JP2007062678A - 船舶の操舵方法及び操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 船の挙動に的確に対応した反トルクをハンドルに付与する船舶の操舵方法及び操舵装置を提供する。
【解決手段】 船尾に船舶推進機を備えた船舶への外力に対応してハンドルに反トルクを付与する船舶の操舵方法において、操舵角及び船の挙動を検出し、該検出結果に基づいてハンドルの切り始めか否かを判別し、該判別結果に応じてハンドルに反トルクを付与する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、船舶の操舵方法及び操舵装置に関する。

船尾に船外機やスターンドライブなどの船舶推進機（以下単に船外機という。）を取付けた船舶では、舵切り装置を介して船尾に船外機を取付けることにより、船外機自体を船体に対し左右に振らせて転舵し舵を切る。

このような船外機の舵切り装置として、電動モータを用いた電動ステアリング装置が特許文献１に記載されている。しかし、この特許文献１の電動ステアリング装置では、ハンドルで操舵したときに船外機に対する外力がハンドルに戻ってこないため、外力に応じた操作感覚（ハンドルを切ったときの操作速度や操作角度による重い感じ軽い感じ等の操作感覚あるいは、波や風等の外力の影響によるハンドル操作の感覚）が得られない。このため、操舵による船の運転感覚が得られず、船に作用する外力が認識しにくく、外力による船の動きに対し迅速に対応できない。

この点に関し、船のプロペラ回転に起因するパドルラダー効果（ジャイロ効果）等の外力を考慮してハンドル操舵角に応じた反トルクをハンドルに付与する操舵方法が特許文献２に記載されている。しかし、特許文献２の操舵方法では、船の姿勢や速度あるいはヨーレートや横加速度などの船の挙動に対して的確に対応した反トルクが付与されないため、運転状況が認識しにくく、外力による船の動きに的確かつ迅速に対応できない。

一方、自動車の舵取装置が特許文献３に記載されている。この舵取装置は、自動車のステアリング装置で、反力モータを設け、車速やヨーレートなどの検出結果に基づいてハンドルに付与する反トルクを算出して反力モータからハンドルに反力を与えるものである。

しかしながら、水上に浮かんで水を介して船体に推進力を付与する船の挙動は、陸上の自動車の挙動とは異なり、独特の挙動を示す。したがって、特許文献３のステアリング装置の反トルクをそのまま船舶に適用することはできない。

特許第２７３９２０８号公報 特許第２９５９０４４号公報 特開平１０−２２６３４６号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであり、船の挙動に的確に対応した反トルクをハンドルに付与する船舶の操舵方法及び操舵装置の提供を目的とする。

請求項１の発明は、船尾に船舶推進機を備えた船舶への外力に対応してハンドルに反トルクを付与する船舶の操舵方法において、操舵角及び船の挙動を検出し、該検出結果に基づいてハンドルの切り始めか否かを判別し、該判別結果に応じてハンドルに反トルクを付与することを特徴とする船舶の操舵方法を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記船の挙動は、ヨーレート、横加速度、転舵荷重、速度及びロール角のうち１又は２以上に基づいて検出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、ハンドルの切り始めには反トルクを付与しないことを特徴とする。

請求項４の発明は、船尾に舵切り装置を介して取付けられた船舶推進機と、ハンドルに対し船舶への外力に対応した反トルクを付与する反力モータと、ハンドルの操舵角センサと、船の挙動検出手段と、前記反トルクを算出する制御装置とを備えた船舶の操舵装置において、前記制御装置は、操舵角及び船の挙動に基づいてハンドルの切り始めか否かを判別し、該判別結果に基づいて前記反トルクを算出することを特徴とする船舶の操舵装置を提供する。

請求項１の発明によれば、ハンドル切り始めに独特の挙動を示す船舶に対し、外力に対応した的確な反トルクをハンドルに付与して運転感覚を向上させるとともにハンドル操作性を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、ヨーレート、横加速度、転舵荷重、速度及びロール角のうち１又は２以上に基づいて船の挙動を的確に検出できる。

