JP4327617B2 - 船舶推進装置のステアリング制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、船舶推進装置のステアリング制御方法に関する。

従来の船外機やスターンドライブなどの船舶推進装置（以下単に船外機という）を操舵するステアリング装置は、ケーブル式あるいは手動油圧式の構成であった。ケーブル式の場合、操作荷重が重くなるため、手動油圧式のステアリング装置が一般に用いられていた。

しかしながら、手動油圧式のステアリング装置では、速度に応じた最適な操舵角制御などの複雑な制御ができないことや、油圧配管を必要とするため、船内に配管スペースを要し、構造が煩雑になるとともに組立作業やメンテナンスが面倒になる。

そこで、このような手動油圧方式に代えて、電動モータを用いて電子制御によりステアリング操作を行うＤＢＷ（Drive By Wire）方式のステアリング装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。

このような電動モータを用いたステアリング装置において、ハンドルからの操作入力に対する操舵出力は一義的に定められ、ハンドル操作に応じて常に一定関係の操舵量で電動モータが駆動される。

一方、船舶を航走させる場合、ほぼ一定の高速で走行する運転モードやアイドルに近い低速で走行する運転モードあるいは水上スキーを行う場合のように機敏にハンドルを操作したり頻繁にハンドルを切換えて走行する運転モードがある。このような各種運転モードにおいて、運転者の走行感覚を向上させるために運転モードに応じたハンドル操作感覚が得られることが要望される。

しかしながら、前述の特許文献１のステアリング装置では、ハンドルからの操作入力に対する操舵出力は一義的に定められているため、運転モードに応じた操舵感覚が得られない。

特開平４−３８２９７号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、運転モードに応じて運転者の好みに応じた操舵感覚が得られる船外機のステアリング制御方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、船尾板に取付けられた船舶推進装置をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて目標舵角を演算し、該目標舵角に応じて前記操舵駆動装置を動作させる船舶推進装置のステアリング制御方法において、選択可能な複数の操舵運転モードを有し、予め各操舵運転モードに応じて前記操舵駆動装置のステアリング操作に対する応答速度及びステアリング操作角に対する応答量を設定し、選択された操舵運転モードのステアリング操作に対する応答速度及びステアリング操作角に対する応答量に基づいて前記操舵駆動装置の目標舵角を演算することを特徴とする船舶推進装置のステアリング制御方法を提供する。

請求項２の発明では、前記操舵運転モードは、クルージングモード、トローリングモード及びハンドルを機敏に切換えるスポーツ走行モードを含むことを特徴としている。

請求項３の発明では、前記操舵駆動装置は、電動モータからなることを特徴としている。
請求項４の発明では、前記トローリングモードは、クルージングモードよりもステアリング操作に対する応答速度が遅くかつステアリング操作角に対する応答量が小さくなり、前記スポーツモードは、前記クルージングモードよりもステアリング操作に対する応答速度が速くかつステアリング操作角に対する応答量が大きくなることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、運転者が操舵運転モードを選択し、選択された操舵運転モードのステアリング操作に対する応答速度及びステアリング操作角に対する応答量に基づいてステアリング操作角に応じた操舵駆動装置の目標舵角が演算されるため、各種の操舵運転モードにおいて運転者の好みに応じた操舵感覚でステアリング操作をすることができ、走行時の運転感覚が向上する。

また、本発明によれば、操舵運転モードに応じた操舵感覚でハンドル操作することができ、ハンドル操作に対する機敏な応答性や、ゆっくりした応答性など操舵運転モードに応じた最適な運転感覚で操舵することができる。

請求項２の発明によれば、ほぼ一定の高速で走行するクルージングモードやアイドルに近い低速で走行するトローリングモードあるいは水上スキーを行う場合のようなスポーツモードにおいて、それぞれ操舵運転モードに応じた最適な運転感覚で操舵することができる。

クルージングモードは出港して目的地まで航走する一般的な走行に適した制御パターンであり、トローリングモードは、魚釣りを行うときなどに低速でほぼ一定した速度で航走する場合に適した制御パターンである。

請求項３の発明によれば、電動モータを用いることにより、前述のように運転モードに応じた最適な運転感覚で操舵できるとともに、ステアリング機構の小型化及びレイアウトの簡素化が図られる。

