JPS63192694A - 天候適合型機能を備えた船舶用自動操舵装置 - 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】 （１）発明の分野 本発明は、船舶用自動操舵装置、より詳細には船舶の船
首方位全維持する、天候適合型機能を備えた船舶用自動
操舵装置に関するものである。

（２）従来の技術 船舶用自動操舵装置の多くが天候適合型機能を備えてい
ることは先行技術で既に周知であるが、１９７１年９月
１４日発行の「ＳｔｅｅｒｉｎｇＣｏｍｍａｎｄ　Ｃｏ
ｍｐｕｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｎａｖｉｇａｂｌｅ　Ｃｒａｆ
ｔ　Ｊと称する米国特許第４６０４．９０７号には半自
動天候適合型機能１備えた二重利得自動操舵装置が開示
されている。波の荒さに応じて船舶が受ける見かけのピ
ーク偏揺れ運動に従ってオペレータが手動操作で天候適
合制御を設定するもので、船舶の偏揺れ運動が手動設定
値を超えると自動操舵装置の利得が増大され、命令され
た船首方位に対し船舶が復元されるが、前記設定値以下
になると自動操舵装置の低利得を利用して船首方位が維
持される。実際にはそのような手動制御を誤って設定す
ることが多く、また手動制御が全く設定されないことも
ある。先行技術による自動操舵装置の場合にそのような
手動制御は、風や海の状態に従って船舶の速度変更性能
を最適化することで調整が行なわれた。しかしながら、
大型の船舶についての時定数はかなり長いため、そのよ
うな手動調整によってオペレータが最適条件を実現する
ことは不可能な場合が多い。そのような場合、オペレー
タが手動調整効果を判定できるまでに１０分はど船舶を
航行させなければならないこともある。よって前記調整
方法は、試行錯誤的方法であり、結果として操舵効率の
損失と燃料消費の増大とを生ずる。

１９７８年２月２１日発行のｒＡｄａｐｔｉｖ６Ａｕｔ
ｏｐｉｌｏｔ　ｆｏｒ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ
Ｊと称する米国特許第４，０７４，６４８号には、様々
な海の状態に従い自動操舵装置の利得全自動的に調整す
ると共に、船首方位制御ループの臨界制動を維持するこ
とによって、改良された性能を提供する自動操舵装置が
開示されている。該自動操舵装置は、船舶の操舵装置の
感度を調整して海や風の状態に速度の変化を適合させ、
偏揺れ運動と方向舵の動作とが平衡するようにしている
。前記自動操舵装置は、またｉｍｓ　（実効）偏揺れ運
動とＲＭＳ方向舵運動とを計算し、自動操舵装置の利得
を調整して前記特許に記載された抗力関数を最小化する
。この方法は、船舶の動的係数とその動的性能特性とに
関して詳細な知識を必要とする。また、船舶の操舵効率
を最適化する際利用されるアルゴリズムを公式化する場
合には船舶の操舵特性に関する広範なコンピュータシミ
ュレーションおよび分析が必要であり、よってほとんど
の船舶にとって非実用的方法である。

更に１前記シミユレーシヨンが実際の船舶の性能と適合
しない場合、前記予想性能を前記実際の性能に調整でき
る何らの補正手段または較正手段もないため、船舶の操
舵効率が劣化することもある・ 前記問題を解決する別の方法として、１９８５年１月１
８日出願の［Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ａｕｔｏｐｉｌｏｔ　
Ｊと称する米国特許出願筒６９２，４６５号に開示され
た方法がある。この方法は、自動操舵装置管自動的に調
整して、様々な海の状態や周波数の変化に適合させるも
のである。前記方法による自動操舵装置はほとんどの船
舶を適切に操舵できるが、その場合船首方位はほとんど
変えず、長期間一定の船首方位で航行しなければならな
い。

前記自動操舵装置の場合、ＲＭＳ偏揺れ運動の著しく増
大し九レベルに利得が低減されるまで、一連の試行錯誤
による反復利得変化値、ＲＭＳ偏揺れ運動測定値、およ
び先の結果との比較値が利用される。偏揺れ期間は長く
なる傾向があるので測定期間も必然的に長くなり、５分
、ま九はそれ以上になる。最小の利用可能な利得全決定
するにはいくつかの測定期間が必要であると共に、船首
方位を変更する場合は前記手続きを再び始めなければな
らない。よって前記自動操舵装置は、長い探索手続きを
利用するため、非最適利得での著しく長い動作時間を必
要とする。

