JPH03295793A - 船舶自動操縦装置 - 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、その他に船舶自動操縦装置とも称する船舶か
じ取りシステムの自動制御に関する。特に本発明は、比
例、積分及び微分チャネルを備えたＰＩＤ自動操縦装置
の積分チャネルに関するものである。特に本発明は、こ
のようなシステムのかじ取り指令バイアス積分器に関す
る。

従来の技術 船舶自動操縦装置は、当該技術分野において周知であり
、船舶の自動かじ取り制御を行う。このようなシステム
は、米国特許筒４　、０７４　、６４８号、同第４．６
９２．８６８号、同第４．７７７、６０２号及び同第４
，７９９゜１６３号明細書に開示されている。これら特
許は、本発明の譲受人に譲渡されたものであり、かつこ
こで引用することにより参照に供する。

このようなシステムは、かじ取り指令バイアス積分器を
有し、船首方位維持進路のずれを除去する。かじ取り指
令バイアス積分器は、かじ取り制御ループ内において船
首方位誤差に存在することがあるあらゆるバイアスを除
去する効果を生じるかじ取り指令の成分としてバイアス
を自動的に計算する。船首方位誤差バイアスは、船舶に
作用する非ゼロ平均モーメントの結果として生じる。風
及び水路の作用又は船体、推進力又は積荷の非対称のた
めに生じるこのようなモーメントは、船舶を正しい進路
に維持するため非ゼロ平均かじ位置を必要とする。積分
器によって発生されたバイアスは、指令された進路に整
列した平均船首方位を維持するために必要なかじの修正
を自動的に行う。

進路の重大な変更があった時にはいつでも、バイアス積
分器は、海における新たに獲得した進路の新たな天候及
び水路の作用への適応を行う。

従来の技術において進路変更の際、非ゼロ平均船体モー
メントには関係ない船首方位誤差の積分を防ぐため、新
たな進路が達成されるまで、バイアス積分機能は禁止さ
れる。新たな進路を達成した後に、新たな進路において
必要なかじ取り指令バイアスの計算を始めるため、バイ
アス積分機能は再起動される。従来の技術においてバイ
アス積分機能は、船首方位誤差が特定の値、例えば１０
゜以下まで減少する時間に続く一定の期間、例えば１２
０秒の後に再起動される。

従来技術のバイアス積分器が非ゼロ平均モーメントを修
正する速度は、一定の値の積分時定数によって決まる。

積分時定数は、バイアス積分器が船首方位誤差の短期間
変化に応答することを防ぐために十分に大きく選定され
ている。しかしながら積分時定数を大きくすると、バイ
アス積分器が進路変更後の新たな進路に必要なバイアス
を達成するための期間が対応して長くなる。

海上の船舶において、バイアス積分器が進路変更後にゆ
っくりと適応を行い、挿舵手が、所望の船首方位を維持
するために、転向の完了後数分間にわたって自動操縦装
置の進路セレクタを調節することがある。自動制御シス
テムが連続的な手動調節を必要とすることは望ましいこ
とではないが、これが従来の技術の構成による現状であ
る。従来技術の積分器が新たな進路への運動の終了を検
出するため、従って積分器を再起動するために必要な時
間は、前記のように積分時定数が大きいためバイアス積
分器が新たな出力で安定になるまでのすでに長い時間を
さらに長（する。過大の期間のこの組合わせの結果、従
来技術の積分器が進路変更後に平均船首方位誤差を最終
的にＯに減らすまでに長い遅延が生じる。代表的には操
舵子は、指令された進路を迅速に達成しかつ維持するよ
うに自動操縦装置を援助するためにこの期間の間道路セ
レクタを調節する。

発明の構成 前記従来技術の欠点は、能力を高めたかじ取り指令バイ
アス積分器システムによって克服され、このシステムは
、船首方位誤差と船首方位速度の大きさにより運動の終
了を検出し、かつそれによりかじ取り指令バイアス積分
を再起動する。速度チャネルからのかじ取り指令の一部
も、いつ運動が完了したかを判定するために利用すると
有利である。付加的にバイアス積分は、比較的小さな積
分時定数で始まり、この時定数は、その後制御可能な期
間の間に通常のように大きな積分時定数まで増加する。