図１は、本発明が適用される船外機の全体平面図である。
船体１の船尾板２にクランプブラケット４を介して船外機３が取付けられる。船外機３はスイベル軸６廻りに回転可能である。スイベル軸６の上端部にステアリングブラケット５が固定される。ステアリングブラケット５の端部５ａに操舵駆動装置１５が連結される。この操舵駆動装置１５は後述のようにＤＤ型モータにより構成される。船体１の運転席にハンドル７が備わり、その操作角度がハンドル軸８を介してステアリング操作角検出装置９により検出される。検出されたハンドル操作角度は、電気信号の操舵角信号としてケーブル１０を介して船外機のコントローラ１１に送られる。コントローラ１１は、この操舵角信号に基づいて、操舵駆動装置１５を駆動して船外機３をスイベル軸６廻りに回動させて船体１を操舵する。

本発明では、ハンドルの操作角度を検出し、これを後述のように、操舵運転モードに応じてＣＰＵで演算処理することにより、目標操舵角を求め、この目標操舵角となるように操舵駆動装置１５のＤＤ型モータを駆動する。このような演算処理を行うＣＰＵは、ハンドル側に設けたステアリング操作角検出装置９内に組込んでもよいし、あるいは船外機側のコントローラ１１内に組込んでもよい。

図２は、本発明に係る船外機の操舵装置の構成図である。
船外機３は、チルト軸１２廻りに回動してチルト動作可能である。このチルト軸１２の両端部に支持部材１８を介してボールネジ１６が固定される。このボールネジ１６上にＤＤ型モータ１７が装着される。このＤＤ型モータ１７は、ハウジングユニット２０に保持され、このハウジングユニット２０とともにボールネジ１６上を、矢印Ａのように、スライドする。このボールネジ１６、ＤＤ型モータ１７及びハウジングユニット２０により操舵駆動装置１５を構成する。

ハウジングユニット２０に板状の連結ブラケット１９が固定される。連結ブラケット１９は、連結ピン１３を介してステアリングブラケット５の端部に連結される。連結ブラケット１９がハウジングユニット２０とともに矢印Ａのようにスライドすると、連結ピン１３が、ステアリングブラケット５に設けた長孔１４内を移動しながら、このステアリングブラケット５をスイベル軸６廻りに回転動作させる。

図３は、本発明に係るステアリング制御プログラムを実行する演算処理回路（ＣＰＵ）を備えた電子制御装置のブロック図である。

このブロック図は、ハンドル側及びアクチュエータ側にそれぞれ備わるＥＣＵのうちハンドル側のＥＣＵの構成を示すものである。ハンドル側ＥＣＵ及びアクチュエータ側のＥＣＵ同士は相互にネットワークで情報伝達して操舵制御を行う。

電子制御装置（ＥＣＵ）２３は、ステアリング制御プログラムが格納されたマイコンからなるＣＰＵ２４を備え、パワー系電源回路２５と、制御系電源回路２６と、ＣＡＮトランシーバ２７と、外部書込用通信回路２８と、発振回路２９と、トルクモータ３６が接続するモータドライバ３０と、トルクセンサ３７が接続するトルクセンサ入力回路３１と、それぞれＨＩＣ（ホール素子）３８，３９が接続する２つのＨＩＣ入力回路３２，３３と、ＬＥＤ４０が接続するランプ出力回路３４と、ブザー４１が接続するブザー出力回路３５と、モード切換スイッチ４２が接続するスイッチ入力回路４３とにより構成される。

この電子制御装置２３は、前述の図１のステアリング操作角検出装置９又はコントローラ１１内に組込まれる。

パワー系電源回路２５には第１バッテリ及び第２バッテリが接続される。このパワー系電源回路２５は、第１及び第２バッテリの電源を２系統のまま制御系電源回路２６に入力するとともに、ＣＰＵ２４の指令により、リレーなどの切換回路（不図示）で、いずれかのバッテリ電源をモータドライバ３０に供給する。この場合、エンジンを始動する出港時に、２つのバッテリのうちいずれか一方のバッテリを切換回路を介して駆動電源として接続し、走行中にバッテリ能力が低下したら他方のバッテリに切換えるようにＣＰＵ２４のバッテリ切換えプログラムを構成してもよいし、あるいは２系統のバッテリの電圧及びモータ電流からあるいはバッテリ残量等からバッテリ能力を比較し、能力の高い方のバッテリを選択するようにＣＰＵ２４のバッテリ選択プログラムを構成してもよい。

