JP2007331552A - 船用操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】操舵部材と転舵部材とが機械的に連結されていない船において、操舵に違和感のない船用操舵装置を提供すること。
【解決手段】舵取り部材としての船外機４を転舵するための転舵機構５は、ステアリングホイール等の操舵部材３と機械的に連結されていない。検出されたヨーレートγおよび横加速度Ｇｙが対応する閾値内にある状態が所定時間継続すると、船体状況検出部３３が、船体２が直進状態にあると判断する。目標操舵反力算出部３４は、そのときに検出されていた操舵角θが中立位置に相当するとして、その操舵角θをシフト値θＳとして記憶する。目標操舵反力Ｆの操舵角相当成分Ｆ１を、式Ｆ＝ａ（θ＋θＳ）を用いて補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、船用操舵装置に関するものである。

船の推進装置として、船外機と船内機とがある。
船内機では、船体内部に、船に推進力を与える動力装置と舵取り装置が備えられている。動力装置と舵取り装置とは、一体に設けられる場合と、別体に設けられて、互いの間が動力伝達装置を介して連結される場合とがある。
船外機では、船体に対して外付けの船外機本体に、動力装置を備えている。モータボート等の小型船舶を例にとると、独立した舵は設けられておらず、船外機自体に、舵取り機構が備えられている。具体的には、船外機本体の向きを変えることにより、舵取りが行われる。

特に小型のモータボートの場合には、船外機本体に取り付けられたハンドルバーを介して、操縦者が直接、操舵するようになっている。
また、運転席に設けられたステアリングホイール等の操舵部材と船外機とを機械的に連結しない構成の船用操舵装置が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
また、操舵角検出手段からの舵角情報に基づいて得られた目標転舵角と舵取り部材の実際の転舵角との偏差に、所定の制御ゲインを与えて、舵取り部材の転舵角を制御するための制御信号を出力する船用操舵装置が提案されている（例えば特許文献２を参照）。

また、スイベルシャフトの回動角を検出する回動角センサとして回転式の回動角センサを用い、その軸心とスイベルシャフトの回転中心を一致させるように構成した船用操舵装置が提案されている（例えば特許文献３を参照）。
特許第２９５９０４４号公報 特許第２５１０３９１号公報 特開２００４−２４９７９１号公報

操舵部材と転舵部材とを機械的に連結しない船用操舵装置を装備した船では、船が直進状態で航行しているときでも、風や潮流の影響で、操舵部材（転舵部材）が、中立位置にない場合が多い。
この直進状態から操舵を開始した場合、操縦者が操縦に違和感を覚えることがある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、操舵部材と転舵部材とを機械的に連結しない船において、操縦に違和感のない船用操舵装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、操舵部材（３）と、操舵部材と機械的に連結されていない転舵機構（５）と、操舵部材の操舵角（θ）を検出する操舵角検出手段（２０）と、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角を制御する転舵角制御部（３２）と、船体（２）が直進状態にあることを検出する船体状況検出手段（３３，３３Ａ）と、目標操舵反力（Ｆ）に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータ（１８）と、目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出手段（３４）とを備え、目標操舵反力算出手段により算出された目標操舵反力は、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて算出された操舵角相当成分 (Ｆ１) を含み、目標操舵反力算出手段は、船体状況検出手段によって船が直進状態にあることが検出されたときに、操舵角検出手段により検出された操舵角が中立位置に相当するとして、操舵角相当成分を補正する機能を有することを特徴とするものである。

本発明では、風や潮流を受けた状態で直進状態を維持できる操舵部材の位置が、中立位置に相当するとして、目標操舵反力の操舵角相当成分を補正するので、この直進状態から操舵を開始するときに、操縦者が操舵反力による違和感を感じることがない。
また、本発明において、船体のヨーレートγを検出するヨーレート検出手段（２３）と、船体の横加速度（Ｇｙ) を検出する横加速度検出手段（２４）とを備え、上記船体状況検出手段は、ヨーレート検出手段および横加速度検出手段からの信号に基づいて、船体が直進状態にあると判断する場合がある。この場合、ヨーレートと横加速度という、船体挙動に関する２つのパラメータを用いて、船体が直進状態か否かを判断するので、直進状態を精度良く検出することができる。

例えば、ヨーレート検出手段により検出されたヨーレートが所定の閾値以下であって且つ横加速度検出手段により検出された横加速度が所定の閾値以下である状態が、所定時間以上継続した場合に、上記船体状況検出手段は、船体が直進状態にあると判断するようにしてもよい。この場合、ヨーレートと横加速度という、船体挙動に関する２つのパラメータが閾値以下となることが所定時間以上継続されることを条件としたので、風や波の動的な変動による外乱の影響を排除することができ、この点からも、直進状態を精度良く検出することができる。

