JP2023037889A - 船の挙動を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】船の速度の低下を抑えながら、ポーポイズを軽減する。【解決手段】システムは、船外機と、リフトアクチュエータと、センサと、コントローラとを備える。センサは、船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を検出する。コントローラは、動作情報に基づいて、船首の上下方向への動作に応じて、リフト上げ方向とリフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定する。コントローラは、船外機をリフト方向にリフト動作させるように、リフトアクチュエータを制御する。コントローラは、リフト上げ方向に船外機をリフト動作させるときと、リフト下げ方向に船外機をリフト動作させるときとでは、船外機をリフト動作させる時間を変化させる。【選択図】図７

Description

本発明は、船の挙動を制御するためのシステムおよび方法に関する。

船外機などの船舶推進機を搭載した船では、高速航行中にポーポイズと呼ばれるピッチング運動が発生することがある。ポーポイズが発生する要因は、以下の通りである。

船が高速航行しているときには、揚力によって船の船首が上昇する。船首が上昇すると、揚力中心が後方へ移動することで、船首を下降させるモーメントが船に作用する。それにより、船首が下降する。船首が下降すると、揚力中心が前方へ移動することで、船首を上昇させるモーメントが船に作用する。それにより、船首が上昇する。このような動作が繰り返されることで、船首の上昇と下降とが繰り返されるポーポイズが発生する。

従来、ポーポイズを軽減する技術として、エンジン回転速度を低下させることが知られている。或いは、特許文献１のように、トリムタブを下降させることで、船の姿勢を制御することが知られている。

特開２０２１－９５０７２号公報

上述したポーポイズを軽減する技術では、いずれも船の速度を低下させてしまう。本発明の目的は、船の速度の低下を抑えながら、ポーポイズを軽減することにある。

本発明の一態様に係るシステムは、船の挙動を制御するためのシステムである。当該システムは、船外機と、リフトアクチュエータと、センサと、コントローラとを備える。船外機は、上下方向にリフト動作可能に船に取り付けられる。リフトアクチュエータは、リフト上げ方向とリフト下げ方向とに船外機をリフト動作させる。センサは、船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を検出する。コントローラは、リフトアクチュエータと通信可能に接続される。

コントローラは、動作情報を取得する。コントローラは、動作情報に基づいて、船首の上下方向への動作に応じて、リフト上げ方向とリフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定する。コントローラは、船外機をリフト方向にリフト動作させるように、リフトアクチュエータを制御する。コントローラは、リフト上げ方向に船外機をリフト動作させるときと、リフト下げ方向に船外機をリフト動作させるときとでは、船外機をリフト動作させる時間を変化させる。

本発明の他の態様に係る方法は、船の挙動を制御するための方法である。船は、船外機とリフトアクチュエータとを備える。船外機は、上下方向にリフト動作可能である。リフトアクチュエータは、リフト上げ方向とリフト下げ方向とに船外機をリフト動作させる。当該方法は、船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を取得することと、動作情報に基づいて、船首の上下方向への動作に応じて、リフト上げ方向とリフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定することと、船外機をリフト方向にリフト動作させるように、リフトアクチュエータを制御することと、リフト上げ方向に船外機をリフト動作させるときと、リフト下げ方向に船外機をリフト動作させるとでは、船外機をリフト動作させる時間を変化させること、を備える。

本発明の他の態様に係るシステムは、船の挙動を制御するためのシステムである。当該システムは、船舶推進機と、リフトアクチュエータと、センサと、コントローラとを備える。船舶推進機は、上下方向にリフト動作可能に船に取り付けられる。リフトアクチュエータは、リフト上げ方向とリフト下げ方向とに船舶推進機をリフト動作させる。センサは、船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を検出する。コントローラは、リフトアクチュエータと通信可能に接続される。

コントローラは、動作情報を取得する。コントローラは、動作情報に基づいて、船首の上下方向への動作に応じて、リフト上げ方向とリフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定する。コントローラは、船舶推進機をリフト方向にリフト動作させるように、リフトアクチュエータを制御する。コントローラは、リフト上げ方向に船舶推進機をリフト動作させるときと、リフト下げ方向に船舶推進機をリフト動作させるときとでは、船舶推進機をリフト動作させる時間を変化させる。

