JP2019090645A - 対水速度推定装置、対水速度表示装置、潮流測定装置、自動航行装置及び対水速度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の過渡状態における対水速度を正確に推定できる対水速度推定装置を提供する。【解決手段】対水速度推定装置８は、対水速度推定部８０と、運動特性フィルタ８１と、を備える。前記対水速度推定部８０は、少なくとも１つのパラメータに基づいて、水上の移動体の対水速度を推定して推定対水速度として出力する。前記運動特性フィルタ８１は、前記対水速度推定部８０から入力される前記推定対水速度を、前記移動体の運動特性に基づく計算により補正し、補正後の速度を補正推定対水速度として出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、主として、水上の移動体の水に対する速度である対水速度を推定する装置に関する。

従来から、超音波を用いて対水速度を得る構成が知られている。例えば、特許文献１が開示する潮流測定装置は、船舶から水中に超音波を送信し、その反射波のドップラ効果を利用して対水船速を取得する構成となっている。この潮流測定装置は、得られた対水船速と、ＧＰＳ等を利用した航法装置が出力する絶対船速と、の差から潮流を演算する。

特許文献２は、音響式の対水速度計は、自船に装備するために船底に穴をあける等の大がかりな取付け作業が必要となってしまうという課題を指摘する。この課題を解決するために特許文献２が提案する対水速度推定装置は、船舶の対水速度ベクトルに影響を与えるプロペラの回転数、風向及び風速等に関する情報の組合せにより特定される条件に対応する値を、船舶の対水速度ベクトルと推定して出力する推定器を備える構成となっている。

特許文献２の推定器はニューラルネットワークを用いて構成され、その出力と、ＧＮＳＳを用いて算出された対地速度と、の誤差が少なくなるように、ニューラルネットワークの結合係数が随時に更新される。対地速度は、水の浅い部分の流れである表層流の影響を受けるが、表層流の大きさ及び向きは様々であるから、対水速度が同じ場合の対地速度にはあらゆる大きさ及び向きの表層流速度の成分が含まれる。従って、対地速度を教師信号として結合係数の更新を繰り返すと、学習が十分進んだ段階においては、表層流の影響が小さくなって、推定器の出力が対水速度に収束していく。

特開２００９−０９２５７８号公報 国際公開第２０１５／１２９３３７号公報

実際に船舶を航行させる場合、加減速を行う過渡状態より一定の船速で航行する定常状態のほうが多いため、上記特許文献２の対水速度推定装置を運用する場合は、推定器が定常状態で学習する場合が支配的になる。従って、学習が進むと、推定器は、定常状態での対水速度（即ち、終端対水速度）に近い値を推定値として出力するようになる。一方、船舶には慣性が働くので、加減速のためにプロペラの回転数を変化させた場合、実際の対水速度の変化は、通常、プロペラの回転数の変化に対して遅れる。従って、特許文献２の対水速度推定装置は、加減速を行う過渡状態において対水速度の推定誤差が大きくなる点で改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、移動体の過渡状態における対水速度を正確に推定できる対水速度推定装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成の対水速度推定装置が提供される。即ち、この対水速度推定装置は、対水速度推定部と、運動特性フィルタと、を備える。前記対水速度推定部は、少なくとも１つのパラメータに基づいて、水上の移動体の対水速度を推定して推定対水速度として出力する。前記運動特性フィルタは、前記対水速度推定部から入力される前記推定対水速度を、前記移動体の運動特性に基づく計算により補正し、補正後の速度を補正推定対水速度として出力する。

これにより、移動体が加減速を行う過渡状態において、対水速度推定部が終端速度又はそれに近い値を推定対水速度として出力する場合でも、運動特性フィルタの補正により、過渡状態での移動体の運動特性の影響を適切に反映させることができる。従って、特に過渡状態において、対水速度を正確に推定することができる。

前記の対水速度推定装置においては、前記補正のための計算を、移動体の質量と、水の抵抗の大きさを定める比例係数と、を含む式により行うことが好ましい。

これにより、質量及び水の抵抗を適切に考慮して、対水速度を推定することができる。

前記の対水速度推定装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記運動特性フィルタは、運動方程式から導かれた式に基づいて計算することにより、前記推定対水速度を補正する。前記運動方程式は、対水速度の２乗又は３乗に比例する大きさの力の項を水の抵抗力の項として含む。

これにより、水の抵抗を適切に考慮して対水速度を推定することができる。

前記の対水速度推定装置においては、前記補正のための計算のパラメータを設定可能なパラメータ設定部を備えることが好ましい。

これにより、例えば船舶に対する貨物の積み下ろしによって移動体の質量が変化した場合でも、その変化に応じてパラメータを変更することができるので、対水速度を正確に推定することができる。

前記の対水速度推定装置においては、前記対水速度推定部が対水速度を推定するためのパラメータに、前記移動体が備える駆動部材の回転速度が含まれることが好ましい。

これにより、対水速度を適切に推定することができる。

前記の対水速度推定装置においては、前記運動特性フィルタが前記推定対水速度を補正した補正量の大きさに基づいて、前記移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する加減速判定部を備えることが好ましい。

