JP2005212603A - 船舶推進装置の操舵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 船の運転状態や航行環境等に応じて最適な操舵制御が可能で操舵感覚を向上させることができる船舶推進装置の操舵方法を提供する。
【解決手段】 船尾板に取付けられた船舶推進装置をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて前記操舵駆動装置の制御物理量を演算し、該制御物理量に基づいて前記操舵駆動装置を動作させる船舶推進装置の操舵方法において、前記制御物理量は、予め設定された複数の制御物理量のうちから選択可能である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電動モータを用いた船舶推進装置の操舵方法に関する。

従来の船外機やスターンドライブなどの船舶推進装置（以下単に船外機という）を操舵するステアリング装置は、ケーブル式あるいは手動油圧式の構成であった。ケーブル式の場合、操作荷重が重くなるため、手動油圧式のステアリング装置が一般に用いられていた。

しかしながら、手動油圧式のステアリング装置では、速度に応じた最適な操舵角制御などの複雑な制御ができないことや、油圧配管を必要とするため、船内に配管スペースを要し、構造が煩雑になるとともに組立作業やメンテナンスが面倒になる。

そこで、このような手動油圧方式に代えて、電動モータからなる操舵駆動装置を用いて電子制御によりステアリング操作を行うＤＢＷ（Drive By Wire）方式のステアリング装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。このような電動モータを用いた船外機の操舵方法は、船尾板に取付けられた船外機をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて前記操舵駆動装置の制御物理量を演算し、該制御物理量に基づいて前記操舵駆動装置を動作させるものである。

このような従来の船外機の操舵方法においては、ハンドル入力に対する制御物理量は一義的に定められ、通常は、操舵角に基づく制御指令信号が操舵駆動装置に送られ、操舵角を制御物理量として電動モータを駆動制御していた。

しかしながら、このように一義的に定められた操舵角を制御物理量としてハンドル操作に応じたステアリング操作角に対応させて電動モータの操舵駆動量を制御すると、船舶に対し波や風等の外乱が作用して、船の方向が細かく変化した場合に、電動モータに対し常にフィードバック制御を行って操舵角を維持しなければならず、大きな電力を要する。また、制御物理量が一定であると、船の運転状態や入出港時あるいは海上航行時等の航行環境に応じて最適な操舵感覚が得られる制御物理量、例えば操舵トルク、角速度、旋回径、方位などを目標制御量としてステアリング操作角に対応して電動モータを駆動制御することができない。

特開平４−３８２９７号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、船の運転状態や航行環境等に応じて最適な操舵制御が可能で操舵感覚を向上させることができる船外機の操舵方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、船尾板に取付けられた船舶推進装置をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて前記操舵駆動装置の制御物理量を演算し、該制御物理量に基づいて前記操舵駆動装置を動作させる船舶推進装置の操舵方法において、前記制御物理量は、予め設定された複数の制御物理量のうちから選択可能であることを特徴とする船舶推進装置の操舵方法を提供する。

請求項２の発明では、前記制御物理量は、操舵トルク、操舵角、角速度、旋回径又は方位を含むことを特徴としている。

請求項３の発明では、前記操舵駆動装置は、ＤＤ型電動モータからなることを特徴としている。

請求項４の発明では、運転者が前記制御物理量を選択できる選択手段を設けることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、操舵駆動装置に対し制御指令を行う物理量が選択可能であるため、船の運転状態や航行環境等に応じて最適な操舵制御が可能となって操舵感覚を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、操舵トルク、操舵角、角速度、旋回径又は方位を操舵の制御物理量として選択できるため、運転状態や航行環境に合せて物理量を選択して適切な操舵制御を行い操船感覚を高めることができる。

請求項３の発明によれば、ＤＤ型電動モータを用いることにより、前述のように運転状態や航行環境に合せて物理量を選択して適切な操舵制御を行い操船感覚を高めることができるとともに、ステアリング機構の小型化及びレイアウトの簡素化が図られる。

請求項４の発明によれば、運転者が制御物理量を選択できるため、運転状態や航行環境に応じて物理量を選択し、自分の好みの操船感覚で操舵することができる。

図１は、本発明が適用される船外機の全体平面図である。
船体１の船尾板２にクランプブラケット４を介して船外機３が取付けられる。船外機３はスイベル軸６廻りに回転可能である。スイベル軸６の上端部にステアリングブラケット５が固定される。ステアリングブラケット５の端部５ａに操舵駆動装置１５が連結される。この操舵駆動装置１５は後述のようにＤＤ型モータにより構成される。船体１の運転席にハンドル７が備わり、その操作角度がハンドル軸８を介してステアリング操作角検出装置９により検出される。検出されたハンドル操作角度は、電気信号の操舵角信号としてケーブル１０を介して船外機のコントローラ１１に送られる。コントローラ１１は、この操舵角信号に基づいて、操舵駆動装置１５を駆動して船外機３をスイベル軸６廻りに回動させて船体１を操舵する。