本発明によれば、船首の上下方向への動作に応じて、リフト上げ方向とリフト下げ方向とから選択的に、リフト方向が決定される。そして、決定されたリフト方向に船外機をリフト動作させることで、ポーポイズが軽減される。そのため、船の速度の低下を抑えながら、ポーポイズが軽減される。

一方、船外機のリフト動作の速度は、スラストなどの船の走行状態により、リフト上げ方向とリフト下げ方向とで異なる。そのため、リフト上げ方向とリフト下げ方向とで、同じ時間でリフト動作させても、船外機のリフト位置を、ポーポイズを軽減するための狙いの量に保持することは困難である。

そこで、本発明では、リフト上げ方向に船外機をリフト動作させるときと、リフト下げ方向に船外機をリフト動作させるときとでは、船外機をリフト動作させる時間が変化する。それにより、船外機のリフト位置を、ポーポイズを軽減するための狙いの角度に保持することができる。

実施形態に係る船を示す斜視図である。 船外機の側面図である。 船の制御システムの構成を示す模式図である。 ポーポイズ抑制制御の処理を示すフローチャートである。 ポーポイズ時の船のピッチ角の変化と、ポーポイズ抑制制御によるリフト位置の変化とを示す図である。 ポーポイズ時の船の挙動と船外機のリフト動作との一例を示す図である。 ポーポイズ時の船の挙動と船外機のリフト動作との一例を示す図である。 ポーポイズ時の船の挙動と船外機のリフト動作との一例を示す図である。 ポーポイズ時の船のピッチ角の変化と、ポーポイズ抑制制御によるリフト位置の変化とを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る船１００を示す斜視図である。船外機１は、船１００の船尾に取り付けられる。船外機１は、船１００を推進させるスラストを発生させる。図２は、船外機１の側面図である。船外機１は、ブラケット１１を介して船１００に取り付けられる。ブラケット１１は、トリム軸１０回りに回転可能に船外機１を支持する。トリム軸１０は、船外機１の左右方向に延びている。ブラケット１１は、転舵軸１２回りに回転可能に船外機１を支持する。転舵軸１２は、船外機１の上下方向に延びている。

ブラケット１１は、第１リフトブラケット１１ａと第２リフトブラケット１１ｂとを含む。第１リフトブラケット１１ａは、船１００に取り付けられる。第２リフトブラケット１１ｂは、船外機１に取り付けられる。第２リフトブラケット１１ｂは、第１リフトブラケット１１ａに対して上下に摺動可能である。それにより、ブラケット１１は、船外機１を上下方向にリフト動作可能に支持する。

船外機１は、駆動ユニット２と、ドライブ軸３と、プロペラ軸４と、シフト機構５と、ハウジング６とを含む。駆動ユニット２は、船１００を推進させるスラストを発生させる。駆動ユニット２は、例えば、内燃エンジンである。駆動ユニット２は、クランク軸１３を含む。クランク軸１３は、船外機１の上下方向に延びている。

ドライブ軸３は、クランク軸１３に接続されている。ドライブ軸３は、船外機１の上下方向に延びている。プロペラ軸４は、船外機１の前後方向に延びている。プロペラ軸４は、シフト機構５を介して、ドライブ軸３に接続されている。プロペラ軸４にはプロペラ７が取り付けられる。シフト機構５は、前進と後進とを切り換えるためのギアとクラッチとを含む。シフト機構５は、ドライブ軸３からプロペラ軸４への回転の伝達方向を切り換える。ハウジング６は、駆動ユニット２と、ドライブ軸３と、プロペラ軸４と、シフト機構５とを収容している。

図３は、船１００の制御システムの構成を示す模式図である。図３に示すように、船外機１は、ステアリングアクチュエータ１４と、トリムアクチュエータ１５と、リフトアクチュエータ１８とを含む。ステアリングアクチュエータ１４は、転舵軸１２回りに船外機１を回転させる。ステアリングアクチュエータ１４は、例えば電動モータである。ただし、ステアリングアクチュエータ１４は、電動シリンダ、油圧モータ、或いは油圧シリンダなどの他のアクチュエータであってもよい。