請求項３の発明によれば、船の挙動の特徴となるハンドル切り始めの挙動に適切に対処できる。すなわち、船は、ハンドル切り始めに旋回方向内側に傾斜するという挙動特性がある。このため、遠心力による外向きの横加速度とともに内向きの横加速度分力が発生する。したがって、単にハンドル操舵角に応じて外向きの横加速度に対応した反トルクを付与するとハンドルが軽くなりすぎて回しすぎになることがある。そこで、ハンドル切り始めには反トルクを付与しないことにより、このようなハンドルの回しすぎを防止することができる。

請求項４の発明によれば、ハンドル切り始めに独特の挙動を示す船舶に対し、制御装置が、船の挙動に対応した的確な反トルクを算出し、この反トルクを反力モータを介してハンドルに付与することにより、運転感覚を向上させるとともにハンドル操作性を向上させることができる。

図１は、本発明が適用される船外機を備えた小型船舶の全体平面図である。
小型船舶１の船体１６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、ほぼ垂直なスイベル軸（操舵ピボット軸）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の前端部５ａに舵切り装置１５が連結される。この舵切り装置１５は、例えばＤＤ（Direct Drive）型電動モータからなり、船尾板２と平行に設けたネジ軸（不図示）に沿ってモータ本体（不図示）がスライド動作する。このモータ本体にステアリングブラケット５の前端部５ａを連結することにより、モータ本体のスライド動作に連動して船外機３をスイベル軸６廻りに回転させる。

船体１６の運転席にハンドル７が備わり、そのハンドル軸８の根元にハンドル制御部１３が備わる。ハンドル制御部１３にはハンドル操舵角センサ９及び反力モータ１１が備わる。ハンドル制御部１３は、信号ケーブル１０を介して制御装置（ＥＣＵ）１２に接続される。制御装置１２は、舵切り装置１５に接続される。

制御装置１２には挙動検出手段１４が接続される。この挙動検出手段１４は、ヨーレートセンサ、横加速度センサ、速度センサ、ロール角センサなどからなる。

制御装置１２は、ハンドル操舵角センサ９からの検出信号に基づいてハンドル操作による操舵量を検出し、このハンドル操舵量とともに、速度や加減速状態等の走行状態に応じて、舵切り装置１５による舵切り方向を定める転舵角を算出する。この転舵角の指令信号を舵切り装置１５に送信してそのＤＤモータを駆動し、船外機３をスイベル軸６廻りに回転させて転舵する。

さらに制御装置１２は、ハンドル操舵角とともに船の挙動に対応してハンドル７に対し、反力モータ１１を介して反トルクを付与する。

図２は、本発明に係るステアリング装置の基本構成図である。
船外機３には、風や波による力や転舵時の回動の抵抗力などの外力Ｆ１とともに、プロペラの回転に起因するプロペラ反力Ｆ２として、舵（船外機）に対し一定の偏倚力が作用し、船を常に一定方向に偏って進ませようとする力が作用する（パドルラダー効果）。舵切り装置１５により船外機３を転舵するときに、外力Ｆ１及びプロペラ反力Ｆ２の合力Ｆが舵切り装置１５に対する転舵荷重として作用する。この転舵荷重Ｆ（＝Ｆ１＋Ｆ２）は荷重センサ１７により検出される。検出された転舵荷重Ｆは制御装置１２に入力される。

操船者によりハンドル７が回されて操船操作されると、その回転操作量が操舵角センサ９で検出され、操舵角αの検出情報が制御装置１２に入力される。制御装置１２にはさらに、船外機３のトリム角やプロペラサイズなどの船の情報が入力される。さらに制御装置１２には、速度情報、エンジン回転数情報、スロットル開度情報、ヨーレート情報、姿勢情報（ロール角情報）、横加速度情報が入力される。これら各種情報に基づいて制御装置１２は船の挙動を検出する。加速時や減速時に操船者によりアクセルレバー等のアクセル１８が操作されると、これに連動してスロットルバルブが開閉動作して過渡状態の運転となる。この加減速時のスロットル開度は、スロットル軸に設けたスロットル開度センサ（不図示）により検出される。スロットル開度情報は、スロットル開度センサの検出信号でもよいし、あるいはアクセル１８の操作量を検出した信号でもよい。