本発明では、ハンドルの操作角度を検出し、これをＣＰＵで演算処理して操舵制御する物理量に変換し、この物理量に基づく制御指令信号を船内ＬＡＮやＣＡＮ等の通信回線を通して操舵駆動装置に送信する。なお、通信回線は、銅線を用いた有線でもよいし、あるいは無線又は光ファイバによる通信でもよい。

このような演算処理を行うＣＰＵは、ハンドル側に設けたステアリング操作角検出装置９内に組込んでもよいし、あるいは船外機側のコントローラ１１内に組込んでもよい。

図２は、本発明に係る船外機の操舵装置の構成図である。
船外機３は、チルト軸１２廻りに回動してチルト動作可能である。このチルト軸１２の両端部に支持部材１８を介してボールネジ１６が固定される。このボールネジ１６上にＤＤ型モータ１７が装着される。このＤＤ型モータ１７は、ハウジングユニット２０に保持され、このハウジングユニット２０とともにボールネジ１６上を、矢印Ａのように、スライドする。このボールネジ１６、ＤＤ型モータ１７及びハウジングユニット２０により操舵駆動装置１５を構成する。

ハウジングユニット２０に板状の連結ブラケット１９が固定される。連結ブラケット１９は、連結ピン１３を介してステアリングブラケット５の端部に連結される。連結ブラケット１９がハウジングユニット２０とともに矢印Ａのようにスライドすると、連結ピン１３が、ステアリングブラケット５に設けた長孔１４内を移動しながら、このステアリングブラケット５をスイベル軸６廻りに回転動作させる。

図３は、本発明の操舵方法を説明するブロック図である。
運転者がハンドル７を操作してその操作角度が検出される。このハンドル操作角度に応じて目標操舵量が算出される。この目標操舵量は、操舵量を制御する物理量を用いて算出される。この物理量は、操舵トルク、操舵角、角速度、旋回径、方位のいずれかを選択して用いる。

操舵トルクを用いれば、船体に対し波や風等の外乱が作用して、船の方向が細かく変化した場合に、ステアリング操作角に基づく一定のトルクを付与するため、電動モータに対する頻繁な電流制御がなくなり、消費電力が減少する。

操舵角を用いれば、運転者の視覚による操舵感覚で操船することができ、自然な操舵感覚が得られる。

角速度あるいは旋回径を用いれば、運転者に対する遠心加速度等の体感による操舵ができ、操舵制御を繰り返す入出港時に適した操舵制御ができる。

方位を用いれば、自動航行に適した操舵制御ができる。
このような操舵制御の物理量は、切換スイッチにより選択可能とすることができる。この場合、１つの物理量を選択するだけでなく、複数の物理量を複合的に用いて、各物理量の割合を設定して用いてもよい。

このような選択された物理量を用いて目標操舵量を算出し、この目標操舵量に基づいてアクチュエータ（図２の例ではＤＤ型モータ１７）を駆動して船外機３を操舵制御する。

図４は、本発明に係る操舵制御プログラムを実行する演算処理回路（ＣＰＵ）を備えた電子制御装置のブロック図である。

このブロック図は、ハンドル側及びアクチュエータ側にそれぞれ備わるＥＣＵのうちハンドル側のＥＣＵの構成を示すものである。ハンドル側ＥＣＵ及びアクチュエータ側のＥＣＵ同士は相互にネットワークで情報伝達して操舵制御を行う。

電子制御装置（ＥＣＵ）２３は、操舵制御プログラムが格納されたマイコンからなるＣＰＵ２４を備え、パワー系電源回路２５と、制御系電源回路２６と、ＣＡＮトランシーバ２７と、外部書込用通信回路２８と、発振回路２９と、トルクモータ３６が接続するモータドライバ３０と、トルクセンサ３７が接続するトルクセンサ入力回路３１と、それぞれＨＩＣ（ホール素子）３８，３９が接続する２つのＨＩＣ入力回路３２，３３と、ＬＥＤ４０が接続するランプ出力回路３４と、ブザー４１が接続するブザー出力回路３５と、指令物理量切換スイッチ４２が接続するスイッチ入力回路４３とにより構成される。