実施例 本発明の実施例を以下図面によって詳細に説明する。

第１図によれば、かじ取り指令バイアス積分器の通常の
動作によりシミュレートした自動操縦装置制御の船舶に
関するグラフが示しである。船は、５１ノツトの仮定し
た風、０°からの風向及び波のない穏やかな海で、０°
の現在の船首方位から４５゜の指令された進路へと動い
ている。σから４りへの進路変更は風向に対して相対的
なものであり、かつ強い風が存在すれば、船首方位バイ
アスが生じる。図示したように船首方位誤差が１０°に
減少した時に、従来技術の積分器の運動終了待ち時間が
始まる（代表的には１２０秒）。１２０秒の遅延の最後
に、バイアス積分器は通常の大きな時定数τ１で再起動
される。

バイアス積分器は、システムの自動進路維持モードの開
動作する。バイアス積分器の動作は、自動操縦システム
の現在選ばれたがじ取り制御器（図示せず）によっても
制御される。自動操縦システムは３つのかじ取り制御器
モードを有し、すなわち制御した転向速度による進路変
更のための速度制御モード、−層大きなかじ取りによる
一層迅速な転向のための運動制御モード、及び最小のか
じ取りによる進路維持のための船首方位維持制御モード
を有する。運動制御器は、船首方位維持制御への過渡期
として速度制御した転向の後にも利用される。

第３図によれば、入力端子１１０制御器モ一ド信号と入
力端子１２の船首方位誤差信号（Ｉ（Ｅ）とに応答する
オン／オフ／リセットロジソクエ０は、線１３上におい
てかじ取り指令バイアス積分器１４にオン／オフ／リセ
ット信号を供給する。入力端子１１のモード信号は現在
の制御器モードを指定し、すなわち転向速度、運動、又
は船首方位維持を指定する。積分器１４は、入力端子１
２の船首方位誤差信号にも応答し、がつ線１６にかじ取
り指令バイアス信号（ＲＯＢ）を生じる。積分器１４は
、入力端子１２の船首方位誤差信号を積分して、線１６
にＲＯＢ信号を生じる。後で説明するように、線１３の
オン／オフ／リセット信号は、積分器１４の起動及び抑
制を制御し、かつ積分器１４をＯｏであってもよい校正
したベースラインにリセットする０ 運動終了検出ロジック１７は、ロジック１０から線１８
上においてオン／オフ信号表示を受取る。

線１８上の信号は、積分器１４が目下オンであるか又は
オフであるかを表示する。ロジック１７は、さらに入力
端子１１及び１２から制御器モード信号及び船首方位誤
差信号を受取り、かつ入力端子１９における船首方位速
度信号（ＨＲＡＴＥ　）及び入力端子２０におけるカウ
ンタかじ取り指令信号をも受取る。ロジック１７は線２
１に運動終了表示信号を生じ、この信号は、システムが
運動の実質的な終了を判定したことを表わしている。線
２１における運動終了表示信号はロジック１０に供給さ
れ、このロジックはそれに応じて積分器１４を再起動す
る。

線２１上の運動終了表示に応答する積分時定数変化制御
部２２は、線２３において積分器１４に積分時定数信号
（ＩＴＣ）を供給する。制御部２２は、後で説明するよ
うに積分器１４の時定数を制御する。

第４図によれば、ここでは第３図と同様な参照符号は同
様な部品を表わしており、第３図のバイアス積分システ
ムを組込んだハードウェア／ソフトウェアシステムが示
しである。第３図のバイアス積分機能はブロック３０に
より示しである。第４図のシステムは、バイアス積分機
能３０を含むマイクロプロセッサ／ソフトウェアセクシ
ョン３１を有する。第４図のその他のものはハードウェ
アから成る。バイアス積分器が必要とする本来のデータ
は、カウンタかじ取り指令、船舶の船首方位速度、船首
方位誤差及び制御器モードである。自動かじ取りモード
においてオペレータは、入力端子３２によって示すよ５
な自動操縦装置の進路ダイヤル（図示せず）Ｋ進路指令
をセットする。オペレータが選んだ進路は、通常の光学
エンコーダ３３によって符号化され、かつデジタル形で
マルチプレクサ３４に供給される。システムの航法かじ
取りモードにおいては、進路指令は航法装置（図示せず
）から直列データの形で受取る。通常のＲ８２３２直列
データフォーマットを利用すると有利である。航法装置
からの航法モード進路指令は、入力端子３５からマルチ
プレクサ３４に供給される。