また、本発明において、上記船体状況検出手段は、全方位測位システム（ＧＰＳ３６）から出力された船体の現在位置情報の履歴（Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２，…）に基づいて、船体が直進状態にあると判断する場合がある。ＧＰＳであれば、波の影響で船体が傾いたりしていても、船体の位置を正確に把握することができるので、船体の直進状態を精度良く検出することができる。

なお、上記において、括弧内の英数字は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る船用操舵装置１が適用された船の模式図である。図１を参照して、船体２の前部には、ステアリングホイール等の操舵部材３が取り付けられている。また、船体２の後部には、舵取り部材を兼用する推進ユニットとしての船外機４と、船外機４の向きを変えることにより、転舵を達成するための転舵機構５とが設けられている。船外機４は、プロペラ４ａと、プロペラ４ａを図示しないドライブシャフトを介して駆動するための内燃機関４ｂを内蔵した船外機本体４ｃとを備えている。

本実施の形態の船用操舵装置１では、操舵部材３と転舵機構５との機械的な結合をなくしている。転舵機構５は、操舵部材３の操作に応じて駆動される、例えば、ブラシレスモータ等の電動モータからなる転舵用アクチュエータ６を有している。転舵機構５は、転舵用アクチュエータ６の駆動力を用いて、船外機４の向きを変えることにより、転舵する。 船体２の幅方向Ｗ１（船体２の中心線Ｃ１と直交する方向に相当）に沿って延びる軸７の第１の端部７ａおよび第２の端部７ｂが、それぞれ対応する第１の取付ブラケット８（第１の取付部材）および第２の取付ブラケット９（第２の取付部材）を介して、それぞれ船体２に固定されている。

軸７には、上記の転舵用アクチュエータ６を内蔵し、軸７の軸長方向（船体２の幅方向Ｗ１に相当）に沿って移動可能な移動体１０が設けられている。この移動体１０と軸７とは、例えばボールねじ機構からなる変換機構１１を介して互いに連結されている。一方、船外機本体４ｃは、転舵中心軸１２の回りに回動自在に船体２に取り付けられており、船外機本体４ｃと移動体１０とは、伝達機構としてのリンク機構１３を介して、互いに連結されている。

リンク機構１３は、一端が移動体１０に固定された第１ブラケット１４と、船外機本体４ｃに固定された一端（図示せず）を有し、船外機本体４ｃとともに、転舵中心軸１２の回りに回動自在な第２ブラケット１５とを備えている。第１ブラケット１４の他端と第２ブラケット１５の他端とは、連結軸１６を介して回動自在に連結されている。
転舵用アクチュエータ６が駆動されると、その転舵用アクチュエータ６の駆動力は、変換機構１１を介して、軸７の軸長方向への、移動体１０の直線運動に変換される。さらに、この移動体１０の直線運動は、リンク機構１３を介して、転舵中心軸１２回りの船外機４の、転舵方向Ｘ１への回動に変換され、転舵が達成されるようになっている。

操舵部材３は、船体２に対して回転可能に支承された回転シャフト１７の一端に連結されている。この回転シャフト１７には、操舵部材３に操作反力を与えるための反力用アクチュエータ１８が設けられている。反力用アクチュエータ１８は、回転シャフト１７と一体の出力シャフトを有するブラシレスモータ等の電動モータを含む。
回転シャフト１７の他端と船体２との間には、渦巻きばね等からなる弾性部材１９が介在しており、この弾性部材１９は、回転シャフト１７を介して操舵部材３を中立位置に付勢している。反力用アクチュエータ１８が回転シャフト１７にトルクを付加していないときに、弾性部材１９の弾性力によって、操舵部材２が中立位置（直進操舵位置に相当）に復帰させられる。

操舵部材３の操作入力値を検出するために、回転シャフト１７に関連して、操舵部材３の操舵角を検出するための操舵角検出手段としての操舵角センサ２０が設けられている。 また、転舵機構５に含まれる、上記の軸７上の移動体１０の位置に関連して、転舵角（船外機４の向き）を検出するための転舵角センサ２２が設けられている。また、船体２のヨーレート（角速度。回頭速度）を検出するためのヨーレート検出手段としてのヨーレートセンサ２３と、船体２の横加速度を検出する横加速度検出手段としての横加速度センサ２４とが設けられている。また、船体２の航行速度（船速）を検出する船速センサ２５が設けられている。

