JP2023037931A - 船の挙動を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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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、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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定する。コントローラは、船外機をトリム方向にトリム動作させるように、アクチュエータを制御する。コントローラは、トリム上げ方向に船外機をトリム動作させるときと、トリム下げ方向に船外機をトリム動作させるときとでは、船外機をトリム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。
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、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、トリム軸を含む。船外機は、トリム軸回りに回動可能に船に取り付けられる。アクチュエータは、船外機をトリム軸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をトリム動作させる。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、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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定する。コントローラは、船外機をトリム方向にトリム動作させるように、アクチュエータを制御する。コントローラは、トリム上げ方向に船外機をトリム動作させるときと、トリム下げ方向に船外機をトリム動作させるときとでは、船外機をトリム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、アクチュエータとを備える。船外機は、トリム軸回りに回動可能である。アクチュエータは、船外機をトリム軸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、船外機をトリム動作させる。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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定することと、船外機をトリム方向にトリム動作させるように、アクチュエータを制御することと、トリム上げ方向に船外機をトリム動作させるときと、トリム下げ方向に船外機をトリム動作させるとでは、船外機をトリム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、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、トリム軸を含む。船舶推進機は、トリム軸回りに回動可能に船に取り付けられる。アクチュエータは、船舶推進機をトリム軸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舶推進機をトリム動作させる。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、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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定する。コントローラは、船舶推進機をトリム方向にトリム動作させるように、アクチュエータを制御する。コントローラは、トリム上げ方向に船舶推進機をトリム動作させるときと、トリム下げ方向に船舶推進機をトリム動作させるときとでは、船舶推進機をトリム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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向が決定される。そして、決定されたトリム方向に船外機をトリム動作させることで、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、船外機のトリム動作の速度は、スラストなどの船の走行状態により、トリム上げ方向とトリム下げ方向とで異なる。そのため、トリム上げ方向とトリム下げ方向とで、同じ時間でトリム動作させても、船外機のトリム角を、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は困難である。
そこで、本発明では、トリム上げ方向に船外機をトリム動作させるときと、トリム下げ方向に船外機をトリム動作させるときとでは、船外機をトリム動作させる時間が変化する。それにより、船外機のトリム角を、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。
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。
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。
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。
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のトリム角とに基づいてトリム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、トリム角を取得する。コントローラ20は、トリム角信号を受信し、トリム角信号からトリム角を取得する。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のトリム角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=sign{a1×(θp-θp*)+a2×dθp+a3×(θt-θt*)} (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。θtは、船外機1のトリム角である。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。θt*は、航走時の船100の目標トリム角である。周期パラメータは、船100のポーポイズ時には、+1と-1との間で、周期的に変化する。
U1=sign{a1×(θp-θp*)+a2×dθp+a3×(θt-θt*)} (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。θtは、船外機1のトリム角である。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。θt*は、航走時の船100の目標トリム角である。周期パラメータは、船100のポーポイズ時には、+1と-1との間で、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+1であるかを判定する。コントローラ20は、周期パラメータが+1であると判定した時には、ステップS105において、トリム下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-1であるかを判定する。コントローラ20は、周期パラメータが-1であると判定した時には、ステップS107において、トリム上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、トリムアクチュエータ15を制御して、船外機1をトリム方向にトリム動作させる。すなわち、コントローラ20は、周期パラメータが+1になったときには、トリム下げ方向に船外機1をトリム動作させる。コントローラ20は、周期パラメータが-1になったときには、トリム上げ方向に船外機1をトリム動作させる。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トリム角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+1になったと判定する。それにより、コントローラ20は、船外機1をトリム下げ方向にトリム動作させる。コントローラ20は、時間T1から時間T2まで、船外機1をトリム下げ方向にトリム動作させる。
