JP2004291688A

JP2004291688A - 船体速度制御装置及び方法

Info

Publication number: JP2004291688A
Application number: JP2003083536A
Authority: JP
Inventors: Shunji Mase; 俊次間瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】角速度センサを使用して船体のピッチング制御だけでなく船体速度の制御も可能にする。
【解決手段】本発明の船体速度制御装置は、角速度センサ２が検出した船体１のピッチング角速度ωと同相の信号で船体速度制御信号Ｑを生成する。角速度センサの出力を平滑化手段２１で平滑化して高周波成分を除去し、平滑化したピッチング角速度が所定の閾値±Ｔｈを超えたことを閾値検出手段２２で検出し、速度制御信号生成手段２３で、閾値制御モードか連続制御モードいずれかの速度制御信号を生成する。増幅手段２４は、運転モード切換手段２６１が指示する増幅率に従って、速度制御信号生成手段の出力を増幅する。閾値変更手段２５では、キーボードなどの入力手段２６２からの入力に基づいて閾値を変更する。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、船体速度制御装置及び方法に関し、特に、船体のピッチング角速度と同相の信号で船体速度を制御する船体速度制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、船体の姿勢制御を行うために、角速度センサが使用されている。例えば、フィンスタビライザ付き高速艇が旋回するときの姿勢制御を行うために、船体の横傾斜角速度センサが使用される。フィンスタビライザは、船体が直進しているときは船体を直立させるよう制御されるが、船体が高速旋回するときにも船体を直立させる制御を行えば、乗員は遠心力の影響で外向きに投げ出され、踏ん張ったり、物につかまったりする必要が生じて、乗り心地を非常に悪くしてしまう。これを防止するため、舵角センサ、船速計の出力に基づいて、船体を所用の内傾斜状態に制御するとともに、横傾斜角センサ、横傾斜角速度センサの出力に基づいて、高速旋回中にも減揺を行う（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００３】
また、小型漁船やプレジャーボートなどの小型船舶の動揺を減衰させるため、船体傾斜角速度センサの出力に基づいて油圧シリンダにより浮力体を駆動することもある。具体的には、下面が平板状で前縁を上下回動可能に支持された一対の浮力体を船尾の両舷に設ける。そして、左右の揺れ（ローリング）を減衰させるには、交互にそれぞれの浮力体を上下動させ、前後の揺れ（ピッチング）を減衰させるには、同時に一対の浮力体を上下動させる。角速度センサは、船体の傾斜角（ローリング角度）の変化する速度を検出し、この角速度の正負が分かれば、船体が時計回り、又は、反時計回りの回転運動をしているか判別することができるので、その回転運動を減衰させるようにそれぞれの浮力体を上下動させる（例えば、下記の特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開平５−１６９５号公報（段落０００４、０００７、００１４）
【特許文献２】
特開平６−９２２８９号公報（段落０００４、０００５、００１９）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、角速度センサと浮力体やフィンスタビライザなどを使用してもローリングやピッチングしか制御することができず、適切な船体姿勢、安定した航走を確保するためにはローリングやピッチングの制御だけでは不十分である。
【０００６】
そこで、本発明は、１つの角速度センサを使用して船体のピッチングを制御すると同時に、船体速度も制御することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明においては、角速度センサで船体の前後方向の傾き角度の変化速度、すなわちピッチング角速度を検出し、センサ出力の正負に基づいて、船体がピッチング軸に関して時計回り、又は、反時計回りの回転運動を受けていることを判定する。
【０００８】