これにより、移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを簡単な構成で取得して、様々に活用することができる。

前記の対水速度推定装置においては、前記移動体の対地速度及び前記運動特性フィルタから出力された前記補正推定対水速度のうち少なくとも何れかに基づいて、前記移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する加減速判定部を備えることが好ましい。

これにより、移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを簡単な構成で取得して、様々に活用することができる。

本発明の第２の観点によれば、以下の構成の対水速度表示装置が提供される。即ち、この対水速度表示装置は、対水速度推定装置と、表示部と、を備える。前記表示部は、前記補正推定対水速度を表示する。

これにより、正確な対水速度の情報を提供することができる。

本発明の第３の観点によれば、以下の構成の潮流測定装置が提供される。即ち、この潮流測定装置は、前記の対水速度推定装置と、対地速度計算部と、潮流測定部と、潮流測定制御部と、を備える。前記対地速度計算部は、前記移動体の対地速度を計算する。前記潮流測定部は、潮流を測定する。前記潮流測定制御部は、前記加減速判定部により前記移動体が加速状態又は減速状態であると判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させる。

即ち、移動体が加速状態又は減速状態である場合は、潮流の測定結果に誤差が発生し易い。従って、移動体が加速又は減速するときは潮流の測定を停止することで、潮流の測定精度の低下を防止することができる。

前記の潮流測定装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この潮流測定装置は、駆動部材加減速判定部を備える。前記駆動部材加減速判定部は、前記移動体が推進のために備える駆動部材の回転速度の変化に基づいて、前記駆動部材の回転が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する。前記潮流測定制御部は、前記駆動部材の回転が加速状態又は減速状態であると前記駆動部材加減速判定部が判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させる。

これにより、潮流の測定を停止すべきか否かを、駆動部材の回転速度の変化に基づいて簡便に判定することができる。

前記の潮流測定装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この潮流測定装置は、方位検出部と、回頭状態判定部と、を備える。前記方位検出部は、前記移動体が向く方位を検出する。前記回頭状態判定部は、前記方位検出部が検出した前記方位の変化に基づいて、当該移動体が回頭状態であるか否かを判定する。前記潮流測定制御部は、前記移動体が回頭状態であると前記回頭状態判定部が判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させる。

これにより、潮流の測定を停止すべきか否かを、移動体が向く方位の変化に基づいて適切に判定することができる。

本発明の第４の観点によれば、以下の構成の自動航行装置が提供される。即ち、この自動航行装置は、前記対水速度推定装置と、推進制御部と、を備える。前記推進制御部は、前記補正推定対水速度に基づいて、前記移動体が備える駆動部材の駆動を制御する。

これにより、移動体の自動航行を正確に行うことができる。

本発明の第５の観点によれば、以下の対水速度推定方法が提供される。即ち、少なくとも１つのパラメータに基づいて、水上の移動体の対水速度を推定する。推定された対水速度を、前記移動体の運動特性に基づく計算により補正する。

これにより、移動体が加減速を行う過渡状態において、対水速度推定部が終端速度又はそれに近い値を推定対水速度として出力する場合でも、過渡状態での移動体の運動特性の影響を適切に反映させた補正を行うことができる。従って、特に過渡状態において、対水速度を正確に推定することができる。

本発明の一実施形態に係る自動航行装置の構成を示すブロック図。 潮流測定装置の構成を示すブロック図。 運動特性フィルタを用いた実験の結果を示すグラフ。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る自動航行装置１００の構成を示すブロック図である。

図１に示す自動航行装置１００は、図略の船舶（水上の移動体）に搭載され、当該船舶を自動で航行させる制御を行うことができる。自動航行装置１００は、ＧＮＳＳ測位部１と、プロペラ回転数検出部２と、風向風速検出部３と、方位検出部１２と、推進制御部５と、潮流測定装置６と、対地速度計算部７と、対水速度推定装置８と、潮流測定部９と、を備える。

船舶には表示部４が備えられており、この表示部４は、自動航行装置１００が備える後述のコンピュータと電気的に接続されている。対水速度推定装置８及び表示部４により、対水速度表示装置１５が構成されている。この対水速度表示装置１５は、船舶の対水速度を取得して表示部４に表示することができる。

対地速度計算部７と、対水速度推定装置８と、潮流測定部９と、プロペラ加減速判定部（駆動部材加減速判定部）１０と、回頭状態判定部１３と、潮流測定制御部１１と、により、潮流測定装置６が構成される。この潮流測定装置６は、潮流を測定し、測定結果を例えば表示部４に出力して表示させることができる。

