JP2009214879A - ショック低減／緩和システム - Google Patents

Abstract

【課題】動的な環境内でのサブジェクトにより受けるショックを低減するアクテイブサスペンションシステムを提供する。
【解決手段】サスペンションに加えられる力を緩和するための方法であって、サスペンション変位信号を受信し、サスペンション速度信号を受信し、前記変位信号及び速度信号からサスペンション復元値を算出し、前記サスペンション復元値をシート加速度と組み合せ、前記組み合せた値と、船体加速度信号とを合算し、前記合算値をフィルタ処理して、所定周波数を最小化するための力信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本願は、タイトル“アクティブコントロールシステム”で２００２年３月６日にファイルされた予備出願60／361,711、及び、タイトル“アクティブコントロールシステム”で２００２年１０月１日にファイルされた予備出願60/414,669に基づいて優先権を主張するものである。

本発明は、ショック、振動及び他の動的力を緩和するためのシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、動的な環境において一若しくはそれ以上の乗員シート若しくは他のサポートの動きを積極的に制御するシステムに関する。

高速の乗り物の設計者及び製造者は、性能を増加すると共に、乗員が体感する乗心地を改善することを求める。このため、高性能なウォータクラフト上の乗員シートは、機械的なショックを和らげるためにパッドやショックアブソーバを備える場合がある。

特許文献１は、高速、高性能ウォータクラフト用のアクティブショック吸収シートシステムを開示する。特許文献１のシステムでは、シート及びデッキに結合された加速度計及びショック吸収システム内のセンサが、ウォータクラフトの動きをセンシングし、乗員シートに接続されるアクティブ制御型ショックアブソーバが、センサ情報を用いて、乗員により体感される加速度による力を低減する。

特許文献２は、低周波数の振動やバンプ中にトラクタのシートを制御するアクティブサスペンションシステムを開示する。特許文献２によるシステムは、トラクタが上下動する際に略水平面内にシートを維持することを目的とする。特許文献２によるシステムでは、制御は、トラクタ内に位置する質量振動計に基づく。

特許文献３は、6つの異なる種類の動き(6自由度)までに対して乗員シートを制御するサスペンションシステムを開示する。このサスペンションシステムは、また、シートに対する構造上のサポートとして役割を果たすように意図されている。特許文献３は、乗り物内に配置される動き及び位置センサに依存する。乗り物がバンプに遭遇した際、センサは、制御ユニットにフィードバックを供給し、これによりシートサスペンションシステムが制御される。特許文献３の開示内容の全体は、ここでの参照により本明細書内に組み入れる。

Gezariによる米国特許第5,810,125号 Van Gerpernによる米国特許第4,363,377号 Koutskyによる米国特許第6,059,253号

公知のショックアブソーバ及びシート制御システムは、高速で波に当たるウォータクラフトにより生ずる機械的なショックのような、ショックの影響を効果的に緩和できない。例えば、高性能ウォータクラフトにおける高速操縦中、連続的な波との衝突によって、乗員は、９Gｓ(即ち、重力の9倍)若しくはそれ以上もの高い短時間の加速度を含むショック事象を繰り返し体験する。このショック事象は、例えば一秒半毎に一回といったように、周期的に起こる場合がある。現在利用可能なシステムは、外乱の短い持続時間と大きな振幅に部分的に起因して、また、事象のタイミングが不規則であるために、かかる外乱を適切に緩和できない。

本発明は、動的な環境内でのサブジェクトにより受けるショックを低減するように構成されるアクティブサスペンションシステムに関する。一局面では、本発明は、制御信号を生成する前方監視センサと、乗員をサポートするサポート装置と、前記制御信号に応じて前記サポート装置を制御するコントローラとを有するアクティブサポートシステムを含む。本発明によると、アクティブサポートシステムは、高速ウォータクラフトに組み込まれてもよく、前方監視センサが、高速ウォータクラフト（スピードボート）に衝突しそうな波をセンシングするようにする。本発明の一実施例では、前方監視センサは、スピードボートと波の衝突に対する時間対衝撃の推定を提供する。（用語“波”は、風、天気、水内の潮により形成される波だけでなく、船や他のボート等の伴流における波を含むが、これらに限定されない）。望ましい場合、スピードボートは、以下で詳説する如く、動きセンサ及びクローズドループの制御システムを備えてもよい。

更に、本発明は、ボートを動作させる方法に関し、本方法は、波の位置及び速度のような波の特徴、及び、ボートの速度及び加速度のような他のパラメータをセンシングするステップを含む。本方法は、また、波の特徴及び他のパラメータに応じてサポート（例えば乗員シート用のサポート）を動作させることを含む。一局面では、本発明は、水の表面に向けてボートに結合されたセンサから信号を送信し、水の表面から反射される信号を受信し、ショック作用を緩和すように反射信号に応じてサポートを動作させることを含む。

更なる局面では、本発明は、ボートを動作させる方法に関し、本方法は、ボートに結合されたセンサから加速度信号を受信するステップを含む。加速度信号は、ボートが受ける一若しくはそれ以上のショックに関する情報を運ぶ。本方法は、加速度信号により運ばれる情報に基づいてボートの将来の挙動を予測し、かかる将来の挙動の作用を打ち消すようにサスペンションシステムを作動させることを含む。それ故に、本発明の一目的は、ボートが波に当たる結果としてボートシステム、カーゴ及び乗員によって感じられうる加速度を低減することである。

