JP2010126085A - 操船支援装置およびそれを備えた船舶 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レバー7およびその頭部に設けられたノブ8は、ジョイスティック型の操作手段を構成している。航走制御装置20は、第1および第2目標値演算部21,22ならびに切換部23を備えている。第1目標値演算部21は通常航走モードに対応した目標値を演算し、第2目標値演算部22は平行移動モードに対応した目標値を演算する。目標値は、バウスラスタ10のプロペラ回転速度、ならびに船外機11,12のエンジン回転速度および操舵角を含む。切換部23は、通常航走モードのときは第1目標値演算部21が演算した目標値を選択し、平行移動モードのときは第2目標値演算部22が演算した目標値を選択する。
【効果】通常航走モードと平行移動モードとで操作系を共有できる。
【選択図】図4
Description
そこで、この発明の目的は、操作系の持ち替えの手間を省くことができ、操船を一層容易にすることができる操船支援装置およびそれを備えた船舶を提供することである。
前記切換手段は、所定の操作入力に応答するものでもよいし、所定の切換条件に基づいて演算モードを自動切り替えするものであってもよい。
請求項3記載の発明は、前記切換手段は、前記船舶の状態に応じて、前記目標値演算手段の演算モードを切り換えるものである、請求項1または2記載の操船支援装置である。この構成により、演算モードが船舶の状態に応じて自動で切り換わるので、演算モードの切換えのための操作も必要ではない。したがって、操船が一層容易になる。
より具体的には、前記切換手段は、前記船舶の速度と所定の速度しきい値とを比較し、その比較結果に応じて前記目標値演算手段の演算モードを切り換えるものであってもよい。この構成によれば、船舶の速度と速度しきい値との比較結果に応じて、演算モードが切り換わる。たとえば、低速航走中は非平行モードが選択され、高速走行中は平行モードが選択される。これにより、離岸時および着岸時は非平行モードとなるから、離岸および着岸のための操船が容易になる。一方、桟橋近くの混雑した水域から離れていて高速に航走しているときには平行モードとなるので、推進機が発生する推進力を効率的に利用することができる。
この構成によれば、船舶の位置や船舶周囲の障害物の有無に応じて演算モードが切り換わる。たとえば、船舶の位置が所定水域内(たとえば桟橋の近傍)に位置しているときには非平行モードが選択され、当該所定水域外に位置しているときには平行モードが選択されるとよい。また、船舶周囲の所定距離内の領域に障害物が存在しているときには非平行モードが選択され、当該領域内に障害物が存在していないときには平行モードが選択されるとよい。
この構成によれば、障害物センサによって障害物が検出され、その検出結果に応じて演算モードが切り換わる。より具体的には、船舶周囲の所定距離内の領域で障害物が検出されると、非平行モードが選択されるとよい。これにより、障害物を回避する操船を容易に行うことができる。
請求項8記載の発明は、前記操作手段は、傾倒可能なレバーと、前記レバーの傾倒を検出する傾倒検出手段を有する入力検出手段とを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の操船支援装置である。
レバーのほかにも、ペダルその他の操作部材を操作手段として適用することが可能である。
この構成によれば、たとえば、レバーを前後方向に傾倒させることによって推進力の方向および推進力の大きさを制御するための操作を行うことができ、回動操作部を回動することによって回頭操作を行うことができる。
請求項12記載の発明は、前記操作手段からの操作入力がされていないことを条件に、前記演算モードを切り換えるものである、請求項1〜11のいずれか一項に記載の操船支援装置である。
請求項13記載の発明は、船体と、この船体に取り付けられた推進機および操舵機構と、前記推進機および操舵機構のための目標値を演算する請求項1〜12のいずれか一項に記載の操船支援装置とを含む、船舶である。