ＧＮＳＳ測位部１は、例えばＧＮＳＳ受信機から構成されている。ＧＮＳＳ測位部１は、図略の衛星から送信された測位信号を受信して、測位を行うことができる。ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）とは、衛星を用いた測位システムの総称である。ＧＮＳＳとしては、例えば、米国のＧＰＳ、ロシアのＧＬＯＮＡＳＳ、欧州のＧａｌｉｌｅｏ、中国のＢｅｉＤｏｕ、日本のＱＺＳＳ、インドのＧａｇａｎ等、それぞれの国や地域が構築している衛星測位システムを挙げることができる。

ＧＮＳＳ測位の方法は公知であるので、説明を省略する。ＧＮＳＳ測位の性質上、ＧＮＳＳ測位部１が出力する位置は、地球を基準とした絶対位置を示す。

プロペラ回転数検出部２は、例えば、パルス式、電磁式、光学式等の回転センサ（回転数を検出可能なセンサ）から構成されている。プロペラ回転数検出部２は、自船の推進力を発生させるプロペラ（駆動部材）２０の単位時間当たりの回転数、言い換えれば回転速度を検出することができる。

風向風速検出部３は、例えば、回転可能な本体に垂直尾翼とプロペラとが取り付けられた風向風速計を備える。垂直尾翼が風を受けることにより、本体は、プロペラが風上を向くように回転する。従って、このときの本体の向きから風向を検出することができるとともに、プロペラの回転数から風速を検出することができる。

風向風速計は船舶に設置されるため、その出力する風向風速は自船に対する相対的なものである。この点、風向風速検出部３は図略の計算装置を備えており、この計算装置は、風向風速計から入力される風向風速に基づいて、地球を基準とする風向風速（真風向風速）を計算する。この変換は、地球を基準とする自船の船首方位の情報及び速度の情報を計算装置に入力することにより、公知の方法を用いて行うことができる。船首方位の情報は、適宜の方位センサ（例えば、ジャイロコンパス又はＧＮＳＳコンパス等）により取得することができる。自船の速度（地球を基準とする速度。以下、対地速度と呼ぶことがある。）の情報は、例えば、上記のＧＮＳＳ測位で得られた位置の変化を計算することにより取得することができる。

方位検出部１２は、自船に固定された複数のＧＮＳＳアンテナを備え、ＧＮＳＳアンテナの相対的な位置関係に基づいて、自船が向く方位（船首方位）を検出する。なお、方位検出部１２は、上記の構成に限定せず、例えば、磁気センサやジャイロコンパス等を用いることもできる。

表示部４は、例えば液晶ディスプレイから構成されており、操船に関する様々な情報を表示する。当該表示部４で表示される情報としては、例えば、対地速度、対水速度、潮流値等を挙げることができる。表示部４で表示される上記の情報は、所定時間毎に入力される情報データに応じて更新される。

推進制御部５は、操船者が指示した船速、及び、後述の対水速度推定装置８から出力された補正推定対水速度等に応じて、プロペラ２０の回転（駆動）を制御する。当該推進制御部５は、例えば、予め記憶されたプログラムを実行することにより実現することができる。

潮流測定装置６は、ＧＮＳＳ測位部１、プロペラ回転数検出部２、及び風向風速検出部３から入力される情報に基づいて、所定時間毎に、自船位置における潮流を測定する。

対地速度計算部７は、ＧＮＳＳ測位部１が出力する自船の位置の変化に基づいて、自船の対地速度を計算する。対地速度計算部７は、計算した対地速度を、対水速度推定装置８及び潮流測定部９に出力する。

対水速度推定装置８は、プロペラ回転数検出部２から入力されたプロペラ回転数、及び、風向風速検出部３から入力された真風向風速に基づいて、自船の対水速度を推定する。また、対水速度推定装置８は、上記の推定を行う過程で、自船が加速又は減速しているか否かを判定することができる。

対水速度推定装置８は機械学習により対水速度を推定するように構成されており、この学習のために、対地速度計算部７から対水速度推定装置８に対地速度が入力される。

詳細は後述するが、対水速度推定装置８が機械学習により推定する対水速度は、常に、終端速度に近くなる。そこで、対水速度推定装置８は、船舶が加減速を行う過渡状態において推定誤差を小さくするように、当該推定対水速度を補正する。以下の説明では、補正前の対水速度を推定対水速度と呼び、補正後の対水速度を補正推定対水速度と呼ぶことがある。

対水速度推定装置８は、推定対水速度を潮流測定部９に出力するとともに、補正推定対水速度を表示部４に出力する。また、対水速度推定装置８は、自船の加減速の判定結果を、潮流測定制御部１１に出力する。

潮流測定部９は、対地速度計算部７から入力される対地速度と、対水速度推定装置８から入力される推定対水速度と、に基づいて、潮流を計算により測定する。

潮流とは、船舶が浮かんでいる部分の水が地球に対して動く速度を意味する。潮流と、船舶の対水速度と、対地速度と、をそれぞれベクトルで表したとき、対地速度は潮流と対水速度の和で表される。従って、潮流は、対地速度から推定対水速度を減算することにより求めることができる。潮流測定部９が取得した潮流は、表示部４に出力される。ただし、潮流測定部９が取得する潮流は、船首方向を基準にしたものである。そこで、例えば北方向を基準とした潮流を表示部４に表示させる場合には、潮流測定部９は、方位検出部１２から検出された船首方位に基づいて、得られた潮流を北方向の基準に変換する。