その他の実施例では、本発明は、航空機、ホバークラフトや陸上乗り物のような乗り物において一若しくはそれ以上の乗員シートの動きを制御する改善されたサスペンションシステムを提供する。本発明の好ましい実施例では、システムは、低周波数で及び／又は不規則的に繰り返し起こり得る大きな振幅の短時間の加速度を緩和するように構成される。

更なる局面では、本発明は、事前にセンシングされたシステム加速度に基づいて動的環境において物体が受ける衝撃及び繰り返しのショックを予測するように構成されるアクティブ型サスペンションシステムに関する。例えば、やって来る波に船首部が接触した際にボートが受ける初期ショックのセンシングされた大きさは、水表面とのボートのキール及び底部の接触に関する将来のショックの大きさを予測するため、他のセンシングされた制御入力（船速度）と共に、ボートの既知の特性を含むモデルに適用される。

本発明の更なる局面では、ボートの自由落下加速度のような特定可能な検出加速度（センシングされた加速度）の持続時間が定量化されうる。この定量化された持続時間は、水表面とのボートの衝撃時の予想加速度を予測するため、ボート特性及び他の制御入力を含む数学的モデルに適用される。

本発明の更なる局面では、アクティブ及びパッシブ型ショック吸収システムが、ボート上の物体の動きを制御するために同時的若しくは交互に適用される。特に、本発明は、ボート動作中の乗員のショックを最小化するように構成されたアクティブ型ショック吸収システムを含む制御乗員シートを含む。制御乗員シートは、更に、アクティブ型ショック吸収システムの考えられる故障時に乗員のショックを最小化するように構成されたパッシブ型ショック吸収システムを更に備える。パッシブ型ショック吸収システムは、アクティブ型ショック吸収システムの動作中、アクティブ型ショック吸収システムに対して実質的に“トランスペアレント”となるように構成される。同様、アクティブ型ショック吸収システムは、パッシブ型ショック吸収システムに対して実質的に“トランスペアレントな”モードに陥るように設計され、アクティブ型ショック吸収システムの故障がパッシブ型ショック吸収システムの動作を損なわないようにする。

本発明の更なるその他の局面では、制御システムは、物体（例えば人間の乗員）に最もダメージを与えると知られている振幅及び周端数の乗り物のショックを好ましく補償するように、物体の動きを制御するように構成される。例えば、３Hzから１２Hzの周波数範囲における振動成分を有する加速度は、典型的な人の頭部−首−肩系にエネルギを有害に結合することが知られている。従って、本発明の一局面では、制御システムは、加速度が３Hzから１２Hzの周波数範囲にある場合の参照としての物体の慣性フレームに対して人間物体の加速度を最小化するように構成される。

本発明の上述及び他の特徴及び効果は、添付図面を参照して以下に与えられる本発明の実施例の詳細な説明からより明らかになるだろう。

本発明の好ましい実施例により構成されたウォータクラフトの部分的断面図である。 本発明の一局面による乗員シートを示す図である。 本発明の一局面による乗員シートを示す図である。 図１のウォータクラフトに対する制御システムの模範的なブロック図を示す図である。 本発明の模範的な実施例によるアクティブ型制御システムのための処理方法を示す制御スキーム図である。 本発明の一実施例による模範的な力−速度応答曲線を示す図である。

図面を参照するに、同様な要素は同様の参照番号が示されており、図１には、本発明の一実施例により構成された高性能ボート１０が示される。ボート１０は、船体１２、船首部１４、ステム部１６、キャビン１８、デッキ２０を有する。望まれる場合、キャビン１８は、ウインドウ２２及び適切な操作制御部（図示せず）を備えてよい。

一の模範的な実施例では、ボート１０は、前方監視用（forward looking）波センサ５２、シート２４のような乗員サポート、各乗員サポート２４に対するサポート動きセンサ５４、及び、デッキ動きセンサ５６を備える。前方監視用センサ５２は、船首部１４付近に配置される。サポート動きセンサ５４は、各々の乗員サポート２４に固定される。デッキ動きセンサ５６は、デッキ２０に、好ましくはステム部１６とキャビン部１８との間に固定される。これらの入力センサ５２，５４，５６は、適切な入力信号ライン６０，６２，６４（図３）により電子制御システム５８に結合される。この制御システム５８は、適切な出力信号ライン６８によりサスペンション装置２８に結合される。サスペンション装置２８は、以下で詳説するように制御システム５８により動作される。制御システム５８は、船体１２内部の保護された水密な位置（即ち、ボート１０内）に配置される。

乗員サポート２４は、キャビン１８内に配置される。サポート２４は、船体１２に固定されるプラットフォーム２６に配置及び／又は固定されてよい。サポート２４は、乗員を支持するシート、レール及び／又はガイド、着座若しくは立ち位置の操作体及び／又はデッキハンドであってよい。本発明の好ましい実施例では、サポート２４は、着座若しくは立っている乗員を支持するように構成され、乗員がウインドウ２２の外を見えるように配置される。例えば、キャビン１８内には３つ以上のシート２４が存在してよい。各シート２４は、同一の剛体のプラットフォーム２６に接続されてよい。

