JP4658742B2 - 小型船舶のステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は船外機やスターンドライブなどの推進機を備えた小型船舶のステアリング装置に関する。

船外機等の船舶推進機の操舵装置が特許文献１に開示されている。この文献１の操舵装置は、舵を切る転舵動作が低速で速く、高速でゆっくりとなるように油圧の送り速度を変えている。船速は船底水没部の速度センサで検出している。

一方、自動車における可変舵角比操舵装置が特許文献２に開示されている。この文献２の操舵装置は、車速センサからの車速信号に対応して目標舵角比を設定し、目標舵角比と実舵角比とに基づいて舵角比を変えるものである。

船外機を備えた小型船舶の操舵に関する特徴として以下の点が挙げられる。
船舶では、ハンドル操作に応じて船尾の船外機を船体に対し、垂直軸廻りに左右方向に揺動させることにより転舵し、その転舵方向に推進することにより船体の進行方向を変える。したがって、低速では推力が弱いため、機敏に動かすためには大きな転舵動作が必要になり、低速時にはハンドル操作量に対する転舵角の比を大きくする必要がある。

また、船舶は直進時に風や潮流などに対抗して当て舵をするため、ハンドルを適当な操舵量だけ回して直進時に船外機がある転舵角を保った状態で航行する。この場合、単に低速時に転舵角の比を大きく設定しておくと、高速走行状態から減速したときに、低速領域で転舵角の比が大きくなってハンドルが一定の当て舵状態であっても転舵角が大きくなり、意図しない旋回が起きる。

また、船舶は回頭後の加速時、推力が増すと回頭性が増してさらに大きく旋回するため、船を直進方向に保つためには転舵角を迅速に直進方向に戻す必要がある。しかし単に低速時の転舵角の比を大きく設定しておくと、加速のアクセル操作直後はまだ低速状態であるため、転舵角が大きい状態のままであり、直進への移行が機敏にできない。

特公平６−３３０７７号公報 特許第３２３２０３２号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、船の速度や加減速状態などの走行状態に応じて、適切な操船性が得られる小型船舶のステアリング装置の提供を目的とする。

請求項１の発明は、船体に取付けられた推進機と、操船者による操船操作用ハンドルと、該ハンドルによる操舵角を検出する操舵角センサと、該ハンドルの操舵角に応じて前記推進機を船体に対し転舵動作させる舵切り装置と、ハンドルの操舵角及び転舵特性に基づいて前記舵切り装置の転舵角を算出する制御装置とを備えた小型船舶のステアリング装置において、前記転舵特性は、速度と加減速状態に応じて設定されることを特徴とする小型船舶のステアリング装置を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記加減速状態は、スロットル開度又はアクセル操作量に基づいて検出されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記加減速状態は、前記舵切り装置に作用する転舵荷重に基づいて検出されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記加減速状態は、速度の時間的変化に基づいて検出されることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記転舵特性は、速度に対する転舵角の変化が高速になるほど小さくなるように設定されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、操船者のハンドル操作の操作量が操舵角センサにより検出され、この操作量に対応して転舵動作する舵切り装置の転舵角が、走行状態に応じた転舵特性に基づいて算出されるため、熟練した操船技術を要することなく、走行状態に応じて容易に操船でき操船性が高まる。

本発明によれば、速度及び加減速状態に応じて転舵特性が設定され、この転舵特性に基づいて転舵角が算出されるため、加減速時に、容易に操船でき操船性が高まる。

請求項２の発明によれば、加減速状態が、スロットル開度又はアクセル操作量に基づいて検出されるため、容易に検出可能であり、検出した加減速状態に応じて転舵角が算出されるため、加減速時に、容易に操船でき操船性が高まる。

請求項３の発明によれば、船外機に作用する風や波等の外力及びプロペラ反力が舵切り装置に作用する転舵荷重として検出され、この転舵荷重に応じて加減速状態が判別され、この加減速状態に基づいて転舵角が算出されるため、加減速時に、容易に操船でき操船性が高まる。
請求項４の発明によれば、速度データを微分演算処理することにより、加速度センサを用いることなく、速度の時間的変化に基づく加減速状態が容易に検出できる。

請求項５の発明によれば、当て舵をした直進走行状態で減速したときに、減速直後の速度がまだ低下していない高速状態では当て舵状態の舵角の変化が小さいため、急な旋回が起きることを防止できる。