プロペラ加減速判定部１０は、プロペラ回転数検出部２から検出されたプロペラ２０の回転数の変化の大きさが所定の閾値以上であるか否かに基づいて、プロペラ２０の回転速度が増加している加速状態、又は、減少している減速状態であるかを判定することができる。なお、上記の対水速度推定装置８（言い換えれば、後述の加減速判定部８２）は船舶が実際に移動する加減速を判定しているのに対し、プロペラ加減速判定部１０はプロペラ２０の回転の加減速を判定している点で異なる。プロペラ２０の回転速度の変化の大きさは、例えば、回転速度の微分、又は、現在の回転速度と所定時間前の回転速度との差の計算により、得ることができる。プロペラ加減速判定部１０は、得られた判定結果を、潮流測定制御部１１に出力する。

回頭状態判定部１３は、方位検出部１２から検出された船首方位の変化の大きさが所定の閾値以上であるか否かに基づいて、船舶が回頭状態であるか否かを判定することができる。なお、船首方位の変化の大きさは、例えば、船首方位角の微分、又は、現在船首方位角と所定時間前の船首方位角との差の計算により、得ることができる。回頭状態判定部１３は、得られた判定結果を、潮流測定制御部１１に出力する。

潮流測定制御部１１は、対水速度推定装置８から入力される船の運動状態（具体的には、定速航行又は停止を行っている定常状態であるか、加減速等を行っている過渡状態であるか）に応じて、潮流測定部９における潮流の測定の実行／停止を切り換える。具体的には、当該潮流測定制御部１１は、潮流の測定誤差が発生し易い船の加減速状態では、潮流測定部９による潮流の測定を停止させる。

また、潮流測定制御部１１は、プロペラ加減速判定部１０から入力されるプロペラ２０の加減速に関する状態に応じて、潮流測定部９による潮流の測定の実行／停止を切り換える。即ち、プロペラ２０が加減速状態であるときは、潮流測定制御部１１は、潮流測定部９による潮流の測定を停止させる。

そして、潮流測定制御部１１は、潮流の測定誤差が発生し易い船の回頭状態においても、潮流測定部９による潮流の測定を停止させる。即ち、潮流測定制御部１１は、回頭状態判定部１３から入力される回頭に関する状態に応じて、潮流測定部９による潮流の測定実行／停止を切り換える。

上記のように、潮流測定制御部１１は、船の加減速又は回頭等を行っている過渡状態において、潮流測定部９による潮流の測定を停止させているので、潮流の測定精度の低下を防止することができる。

推進制御部５、対地速度計算部７、対水速度推定装置８、潮流測定部９、プロペラ加減速判定部１０、及び潮流測定制御部１１等は、自動航行装置１００が備えるコンピュータにより実現されている。具体的に説明すると、このコンピュータはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える公知の構成であり、上記のＲＯＭには、本発明の対水速度推定方法等を実現するためのプログラムが記憶されている。このハードウェアとソフトウェアとの協働により、自動航行装置１００を、推進制御部５、対地速度計算部７、対水速度推定装置８、潮流測定部９、プロペラ加減速判定部１０、及び潮流測定制御部１１等として機能させることができる。

続いて、対水速度推定装置８について、図２を参照して詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る潮流測定装置６の構成を示すブロック図である。

対水速度推定装置８は、図２に示すように、対水速度推定部８０と、運動特性フィルタ８１と、加減速判定部８２と、パラメータ設定部８３と、を備える。

対水速度推定部８０は、ニューラルネットワークを用いて構成される。対水速度推定部８０は特許文献２に開示される推定器と同様の構成であるため詳細は説明しないが、入力層と、隠れ層と、出力層と、を有する一般的な構成である。それぞれの層には、脳細胞を模擬した複数のユニットが配置されている。

入力層を構成する入力ユニットは３つあり、プロペラの回転数と、真風向風速の船首方向の成分と、船首方向に垂直な方向の成分と、がそれぞれ入力される。出力層を構成する出力ユニットは２つあり、対水速度の船首方向の成分と、船首方向に垂直な方向の成分と、をそれぞれ出力する。入力層と出力層との間には隠れ層が配置され、この隠れ層は適宜の数の中間ユニットによって構成される。情報は、入力層、隠れ層、出力層の順に流れる。

各入力ユニットと各中間ユニットとは、情報が流れる経路によって結合され、各中間ユニットと各出力ユニットとは、情報が流れる経路によって結合される。それぞれの経路において、上流側のユニットの情報が下流側のユニットの情報に与える影響（重み）が設定されている。