制御装置１２は、上記船の情報及びその他の情報に基づく走行状態に応じて、予め設定してある転舵特性に基づいて、ハンドル操作による操舵角αに対応した船外機の転舵角を算出する。

制御装置１２は、転舵角の算出やエンジン駆動制御とともに、走行状態や外力の状態及び船の挙動に応じてハンドル操作量に対応した反力を算出し、その反力を反力モータ１１によりハンドル７に付与して操船感覚を向上させる。

図３は、舵切り装置の構成図である。
舵切り装置１５を構成する電動モータ２０は、ネジ棒１９に装着され、このネジ棒１９に沿って摺動する。ネジ棒１９の両端は支持部材２２により船尾板（不図示）に固定される。２３はクランプブラケットのクランプ部分である。２４はチルト軸である。船外機３（図１参照）のスイベル軸６にステアリングブラケット５が固定され、このステアリングブラケット５の前端部５ａに連結ブラケット２１を介して電動モータ２０が連結される。

このような構成において、ハンドル操舵量に応じて電動モータ２０をネジ棒１９に沿って摺動させることにより、船外機をスイベル軸６廻りに回動させて転舵することができる。

以下、船舶の挙動の特徴とともに本発明の操舵方法について説明する。
図４は、舵切り動作による回頭時の船舶の旋回挙動説明図である。

（Ａ）は、直進中の船舶を船尾側から見た図であり、船尾板２に取付けられた船外機３は真直ぐ後方を向いている。

（Ｂ）は、左旋回時の挙動を示す。左旋回時には、船外機３を左に振らせて船尾を押す推進力を右に向ける。これにより、船尾が右前向きに押されて船体前部を左に向けるため、船体は左に旋回する。このとき船外機３は、水中で船体に対し推進力を作用させるため、右向きの推進力により、船体は左（旋回方向の内側）に傾く。すなわち、ロール角が内側に角度θだけ下がる姿勢になる。

（Ｃ）は、（Ｂ）の左旋回時の操船者への横加速度を示す。旋回時には操船者に対し、鉛直下向きの重力ｇと横方向外向きの遠心力（横加速度）Ｇが作用する。ロール角がθだけ内側に傾いていると、操船者に対する横方向外向きの遠心力Ｇ’は、
Ｇ’＝Ｇcosθ
となる。また重力ｇの横方向の分力をｇ’とすると、
ｇ’＝ｇsinθ
が操船者に対し横方向内向きに作用する。

したがって、傾斜した状態の操船者に対する横方向外向きの横加速度Ｇ”は、
Ｇ”＝Ｇ’−ｇ’＝Ｇcosθ−ｇsinθ
となり、水平状態に比べ減少する。これにより、実際の船の回頭時には、直進状態からハンドルの切り始めたときに船が旋回方向の内側に傾くとともに、後述の図５（Ｂ）に示すように、横加速度が負（内向き）になる。これは自動車等の乗物とは逆の挙動である。

すなわち、本発明は、船外機のハンドル操作で、急激な姿勢変化や挙動変化が起きないように操作しやすいハンドルの操作反力を与えることを目的としている。現状では、操船者がハンドル操作する際に、急激に船体が傾斜したり遠心力が増えないように慎重にハンドル操作している。

船外機を備えた船舶の特徴として、旋回中は自動車などとは逆に船体が内側に傾斜する特性がある。これは船体が水に浮いていること及び推力が船体後部の水面下に作用することに起因する。したがって、操船者の真横方向に作用する遠心力が小さくなること及び内側に傾く分の重力の分力が遠心力を打消すことにより、操船者の横方向で旋回の外側に向く力は合計で小さくなる。