波高が上昇しつつあるときは、船首は次第に上に上がり（ピッチング軸に対して反時計回りの回転運動を行い）、波高がピークに達すると船首は水平に向く。そして、波高が下がり始めると船首は次第に下を向く（ピッチング軸に対して時計回りの回転運動を行う）。このように、船体のピッチング角の位相は、波高に対して９０°遅れている。また、ピッチング角速度は、ピッチング角と同相である。すなわち、波高が下がり始めると船体のピッチング角とピッチング角速度は負となり、船体速度は、最高波高から下降するに従って増加する。反面、船体速度は最低波高から上昇するに従って減少する。そこで、本発明においては、ピッチング角速度が負のときは、船体が波高に応じて重力により加速されているため船体を減速するエンジン制御を行い、ピッチング角速度が正のときには、波高に応じて船体が減速されているため船体を加速するエンジン制御を行う。
【０００９】
角速度センサは小型で応答速度が速く、船体の姿勢制御と速度制御に好適である。本発明によれば、重力による加減速が打ち消されて、船体が一定速度で進行することとなる。また、同時に、公知の手段により、ピッチングを抑制することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、船体の前後方向の傾き（ピッチング）と船体速度Ｖを示す船体の概念的側面図である。船体１は、図２〜４に示す波高ｈに応じてＸ方向（水平方向）から反時計（ＣＣＷ）方向にθだけ回転している。海面の表面と水平方向とのなす角度、すなわち、波面接線方向３とＸ方向のなす角度がピッチング角θである。鉛直方向をＺ方向とすると、船体１は、Ｙ軸（図１の紙面に対して垂直方向）を中心として回転運動を受けている。そこで、Ｙ軸を検出軸とする回転運動検出器（例えば角速度センサ、ジャイロなど）２を船体１の適宜の場所に設置する。
【００１１】
船体１は波高ｈの最低値と最高値の間で回転運動を受けるため、波高ｈの最低値と最高値においてピッチング角速度ωはゼロとなる。同様に、ピッチング角θも波高の最低値と最高値においてゼロとなる。また、船体１は、エンジンにより推進力Ｐを得て波面接線方向３に進行するが、ピッチング角θがゼロでないときは、船体重力ｍｇの波面接線方向３の成分に応じて船体１を加速又は減速する作用を持つ。図示した例では、船体重力ｍｇの波面接線方向成分は推進力Ｐと逆向きであるから、推進力Ｐが一定であれば船体速度Ｖは減少する。
【００１２】
Ｙ軸を検出軸とする角速度センサ２は、方式を問わないが、例えば光学式であって、リング共振型半導体レーザの右回り光と左回り光のうなり信号が回転角速度によって変化するセンサであってもよい。また、例えば振動式であって、水晶振動子音叉の圧電効果や半導体シリコン素子の容量変化による変位信号が角速度によって発生するコリオリ力によって変化するセンサであってもよい。
【００１３】
図２は、波高ｈの位相φと船体１のピッチング、加速・減速との関係を示すグラフである。ここで、簡単のため、ｈ＝ｃｏｓφ＋ｃｏｎｓｔａｎｔとする。位相φが０゜、１８０゜、３６０゜のときは、ピッチング角θがゼロであるため、推進力Ｐと船体重力ｍｇは互いに直角方向を向き、船体１は推進力Ｐのみで前進している。しかし、位相φが９０゜のときは、ピッチング角θが−４５゜であるため、船体重力ｍｇの波面接線方向３の成分が推進力Ｐに加算され、船体１は加速される。一方、位相φが２７０゜のときは、ピッチング角θが＋４５゜であるため、推進力Ｐは船体重力ｍｇの波面接線方向３の成分だけ減算され、船体１は減速される。
【００１４】
図３は、波高ｈ、ピッチング角θ、ピッチング角速度ω、船体前進速度Ｖの相互関係を示す波形図である。船体速度（以下前進速度とも言う）Ｖは、ピッチング角θ、ピッチング角速度ωと逆相であり、波高ｈより位相φが９０゜進んでいる。したがって、波高ｈ、ピッチング角θ、ピッチング角速度ωのいずれに基づいても、船体速度Ｖを一定に保つための推進力Ｐの制御信号を生成することはできる。
【００１５】
しかし、角速度センサは、リング共振型半導体レーザや水晶振動子を利用したものなどに見られるように応答速度が速く、小型・軽量で取り扱いやすいため、制御信号の生成に好適である。また、角速度センサが１つあれば、ピッチング制御と速度制御の両方を行うことができるという利点がある。
【００１６】
そこで、船体速度Ｖが加速される位相範囲φ（０゜〜１８０゜）ではピッチング角速度ωが負であることを利用して、ピッチング角速度ωと同相の信号に基づいてエンジン推進力Ｐを減少させる一方、船体速度Ｖが減速される位相範囲φ（１８０゜〜３６０゜）ではピッチング角速度ωが正であることを利用して、ピッチング角速度ωと同相の信号に基づいて推進力Ｐを増加させる。これによって、船体１の前進速度Ｖは一定に保たれる。
【００１７】