対水速度推定部８０には、対地速度計算部７から対地速度が入力される。対水速度推定部８０は、別途取得した自船の船首方位の情報に基づき、入力された対地速度を、船首方向の成分と、船首方向に垂直な方向の成分と、に分解する。

入力層に各情報が入力されたことに伴って出力層が出力する対水速度は、対地速度計算部７から入力された教師信号としての対地速度と出力ユニット毎に（言い換えれば、成分毎に）比較され、誤差が求められる。対水速度推定部８０は、この誤差が少なくなるように、公知のアルゴリズムである誤差逆伝播法によって上記の重みを更新する。以上の処理を継続的に行うことにより、学習を実現することができる。

特許文献２も述べているように、対水速度が同じ場合における対地速度には、あらゆる大きさ及び向きの潮流成分が含まれている。従って、対地信号を正解とする教師あり学習を継続することにより、対地速度に含まれる潮流成分の影響が徐々に小さくなり、対水速度推定部８０の出力は対水速度に収束していく。従って、対水速度推定部８０は、対地速度を教師信号としつつも、実質的に対水速度を学習しているということができる。

このように、対水速度の推定のために対水速度推定部８０に入力されるパラメータに、自船が備えるプロペラ２０の回転速度が含まれている。これにより、対水速度を適切に推定することができる。

運動特性フィルタ８１は、対水速度推定部８０から入力される推定対水速度に対して、船舶の運動特性に基づく計算を行うことで補正するように構成されている。運動特性フィルタ８１は、補正された推定対水速度（上述の補正推定対水速度）を、加減速判定部８２、表示部４及び推進制御部５に出力する。

一般的に、船舶を航行させるときは、加減速を行っている状態（過渡状態）よりも一定速度である状態（定常状態）の方が多い。従って、対水速度推定部８０は、事実上、定常状態でのプロペラ回転数と対水速度との関係ばかりを学習するので、定常状態での対水速度、即ち、終端速度を推定対水速度として出力することになる。この意味では、対水速度推定部８０は、対水終端速度推定部であるということもできる。一方、航行中の船舶において、例えば加減速のためにプロペラの回転数を変化させた場合、船舶の対水速度が実際に変化して終端速度に到達するタイミングは、プロペラの回転数を変化させたタイミングに対して遅延する。

この点、本実施形態では、対水速度推定部８０が出力する対水速度に対して、運動特性フィルタ８１が、運動方程式に基づいて、自船の運動特性の影響を適切に反映する補正を行う。これにより、対水速度推定装置８は、加減速時の慣性等を適切に反映させた形で対水速度を推定することができる。なお、運動特性フィルタ８１が行う具体的な計算については後述する。

加減速判定部８２は、対水速度推定部８０で推定された推定対水速度と、運動特性フィルタ８１により補正された補正推定対水速度と、に基づいて、船舶が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する。具体的に説明すると、加減速判定部８２は、推定対水速度と、補正推定対水速度と、の差が所定の閾値以上となる場合は、自船が加速又は減速していると判定する。加減速判定部８２は、得られた判定結果を潮流測定制御部１１に出力する。

パラメータ設定部８３は、運動特性フィルタ８１に用いる運動方程式のパラメータを設定可能に構成されている。このパラメータは、例えば、後述の式に従って、水の抵抗の大きさを定める比例係数ｋを船体質量Ｍで除算した値（ｋ／Ｍ）とすることができる。ただし、パラメータ設定部８３が、比例係数ｋ及び船体質量Ｍをそれぞれパラメータとして設定するように構成しても良い。

なお、船体運動力学において、水上の物体が運動するとき、あたかも物体の質量が実際より増加したかのような効果が生じることが知られている（付加質量効果）。上記の船体質量Ｍは、このように見掛け上付加された質量を含むもの（見掛質量）を意味する。

続いて、運動特性フィルタ８１における補正について、詳細に説明する。

運動特性フィルタ８１は、船速ｖで航行する船に対し、水の抵抗による力がｖの２乗又は３乗に比例すると仮定することにより成り立つ運動方程式に基づいて、計算を行う。これにより、水の抵抗を適切に考慮して対水速度を推定することができる。

水の抵抗による力を船速ｖの２乗に比例させるか３乗に比例させるかは、船体の大きさを主に考慮して定めることができる。例えば、大型のタンカー等においては、船速ｖの３乗に比例させ、それ以外の場合には船速ｖの２乗に比例させることが考えられる。なお、上記の船体質量Ｍの大きさに基づいて、用いる運動方程式を上記の２種類から選択して用いることもできる。

水の抵抗による力が船速ｖの２乗に比例すると仮定する場合における船首方向での運動方程式は、下記式（１）で表される。なお、船舶がプロペラ２０による推進力により船速ｖで前進航行している場合を考え、船舶の前方を正とする。

ただし、
Ｍ：船体質量
Ｆ：船体に加える外力（プロペラ２０による推進力及び風による推力又は抵抗力）
ｖ：対水速度
ｔ：時刻
ｋ：比例係数
である。

上記の式（１）において、ｔ→∞にすれば、定常状態となる。この定常状態における船舶の終端速度をｖ_terとすると、上記の式（１）でｄｖ／ｄｔ＝０とおくことにより、下記式（２）で表される。