図１は、本発明が適用される船外機を備えた小型船舶の全体平面図である。
小型船舶１の船体１６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、ほぼ垂直なスイベル軸（操舵ピボット軸）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の前端部５ａに舵切り装置１５が連結される。この舵切り装置１５は、例えばＤＤ（Direct Drive）型電動モータからなり、船尾板２と平行に設けたネジ軸（不図示）に沿ってモータ本体（不図示）がスライド動作する。このモータ本体にステアリングブラケット５の前端部５ａを連結することにより、モータ本体のスライド動作に連動して船外機３をスイベル軸６廻りに回転させる。

船体１６の運転席にハンドル７が備わり、そのハンドル軸８の根元にハンドル制御部１３が備わる。ハンドル制御部１３にはハンドル操舵角センサ９及び反力モータ１１が備わる。ハンドル制御部１３は、信号ケーブル１０を介して制御装置（ＥＣＵ）１２に接続される。制御装置１２は、舵切り装置１５に接続される。

制御装置１２は、ハンドル操舵角センサ９からの検出信号に基づいてハンドル操作による操舵量を検出し、このハンドル操舵量とともに、速度や加減速状態等の走行状態に応じて、舵切り装置１５による舵切り方向を定める転舵角を算出する。この転舵角の指令信号を舵切り装置１５に送信してそのＤＤモータを駆動し、船外機３をスイベル軸６廻りに回転させて転舵する。

図２は、本発明に係るステアリング装置の基本構成図である。
船外機３には、風や波による力や転舵時の回動の抵抗力などの外力Ｆ１とともに、プロペラの回転に起因するプロペラ反力Ｆ２として、舵（船外機）に対し一定の偏倚力が作用し、船を常に一定方向に偏って進ませようとする力が作用する（パドルラダー効果）。舵切り装置１５により船外機３を転舵するときに、外力Ｆ１及びプロペラ反力Ｆ２の合力Ｆが舵切り装置１５に対する転舵荷重として作用する。この転舵荷重Ｆ（＝Ｆ１＋Ｆ２）は荷重センサ１７により検出される。検出された転舵荷重Ｆは制御装置１２に入力される。

操船者によりハンドル７が回されて操船操作されると、その回転操作量が操舵角センサ９で検出され、操舵角αの検出情報が制御装置１２に入力される。制御装置１２にはさらに、船外機３のトリム角やプロペラサイズなどの船の情報が入力される。さらに制御装置１２には、速度情報、エンジン回転数情報及びスロットル開度情報が入力される。加速時や減速時に操船者によりアクセルレバー等のアクセル１８が操作されると、これに連動してスロットルバルブが開閉動作して過渡状態の運転となる。この加減速時のスロットル開度は、スロットル軸に設けたスロットル開度センサ（不図示）により検出される。スロットル開度情報は、スロットル開度センサの検出信号でもよいし、あるいはアクセル１８の操作量を検出した信号でもよい。

制御装置１２は、上記船の情報、速度情報、エンジン回転数情報、スロットル開度情報及び転舵荷重情報などから判別される走行状態に応じて、予め設定してある転舵特性に基づいて、ハンドル操作による操舵角αに対応した船外機の転舵角βを算出する。

エンジン回転数情報及びスロットル開度情報は、エンジンの点火時期や燃料吐出量などのエンジン駆動制御に用いられるため、制御装置に必ず入力されるデータである。本発明では、このようなエンジン駆動制御のためのエンジン回転数情報やスロットル開度情報に基づいて、専用の速度センサや加速度センサを用いることなく、速度や加減速状態を判別してその判別結果に基づいて転舵角を算出する。

制御装置１２は、転舵角の算出やエンジン駆動制御とともに、走行状態や外力の状態などに応じてハンドル操作量に対応した反力を算出し、その反力を反力モータ１１によりハンドル７に付与して操船感覚を向上させる。

図３は、舵切り装置の構成図である。
舵切り装置１５を構成する電動モータ２０は、ネジ棒１９に装着されネジ棒１９に沿って摺動する。ネジ棒１９の両端は支持部材２２により船尾板（不図示）に固定される。２３はクランプブラケットのクランプ部分である。２４はチルト軸である。船外機３（図１参照）のスイベル軸６にステアリングブラケット５が固定され、このステアリングブラケット５の前端部５ａに連結ブラケット２１を介して電動モータ２０が連結される。

このような構成において、ハンドル操舵量に応じて電動モータ２０をネジ棒１９に沿って摺動させることにより、船外機をスイベル軸６廻りに回動させて転舵することができる。

図４は、本発明が適用される小型船舶の減速時の挙動説明図である。
（Ａ）は、ハンドル７による操舵角をαとして船外機３の転舵角をβに維持して当て舵をしながら直進航行している状態を示す。このとき、αに応じてβが演算され、β＝ｆ（α）となる。この場合、船の速度ｖに応じてβを変えて、例えば低速ではβが大きくなるように設定する。このために、速度ｖに対応した速度係数ｋｖを予め設定して
β＝ｆ（α）・ｋｖ
とする。なお、通常は、αは最大でハンドル１〜２回転（±３６０°〜７２０°）までであり、このハンドル回動範囲に対し、βは最大約３０°である。