なお、出港前の電源ＯＮ直後に、２系統のバッテリ電源それぞれの容量や能力チェック及びモータの動作確認を行い、異常があればＬＥＤやブザーで警告して出港前に対処しておくことが好ましい。

ＣＰＵ２４にはさらに、モード切換スイッチ４２からの操舵運転モード信号がスイッチ入力回路４３を介して入力される。ＣＰＵ２４は、後述のように、操舵運転モードに応じて目標操舵角を演算し、モータドライバ３０を介してトルクモータ３６を駆動する。モード切換スイッチ４２で選択された操舵運転モードは、ＬＥＤ４０で表示される。ＬＥＤ４０に代えて、ドットマトリクスによるＬＣＤ表示でもよい。

制御系電源回路２６は、パワー系電源回路２５からの２系統のバッテリ電源を相互に廻り込まないようにダイオードなどで系統分離し、これらの２系統のバッテリ電源をＣＰＵ２４に伝達する機能と、ＣＰＵ２４を動作させるための適切な電圧に変換する定電圧機能を有する。

モータドライバ３０は、パワー系電源回路２５から切換回路を介して供給されるバッテリ電源によって、ＣＰＵ２４からのＰＷＭ制御信号を増幅し、ハンドルに備わるトルクモータ３６を作動制御する機能と、このトルクモータのモータ電流をＣＰＵ２４に伝達する機能を有する。

ＣＰＵ２４は、トルクモータ３６に供給されるバッテリ電圧を検出してバッテリ能力が所定値以下に低下したら、パワー系電源回路２５に電源切換え指令を出す。これとともに、ランプ出力回路３４を介してＬＥＤ４０を点灯（又は点滅）させることにより警告表示し、ブザー出力回路３５を介してブザー４１を鳴らす。さらにこのバッテリ能力低下状態の信号をＣＡＮトランシーバ２７を介して外部（例えば運転席）に送信する。

外部書込用通信回路２８は、ＣＰＵ２４のプログラムを書き換えるための回路である。発振回路２９は、ＣＰＵ２４の発振回路である。

トルクセンサ３７は、ステアリング操作角度に応じてトルクモータ３６を駆動したときに、ハンドル及びトルクモータへの反トルクを検出して適切な操舵角が得られたかどうかをフィードバック制御するためのものである。

ＨＩＣ３８，３９は、ステアリング操作角度を検出するためのポテンショメータとして用いられる。２個のＨＩＣ３８，３９を用いることにより、検出の信頼性が高まる。

図４は、本発明のステアリング制御方法のブロック図である。
運転者のハンドル操作により、フリクション機構４４を介して抵抗が付加されながらハンドル軸が回転する。このハンドル角度変化がＨＩＣ３８，３９からなるポテンショ機構で検出され、ハンドル操作角度がＣＰＵ２４の目標舵角演算部に入力される。

このＣＰＵ２４の目標舵角演算部には、運転状態を検出する各種センサから送受信部４６を介してエンジン回転数、角速度、船速、操舵トルク等の検出信号が入力されるとともに、モード切換スイッチ４２から運転者が選択した操舵運転モード信号が入力される。目標舵角演算部は、ポテンショ機構からのハンドル操作角度信号（ステアリング操作角）とモード切換スイッチ４２からの操舵運転モード信号及び必要に応じてエンジンの運転状態を補正ファクターとして加味して目標舵角を演算する。

表１は、モード切換スイッチで選択する操舵運転モードの例を示す。

この例では、操舵運転モードとしてクルージングモード、トローリングモード及びスポーツモードを選択可能なモードとして有する。クルージングモードは、高速一定走行状態などを含み、出港して目的地まで航走する一般的な走行に適した制御パターンである。トローリングモードは、アイドルに近い低速一定走行状態などを含み、魚釣りを行うときなどに低速一定速度で航走する場合に適した制御パターンである。スポーツモードは、水上スキー等のように機敏にハンドル操作する走行モードである。各モードは、目標舵角を演算するための操舵ファクターとして遅延とゲインが設定されている。後述のように、遅延は、ハンドル操作（ステアリング操作）に対する応答性であり、遅延が小さいほど応答時間が短くハンドル操作に機敏に追従する。ゲインは、ハンドル角（ステアリング操作角）に対する操舵量であり、ゲインが大きいほどハンドル操作角に対し大きな操舵角となるように操舵用のＤＤモータが駆動される。