マイクロコンピュータ等を含む電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成された制御部２８には、操舵角センサ２０、転舵角センサ２２、ヨーレートセンサ２３、横加速度センサ２４、船速センサ２５の出力信号が入力されており、これらの信号に基づいて、制御部２８は、転舵用アクチュエータ６および反力用アクチュエータ１８をそれぞれ対応する駆動回路２９，３０を介して適切に制御する。

図２は主たる制御の内容を説明するためのブロック図である。制御部２８は、コンピュータが所定のプログラム処理を実行することによってソフトウエア的に実現される複数の機能処理部を有している。
すなわち、制御部２８は、目標転舵角を算出する目標転舵角算出部３１と、目標転舵角および実転舵角（転舵角センサ２２により実際に検出された転舵角）に基づいて転舵用アクチュエータ６を制御するための転舵角制御部３２と、船体２が直進状態にあることを検出するための船体状況検出手段としての船体状況検出部３３と、目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出手段としての目標操舵反力算出部３４と、目標操舵反力に基づいて反力用アクチュエータ１８を制御するための反力制御部３５とを有している。

目標転舵角算出部３１は、操舵角センサ２０により検出された操舵角、および船速センサ２５により検出された船速を入力し、取得した情報に基づいて目標転舵角を算出する。算出された目標転舵角は転舵角制御部３２に与えられる。転舵角制御部３２は、取得した情報に基づいて、転舵角センサ２２による検出結果（実転舵角）を参照しながら、転舵用アクチュエータ６をフィードバック制御する。

船体状況検出部３３は、ヨーレートセンサ２３により検出されたヨーレート、および横加速度センサ２４により検出された横加速度を入力し、取得した情報に基づいて、船体２が直進状態にあるか否かを検出する。具体的には、船体状況検出部３３は、ヨーレートセンサ２３により検出されたヨーレートγが所定の閾値γ１以下（γ≦γ１）であって且つ横加速度センサ２４により検出された横加速度Ｇｙが所定の閾値Ｇｙ１以下（Ｇｙ≦Ｇｙ１）である状態が、所定時間以上継続したときに、船体２が直進状態にあると判断し、目標操舵反力算出部３４に、中立補正を実施するように指令する補正指令信号を出力する。

目標操舵反力算出部３４は、例えば、操舵角センサ２０により検出された操舵角θに応じた操舵角相当成分Ｆ１（Ｆ１＝ａ・θ）、ヨーレートセンサ２３により検出されたヨーレートγに応じたヨーレート相当成分Ｆ２（Ｆ２＝ｂ・γ）、および横加速度センサ２４により検出された横加速度Ｇｙに応じた横加速度相当成分Ｆ３（Ｆ３＝ｃ・Ｇｙ）を加算して、目標操舵反力Ｆ（Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）を算出し、算出した目標操舵反力Ｆに応じた反力指示信号を、反力制御部３５に出力する。

ただし、目標操舵反力算出部３４は、船体２が直進状態にあることを検出した船体状況検出部３３から、補正指令信号を受けた場合には、そのときに操舵角センサ２０により検出された信号値（検出電圧値）が信号の中立位置（すなわちゼロ点）であると見做して、以後の操舵角相当成分Ｆ１を算出する。
なお、各成分Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３にそれぞれ対応する係数ａ，ｂ，ｃは、不変の値であってもよいし、また、船速センサ２５により検出された船速に応じて、予め定めるマップ、或いは関数式を用いて求められる値であってもよい。

反力制御部３５は、反力用アクチュエータ１８をフィードバック制御し、これにより、操舵部材３に、その操作方向と逆方向の力（反力）を付与する動作をなす。図示していないが、具体的には、反力制御部３５は、目標操舵反力算出部３４から出力される目標操舵反力値に応じて反力用アクチュエータ１８に対する目標電流を決定する目標電流決定部と、その目標電流に応じて反力用アクチュエータ１８に流す電流を制御する出力電流制御部とを含んでいる。出力電流制御部からの電流制御信号が、駆動回路３０に入力され、駆動回路３０は、反力用アクチュエータ１８を例えばＰＷＭ制御によって駆動するようになっている。また、駆動回路３０と出力電流制御部との間で出力電流のフィードバック制御が行われるようになっている。

次いで、図３のフローチャートを参照して、目標操舵反力の設定動作について説明する。
まず、ステップＳ１にて、全入力値がイニシャライズされた後、ステップＳ２にて、操舵角センサ２０、ヨーレートセンサ２３および横加速度センサ２４の各検出結果（操舵角θ，ヨーレートγ，横加速度Ｇｙ）が読み込まれる。