このようなβを算出するための転舵特性を表す速度係数の一例を（Ｂ）に示す。図示したように、速度ｖが大きいと速度係数ｋｖは小さく、速度ｖが小さいと速度係数ｋｖが大きくなる。したがって、低速では速度係数ｋｖが大きいため、操舵角αに応じて算出される転舵角βが大きくなる。

当て舵をした直進状態から減速すると、速度係数が大きくなるため、操舵角αが一定に保持されていても転舵角βが大きくなる。したがって、（Ｃ）に示すように、船が旋回する。この場合、急激にβが増加すると旋回半径Ｒが小さくなって大きな遠心力が作用し乗り心地が悪くなる。本発明では、以下に説明するように、このような急激な遠心力の増加を防止して快適な操船性を維持する。

図５は、本発明に係るステアリング装置の転舵動作のフローチャートである。
ステップＳ１：
操舵角センサ９（図２）によりハンドル７を回したときの操作量すなわち操舵角αを検出する。

ステップＳ２：
速度ｖを検出する。速度ｖは以下のいずれかの方法で検出できる。
（ａ）速度センサにより検出する。速度センサは、例えば船底に装着した羽根車の回転を計測して対水速度を検出するものや、ＧＰＳを利用した対地速度を検出するものなどがある。
（ｂ）エンジン回転数に基づいて速度を検出する。速度はエンジン回転数とほぼ一定の相関関係があるため、エンジン回転数が分ると速度が判別できる。エンジン回転数は、エンジンの駆動制御に必須のデータであるため、エンジン回転数データは制御装置に必ず入力される。したがって、このエンジン回転数データを利用することにより、専用の速度センサを設けることなく速度を検出できる。
（ｃ）スロットル開度又はアクセル操作量に基づいて速度を検出する。速度はスロットル開度又はアクセル操作量とほぼ一定の相関関係があるため、スロットル開度又はアクセル操作量が分ると速度が判別できる。スロットル開度又アクセル操作量は、エンジンの駆動制御に必須のデータであるため、スロットル開度又はアクセル操作量データは制御装置に必ず入力される。したがって、このスロットル開度又はアクセル操作量データを利用することにより、専用の速度センサを設けることなく速度を検出できる。
（ｄ）推力（エンジントルク）に基づいて速度を検出する。エンジントルクは例えばクランク軸にトルクセンサを設けて検出する。速度は推力とほぼ一定の相関関係があるため、推力が分ると速度が判別できる。
（ｅ）ヨーレートや加速度などから船の挙動を算出し、その挙動に基づいて速度を検出する。速度と船の挙動はほぼ一定の相関関係があるため、船の挙動が分ると速度が判別できる。

ステップＳ３：
船の加減速状態を示す加速度ａを検出する。加速度ａは以下のいずれかの方法で検出する。
（ａ）加速度センサで検出する。
（ｂ）スロットル開度又はアクセル操作量に基づいて検出する。
（ｃ）上記ステップＳ２で求めた速度ｖの時間変化から加速度を算出する。
（ｄ）転舵荷重Ｆに基づいて加速度を検出する。転舵荷重Ｆは荷重センサ１７（図２参照）により検出される。

加減速状態が検出されると、図６（Ａ）に示すように、加減速状態に応じて予め設定された転舵特性を表す走行状態係数ｋｖａの特性グラフから走行状態係数ｋｖａが求められる。

図６（Ａ）において、ａは急減速状態、ｂは減速状態、ｃは定速状態を示す。定速状態ｃでは、ある速度ｖ１以下でｋｖａが増加して転舵角βが大きくなる。これは、前述の図４（Ｂ）の例と同様である。図６（Ａ）の例においては、ｂの減速状態で、ｃの定速時のｖ１より遅い速度ｖ２で、ｋｖａが増加し始めるように設定される。急減速ａではさらに遅い速度ｖ３でｋｖａが増加し始めるように設定される。このように減速状態に応じて、ｋｖａの増加開始速度を変えることにより、前述の図４で説明したような当て舵直進状態で減速したときの意図しない旋回が防止される。この場合、減速の程度が大きいほど（負の加速度が大きいほど）、ｋｖａの増加開始速度を低速側に変える。ａ，ｂ，ｃで示される減速時の転舵特性のそれぞれの速度ｖ１，ｖ２，ｖ３からの速度変化状態は、図６（Ａ）の例に限らず、図６（Ｂ）のように、ｃ，ｂ，ａの順に傾きが大きくなる特性でもよい。