一の実施例では、図２Ａ及び図２Bに示すように、サポート２４は、シートのサポート構造２０３にサポートパン２０１を結合させるヒンジ２０２を有するシートパン２０１を含んでよい。従って、シートパン２０１は、乗員がシートパン２０１上に座れる第１の向き（図２Ａ参照）、若しくは、立っている乗員の邪魔にシートパン２０１がならない第２の向き（図２B参照）で配置されてよい。サポート２４は、また、シートパン２０１下方のサポート２４のサポート構造２０３に結合されるプラットフォーム２０４を含んでよい。従って、乗員は、周りの状態及び個人の好みに応じて、シートパン２０１上に座ってもプラットフォーム２０４上に立ってもよい。

図１を再度参照するに、動作時、ボート１０は、水１００を通って移動し、船首部１４は、個々の波１０２に連続的に当たる。ショックは、船首部１４が波１０２に衝突するたびに、船体１２を介してプラットフォーム２６に送られる。プラットフォーム２６が受けるショックの大きさ及び方向は、機能的には、（１）船首部１４の進行ラインで計測された際の波１０２のサイズ、及び、（２）衝突する波１０２に対する船首部１４の速度に関連する。

ボートから乗員へのショック及び他の振動の伝達を低減するため、サポート２４は、サスペンション装置２８によりプラットフォーム２６に結合される。サスペンション装置２８は、６自由度までプラットフォーム２６に対する各々のサポート２４の位置及び／又は動き（これに伴い着座している乗員の位置及び／又は動き）を制御するように構成される。サスペンション装置２８は、アクティブ型及びパッシブ型要素を含んでよい。サスペンション装置２８のアクティブ型要素は、適切なアクチュエータ（例えば、空気圧式、油圧式若しくは電磁アクチュエータを含む）を含んでよい。一実施例では、電磁アクチュエータは、米国特許第６，４８７，０６１号に記載されるようなアクチュエータを含んでよい。その他の実施例では、電磁アクチュエータは、ラック＆ピニオンシステムを有するアクチュエータを含んでよく、この場合、サポート２４に結合されるラックは、ラックとモータのシャフトとの間に伝動可能に配置されるピニオンギアを介して電気モータにより駆動される。更なるその他の実施例では、電磁アクチュエータは、リニア電気モータを含んでよい。パッシブ型サスペンション要素は、スプリング（例えば、エアスプリング、コイルスプリング、トーションスプリングを含む）及び減衰機構（例えば、油圧ダッシュポット、空気オリフィス、電気的な渦電流式減衰機構）を含んでよい。サスペンション装置２８は、サポート２４をプラットフォーム２６に対して移動させ、プラットフォーム２６の加速度が乗員に到達するまでに部分的若しくは完全に減衰されるようにする。

本発明の一局面では、パッシブ型サスペンション要素及びアクティブ型サスペンション要素は、異なる動作時間期間中に動作状態となる。アクティブ型サスペンションが動作状態にあるとき、パッシブ型サスペンション要素は実質的に“トランスペアレント”になるように構成される。即ち、アクティブ型サスペンションが動作状態にあるとき、パッシブ型サスペンション要素は、サポート２４の運動に対してはっきりと分かる態様で影響を及ぼさず、且つ、印加されるショックを緩和させるためアクティブ型サスペンション要素の能力に干渉しない。本発明の一実施例では、パッシブ型サスペンション要素の仮想的な透過性は、アクティブ型サスペンションシステムに、パッシブ型サスペンション要素により負荷される力を打ち消し、無くさせるように適合される。換言すると、アクティブ型サスペンションシステムのアクチュエータは、パッシブ型サスペンション要素により負荷されるはずであった力を補償するような態様で、パッシブ型サスペンション要素を駆動する。

同様、アクティブ型サスペンション要素が動作状態でない間、アクティブ型サスペンション要素が故障となっているときと同様、パッシブ型サスペンション要素が動作状態となり、アクティブ型サスペンション要素が実質的にトランスペアレントとなる。一実施例では、アクティブ型サスペンション要素は、実質的に、電気モータがピニオンを介してラックを駆動するように結合されるラック＆ピニオンシステムとして実現されてよい。電気モータが非作動状態である時、モータ故障中若しくはモータの電源オフ時と同様、ラックシステムに慣性モータにより負荷される慣性力及び摩擦力のような力は、実質的に無視できる。その他の実施例では、アクティブ型サスペンション要素は、プラットフォーム２６に結合されるステータ装置とサポート２４に結合されるアーマチャとを有するリニア電気モータとして実現される（図１のプラットフォーム及びサポート参照）。リニア電気モータは、リニア電気モータが非作動状態時、モータ故障中若しくはモータの電源オフ時と同様、非作動のモータによりサポート２４に負荷される慣性力及び摩擦力のような力は、実質的に無視できる。このようにして、アクティブ型サスペンション要素は、パッシブ型サスペンション要素の動作と干渉しない。更なる局面では、アクティブ型及びパッシブ型サスペンション要素は同時に動作状態となってよい。従って、幾つかの動作モードでは、アクティブ型サスペンション要素は、パッシブ型サスペンション要素により供給される力に抗する力を供給できる。他の動作モードでは、アクティブ型サスペンション要素は、パッシブ型サスペンション要素により供給される力を補助する力を供給し、アクティブ型及びパッシブ型サスペンション要素が協働するような態様で動作する。