図５は、横加速度に応じたハンドルへの反トルクによる操作性説明図である。
（Ａ）は、時間ｔに対する操舵角αを示す。ハンドル切り始め時点ｔ１から、単にハンドル操舵角に応じて反トルクを付与すると、前述のように船舶ではハンドル切り始めのときに横加速度が負になるため、反トルクによりハンドルが軽くなりすぎてＡ部でハンドルを切りすぎる。

（Ｂ）は、横加速度Ｇの特性を示す。旋回方向外向きを正とすると、ハンドル切り始め時点ｔ１から一旦負（内向き）の横加速度となって、その後、徐々に正（外向き）の横加速度になる。すなわち、船外機の転舵では、ハンドル切り始めに内側ロールが発生し、かつ旋回初期の回頭は鈍いため外向き遠心力は小さい。したがって、横加速度は、ロールの分力が大きいハンドル切り始めに一旦減少する。

（Ｃ）は、ハンドルへの反トルクＴｈαの特性を示す。この例のように、（Ｂ）の横加速度に対応して、ハンドル切り始めのときに負の反トルクとし（矢印Ｂ部）、その後、徐々に増加するように反トルクを付与すると（矢印Ｃ部）、負から正に切り替わるＤ部で、ハンドルが急に軽くなって操船者の意に反してハンドルが急回転して回りすぎてしまう。

（Ｄ）は、横加速度Ｇに対する反トルクの度合いの係数Ｔｈαｇの設定の説明図である。上記（Ｃ）のＢ部、Ｃ部に対応して、Ｂ部で一旦下がり、その後、Ｃ部のように上昇するように設定すると、上記（Ｃ）で説明したように、反トルクの作用方向反転直後にハンドルが急回転する。

（Ｅ）は、操舵角αに対する反トルクＴｈαを示す。係数Ｔｈαｇに応じて反トルクＴｈαが定まる。この係数Ｔｈαｇは、横加速度が大きくなる程大きくなる。したがって、横方向加速度が内向きに作用中は、負の方向となり、ハンドルを回す方向に反トルクが作用する。この（Ｅ）の例では、上記ハンドルの急回転を防止するために、操舵角αがゼロ付近の左右両方向回転については、反トルクを付与しない。

図６は、横加速度に応じたハンドルの重さ（フリクショントルク）による操作性説明図である。

（Ａ）は、時間ｔに対する操舵角αを示す。ハンドル切り始め時点ｔ１から、単にハンドル操舵角に応じて反トルクを付与すると、前述のように船舶ではハンドル切り始めのときに横加速度が負になるため、反トルクによりハンドルが軽くなりすぎてＡ部でハンドルを切りすぎる。

（Ｂ）は、横加速度Ｇの特性を示す。旋回方向外向きを正とすると、ハンドル切り始め時点ｔ１から一旦負（内向き）の横加速度となって、その後、徐々に正（外向き）の横加速度になる。すなわち、船外機の転舵では、ハンドル切り始めに内側ロールが発生し、かつ旋回初期の回頭は鈍いため外向き遠心力は小さい。したがって、横加速度は、ロールの分力が大きいハンドル切り始めに一旦減少する。

（Ｃ）は、ハンドルに重さを与える反力（反トルク）Ｔｈωの特性を示す。ハンドルへの反力による重さＴｈωは、Ｔｈω＝Ｔｈωｇ×ωである。Ｔｈωｇは、横加速度の大きさに応じた係数であり、向きは無関係である。ωは、ハンドル操作速度である。

この例では、ハンドル切り始めのときにＴｈωを上昇させ（矢印Ｅ部）、その後、減少させ（矢印Ｆ部）、さらにその後、再び上昇させ（矢印Ｈ部）、その後再び減少させ（矢印Ｉ部）、操作完了時のハンドルトルク（反トルク）はゼロに戻す。しかし、このような反トルクにすると、Ｋ部で、ハンドルが一旦重くなり、また軽くなるという違和感を生じる。すなわち、操船者の感覚として、ハンドル操作を始めた直後にハンドルをさらに回す方向にトルクが作用し、その後戻す方向に変化するため、不安定なハンドルの動きに感じる。また、一旦重くなった後に軽くなるという違和感を与える。この場合、違和感に抗してハンドル操作を行うと、さらに反トルクが変化するため、力を入れた直後にハンドルが軽くなり、回しすぎることが起こる。