（３）発明の概要 本発明は、自動操舵装置の利得を自動的に調整し、様々
な海の状態や周波数の変化に適合させると共に、船首方
位制御ループの臨界制動を維持するものである。本発明
による自動操舵装置は、船舶の係数に関する予備知識や
事前のコンピュータシミュレーション＋必要トセ−ｒｖ
ｃ、いかなる船舶に対しても較正を行なうことができる
ものである。先行技術による装置と比較し、利得探索時
間が著しく短かく、その利得領域は全天候条件に対して
安全な値に制限されている。

本発明は、以下述べるように、利得が偏揺れ運動、舵角
および比例定数の代わりに偏揺れ運動のみの関数となる
点で前記米国特許第４，０７４．６４８号の自動操舵装
置と異なると共に１各種の試行利得で探索した結果では
なく、偏揺れ運動を計算し喪直接の結果利得が選択され
るという点で前配米国特許出願第６９２．４６５号の自
動操舵装置とも異なる。

本発明は、船舶の偏揺れ運動の変化に応答して自動操舵
装置の利得を調整する。まず、特定の船舶に対して複数
の利得係数の組合せを形成する。次いで、複数の利得ス
テップに夫々対応する第１の複数の比較器によって偏揺
れ運動のＲＭＳ値を検査し、それに対応する利得ステッ
プ金測定する。前記複数の利得ステップに夫々対応する
第２の複数の比較器によって偏揺れ運動の瞬時値を検査
し、それに対応する利得ステップを測定する。前記第１
および第２の複数の比軟器によって選択され九最大の利
得ステップを利用して前記利得係数組の中から１組を選
択し、前記自動操舵装置の船首方位維持機能に適し九利
得を得る。

（４）実施例 第１図には、本発明の船首方位維持アルゴリズムを実現
する船舶用自動操舵装置が示しておる。本発明は自動操
舵装置の船首方位を維持する方法に関するものである。

船首方位の変更が命令されると、自動操舵装置によって
船首方位変更モード、すなわち操舵モードに切換えが行
なわれ、航路の変更が行なわれる。船舶が新規の航路を
達成すると、前記本発明の船首方位維持アルゴリズムが
再び始動される。自動操舵装置の端子１０には、船首方
位誤差信号ψ。が印加される。該船首方位誤差信号は、
制御された船首方位と前記船舶の実際の船首方位との差
であり、船舶の瞬時偏揺れ運動の測定値であることが判
る。前記船首方位誤差信号は、通常のＰＩＤ制御装置１
１に印加される。該制御装置１１は、前記船首方位誤差
信号の比例、積分および微分項に従って方向舵制御出力
信号δ。を発生し、線１２に印加する。従って、前記制
御装置１１は船賃方位誤差信号を受信し、通常の態様で
前記船首方位誤差信号の積分項ｆψ。と微分項ψ。とを
計算し、次いで下式の如く前記三つの項に適当な係数を
乗じ、それら全合計して前記方向舵制御出力を発生し、
線１２に印加する。

δＱ　＝　ａψ、　＋　ｂｊｅ　＋　ｃ／ψ。

前記ＰＩＤ制御装置１１は、前記米国特許第１６０４．
９０７号に開示されているような制御装置である。この
ＰＩＤ制御装置１１は、特定の船舶の動的特性に従って
得られた７組の係数（ａｅｂ＋Ｃ）ｔ−記憶する。

前記端子１０の船首方位誤差信号は積分器１Ｓにも印加
されるが、該積分器１３はその積分値を発生し、減算器
１４に印加する。該減算器１４は、その第２の入力で前
記船首方位誤差信号を受信し、該船首方位誤差信号から
前記船首方位誤差信号の積分値を減算し、偏揺れ運動の
みを表わす信号を発生し、線１５に印加する。該線１５
の偏揺れ信号は、几ＭＳ計算機１６に印加され、次いで
偏揺れ運動の８ＭＳ値として線１７に印加される。