サスペンション装置２８は、制御システム５８から受信する信号に応答して作動されてよい。以下詳説する如く、制御システムは、オープンループコントロールシステム若しくはクローズドループコントロールシステムであってよく、フィードフォワード型及びフィードバック型制御要素の双方を含んでよい。制御システムは、アクティブ型サスペンション要素にエネルギを付与し、及び、アクティブ型サスペンション要素からのエネルギを吸収することができる。制御システムは、パッシブ型サスペンション要素の応答特性を動的に調整することによってパッシブ型インターフェースを制御することもできる。かかる調整は、リアルタイムでの減衰特性の修正を含み、かかる修正は、必要とされる場合には、パッシブ型サスペンション要素との接続を解除するか、さもなればトランスペアレントにすることを含む。

一実施例では、制御システム５８は、シート乗員やボートオペレータのような、オペレータから制御入力を受信する。制御システム５８は、また、ボート環境、ボート１０、サポート２４及び乗員に関連する情報を含む制御入力を受信してもよい。種々の入力は、アクティブ型及びパッシブ型サスペンション要素を制御するように構成される出力信号を形成するためコントローラにより使用されてよい。一局面では、制御システムは、また、初期プログラミング中若しくはシステム初期化中に入力される所定のパラメータ及び他のソフトウェアを受信し、特定の入力値に対する制御システムの出力応答を定義するように構成される。

波センサ５２は、少なくとも部分的に、公知のレーダー（例えば、ドップラーレーダー、広帯域パルスレーダー）、ソナー、ライダー、マイクロ波、赤外線及び／又はレーザードップラー速度計原理に従って、動作する。望ましい場合、センサ５２は、異なる種類の複数の出力信号送信機、及び、多様な種の複数の反射信号受信機から形成されてよい。出力信号送信機は、異なる方向に向けられよい。

動作時、波センサ５２は、光学的、音響的及び／又は電磁的な信号８０を、ボート１０の前の水１００に向けて前方に送信する。出力信号８０は、波１０２により反射され、反射信号が、波センサ５２により受信される。波センサ５２は、波１０の大きさ及び船首部１４に対する動きの履歴を表わすデータを生成及び蓄積するための適切なタイミング及びメモリ装置を備えてよい。一実施例では、波センサ５２は、センサと波表面との間の距離を測定することができる。その他の実施例では、波センサ５２は、波センサに対する波の速度を測定することができる。入射する波１０２の振幅は、例えば、船首部１４の動く方向に整合する直線に沿って鉛直方向に測定された際のその高さにより決定されてよい。

図１は単一の前方監視用センサ５２を示しているが、複数の波センサが、ボート１０の船体１２に対する種々の位置に配置されてよいことは理解される。複数の波センサは、船首部１４の前、ボート１０の船尾、右舷、左舷に向いた複数の領域に関する波データを供給するように構成及び方向付けられてよい。本発明の一実施例では、波センサ５２は、波１０２のサービスより上のボート１０の船体１４の高さを指示するように構成される下方監視用センサ（若しくは下方監視用要素を有するセンサ）を含んでよい。理解されるように、追加のセンサ入力が、本発明の種々の実施例において適用されてもよい。例えば、風速がリアルタイムでセンシングされてよい。

図３を参照するに、本発明の一局面では、波センサ５２により生成される信号は、制御システム５８のフィードフォワード型波予測器８６に各々の信号ライン６０に沿って送信される。波予測器８６は、信号を処理し、クローズドループ制御ユニット８８と協働して、波１０２のタイミング、大きさ及び／又は他の特性を補正する予測信号を供給する。例えば、波予測器８６は、波センサ５２の出力を用いて、次の波が船体１２に当たると予想される時間、及び、当たった波１０２により船体１２に付与されるだろう加速度の大きさを算出する。

制御ユニット８８は、サポート動きセンサ５４から蓄積されたデータと共に波予測器の予測を用いて、ショックがプラットフォーム２６で感じ取られるだろう時間、及び、船首部１４からプラットフォーム２６に伝達されるだろう動的力の大きさ及び方向を予期する。制御ユニット８８は、この情報を用いて、シートサスペンション装置２８を、シート２４の乗員が受けるはずであった加速度を低減するような態様で、動作させる。ここで用いられるように、用語“加速度”は、正の加速度、負の加速度（即ち減速度）及び角加速度を含む。加速度を低減させることの意味は、その絶対値をゼロに近づけさせることをいう。

サポート動きセンサ５４及びデッキセンサ５６は、サポート２４及びデッキ２０の動き、振動及び／又は加速度をそれぞれ検出する。サポート及びデッキセンサ５４，５６は、角変位及び加速度を決定するための装置を含む、位置センサ、速度センサ及び／又は加速度計を含む。動きセンサ５４，５６により生成される出力信号（６２，６４）は、制御ユニット８８に供給され、そこで、それら出力信号は、波予測器８６からの信号（９０）と協働して処理され、サスペンション装置２８に供給される作動信号（６８）が生成される。例えば、本発明の一実施例では、前方監視用センサ５２は、波の表面１０２より上のボート１０の船体１４の高さを指示するように構成された下方監視用要素を提供してよい。かかる前方監視用センサ５２から出力される下方監視用要素の信号は、波予測器８６に印加されてよく、これにより、応答して、時間対衝撃の推定が供給される。即ち、波予測器８６は、次に来る波とのボートの衝突までの時間間隔を予測する。時間対衝撃の推定は、ボート１０が自由落下に入るときと、波１０２との衝突が予期されるときとの間の時間を計算するため、デッキセンサ５６の加速度計からの検出信号に組み合わされてよい。最終的な時間間隔は、波１０２とのボート１０の船体１４の衝突時のボート１０が受ける加速度による力を予測するために使用される。従って、一実施例では、重大な力の予測は、最小の情報、衝突予測時間及び自由落下に入る検出時間を含む情報を処理しつつ達成できる。