次いで、ステップＳ３において、読み込まれたヨーレートγが所定の閾値γ１以下（γ≦γ１）であって且つ読み込まれた横加速度Ｇｙが所定の閾値Ｇｙ１以下（Ｇｙ≦Ｇｙ１）である条件が満たされいるか否かが判断される。上記条件が満たされていないときには、船体２が直進状態にないと判断して、ステップＳ４に進む。
そのステップＳ４において、タイマーがカンウト中であると判断された場合には、カンウトをリセットした（ステップＳ５）後、ステップＳ６に進み、ステップＳ４において、カンウト中でないと判断された場合には、ステップＳ５を飛び越してステップＳ６に進む。

そのステップＳ６では、読み込まれた操舵角θを補正することなく、式Ｆ１＝ａ・ θ（図４参照）を用いて、目標操舵反力Ｆの操舵角相当成分Ｆ１を算出する。次いで、算出された操舵角相当成分Ｆ１を用いて、上述した式Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３により、目標操舵反力Ｆを算出し、その後、ステップＳ１に戻る。
一方、ステップＳ３において、読み込まれたヨーレートγが所定の閾値γ１以下（γ≦γ１）であって且つ読み込まれた横加速度Ｇｙが所定の閾値Ｇｙ１以下（Ｇｙ≦Ｇｙ１）である条件が満たされていると判断された場合には、ステップＳ８に進む。

そのステップＳ８では、タイマーがカウント中か否かが判断される。ステップＳ８において、カンウト中でないと判断された場合には、カンウトをスタートした（ステップＳ９）後、ステップＳ６，Ｓ７に進み、読み込まれた操舵角θを補正することなく、操舵角相当成分Ｆ１および目標操舵反力Ｆを算出する。その後、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ８において、カウント中であると判断された場合には、ステップＳ１０において、カウントアップ（所定時間が経過）しているか否かが判断される。カウントアップしていない場合には、ステップＳ６，Ｓ７に進み、読み込まれた操舵角θを補正することなく、操舵角相当成分Ｆ１および目標操舵反力Ｆを算出する。その後、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１０において、カウントアップ（所定時間が経過）していると判断された場合には、そのときに操舵角センサ２０により検出されていた操舵角θをシフト値θＳとして読み込む。次いで、ステップＳ１２〜Ｓ１５の補正モードに入る。
その補正モードでは、ステップＳ１２において、各検出結果としての操舵角θ，ヨーレートトγ，横加速度Ｇｙが読み込まれ、読み込まれたヨーレートγおよび横加速度Ｇｙに基づいて、船体２が直進状態にあるか否かが監視される（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、直進状態にあると判断された場合には、ステップＳ１４に進み、目標操舵反力Ｆの操舵角相当成分Ｆ１を式Ｆ１＝ａ（θ＋θＳ）を用いて、算出する（図４参照）。すなわち、操舵角θを、先に記憶したシフト値θＳを用いて（θ＋θＳ）と補正し、この補正値に基づいて、操舵角相当成分Ｆ１を算出する（図４参照。）。これにより、シフト値θＳが、以後検出される操舵角θの中立位置に相当するとして、操舵角相当成分Ｆ１が補正されることになる。

このようにして算出された操舵角相当成分Ｆ１の値を用いて、ステップＳ１５において、目標操舵反力Ｆを算出する。目標操舵反力Ｆの算出後、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を繰り返す。
ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を繰り返している間に、ステップＳ１３において、船体２が直進状態にないと判断された場合には、ステップＳ１に戻り、補正モードを終了することになる。

本実施の形態によれば、風や潮流を受けた状態で直進状態を維持できる操舵部材３の位置が中立位置に相当するとして、目標操舵反力Ｆの操舵角相当成分Ｆ１を補正するので、この直進状態から操舵を開始するときに、操縦者が操舵反力による違和感を感じることがない。
また、ヨーレートγと横加速度Ｇｙという、船体挙動に関する２つのパラメータを用いて、船体２が直進状態か否かを判断するので、直進状態を精度良く検出することができる。特に、ヨーレートγと横加速度Ｇｙの各パラメータが対応する閾値γ１，Ｇｙ１以下となることが所定時間以上継続されることを条件としたので、風や波の動的な変動による外乱の影響を排除することができ、この点からも、直進状態を精度良く検出することができる。

上述した図２の実施の形態では、船体状況検出部３３が、ヨーレートγと横加速度Ｇｙに基づいて、船体２が直進状態にあることを検出したが、これに限らない。例えば、図５に示すように、船体状況検出部３３Ａは、全方位測位システム（ＧＰＳ）３６から出力された船体２の現在位置情報を取得し、取得した現在位置情報の履歴に基づいて、船体２が直進状態にあると判断するようにしてもよい。