なお、船舶は、クルーザ、釣り船、ウォータージェット、水上滑走艇(watercraft)のような比較的小型のものであってもよい。
図1は、この発明の一実施形態に係る船舶1の構成を説明するための概念図である。この船舶1は、クルーザやボートのような比較的小型の船舶である。この船舶1の船体2には、一つのバウスラスタ10と、一対の船外機11,12が取り付けられている。船外機11,12は、船体2の船尾(トランサム)3に取り付けられている。この一対の船外機11,12は、船体2の船尾3および船首4を通る中心線5に対して、左右対称な位置に取り付けられている。すなわち、一方の船外機11は、船体2の左舷後部に取り付けられており、他方の船外機12は、船体2の右舷後部に取り付けられている。そこで、以下では、これらの船外機を区別するときには、それぞれ、「左舷船外機11」、「右舷船外機12」と呼ぶ。一方、バウスラスタ10は、船体2の船首4の付近に取り付けられている。このバウスラスタ10は、中心線5に交差する左右方向への推進力を発生する推進ユニットである。より具体的には、バウスラスタ10は、電動モータ10aと、これにより正転または逆転駆動されるプロペラ10bとを含む。プロペラ10bが生成する推進力は、船舶1の中心線に交差(直交)する水平方向(左右方向)に沿う。以下、バウスラスタ10および船外機11,12を総称するときには、「推進機10〜12」などという場合がある。
通常航走モードでは、航走制御装置20は、レバー7の左右への傾倒操作またはノブ8のいずれか一方の回動操作に応じて、船外機11,12の目標操舵角を等しい値に設定する。したがって、船外機11,12は、互いに平行な方向に推進力を発生することになる。また、航走制御装置20は、各船外機11,12の目標エンジン回転速度および目標シフト位置を、レバー7の前後への傾倒操作量に応じて設定する。バウスラスタ10は停止状態に制御される。
シフト機構43は、ドライブシャフト41の下端に固定されたベベルギヤからなる駆動ギヤ43aと、プロペラシャフト42上に回動自在に配置されたベベルギヤからなる前進ギヤ43bと、同じくプロペラシャフト42上に回動自在に配置されたベベルギヤからなる後進ギヤ43cと、前進ギヤ43bおよび後進ギヤ43cの間に配置されたドッグクラッチ43dとを有している。
一方、ドッグクラッチ43dは、プロペラシャフト42にスプライン結合されている。すなわち、ドッグクラッチ43dは、プロペラシャフト42に対してその軸方向に摺動自在であるけれども、プロペラシャフト42に対する相対回動はできず、このプロペラシャフト42とともに回転する。
さらに、推進ユニット30に固定された操舵ロッド47には、船外機ECU13,14によって制御される操舵アクチュエータ53が結合されている。操舵アクチュエータ53は、たとえば、DCサーボモータおよび減速器を含む構成とすることができる。この操舵アクチュエータ53を駆動することによって、推進ユニット30を操舵軸35まわりに回動させることができ、舵取り操作を行うことができる。このように、操舵アクチュエータ53、操舵ロッド47および操舵軸35を含む操舵機構50(電動ステアリング装置)が形成されている。この操舵機構50には、操舵角を検出するための操舵角センサ49が備えられている。操舵角センサ49は、たとえば、ポテンショメータからなる。
レバー7は、操作台6から突設されており、任意の方向へ傾倒自在である。このレバー7の遊端部に略球体状のノブ8が取り付けられている。
図4は、船舶1の主要部の電気的構成を説明するためのブロック図である。航走制御装置20は、CPU(中央処理装置)およびメモリを含むマイクロコンピュータを備えていて、このマイクロコンピュータが所定のソフトウェア処理を実行することにより、実質的に複数の機能処理部として動作する。この機能処理部には、第1および第2目標値演算部21,22と、切換部23とが含まれている。第1目標値演算部21は、通常航走モードのための目標値を演算する。第2目標値演算部22は、平行移動モードのための目標値を演算する。切換部23は、第1および第2目標値演算部21,22のいずれかによって演算される目標値を船舶1の状態に応じて選択する。切換部23によって選択された目標値は、バウスラスタ10のためのECU9、左舷船外機11のための船外機ECU13、および右舷船外機12のための船外機ECU14へと与えられる。