一実施例では、本発明は、波１０２の表面に当たるボートの底部から生まれるショックのような機械的ショックを予期する方法を含む。本方法は、波１０２と、ボートの底部のようなボート１０の表面との間の下方向の距離をセンシングすることを含む。同時に、ボートに取り付けられた加速度センサ（加速度計）は、ボートの重力加速度を検出する。即ち、ボートが水に向かって落ち始める際、加速度計は、落下に関連した無重力を検出し、当該落下の始まる時間を求める。水とボートとの間の下方向の距離を受信し、落下の始まる時間を受信するコンピューターは、当該距離と時間とに基づいて落下持続時間を予測する。コンピューターは、次いで、ボートの底部と水との間の衝突から生まれる予想機械的ショックを、落下持続時間に基づいて予測する。予想機械的ショックが計算されると、ショックの値が、衝撃予測時間と共に、打消信号を算出するためコンピューターにより使用される。打消信号は、アクチュエータに作動信号を送るため、アクチュエータドライバを含む制御システムのバランスにより受信される。アクチュエータは、乗員シートのような、ペイロードを移動させ、ペイロードが受けるはずであったショックの少なくとも一部をキャンセルするように構成される。当業者に明らかなように、ペイロードは、例えば設備のマウント、装置のマウント若しくはカーゴのストレージプラットフォームであってよい。従って、設備、装置、カーゴは、ボートの動作により生成される機械的ショックからの保護手段を付与される。

図示の実施例によると、フィードフォワード制御は、波センサ５２、波予測器８６、シートセンサ５４、制御ユニット８８及びサスペンション装置２８により実行される。同時に、クローズドループフィードバック制御は、シートセンサ５４、デッキセンサ５６、制御ユニット８８及びサスペンション装置２８により実行される。フィードフォワード及びフィードバック制御は、６自由度まででサスペンション装置２８を作動させるため、協働した態様で同時に実行される。その結果、船体１２に加わるショック及び振動の結果として、サポート２４の乗員が受けていたはずの加速度が低減される。

本発明の更なる局面において、後述する如く、複数自由度に関するデータが結合され、６軸より少ない制御がサポートの動きを制御するために採用されるようにする。従って、ボートのような高性能な乗り物の乗員のためのショック事象及び振動の結果を低減するシステムが開示される。波の衝突及び振動の力により引き起こされるボート船体の加速度は、乗員シートの位置及び動きが波センサからのフィードフォワード信号及びシート及びデッキセンサからのフィードバック信号に応じてアクティブに制御されるので、乗員により感じられないか若しくは少なくとも完全には伝達されない。

本発明の好ましい実施例では、フィードフォワード波衝撃ショック予測器を含む制御システムは、突出した動的な力（波に当たる船首部により生ずる）の特性を決定するため前方監視用センサの出力を用い、サポートの補償動きを生成するように一若しくはそれ以上のアクチュエータに指令を出し、これにり、乗員が受けるG力を低減する。本システムは、低周波数若しくは不規則の周波数の大きな振幅で短時間のショック事象の作用を緩和するのに特に好適であり、乗員が経験する乗心地を改善する。望ましい場合、本システムは、ウォータクラフトのエンジン（典型的には、キャビンの後部に配置される）が発生するような高周波数の振動を補償するように構成されてよい。

更なる局面では、本発明は、ウォータクラフトが動作するショック環境を特徴付けることを含む。個人、設備及びカーゴに最も有害なショック環境の特徴は、高い詳細度及び忠実度で特定できる。本システムは、アクティブ型ショック低減システムでこれらの最も危険な特徴に関するショック力を好ましく低減するように最適化される。

動作時、電子制御ユニット５８は、動きセンサ５６、前方監視用センサ５２、サポート動きセンサ５４及びデッキセンサ５６から動的信号（例えば、アナログ動的信号）を受信する。前方監視用センサ５２から受信される動的信号は、波の振幅、波の振幅の変化、平均水位（船に対する）、波の速度、波の速度の変化、波の方向及び加速度に関する情報を含んでよい。同様に、デッキセンサ５６から受信される動的信号は、６自由度までに関するデッキ位置及び加速度を含む。

種々の動的な信号が、アナログからデジタルへの変換器（AD変換器、図示せず）によりデジタル信号に変換される。変換は、種々の信号源にそれぞれに結合される専用のAD変換器により実行されてよく、若しくは、時間多重化ベースで種々の信号を受信する共通のAD変換器により実行されてよい。AD変換器は、制御ユニット５８内に配置されてよく、若しくは、外部に実装されてもよい。