図６（Ｃ）はさらに改良した転舵特性の例である。この例では、上記図６（Ａ）の転舵特性で、ａ，ｂ，ｃの各状態において、減速時の速度に対するｋｖａの増加を滑らかに行い、特に高速側でのｋｖａの変化を小さく設定したものである。これにより、当て舵直進状態で減速したときの旋回がさらに抑制され、旋回による遠心力が小さくなって、船及び操船者対する横加速度の変化が小さくなり安定した走行となって乗り心地が向上する。この場合、図６（Ｂ）と同様に、図６（Ｄ）に示すように、図６（Ｃ）とは逆にｃ，ｂ，ａの順にｋｖａの変化が大きくなる特性でもよい。

ステップＳ４：
上記図６（Ａ），（Ｂ）あるいは（Ｃ）の転舵特性に基づいて走行状態係数ｋｖａを求める。

ステップＳ５：
転舵角βを求める演算式を決定する。演算式は、
β＝ｆ（α）・ｋｖａ
となる。

ステップＳ６：
上記ステップＳ５の演算式にしたがって転舵角βを算出する。このβに基づいて舵切り装置１５（図２参照）を駆動する。
上記ステップＳ１〜Ｓ６のフローは一定の時間間隔で繰り返される。

図７は、本発明に係るステアリング装置の転舵角変化の説明図である。
（Ａ）は、時間ｔに対する速度ｖを示す。この例では、速度がｖ１からｖ２まで減速されている。
（Ｂ）は、ハンドルによる操舵角αを示す。この例は当て舵直進状態を示し、操舵角はα＝α０の一定値に保持される。

（Ｃ）は、転舵角βの変化を示す。実線は、前述の図６（Ａ）に対応する特性を時間に対する変化として表したものである。すなわち、高速（ｖ１）から低速（ｖ２）に移行すると、これに応じて走行状態係数ｋｖａが増加して転舵角βがβ１からβ２まで増加する。点線は、前述の図６（Ｃ）に対応する特性を時間に対する変化として表したものである。すなわち、減速初期の高速側でのβの変化を小さくして急激な旋回を防止したものである。
（Ｄ）は、上記（Ａ）〜（Ｃ）のグラフを操舵角αと転舵角βの関係として表したものである。図示したように、操舵角αが一定値α０において、高速ｖ１では転舵角βは小さなβ１であり、低速ｖ２になると、転舵角βは増加してβ２になる。

図８は、スロットル開度に基づく転舵特性設定の説明図である。
（Ａ）は、スロットル開度に基づく転舵特性設定の手順を示すフローチャートである。
ステップＴ１：
操舵角センサ９（図２参照）により、ハンドル操作による操舵角αを検出する。

ステップＴ２：
スロットル開度θｔｈｒｏを検出する。スロットル開度はスロットル軸に設けたスロットル開度センサ（不図示）により又はリモコンレバー等のアクセルの操作量により検出する。

ステップＴ３：
速度ｖを検出する（前述の図５のステップＳ２の方法（ｃ）参照）。
スロットル開度に対する走行状態を図８（Ｂ）に示す。点線は定速走行の定常時の状態を示し、スロットル開度が増加する加速時とスロットル開度が減少する減速時でヒステリシスを持つ。すなわち、加速時には、スロットルを開いてもすぐには速度が上昇しないため、遅れて速度が大きくなる傾向になる。逆に減速時には、スロットルを閉じた直後は慣性により高速が続くため、遅れて速度が減少する傾向になる。このようなヒステリシス特性を持つスロットル開度と速度との関連に基づいて、スロットル開度の検出値からそのときの加減速状態が判別できる。

ステップＴ４：
図８（Ｃ）に示すような、スロットル開度と速度に基づく３次元マップから走行状態係数ｋを算出する。すなわち、スロットル開度と速度が分ると、マップにおけるその座標位置の高さから走行状態係数ｋが求められる。

ステップＴ５：
操舵角αに対する転舵角の関係式β（α）を設定する。
β（α）＝ｆ（α）・ｋ
である。

ステップＴ６：
上記ステップＴ５で設定した関係式に基づいて、転舵角βを算出する。
上記ステップＴ１〜Ｔ６のフローは、一定の時間間隔で繰り返される。

図９は、転舵荷重に基づく転舵特性設定の説明図である。
図９（Ａ）は、転舵特性設定手順のフローチャートである。
ステップＵ１：
操舵角センサ９（図２参照）により、ハンドル操作による操舵角αを検出する。

