてよい。一例においては、反対方向８６の正味推力の大きさは、船舶１０が、オブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９から所与の距離８８内に入った際、船舶推進システム２０が動作していた速度に基づく。例えば、反対方向８６の正味推力の大きさは、船舶１０の速度またはエンジン１４ａ、１４ｂの速度に基づいてよい。他の例においては、反対方向８６の正味推力の大きさは較正され、コントローラのメモリ内に保存され、それは船舶の動作条件に基づいて変更されない。

また、方法は、船舶推進システム２０に対し、船舶１０がオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９から所与の距離８８内に入ったときの船舶１０のモメンタムに依存する期間、反対方向８６に正味推力を生成するように命令する段階を含んでよい。モメンタムは、速度および質量の両方に依存するので、従って、期間も船舶の速度またはエンジン速度に基づいて決定されてよく、または期間が代わりに船舶の速度またはエンジン速度に基づいて決定されてよい。しかしながら、船舶１０の質量が既知の場合（名目上は、積荷または人員等の追加の重量を含めない）、これもまた、どのくらいの期間、反対方向８６に正味推力を生成するかを決定するために考慮されてよい。モメンタムはまた、上記開示のような、この値を決定するための速度の使われ方と同様に、反対方向８６の正味推力の大きさを決定するためにも使用されてよい。たとえ、所望の運動操作部２９から信号が受信されない場合であっても、コントローラ２４はまた、船舶１０がオブジェクト８２'からの予め定められた範囲８９から所与の距離８８内に入ることに応答して、船舶推進システム２０に対し、反対方向８６に正味推力を生成するように命令してよいことにも留意されたい。これにより、ある種の疑似位置保持方法がもたらされ、当該方法においては、たとえ、ユーザが操縦桿３０を操作しておらず、あるいは、位置保持部が船舶１０を特定の位置および船首方位に維持するための訂正コマンドを供給していない場合であっても、船舶１０はオブジェクト８２'からの安全な距離に維持される。

図９を参照すると、センサ７２および７４の両方を共に使用して、船舶１０がオブジェクト８２''からの安全な距離（予め定められた範囲）にとどまることを保証できることに留意されたい。例えば、センサ７２は、船舶１０がオブジェクト８２''からの予め定められた範囲内に入るときを注目してよく、コントローラ２４はそれ以降、略図の領域Ｆで示される船首方向のさらなる正味推力を阻止してよい。また、コントローラ２４は、センサ７４からの情報に基づいて、領域Ｓで示される右舷方向のさらなる正味推力も阻止してよい。また、２つのセンサ７２、７４は共に、矢印ＣＣＷで示される反時計まわりの方向および矢印ＣＷで示される時計まわりの方向のヨーイング運動も阻止してよい。しかしながら、船舶１０の左舷側または船尾側にオブジェクトは感知されないので、コントローラ２４は、船舶推進システム２０がこれらの方向のうち一方または両方に正味推力を生成することを許容することになる。これは、略図のＡおよびＰでマークされた領域のクリアな状態により示される。

図１０は、船舶１０のオペレータが、船舶１０がオブジェクト８２''に対し平行とならないように、または垂直とならないように、船舶１０を操縦している状況を示す。この状況においては、センサ７２および７４からの情報は、領域Ｆで示される船首方向における運動、領域Ｓで示される右舷方向における運動、および矢印ＣＷで示される時計まわりの方向におけるヨーイング運動を禁止することになることに留意されたい。しかしながら、左舷方向、船尾方向および反時計まわりの方向における運動は、図１０の略図内でこれらの領域がクリアな状態として示される通り、すべて許容される。船舶１０のオブジェクトに対する相対的な位置および距離に応じ、正味推力の方向について様々な他の禁止事項および許容事項が考え得ることに留意されたい。例えば、操縦桿３０からのヨー入力および並進入力の組み合わせは、ここで図示されるような、船舶１０の一部がオブジェクト８２''に到達しながらも、船舶１０の残部はオブジェクトの表面から傾斜（スキュー）された状態をもたらし得るであろう。予め定められた範囲内における右への並進コマンドは、コントローラ２４によって無効化（すなわち、大きさが等しい逆の推力ベクトルを用いて打ち消され、モメンタムをゼロ状態に至らせる）されるが、ＣＣＷヨーコマンドは引き続き有効化されてよく、これにより、船舶１０の右舷側を基本的にオブジェクトの表面に対し平行になるようにさせる。このような自動連続的衝突回避により、衝突を引き起こす可能性がある入力が操縦桿３０を介してなされたとしても、オペレータは、船舶１０を損傷させることなく、ドックに入れることができるだろう。