この電子制御装置２３は、前述の図１のステアリング操作角検出装置９又はコントローラ１１内に組込まれる。

パワー系電源回路２５には第１バッテリ及び第２バッテリが接続される。このパワー系電源回路２５は、第１及び第２バッテリの電源を２系統のまま制御系電源回路２６に入力するとともに、ＣＰＵ２４の指令により、リレーなどの切換回路（不図示）で、いずれかのバッテリ電源をモータドライバ３０に供給する。この場合、エンジンを始動する出港時に、２つのバッテリのうちいずれか一方のバッテリを切換回路を介して駆動電源として接続し、走行中にバッテリ能力が低下したら他方のバッテリに切換えるようにＣＰＵ２４のバッテリ切換えプログラムを構成してもよいし、あるいは２系統のバッテリの電圧及びモータ電流からあるいはバッテリ残量等からバッテリ能力を比較し、能力の高い方のバッテリを選択するようにＣＰＵ２４のバッテリ選択プログラムを構成してもよい。

なお、出港前の電源ＯＮ直後に、２系統のバッテリ電源それぞれの容量や能力チェック及びモータの動作確認を行い、異常があればＬＥＤやブザーで警告して出港前に対処しておくことが好ましい。

ＣＰＵ２４にはさらに、指令物理量切換スイッチ４２によって選択された物理量選択信号がスイッチ入力回路４３を介して入力される。ＣＰＵ２４は、この物理量選択信号に基づいて目標操舵量の演算に用いる物理量を決定し、目標操舵量を演算し、モータドライバ３０を介してトルクモータ３６を駆動する。

制御系電源回路２６は、パワー系電源回路２５からの２系統のバッテリ電源を相互に廻り込まないようにダイオードなどで系統分離し、これらの２系統のバッテリ電源をＣＰＵ２４に伝達する機能と、ＣＰＵ２４を動作させるための適切な電圧に変換する定電圧機能を有する。

モータドライバ３０は、パワー系電源回路２５から切換回路を介して供給されるバッテリ電源によって、ＣＰＵ２４からのＰＷＭ制御信号を増幅し、ハンドルに備わるトルクモータ３６を作動制御する機能と、このトルクモータのモータ電流をＣＰＵ２４に伝達する機能を有する。

ＣＰＵ２４は、トルクモータ３６に供給されるバッテリ電圧を検出してバッテリ能力が所定値以下に低下したら、パワー系電源回路２５に電源切換え指令を出す。これとともに、ランプ出力回路３４を介してＬＥＤ４０を点灯（又は点滅）させることにより警告表示し、ブザー出力回路３５を介してブザー４１を鳴らす。さらにこのバッテリ能力低下状態の信号をＣＡＮトランシーバ２７を介して外部（例えば運転席）に送信する。

外部書込用通信回路２８は、ＣＰＵ２４のプログラムを書き換えるための回路である。発振回路２９は、ＣＰＵ２４の発振回路である。

トルクセンサ３７は、ステアリング操作角度に応じてトルクモータ３６を駆動したときに、ハンドル及びトルクモータへの反トルクを検出して適切な操舵量が得られたかどうかをフィードバック制御するためのものである。

ＨＩＣ３８，３９は、ステアリング操作角度を検出するためのポテンショメータとして用いられる。２個のＨＩＣ３８，３９を用いることにより、検出の信頼性が高まる。

図５は、本発明の操舵制御方法を説明するブロック図である。
運転者のハンドル操作により、フリクション機構４４を介して抵抗が付加されながらハンドル軸が回転する。このハンドル角度変化がＨＩＣ３８，３９からなるポテンショ機構で検出され、ハンドル操作角度がＣＰＵ２４の目標操舵量演算部に入力される。

このＣＰＵ２４の目標操舵量演算部には、運転状態を検出する各種センサから送受信部４６を介してエンジン回転数、角速度、船速、操舵トルク等の検出信号が入力される。さらにこの目標操舵量演算部には、指令物理量切換スイッチ４２の切換え操作に応じて選択された物理量が入力される。目標操舵量演算部は、ポテンショ機構からのハンドル操作角度信号（ステアリング操作角）及び必要に応じてエンジンの運転状態を補正ファクターとして、選択された物理量で目標操舵量を演算してその指令信号をＤＤモータ１７に送り、船外機３を操舵する。

