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WO2019146798A1 - 操船制御装置 - Google Patents

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Publication number
WO2019146798A1
WO2019146798A1 PCT/JP2019/002965 JP2019002965W WO2019146798A1 WO 2019146798 A1 WO2019146798 A1 WO 2019146798A1 JP 2019002965 W JP2019002965 W JP 2019002965W WO 2019146798 A1 WO2019146798 A1 WO 2019146798A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
load
target
rudder
ship
angle difference
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/002965
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
慶樹 小見
辰喜 田中
Original Assignee
株式会社 商船三井
川崎重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 商船三井, 川崎重工業株式会社 filed Critical 株式会社 商船三井
Priority to KR1020207024190A priority Critical patent/KR102392149B1/ko
Priority to CN201980010807.4A priority patent/CN111712431B/zh
Priority to EP19743852.6A priority patent/EP3747758B1/en
Priority to JP2019567214A priority patent/JP7013487B2/ja
Publication of WO2019146798A1 publication Critical patent/WO2019146798A1/ja

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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
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    • B63B79/10—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation using sensors, e.g. pressure sensors, strain gauges or accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
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    • B63B79/40—Monitoring properties or operating parameters of vessels in operation for controlling the operation of vessels, e.g. monitoring their speed, routing or maintenance schedules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
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    • B63H25/04—Initiating means for steering, for slowing down, otherwise than by use of propulsive elements, or for dynamic anchoring automatic, e.g. reacting to compass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/36—Rudder-position indicators
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H9/00—Marine propulsion provided directly by wind power
    • B63H9/04—Marine propulsion provided directly by wind power using sails or like wind-catching surfaces
    • B63H9/06—Types of sail; Constructional features of sails; Arrangements thereof on vessels
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/08—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw
    • G05D1/0875—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted to water vehicles
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    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
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    • Y02T70/5218—Less carbon-intensive fuels, e.g. natural gas, biofuels
    • Y02T70/5236—Renewable or hybrid-electric solutions

Definitions

  • the present invention relates to a marine vessel maneuvering control device that controls a marine vessel maneuvering machine.
  • automatic navigation control for automatically maneuvering a ship is known.
  • automatic navigation control it is disclosed that a steering angle is determined so that the ground traveling direction matches the target direction, and feedback control is performed so as to be the steering angle (see Patent Document 1).
  • An object of the embodiments of the present invention is to provide a marine vessel maneuvering control device that performs control suitable for disturbance due to a natural phenomenon.
  • the marine vessel maneuvering control device applies a rudder to an angle difference calculating means for calculating an angle difference between a course of a ship and a target direction, and the angle difference calculated by the angle difference calculating means.
  • Target load calculating means for calculating a target load to be a target of load
  • load measuring means for measuring a load applied to the rudder measured by the load measuring means
  • a marine vessel maneuvering machine for steering and
  • the marine vessel maneuvering control means is configured to control the marine vessel maneuvering machine so that the applied load becomes the target load calculated by the target load calculation means.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration related to control of a rudder in a ship according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control procedure by the control device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a simplified view showing the angular difference between the course of the ship and the target direction according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a simplified view showing the target load of the ship according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a control device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a correlation diagram showing the relationship between the steering angle and the number of revolutions of the ship according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a correlation diagram showing the relationship between the main machine load and the rotational speed by the control device according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a control device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing the configuration of a ship attached with a sail according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is an image diagram showing an ideal course by ship maneuvering control according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a correlation diagram showing the relationship between the steering angle and the rudder load by ship maneuvering control according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a correlation diagram showing the relationship between the steering angle, the ROT, and the rudder load by ship maneuvering control according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a correlation diagram showing the relationship between the rudder angle and the rudder load of the ship according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a correlation diagram showing the relationship between the amplitude and the frequency of the rolling of the ship under ship maneuvering control according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram which shows the structure regarding control of the rudder 4 in the ship 10 which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control device 1 according to the present embodiment. The same parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and different parts will be mainly described.
  • the ship 10 is, for example, a large ship that carries a person or a thing and navigates the sea. In addition, as long as the ship 10 changes the direction and operates by operating the rudder in the water, it may be any thing.
  • the ship 10 includes a control device 1, a hull 2, a propeller 3, a rudder 4, a support member 5, a boat maneuvering machine 6, an oil pressure sensor 21, a direction sensor 22, a positioning sensor 23, a ROT (rate of turn) sensor 24, a ship A speed sensor 25, a steering angle sensor 26, a navigation plan data storage unit 31, and a target load data storage unit 32 are provided.
  • the propeller 3 is provided at a portion submerged in the rear of the hull 2.
  • the propeller 3 generates a water flow Fw as shown in FIG. 1 by rotating with power from a main machine serving as a power source such as an engine. Thereby, the ship 10 obtains propulsion.
  • the rudder 4 is a ship for changing the course of the ship 10 (the forward direction of the ship 10).
  • the rudder 4 has a plate shape.
  • the rudder 4 has a direction parallel to the straight direction of the ship 10 so as not to resist the water flow Fw generated by the propeller 3.
  • the rudder 4 changes the course of the ship 10 by changing the angle of the plane portion with respect to the straight direction so as to change the direction of the water flow Fw generated by the propeller 3.
  • the support member 5 is a member for supporting the rudder 4 so as to be located behind the propeller 3 and attaching the rudder 4 to the hull 2 so that the angle of the rudder 4 can be changed.
  • the marine vessel maneuvering machine 6 is a device for operating the rudder 4.
  • the marine vessel maneuvering machine 6 operates the rudder 4 in accordance with a command from the control device 1.
  • the marine vessel maneuvering machine 6 is a steering gear.
  • the marine vessel maneuvering machine 6 includes a rudder shaft 61, a rotary wing 62, and two hydraulic cylinders 63.
  • the rudder 4 is attached to the lower part of the rudder shaft 61. By operating the rudder shaft 61 to rotate, the rudder 4 also rotates and the angle of the rudder 4 changes.
  • the rotary wing 62 has a disk shape and is attached to the upper portion of the rudder shaft 61.
  • the rotary wing 62 operates to rotate by means of two hydraulic cylinders 63. Thereby, the angle of the rudder 4 is changed by the rudder shaft 61 also rotating with the rotary wing 62.
  • the hydraulic cylinder 63 is a device in which a piston 631 is inserted into the cylinder 632.
  • the hydraulic cylinder 63 serves as an actuator by the piston 631 operating in the longitudinal direction by the hydraulic pressure inside the cylinder 632.
  • the two hydraulic cylinders 63 are arranged to be substantially parallel.
  • the ends of the pistons 631 of the two hydraulic cylinders 63 are respectively fixed to both ends on the outer peripheral side of the surface of the rotary wing 62.
  • the pistons 631 of the two hydraulic cylinders 63 operate in opposite directions to rotate the rotary wings 62 to change the angle of the rudder 4.
  • the control device 1 controls the rudder 4 by controlling the hydraulic pressure in the hydraulic cylinder 63.
  • the hydraulic pressure sensor 21 measures the hydraulic pressure of the hydraulic pressure cylinder 63.
  • the hydraulic pressure sensor 21 transmits the measured value of the hydraulic pressure to the control device 1.
  • the load applied to the rudder 4 changes, the oil pressure of the hydraulic cylinder 63 also changes. Therefore, by measuring the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 63, the load applied to the rudder 4 can be measured.