（Ｄ）は、横加速度Ｇに対する反トルクＴｈωｇの設定の説明図である。上記（Ｃ）のＥ部、Ｆ部、Ｈ部に対応して、横加速度Ｇに対応して反トルクを設定する。しかしこのような反トルクでは前述のように違和感を生じる。

（Ｅ）は、ハンドル操作速度ωに対する反トルクＴｈωを示す。Ｔｈωの大きさは係数Ｔｈωｇによる。横加速度が内向きから外向きに変わる際、横加速度の大きさは一旦小さくなる。このため、ハンドルが一旦軽くなる。これに起因して前述のような違和感が生じる。反トルクＴｈωの方向は、ハンドル操作方向と逆である。すなわち、ハンドル操作方向が正方向（例えば右回転方向）であれば、反トルクは負方向（左回転方向）に作用する。

本発明では、上記ハンドル操作の違和感なくすために、（Ｅ）の例のように、ハンドル操作速度ωがゼロ付近（ハンドルが中立位置付近）の左右両方向回転については、反トルクを付与しない。

図７は、本発明に係る操舵方法のフローチャートである。
ステップＳ１
操舵角センサ９（図２）により操舵角αを検出する。操舵角αのデータは制御装置１２（図２）に入力される。

ステップＳ２
制御装置は、挙動検出手段１４（図１、図２）などにより船の挙動を検出する。船の挙動は、ヨーレート、横加速度、転舵荷重、速度、ロール角、及び加減速などのエンジン運転状態等に基づいて検知する。

ステップＳ３
制御装置は、船の挙動に基づいてハンドル切り始めか否かを判定する（後述の図８の説明参照）。

ステップＳ４
切り始めと判定した場合、切り始めの挙動に対応したハンドルに対する反トルクを設定する。

ステップＳ５
切り始めではないと判定した場合、操舵角及び挙動に基づくハンドル対する反トルクを算出する。

ステップＳ６
上記ステップＳ４又はＳ５の反トルクを反力モータによりハンドルに付与する。
ここで反トルクの算出についてさらに説明を付加すると、操舵角αと船舶のロール角θから、横加速度が外向き（正）か内向き（負）かを判断できる。この横加速度の正負を考慮して、反トルクを算出してもよい。また、反トルクを算出する場合、船体の傾斜による横加速度の減少分を差し引いた遠心力の大きさを算出し、これに応じて反トルクを与えてもよい。

図８は、ハンドル切り始め判定方法の説明図である。この例では、ハンドル操作による操舵角αと、ロール角θと、ヨーレートγと、横加速度Ｇとに基づいてハンドル切り始めを判定する。

（Ａ）に示すように、ハンドル切り始め時点ｔ１から、操舵角α、ロール角θ（内側に下がる方向を正とする）、ヨーレートγはいずれも、時間とともに上昇する。横加速度Ｇ（外向きを正とする）は、前述（図５）のように、一旦負となってから上昇する。この結果を（Ｂ）に示す。このように操舵角α、ロール角θ、ヨーレートγ、横加速度Ｇを総合して判断することにより、ハンドル切り始めか又は切り始めをすぎた転舵中かを判別できる。

図９は、ハンドル切り始めにおける反トルク設定方法の説明図である。
（Ａ）は、操舵角αの特性を示す。本発明によれば、図の実線のように操舵角αは時間とともに徐々に増加し、点線のように（図５、図６参照）、途中でハンドルを回しすぎることはない。

（Ｂ）は、横加速度Ｇの特性を示す。前述の図５、図６の（Ｂ）と同様に、旋回方向外向きを正とすると、ハンドル切り始め時点ｔ１から一旦負（内向き）の横加速度となって、その後、徐々に正（外向き）の横加速度になる。