図6は、平行移動モード(停泊操船支援モード)におけるレバー7の操作とバウスラスタ10および船外機11,12の動作とを説明するための図である。この実施形態では、平行移動モードにおいて、船外機11,12の操舵角は、予め定める一定値に設定される。たとえば、第2目標値演算部22は、左舷船外機11の目標操舵角δLを−π/6(rad)に固定し、右舷船外機12の目標操舵角δRをπ/6(rad)に固定する。バウスラスタ10の操舵角δF(プロペラが発生する推進力の方向)は、機械的に固定されていて、π/2(rad)である。ここで、「操舵角」は、船体2の中心線5(図1参照)に対するプロペラ回転軸線の偏角であり、船首から船尾に向かう方向を0度とし、これに対して左回り方向を正にとり、右回り方向を負にとったものである。プロペラ回転軸線は、バウスラスタ10については、プロペラ10bから右方向に向かう方向に延び、船外機11,12については、当該船外機11,12から船舶後方へ離れる方向に延びるものとする。
第2目標値演算部22の目標値設定部22Aは、レバー7の前後方向傾倒量Lxに応じて、前後方向目標スラスト(推進力)Fdx=cx×Lxを求める。また、目標値設定部22Aは、レバー7の左右方向傾倒量Lyに応じて、左右方向目標スラスト(推進力)Fdy=cy×Lyを求める。さらに航走制御装置20は、ノブ8の回動操作量Lzに応じて、船舶1を旋回させるための目標トルクMdz=cz×Lzを求める。ただし、係数cx,cy,czの値は、通常航走モード時とは異なる値である。これらの目標値Fdx,Fdy,Mdzに基づいて、バウスラスタ10、および船外機11,12が生成すべき個別の推進力が、推進力配分部22Bによって求められる。
FF:バウスラスタが出力するスラスト
FL:左舷船外機が出力するスラスト
FR:右舷船外機が出力するスラスト
(xF,yF):船体座標系におけるバウスラスタの位置
(xL,yL):船体座標系における左舷船外機の位置
(xR,yR):船体座標系における右舷船外機の位置
δF:バウスラスタの目標操舵角
δL:左舷船外機の目標操舵角
δR:右舷船外機の目標操舵角
「船体座標系」とは、図7に示すように船舶1の瞬間回転中心80を原点とし、中心線5に沿ってx軸をとり、x軸に直交する水平方向(左右方向)にy軸をとった座標系である。
f=T(δ)-1τ ……(1)
制御分配行列T(δ)は、次のように表される。
TF=[cosδF sinδF xFsinδF−yFcosδF]T ……(3)
TL=[cosδL sinδL xLsinδL−yLcosδL]T ……(4)
TR=[cosδR sinδR xRsinδR−yRcosδR]T ……(5)
前述のとおり、この実施形態では、δF=π/2(rad)、δL=−π/6(rad)、δR=π/6(rad)としている。これらは一例であり、一般には、T(δ)が逆行列T(δ)-1を持つように定めればよく、固定値である必要もない。
T=ρD4KT(J)n|n| ……(6)
ここで、ρは水の密度、Dはプロペラ直径、nはプロペラ回転速度、Jは前進率であり、次式で与えられる。
J=u/(nD) ……(7)
uはプロペラ後流の速度(船舶の速度。バウスラスタ10に関しては実質的に零と見なせる。)である。KTはスラスト係数であり、前進率Jの関数となっていて、実測やシミュレーションによって求められる。したがって、現在のプロペラ後流の速度とプロペラ回転速度が分かれば、現在発生しているスラストとトルクが分かる。