  • the hydraulic pressure sensor 21 may be provided to each of the two hydraulic cylinders 63.
  • the load applied to the rudder 4 it is not limited to the hydraulic pressure sensor.
  • a sensor that measures a load may be directly attached to the rudder 4 and the measurement result may be transmitted to the control device 1 wirelessly or by wire.
  • the direction sensor 22 is a sensor that measures the current course of the ship 10.
  • the positioning sensor 23 is a sensor that measures the current position of the ship 10.
  • the ROT sensor 24 is a sensor that measures the current turning angular velocity R of the ship 10.
  • the ship speed sensor 25 is a sensor that measures the current ship speed v of the ship 10.
  • the steering angle sensor 26 is a sensor that measures the steering angle.
  • the sensors 21 to 26 may be of any type as long as they can measure the object. For example, sensors 22-25 may utilize a gyro compass or a satellite positioning system.
  • the navigation plan data storage unit 31 stores navigation plan data including information on a planned route to the destination.
  • the navigation plan data storage unit 31 transmits information included in the navigation plan data in response to a request from the control device 1.
  • the target load data storage unit 32 stores target load data including information on the target load Fp.
  • the target load Fp is a target value of the load applied to the rudder 4 in order to control the rudder 4 and is a command value for the ship steering machine 6 to control the rudder 4.
  • the target load data storage unit 32 transmits information included in the target load data in response to a request from the control device 1. Since the target load data changes depending on the shape of the hull 2 or the characteristics of the propulsion device, etc., the target load data is unique data that differs from one ship 10 to another. For example, the target load data is collected by the machine learning program or the like at the time of trial operation of the ship 10, and the information is updated as needed during the navigation of the ship 10.
  • the control device 1 includes a control determination unit 11, a target load calculation unit 12, and a boat maneuvering control unit 13.
  • the control apparatus 1 may be provided anywhere in the ship 10, may be a control apparatus for any purpose, and may be configured in any way.
  • the control device 1 may be a boat maneuvering control device for controlling the boat maneuvering machine 6 or an automatic navigation control device (for example, an autopilot) for automatically steering the boat 10.
  • the control device 1 may be provided in the vicinity of the marine vessel maneuvering machine 6 or as a part of the marine vessel maneuvering machine 6, or may be provided in a ship such as an engine room or a steering room.
  • the control device 1 may have various sensors 21 to 26 and various storage units 31 and 32 as part of its configuration.
  • the control determination unit 11 determines whether to control the rudder 4 based on the navigation plan data stored in the navigation plan data storage unit 31 and the measurement results measured by the various sensors 21 to 26. When it is determined that control is to be performed, the control determination unit 11 outputs necessary information to the target load calculation unit 12 together with an instruction to start control.
  • the target load calculation unit 12 calculates a target load Fp.
  • the target load calculation unit 12 calculates the target load Fp based on the measurement results of the various sensors 21 to 26 and the target load data obtained from the target load data storage unit 32.
  • the direction of turning the rudder 4 may be represented by the sign of the target load Fp, or the direction of turning may be a command value different from the target load Fp.
  • the target load calculation unit 12 outputs the calculated target load Fp to the boat maneuvering control unit 13.
  • the marine vessel maneuvering control unit 13 controls the load applied to the rudder 4 to be the target load Fp based on the target load Fp received from the target load calculation unit 12 and the hydraulic pressure measured by the hydraulic pressure sensor 21.
  • the boat maneuvering control unit 13 causes the control determination unit 11 to notify that control has ended.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a control procedure by the control device 1 according to the present embodiment.
  • the control determination unit 11 measures the course of the ship 10 based on the direction measured by the direction sensor 22 (step S101).
  • the control determination unit 11 calculates the target direction based on the current position measured by the positioning sensor 23 and the navigation plan data received from the navigation plan data storage unit 31 (step S102).
  • the target direction is the course the ship 10 should currently take in order to navigate according to the navigation plan to reach the destination.
  • the control determination unit 11 calculates an angular difference ⁇ between the heading and the target direction as shown in FIG. 4 (step S103).
  • the control determination unit 11 determines whether the angle difference ⁇ is zero (step S104). The control determination unit 11 does not operate the rudder 4 if the angle difference ⁇ is zero.
  • zero is a value that can be considered that the heading and the target direction match, and it may not be strictly zero as long as it can be determined that it is not necessary to turn the rudder 4. Moreover, you may provide the range which does not need to turn the rudder 4 about angle difference (delta). If the angle difference ⁇ is not zero, the control determination unit 11 notifies the target load calculation unit 12 that the control to turn the rudder 4 is started, and transmits the calculated angle difference ⁇ .
  • the target load calculation unit 12 determines the target steering angle T based on the angle difference ⁇ received from the control determination unit 11, the turning angular velocity R measured by the ROT sensor 24, and the boat speed v measured by the boat speed sensor 25. Are calculated (step S105).
  • the target steering angle T is an angle which cuts the rudder 4 theoretically obtained in order to make the course and the target direction coincide with each other without considering disturbances due to natural phenomena such as sea conditions or weather conditions.
  • the target steering angle T may be a steering angle determined by a method conventionally used to control the rudder 4.
  • the target steering angle T may be obtained in any manner.
  • the target load computing unit 12 computes the target load Fp based on the computed target steering angle T and the target load data received from the target load data storage unit 32 (step S106).
  • the target load Fp is a command value for the load that the water flow outputted from the propeller 3 vertically applies to the flat portion of the rudder 4.
  • the target load data includes information for obtaining an optimal load to be applied to the rudder 4 at the present time in consideration of a disturbance due to a natural phenomenon in order to set the rudder 4 to the target steering angle T.
  • the target load calculation unit 12 obtains the target load Fp by converting the target steering angle T into the target load Fp using the target load data.
  • the target load calculation unit 12 outputs the calculated target load Fp to the boat maneuvering control unit 13.
  • the sea load data such as water flow and waves and meteorological data such as wind and air temperature are measured, and the target load Fp is corrected using the measurement result as a parameter.
  • the boat maneuvering control unit 13 obtains the load currently applied to the rudder 4 from the hydraulic pressure measured by the hydraulic pressure sensor 21.
  • the boat maneuvering control unit 13 controls the steering 4 so that the load applied to the rudder 4 becomes the target load Fp (step S107).
  • the boat maneuvering control unit 13 keeps turning the rudder 4 until the load obtained from the hydraulic pressure measured by the hydraulic pressure sensor 21 reaches the target load Fp.
  • the boat maneuvering control unit 13 collects response data of the ship 10 by a series of controls based on the measurement results of the various sensors 21 to 26 (step S108). The boat maneuvering control unit 13 stores the collected response data in the target load data storage unit 32. Thus, the target load data is updated and reflected in the calculation of the next target load Fp. When these processes are completed, the boat maneuvering control unit 13 causes the control determination unit 11 to notify that the control has been completed.
  • the target load Fp is determined, and the steering is controlled so that the load applied to the rudder 4 becomes the target load Fp, so that the rudder 4 becomes the target steering angle.
  • the operation efficiency of the rudder 4 can be improved as compared with the control.
  • disturbances such as wind or water flow may cause the ship 10 to flow or the ship 10 may rotate to change the course.
  • the ship 10 may move in the target direction due to the disturbance.