入力端子３６から供給されるシステムモード信号は、本
システムが自動モードになっているか又は航法モードに
なっているかを表示する。マルチプレクサ３４は、端子
３６におけるシステムモード信号に従って、入力端子３
２のオペレータが選んだ進路指令か又は端子３５の航法
モード（ＮＡＶ　）進路指令を選択する。

船首方位は、適当な信号変換器インターフェース３８を
介してコンパスシステム３７からマイクロプロセッサ３
１に人力される。船首方位速度は、微分器３９を介して
コンパスインターフェース３８の船首方位信号を処理す
ることによって入力端子１９に得られる。船首方位速度
は、一定の期間を置いてコンパスインターフェース３８
かう到来する船首方位の連続した値を比較することによ
って計算される。コンパスインターフェース３８により
供給されたコンパス船首方位は、加算接結部４０におい
てマルチプレクサ３４により供給された指令進路から減
算され、線４よに船首方位誤差を生じる。船首方位誤差
は、ローパスフィルタ４２を通り、不所望のノイズ信号
を除去する。フィルタを通った船首方位誤差は、入力端
子１２を介してバイアス積分器３０に加えられる。

フィルタを通った船首方位誤差は、比例及び微分制御器
チャネル４３にも加えられ、線４４にＰＤかじ取り指令
を生じる。自動操縦装置のＰＤ部分４３の詳細は前記の
特許明細書に記載されている。制御パラメータ選択ブロ
ック４５は、制御器モードセレクタ４８からの信号に応
答し、前記特許明細書に記載されたように、ＦＤ制御器
４３にゲインパラメータ及び時定数パラメータを供給す
る。選ばれた制御器は、入力端子１１を介してバイアス
積分器３０に信号通知される。バイアス積分器３０が、
前記特許明細書に記載されたＰＩＤ自動操縦装置の積分
チャネルを形成していることは明らかである。

線１６上のかじ取り指令バイアス信号は、加算器４６に
おいて線４４上のＦＤかじ取り指令と加算結合され、プ
ロセッサ３１からのデジタルかじ取り指令を形成する。

加算器４６からのデジタルかじ取り指令信号は、デジタ
ルアナログ変換器４７を介してアナログ７オーマノトの
かじ取り指令信号を提供する。ＰＤ制御器４３からの指
令の微分成分が、バイアス積分器３０にカウンタかじ取
り指令入力２０を供給することは明らかである。この信
号は、船首方位の変化速度に関して計算されたかじ取り
指令の一部である。制御器モードセレクタ４８は、運動
制御器が船首方位誤差をあらかじめ選択した期間の間、
例えば大きなコンテナ船について８８秒の間、±３°よ
り小さく維持している時にはいつでも、船首方位維持制
御モード８選択する。運動制御モードは、転向のために
選択され、かつ船首方位維持制御器が１０’を越える船
首方位誤差を認めた時にはいつでも選択される。転向速
度制御モードは、オペレータが運動に関して特定の転向
速度を選択した時に転向のために選択される。

引続き第３図及び第４図によれば、積分器は、船首方位
維持制御の間常に動作しているが、速度制御転向の間に
は動作しない。なぜならバイアス状態を恐らく運動中に
変化させるからである。制御器モードセレクタ４８から
のモード制御信号は、ロジック１０とロジック１７を介
してこれらの機能を制御する。積分器１４は、後で説明
するように船首方位誤差、船首方位速度の測定及びカウ
ンタかじ取り指令に基づいて運動制御の間に進路変更が
ほぼ完了した時に動作する。この機能は、線２１におい
てロジック１０に運動終了表示信号を供給するロジック
１７によって実行される。しかし運動終了表示に関する
条件が満たされない場合、バイアス積分は、船首方位誤
差が連続的に２分間１０°より小さいか、又は船首方位
維持制御が有効になった時に開始制御される。この機能
はロジック１７によって行われる。