AD変換器は、波予測器８６への入力として受信されるデジタル動的信号を出力する。波予測器８６は、波の挙動の既知の特徴、及び、波の衝撃に応答するウォータクラフトの動的挙動を特徴付ける伝達関数を組み込むウォータウェーブアクションの数学的モデルを含む。本発明の一局面によると、ウェーブアクションの数学的モデルは、ソフトウェアに実装され、専用若しくは汎用プロセッサ（例えば、デジタル信号プロセッサ）で実質的にリアルタイムにて実行される。この際、ソフトウェアの出力は、ウォータクラフト近傍の特定の空間的領域における特定の時間窓に亘る将来の波の構成の予測的モデルを生成する。

図４を参照するに、電子制御ユニット５８の一実施例に対する制御スキーム図は、センサ信号（３０１−３０５）の処理を示し、この場合、出力信号３１６は、最終的に生成され、外部のサスペンション装置２８に送信される（図３参照）。変位信号３００及び速度信号３０１は、外部センサ（図３の５２，５４，５６参照）から受信され、ブロック３０６にて処理され、サスペンションパラメータを復元するため力の値が算出される。図４のシステムに船体の加速度データが送信されない間、アクティブ型サスペンション要素は、変位データのストリーム内のギャップに起因して、それらの停止位置（若しくはゼロ位置）からドリフトし始める。復元サスペンションパラメータブロック３０６は、信号３００，３０１を処理して、サスペンション要素（例えば、要素２８の部分）を停止位置まで戻すための力の値を算出する。力の値は、算出されると、加速度ブロック３０８に送られる。加速度ブロック３０８は、更新されたシート質量ブロック３０７とブロック３０６からの力の値を組み合せ（以下で詳説）、図４に示すように、合算ブロック３０９に送信される仮想サスペンション加速度を生成する。

合算ブロック３０９は、ブロック３０８から出力される仮想加速度値に関して、リモートセンサから受信される船体加速度信号３０２との合算処理を行う。好ましい実施例では、ヒーブ／ピッチセンサデータが、更なる算術演算のためのロール／スウェイデータと同様に、組み合せられる。理解されるように、各組み合わせは、合算ブロック３０９から独立的になされてよく、若しくは、図４に示す他のブロック（例えば、加速度ブロック３０８）内に組み込まれてもよい。合算ブロック３０９から出力される合算値は、次いで、図４に示すように、フィルタブロック３１０に送られる。フィルタ３１０は、合算ブロック３０９からの合算加速度値を受信し、約３−１２Hzの範囲の周波数帯においてサスペンションからのフィードフォワード加速度を低減するための処理を開始する。約３−１２Hzの範囲の周波数帯における加速度は、ISO標準によると、特に人体にとって有害であるとみなされている。フィルタ処理されると、非先行（即ち、予測成分のない）加速度値が、加速度整形ブロック３１１に送信される。

図４を依然として参照するに、リモートセンサから送られる船体速度信号データ３０３は、ロールオフレートブロック３０７で受信される。尚、船体加速度信号３０２及び船体速度信号データ３０３は、好ましくは、動きの第１の主成分（即ち、一次の組合せ動き）に沿って検出される。基となる組合せ動きの方向が決定されると、軸に沿った残りの動きは、単一のセンサ若しくはセンサの組み合わせにより検出できる。

ロールオフレートブロック３０７は、フィードフォワード加速度測定値が減衰（ロールオフ）する際の速度（レート）を求める。速度は、ラギング（lagging）加速度に対して求められ、加速度が減衰することになるレベルを決定するために加速度ピークがサンプリングされる。好ましい実施例では、検出された加速度のピークが低い時、ロールオフレートがより大きく、より高い加速度ピークは、より小さいロールオフレートをトリガするだろう。ブロック３０７からロールオフレートが決定されると、出力は、加速度整形ブロック３１１に転送される。

加速度整形ブロック３１１がフィルタ処理された加速度データをフィルタブロック３１０から、ロールオフレートをブロック３０７から受信すると、加速度整形ブロックは、限られた（即ち、ロールオフされた）非予測加速度データ信号を生成し、これは、結合加速度ブロック３１２に送られる。結合加速度ブロック３１２は、更に、マルチプレクサブロック３１７からデータ信号を受信し、マルチプレクサブロックは、リモートの前方監視用センサ５２（図３参照）から送られる予測データ（LAD）を受信する。マルチプレクサブロック３１７は、信号３０３，３０４を、結合加速度ブロック３１２への送信用の１つのライン３１８で時間多重する。理解されるように、船体速度データ信号３０３及びLAD信号３０４は多重化されているが、それらは、結合加速度ブロック３１２に独立して送られてもよい。

結合加速度ブロック３１２は、加速度整形ブロック３１１から受信した限られた非予測加速度データ信号、及び、マルチプレクサブロック３１７からの多重化されたLAD／船体速度データを処理して、最終の要求加速度パルスを生成し、これは、コントローラフィードバックブロック３１３に出力される（図４参照）。最終の要求加速度信号は、コントローラフィードバックブロック３１３に、電流センサ測定値に基づいて、予期された力を打ち消すための、シートサスペンションに必要とされる加速度のレベルを示す。コントローラフィードバックブロック３１３は、また、外部センサ５４（図１参照）から受信された瞬間的なシート加速度及びサスペンション変位データ３０５を受信する。この際、コントローラフィードバックブロック３１３は、結合加速度ブロック３１２から受信された要求加速度と瞬間データ３０５とを比較し、レベルが整合しているかどうかを判断する。整合してない場合、コントローラフィードバックブロック３１３は、更新シート質量ブロック３０７に応答信号をフィードバックし、シートサスペンション（２８）に加わる力のレベルを調整及び打ち消す。レベルが整合した場合、力要求データ信号が、図４に示すように、スルーレート(slew rate)制限ブロック３１５に送られる。