推進力配分部22Bは、速度センサ16によって検出される船舶1の速度、ECU9から与えられる現在のプロペラ回転速度、およびECU13,14から与えられる現在のエンジン回転速度を用いてマップ22mを参照することにより、スラスト係数KTを求める。さらに、推進力配分部22Bは、そのスラスト係数KTを用いて、前記(6)式から、目標スラストFdに対応する各推進機10〜12の目標回転速度nF,nL,nRを求める。
航走制御装置20は、速度センサ16により検出された船舶1の速度を取り込む(ステップS1)。
一方、通常航走モードのとき(ステップS2:NO)、航走制御装置20は、前進速度が所定の前進速度しきい値(たとえば3km/h)以下かどうかを判断する(ステップS6)。また、航走制御装置20は、後進速度が所定の後進速度(たとえば1km/h)以下かどうかを判断する(ステップS7)。これらの前進速度しきい値および後進速度しきい値は平行移動モードのときに適用される値と等しくてもよいけれども、この実施形態では、異なる値(具体的には小さな値)とされている。これにより、制御モードの遷移に対してヒステリシスが与えられており、制御の安定化が図られている。
このような処理が行われることによって、船舶1の速度が充分に低速であり、かつ、レバー7およびノブ8が実質的に操作されていないときに、通常航走モードから平行移動モードへと制御モードが遷移する。制御モードの遷移は自動的に行われ、操船者による操作を必要としない。これにより、操作が簡単になる。桟橋近くの水域に近づいて減速するのに伴って、通常航走モードから平行移動モードへと遷移するので、適切な制御モードが自動で選択されることになる。さらに、レバー7およびノブ8の操作位置が不感帯内であるときに制御モードが切り換わるので、推進力および操舵角の急変を回避できる。これにより、操船者その他の乗船者の違和感を抑制できる。
図9は、船舶の速度に加えて、船舶の現在位置および船舶周囲の障害物の有無に応じて制御モードを切り換える処理(切換部23の作用)を説明するためのフローチャートである。図9において、図8に示された各ステップと同等の処理が行われるステップには同一参照符号を付すこととする。
航走制御装置20は、速度センサ16により検出された船舶1の速度、位置検出装置17により検出された船舶1の現在位置、および障害物センサ18からの検出結果(障害物情報)を取得する(ステップS1,S21,S22)。
平行移動モードのとき(ステップS2:YES)、航走制御装置20は、現在位置情報に基づいて、船舶1が指定区域内に位置しているかどうかを判断する(ステップS23)。指定区域は、平行移動モードが適切な区域として予め設定されている領域(たとえば桟橋近辺の水域)である。たとえば、地形情報を含む地図データベースを記録した記録媒体が航走制御装置20に備えられており、その地図データベース上において、予め所定の区域が指摘区域として登録されている。航走制御装置20は、地図データベースを参照することによって、現在位置情報が指定区域内かどうかを判断する。現在位置情報が指定区域内を表すときには(ステップS23:YES)、航走制御装置20は、制御モードを平行移動モードに維持する。さらに、航走制御装置20は、障害物情報を参照し、船舶1の周辺に障害物が存在しているかどうかを判断する(ステップS24)。より具体的には、障害物センサ18によって周辺の障害物までの距離が検出される場合には、最も近い障害物までの距離が所定値以下かどうかが判断される。この判断が肯定されれば、航走制御装置20は、制御モードを平行移動モードに維持する。
現在位置が指定区域内でなく(ステップS23:NO)、かつ周辺に障害物が存在していないとき(ステップS24:NO)には、船舶1の速度に関する判断が行われる。すなわち、航走制御装置20は、前進速度が前進速度しきい値(たとえば4km/h)を超えているかどうかを判断する(ステップS3)。また、航走制御装置20は、後進速度が後進速度しきい値(たとえば2km/h)を超えているかどうかを判断する(ステップS4)。前進速度が前進速度しきい値を超えている場合(ステップS3:YES)、航走制御装置20は、制御モードを平行移動モードから通常航走モードに変更する(ステップS5)。後進速度が後進速度しきい値を超えている場合(ステップS4:YES)も同様に、航走制御装置20は、制御モードを平行移動モードから通常航走モードに変更する。前進速度が前進速度しきい値以下(ステップS3:NO)であり、かつ、後進速度が後進速度しきい値以下(ステップS4:NO)であるときは、航走制御装置20は、制御モードを平行移動モードに維持する。