引続き第３図及び第４図を参照すると共に第２図によれ
ば、この第２図は、本発明による高速積分器を使用した
自動操縦装置制御の船舶の、第１図について述べたもの
と同様な条件におけるシミュレーションを図示したもの
である。本発明によれば、ロジック１７は時間５０に運
動終了表示信号を発生し、この信号はロジック１０を介
して積分器１４を再起動する。時間５０にバイアス積分
が再起動された後に、積分時定数変化制御部２２（第３
図）は、時定数τ１を、例えば基準速度時定数τＲＧの
２倍の比較的速い値からτＲＧの１０倍の通常の値へ増
加する。時定数の変化は時間５１で終了し、かつ時定数
τ１は、その後側の制御の場合が生じるまで通常の値の
ままである。過渡期の時定数の値及び時間５１は、後で
説明するように自動操縦装置の設置者によって制御され
る。

カウンタかじ取り指令がほぼ０でありかつ船首方位誤差
が±１σより小さい場合、船首方位速度が最初に点５２
において０に近付いた時に、第３図のロジック１７は、
第２図に示すように時間５０において線２１に運動終了
表示信号を発生する。

これらの判定基準は、現代のスーパータンカーのような
大きな船に設置できるような臨界制動自動操縦装置に適
用できる。

積分器１４が動作していない時、バイアスは、積分器１
４が再起動された時の更新まで現在の値を維持する。従
って積分の履歴は、運動又は速度制御器を利用した小さ
な進路変更の間維持されている。自動又は航法かじ取り
の始動の時、及び指令された進路が３０°以上変更され
た時にはいつでも、バイアスは、リセットロジック１０
（第３図）により校正したベースラインにリセットされ
る。

調節（図示せず）は、設置者が船の非対称による永久的
なオフセットを補償すべくベースラインをセットできる
ように、又はさもなければベースラインデフォルト値が
Ｏｏであるように行われる。

再起動後に積分器１４は、船首方向誤差を処理し、かつ
増分変化をベースラインバイアスに加算し、船舶、推進
力又は積荷の非対称及び天候及び水路の作用について調
節を行う。積分器１４の時定数は、運動及び船首方位維
持の制御のため独立した時定数で設置者により校正され
る。運動制御について時定数は、なお船舶速度に対して
も校正される。この時定数は、積分器１４の動作の長い
期間にわたって適用される。

前記のように積分器１４が始動又は再起動される時には
、常に速い方の時定数が過渡的に利用される。制御部２
２は、制御する時定数を初期の小さな値から通常の値ま
で増加する。初期時定数も増加速度も、両方共設置者が
設定できる。時定数を縮小すれば、積分器１４は、転向
運動の終了時に必要な新しいバイアスを迅速に計算でき
る。大きい方の通常の時定数によれば、進路を維持する
間の一時的な船首方位の偏差によってバイアス値が妨害
を受けることが回避される。

本発明による能力を高めた積分器は、さらに洗練された
運動終了の検出及び新たな進路において必要なかじ取り
バイアスのさらに迅速な習得の点で、従来技術に勝る利
点を提供するものである。

転向中に積分器１４の制御ロジック１７は、従来技術に
おいて行われているような船首方位誤差の大きさの測定
を行うのではなく、船首方位速度がいつ指示値に達した
かを判定して、かじ取り指令バイアス積分を再起動する
のである。船首方位誤差、船首方位速度及びカウンタか
じ取り指令の検査によって、積分器制御ロジック１７は
、転向がいつ完了したか及びかじ取り指令バイアスの計
算をいつ再開すればよいかを迅速に判定する。これらの
利点は第１図と第２図の比較により示しである。第１図
は、従来技術の積分器の代表的な１２０秒の運動終了待
ち時間を示している。第２図は、従来技術と対比して、
本発明によれば、指令された進路がほぼ習得されたこと
が直ちに検出され、かつバイアス積分が再起動されるこ
とを示している。検出と再起動の時間における改善はほ
ぼ１００秒である。

本発明による能力を高めた積分器が再起動された後に、
速い方の時定数が一時的に利用され、従来技術の積分器
によるものよりも迅速に新たなバイアス値を計算する。

積分器１４は、時定数をその通常の値にまで徐々に増加
し、バイアスが船首方位誤差の短い期間の偏差にあまり
感応しないようにする。その結果得られたかじ取り指令
バイアスは、運動完了の直後に、天候と水路の作用及び
船体と推進力と積荷の非対称によるオフセットの合計を
精密に表わしている。第１図と第２図を比較すれば、こ
の改善が明らかである。本発明による積分器は、始動後
に第１図に示したような従来技術のものよりほぼ１００
秒早く定常状態誤差を％。

