Automatic steering system

A device that automatically steers ships and aircraft to maintain a commanded course and altitude. Also called an autopilot. This article focuses on ships, but for aircraft, please see the "autopilot" entry.

The course that can be commanded includes a planned straight course and a course change course to change to a desired course. The former is called automatic straight course steering, and the latter is called automatic course change steering. These two are the basic functions of the automatic steering device. In addition, many automatic steering devices can also perform manual steering, remote steering, and emergency steering.

The Anschutz type autopilot was developed in Germany in 1920, and the Sperry type in America in 1921. In 1922, an autopilot branded "Gyropilot" by Sperry was installed on the American ship Munson Steamship Company's Munnab as the first practical autopilot. In Japan, the North America Maru of Yamashita Kisen was fitted with a Sperry type gyrocompass in 1922 (Taisho 11), and adopted an autopilot after it went into service.

When an experienced helmsman notices from the compass that the course has deviated, he steers the ship back to the original course. When the course starts to return, the rudder is returned to the original course. The steering method is called proportional steering, and the steering angle is made proportional to the return angle of the rudder, so that the steering amount is zero when the course returns to the original course. When proportional steering is used, the bow will swing beyond the original course to the opposite side due to inertia. To prevent this swing to the opposite side, a counter rudder is used, steering the rudder to the opposite side before the bow returns to the original course. The helmsman skillfully uses proportional steering and counter rudder to steer the ship to keep the bow on the intended course. The autopilot must be given a concrete signal based on the helmsman's intuition when looking at the compass and applying the appropriate counter rudder angle, and the autopilot must be able to calculate the optimal movement and control the rudder by calculation. If the deviation angle of the bow from the intended course is now θ, proportional steering is expressed as N θ ( Figure ). Also, counter rudder steering is proportional to the angular velocity of the bow yaw angle, and is R・dθ / dt . Therefore, the steering angle δ is δ＝ Nθ ＋ R・dθ / dt
N and R are proportional constants. N is a constant that determines how many degrees of rudder angle should be applied for 1 degree of bow deviation, and is called rudder angle adjustment. R is a constant that determines how many degrees of rudder angle should be applied for an angular velocity of 1 degree per second, and is called counter rudder adjustment. The deviation signal θ is obtained from a gyrocompass or magnetic compass. The d θ/ dt signal is obtained by applying the θ signal to an electrical differentiator. In recent autopilots, an integral element I ∫θ dt is often added in addition to these two signals. The integral element is necessary to give the rudder a constant steering angle to prevent the ship from being swept to one side by wind, etc. In the past, even if the number of steering operations increased, it was required to faithfully maintain the commanded course. However, steering reduces speed due to rudder resistance, which wastes energy. Recently, autopilots are required to steer to minimize the evaluation function in the following equation.

J = ² + ^λ2
2 is the root mean square of the deviation angle, ² is the root mean square of the steering angle, and λ is a weighting function.

Modern autopilots have been combined with positioning systems and computers to form integrated navigation systems that can navigate automatically along a planned route.

[Yukito Iijima]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

船舶や航空機で、命令された針路、高度を保つように自動的に操舵する装置。オートパイロットautopilotともいう。本項では船舶を中心に記述するが、航空機については「オートパイロット」の項を参照されたい。

　命令される針路には、予定された直進針路、希望の針路に変針する変針針路があり、前者の操舵を自動直針操舵、後者を自動変針操舵といい、この二つが自動操舵装置の基本的な機能である。このほか、手動操舵、遠隔操舵、非常操舵などができるものが多い。

　1920年ドイツでアンシュッツ式のオートパイロットが、21年アメリカでスペリー式が開発された。22年、スペリー社の「ジャイロパイロット」の商品名をつけたオートパイロットが、アメリカのムンソン汽船会社のムナーブ号に実用化第一号として装備された。日本では22年（大正11）山下汽船の北米丸がスペリー式ジャイロコンパスを取り付け、就航後オートパイロットを採用した。

　熟練した操舵手は、コンパスによって針路が偏ったことを知ると、針路を戻すように操舵する。針路が戻り始めると舵(かじ)も元に戻すが、針路の戻り角と舵の戻り角とを比例させて、針路がちょうど元の針路に復したとき操舵量もゼロとなるように操舵する方法を比例操舵という。比例操舵をすると、慣性のために船首は元の針路を越えて反対側に振れてしまう。この反対側への振れを防ぐには、船首が元の針路に戻る前に舵を反対側に操舵する当て舵を行う。操舵手は比例操舵と当て舵とを上手に使って、船首が所定の針路を保つように操舵するのである。オートパイロットには、操舵手がコンパスを見たり、適当な角度の当て舵をとるときの勘を、具体的に信号の形で与え、演算によって最適な動きを算出し舵を制御するようにしなければならない。いま船首の予定針路からのずれ角をθとすると、比例操舵はNθで表される（図）。また当て舵操舵は船首振れ角の角速度に比例する操舵で、R・dθ/dtである。したがって操舵角δは
　　δ＝Nθ＋R・dθ/dt
で与えればよい。NとRは比例定数である。Nは船首1度の偏角に対して何度の舵角をとらせるかを決める定数で、舵角調整といわれる。Rは1秒当り1度の角速度に対し何度の舵角をとらせるかを決める定数で、当て舵調整とよばれる。偏角信号θはジャイロコンパスや磁気コンパスから得られる。dθ/dtの信号はθの信号を電気的微分器にかけて得る。最近のオートパイロットでは、この二つの信号のほかにI∫θdtという積分要素を付加する場合が多い。積分要素は、風などで船が一方に流されるのを防ぐために舵に一定の操舵角を与えるのに必要である。従来は、操舵の回数が多くなっても、命令された針路を忠実に保針することが要求されていた。しかし、操舵すると舵の抵抗のために速力が落ち、エネルギーをむだに消費することになる。最近では次の式の評価関数を最小にするように操舵することがオートパイロットに求められている。

　　J＝²＋λ^2
2は偏角の二乗平均値、²は操舵角の二乗平均値である。λは重み関数である。

　最近のオートパイロットは、測位システムやコンピュータと組み合わせて、予定された航路上を自動的に航海できるような総合航海システムになってきた。

［飯島幸人］

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