各操舵運転モードの遅延とゲインは表に示す通りであり、ＣＰＵ２４は、運転者によって選択された運転モードの遅延とゲインに基づいて目標舵角を演算する。

図５（Ａ）（Ｂ）は、ゲインと遅延の説明図である。
（Ａ）に示すように、ハンドル角に対しゲインが大きいほど目標舵角は大きくなる。
（Ｂ）に示すように、ハンドル角の変化に対し、遅延が小さいほど迅速に追従して目標舵角に達し、遅延が大きくなるとハンドル角の変化にゆっくり追従して目標舵角に達する。

ＣＰＵ２４は、演算した目標舵角でトルクモータ３７を駆動する場合、図４に示すように、目標トルクと目標電流をそれぞれ目標トルク演算部及び目標電流演算部で算出し、トルクと電流をフィードバック制御して制御ハンドルトルクを求めて目標舵角を算出する。この場合、目標トルク演算部において、前述の表１の操舵運転モードの操舵ファクターに基づいて目標トルクを演算する。

本発明は、特に海上を航行する小型船舶の船外機に適用することにより走行時の操縦感覚が向上し顕著な効果が得られる。

上記実施例では、目標蛇角に応じて船外機を操舵制御するアクチュエータとしてＤＤ型電動モータを用いたが、これに限らず、本発明は各種電動モータからなるアクチュエータに対し適用可能である。

本発明の実施形態に係る船外機の全体平面図。 図１の船外機部分の詳細図。 本発明のステアリング制御方法を実施するＥＣＵのブロック図。 本発明のステアリング制御方法の動作を示すブロック図。 操舵ファクターのゲインと遅延の説明図。

符号の説明

１：船体、２：船尾板、３：船外機、４：クランプブラケット、
５：ステアリングブラケット、５ａ：端部、６：スイベル軸、
７：ハンドル、８：ハンドル軸、９：ステアリング操作角検出装置、
１０：ケーブル、１１：コントローラ、１２：チルト軸、
１３：連結ピン、１４：長孔、１５：操舵駆動装置、
１６：ボールネジ、１７：ＤＤ型モータ、１８：支持部材、
１９：連結ブラケット、２０：ハウジングユニット、
２３：電子制御装置（ＥＣＵ）、２４：ＣＰＵ、
２５：パワー系電源回路、２６：制御系電源回路、
２７：ＣＡＮトランシーバ、２８：外部書込用通信回路、
２９：発振回路、３０：モータドライバ、
３１：トルクセンサ入力回路、３２：ＨＩＣ入力回路、
３３：ＨＩＣ入力回路、３４：ランプ入力回路、３５：ブザー入力回路、３６：トルクモータ、３７：トルクセンサ、３８，３９：ＨＩＣ、
４０：ＬＥＤ、４１：ブザー、４２：モード切換スイッチ、
４３：スイッチ入力回路、４４：フリクション機構、４５：電流センサ、
４６：送受信部。

Claims (4)

1. 船尾板に取付けられた船舶推進装置をスイベル軸廻りに回動させる操舵駆動装置を備え、運転者が操作するステアリング操作角に応じて目標舵角を演算し、該目標舵角に応じて前記操舵駆動装置を動作させる船舶推進装置のステアリング制御方法において、
   選択可能な複数の操舵運転モードを有し、予め各操舵運転モードに応じて前記操舵駆動装置のステアリング操作に対する応答速度及びステアリング操作角に対する応答量を設定し、選択された操舵運転モードのステアリング操作に対する応答速度及びステアリング操作角に対する応答量に基づいて前記操舵駆動装置の目標舵角を演算することを特徴とする船舶推進装置のステアリング制御方法。
2. 前記操舵運転モードは、クルージングモード、トローリングモード及びハンドルを機敏に切換えるスポーツ走行モードを含むことを特徴とする請求項１に記載の船舶推進装置のステアリング制御方法。
3. 前記操舵駆動装置は、電動モータからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の船舶推進装置のステアリング制御方法。
4. 前記トローリングモードは、クルージングモードよりもステアリング操作に対する応答速度が遅くかつステアリング操作角に対する応答量が小さくなり、
   前記スポーツモードは、前記クルージングモードよりもステアリング操作に対する応答速度が速くかつステアリング操作角に対する応答量が大きくなることを特徴とする請求項２に記載の船舶推進装置のステアリング制御方法。

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