トリムアクチュエータ１５は、トリム軸１０回りに船外機１を回転させる。トリムアクチュエータ１５は、例えば電動モータである。ただし、トリムアクチュエータ１５は、電動シリンダ、油圧モータ、或いは油圧シリンダなどの他のアクチュエータであってもよい。トリムアクチュエータ１５は、船外機１をトリム軸１０回りに回動させることで、トリム上げ方向とトリム下げ方向とに船外機１をトリム動作させる。

リフトアクチュエータ１８は、第２リフトブラケット１１ｂを第１リフトブラケット１１ａに対して摺動させる。リフトアクチュエータ１８は、例えば電動モータである。ただし、リフトアクチュエータ１８は、電動シリンダ、油圧モータ、或いは油圧シリンダなどの他のアクチュエータであってもよい。リフトアクチュエータ１８は、第２リフトブラケット１１ｂを第１リフトブラケット１１ａに対して摺動させることで、リフト上げ方向とリフト下げ方向とに船外機１をリフト動作させる。

制御システムは、操舵部材１６とスロットル操作部材１７とを含む。操舵部材１６とスロットル操作部材１７とは、船１００の操船席に配置されている。操舵部材１６は、オペレータが船１００の旋回方向を操作するために操作可能である。スロットル操作部材１７は、例えば、ステアリングホイールを含む。ただし、スロットル操作部材１７は、ジョイスティックなどの他の部材を含んでもよい。

スロットル操作部材１７は、例えばスロットルレバーを含む。スロットル操作部材１７は、オペレータが船外機１のスラストの大きさを調整するために操作可能である。また、スロットル操作部材１７は、オペレータが船外機１のスラストの方向を前進と後進とに切り替えるために操作可能である。

制御システムは、コントローラ２０を含む。コントローラ２０は、ＣＰＵなどのプロセッサと、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリとを含む。コントローラ２０は、船外機１を制御するためのプログラム及びデータを記憶している。コントローラ２０は、互いに別体の複数のコントローラを含んでもよい。

コントローラ２０は、駆動ユニット２と、ステアリングアクチュエータ１４と、トリムアクチュエータ１５と、リフトアクチュエータ１８と通信可能に接続されている。コントローラ２０は、スロットル操作部材１７の操作に応じて、駆動ユニット２を制御する。それにより、駆動ユニット２の出力回転速度が制御される。コントローラ２０は、操舵部材１６の操作に応じて、ステアリングアクチュエータ１４を制御する。それにより、船外機１の舵角が制御される。

制御システムは、ピッチ角センサ２１と、トリム角センサ２２と、リフト位置センサ２３とを含む。ピッチ角センサ２１は、船１００のピッチ角と、ピッチ角の角速度（以下、「ピッチ角速度」と呼ぶ）とを検出する。ピッチ角は、水平方向に対する船１００の上下方向の傾斜角を示す。船１００のピッチ角とピッチ角速度とは、船１００の船首の上下方向への動作を示す動作情報の一例である。

ピッチ角センサ２１は、例えばＩＭＵ（慣性計測装置：Inertial Measurement Unit）である。ピッチ角センサ２１は、船１００のピッチ角とピッチ角速度とを示すピッチ角信号を出力する。トリム角センサ２２は、船外機１のトリム角を検出する。トリム角は、所定の基準方向（例えば鉛直方向）からのトリム軸１０回りの船外機１の回転角度を示す。トリム角センサ２２は、船外機１のトリム角を示すトリム角信号を出力する。

リフト位置センサ２３は、船外機１のリフト位置を検出する。リフト位置は、船１００に対する船外機１の上下方向の位置を示す。リフト位置センサ２３は、船外機１のリフト位置を示すリフト位置信号を出力する。

コントローラ２０は、船１００のピッチ角と、ピッチ角速度と、船外機１のリフト位置とに基づいてリフト動作を制御することでポーポイズを抑えるポーポイズ抑制制御を実行する。以下、ポーポイズ抑制制御について説明する。図４は、ポーポイズ抑制制御の処理を示すフローチャートである。

