JP2019162977A

JP2019162977A - 船舶の自動操船システム

Info

Publication number: JP2019162977A
Application number: JP2018052886A
Authority: JP
Inventors: 航村田; Ko Murata; 晋太郎三好; Shintaro Miyoshi; 悦郎奥山; Etsuro Okuyama; 嘉信野村; Yoshinobu Nomura
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP6969047B2

Abstract

【課題】アプローチを含む離着桟や係船を自動で行うことを目的としている。【解決手段】本発明の自動操船システム１２は、操船デバイスの駆動を制御する制御システム１８と、目標値としてウェイポイントを設定するウェイポイント設定手段と、船位および船首方向を把握するためのセンサ１４と、船体運動に影響する外乱を検出する風向風速計２０、より正確に船体運動や周囲の状況をモニタするための高精度ＧＰＳ、動揺計、ライダー、カメラ等のセンサセット２２とを備える。自動操船システム１２は、検知された外乱から外乱の変化を予測する。自動操船システム１２は、予測された外乱の変化を考慮して操船デバイスの制御を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、船舶を自動で操船するための自動操船システムに関する。

岸壁に設置されたレーザー光照射装置等の計測装置を用いて港湾の岸壁に接岸させる自動接岸システムに対し、自立した自動接岸システムを船舶に搭載した発明が提案されている（特許文献１参照）。同自動接岸システムでは、地上の接岸目標物を含む接岸エリアの画像を２台以上のカメラで撮像し、撮影された画像から船首尾の接岸目標物と認識し、これをカメラで追従し、回動するカメラの回動角度から接岸目標物までの距離や接岸速度を導出し、補助推進装置を制御して接岸を行っている。

特開２００５−１８０９４９号公報

しかし、特許文献１の自動接岸システムは、着桟直前における補助推進装置の制御のみを前提とし、港湾へのアプローチを含む完全な自動離着桟を行うことはできない。

本発明は、アプローチを含む離着桟や係船を自動で行うことを目的としている。

本発明の自動操船システムは、操船デバイスの駆動を制御する制御手段と、ウェイポイントを設定するウェイポイント設定手段と、船位および船首方向を把握する位置／方位把握手段と、船体運動に影響する外乱を検出する外乱検知手段と、検知された外乱から外乱の変化を予測する外乱予測手段とを備え、制御手段は、予測された外乱の変化を考慮して前記操船デバイスの制御を行うことを特徴としている。

制御手段による操船デバイスの制御は、自動入港・着桟モードを備える。制御手段による操船デバイスの制御は、係船監視モードを備えてもよい。制御手段による操船デバイスの制御は、半自動モードを備えてもよい。

外乱の検出には、例えば画像情報が用いられる。また、外乱の検出には、例えばライダーが用いられる。外乱には、少なくとも波、風、潮流の何れか１つが含まれる。

本発明の船舶は、上記の何れか自動操船システムを備えることを特徴としている。

本発明によれば、アプローチを含む離着桟や係船を自動で行うことができる。

本発明の一実施形態の自動操船システムを搭載した船舶の操船の概要を説明する模式図である。自動操船システムの概要を示すブロック図である。本実施形態の自動操船システムを搭載する船舶の運用の流れを示すフローチャートである。自動入港・自動着桟を行う際の自動操船システムの動作の流れを示すフローチャートである。図４のフローチャートに示される自動操船制御の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の自動操船システムを搭載した船舶の操船の概要を説明する模式図である。なお、本実施形態の自動操船システムは、後述するようにアプローチを含む離着桟や係船を自動で行う。

本実施形態の船舶１０は、例えばポッド型の推進機１０Ａやバウスラスタなどの補助推進機１０Ｂを備え、舵（不図示）や推進機１０Ａの向きや回転速度、可変ピッチプロペラのピッチ角、補助推進機１０Ｂの回転速度などを制御することで、推進機１０Ａを用いた通常の推進に加え、船舶１０の位置や向きを自由に制御可能である。本実施形態の自動操船システム１２（図２参照）では、操船者が船舶１０の最終的な目標位置（目標点）Ｐ、最終目標方位Ａや最終目標位置Ｐまでの航路（暫定的な目標位置Ｐおよび目標方位Ａ：ウェイポイントＷＰ）が予め入力される。自動操船システム１２は、複数のセンサからの入力に基づき、船舶１０の位置、姿勢、速度や、これらの外乱により船舶１０に作用する外力を高い精度で計測する。更に、自動操船システム１２では、船舶１０には、船舶１０の位置、姿勢、速度、および潮流、風、波などの外乱の予測値が導出され、これらの計測値および予測値に基づき推進機１０Ａ、補助推進機１０Ｂ、舵等を動きが制御される。