に減少している。最終的な時定数は大きいので、バイア
スは、長期間の進路維持の間に一時的な船首方位誤差の
偏差によってそれ程影響を受けない。

第１図及び第２図に図示した例に関する改善は、早い再
スタートと速い初期バイアス積分の両方を考慮して、総
合的に従来技術のものよりもほぼ２００秒早くなる。従
って本発明による能力を高めた積分器は、従来技術によ
り必要な時間のｙに船首方位バイアスを削除する。

本発明は、海における新たに習得した進路の天候及び水
路の作用の変化に迅速に適応する、従って船首方位誤差
からバイアスを迅速に除去するかじ取り指令バイアス積
分器を提供する。この迅速な適応は、自動かじ取り制御
システムの手動介入を最小にする。

有利な実施例について本発明を説明したが、使用した用
語が説明のための用語であり、限定のためのものではな
く、かつ特許請求の範囲内において広い見地における本
発明の権利範囲からはずれることなく変更できることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、進路変更運動中の従来のバイアス積分器の動
作を示すグラフ、第２図は、進路変更運動中の本発明に
よるバイアス積分器の動作を示すグラフ、第３図は、本
発明による能力を高めたバイアス積分器システムを示す
概略ブロック図、第４図は、第３図の装置を組込んだシ
ステムを示す概略ブロック図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）自動操縦装置が、かじ取り指令バイアス積分器と
   、指令された進路変更に応答して転向運動を始める際に
   前記積分器を抑制する手段と、船首方位誤差信号を生じ
   る手段とを有する、船舶自動操縦装置において、 船首方位速度信号を生じる船首方位速度手段が設けられ
   ており、かつ 前記船首方位誤差信号と前記船首方位速度信号とに応答
   してこの船首方位誤差信号とこの船首方位速度信号に従
   う前記転向運動を実質的に完了した際に前記かじ取り指
   令バイアス積分器を再起動する再起動手段が設けられて
   いることを特徴とする船舶自動操縦装置。
2. （２）自動操縦装置が、船首方位誤差信号に応答してこ
   の船首方位誤差信号に比例したかじ取り指令比例成分を
   生じる比例チャネルと、前記船首方位誤差信号に応答し
   てこの船首方位誤差信号の積分に従うかじ取り指令積分
   成分を生じる前記積分器を含む積分チャネルと、前記船
   首方位誤差信号に応答してこの船首方位誤差信号の微分
   に従うかじ取り指令微分成分を生じる微分チャネルとを
   有し、さらに自動操縦装置が、前記比例、積分及び微分
   成分を結合してかじ取り指令信号とする結合手段を有し
   、再起動手段が、かじ取り指令微分成分に応答してそれ
   によりかじ取り指令バイアス積分器を再起動する、請求
   項１記載の装置。
3. （３）時定数制御手段が、再起動手段に応答してかじ取
   り指令バイアス積分器を再起動する際に積分器の時定数
   を所定の小さな値から所定の大きな値へ増加する、請求
   項１記載の装置。
4. （４）指令された進路変更が所定の角度を越えた際に、
   リセット手段が積分器を所定のベースラインにリセット
   する、請求項１記載の装置。
5. （５）自動操縦装置が、複数の制御器モードで動作し、
   かつそれに従って制御器モード信号を生じ、再起動手段
   が、前記モード信号に応答してそれに従って積分器を制
   御する、請求項１記載の装置。
6. （６）制御器モードが船首方位維持モードを含み、制御
   器モード信号が現実の船首方位維持モードを表示した場
   合に積分器を再起動する手段が、再起動手段に含まれて
   いる、請求項５記載の装置。
7. （７）再起動手段が、所定の期間にわたって連続して船
   首方位誤差信号が所定の値より小さい場合に積分器を再
   起動する手段を有する、請求項５記載の装置。
8. （８）船首方位誤差信号が所定の大きさより小さくかつ
   船首方位速度信号があらかじめ選定した大きさより小さ
   い場合に積分器を再起動する手段が、再起動手段に含ま
   れている、請求項２記載の装置。
9. （９）かじ取り指令信号の微分成分が所定のレベルより
   小さい場合に積分器を再起動する手段が、再起動手段に
   含まれている、請求項８記載の装置。
10. （１０）時定数制御手段が、時定数を所定の小さな値か
    ら所定の大きな値まで直線的に増加する手段を有する、
    請求項３記載の装置。