ただし、ｖ≧０である。また、上記の条件より、Ｆ≧０であることから、ｖ_ter≧０である。

また、式（１）を変形すると、下記の式（３）になる。

上記の式（２）及び式（３）から、下記の式（４）が得られる。

現在の対水速度ｖの向き、及び、終端速度ｖ_terの向きは、様々に考えられる。ｖ≧０かつｖ_ter＜０，ｖ＜０かつｖ_ter≧０，ｖ＜０かつｖ_ter＜０の場合を考慮すると、式（４）は下記の式（５）になる。

この式（５）は、ｋ／Ｍを船舶固有のパラメータとした微分方程式である。ｖ_terは、対水速度推定部８０の推定により得られるので、ｋ／Ｍが定められれば、この式（５）を用いて、加減速中の対水速度（補正推定対水速度）を計算することができる。

式（５）を数値計算的に解く方法は様々に考えられるが、例えば、陽的オイラー法を用いることができる。オイラー法では、下記の近似式（６）を用いる。

ただし、Δｔはサンプリングの時間間隔である。

上記の式（５）及び式（６）から、以下の式（７）が得られる。

この式（７）は、時刻ｔにおける船速ｖ_tを、時刻ｔ−Δｔの船速ｖ_t-Δtと、終端速度ｖ_terと、により計算できることを示している。上記で説明した運動方程式は船首方向のものであるが、この式（７）は、船首方向だけでなく、船首方向に垂直な方向でも同様に成り立つ。

運動特性フィルタ８１は、こうして導かれた式（７）の計算を行うＩＩＲフィルタとして構成されている。運動特性フィルタ８１は、対水速度推定部８０から推定対水速度が入力される毎に、当該推定対水速度を式（７）の終端速度ｖ_terに代入して、船速ｖ_tの計算を行う。これにより、補正推定対水速度を得ることができる。

例えば式（７）の一番上の式で、定常状態のときは、ｖ_terとｖ_t-Δtがほぼ一致するので、右辺の第２項（補正項）が殆どゼロになる。一方、加減速を行っている過渡状態のときは、ｖ_terとｖ_t-Δtとの差が大きくなるので、右辺の第２項（補正項）が大きくなる。従って、運動特性フィルタ８１は、船舶が加減速を行っている過渡状態である場合に必要な補正を行うことができる。

式（７）には、船体質量Ｍ及び水の抵抗の大きさを表す比例係数ｋが含まれている。従って、自船の質量及び水の抵抗を適切に考慮して、対水速度を推定することができる。

式（７）におけるｋ／Ｍの値は、パラメータ設定部８３で設定されたパラメータから得ることができる。ｋ／Ｍは、例えば、対象となる船舶の船体長及び船体幅等から適宜の換算式により求めて、パラメータ設定部８３に設定しておくことができる。また、船舶の加減速時の実際の速度推移を船速計で測定し、この速度推移に基づいて、ｋ／Ｍの値をいわゆるフィッティングにより求めることもできる。

パラメータ設定部８３の設定値は、適宜のタイミングで変更可能に構成されている。従って、例えば貨物船における貨物の積み下ろしによって船舶の質量が変化する場合でも、その変化に対応してパラメータを変更することで、状況に応じた対水速度を正確に推定することができる。

前述の加減速判定部８２は、対水速度推定部８０が出力する推定対水速度と、運動特性フィルタ８１が出力する補正推定対水速度と、の差に基づいて、船舶が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する。言い換えれば、加減速判定部８２は、運動特性フィルタ８１によって推定対水速度を補正した補正量の大きさに基づいて、上記の判定を行っている。これにより、船体が加速又は減速中であるか否かを簡単な構成で取得することができる。

続いて、上記の運動特性フィルタ８１を用いて行った各種の実験について、図３を参照して説明する。図３は、運動特性フィルタ８１を用いた実験の結果を示すグラフである。

図３（ａ）のグラフにおいては、運動特性フィルタ８１に入力される推定対水速度（終端速度）として、０秒から１５０秒までは０ノットであるが、１５０秒から３５０秒までは約１６ノットとなり、３５０秒以降は再び０ノットとなる模擬データを入力した場合の、運動特性フィルタ８１の出力値の変化が示されている。上述の式（７）におけるｋ／Ｍの値は、約０．０１７とした。

図３（ａ）から、運動特性フィルタ８１が出力する対水速度（補正推定対水速度）の変化が、加速時及び減速時の何れにおいても、入力と比較して遅延していることを確認できる。また、運動特性フィルタ８１の出力値において、加速後に船速が終端速度に到達するまでの時間と比較して、減速後に船速が終端速度に到達するまでの時間が長くなっており、これは船舶の現実の運動特性を良く表している。