前記端子１０の瞬時偏揺れ信号と線１７の８ＭＳ偏揺れ
信号とは、比較器／符号化器１８への入力として印加さ
れる。該比較器／符号化器１８は、以下述べるように、
前記線１７の８ＭＳ偏揺れ信号に応答する６つの比較器
と、前記端子１０の瞬時偏揺れ信号に応答する６つの比
較器とを備えている。前記６つの８ＭＳ偏揺れ比較器は
所定範囲内の８ＭＳ偏揺れ増分を検出し、前記６つの瞬
時偏揺れ比較器は瞬時偏揺れの所定範囲を超える瞬時偏
揺れ増分を検出するように構成されている。

前記ＰＩＤ制御装置１１の利得は、７つの利得ステップ
レベルに量子化される。前記２組の比較器の各６つの比
較器は、夫々前記利得ステップの一つを表わしている。

前記１組の比較器がいずれも作動しない場合は、この状
態が残りの利得ステップであること金示している。前記
比較器／符号化器１８は、前記２組の比較器に応答する
優先符号化器も備えており、前記２組の比較器が検出し
た最高の利得ステップに従い７つの論理出力１９のうち
の一つを選択する。第２図に関連して以下説明するよう
に１前記選択された論理出力１９の一つによって前記Ｐ
ＩＤ制御装置１１に記憶されている７組の利得係数（ａ
＋　ｂ、　ｃ　）のうちの一つが選択される。

第２図の説明をする。同図には、本発明に従って実現さ
れる通常の自動操舵装置用利得ステップ対偶揺れ運動が
示しである。同図は領域３０と領域Ｓ１から成るが、前
記領域５０は利得ステップ対几ＭＳ偏揺れを示し、領域
３１は利得ステップ対瞬時偏揺れ金示す。前記領域３Ｇ
の７つの利得ステップはセクション５１の７つの利得ス
テップと一致することが望ましい。第１図の自動操舵装
置はＰＩＤ制御装置を利用しているため、第２図の各利
得ステップは先述の７組の係数（ａ、　ｂ、　ｃ　）に
よって実現された一組の比例、積分および微分利得を夫
々表わしている。

ステップ１は、大きな偏揺れ運動を生ずる荒れた海に対
する穏やかな海での平均的船首方位を維持する最小の利
得を発生する。ステップ７は、静かな海で殆んど′Ｘま
たは全く偏揺れのない状態を維持するのに必要な最大の
利得を発生する。

設定点Ａは、最大の利得を発生するＲ、ＭＳ偏揺れ点で
あり、例えばα５度から１．０度の偏揺れ８ＭＳ値の範
囲で選択することができる。図示の実施例では前記設定
点Ａ’ｉｉ１．０度に設定している。前記設定点ＡＫ対
する利得は、最大ステップ７から最小ステップ１まで６
つのステップで低減するが、１つのステップは夫々０．
２度の偏揺れ運動ＲＭＳ変化値増分に対応する。前記比
較器／符号化器１８内の６つの几ＭＳ偏揺れ比較器が前
記８ＭＳ偏揺れ信号が存在する偏揺れ運動ＲＭＳ値の増
分を検出し、対応する利得ステップ金示す信号を発生す
ることが判る。設定点Ｂは、例えば５度から１０度まで
選択可能な瞬時偏揺れ瞬時値であり、図示の実施例では
１０度に設定されている。設定点Ｂに対する利得は、６
つの利得ステップ最小まで低減するが、１つのステップ
は（１４度の偏揺れ瞬時値増分に対応する。

第２図におけるセクション３１の６つの利得ステップは
前記比較器／符号化器１８内の６つの瞬時偏揺れ比較器
に対応することが判る。これらの比較器の一つは端子１
０の瞬時偏揺れ信号が存在する偏揺れ瞬時値増分に従っ
て出力を発生する。それＫよって対応する利得ステップ
を示す信号が発生される。前記の如く、比較器／符号化
器１８は第２図の領域３０および３１の最高利得ステッ
プを選択する優先符号化器を備えており、それによって
７つの論理出力１９のうちの対応する一つの論理出力を
発生する。次いで前記選択された論理出力によって、制
御装置１１の比例、積分、および微分チャンネルに対す
る対応する利得係数が形成される。