具体的には、船体状況検出部３３Ａは、模式図である図６に示すように、新たに取得した現在位置情報Ｐ１および前回取得して記憶されている現在位置情報Ｐ０に基づいて、船体２の進行方向Ｖ１を算出し、算出した進行方向Ｖ１を記憶しておく。そして、次に取得される現在位置情報Ｐ２を用いて算出される船体２の進行方向Ｖ２と、上記記憶された進行方向Ｖ１との差（角度差Ｑに相当）が、所定の閾値内（−Ｑ１≦Ｑ≦Ｑ１）にあるという条件が、所定時間の間、継続的に満たされた場合、船体２が直進状態と判断する。

なお、図示していないが、ＧＰＳ３６は、方位センサ、ＧＰＳ受信機、地図データ記憶部およびメモリ、並びにこれらと接続された制御部を含む公知の構成である。制御部は、船体２の位置を算出するための位置算出部を含んでいる。
本実施の形態においても、図２の実施の形態と同様に、直進状態から操舵を開始するときに、操縦者が操舵反力による違和感を感じることがない。また、ＧＰＳ３６を用いるので、波の影響で船体２が傾いたりしていても、船体２の位置を正確に把握することができるので、船体２の直進状態を精度良く検出することができる。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、操舵角相当成分部Ｆ１を算出するための式Ｆ１＝ａ・θの係数ａは、操舵角θの範囲毎に異なる複数の係数ａ１，ａ２，…を含むものであってもよい。
また、本発明の船用操舵装置を、いわゆる船内機によって推進力を得る船に適用するようにしてもよい。その他、請求の範囲記載の範囲内で種々の変更を施すことができる。

本発明の一実施の形態の船用操舵装置が適用された船の模式図である。 船用操舵装置の要部のブロック図である。 目標操舵反力を算出するためのフローチャートである。 操舵角と目標操舵反力の操舵角成分との関係を示すグラフ図である。 本発明の別の実施の形態の船用操舵装置の要部のブロック図である。 現在位置情報の履歴を用いて船体の直進状態を検出する態様を説明するための模式図である。

符号の説明

１…船用操舵装置、２…船体、３…操舵部材、４…船外機（舵取り部材）、５…転舵機構、６…転舵用アクチュエータ、１８…反力用アクチュエータ、２０…操舵角センサ、２３…ヨーレートセンサ（ヨーレート検出手段）、２４…横加速度センサ（横加速度検出手段）、２８…制御部、３２…転舵角制御部、３３，３３Ａ…船体状況検出部（船体状況検出手段）、３４…目標操舵反力算出部（目標操舵反力算出手段）、３５…反力制御部、３６…全方位測位システム（ＧＰＳ）、θ…操舵角、γ…ヨーレート、Ｇｙ…横加速度、Ｆ…目標操舵反力、Ｆ１…目標操舵反力の操舵角相当成分、Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２…現在位置情報の履歴

Claims (4)

1. 操舵部材と、操舵部材と機械的に連結されていない転舵機構と、操舵部材の操舵角を検出する操舵角検出手段と、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて転舵機構の転舵角を制御する転舵角制御部と、船体が直進状態にあることを検出する船体状況検出手段と、目標操舵反力に応じて操舵部材に反力を与えるための反力用アクチュエータと、目標操舵反力を算出する目標操舵反力算出手段とを備え、
   目標操舵反力算出手段により算出された目標操舵反力は、操舵角検出手段により検出された操舵角に応じて算出された操舵角相当成分を含み、
   目標操舵反力算出手段は、船体状況検出手段によって船が直進状態にあることが検出されたときに、操舵角検出手段により検出された操舵角が中立位置に相当するとして、操舵角相当成分を補正する機能を有することを特徴とする船用操舵装置。
2. 請求項１において、船体のヨーレートを検出するヨーレート検出手段と、船体の横加速度を検出する横加速度検出手段とを備え、上記船体状況検出手段は、ヨーレート検出手段および横加速度検出手段からの信号に基づいて、船体が直進状態にあると判断することを特徴とする船用操舵装置。
3. 請求項２において、ヨーレート検出手段により検出されたヨーレートが所定のしきい値以下であって且つ横加速度検出手段により検出された横加速度が所定の閾値以下である状態が、所定時間以上継続した場合に、上記船体状況検出手段は、船体が直進状態にあると判断することを特徴とする船用操舵装置。
4. 請求項１において、上記船体状況検出手段は、全方位測位システム（ＧＰＳ）から出力された船体の現在位置情報の履歴に基づいて、船体が直進状態にあると判断することを特徴とする船用操舵装置。

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