一方、通常航走モードのとき(ステップS2:NO)、航走制御装置20は、船舶1の現在位置情報に基づいて、船舶1が指定区域内に位置しているかどうかを判断する(ステップS25)。航走制御装置20は、さらに、障害物情報に基づいて、船舶1の周辺に障害物が存在しているかどうかを判断する(ステップS26)。現在位置が指定区域内でなく(ステップS25:NO)、かつ近くに障害物が存在しない(ステップS26:NO)には、航走制御装置20は、制御モードを通常航走モードに維持する。
現在位置が指定区域内(ステップS25:YES)であるか、または周辺に障害物が存在している(ステップS26:YES)ときには、船舶1の速度に関する判断が行われる。すなわち、航走制御装置20は、前進速度が前進速度しきい値(たとえば3km/h)以下かどうかを判断する(ステップS6)。また、航走制御装置20は、後進速度が後進速度(たとえば1km/h)以下かどうかを判断する(ステップS7)。さらに、航走制御装置20は、レバー7の前後方向の傾倒量が所定の不感帯内かどうかを判断する(ステップS8)。また、航走制御装置20は、ノブ8の回動操作量(またはレバー7の左右方向の傾倒量)が所定の不感帯内かどうかを判断する(ステップS9)。
このような処理が行われることによって、現在位置が指定区域内であるか、または周辺に障害物が存在する状況では、一定条件下で通常航走モードから平行移動モードへと制御モードが自動的に遷移する。これにより、船舶1の状態に応じた制御モードの選択をより適切に行うことができる。
また、前述の図9に示した処理では、現在位置情報および障害物情報の両方が用いられているけれども、これらの一方のみが用いられてもよい。
さらに、前述の実施形態では、推進機として、バウスラスタ10および船外機11,12が備えられている例について説明したけれども、バウスラスタ10は必ずしも必要ではない。すなわち、左右一対の船外機11,12が発生する推進力のつり合いを利用して、平行移動モードにおける操船を実現してもよい。
以下に、「課題を解決するための手段」の項に記載した用語と前述の実施形態における用語との対応関係を示す。
推進機:バウスラスタ10、船外機11,12
操舵機構:操舵機構50
船舶:船舶1
操作手段:レバー7、ノブ8
目標値演算手段:第1および第2目標値演算部21,22
切換手段:切換部23
制御手段:ECU9,13,14
目標値演算ユニット:第1および第2目標値演算部21,22
選択出力手段:切換部23(図4)
選択活性化手段:切換部23(図10)
平行モード:通常航走モード
非平行モード:平行移動モード
障害物センサ:障害物センサ18
障害物判定手段:ステップS24,S26(図9)
レバー:レバー7
回動操作部、回動操作子:ノブ8
入力検出手段:第1〜第3位置センサ61〜63
傾倒検出手段:第1および第2位置センサ61,62
回動検出手段:第3位置センサ63
第1モード:通常航走モード
第2モード:平行移動モード
船体:船体2
操船支援装置:レバー7、ノブ8、航走制御装置20
2 船体
7 レバー
8 ノブ
9 ECU
10 バウスラスタ
10a 電動モータ
10b プロペラ
10c 回転センサ
11 左舷船外機
12 右舷船外機
13,14 船外機ECU
16 速度センサ
17 位置検出装置
18 障害物センサ
20 航走制御装置
21 第1目標値演算部
21A 目標値設定部
21B 推進力配分部
22 第2目標値演算部
22A 目標値設定部
22B 推進力配分部
23 切換部
30 推進ユニット