しかし、ピッチング角速度ωは、時々刻々変化する波の状態とそれに応答する船体の傾きによって変化するものである。低速の大型船であれば、波長の長い波に対してもある程度姿勢を保つことができる場合もあり、高速の小型船であれば、波長の長短にかかわらず波高変化に敏感である場合もある。そこで、いずれの場合にも対応することができるよう、本発明においては、ピッチング角速度ωに所定の閾値を設定し、角速度センサ２が検出した船体１のピッチング角速度ωはその閾値を超えた場合に、船体速度制御を実行する閾値制御を導入する。
【００１８】
図４は、閾値制御の際のエンジン出力（推進力Ｐ）を制御するための船体速度制御信号Ｑの波形図である。波高変化が船体速度Ｖに与える影響が小さく、ピッチング角速度ωが小さい場合、一般的には、船体の姿勢は比較的安定しているので、速度制御を行う必要はない場合もある。これに対して、ピッチング角速度ωが閾値±Ｔｈを超える場合には、船体１は激しく揺動していることを意味するから、船体速度制御信号Ｑをエンジンの定常運転信号に重畳して速度制御を行う。
【００１９】
図５は、本発明の船体速度制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。この装置は、角速度センサ２が検出した船体１のＹ軸回りのピッチング角速度ωに基づいて船体速度制御信号Ｑを生成する装置である。
【００２０】
運転モードは、連続制御モード（図３のピッチング角速度ωを増幅して船体速度制御信号Ｑを生成する場合）と閾値制御モード（ピッチング角速度ωが図４の閾値を超えた場合の船体速度制御信号Ｑを生成する場合）のいずれかを選択する。
【００２１】
この装置は、角速度センサ２の出力を平滑化手段２１で平滑化して高周波成分を除去し、平滑化したピッチング角速度ωが所定の閾値±Ｔｈを超えたことを閾値検出手段２２で検出し、速度制御信号生成手段２３で、閾値制御モードか連続制御モードのいずれかの速度制御信号を生成する。増幅手段２４は、運転モード切換手段２６１が指示する増幅率に従って、速度制御信号生成手段２３からの出力を増幅する。
【００２２】
この装置はさらに、閾値変更手段２５を備え、キーボードなどの入力手段２６２からの入力に基づいて閾値を変更する。キーボードに代えて、つまみなどを回転してアナログ的に閾値を変更してもよい。閾値の変更を容易にするため、平滑化したピッチング角速度ωをモニタする図示しないモニタ手段を補助的に使用してもよい。
【００２３】
さらに、運転モード切換手段２６１は、速度制御信号生成手段２３に対して運転モードを指示する。運転モードの指示は、例えば、入力手段２６２からの入力に基づく。また、図示しないＣＰＵとコンピュータプログラムにより、自動的に運転モードを切り換えてもよい。
【００２４】
こうして得られた増幅手段２４の出力である船体速度制御信号Ｑは、定常出力運転のためのエンジン制御信号に重畳されて、船体１の前進速度Ｖが一定になるよう制御する。また、制御を最適化するために、運転モード切換手段２６１は、入力手段２６２からの入力に基づいて増幅手段２４の信号増幅率を変更してもよい。
【００２５】
図６は、本発明の船体速度制御方法の実施の形態を説明するためのフローチャートである。
まず、Ｓ１０において、船体１の航行中にピッチング角速度ωが検出される。
【００２６】
次にＳ２０において、ピッチング角速度ωをモニタしたり、運航状況を体感したりすることによって、エンジンの出力制御は必要であるか否かが判断され、必要がなければ、直ちに処理は終了する。処理終了とともに、ピッチング角速度ωの測定を終了してもよい。
【００２７】
エンジン出力制御が必要である場合においては、Ｓ３０において、運転モード切換手段２６１に運転モードが入力される。
次にＳ４０において運転モードが閾値制御モードであるか否かが判断され、閾値制御モードでないならば、運転モードは連続制御モードであるので、Ｓ６２で連続制御が行われる。
【００２８】
閾値制御モードに設定されている場合には、Ｓ５０において、速度制御信号生成手段２３によって、ピッチング角速度ωが閾値±Ｔｈを超えたか否か判断され、超えていないときは速度制御信号を生成せずＳ８０に処理が移行される。
【００２９】
ピッチング角速度ωが閾値を超えた場合には、Ｓ６１において、図４に示したエンジン出力制御信号（速度制御信号）が生成される。また、Ｓ６１において、ピッチング角速度ωをモニタし、閾値±Ｔｈを変更し、閾値制御の最適化を図ってもよい。
【００３０】
Ｓ６１の閾値制御やＳ６２の連続制御に続くＳ７０は、増幅手段２４の信号増幅率を変化させて制御するステップであり、これによってエンジン出力の変動幅を変化させ速度制御の最適化を図る。
【００３１】