ＣＰＵ２４は、演算した目標操舵量でトルクモータ３７を駆動する場合、図４に示すように、目標トルクと目標電流をそれぞれ目標トルク演算部及び目標電流演算部で算出し、トルクと電流をフィードバック制御して制御ハンドルトルクを求めて目標操舵量を算出する。

上記本発明の実施例において、
ａ．電動ステアリング機構を構成する操舵駆動装置用のＥＣＵは、この操舵駆動装置内部に設けることが好ましい。これにより、電動ステアリング用ＥＣＵを別部品として取付ける必要がなくなり構成が簡素化するとともに、このＥＣＵを船外機のオプションとした場合に標準価格が増大しない。

ｂ．２機掛け等の場合、複数のアクチュエータを１つのハンドルで操作可能とすることが好ましい。ハンドル操作に応じて左右それぞれのアクチュエータに別々の操舵制御信号を送信することにより、２機の船外機の相互の方向を直進、旋回、高速、低速、前進、後進等の運転状態に応じて最適な操舵角となるように、また真横移動が可能とするように操船することができる。

ｃ．上記ａのＥＣＵには、操舵角その他の制御指令物理量を演算するＣＰＵや、アクチュエータ及びトルクモータを駆動するモータドライバが備わり、これらを駆動する通信回線としてＬＡＮ通信機能が備わる。これにより、操舵速度、操舵トルク、操舵角度範囲を適切に制御でき、ＬＡＮにより配線の追加なしにシフト位置、スロットル開度、エンジン回転数、船速などの情報を加味した細かな制御が可能になる。

ｄ．操縦用のハンドルは、ジョイスティックの構造であってもよい。これにより、特に真横移動や定点保持などの制御が効果的にできる。

ｅ．電源を２系統にし、ハンドルに操舵運転モードの切換スイッチを設けるとともに、ハンドルにランプ、ブザーだけでなくバイブレータを設けることが好ましい。これにより、１つの電源が喪失あるいは能力低下しても直ちに他方の電源に切換えて操舵することができる。また、操船者の好みに応じた操舵運転モードでステアリング制御することができ操舵感覚が向上する。さらに、ハンドルのバイブレータにより、運転状態や異常状態を視覚、聴覚だけでなくハンドルを握る手を通して体感で検知することができる。

ｆ．上記ｅの場合、電源の切換えは、電圧などの状態によって、ＣＰＵが判断して自動で切換えることができる。これにより、故障による影響が発生する前に、操船者の手動によらず、フェールセーフで電源を切換えて故障に対処できる。また、モード切換スイッチ及びランプは、複数操船席の場合の操船席切換スイッチと兼用してもよい。これにより、複数操船席艇の船体機構を効率的に利用してコンパクトな構成が実現できる。ランプの点滅により異常を表示してもよい。また、点滅回数により、異常位置や部品を表示するダイアグ機能を備えてもよい。この場合、ランプは、ＬＥＤでもよいし、ドットマトリクス液晶により文字や図形を表示するＬＣＤ表示でもよい。これにより、故障箇所が分かり易くなり、迅速な対処ができる。

ｇ．エンジン回転数、角速度、船速情報入力部を備え、その値に応じて目標操舵角の制限や応答の遅延を行ってもよい。これにより、急転舵により操船者が意図しない速度で旋回してしまうことのないようなハンドル操作感を実現できる。

ｈ．エンジン回転数、角速度、船速情報入力部を備え、かつハンドル操作力に対する反トルクを発生する装置（例えば反トルクモータ）をハンドル内に設け、入力情報に応じた反トルクを発生させてもよい。反トルク制御は、ハンドル内に装備された反トルクセンサによるフィードバック制御で行う。この場合、エンジン回転数、船速が増加するに伴って反トルクの量が増すように制御する。これにより、高速安定性と離着岸時の操作性を両立するとともに、実際の操舵トルクの感触を手に伝え、良好な操舵感覚が得られるように操舵制御できる。また、モータやセンサを別部品として組立てる必要がなくなり、ＬＡＮによる配線の簡素化とあいまって、組立性やリギング性が向上する。

ｉ．角速度、操舵トルク、操舵角情報の入力部を備え、その値に応じて目標操舵角度の微調整を行ってもよい。これにより、操船者が外乱等に対し操舵角を細かく微調整するあて舵を行う必要がない操舵制御が実現される。