図４に示すように、ステップＳ１０１で、コントローラ２０は、ピッチ角と、ピッチ角速度とを取得する。コントローラ２０は、ピッチ角信号を受信し、ピッチ角信号から、ピッチ角と、ピッチ角速度とを取得する。

ステップＳ１０２で、コントローラ２０は、リフト位置を取得する。コントローラ２０は、リフト位置信号を受信し、リフト位置信号からリフト位置を取得する。ステップＳ１０３で、コントローラ２０は、周期パラメータを算出する。周期パラメータは、船１００のピッチ角と、ピッチ角速度と、船外機１のリフト位置とに基づいて求められるパラメータである。周期パラメータの値は、船１００のポーポイズ時の船１００のピッチ角と、ピッチ角速度との変化に応じて、周期的に変化する。周期パラメータは、以下の式（１）で表される。
U1=a1×(θp－θp*)＋a2×dθp＋a3（Hs－Hs*)} （１）
U1は、周期パラメータである。θpは、船１００のピッチ角である。dθpは、船１００のピッチ角速度である。Hsは、リフト位置である。a1、a2、a3は、所定の係数であり、船１００及び船外機１の種類と状態とによって定まる。θp*は、航走時の船１００の平衡ピッチ角である。Hs*は、航走時の船外機１の目標リフト位置である。周期パラメータは、船１００のポーポイズ時には、正の値と負の値とに、周期的に変化する。

ステップＳ１０４では、コントローラ２０は、周期パラメータが０より大きいかを判定する。コントローラ２０は、周期パラメータが０より大きいと判定した時には、ステップＳ１０５において、リフト上げ方向をトリム方向として決定する。

ステップＳ１０６では、コントローラ２０は、周期パラメータが０より小さいかを判定する。コントローラ２０は、周期パラメータが０より小さいと判定した時には、ステップＳ１０７において、リフト下げ方向をトリム方向として決定する。

ステップＳ１０８では、コントローラ２０は、リフトアクチュエータ１８を制御して、船外機１をトリム方向にリフト動作させる。すなわち、コントローラ２０は、周期パラメータが０より大きくなったときには、リフト上げ方向に船外機１をリフト動作させる。コントローラ２０は、周期パラメータが０より小さくなったときには、リフト下げ方向に船外機１をリフト動作させる。コントローラ２０は、ステップＳ１０１からステップＳ１０８の処理を繰り返し実行する。

図５は、ポーポイズ時の船１００のピッチ角の変化に対する、ポーポイズ抑制制御によるリフト位置の変化を示す図である。図５に示すように、ポーポイズ時には、船１００のピッチ角が周期的に変化する。時間Ｔ１において、コントローラ２０は、周期パラメータが０より小さくなったと判定する。それにより、コントローラ２０は、船外機１をリフト下げ方向にリフト動作させる。コントローラ２０は、時間Ｔ１から時間Ｔ２まで、船外機１をリフト下げ方向にリフト動作させる。

時間Ｔ２で、コントローラ２０は、周期パラメータが０より大きくなったと判定する。それにより、コントローラ２０は、船外機１をリフト上げ方向にリフト動作させる。コントローラ２０は、時間Ｔ２から時間Ｔ３まで、船外機１をリフト上げ方向にリフト動作させる。

以降、同様に、コントローラ２０は、時間Ｔ３から時間Ｔ４まで、船外機１をリフト下げ方向にリフト動作させる。コントローラ２０は、時間Ｔ４から時間Ｔ５まで、船外機１をリフト上げ方向にリフト動作させる。コントローラ２０は、時間Ｔ５から時間Ｔ６まで、船外機１をリフト下げ方向にリフト動作させる。コントローラ２０は、時間Ｔ６から時間Ｔ７まで、船外機１をリフト上げ方向にリフト動作させる。

なお、コントローラ２０は、上述したポーポイズ抑制制御を、所定の開始条件が満たされているときに実行してもよい。開始条件は、船１００にポーポイズが発生していることを示す。例えば、開始条件は、ピッチ角が０．１Ｈｚ以上で周期的に変化していることを含む。