  • the rudder 4 when the steering angle is determined so that the course coincides with the target direction, and the rudder 4 is controlled so as to be the determined steering angle, the rudder 4 must be turned by the determined steering angle. When the rudder 4 is turned in this manner, the vessel 10 turns more than necessary, which causes an overshoot in which the course turns beyond the target direction.
  • the load applied to the rudder 4 is measured by the hydraulic pressure sensor 21 and the load applied to the rudder 4 is controlled to be the target load Fp, thereby reducing the angle at which the rudder 4 is turned And can be controlled to keep the steering angle of the rudder 4 constant.
  • the load applied to the rudder 4 is affected by the disturbance, and by measuring such a load and using it for control, the control takes into consideration the disturbance. Thereby, the angle and the number of times of turning the rudder 4 can be suppressed.
  • the load applied to the rudder 4 is controlled to be the target load Fp, compared with the case where the rudder 4 is controlled to the determined steering angle.
  • the detour distance of the ship 10 due to the influence of the disturbance can be shortened, and the operation efficiency of the rudder 4 and the fuel efficiency of the ship 10 can be improved.
  • the target load Fp is obtained after the target steering angle T is obtained, but the target load Fp is directly obtained by using a parameter for obtaining the target steering angle T without obtaining the target steering angle T. It is also good.
  • a parameter suitable for the current situation of the ship 10 is obtained, and the target load Fp is obtained from the parameter obtained using the target load data storage unit 32 in which empirical rules learned in trial operation or actual navigation are stored as data. You can decide the target load Fp.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a control device 1A according to a second embodiment of the present invention.
  • control device 1A is configured to receive the measurement result by the rotation speed meter 27 provided on the ship 10, and the target load calculation unit 12 It is replaced by 12A.
  • the other points are the same as in the first embodiment. In the following, portions different from the first embodiment will be mainly described.
  • the rotation speed meter 27 measures the rotation speed of the engine which is the main engine.
  • the rotation speed meter 27 transmits the measured rotation speed to the control device 1A.
  • it is not limited to what measures the number of rotations directly, such as the number of revolutions meter 27, but it can grasp the state of the engine which is a propulsion unit, or it can predict and measure the number of revolutions to some extent May be.
  • the target load calculation unit 12A determines a final target load FpA in consideration of the rotational speed measured by the rotational speed meter 27 with respect to the target load Fp obtained as in the first embodiment. Specifically, the target load FpA is determined so that the number of revolutions does not change suddenly or the number of revolutions does not decrease excessively.
  • FIG. 7 is a correlation diagram showing the relationship between the steering angle of the rudder 4 and the number of rotations in the ship 10.
  • the graph fr shows the rotational speed of the engine which is the main engine.
  • the graph ft shows the steering angle.
  • FIG. 8 is a correlation diagram showing the relationship between the main engine load (engine load, for example, fuel injection amount) by the control device 1A and the rotational speed.
  • the boundary line BE indicates the boundary between the overload area and the non-overload area of the engine of the ship 10. That is, the upper side of the boundary line BE indicates the engine overload region.
  • the graph CE1 shows the relationship between the main machine load by the control device 1A and the rotational speed.
  • the graph CE2 shows the relationship between the main machine load and the rotation speed by the conventional control device for comparison with the present embodiment.
  • the engine speed is, for example, from a straight state, for example, from a straight state by the increase in the resistance of the propeller due to turning the rudder 4 and the increase in the resistance of the engine due to the turning of the hull.
  • the rotational speed is greatly reduced from about 59 [rpm] to about 45 [rpm].
  • the load and rotational speed of the engine change, and after turning off the rudder 4, the load on the engine once increases, generally causing an overload on the engine.
  • the load of the rudder 4 is controlled according to the state of the engine, or the engine according to the load of the rudder 4 and the ROT of the ship 10 By controlling the load of the engine, it is possible to shorten the time for which the engine stays at the overload boundary line BE.
  • the target load FpA is a target so that the rotational speed does not change rapidly, or the change width of the rotational speed falls within a certain range (for example, the change rate is within ⁇ 10%). Determine the load FpA.
  • the target load FpA must be increased, the load on the engine is kept constant to reduce the load increase.
  • the engine may have a minimum number of revolutions required to continue rotation. Below this minimum speed, the engine is shut off. Therefore, the target load FpA determines the target load FpA so as not to fall below the minimum rotation speed.
  • the target load FpA may be determined so that the change rate of the rotational speed and the minimum value both satisfy the predetermined condition, or any one of them may be determined so as to satisfy the predetermined condition.
  • the target load FpA is determined in consideration of the number of revolutions of the engine which is the main unit, whereby the rudder 4 when turning the rudder 4 or the engine The burden imposed can be reduced.
  • the above control can avoid the excessive side slip (drift) of the ship and can reduce the deceleration after the course change due to the side slip.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing a configuration of a control device 1B according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram showing a configuration of a boat 10B to which a sail 7 according to the third embodiment is attached.
  • the boat 10B has a sail 7 attached to the boat 10 according to the first embodiment, and the control device 1 is replaced with a control device 1B.
  • the control device 1B is obtained by adding a sail control unit 14 and replacing the target load calculation unit 12 with a target load calculation unit 12B in the control device 1 according to the first embodiment shown in FIG.
  • the other points are the same as in the first embodiment. In the following, portions different from the first embodiment will be mainly described.
  • the sail 7 is a longitudinal sail attached to the front portion of the ship 10.
  • the sail 7 converts the wind power into a motive force, similar to the principle of obtaining the lift of the wing of an airplane.
  • Longitudinal sails have a better ability to turn than horizontal sails, and can obtain a propulsive force in the windward direction.
  • the sail 7 may be a lateral sail or any other sail. Further, the sail 7 may be any material such as fiber, resin or metal, may have any characteristics such as elasticity or rigidity, or may have any shape such as a cloth shape or an airplane wing shape. Not limited to the front portion, it may be attached to any position of the ship 10. The sail 7 may be configured to be suitable for the shape, use, use environment, etc. of the ship 10.
  • the target load calculation unit 12B calculates the target load FpB in the same manner as in the first embodiment based on the measurement results of the various sensors 21 to 26 and the target load data obtained from the target load data storage unit 32.
  • a target angle ⁇ is calculated which is a command value for controlling the angle.
  • the target angle ⁇ as shown in FIG. 10, is a command value for the angle formed by the central line located at the center in the width direction of the ship 10 and the sail 7 or a support member supporting the sail 7.
  • the target angle ⁇ may be a command value for any angle as long as the position of the sail 7 is determined.
  • the sail control unit 14 operates the angle of the sail 7 so as to be the target angle ⁇ calculated by the target load calculation unit 12B.
  • the sail 7 may be operated to the target angle ⁇ manually without providing the sail control unit 14.
  • the sail 7 and operating with the rudder 4 in addition to the operation and effect according to the first embodiment, by providing the sail 7 and operating with the rudder 4, the mobility or the travelability of the ship 10 can be improved.
  • the sail 7 is provided with the second embodiment as a basic configuration, and the rudder 4 and the sail 7 are controlled in consideration of the rotational speed.
  • the mobility or drivability of ship 10 can be improved.
  • the target load calculation unit 12B may calculate the target load FpB by determining the operation angle of the sail 7 first without inputting the target angle ⁇ and inputting the operation angle as a parameter. Even with such a configuration, by using the sail 7, the mobility or the drivability of the ship 10 can be improved more than in the first embodiment.