船舶に対し、危険なほど近傍にあるオブジェクトの方向への正味推力を禁止する本開示の操縦アルゴリズムは、ユーザがキーパッド２８の当該アルゴリズムを有効にするボタンを選択することにより開始されてよい。代替的に、操縦アルゴリズムは、速度閾値に基づいて自動的に有効化されてよい。例えば、方法は、操縦アルゴリズムを有効化する前に、および／または、感知されたオブジェクトの方向に正味推力を生じさせる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する前に、船舶推進システム２０が予め定められた速度閾値未満で動作していることを確認する段階を含んでよい。代替的に、操縦アルゴリズムは、特定のモードが有効なときはいつでも、自動的に開始されてよい。従って、方法は、オブジェクトの方向に正味推力を生じさせる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する前に、船舶推進システム２０が所与のモードで動作していることを確認する段階を含んでよい。例えば、所与のモードは、操縦桿モードまたは位置保持モードであってよい。

本開示の操縦アルゴリズムは、連続的衝突回避アルゴリズムを含み、当該連続的衝突回避アルゴリズムでは、たとえオペレータが操縦桿３０から手を放した後であったとしても、センサ７２〜７８がオブジェクトに対する船舶１０の近接性の感知を継続し、且つ、必要に応じて、船舶１０が移動エンティティとして判断された場合（例えば、船舶速度センサまたはギア状態センサを介して）、これら２つの間の予め定められた範囲を維持すべく、オブジェクトの方向に対し反対の方向に、正味推力を発生させることに留意されたい。操縦桿モードおよび位置保持モードが、本方法で用いられ得る唯一のモードではないことにも留意されたい。例えば、本方法はウェイポイントモード中でも使用可能であり、ウェイポイントモードでは、オペレータは、オペレータが望む船舶１０の移動先の所望のスポットをマップ／チャートプロッタ上で選択する。これは、操作コンソール２２にある対話型ディスプレイを介して行われてよい。船舶１０はその後、そのスポットへと自動的に操縦されることになり、ひとたび船舶１０がオブジェクトからの予め定められた範囲から所与の距離内、または、オブジェクトからの予め定められた範囲内に入ると、本開示の操縦アルゴリズムが適用可能な場合、あらゆる衝突を阻止することになる。船舶１０がオブジェクトに向かって移動している状態と、オブジェクトから離れる逆の推力が生成される状態との間の比率性を持った漸進的な状態遷移は、オペレータまたは位置保持部から生じるコマンドの実行と、本操縦アルゴリズムによる自動逆制御動作との間の円滑な遷移を可能にするであろう。しかしながら、本操縦アルゴリズムは、固定点に対する決定された距離に基づいて計算されたコマンドを出力するのではなく、コントローラ２４が、所望の運動操作部２９からの入力並びに船舶１０に対するオブジェクトＯの方向および近接性に基づいて、特定のコマンドを出力するかどうかを決定するアルゴリズムを含むことに留意されたい。曲面または不規則な表面を有するオブジェクト近傍での操縦時、本アルゴリズムは、オブジェクトの最も近い表面、または、より突出した表面からの所与の距離を維持するために、「最も合致する」方法を使用可能であることに留意されたい。