図２は、自動操船システム１２の概要を示すブロック図である。船舶１０の船体には、前述したように外乱として例えば、潮流、風、波等が作用し、船体運動を引き起こす。船体の運動（サージ、スウェイ、ヨー、ロール、ピッチなど）は、船舶１０に設置されたＧＰＳセンサやジャイロコンパス等の複数のセンサ１４により検知され、例えば、データのバラつき等を取り除くカルマンフィルタ１６などを介して取得される。これら船体運動に関わるデータからは、現在の船位、船首方位が導出されるとともに、潮流や風の影響により船体に作用している現在の定常的な外力（定常力）が導出される。なお、フィルタは、船舶の大きさに応じた適切なフィルタが構築され、着岸位置に対する残距離、速度を正確に把握される。

また、本実施形態では、更に、準天頂衛星など高精度ＧＰＳ、動揺計、ライダー、カメラ等のセンサセット２２を備え、船体運動に関わるより詳細なデータが取得される。センサセット２２で取得されたデータは、データ処理フィルタ２４を介して例えばデータのバラつき等が取り除かれる。センサセット２２で取得されたデータの一部は、より正確な船位、船首方位等を得るために用いられ、カルマンフィルタ１６からの船位、船首方位データの補正に用いられる。補正された現在の船位および船首方位は、フィードバックされ、ウェイポイントＷＰとして設定されている目標位置および目標方位との偏差が求められ、制御システム１８へ入力される。一方、カルマンフィルタ１６を介して求められた定常力およびデータ処理フィルタ２４を介して得られる岸壁までの残距離、寄り速度、外乱予測等は、直接制御システム１８へ入力される。

本実施形態では、風向風速計２０により風向、風速が計測され、制御システム１６へ入力される。また、本実施形態では、センサセット２２のカメラにより、海面の状況が撮像可能であり、撮影された海面の画像（例えば波面のステレオ画像計測から急峻もしくは長波長の波浪をモニタリング）や動揺計の値から、波浪の方向、波高、波長が把握され、所定時間後に船体に働く波漂流力を予測される。更に、本実施形態では、センサセット２２のライダー（ＬＩＤＥＲ）による海面情報からも、所定時間後に船体に働く風圧力がより正確に予測される。なお、風圧力予測は、例えば上空の風速は海面近くの風速に先行して変化するという気象現象を利用して予測されるもので、センサセット２２のライダーにより上空風速の計測することで船体に働く風圧力を予め予測している。なお、波面のステレオ画像計測から風況変化をモニタリングすることも可能である。

制御システム１８では、現在の定常力、残距離、寄り速度、外乱予測、予測された波漂流力変化、予測された風圧力変化等を用いて目標値との偏差に補正を加え、推進機１０Ａや補助推進機１０Ｂ等のプロペラピッチ（翼角）、ポッド旋回角、プロペラ回転数等に関わる操作量を各アクチュエータ２６へと出力する。なお、アクチュエータ２６の駆動による実際のプロペラピッチ（翼角）、ポッド旋回角、プロペラ回転数等の値も制御システム１８にフィードバックされており、操作量の算出に用いられる。アクチュエータ２６の同制御により、船舶１０の操船デバイス（舵、プロペラ、スラスタ、旋回式推進器）は低速運動制御され、船体は安全な速度および姿勢で港湾口から着桟バースまで自動でアプローチし、自動で着桟することができる。

図３は、本実施形態の自動操船システム１２を搭載する船舶１０の運用の流れを示すフローチャートである。

船舶１０は、例えば水道から港湾へアプローチし（ステップＳ１００）、港湾口へ到達すると（ステップＳ１０２）、自動操船システム１２の運転を開始する。自動操船システム１２に制御される船舶１０は、桟橋へアプローチのために予め設定された複数のウェイポイントＷＰを通過して桟橋に向かい（ステップＳ１０４）、着桟制御が行われる。船舶１０が最終目標位置Ｐおよび最終目標方位Ａとして設定された着桟チェックウェイポイントに到着（ステップＳ１０６）すると、後述するフェンダータッチが確認され、自動操船システム１２の動作は停止され、係船作業が開始される（ステップＳ１０８）。係船作業が終了すると着桟は完了する（ステップＳ１１０）。