  • the target load Fp is determined, and a specific example of the operation and effect by performing ship steering control for turning the rudder 4 so that the load (rudder load) applied to the rudder 4 becomes the target load Fp Will be explained.
  • similar effects can be obtained. However, all of these effects may not necessarily be obtained in each embodiment.
  • the ship starts turning with a delay after turning the rudder 4, so the maximum ROT value is a predetermined time after turning the rudder 4 (in some cases, 40 seconds after a large hypertrophic ship). Become. Therefore, when the rudder 4 is controlled based on the measurement result of the course or ROT as in the prior art, there is a time lag of this predetermined time, so the control is delayed and the operator maneuvers along the ideal course CS. difficult.
  • the rudder load is controlled to be the graph RL, whereby the rudder 4 is controlled such that the steering angle becomes the graph RA.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis of the graph RA indicating the steering angle represents the angle
  • Graphs RA1, RT1, and RL1 respectively indicate the steering angle, the ROT, and the rudder load in the marine vessel maneuvering control according to the present embodiment.
  • Graphs RA2, RT2, and RL2 respectively indicate the conventional steering angle, ROT, and rudder load for comparison with the present embodiment.
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axes of the graphs RA1 and RA2 indicating steering angles are angle (degrees)
  • the vertical axes of the graphs RT1 and RT2 indicating ROT are rotational speed (degrees / minute).
  • both the steering angle and the ROT are stable.
  • the rudder load shown in the graph RL2 is applied due to disturbance such as the ocean current, it is necessary to control the course to be stable while repeating switching of the steering angle as shown in the graphs RA2 and RT2.
  • the graph GS shows the relationship between the steering angle and the rudder load.
  • the graph GA shows the linear relationship between the steering angle and the steering load.
  • the horizontal axis is angle (degree)
  • the vertical axis is load (%).
  • the center CT of the balance between the rudder angle of the ship 10 and the rudder load is on the right side of the position of the rudder angle of 0 degrees. Therefore, even if the ship 10 initially directs the rudder 4 in the straight ahead direction, a steering force is generated and it turns to one side.
  • the center of balance of the rudder load is not at the position of a rudder angle of 0 degrees, and the center CT also changes depending on the state of the ship. Therefore, in the conventional maneuvering control based on the steering angle, if control is performed centering on the steering angle 0, trying to make the steering angle 0 degree as much as possible when going straight and repeating trying to return the ship 10 in the straight direction are repeated.
  • the rudder 4 of the ship 10 may be operated periodically by hunting.
  • control in order to control the rudder load, even if the center of balance of the rudder load is not at the position of 0 rudder angle, control is performed such that the center CT is always grasped and the ship 10 always goes straight can do. As a result, an operation to periodically change the steering angle of the rudder 4 is not performed.
  • the graph SR shows the relationship between the amplitude and frequency of the rolling of the ship 10.
  • the graph GR1 shows the relationship between the amplitude and the frequency of the rudder load by the ship maneuvering control according to the present embodiment.
  • the graph GR2 shows the relationship between the amplitude and the frequency of the rudder load by the conventional boat maneuvering control.
  • the ordinate represents the ratio of the amplitude or the load to the maximum value (%)
  • the abscissa represents the frequency (1 / second).