センサ７２、７４、７６、７８に関しては、船舶１０とオブジェクト８２との間の距離に応じて、異なるタイプのセンサが使用されてよいことに留意されたい。例えば、さらに遠い距離においては、レーダセンサが使用されてよい。船舶１０がオブジェクトからの特定の距離内に入ると、代わりに、ライダー、超音波、Ｌｅｄｄａｒ、またはソナーセンサが使用されてよい。追加情報をコントローラ２４に供給すべく、カメラセンサが上記の任意のセンサと組み合わせて使用されてよい。船舶１０が遭遇する可能性のあるオブジェクトを検出するための適切な高さにセンサがくるように、センサは、船舶１０の最適な位置に配置される必要があることに留意されたい。また、コントローラ２４は、オブジェクトと船舶との間で測定された保存済みの実際の距離に基づいて、船舶に対するオブジェクトの最短距離および方向を感知するために、複数のセンサ（レーダ、ライダー、Ｌｅｄｄａｒ、音波技術およびカメラを含む）のうちの１つを選択してよいことにも留意されたい。このように、コントローラ２４は、次の測定には、どのようなタイプのセンサが最善であるかを認識する。

図１２を参照すると、オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するための追加の方法が開示される。２００に示されるように、方法は、コントローラ２４で、操縦桿３０からの船舶１０の所望の運動を表わす信号を受け取る段階を含む。ボックス２０２に示されるように、方法は、センサ７２、７４、７６、７８で、オブジェクトＯと船舶１０との間の最短距離および船舶１０に対するオブジェクトＯの方向を感知する段階を含む。方法は次に、ボックス２０４に示されるように、船舶の所望の運動を、上記最短距離および上記方向と比較する段階を含む。これは、コントローラ２４によって行われてよい。次に、ボックス２０６に示されるように、コントローラ２４は、上記比較に基づいて、船舶推進システム２０に対し、所望の運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうか、または代替的に、船舶推進システム２０に対し、船舶１０がオブジェクトＯからの少なくとも予め定められた範囲Ｒを維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択する。最後に、方法は、ボックス２０８に示されるように、命令通り、船舶推進システム２０で、所望の運動または修正された運動を達成するための正味推力を生成する段階を含む。

また、方法は、上記の通り、船舶１０の所望の運動を、目標直線推力および船舶１０上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解する段階と、目標直線推力および船舶１０上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントの達成をもたらすことになる船舶推進システム２０の推力ベクトルの大きさおよび向きを決定する段階と、を含んでよい。コントローラ２４は、オブジェクトＯと船舶１０との間の最短距離を、予め定められた範囲Ｒと比較してよい。船舶１０が、オブジェクトＯからの予め定められた範囲Ｒ内にあることに応答して、コントローラ２４は、オブジェクトの方向に正味推力を生じさせる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化し、且つ、船舶１０をヨーイングさせ、その結果、船舶１０の任意の部分がオブジェクトＯからの予め定められた距離Ｒを維持しなくなる可能性のある推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する。

上記説明においては、簡潔性、明確性および理解のために特定の用語が使用されている。このような用語は、専ら説明目的のみで使用されており、広く解釈されることを意図しているのであるから、当該用語からは先行技術要件を超える不要な限定は示唆されない。本明細書に上記された異なるシステムおよび方法は、単独で、あるいは他のシステムおよび方法と組み合わせて使用されてよい。様々な均等形態、代替形態、修正形態が、添付の特許請求の範囲内でなされ得る。方法クレームの各々は、特定の制御システムの機能を実現するための特定の一連の段階を含む一方、本開示の範囲は、本明細書に記載された段階の文言上の順序または文言上の内容によって拘束されることを意図しておらず、非本質的な差異または変更は依然、本開示の範囲に属する。

Claims (22)

1. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するための方法であって、前記船舶は船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
   前記方法は、
   コントローラで、手動で操作される操縦桿からの前記船舶の所望の運動を表わす信号を受け取る段階と、
   センサで、前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知する段階と、
   前記コントローラで、前記船舶の前記所望の運動を、前記最短距離および前記方向と比較する段階と、
   前記比較に基づいて、前記コントローラで、前記船舶推進システムに対し、前記所望の運動を達成するための推力を生成するよう命令するかどうか、または代替的に、前記船舶推進システムに対し、前記船舶が前記オブジェクトからの少なくとも予め定められた範囲を維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択する段階と、
   前記船舶推進システムで、命令通り、前記所望の運動または前記修正された運動を達成するための推力を生成する段階と、
   前記船舶推進システムで、前記修正された運動を達成するための推力を生成する前に、前記船舶推進システムが操縦桿モードで動作していることを確認する段階と、
   を備える、方法。
2. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するための方法であって、前記船舶は船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
   前記方法は、
   コントローラで、手動で操作される操縦桿からの前記船舶の所望の運動を表わす信号を受け取る段階と、
   センサで、前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知する段階と、
   前記最短距離および前記方向を、前記オブジェクトと前記船舶との間の事前に保存された実際の距離に基づいて感知する複数のセンサのうちの１つを選択する段階と、
   前記コントローラで、前記船舶の前記所望の運動を、前記最短距離および前記方向と比較する段階と、
   前記比較に基づいて、前記コントローラで、前記船舶推進システムに対し、前記所望の運動を達成するための推力を生成するよう命令するかどうか、または代替的に、前記船舶推進システムに対し、前記船舶が前記オブジェクトからの少なくとも予め定められた範囲を維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択する段階と、
   前記船舶推進システムで、命令通り、前記所望の運動または前記修正された運動を達成するための推力を生成する段階と、
   を備える方法。
3. 前記最短距離および前記方向を、前記オブジェクトと前記船舶との間の事前に保存された実際の距離に基づいて感知する複数のセンサのうちの１つを選択する段階をさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記船舶の前記所望の運動を、目標直線推力および前記船舶上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解する段階と、
   前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる前記船舶推進システムの推力ベクトルの大きさおよび向きを決定する段階と、
   前記コントローラで、前記オブジェクトと前記船舶との間の前記最短距離を、前記予め定められた範囲と比較する段階と、
   前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、前記コントローラは、前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化し、且つ、前記船舶をヨーイングさせ、その結果、前記船舶の任意の部分が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲を維持しなくなる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する段階と、をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲を超えて存在することに応答して、
   前記方法は、
   前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる前記推力ベクトルを生成する段階を備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、
   前記方法は、
   前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせない前記推力ベクトルのベクトル成分を生成する段階をさらに備える、請求項４に記載の方法。
7. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から所与の距離内に入ることに応答して、前記オブジェクトの前記方向と反対の方向に正味推力を生成する段階をさらに備える、請求項４から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記反対の方向の正味推力の大きさと、前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から前記所与の距離内に入ったときに、前記船舶推進システムが動作していた速度に基づいて、前記反対の方向に正味推力を生成する期間と、を決定する段階をさらに備える、請求項７に記載の方法。
9. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するためのシステムであって、前記船舶は、船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
   前記システムは、
   手動で操作される操縦桿からの前記船舶の所望の運動を表わす信号を受け取るコントローラと、
   前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知するセンサと
   を備え、
   前記コントローラは、前記船舶の前記所望の運動を、前記最短距離および前記方向と比較し、
   前記比較に基づいて、前記コントローラは、前記船舶推進システムに対し、前記所望の運動を達成するための推力を生成するよう命令するかどうか、または代替的に、前記船舶推進システムに対し、前記船舶が前記オブジェクトからの少なくとも予め定められた範囲を維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択し、
   前記船舶推進システムは、命令通り、前記所望の運動または前記修正された運動を達成するための推力を生成し、
   前記コントローラは、前記修正された運動を達成するための推力を生成することを前記船舶推進システムに対して命令する前に、前記船舶推進システムが操縦桿モードで動作していることを確認する、システム。
10. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するためのシステムであって、前記船舶は、船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
    前記システムは、