ｊ．角速度センサを振動型センサで構成し、これをアクチュエータ内に設けてもよい。これにより、確実に急転舵を防止しかつ構成の簡素化を図ることができる。

ｋ．エンジン回転数、角速度、船速の情報入力部を備え、その値に応じて操舵角の制限や操舵トルクの遅延を行ってもよい。これにより、操船者が意図した速度で旋回できる。

ｌ．エンジン回転数、角速度、船速、シフト位置、スロットル開度の情報入力部を備え、その値に応じた操舵トルクの制御を行ってもよい。これにより、航走状態が変化しても、適切な操舵感覚が得られる。

ｍ．モータ電流入力部を備え、電流変化により潮付による操舵抵抗の増加を検知してもよい。これにより、アクチュエータ可動部に潮付などが発生して操舵抵抗が増加したときに、操船者に知らせて、これに迅速に対処することができる。なお、潮付などの異常判定は、電源投入直後で、シフトニュートラル時に、アクチュエータを左右に動かす初期判定動作によって判断してもよい。潮付の異常警告は、ＬＡＮを介してハンドルその他の表示器又はブザー等の警報装置で警告することが好ましい。

ｎ．多機掛け船外機の場合、相互のアクチュエータ間での情報交換により、協調制御を行ってもよい。この場合、制御基準となるアクチュエータを１つ設定してもよい。又は、ハンドル側で適切な指令を各アクチュエータに送ってもよい。これにより、多機掛けの場合でも、１機と同様の操船感覚で操舵することができ、また、円滑な協調制御ができる。

ｏ．情報入力部からの各種情報に基づく制御パラメータは、遺伝的アルゴリズムを用いて、学習データに基づいて操舵制御を行ってもよい。これにより、エンジンの数、馬力、ボート形態等にかかわらず、運転履歴に基づいて、個々の船舶において頻度の高い運転状態の操舵モードにより適切な操舵制御ができる。

ｐ．上記実施例では、目標操舵量に基づいて船外機を操舵制御するアクチュエータとしてＤＤ型電動モータを用いたが、それに限らず本発明は各種操舵アクチュエータに対し適用可能である。

本発明は、特に海上を航行する小型船舶の船外機に適用することにより走行時の運転状態や航行環境に応じて最適な操舵制御ができ、操船感覚が向上し顕著な効果が得られる。

本発明の実施形態に係る船外機の全体平面図。 図１の船外機部分の詳細図。 本発明の指令物理量の説明図。 本発明の操舵制御方法を実施するハンドル側のＥＣＵのブロック図。 本発明の操舵制御方法の動作を示すブロック図。

符号の説明

１：船体、２：船尾板、３：船外機、４：クランプブラケット、
５：ステアリングブラケット、５ａ：端部、６：スイベル軸、
７：ハンドル、８：ハンドル軸、９：ステアリング操作角検出装置、
１０：ケーブル、１１：コントローラ、１２：チルト軸、
１３：連結ピン、１４：長孔、１５：操舵駆動装置、
１６：ボールネジ、１７：ＤＤ型モータ、１８：支持部材、
１９：連結ブラケット、２０：ハウジングユニット、
２３：電子制御装置（ＥＣＵ）、２４：ＣＰＵ、
２５：パワー系電源回路、２６：制御系電源回路、
２７：ＣＡＮトランシーバ、２８：外部書込用通信回路、
２９：発振回路、３０：モータドライバ、
３１：トルクセンサ入力回路、３２：ＨＩＣ入力回路、
３３：ＨＩＣ入力回路、３４：ランプ入力回路、３５：ブザー入力回路、３６：トルクモータ、３７：トルクセンサ、３８，３９：ＨＩＣ、
４０：ＬＥＤ、４１：ブザー、４２：指令物理量切換スイッチ、
４３：スイッチ入力回路、４４：フリクション機構、４５：電流センサ、
４６：送受信部。

Claims (4)

1. 船尾板に取付けられた船舶推進装置をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて前記操舵駆動装置の制御物理量を演算し、該制御物理量に基づいて前記操舵駆動装置を動作させる船舶推進装置の操舵方法において、
   前記制御物理量は、予め設定された複数の制御物理量のうちから選択可能であることを特徴とする船舶推進装置の操舵方法。
2. 前記制御物理量は、操舵トルク、操舵角、角速度、旋回径又は方位を含むことを特徴とする請求項１に記載の船舶推進装置の操舵方法。
3. 前記操舵駆動装置は、電動モータからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶推進装置の操舵方法。
4. 運転者が前記制御物理量を選択できる選択手段を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の船舶推進装置の操舵方法。

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