図３（ｂ）のグラフには、潮流が殆どない海域で漁船を実際に航行させて実験を行ったときの、対水速度推定部８０の出力値と、ＧＮＳＳ測位により求めた対地速度と、運動特性フィルタ８１の出力値と、の変化がそれぞれ示されている。漁船は、０秒から１９０秒までは約２１ノットで前進航行させた後、１９０秒を境に急減速させ、最終的にはほぼ停止させた。潮流が殆どなかったため、対水速度は、グラフに示す対地速度と等しいとみなすことができる。本実験で、ｋ／Ｍの値は、約０．０２７とした。

図３（ｂ）に示すように、対水速度推定部８０の出力値は、特に鎖線で囲って示した部分において、対地速度の変化に対して早過ぎるタイミングで変化してしまっている。これに対し、運動特性フィルタ８１の出力値は、対地速度（言い換えれば、対水速度）により近い値を示していることがわかる。

図３（ｃ）のグラフには、図３（ｂ）と同様の実験を別の船舶によって行った場合が示されている。この実験で、船舶は、目標速度を１回ごとに増加させながら、前進航行と停止とを交互に繰り返した。この実験も、潮流が殆どない海域において実施されている。本実験では、ｋ／Ｍの値は、約０．０７１とした。

図３（ｃ）のグラフに示すように、加速時及び減速時の何れにおいても、運動特性フィルタ８１の出力値は、補正前の値である対水速度推定部８０の出力値よりも、対地速度（対水速度）に近くなっている。これにより、運動特性フィルタ８１による補正が対水速度の推定精度の向上のために有利であることが確かめられた。

以上に説明したように、本実施形態の対水速度推定装置８は、対水速度推定部８０と、運動特性フィルタ８１と、を備える。対水速度推定部８０は、少なくとも１つのパラメータに基づいて、船舶の対水速度を推定して推定対水速度として出力する。運動特性フィルタ８１は、対水速度推定部８０から入力される推定対水速度を、船舶の運動特性に基づく計算により補正し、補正後の速度を補正推定対水速度として出力する。

これにより、船舶が加減速を行う過渡状態において、対水速度推定部８０が終端速度又はそれに近い値を推定対水速度として出力する場合でも、運動特性フィルタ８１の補正により、過渡状態での船舶の運動特性の影響を適切に反映させることができる。従って、特に過渡状態において、対水速度を正確に推定することができる。

また、本実施形態の対水速度表示装置１５は、対水速度推定装置８と、表示部４と、を備える。表示部４は、補正推定対水速度を表示する。

これにより、正確に推定された対水速度を、例えば操船者に提供することができる。

また、本実施形態の潮流測定装置６は、対水速度推定装置８と、対地速度計算部７と、潮流測定部９と、潮流測定制御部１１と、を備える。対地速度計算部７は、船舶の対地速度を計算する。潮流測定部９は、潮流を測定する。潮流測定制御部１１は、加減速判定部８２により船舶が加速状態又は減速状態であると判定した場合に、潮流測定部９による潮流の測定を停止させる。

即ち、船舶が加速状態又は減速状態である場合は、潮流の測定結果に誤差が発生し易い。従って、船舶が加速又は減速するときは潮流の測定を停止することで、潮流の測定精度の低下を防止することができる。

また、本実施形態の自動航行装置１００は、対水速度推定装置８と、推進制御部５と、を備える。推進制御部５は、補正推定対水速度に基づいて、船舶が備えるプロペラ２０の駆動を制御する。

これにより、船舶の過渡状態と定常状態とを問わず、対水速度を良好に推定して自動航行を的確に行うことができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

対水速度推定装置８は、推定対水速度に代えて、補正推定対水速度を潮流測定部９に出力することもできる。この場合、潮流測定部９は、補正推定対水速度に基づいて潮流を測定することになる。上述のとおり、推定対水速度と補正推定対水速度の差が所定の閾値以上である場合には、潮流測定部９は測定を停止する。従って、潮流測定部９が潮流の測定を実行している間は、どちらを用いても測定結果はあまり変わらない。

加減速状態に限らず、船首方位が変化している状態においても、潮流測定制御部１１が潮流の測定を停止するように構成することもできる。

潮流測定制御部１１を省略して、定常状態及び過渡状態の何れにおいても、潮流測定部９が推定対水速度又は補正推定対水速度に基づいて潮流を測定するように構成しても良い。

加減速判定部８２の判定結果は、潮流測定部９の測定の実行／停止の切換に限らず、他の様々な目的で利用することができる。例えば、対水速度推定部８０による学習がある程度進んでから、定常状態での学習だけを対水速度推定部８０に行わせるために、加減速判定部８２の判定結果を用いることもできる。

加減速判定部８２は、運動特性フィルタ８１から入力される補正前と補正後の推定対水速度の代わりに、運動特性フィルタ８１から入力される補正量に基づいて判定を行っても良い。この補正量は、例えば、上述の式（７）の右辺の第２項に相当する値とすることができる。