ステップＵ２：
実際の転舵角βを検出する。これは、例えば舵切り装置１５に設けた転舵角センサ（不図示）により検出する。

ステップＵ３：
荷重センサ１８（図２参照）により転舵荷重を検出する。
ステップＵ４：
速度を検出する。これは、前述の図５のステップＳ２で説明した速度検出方法のいずれかにより検出される。

ステップＵ５：
上記ステップＵ３で検出した荷重と定速走行時の荷重の定常値との偏差を算出する。これにより加減速状態が分る。すなわち、（Ｂ）に示すように、定常時の加重と速度の相関グラフに対し、加速時には加速して荷重が増えても速度はすぐには上昇しないため、速度は定常時のグラフより下側になる。一方、減速時には減速して荷重が減っても速度は慣性によりすぐには低下しないため、速度は定常時のグラフより上側になる。すなわち、荷重に対する速度特性のグラフは、（Ｂ）のように、ヒステリシスを有する特性となる。したがって、定常時の荷重に比べた荷重偏差により加減速状態が判別できる。

ステップＵ６：
図９（Ｃ）に示すような、速度と荷重偏差に基づく３次元マップから走行状態係数ｋを算出する。すなわち、速度と荷重偏差が分ると、マップにおけるその座標位置の高さから走行状態係数ｋが求められる。

ステップＵ７：
操舵角αに対する転舵角の関係式β（α）を設定する。
β（α）＝ｆ（α）・ｋ
である。

ステップＵ８：
上記ステップＵ７で設定した関係式に基づいて、転舵角βを算出する。
上記ステップＵ１〜Ｕ８のフローは、一定の時間間隔で繰り返される。

図１０は、加速あるいは減速の過渡状態検知方法の説明図である。
（Ａ）は、定常状態における速度と舵角と転舵荷重の関係を示すグラフである。図から分かるように、舵角βが大きくなると、荷重Ｆβが大きくなり、速度はある限度以上は大きくならない。

（Ｂ）は、ある転舵角β＝β１における定常値と実際に検出した計測値との偏差の説明図である。定常時のβ＝β１の特性グラフに対し計測値が大きく、偏差ｄＦβが生じている場合は加速状態を示し偏差の大きさにより加速状態が判別される。これは、前述の図９（Ｂ）のグラフからも分る。図９（Ｂ）で、ある速度において、荷重が定常値より大きければ加速状態であり、小さければ減速状態である。

本発明は、船外機やスターンドライブなどの推進機を備えた小型船舶に適用することができる。

本発明が適用される小型船舶の全体平面図。 本発明に係るステアリング装置の構成図。 本発明に係る舵切り装置の構成図。 本発明に係る小型船舶の走行動作説明図。 本発明に係るステアリング装置の転舵動作のフローチャート。 本発明に係るステアリング装置の転舵特性の説明図。 本発明に係るステアリング装置の転舵角変化の説明図。 スロットル開度に基づく転舵特性設定の説明図。 転舵荷重に基づく転舵特性設定の説明図。 加速あるいは減速の過渡状態検知方法の説明図。

符号の説明

１：小型船舶、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：前端部、６：スイベル軸、７：ハンドル、８：ハンドル軸、９：操舵角センサ、１０：信号ケーブル、１１：反力モータ、１２：制御装置、１３：ハンドル制御部、１５：舵切り装置、１６：船体、１７：荷重センサ、１８：アクセル、１９：ネジ棒、２０：電動モータ、２１：連結ブラケット、２２：支持部材、２３：クランプ部分、２４：チルト軸。

Claims (5)

1. 船体に取付けられた推進機と、操船者による操船操作用ハンドルと、該ハンドルによる操舵角を検出する操舵角センサと、該ハンドルの操舵角に応じて前記推進機を船体に対し転舵動作させる舵切り装置と、ハンドルの操舵角及び転舵特性に基づいて前記舵切り装置の転舵角を算出する制御装置とを備えた小型船舶のステアリング装置において、
   前記転舵特性は、速度と加減速状態に応じて設定されることを特徴とする小型船舶のステアリング装置。
2. 前記加減速状態は、スロットル開度又はアクセル操作量に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶のステアリング装置。
3. 前記加減速状態は、前記舵切り装置に作用する転舵荷重に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶のステアリング装置。
4. 前記加減速状態は、速度の時間的変化に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶のステアリング装置。
5. 前記転舵特性は、速度に対する転舵角の変化が高速になるほど小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の小型船舶のステアリング装置。

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