スルーレート制限ブロック３１５は、シートサスペンションに行く加速度信号の変化の時間速度を制限し、これにより、シートに加わるジャークの量が効率的に制限される。ここで“ジャーク”とは、変位の三次導関数若しくは加速度の一次導関数として定義されてよい。スルーレート制限ブロック３１５から出力される信号は、図４に示すような制御サスペンションハードウェア３１６に送信される。スルーレート制限ブロック３１５の出力は、検出された力を打ち消す若しくは調整するのに必要な力のレベルを指示するアクティブ型サスペンションハードウェアに対するデータを搬送するだろう。

図５は、本発明下での減衰のための好ましい模範的な力−速度応答曲線を示す。図５の減衰応答曲線は、パッシブ型及び／又はアクティブ型要素で実現されてよく、圧縮方向にバイアスを有する特性を有する（即ち、圧縮時の減衰率がより高い）。より高い圧縮の力が負荷されている瞬間中４００、図５に示すように、高い相対速度でより高い力の勾配が、速度がゼロに近づき始めるまで生成される。

速度がゼロに近づき始めると、急峻なロールオフと共に、鋭い力−速度‘ノーズ’４０１応答が起こり、伸び力の増加と共に高い相対速度で平らな力−速度関係４０２を生成する。図５に示すような曲線形状は、次のように表わせる。
force＝ｇ１tanh（ｕ／ｇ２）＋ｇ３・ｕ＋ｇ４・｜ｕ｜
で特徴付けられ、ここで、
ｇ１は、実効総ゲインであり、ｇ２は、力／速度特性が有意に変化するサスペンション速度を制御するブローオフ(blow−off)遅延ゲインであり、ｇ３は、高い相対速度で生成される力の量を決定する傾斜ゲインであり、ｇ４は、減衰力を伸び若しくは縮み方向にバイアスするスキューゲインである。

本発明は、波の衝撃を予測する前方監視用センサを用いた、高性能ウォータクラフトシステムを参照して説明されているが、本発明が高速のウォータクラフトに必ずしも限定されないことは理解されるべきである。本発明は、例えばバージ船、ドリリングリグ、水中船、航空機、ヘリコプター、地上ベースの乗り物、水陸両用の機械類、建築設備のような、他の種の乗り物及び機器、その他、低周波数及び／又は不規則に繰り返す大きい振幅の短時間ショック事象を受ける他の乗り物や装置で使用されることができる。

更に、本発明は、フィードバックセンサ入力（例えば、位置及び加速度センサ入力）を用いたクローズドループ制御システムを参照して説明されているが、本発明が、代替的に、前方監視用センサと関連して使用されるフィードフォワード波衝撃ショック予測ロジックに加えてオープンループフィードフォワード制御ロジックにより使用されてよいことは理解されるべきである。

本発明は特別な模範的実施例を参照して説明されているが、多くの修正及び置換が本発明の精神及び観点から逸脱することなくなされうることは理解されるべきである。従って、本発明は、上述の説明により制限されるものでなく、添付のクレームの範囲により制限される。

１０ 高速ウォータクラフト
２４ 乗員シート
５２ 前方監視用センサ

Claims (27)