  • the peak of the graph GR2 indicating the amplitude of the rudder load by the conventional marine vessel maneuvering control and the graph SR indicating the amplitude of the rolling of the ship 10 substantially coincide with each other. From this, it can be understood that the rudder load is applied by the rolling of the ship 10 in the conventional boat maneuvering control.
  • the rudder load is controlled to be zero as shown in the graph GR1. Thereby, the rudder load applied by rolling can be suppressed, and the operation efficiency of the ship 10 can be improved.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the constituent elements may be deleted, added or changed. Further, by combining or exchanging the constituent elements in a plurality of embodiments, a new embodiment may be made. Even if such an embodiment differs directly from the above-described embodiment, the description of the same purport as the present invention is omitted as it is described as the embodiment of the present invention.

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Abstract

制御装置（１）は、船舶（１０）の針路と目標方向との角度差を演算し、演算した角度差に基づいて、舵（４）に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算し、舵（４）に掛かる負荷を測定し、測定した舵（４）に掛かる負荷が演算した目標負荷になるように、舵（４）を取るための操船機械（６）を制御する。

Description

操船制御装置
　本発明は、船舶の操船機械を制御する操船制御装置に関する。
　一般に、船舶を自動操縦するための自動航行制御が知られている。例えば、自動航行制御としては、対地進行方位を目標方位に一致させるように舵角を決定し、その舵角になるようにフィードバック制御を行うことが開示されている（特許文献１参照）。
　しかしながら、実際には、海流、波、風などの様々な自然現象による外乱により、船体が流されたり、船体の向きが変わったりする。また船の喫水もしくは舵・プロペラの没水面積によっても舵角に対する船の応答は変化する。このため、ある地点で、船舶の針路が目標地点に向くように舵角を決定しても、外乱により、船舶が進むにつれ、針路が目標地点から外れる。このため、舵を何度も切り直す必要があり、船舶は、目標地点に向かって蛇行するように航行する。この結果、船舶は、必要以上に長い距離を航行することになる。
　これに対して、舵角の決定方法を機械学習により経験則として学ばせることで、様々な海象条件に対応した舵角が決定されるように制御する方法もある。しかし、このような制御方法でも、刻々と変化する自然現象に対して常に最適な針路を維持するには、頻繁に舵を切り直す必要があり、舵の操作効率は悪くなる。
特開２００３－２２６２９２号公報
　本発明の実施形態の目的は、自然現象による外乱に適した制御をする操船制御装置を提供することにある。
　本発明の観点に従った操船制御装置は、船舶の針路と目標方向との角度差を演算する角度差演算手段と、前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、舵に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算する目標負荷演算手段と、前記負荷測定手段により測定された前記舵に掛かる負荷を測定する負荷測定手段と、前記舵を取るための操船機械と、前記舵に掛かる負荷が前記目標負荷演算手段により演算された前記目標負荷になるように、前記操船機械を制御する操船制御手段とを備える。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る船舶における舵の制御に関する構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図である。 図３は、第１の実施形態に係る制御装置による制御手順を示すフロー図である。 図４は、第１の実施形態に係る船舶の針路と目標方向との角度差を示す簡略図である。 図５は、第１の実施形態に係る船舶の目標負荷を示す簡略図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図である。 図７は、第２の実施形態に係る船舶の舵角と回転数との関係を示す相関図である。 図８は、第２の実施形態に係る制御装置による主機負荷と回転数との関係を示す相関図である。 図９は、本発明の第３の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図である。 図１０は、第３の実施形態に係る帆が取り付けられた船舶の構成を示す構成図である。 図１１は、第１の実施形態に係る操船制御による理想的なコースを示すイメージ図である。 図１２は、第１の実施形態に係る操船制御による舵角と舵負荷との関係を示す相関図である。 図１３は、第１の実施形態に係る操船制御による舵角、ＲＯＴ及び舵負荷の関係を示す相関図である。 図１４は、第１の実施形態に係る船の舵角と舵負荷との関係を示す相関図である。 図１５は、第１の実施形態に係る操船制御による船のローリングの振幅と周波数の関係を示す相関図である。
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る船舶１０における舵４の制御に関する構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る制御装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、異なる部分を主に説明する。
　船舶１０は、例えば、人又は物を載せて海上を航行する大型の船である。なお、船舶１０は、水中にある舵を操作することで方向を変えて移動する物であれば、どのような物でもよい。
　船舶１０は、制御装置１、船体２、プロペラ３、舵４、支持部材５、操船機械６、油圧センサ２１、方位センサ２２、測位センサ２３、ＲＯＴ(回頭角速度、rate of turn)センサ２４、船速センサ２５、舵角センサ２６、航海計画データ記憶部３１、及び、目標負荷データ記憶部３２を備える。
　プロペラ３は、船体２の後方の水中に沈む部分に設けられる。プロペラ３は、エンジンなどの動力源となる主機からの動力により回転することで、図１に示すような水流Ｆｗを発生させる。これにより、船舶１０は、推進力を得る。
　舵４は、船舶１０の針路（船舶１０の前方の向き）を変更するための船具である。舵４は、板形状である。船舶１０の直進時は、舵４は、プロペラ３が作り出す水流Ｆｗに対して抵抗にならないように、船舶１０の直進方向と平行の向きになる。舵４は、プロペラ３が作り出す水流Ｆｗの向きを変えるように、平面部分の角度を直進方向に対して変えることで、船舶１０の針路を変える。
　支持部材５は、舵４をプロペラ３の後方に位置するように支持し、舵４の角度が変えられるように船体２に取り付けるための部材である。
　操船機械６は、舵４の操作をするための機器である。操船機械６は、制御装置１からの指令により、舵４を操作する。例えば、操船機械６は、舵取機である。
　操船機械６は、舵軸６１、回転翼６２、及び、２つの油圧シリンダ６３を備える。
　舵軸６１の下部には、舵４が取り付けられる。舵軸６１が回転するように動作することにより、舵４も回転して、舵４の角度が変わる。
　回転翼６２は、円板形状であり、舵軸６１の上部に取り付けられる。回転翼６２は、２つの油圧シリンダ６３により、回転するように動作する。これにより、舵軸６１も回転翼６２と共に回転することにより、舵４の角度が変わる。
　油圧シリンダ６３は、シリンダ６３２の内部にピストン６３１が挿入された機器である。油圧シリンダ６３は、シリンダ６３２の内部にある油圧により、ピストン６３１が長手方向に動作することで、アクチュエータの役割をする。２つの油圧シリンダ６３は、ほぼ平行になるように配置される。２つの油圧シリンダ６３のそれぞれのピストン６３１の端部は、回転翼６２の表面の外周側の両端にそれぞれ固定される。２つの油圧シリンダ６３のピストン６３１が互いに逆向きに動作することで、回転翼６２を回転させて、舵４の角度を変える。制御装置１は、油圧シリンダ６３の内部の油圧を制御することで、舵４を制御する。