以上説明した本実施形態に係る船外機１の制御システムでは、船１００のピッチ角と、ピッチ角速度と、船外機１のリフト位置とに基づいて、リフト上げ方向とリフト上げ方向とから選択的に、リフト方向が決定される。それにより、ポーポイズ時の船１００の挙動を精度よく判定して、リフト方向を決定することができる。そして、決定されたリフト方向に船外機１をリフト動作させることで、ポーポイズが軽減される。それにより、船１００の速度の低下を抑えながら、ポーポイズが軽減される。

例えば、図６Ａ～図６Ｃは、ポーポイズ時の船１００の挙動と船外機１のリフト動作との一例を示す図である。図６Ａに示すように、ポーポイズ時には、船１００の重心Ｇ１より前方に揚力Ｆ１が作用することで、船首が上昇する。図６Ｂに示すように、船首が上昇すると、揚力Ｆ１の作用位置が、重心Ｇ１よりも後方へ移動する。それにより、船１００には、船首を下げる向きのモーメントＭ１が作用する。このとき、コントローラ２０は、ポーポイズ抑制制御により、矢印Ａ１に示すように、船外機１をリフト下げ方向にリフト動作させる。これにより、船外機１のスラストによる船首を上げる向きのモーメントが大きくなり、船首を下げるモーメントＭ１を打ち消す。

また、図６Ｃに示すように、船首が下がると、揚力Ｆ１の作用位置が、重心Ｇ１よりも前方へ移動する。それにより、船１００には、船首を上げる向きのモーメントＭ２が作用する。このとき、コントローラ２０は、ポーポイズ抑制制御により、矢印Ａ２に示すように、船外機１をリフト上げ方向にリフト動作させる。これにより船外機１のスラストによる船首を上げる向きのモーメントが小さくなり、船首を上げるモーメントＭ２を打ち消す。以上のように、船首を上げ下げするモーメントＭ１，Ｍ２が、船外機１のリフト動作によって、低減される。それにより、船１００のポーポイズが抑えられる。

上述したポーポイズ抑制制御では、リフト上げ方向とリフト下げ方向とで、同じ時間だけリフト動作が継続される。しかし、船外機１のリフト動作の速度は、船１００、或いは船外機１の姿勢により、リフト上げ方向とリフト下げ方向とで異なる。そのため、リフト上げ方向とリフト下げ方向とで、同じ時間でリフト動作させても、船外機１のリフト位置を目標位置に保持することは困難である。例えば、船１００、或いは船外機１の姿勢により、船外機１に対して下向きの揚力が作用しているときには、図５に示すように、リフト位置の中央値は、リフト下げ方向に変化し易い。

この場合、コントローラ２０は、リフト上げ方向に船外機１をリフト動作させるときには、リフト下げ方向に船外機１をリフト動作させるときよりも、船外機１をリフト動作させる時間を長くする。例えば、図７に示すように、コントローラ２０は、リフト上げ方向にリフト動作させる時間Ｔ２～Ｔ３，Ｔ４～Ｔ５，Ｔ６～Ｔ７を、リフト下げ方向にリフト動作させる時間Ｔ１～Ｔ２，Ｔ３～Ｔ４，Ｔ５～Ｔ６よりも長くする。それにより、リフト位置の中央値が、目標位置Ｈ０に保持される。

上記とは逆に、船１００、或いは船外機１の姿勢により、船外機１に対して上向きの揚力が作用しているときには、リフト位置の中央値は、リフト上げ方向に変化し易い。この場合、コントローラ２０は、リフト下げ方向に船外機１をリフト動作させるときには、リフト上げ方向に船外機１をリフト動作させるときよりも、船外機１をリフト動作させる時間を長くする。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

船外機１に代えて、船内外機、或いはジェット推進器などの他の船舶推進器が用いられてもよい。船外機１の構造は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、駆動ユニット２は、内燃エンジンに限らず、電動モータであってもよい。或いは、駆動ユニット２は、内燃エンジンと電動モータとのハイブリッドシステムであってもよい。船外機１の数は、１つに限らない。船外機１の数は、２つ以上であってもよい。