1. サスペンションに加えられる力を緩和するための方法であって、
   サスペンション変位信号を受信し、
   サスペンション速度信号を受信し、
   前記変位信号及び速度信号からサスペンション復元値を算出し、
   前記サスペンション復元値をシート加速度と組み合せ、
   前記組み合せた値と、船体加速度信号とを合算し、
   前記合算値をフィルタ処理して、所定周波数を最小化するための力信号を生成する、方法。
2. 前記サスペンション復元値を算出するステップは、前記サスペンション変位信号及びサスペンション速度信号を処理して、静止位置までサスペンションが復元するための復元力値を求めることを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記合算値をフィルタ処理するステップは、前記合算値を処理して、サスペンションの前方加速度を低減することを更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記合算値をフィルタ処理するステップは、３−１２Hzの範囲の周波数帯でサスペンションの前方加速度を低減することを更に含む、請求項３に記載の方法。
5. サスペンションシステムにおける予測力を打ち消す方法であって、
   サスペンション加速度データ信号を受信し、
   速度データ信号を受信し、
   前方監視データ信号を受信し、
   前記速度データ信号及びサスペンション加速度データ信号を処理して、非先行型の加速度データ信号を生成し、
   前記非先行型の加速度データ信号を前記前方監視データ信号と共に処理して、最終の要求加速度信号を生成する、方法。
6. 前記加速度データ信号は、サスペンション変位成分、サスペンション速度成分又は船体加速度成分を含む、請求項５に記載の方法。
7. 船体速度データ信号は、船体速度成分を含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記前方監視データ信号は、船体速度成分を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記最終の要求加速度信号を瞬間の加速度／変位信号と共に処理することを更に含む、請求項５に記載の方法。
10. 前記最終の要求加速度信号を瞬間の加速度／変位信号と共に処理することは、前記最終の要求加速度信号と前記瞬間の加速度／変位信号の値を比較することを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記最終の要求加速度信号と前記瞬間の加速度／変位信号の値の比較が不整合を生成した場合にフィードバック調整信号が送信される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記最終の要求加速度信号と前記瞬間の加速度／変位信号の値の比較が整合を生成した場合にスルーレート調整信号が送信される、請求項１０に記載の方法。
13. システムを制御する方法であって、
    前記システムに、該システムの構成要素の力／速度関係に関連する力を供給し、該力／速度関係は、前記速度の絶対値が低いときに高い勾配を有し、前記速度の絶対値が高いときに低い勾配を有する、方法。
14. 前記力／速度関係は、
    force＝ｇ１tanh（ｕ／ｇ２）＋ｇ３・ｕ＋ｇ４・｜ｕ｜
    で特徴付けられ、ここで、
    ｇ１は、実効総ゲイン、
    ｇ２は、前記力／速度関係が有意に変化するサスペンション速度を制御するブローオフ(blow−off)遅延ゲイン、
    ｇ３は、高い相対速度で生成される力の量を決定する傾斜ゲイン、
    ｇ４は、減衰力を伸び若しくは縮み方向に付勢するスキューゲインである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記力／速度関係は、更に、前記速度が徐々に増加する負の値を有するときの中間勾配により、又は、前記速度が徐々に増加する正の値を有するときの低勾配により特徴付けられる、請求項１３に記載の方法。
16. 乗り物の表面と障害物との間の距離をセンシングし、
    前記乗り物の重力加速度をセンシングし、
    前記センシングした重力加速度に基づいて前記乗り物が下方向に動き始める時間を求め、
    前記距離及び時間に基づいて下降時間を予測し、
    前記下降時間に基づいて、前記表面と障害物との間の衝突から生まれる予測機械的ショックを予測することを含む、機械的ショック予測方法。
17. 前記乗り物の表面と障害物との間の距離をセンシングすることは、ボートの表面と波との間の距離をセンシングすることを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記乗り物が下方向に動き始める時間を求めることは、ボートに結合された加速度計から信号を受信することを含む、請求項１６に記載の方法。
19. 乗り物内のサポートで機械的振動を緩和する方法であって、
    前記乗り物の表面と障害物との間の距離をセンシングし、
    前記乗り物の重力加速度をセンシングし、
    前記センシングした重力加速度に基づいて前記乗り物が下方向に動き始める時間を求め、
    前記距離及び時間に基づいて下降時間を予測し、
    前記下降時間に基づいて、前記表面と障害物との間の衝突から生まれる予測機械的ショックを予測し、
    前記予測機械的ショックに基づいて前記サポートを前記乗り物に対して加速させ、前記サポートが受ける前記予測機械的ショックの成分を緩和させる、方法。
20. 前記サポートを加速させることは、乗員シートを加速させること、装置マウントを加速させること、又は、カーゴサポートを加速させることを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 移動する構造と障害物との間の鉛直距離をセンシングする手段と、
    前記移動する構造が落下し始める瞬間をセンシングする手段と、
    前記距離と瞬間に基づいて落下時間を算出する手段と、
    前記移動する構造と前記障害物との間の衝撃から生まれるショックを打ち消す手段とを含み、該衝撃が前記算出される落下時間に対応する、ショック緩和システム。
22. 前記鉛直距離をセンシングする手段は、レーダー手段を含む、請求項２１に記載のショック緩和システム。
23. 前記レーダー手段は、ドップラーレーダー手段、又は、広帯域パルスレーダー手段を含む、請求項２２に記載のショック緩和システム。
24. 前記鉛直距離をセンシングする手段は、音響手段又はレーザー手段を含む、請求項２１に記載のショック緩和システム。
25. 物理的インターフェースとの距離をセンシングするように構成された下方監視用距離センサと、
    加速度計と、
    前記下方監視用距離センサからの第１の信号及び前記加速度計からの第２の信号を受信し、前記距離センサに接続される構造と前記物理的インターフェースとの間の衝撃までの算出時間を算出し、更に、補償信号を生成するように構成された計算装置と、
    前記補償信号を受信し、前記構造に結合されたペイロードを前記構造に対して加速させるように構成され、これにより、該ペイロードが受ける機械的ショックを低減するアクチュエータとを含む、ショック低減システム。
26. 前方監視用センサを更に含み、前記計算装置は、前記前方監視用センサからの信号を受信するように構成される、請求項２５に記載のショック低減システム。
27. 物理的インターフェースとの距離をセンシングするように構成された距離センサと、
    加速度計と、
    前記距離センサからの第１の信号及び前記加速度計からの第２の信号を受信し、前記距離センサに接続される構造と前記物理的インターフェースとの間の衝撃までの算出時間を算出し、更に、前記衝撃から生まれると予測される機械的ショックを算出し、補償信号を生成するように構成された計算装置と、
    前記補償信号を受信し、前記構造に結合されたペイロードを加速させように構成され、これにより、該ペイロードが受ける機械的ショックを低減するアクチュエータとを含む、ショック低減システム。

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