　油圧センサ２１は、油圧シリンダ６３の油圧を測定する。油圧センサ２１は、油圧の測定値を制御装置１に送信する。舵４に加わる負荷が変化すると、油圧シリンダ６３の油圧も変化する。したがって、油圧シリンダ６３の油圧を測定することで、舵４に加わる負荷を測定することができる。なお、油圧センサ２１は、２つの油圧シリンダ６３のそれぞれに設けてもよい。また、舵４に加わる負荷を測定できるのであれば、油圧センサに限らない。例えば、負荷を測定するようなセンサを舵４に直接取り付けて、測定結果を制御装置１に無線又は有線で送信するようにしてもよい。
　方位センサ２２は、船舶１０の現在の針路を測定するセンサである。測位センサ２３は、船舶１０の現在位置を測定するセンサである。ＲＯＴセンサ２４は、船舶１０の現在の回頭角速度Ｒを測定するセンサである。船速センサ２５は、船舶１０の現在の船速ｖを測定するセンサである。舵角センサ２６は、舵角を測定するセンサである。なお、これらのセンサ２１～２６は、目的の測定ができれば、どのようなものでもよい。例えば、センサ２２～２５は、ジャイロコンパス又は衛星測位システムを利用するものでもよい。
　航海計画データ記憶部３１には、目的地までの計画された航路に関する情報が含まれる航海計画データが記憶される。航海計画データ記憶部３１は、制御装置１からの要求に応じて、航海計画データに含まれる情報を送信する。
　目標負荷データ記憶部３２には、目標負荷Ｆｐに関する情報が含まれる目標負荷データが記憶される。目標負荷Ｆｐは、舵４を制御するために、舵４に掛ける負荷の目標となる値であり、操船機械６が舵４を制御するための指令値である。目標負荷データ記憶部３２は、制御装置１からの要求に応じて、目標負荷データに含まれる情報を送信する。目標負荷データは、船体２の形状又は推進機の特性などによって変わるため、個々の船舶１０によってそれぞれ異なる固有のデータである。例えば、目標負荷データは、機械学習プログラムなどにより、船舶１０の試運転時に情報収集され、船舶１０の航行中に情報が随時更新される。
　制御装置１は、制御判断部１１、目標負荷演算部１２、及び、操船制御部１３を備える。なお、制御装置１は、船舶１０の何処に設けられてもよいし、何を目的とする制御装置でもよいし、どのように構成されてもよい。例えば、制御装置１は、操船機械６を制御するための操船制御装置でもよいし、船舶１０を自動操縦するための自動航行制御装置（例えば、オートパイロット）でもよい。また、制御装置１は、操船機械６の近傍又は操船機械６の一部として設けられてもよいし、機関室又は操舵室などの船内に設けられてもよい。さらに、制御装置１は、各種センサ２１～２６及び各種記憶部３１，３２を構成の一部としてもよい。
　制御判断部１１は、航海計画データ記憶部３１に記憶された航海計画データ及び各種センサ２１～２６により測定された測定結果に基づいて、舵４の制御を行うか否かの判断をする。制御判断部１１は、制御を行うと判断した場合、制御を開始する指令と共に、必要な情報を目標負荷演算部１２に出力する。
　目標負荷演算部１２は、制御判断部１１から制御を開始する指令を受信すると、目標負荷Ｆｐを演算する。目標負荷演算部１２は、各種センサ２１～２６による測定結果及び目標負荷データ記憶部３２から得られる目標負荷データに基づいて、目標負荷Ｆｐを演算する。舵４を切る向きについては、目標負荷Ｆｐの符号で表してもよいし、切る向きを目標負荷Ｆｐとは別の指令値にしてもよい。目標負荷演算部１２は、演算した目標負荷Ｆｐを操船制御部１３に出力する。
　操船制御部１３は、目標負荷演算部１２から受信した目標負荷Ｆｐ及び油圧センサ２１により測定された油圧に基づいて、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐになるように制御する。操船制御部１３は、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐになると、制御が終了したことを知らせる通知を制御判断部１１にする。
　図３は、本実施形態に係る制御装置１による制御手順を示すフロー図である。
　制御判断部１１は、方位センサ２２により測定された方位に基づいて、船舶１０の針路を計測する（ステップＳ１０１）。
　制御判断部１１は、測位センサ２３により測定された現在位置及び航海計画データ記憶部３１から受信した航海計画データに基づいて、目標方向を演算する（ステップＳ１０２）。目標方向とは、目的地に着くまでの航海計画に従って航行するために、船舶１０が現在とるべき針路のことである。
　制御判断部１１は、図４に示すような針路と目標方向との角度差δを演算する（ステップＳ１０３）。
　制御判断部１１は、角度差δがゼロであるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。制御判断部１１は、角度差δがゼロであれば、舵４を操作しない。ここで、ゼロとは、針路と目標方向が一致しているとみなせる値であり、舵４を切る必要がないと判断できるような値であれば、厳密にゼロでなくてもよい。また、角度差δについて、舵４を切る必要がない範囲を設けてもよい。制御判断部１１は、角度差δがゼロでなければ、目標負荷演算部１２に、舵４を切る制御を開始する通知をすると共に、演算した角度差δを送信する。
　目標負荷演算部１２は、制御判断部１１から受信した角度差δ、ＲＯＴセンサ２４により測定された回頭角速度Ｒ、及び、船速センサ２５により測定された船速ｖに基づいて、目標舵角Ｔを演算する（ステップＳ１０５）。ここでは、目標舵角Ｔは、海象条件又は気象条件などの自然現象による外乱を考慮せずに、針路と目標方向とを一致させるために理論上求まる舵４を切る角度とする。例えば、目標舵角Ｔは、舵４を制御するために、従来から用いられている方法で求まる舵角でよい。なお、目標舵角Ｔは、どのように求めてもよい。
　目標負荷演算部１２は、演算した目標舵角Ｔ及び目標負荷データ記憶部３２から受信した目標負荷データに基づいて、目標負荷Ｆｐを演算する（ステップＳ１０６）。例えば、目標負荷Ｆｐは、図５に示すように、プロペラ３から出力される水流が舵４の平面部分に垂直に加える負荷に対する指令値である。例えば、目標負荷データには、舵４を目標舵角Ｔにするために、自然現象による外乱を考慮して、現時点で舵４に加える最適な負荷を求めるための情報が含まれる。目標負荷演算部１２は、目標負荷データを用いて目標舵角Ｔを目標負荷Ｆｐに変換することで、目標負荷Ｆｐを求める。目標負荷データを用いることで、外乱などが考慮されるため、舵４に印加されている負荷が目標負荷Ｆｐになった時の舵角が目標舵角Ｔになるとは限らない。目標負荷演算部１２は、演算した目標負荷Ｆｐを操船制御部１３に出力する。
　なお、目標負荷演算部１２により目標負荷Ｆｐを求める場合、水流や波などの海象データ及び風や気温などの気象データを測定して、測定結果をパラメータとして用いて、目標負荷Ｆｐを修正するようにしてもよい。
　操船制御部１３は、油圧センサ２１により測定された油圧から舵４に現在印加されている負荷を求める。操船制御部１３は、舵４に印加されている負荷が目標負荷Ｆｐになるように舵４を切る制御をする（ステップＳ１０７）。例えば、操船制御部１３は、油圧センサ２１により測定された油圧から求まる負荷が目標負荷Ｆｐに達するまで、舵４を切り続ける。
　操船制御部１３は、舵４に印加されている負荷が目標負荷Ｆｐになると、各種センサ２１～２６による測定結果に基づいて、一連の制御による船舶１０の応答データを収集する（ステップＳ１０８）。操船制御部１３は、収集した応答データを目標負荷データ記憶部３２に記憶させる。これにより、目標負荷データが更新され、次回の目標負荷Ｆｐの演算に反映される。操船制御部１３は、これらの処理が終了すると、制御が終了したことを知らせる通知を制御判断部１１にする。
　本実施形態によれば、目標負荷Ｆｐを決定して、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐになるように舵４を切る制御を行うことにより、舵４が目標とする舵角になるように制御する場合と比較して、舵４の操作効率を向上させることができる。
　例えば、風又は水流などの外乱により、船舶１０が流されたり、船舶１０が回頭して、針路が変わったりすることがある。このような場合、舵４を切らなくても、外乱により、船舶１０が目標方向に進む場合がある。
　しかし、針路を目標方向に一致させるように舵角を決定し、決定した舵角になるように舵４を制御する場合、決定した舵角分必ず舵４を切ることになる。このように舵４を切ると、必要以上に船舶１０が回頭し、針路が目標方向を超えて回頭するオーバーシュートの要因になる。
　これに対して、本実施形態のように、舵４に掛かる負荷を油圧センサ２１により測定し、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐになるように制御することで、舵４を切る角度を少なくしたり、舵４の舵角を一定に保つように制御したりすることできる。これは、舵４に掛かる負荷が外乱の影響を受けており、このような負荷を測定して制御に用いることで、外乱を考慮した制御になるからである。これにより、舵４を切る角度及び回数を抑制することができる。