加減速判定部８２は、加速状態又は減速状態であるか否かの判定を、例えば、対地速度、又は、運動特性フィルタ８１が出力する補正推定対水速度に基づいて行うこともできる。

対水速度推定部８０は、ニューラルネットワークを用いる構成に限定されない。例えば、対水速度推定部８０を、入力されるプロペラの回転数及び真風向風速の組合せと、入力される対地速度と、を対応付けて適宜の記憶部に記憶するとともに、上記の組合せに対応付けて記憶されている複数の対地速度の平均値を出力するように構成しても良い。この構成によっても、学習が進むにつれて、対地速度の平均化により潮流成分の影響が徐々に小さくなり、出力値は実質的に対水速度に収束していく。

また、対水速度推定部８０が、学習を行わずに、例えば数学的なモデルに基づいて対水終端速度を推定する構成としても良い。

対水速度推定部８０には、プロペラの回転数及び真風向風速に代えて、又はこれに加えて、他のパラメータが入力されても良い。

４ 表示部
５ 推進制御部
６ 潮流測定装置
８ 対水速度推定装置
９ 潮流測定部
１１ 潮流測定制御部
１５ 対水速度表示装置
２０ プロペラ（駆動部材）
８０ 対水速度推定部
８１ 運動特性フィルタ
１００ 自動航行装置

Claims (13)

1. 少なくとも１つのパラメータに基づいて、水上の移動体の対水速度を推定して推定対水速度として出力する対水速度推定部と、
   前記対水速度推定部から入力される前記推定対水速度を、前記移動体の運動特性に基づく計算により補正し、補正後の速度を補正推定対水速度として出力する運動特性フィルタと、
   を備えることを特徴とする対水速度推定装置。
2. 請求項１に記載の対水速度推定装置であって、
   前記運動特性フィルタは、前記補正のための計算を、移動体の質量と、水の抵抗の大きさを定める比例係数と、を含む式により行うことを特徴とする対水速度推定装置。
3. 請求項１又は２に記載の対水速度推定装置であって、
   前記運動特性フィルタは、運動方程式から導かれた式に基づいて計算することにより、前記推定対水速度を補正し、
   前記運動方程式は、対水速度の２乗又は３乗に比例する大きさの力の項を水の抵抗力の項として含むことを特徴とする対水速度推定装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の対水速度推定装置であって、
   前記運動特性のパラメータを設定可能なパラメータ設定部を備えることを特徴とする対水速度推定装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の対水速度推定装置であって、
   前記対水速度推定部が対水速度を推定するためのパラメータに、前記移動体が備える駆動部材の回転速度が含まれることを特徴とする対水速度推定装置。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載の対水速度推定装置であって、
   前記運動特性フィルタが前記推定対水速度を補正した補正量の大きさに基づいて、前記移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する加減速判定部を備えることを特徴とする対水速度推定装置。
7. 請求項１から５までの何れか一項に記載の対水速度推定装置であって、
   前記移動体の対地速度及び前記補正推定対水速度のうち少なくとも何れかに基づいて、前記移動体が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する加減速判定部を備えることを特徴とする対水速度推定装置。
8. 請求項１から７までの何れか一項に記載の対水速度推定装置と、
   前記補正推定対水速度を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とする対水速度表示装置。
9. 請求項６又は７に記載の対水速度推定装置と、
   前記移動体の対地速度を計算する対地速度計算部と、
   潮流を測定する潮流測定部と、
   前記加減速判定部により前記移動体が加速状態又は減速状態であると判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させる潮流測定制御部と、
   を備えることを特徴とする潮流測定装置。
10. 請求項９に記載の潮流測定装置であって、
    前記移動体が推進のために備える駆動部材の回転速度の変化に基づいて、前記駆動部材の回転が加速状態又は減速状態であるか否かを判定する駆動部材加減速判定部を備え、
    前記潮流測定制御部は、前記駆動部材の回転が加速状態又は減速状態であると前記駆動部材加減速判定部が判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させることを特徴とする潮流測定装置。
11. 請求項９又は１０に記載の潮流測定装置であって、
    前記移動体が向く方位を検出する方位検出部と、
    前記方位検出部から出力された前記方位の変化に基づいて、当該移動体が回頭状態であるか否かを判定する回頭状態判定部と、
    を備え、
    前記潮流測定制御部は、前記移動体が回頭状態であると前記回頭状態判定部が判定した場合に、前記潮流測定部による潮流の測定を停止させることを特徴とする潮流測定装置。
12. 請求項１から７までの何れか一項に記載の対水速度推定装置と、
    前記補正推定対水速度に基づいて、前記移動体が備える駆動部材の駆動を制御する推進制御部と、
    を備えることを特徴とする自動航行装置。
13. 少なくとも１つのパラメータに基づいて、水上の移動体の対水速度を推定し、
    推定された対水速度を、前記移動体の運動特性に基づく計算により補正することを特徴とする対水速度推定方法。

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