39 エンジン
40 プロペラ
43 シフト機構
44 シフトロッド
46 スロットルバルブ
48 エンジン回転検出部
49 操舵角センサ
50 操舵機構
51 スロットルアクチュエータ
52 シフトアクチュエータ
53 操舵アクチュエータ
61 第1位置センサ
62 第2位置センサ
63 第3位置センサ
Claims (13)
- 推進機および操舵機構を備えた船舶のための操船支援装置であって、
船舶の移動および回頭を制御するために操作者により操作される操作手段と、
複数の演算モードを有し、前記操作手段による操作入力に応じて、前記推進機のための目標推進力および前記操舵機構のための目標操舵角を含む目標値を演算する目標値演算手段と、
前記目標値演算手段の演算モードを切り換える切換手段とを含む、操船支援装置。 - 前記操船支援装置は、複数の推進機と、この複数の推進機にそれぞれ対応する複数の操舵機構とを備えた船舶に適用されるものであり、
前記複数の演算モードは、前記複数の推進機の操舵角を平行に設定する平行モードと、前記複数の推進機の操舵角を非平行とする非平行モードとを含む、請求項1記載の操船支援装置。 - 前記切換手段は、前記船舶の状態に応じて、前記目標値演算手段の演算モードを切り換えるものである、請求項1または2記載の操船支援装置。
- 前記船舶の状態は、船舶の運転状態および船舶周囲の環境の少なくとも一つを含む、請求項3記載の操船支援装置。
- 前記船舶の状態は、前記船舶の速度を含み、
前記切換手段は、前記船舶の速度に応じて、前記目標値演算手段の演算モードを切り換える、請求項3または4記載の操船支援装置。 - 前記船舶の状態は、船舶の位置情報および船舶周囲の障害物の有無に関する障害物情報のうちの少なくとも一つを含む、請求項3〜5のいずれか一項に記載の操船支援装置。
- 船舶周囲の障害物の有無を検出する障害物センサの検出信号を受け取って、船舶周囲の障害物の有無を判定する障害物判定手段をさらに含み、
前記切換手段は、前記障害物判定手段による判定結果に応じて前記目標値演算手段の演算モードを切り換えるものである、請求項3〜5のいずれか一項に記載の操船支援装置。 - 前記操作手段は、傾倒可能なレバーと、前記レバーの傾倒を検出する傾倒検出手段を有する入力検出手段とを含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の操船支援装置。
- 前記レバーは、前後方向への傾倒が可能なものであり、前記操作手段は、回動可能な回動操作部をさらに含み、前記入力検出手段は、さらに前記回動操作部の回動操作を検出する回動検出手段を有するものである、請求項8記載の操船支援装置。
- 前記複数の演算モードは、前記レバーの傾倒操作を前記推進機出力の調整に割り当て、前記回動操作部の回動操作を前記操舵機構の操舵角の調整に割り当てて目標値を演算する第1モードと、前記レバーの傾倒方向を船舶の進行方向の調整に割り当て、前記回動操作部の回動操作を船舶の回頭の調整に割り当てて目標値を演算する第2モードとを含む、請求項9記載の操船支援装置。
- 前記レバーは、前後方向および左右方向に傾倒可能なものであり、
前記複数の演算モードは、前記レバーの前後方向傾倒操作を前記推進機出力の調整に割り当て、前記レバーの左右方向傾倒操作を前記操舵機構の操舵角の調整に割り当てて目標値を演算する第1モードと、前記レバーの傾倒方向を船舶の進行方向に割り当てて目標値を演算する第2モードとを含む、請求項8または9記載の操船支援装置。 - 前記切換手段は、前記操作手段からの操作入力がされていないことを条件に、前記演算モードを切り換えるものである、請求項1〜11のいずれか一項に記載の操船支援装置。
- 船体と、
この船体に取り付けられた推進機および操舵機構と、
前記推進機および操舵機構のための目標値を演算する請求項1〜12のいずれか一項に記載の操船支援装置とを含む、船舶。
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