周期パラメータは、上述した実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、上記の実施形態では、周期パラメータは、船１００のピッチ角と、ピッチ角速度と、船外機１のリフト位置とを含む。しかし、周期パラメータにおいて、船１００のピッチ角が省略されてもよい。或いは、周期パラメータにおいて、ピッチ角速度が省略されてもよい。周期パラメータにおいて、トリム角などの他の変数が追加されてもよい。

本発明によれば、船の速度の低下を抑えながら、ポーポイズを軽減することができる。

１：船外機
１０：トリム軸
１８：リフトアクチュエータ
２０：コントローラ
２１：ピッチ角センサ
２３：リフト位置センサ

Claims (5)

1. 船の挙動を制御するためのシステムであって、
   上下方向にリフト動作可能に前記船に取り付けられる船外機と、
   リフト上げ方向とリフト下げ方向とに前記船外機をリフト動作させるリフトアクチュエータと、
   前記船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を検出するセンサと、
   前記リフトアクチュエータと通信可能に接続されたコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記動作情報を取得し、
   前記動作情報に基づいて、前記船首の上下方向への動作に応じて、前記リフト上げ方向と前記リフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定し、
   前記船外機を前記リフト方向にリフト動作させるように、前記リフトアクチュエータを制御し、
   前記リフト上げ方向に前記船外機をリフト動作させるときと、前記リフト下げ方向に前記船外機をリフト動作させるときとでは、前記船外機をリフト動作させる時間を変化させる、
   システム。
2. 前記動作情報は、前記船のピッチ角と前記ピッチ角の角速度との少なくとも一方と、前記船外機のリフト位置とを含み、
   前記コントローラは、前記船のピッチ角と前記ピッチ角の角速度との少なくとも一方と、前記船外機のリフト位置とに基づいて、前記リフト上げ方向と前記リフト下げ方向とから選択的に、前記リフト方向を決定する、
   請求項１に記載のシステム。
3. 上下方向にリフト動作可能な船外機と、リフト上げ方向とリフト下げ方向とに前記船外機をリフト動作させるリフトアクチュエータと、を備える船の挙動を制御するための方法であって、
   前記船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を取得することと、
   前記動作情報に基づいて、前記船首の上下方向への動作に応じて、前記リフト上げ方向と前記リフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定することと、
   前記船外機を前記リフト方向にリフト動作させるように、前記リフトアクチュエータを制御することと、
   前記リフト上げ方向に前記船外機をリフト動作させるときと、前記リフト下げ方向に前記船外機をリフト動作させるとでは、前記船外機をリフト動作させる時間を変化させること、
   を備える方法。
4. 前記動作情報は、前記船のピッチ角と前記ピッチ角の角速度との少なくとも一方と、前記船外機のリフト位置とを含み、
   前記船のピッチ角と前記ピッチ角の角速度との少なくとも一方と、前記船外機のリフト位置とに基づいて、前記リフト上げ方向と前記リフト下げ方向とから選択的に、前記リフト方向を決定すること、
   をさらに備える請求項３に記載の方法。
5. 船の挙動を制御するためのシステムであって、
   上下方向にリフト動作可能に前記船に取り付けられる船舶推進機と、
   リフト上げ方向とリフト下げ方向とに前記船舶推進機をリフト動作させるリフトアクチュエータと、
   前記船の船首の上下方向への動作を示す動作情報を検出するセンサと、
   前記リフトアクチュエータと通信可能に接続されたコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記動作情報を取得し、
   前記動作情報に基づいて、前記船首の上下方向への動作に応じて、前記リフト上げ方向と前記リフト下げ方向とから選択的に、リフト方向を決定し、
   前記船舶推進機を前記リフト方向にリフト動作させるように、前記リフトアクチュエータを制御し、
   前記リフト上げ方向に前記船舶推進機をリフト動作させるときと、前記リフト下げ方向に前記船舶推進機をリフト動作させるときとでは、前記船舶推進機をリフト動作させる時間を変化させる、
   システム。
   

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