自動操舵装置の利得は第２図のセクション３０によるＲ
ＭＳ偏揺れによって通常制御される。通常の偏揺れは、
瞬時偏揺れによって利得が増大する領域３１には達しな
い。核領域５１は、大波によってこの領域に瞬時偏揺れ
が移行した場合迅速に船首方位を復元する。従って、領
域３１は大幅な偏揺れ巾を生じさせる高波状態に対して
作動する。しかしながら、通常の動作では領域３０が利
用される。

自動操舵装置の設置された特定の船舶を海上試運転中、
または類似の船舶から得られた周知の特性ならびにデー
タから、ステップ１の最小利得と、ステップ７の最大利
得と、および設定点ＡならびにＢとが得られる。前記Ｐ
ＩＤ制御装置１１に対する利得係数が得られ、先行技術
で周知の態様で臨界制動が行なわれる。

動作の説明金する。８ＭＳ偏揺れが設定点Ａ以下の場合
、または瞬時偏揺れが設定点８以上の場合、比較器／符
号化器１８は利得ステップ７を選択し、最大利得を生ず
る。ＲＭＳ偏揺れが２度以上の場合、および瞬時偏揺れ
が８度以下の場合は、前記比較器／符号化器１８内のい
ずれの比較器もトリガーされず、利得ステップ１が選択
され、最小利得を生ずる本発明による自動操舵装置は、
連続的ＫＲＭＳ偏揺れならびに瞬時偏揺れを監視し、Ｐ
ＩＤ制御装置１１に対する適当な利得係数の組合せを選
択する。几Ｍ８偏揺れが２度以上から１度以下に低減す
ると、比較器／符号化器１８内の６つのＲＭＳ比較器が
順次作動する。同様に、瞬時偏揺れが８度以下から１０
度以上に増大すると、比較器／符号化器１８内の６つの
瞬時偏揺れ比較器が順次作動する。よって本発明は、船
舶の偏揺れ運動の変化に応答して適切に調整される自動
操舵装置の利得を自動的、かつ連続的に維持するもので
ある。それによって、８ＭＳ偏揺れに応答し、偏揺れ運
動が生じた場合に方向舵の運動を最小化し、かつ大波に
よって生じた船首方位の大偏差に対する瞬時偏揺れに応
答す、る自動利得制御が実現される。

本発明は、先行技術で必要とされた利得探索を必要とし
ないので前記装置に対する利得整定時間がＲＭＳ計算機
１６の応答時間となる。この応答時間は、大型の船舶の
場合、通常１０分はどである。本発明の場合、利得は偏
揺れ運動の非線形関数であり、波が低い場合（偏揺れ運
動が小さい場合）８ＭＳ偏揺れ関数が利得となり、波が
高い場合（偏揺れ運動が大きい場合）瞬時偏揺れ関数が
利得となる。

前記比較器／符号化器１８で対応する修正全行ない、第
２図の領域３０金修正することによって、本発明の別の
実施例を実現することもできる。この別の実施例では、
ステップ７のわずかに１度を下回るＲＭＳ値で始まり、
減少する８ＭＳ偏揺れ間隔でステップ１まで低減する図
示のＲＭＳ曲線の対称鏡像が利用される。次いで前記比
較器／符号化器１８内に対応する符号化器を付備し、こ
の曲線を調整する。この実施例は、前記鏡像曲線を調整
している時船舶が著しい偏揺れ運動を受けていないので
、性能に及ぼす影響が少なく、偏揺れが１度以下のため
方向舵をほとんど作動させない。

本発明によって、燃料を節約すると共に、先行技術の装
置よりも必要とする熟練オペレータの人員を減らしかつ
組込まれるオペレータ制御装置の少ない自動操舵装置が
提供される。上記本発明の実施例は第１図の概略ブロッ
ク図によって説明してきたが、望ましくはそれによって
実行するためここに記載された機能が適切にプログラム
されたデジタル計算機で、容易に実現されることが判る
。加算、減算、積分、ＲＭＳ関数発生および比較の上記
各機能は、ソフトウェアで容易に実現されるものである
。