　また、外乱により、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐと一致していれば、針路と目標方向が一致しない場合でも、舵４を切る操作をする必要がない。これにより、針路と目標方向が一致していなくても、舵４を切らずに、外乱を利用して、船舶１０が目標方向に進むことが期待できる。このような状況は、例えば、外乱が無ければ船舶１０を回頭するために船舶１０に加える必要がある力と外乱が釣り合う場合に生じる。
　また、針路が目標方向から離れる方向に外乱が働く場合、舵４に掛かる負荷が目標負荷Ｆｐになるように制御することで、舵４を決定した舵角になるように制御する場合と比較して、舵４を切る回数又は操作時間を抑制することができる。これにより、外乱の影響による船舶１０の迂回距離を短くし、舵４の操作効率及び船舶１０の燃料効率を向上させることができる。
　なお、本実施形態では、目標舵角Ｔを求めてから目標負荷Ｆｐを求めたが、目標舵角Ｔを求めずに、目標舵角Ｔを求めるパラメータを用いて、目標負荷Ｆｐを直接求めてもよい。例えば、船舶１０の現在の状況に合うようなパラメータを求め、試運転又は実際の航行で学習させた経験則がデータとして蓄えられた目標負荷データ記憶部３２を用いて、求めたパラメータから目標負荷Ｆｐを決定すればよい。
（第２の実施形態）
　図６は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置１Ａの構成を示す構成図である。
　制御装置１Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る制御装置１において、船舶１０に設けられた回転数メータ２７による測定結果を受信するようにし、目標負荷演算部１２を目標負荷演算部１２Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。以降では、第１の実施形態と異なる部分について主に説明する。
　回転数メータ２７は、主機であるエンジンの回転数を測定する。回転数メータ２７は、測定した回転数を制御装置１Ａに送信する。なお、回転数メータ２７のように回転数を直接的に測定するものに限らず、推進機であるエンジンの状態を把握できるようなもの、又は、回転数をある程度予測して測定できるようなものでもよい。
　目標負荷演算部１２Ａは、第１の実施形態と同様に求めた目標負荷Ｆｐに対して、回転数メータ２７により測定された回転数を考慮して、最終的な目標負荷ＦｐＡを求める。具体的には、回転数が急激に変化したり、回転数が下がり過ぎたりしないように、目標負荷ＦｐＡを決定する。
　次に、目標負荷ＦｐＡの求め方について説明する。
　図７は、船舶１０において、舵４の舵角と回転数との関係を示す相関図である。グラフｆｒは、主機であるエンジンの回転数を示している。グラフｆｔは、舵角を示している。
　図８は、制御装置１Ａによる主機負荷（エンジンの負荷、例えば、燃料の噴射量）と回転数との関係を示す相関図である。境界線ＢＥは、船舶１０のエンジンの過負荷領域とそうでない領域の境界を示している。即ち、境界線ＢＥよりも上側は、エンジンの過負荷領域を示している。グラフＣＥ１は、制御装置１Ａによる主機負荷と回転数との関係を示している。グラフＣＥ２は、本実施形態と比較するための従来の制御装置による主機負荷と回転数との関係を示している。
　図７に示すように、舵角を急激に取った場合、舵４を切ったことによるプロペラの抵抗増加および船体の回頭によるエンジンの抵抗増加によりエンジンの回転数が、例えば直進状態であるゼロから３５度に急激にした場合、回転数は、約５９［ｒｐｍ］から約４５［ｒｐｍ］に大幅に低下する。
　この時、従来の制御では、図８のグラフＣＥ２に示すように、エンジンの負荷および回転数は推移し、舵４を切ってから一度エンジンの負荷は上昇し、一般的にエンジンにとって過負荷とされる領域の境界線ＢＥを沿って推移する。これに対して、本実施形態では、図８のグラフＣＥ１に示すように、エンジンの状態に合わせて舵４の負荷を制御するか、または、舵４の負荷および船舶１０のＲＯＴに合わせてエンジンの負荷を制御することで、エンジンにとって過負荷の境界線ＢＥにとどまる時間を短くすることが出来る。したがって、目標負荷ＦｐＡは、回転数が急激な変化をしないように、又は、回転数の変化幅が一定の範囲内（例えば、変化率が±１０％の範囲内など）に収まるように、目標負荷ＦｐＡを決定する。また目標負荷ＦｐＡを大きく取らざるを得ない場合はエンジンの負荷を一定に保ち負荷上昇を下げる。
　また、エンジンは、回転を継続させるために必要な最小回転数が決められている場合がある。この最小回転数を下回ると、エンジンは停止する。そこで、目標負荷ＦｐＡは、最小回転数を下回らないように、目標負荷ＦｐＡを決定する。
　なお、目標負荷ＦｐＡは、回転数の変化率と最小値が共に所定条件を満たすように求めてもよいし、いずれか一方が所定条件を満たすように求めてもよい。
　本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、主機であるエンジンの回転数を考慮して、目標負荷ＦｐＡを決定することで、舵４を切る際の舵４又はエンジンに掛かる負担を軽減することができる。
　また上記の制御は船の過大な横滑り（ドリフト）を避け、横滑りによる針路変更後の減速を最小限に落とすことが出来る。
（第３の実施形態）
　図９は、本発明の第３の実施形態に係る制御装置１Ｂの構成を示す構成図である。図１０は、第３の実施形態に係る帆７が取り付けられた船舶１０Ｂの構成を示す構成図である。
　船舶１０Ｂは、第１の実施形態に係る船舶１０に、帆７を取り付け、制御装置１を制御装置１Ｂに代えたものである。制御装置１Ｂは、図２に示す第１の実施形態に係る制御装置１において、帆制御部１４を追加し、目標負荷演算部１２を目標負荷演算部１２Ｂに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。以降では、第１の実施形態と異なる部分について主に説明する。
　帆７は、船舶１０の前方部分に取り付けられた縦帆である。帆７は、飛行機の翼の揚力を得る原理と同様に、風力を推進力に変える。縦帆は、横帆よりも旋回性に優れ、風上方向の推進力を得ることができる。
　なお、帆７は、横帆でもよいし、その他のどのような帆でもよい。また、帆７は、繊維、樹脂又は金属など、どのような材質でもよいし、弾性又は剛性など、どのような特性でもよいし、布形状又は飛行機の翼形状など、どのような形状でもよいし、前方部分に限らず、船舶１０のどの位置に取り付けてもよい。帆７は、船舶１０の形状、用途又は使用環境などに適した構成にしてよい。
　目標負荷演算部１２Ｂは、各種センサ２１～２６による測定結果及び目標負荷データ記憶部３２から得られる目標負荷データに基づいて、第１の実施形態と同様に目標負荷ＦｐＢを演算すると共に、帆７を制御するための指令値となる目標角αを演算する。目標角αは、図１０に示すように、船舶１０の幅方向の中央に位置する中央線と、帆７又は帆７を支持する支持部材とが為す角度に対する指令値である。なお、目標角αは、帆７の位置が決定されるのであれば、何処の角度に対する指令値でもよい。
　帆制御部１４は、目標負荷演算部１２Ｂにより演算された目標角αになるように、帆７の角度を操作する。なお、帆制御部１４を設けずに、手動で、帆７を目標角αになるように操作してもよい。
　本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、帆７を設けて、舵４と共に操作をすることにより、船舶１０の機動性又は走行性を向上させることができる。
　なお、ここでは、第１の実施形態を基本構成として説明したが、第２の実施形態を基本構成として、帆７を設け、回転数を考慮して、舵４及び帆７を制御することにより、第２の実施形態による作用効果に加え、船舶１０の機動性又は走行性を向上させることができる。
　また、目標負荷演算部１２Ｂは、目標角αを演算せずに、帆７の操作角を先に決めて、この操作角をパラメータとして入力し、目標負荷ＦｐＢを演算してもよい。このような構成でも、帆７を利用することで、第１の実施形態よりも、船舶１０の機動性又は走行性を向上させることができる。
（作用効果）
　以降では、第１の実施形態において、目標負荷Ｆｐを決定して、舵４に掛かる負荷（舵負荷）が目標負荷Ｆｐになるように舵４を切る操船制御を行うことよる作用効果の具体例について説明する。なお、他の実施形態においても、同様の作用効果を得ることができる。但し、これらの作用効果は、各実施形態において、必ずしも全て得られなくてもよい。
　図１１に示すように、船舶１０を理想的なコースＣＳに沿うように右側に旋回する操船を行う場合について説明する。
　一般に、船舶は、舵４を切ってから遅れを伴って回頭しはじめる為、ＲＯＴの最大値は舵４を切ってから所定時間後（大型肥大船では４０秒後となった例もある）となる。したがって、従来のように、針路もしくはＲＯＴの測定結果に基づいて、舵４を制御する場合、この所定時間のタイムラグがあるため、制御が遅れ、理想的なコースＣＳに沿うように操船するのは難しい。
　これに対して、本実施形態では、図１２に示すように、舵負荷をグラフＲＬとなるように制御することで、舵角がグラフＲＡとなるように舵４が制御される。図１２は、横軸を時間とし、舵角を示すグラフＲＡの縦軸を角度とし、舵負荷を示すグラフＲＬの縦軸を負荷（割合、０．１＝１０％）として表したものである。