Ｓ８０において、これまでに行ってきた閾値制御又は連続制御の結果に基づいて、運転モードを変更するか否かが判断される。この判断には、エンジンの出力制御が必要であるか否かの判断も含まれる。したがって、閾値制御と連続制御との相互のモード変更が行われる場合には、Ｓ３０に処理を戻して所望の運転モードが入力される一方、モード変更が行われない場合には、Ｓ２０に処理を戻して、エンジンの出力制御が必要であるか否かが判断される。Ｓ２０で、エンジン出力制御が必要ないと判断されれば、これによって全処理は終了する。一方、エンジンの出力制御が必要とされれば、引き続いて以前と同じステップを繰り返す。
【００３２】
本発明の船体速度制御装置によれば、船体のピッチング角速度を角速度センサで検出し、検出信号と同相の信号でエンジン出力を一定にすることができる。これによって、波の状態にかかわらず、前進速度を一定に保ち、船の乗り心地を向上させることができる。
【００３３】
また、ピッチング角速度が閾値を超えたか否かによって、運転モードを切り換えるため、有効で最適な船体速度制御が可能となる。
【００３４】
また、加速度センサを使用しているので、加速度センサを使用する公知の方法でピッチングを抑制することも同時に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における船体の前後方向の傾き（ピッチング）と船体速度を示す船体の概念的側面図である。
【図２】本発明の実施の形態における波高の位相と船体のピッチング、加速・減速との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態における波高、ピッチング角、ピッチング角速度、船体前進速度の相互関係を示す波形図である。
【図４】本発明の実施の形態における閾値制御の際のエンジン出力（推進力Ｐ）を制御するための船体速度制御信号の波形図である。
【図５】本発明の船体速度制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図６】本発明の船体速度制御方法の実施の形態を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１船体
２角速度センサ（回転運動検出器）
３波面接線方向
２１平滑化手段
２２閾値検出手段
２３速度制御信号生成手段
２４増幅手段
２５閾値変更手段
２６１運転モード切換手段
２６２入力手段
ｈ波高
ｍｇ船体重力
Ｐ推進力
Ｑ船体速度制御信号（エンジン出力制御信号）
Ｖ船体速度（前進速度）
θ ピッチング角
φ 位相
ω ピッチング角速度

Claims

船体のピッチング角速度を検出する角速度センサと、
前記ピッチング角速度が所定の閾値を超えたことを検出する閾値検出手段と、前記ピッチング角速度と同相の速度制御信号を生成する速度制御信号生成手段と、
前記ピッチング角速度が所定の閾値を超えたときだけ前記速度制御信号を生成する閾値制御運転モードか、前記ピッチング角速度にかかわらず前記速度制御信号を生成する連続制御運転モードかのいずれかを選択する運転切換手段とを備え、
前記速度制御信号生成手段は、前記運転切換手段が選択したモードに従って、前記速度制御信号を生成するよう構成されている船体速度制御装置。
前記閾値を変更する閾値変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の船体速度制御装置。
前記角速度センサの出力を平滑化する平滑化手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の船体速度制御装置。
船体のピッチング角速度を検出し、前記ピッチング角速度が所定の閾値を超えたことを検出し、前記ピッチング角速度と同相の船体速度制御信号を生成して、船体の速度を制御する船体速度制御方法であって、
前記ピッチング角速度が所定の閾値を超えたときだけ前記速度制御信号を生成する閾値制御運転モードか、前記ピッチング角速度にかかわらず前記速度制御信号を生成する連続制御運転モードかのいずれかを選択して運転切換手段に入力するステップと、
前記ピッチング角速度が所定の閾値を超えたことを検出するステップと、
前記運転切換手段に入力されたモードに従って前記速度制御信号を生成するステップと、
前記速度制御信号を生成している最中に前記モードを変更するステップとを、
含む船体速度制御方法。
前記速度制御信号の増幅率を制御するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の船体速度制御方法。
前記ピッチング角速度を監視し前記閾値を変更するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の船体速度制御方法。