本発明を好適な実施例を挙げて説明してきたが、使用し
た用語は説明のための用語であって制限するものではな
く、本発明の真の範囲および精神から逸脱せずにその広
い観点において添付の特許請求の範囲内で変更できるこ
とが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による天候適合型機能を備え曳船舶用自
動操舵装置の概略ブロック図であり、かつ第２図は本発
明の比較器／符号化器の動作を示す利得ステップ対偶揺
れのグラフである。 図中、１０は自動操舵装置の端子、１１はＰＩＤ制御装
置、１３は積分器、１４は減算器、１６はＲＭＳ計算機
、１８は比較器／符号化器、１９は論理出力、を夫々示
す。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）調整可能な利得を有し、船舶の船首方位を維持す
   る、天候適合型機能を備えた船舶用自動操舵装置におい
   て、前記装置は前記船舶偏揺れ運動ＲＭＳ（実効）値を
   表わす信号を発生するＲＭＳ偏揺れ信号発生手段と、前
   記船舶の偏揺れ運動瞬時値を表わす信号を発生する瞬時
   偏揺れ信号発生手段と、前記ＲＭＳ偏揺れ信号に応答し
   て前記ＲＭＳ偏揺れ信号の大きさに従つて第１の利得ス
   テップ制御信号を発生する第１の比較手段と、前記瞬時
   偏揺れ信号に応答して前記瞬時偏揺れ信号の大きさに従
   つて第２の利得ステップ制御信号を発生する第２の比較
   手段と、および前記第１または第２の利得ステップ制御
   信号をそれと関連する最高の利得に従つて選択し、それ
   によつて選択された利得ステップ制御信号を発生する選
   択手段とを備えており、前記選択された利得ステップ制
   御信号は前記自動操舵装置の利得調整に利用されること
   を特徴とする上記天候適合型機能を備えた船舶用自動操
   舵装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の船舶用自動操舵装置
   において、前記第１の比較手段は個々の複数の偏揺れ増
   分のうちどの増分に前記ＲＭＳ偏揺れ信号の大きさが存
   在するのかを判断し、それに対応する個々の複数の利得
   ステップ信号のうちの一つを発生する第１の複数の比較
   器から成り、かつ前記第２の比較手段は個々の複数の偏
   揺れ増分のうちのどの増分に前記瞬時偏揺れ信号の大き
   さが存在するのかを判断し、それに対応する個々の複数
   の利得ステップ信号のうちの一つを発生する第２の複数
   の比較器から成ることを特徴とする上記天候適合型機能
   を備えた船舶用自動操舵装置。
3. （３）特許請求の範囲第２項記載の船舶用自動操舵装置
   において、前記選択手段は前記第１および第２の複数の
   比較器によつて発生された前記利得ステップ信号に応答
   し、それと関連する最高の利得を有するその利得ステッ
   プを選択し、それによつて前記選択された利得ステップ
   制御信号を発生する優先符号化器から成ることを特徴と
   する上記天候適合型機能を備えた船舶用自動操舵装置。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載の船舶用自動操舵装置
   において、前記船舶の偏揺れ運動瞬時値を表わす前記信
   号は前記船舶の船首方位誤差信号から成ることを特徴と
   する上記天候適合型機能を備えた船舶用自動操舵装置。
5. （５）特許請求の範囲第４項記載の船舶用自動操舵装置
   において、前記ＲＭＳ偏揺れ信号発生手段は前記船首方
   位誤差信号に応答してその積分値を発生する積分器と、
   前記船首方位誤差信号とその前記積分値とに応答してそ
   の差を発生する減算手段と、および前記差に応答してそ
   の実効値を発生し、それによつて前記船舶の前記偏揺れ
   運動ＲＭＳ値を表わす前記信号を発生するＲＭＳ値計算
   手段とを備えていることを特徴とする上記天候適合型機
   能付き船舶用自動操舵装置。
6. （６）特許請求の範囲第３項記載の船舶用自動操舵装置
   において、前記装置は前記選択された利得ステップ制御
   信号に応答して夫々の利得を調整する、調整可能な利得
   比例、積分および微分チャンネルを備えていることを特
   徴とする上記天候適合型機能付き船舶用自動操舵装置。