　即ち、海気象や地理的な影響等により舵効きが通常時と異なる条件下においてもグラフＲＡの区間Ｋ１における波形形状のような理想的な舵負荷を掛けることにより、正確に制御することができる。これにより、船舶１０は、図１１に示す理想的なコースＣＳを沿うように旋回する。したがって、舵４を余分に切り過ぎるもしくは不十分に切ることなく、船舶１０を理想的なコースＣＳに沿うように操船することができる。
　次に、図１３を参照して、舵角、ＲＯＴ及び舵負荷の関係について説明する。グラフＲＡ１，ＲＴ１，ＲＬ１は、本実施形態に係る操船制御における舵角、ＲＯＴ及び舵負荷をそれぞれ示している。グラフＲＡ２，ＲＴ２，ＲＬ２は、本実施形態と比較するための従来の舵角、ＲＯＴ及び舵負荷をそれぞれ示している。図１３は、横軸を時間とし、舵角を示すグラフＲＡ１，ＲＡ２の縦軸を角度（度）とし、ＲＯＴを示すグラフＲＴ１，ＲＴ２の縦軸を回転速度（度／分）とし、舵負荷を示すグラフＲＬ１，ＲＬ２の縦軸を負荷（割合、０．０１＝１％）として表したものである。
　区間Ｋ２において、従来の制御では、グラフＲＡ２，ＲＴ２に示すように、舵角及びＲＯＴのいずれも安定している。このような状態で、海流等の外乱によりグラフＲＬ２に示す舵負荷が掛かると、グラフＲＡ２，ＲＴ２に示すように、舵角の切り替えを繰り返しながら、針路を安定させるように制御する必要がある。
　これに対して、本実施形態では、区間Ｋ２において、グラフＲＡ１，ＲＴ１，ＲＬ１（※図の初期時はＲＬ２と同様にする）に示すように、舵負荷が掛かると、この舵負荷を打ち消すように逆方向の舵負荷を掛けることで、ＲＯＴは安定し続け、舵角も最小限に保つことができる。このように、本実施形態では、舵負荷を制御するために舵負荷を常に監視するため、このような制御が可能となる。
　次に、図１４を参照して、船舶１０の運航中における舵角と舵負荷との関係について説明する。グラフＧＳは、舵角と舵負荷との関係を示している。グラフＧＡは、舵角と舵負荷との関係を直線で近似したものを示している。図１４は、横軸を角度（度）とし、縦軸を負荷（％）として表したものである。
　グラフＧＡに示すように、舵角０度の位置よりも右側に、船舶１０の舵角と舵負荷のバランスの中心ＣＴがある。したがって、船舶１０は、最初に舵４を直進方向に向けても、舵力が発生し、片方に曲がることになる。一般的な船舶において、舵負荷のバランスの中心は、舵角０度の位置にはなく、また船舶の状態によっても中心ＣＴは変化する。したがって、従来の舵角による操船制御において、舵角０を中心とした制御をすると、直進時に舵角を極力０度にしようとすることと船舶１０を直進方向に戻そうとすることを繰り返し、ハンチングし、船舶１０の舵４を周期的に操作してしまうことがある。
　これに対して、本実施形態では、舵負荷を制御するため、舵負荷のバランスの中心が舵角０度の位置になくても、中心ＣＴを常に把握し船舶１０を常に直進させるように制御することができる。これにより、舵４の舵角を周期的に変えるような操作は行われない。
　次に、図１５を参照して、船舶１０のロールと舵負荷との関係について説明する。グラフＳＲは、船舶１０のローリングの振幅と周波数の関係を示している。グラフＧＲ１は、本実施形態に係る操船制御による舵負荷の振幅と周波数の関係を示している。グラフＧＲ２は、従来の操船制御による舵負荷の振幅と周波数の関係を示している。図１５は、縦軸を振幅又は負荷の最大値に対する割合（％）とし、横軸を周波数（１／秒）として表したものである。
　周波数の帯域Ｋ３に示すように、従来の操船制御による舵負荷の振幅を示すグラフＧＲ２と、船舶１０のローリングの振幅を示すグラフＳＲは、ピークがほぼ一致している。このことから、従来の操船制御では、船舶１０のローリングにより、舵負荷が掛かることが分かる。
　これに対して、本実施形態に係る操船制御では、目標負荷Ｆｐがゼロであれば、舵負荷が掛からないように舵角が制御される。このため、グラフＳＲに示すローリングの振幅に関係なく、グラフＧＲ１に示すように舵負荷がゼロになるように制御される。これにより、ローリングにより掛かる舵負荷を抑制することができ、船舶１０の運航効率を向上することができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、構成要素を削除、付加又は変更等をしてもよい。また、複数の実施形態について構成要素を組合せ又は交換等をすることで、新たな実施形態としてもよい。このような実施形態が上述した実施形態と直接的に異なるものであっても、本発明と同様の趣旨のものは、本発明の実施形態として説明したものとして、その説明を省略している。

Claims (10)

  1. 　船舶の針路と目標方向との角度差を演算する角度差演算手段と、
    　前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、舵に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算する目標負荷演算手段と、
    　前記舵に掛かる負荷を測定する負荷測定手段と、
    　前記舵を取るための操船機械と、
    　前記負荷測定手段により測定された前記舵に掛かる負荷が前記目標負荷演算手段により演算された前記目標負荷になるように、前記操船機械を制御する操船制御手段と
    を備えることを特徴とする操船制御装置。
  2. 　自然現象による外乱に適した前記目標負荷を求めるための目標負荷データが記憶される目標負荷データ記憶手段を備え、
    　前記目標負荷演算手段は、前記目標負荷データ記憶手段に記憶された前記目標負荷データに基づいて、前記目標負荷を演算すること
    を特徴とする請求項１に記載の操船制御装置。
  3. 　前記船舶の推進機の回転数を測定する回転数測定手段を備え、
    　前記目標負荷演算手段は、前記回転数測定手段により測定された前記回転数に基づいて、前記目標負荷を演算すること
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の操船制御装置。
  4. 　前記船舶の回頭角速度を測定する回頭角速度測定手段と、
    　前記負荷測定手段により測定された前記舵に掛かる負荷及び前記回頭角速度測定手段により測定された前記回頭角速度に基づいて、前記船舶の主機の負荷を制御する主機制御手段と
    を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の操船制御装置。
  5. 　前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、風力を推進力に変える帆を操作するための目標角を演算する目標角演算手段
    を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の操船制御装置。
  6. 　前記帆は、縦帆であること
    を特徴とする請求項５に記載の操船制御装置。
  7. 　船舶の針路と目標方向との角度差を演算する角度差演算手段と、
    　前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、舵に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算する目標負荷演算手段と、
    　前記舵に掛かる負荷を測定する負荷測定手段と、
    　前記舵を取るための操船機械と、
    　前記負荷測定手段により測定された前記舵に掛かる負荷が前記目標負荷演算手段により演算された前記目標負荷になるように、前記操船機械を制御する操船制御手段と
    を備えることを特徴とする自動航行制御装置。
  8. 　舵と、
    　船舶の針路と目標方向との角度差を演算する角度差演算手段と、
    　前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、前記舵に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算する目標負荷演算手段と、
    　前記舵に掛かる負荷を測定する負荷測定手段と、
    　前記舵を取るための操船機械と、
    　前記負荷測定手段により測定された前記舵に掛かる負荷が前記目標負荷演算手段により演算された前記目標負荷になるように、前記操船機械を制御する操船制御手段と
    を備えることを特徴とする船舶。
  9. 　風力を推進力に変える帆と、
    　前記角度差演算手段により演算された前記角度差に基づいて、前記帆を操作するための目標角を演算する目標角演算手段と
    を備えることを特徴とする請求項８に記載の船舶。
  10. 　船舶の針路と目標方向との角度差を演算し、
    　演算した前記角度差に基づいて、舵に掛ける負荷の目標となる目標負荷を演算し、
    　前記舵に掛かる負荷を測定し、
    　測定した前記舵に掛かる負荷が演算した前記目標負荷になるように、前記舵を取るための操船機械を制御すること
    を含むことを特徴とする操船制御方法。
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