（Ｃ）は、反トルクの設定例を示す。本発明では、ハンドル切り始めに横加速度Ｇが一旦負になってから上昇して正付近に達するまでは、反トルクを付与しない（実線）。すなわち、点線Ｌのように切り始めの横加速度Ｇに対応して負の反トルクを付与すると、ハンドルを回す方向にトルクが作用して、前述の図５（Ｃ）で説明したように、ハンドルを回しすぎることになる。また、点線Ｍのように切り始めに一旦トルクを重くして再び軽いトルクに戻すと、前述の図６（Ｃ）で説明したように、ハンドル操作感覚に違和感を生じる。これに対し、実線で示すように、ハンドル切り始めは反トルクを与えず、横加速度が外向きになってから徐々に反トルクを与えることにより、ハンドルの回しすぎや、違和感を生じることなく、ハンドルを操作することができる。

（Ｄ）は、操舵角αに基づく横加速度Ｇに応じた反トルクＴｈαを求めるための係数Ｔｈαｇの設定例を示す。これは、前述の図５（Ｄ）に示すＴｈαｇに対応する図である。図５では、横加速度Ｇが負の方向（内向き）になるとＴｈαｇを負に設定しているが、本実施例では、横加速度が負になっても、Ｔｈαｇはゼロのままとする。横加速度Ｇが正の方向（外向き）になってからＴｈαｇを徐々に大きくする。

（Ｅ）は、ハンドルの重さに基づく横加速度Ｇに応じた反トルクＴｈωを求めるための係数Ｔｈωｇの設定例を示す。これは、前述の図６（Ｄ）に示すＴｈωｇに対応する図である。図６では、横加速度が負の状態でこれに応じてＴｈωｇを変化させているが、本実施例では、横加速度が負の状態ではＴｈωｇは変化させず一定のままとする。

本発明は、船外機やスターンドライブなどの船舶推進機を備えた小型船舶に対し適用できる。

本発明が適用される小型船舶の全体平面図。 本発明に係る操舵装置の全体構成図。 本発明に係る舵切り装置の構成図。 船舶の旋回挙動説明図。 横加速度に応じたハンドルへの反トルクによる操作性説明図。 横加速度に応じたハンドルの重さによる操作性説明図 本発明に係る操舵方法のフローチャート。 ハンドル切り始め判定方法の説明図。 ハンドル切り始めにおける反トルク設定方法の説明図。

符号の説明

１：小型船舶、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：前端部、６：スイベル軸、７：ハンドル、８：ハンドル軸、９：操舵角センサ、１０：信号ケーブル、１１：反力モータ、１２：制御装置、１３：ハンドル制御部、１５：舵切り装置、１６：船体、１７：荷重センサ、１８：アクセル、１９：ネジ棒、２０：電動モータ、２１：連結ブラケット、２２：支持部材、２３：クランプ部分、２４：チルト軸。

Claims (4)

1. 船尾に船舶推進機を備えた船舶への外力に対応してハンドルに反トルクを付与する船舶の操舵方法において、
   操舵角及び船の挙動を検出し、該検出結果に基づいてハンドルの切り始めか否かを判別し、該判別結果に応じてハンドルに反トルクを付与することを特徴とする船舶の操舵方法。
2. 前記船の挙動は、ヨーレート、横加速度、転舵荷重、速度及びロール角のうち１又は２以上に基づいて検出することを特徴とする請求項１に記載の船舶の操舵方法。
3. ハンドルの切り始めには反トルクを付与しないことを特徴とする請求項１に記載の船舶の操舵方法。
4. 船尾に舵切り装置を介して取付けられた船舶推進機と、ハンドルに対し船舶への外力に対応した反トルクを付与する反力モータと、ハンドルの操舵角センサと、船の挙動検出手段と、前記反トルクを算出する制御装置とを備えた船舶の操舵装置において、
   前記制御装置は、操舵角及び船の挙動に基づいてハンドルの切り始めか否かを判別し、該判別結果に基づいて前記反トルクを算出することを特徴とする船舶の操舵装置。
   

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