図４は、自動入港・自動着桟を行う際（自動入港・着桟モードを利用する際）の自動操船システム１２の動作の流れを示すフローチャートである。

自動入港・自動着桟を行う際には、港湾口から着桟バースまでの複数のウェイポイントＷＰ（目標位置Ｐおよび目標方位Ａ）を人が予め入力・設定し、船舶１０の港湾口から着桟バースまでの航路を決定する（ステップＳ２００）。ウェイポイントＷＰの設定が終了すると、自動操船システム１２は初期化を開始し、各種センサやアクチュエータとの接続状態等を検知し、システムの状態が正常である否かを確認する（ステップＳ２０２）。初期化が終了すると、本実施形態の自動操船制御が開始される（ステップＳ２０４）。自動操船制御中に半自動への切り替えが指示された場合には、例えばジョイスティックなどの操縦機器を用いた手動制御が開始され（ステップＳ２０６）、半自動による着桟が行われる。一方、半自動への切り替え行われなければ、自動操船制御（ステップＳ２０４）において自動入港・自動着桟が行われ、本自動入港・着桟モードは終了し、自動操船システム１２は係船監視モードへと移行する。

図５は、図４のフローチャートに示される自動操船制御（ステップＳ２０４）の詳細を示すフローチャートである。

図４、５の例では、自動操船システム１２において自動入港・着桟モードが選択されているので、初期化後（ステップＳ２０２）は、自動入港・着桟モードへの切り替えが行われる（ステップＳ３００）。自動入港・着桟モードでは、ＧＰＳで自船の位置や方位、速度等が把握され、更にライダー（ＬＩＤＥＲ）やカメラ等のセンサ、風向風速計等を用いて、例えば、風、波等の周辺の状態が監視される。また、これらのセンサからの入力に基づき、船体に作用している外力（外乱）が推定されるとともに、所定時間に亘る外力（外乱）の変化が予測される。また、他船等と干渉を予測し、その危険度に応じて、自動で警告、回避操船を行う（ステップＳ３０２）。

船舶１０が、着桟バースに所定距離にまで近づくと、自動接岸制御が開始され、例えばｃｍ／秒のオーダーでの高精度の船体運動の把握・制御が行われる（ステップＳ３０４）。自動接岸制御では、岸壁ラインに対する船首・船尾・中央の速度および残距離が監視される（ステップＳ３０６）。また、同制御中には、自動接岸モードを継続するか、半自動モード（図４、ステップＳ２０６）に切り替えるかの選択可能である（ステップＳ３０８）。半自動モードでは、例えば船首方向（方位）のみ自動で保持され、前後左右方向の船位は操縦機器でマニュアル制御される（なお所定方向、例えば前後の運動のみ自動制御により規制する構成としてもよい）。船体がフェンダーに接触すると、自動接岸制御は係船作業終了まで船体を桟橋に押し付ける（ステップＳ３１０）。

以上のように、本実施形態の自動操船システム１２の自動入港・着桟モードによれば、港湾口からのアプローチを含む着桟を自動で、かつ安全に行うことができる。なお、離桟の場合には、同運用を逆に行うことで対応可能である。

また、本実施形態の自動操船システム１２の自動入港・着桟モードによれば、フィルタによりデータ飛びを低減するとともに、画像情報を含む複合センサ情報から信頼性の高い情報を抽出することができるので、桟橋のフェンダー位置を検出して、最終着岸面の位置と桟橋の法線を正確に把握することもできる。そのため、海図に記載のバースの座標が不正確であっても安全に精密な着岸が可能である。

また、本実施形態では、準天頂衛星など高精度ＧＰＳ等を使用するとともに、船の運動応答を考慮したカルマンフィルタをデータ飛びを除去するフィルタとして使用することで、最終着岸面に対しても、より正確に残距離、寄り速度を把握することが可能である。