時間T2で、コントローラ20は、周期パラメータが-1になったと判定する。それにより、コントローラ20は、船外機1をトリム上げ方向にトリム動作させる。コントローラ20は、時間T2から時間T3まで、船外機1をトリム上げ方向にトリム動作させる。
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をトリム下げ方向にトリム動作させる。コントローラ20は、時間T4から時間T5まで、船外機1をトリム上げ方向にトリム動作させる。コントローラ20は、時間T5から時間T6まで、船外機1をトリム下げ方向にトリム動作させる。コントローラ20は、時間T6から時間T7まで、船外機1をトリム上げ方向にトリム動作させる。
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のトリム角とに基づいて、トリム上げ方向とトリム下げ方向とから選択的に、トリム方向が決定される。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、トリム方向を決定することができる。そして、決定されたトリム方向に船外機1をトリム動作させることで、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のトリム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をトリム上げ方向にトリム動作させる。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をトリム下げ方向にトリム動作させる。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のトリム動作によって、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、トリム上げ方向とトリム下げ方向とで、同じ時間だけトリム動作が継続される。しかし、船外機1のトリム動作の速度は、スラストなどの船100の走行状態により、トリム上げ方向とトリム下げ方向とで異なる。そのため、トリム上げ方向とトリム下げ方向とで、同じ時間でトリム動作させても、船外機1のトリム角を目標角度に保持することは困難である。例えば、図5に示すように、トリム角の中央値は、トリム下げ方向に変化し易い。
そこで、コントローラ20は、トリム上げ方向に船外機1をトリム動作させるときには、トリム下げ方向に船外機1をトリム動作させるときよりも、船外機1をトリム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、トリム上げ方向にトリム動作させる時間T2~T3,T4~T5,T6~T7を、トリム下げ方向にトリム動作させる時間T1~T2,T3~T4,T5~T6よりも長くする。それにより、トリム角の中央値が、目標角度θ0に保持される。
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のトリム角とを含む。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、他の変数が追加されてもよい。周期パラメータの振幅の大きさは、1に限らず、他の数値であってもよい。
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
15:トリムアクチュエータ
20:コントローラ
21:ピッチ角センサ
22:トリム角センサ
10:トリム軸
15:トリムアクチュエータ
20:コントローラ
21:ピッチ角センサ
22:トリム角センサ
Claims (7)
- 船の挙動を制御するためのシステムであって、
トリム軸を含み、前記トリム軸回りに回動可能に前記船に取り付けられる船外機と、
前記船外機を前記トリム軸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前記船外機をトリム動作させるアクチュエータと、
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、前記トリム上げ方向と前記トリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定し、
前記船外機を前記トリム方向にトリム動作させるように、前記アクチュエータを制御し、
前記トリム上げ方向に前記船外機をトリム動作させるときと、前記トリム下げ方向に前記船外機をトリム動作させるときとでは、前記船外機をトリム動作させる時間を変化させる、
システム。 - 前記コントローラは、前記トリム上げ方向に前記船外機をトリム動作させるときには、前記トリム下げ方向に前記船外機をトリム動作させるときよりも、前記船外機をトリム動作させる時間を長くする、
請求項1に記載のシステム。 - 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、前記船外機のトリム角とを含み、
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、前記船外機のトリム角とに基づいて、前記トリム上げ方向と前記トリム下げ方向とから選択的に、前記トリム方向を決定する、
請求項1に記載のシステム。 - トリム軸回りに回動可能な船外機と、前記船外機を前記トリム軸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前記船外機をトリム動作させる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、前記トリム上げ方向と前記トリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定することと、
前記船外機を前記トリム方向にトリム動作させるように、前記アクチュエータを制御することと、
前記トリム上げ方向に前記船外機をトリム動作させるときと、前記トリム下げ方向に前記船外機をトリム動作させるとでは、前記船外機をトリム動作させる時間を変化させること、
を備える方法。 - 前記トリム上げ方向に前記船外機をトリム動作させるときには、前記トリム下げ方向に前記船外機をトリム動作させるときよりも、前記船外機をトリム動作させる時間を長くすること、
をさらに備える請求項4に記載の方法。 - 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、前記船外機のトリム角とを含み、
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、前記船外機のトリム角とに基づいて、前記トリム上げ方向と前記トリム下げ方向とから選択的に、前記トリム方向を決定すること、
をさらに備える請求項4に記載の方法。 - 船の挙動を制御するためのシステムであって、
トリム軸を含み、前記トリム軸回りに回動可能に前記船に取り付けられる船舶推進機と、
前記船舶推進機を前記トリム軸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前記船舶推進機をトリム動作させるアクチュエータと、
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、前記トリム上げ方向と前記トリム下げ方向とから選択的に、トリム方向を決定し、
前記船舶推進機を前記トリム方向にトリム動作させるように、前記アクチュエータを制御し、
前記トリム上げ方向に前記船舶推進機をトリム動作させるときと、前記トリム下げ方向に前記船舶推進機をトリム動作させるときとでは、前記船舶推進機をトリム動作させる時間を変化させる、
システム。
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US20230072127A1 (en) | 2023-03-09 |
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