    手動で操作される操縦桿からの前記船舶の所望の運動を表わす信号を受け取るコントローラと、
    前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知するセンサと
    を備え、
    前記コントローラは、前記最短距離および前記方向を、前記オブジェクトと前記船舶との間の事前に保存された実際の距離に基づいて感知する複数のセンサのうちの１つを選択し、
    前記コントローラは、前記船舶の前記所望の運動を、前記最短距離および前記方向と比較し、
    前記比較に基づいて、前記コントローラは、前記船舶推進システムに対し、前記所望の運動を達成するための推力を生成するよう命令するかどうか、または代替的に、前記船舶推進システムに対し、前記船舶が前記オブジェクトからの少なくとも予め定められた範囲を維持することを保証する修正された運動を達成するための推力を生成するように命令するかどうかを選択し、
    前記船舶推進システムは、命令通り、前記所望の運動または前記修正された運動を達成するための推力を生成する、システム。
11. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するための方法であって、前記船舶はコントローラからのコマンドに従い、船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
    前記方法は、
    前記コントローラで、所望の運動操作部からの前記船舶の所望の運動を表わす信号を受け取る段階と、
    前記船舶の前記所望の運動を、目標直線推力および前記船舶上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解する段階と、
    前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる前記船舶推進システムの推力ベクトルの大きさおよび向きを決定する段階と、
    センサで、前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知する段階と、
    前記コントローラで、前記オブジェクトと前記船舶との間の前記最短距離を、予め定められた範囲と比較する段階と、
    前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、前記コントローラは、前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する段階と、を備える、方法。
12. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、前記コントローラは、前記船舶をヨーイングさせ、その結果、前記船舶の任意の部分が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲を維持しなくなる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲を超えて存在することに応答して、
    前記方法は、前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる前記推力ベクトルを生成する段階を備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、
    前記方法は、前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせない前記推力ベクトルのベクトル成分を生成する段階をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲を超えて存在する限り、前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる推力を生成する段階と、
    その間に、
    前記オブジェクトと前記船舶との間の前記最短距離の感知を継続する段階と、
    前記最短距離を前記予め定められた範囲と比較する段階と、をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
16. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から所与の距離内に入ることに応答して、前記オブジェクトの前記方向と反対の方向に正味推力を生成する段階をさらに備える、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から前記所与の距離内に入ったときに、前記船舶推進システムが動作していた速度に基づいて、前記反対の方向の正味推力の大きさを決定する段階をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. 前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から前記所与の距離内に入ったときの前記船舶のモメンタムに依存する期間、前記反対の方向に正味推力を生成する段階をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
19. 前記所望の運動操作部から信号が受信されない場合であったしても、前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲から前記所与の距離内に入ったことに応答して、前記反対の方向に正味推力を生成する段階をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
20. 前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する前に、前記船舶推進システムが所与のモードで動作していることを確認する段階をさらに備える、請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する前に、前記船舶推進システムが予め定められた速度閾値未満で動作していることを確認する段階をさらに備える、請求項１１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. オブジェクト近傍の船舶の運動を制御するためのシステムであって、前記船舶は、船舶推進システムによって生成される推力によって推進され、
    前記システムは、
    前記船舶推進システムにコマンドを提供するコントローラと、
    前記船舶の所望の運動を表わす信号を前記コントローラに提供する所望の運動操作部と、
    前記オブジェクトと前記船舶との間の最短距離および前記船舶に対する前記オブジェクトの方向を感知するセンサと
    を備え、
    前記コントローラは、前記船舶の前記所望の運動を、目標直線推力および前記船舶上の事前に選択された点を中心とする目標モーメントに分解し、
    前記コントローラは、前記目標直線推力および前記船舶上の前記事前に選択された点を中心とする前記目標モーメントの達成をもたらすことになる前記船舶推進システムの推力ベクトルの大きさおよび向きを決定し、
    前記コントローラは、前記オブジェクトと前記船舶との間の前記最短距離を、予め定められた範囲と比較し、
    前記船舶が前記オブジェクトからの前記予め定められた範囲内にあることに応答して、前記コントローラは、前記オブジェクトの前記方向に正味推力を生じさせる可能性のある前記推力ベクトルのベクトル成分を自動的に無効化する、システム。

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