また、本実施形態では、画像情報やライダー情報など各種センサの情報を利用して、外乱の近未来の変化を予測することで、突発的な風興変化や大波を予測することができるので、アプローチも含めた、より安全な着桟操船を実施することができる。

また、本実施形態では、予測した外乱の変化を制御にフィードフォワードすることで、検出される寄り速度を元に高度な速度制御が可能であり、バースに近づける方向の制御力と、遠ざける方向の制御力をバランスさせながら、そのバランスを少しずつ崩すことにより船体を移動させる外乱に強靱な制御を実現できる。なお、例えば中小型船などでは、バースとの距離５ｍ以下では、岸壁ボラードに係船策を仮掛けして、船体のウインドラスで近づける力を出し、船体のアクチュエータでバースから遠ざかる力を出す方法を採用することもできる。

次に、本実施形態の自動操船システム１２の係船監視モードについて説明する。係船作業では、係船策の受け渡しが最も作業負担が多い。ヒービングラインを陸側の作業員に受け取ってもらいそれを引き上げてもらうが、係留策は重く、本数も多いため、負担と手間が大きい。岸壁との残距離が３ｍ程度なら、ヒービングラインは不要あり、作業の効率化が見込める。

そのため、本実施形態の係船監視モードでは、自動着桟機能もしくは自動位置保持機能（ＤＰ）を用いてバース前３ｍ程度の地点に船を停止させ、係船策をヒービングライン無しで渡せる状態を実現する。このとき、岸壁方向の水流反射、波浪の反射による船体の離岸（岸壁とのインタラクション）を考慮して船を制御する。

また、係船作業では、係船策を取り終わり、船舶の係船が終了するまでは、最終着岸位置を一定時間保持することが望ましい。しかし実際は、風、波、潮流により、船を一定位置に自動で保持することは難しい。そこで本実施形態では、波浪外乱予測を利用して船体を岸壁のフェンダーに押しつける力を自動制御し、仮留めボラードに掛けた係船策を本船ウインドラスで巻き取り、係船策で船位が決まるまで、最終着岸位置を一定時間保持する。

更に、係船中は、潮位・荷役の進行状況により、本船の喫水が変化する。また風、波、潮等により本船位置、係船策に作用する張力が異なってくるので、係留状態を常に監視して、必要に応じて係船策の調整を実施する必要がある。本実施形態の係船監視モードでは、係留策に働くテンションを、ＧＰＳ等で計測した船体位置および状態、ボラード位置からリアルタイムで算出する。また、ボラード部に張力計をつけて無線で自動操船システム１２に入力する構成とすることも可能である。また、これらの入力に応じて、船舶１０および係留策の状態変化に応じて必要な操作をリコメンドする機能を自動操船システム１２に設けてもよい。

なお、本実施形態の船舶は、ポッド型の推進機を搭載したが、補助推進機を備えれば、メインの推進機としては固定軸の推進機のみを備える船舶であってもよい。

１０船舶
１０Ａ推進機
１０Ｂ補助推進機
１２自動操船システム
１４センサ
１６カルマンフィルタ
１８制御システム
２０風向風速計
２２センサセット
２４データ処理フィルタ
２６アクチュエータ

Claims

操船デバイスの駆動を制御する制御手段と、
ウェイポイントを設定するウェイポイント設定手段と、
船位および船首方向を把握する位置／方位把握手段と、
船体運動に影響する外乱を検出する外乱検知手段と、
検知された前記外乱から外乱の変化を予測する外乱予測手段とを備え、
前記制御手段が、予測された外乱の変化を考慮して前記操船デバイスの制御を行う
ことを特徴とする自動操船システム。
前記制御手段による操船デバイスの制御が、自動入港・着桟モードを備えることを特徴とする請求項１に記載の自動操船システム。
前記制御手段による操船デバイスの制御が、係船監視モードを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動操船システム。
前記制御手段による操船デバイスの制御が、半自動モードを備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の自動操船システム。
前記外乱の検出には、画像情報が用いられることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の自動操船システム。
前記外乱の検出には、ライダーが用いられることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の自動操船システム。
前記外乱には、少なくとも波、風、潮流の何れか１つが含まれることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の自動操船システム。
請求項１〜７の何れか一項に記載の自動操船システムを備える船舶。