JP5380369B2

JP5380369B2 - 減揺制御の双胴船およびその制御方法

Info

Publication number: JP5380369B2
Application number: JP2010125487A
Authority: JP
Inventors: 潤神原; 善久藤本; 憲治宮阪
Original assignee: ツネイシクラフト＆ファシリティーズ株式会社; 有限会社宮阪技研
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: JP2011251596A

Description

本発明は、旅客船、漁船、観光船等の船舶分野における減揺制御の双胴船およびその制御方法に関するものである。

双胴船は、安定した航行ができることで知られ、さらに水中翼を装着して高速航行がはかられることが知られている。
そしてまた、特開平６−２６３０８２号公報や特開平９−２７２４８８号公報のように水中翼の両側部にフラップ状の補助翼を設けて、ピッチングやローリングの低減をはかって減揺航行することが提案されている。

しかし、上記のように水中翼、補助翼を設けてピッチングやローリングの低減をはかって減揺航行することができるものの、特にピッチングの制御では水中翼の両側部のフラップ状の補助翼を揺動制御しているもので、ピッチングの制御が十分でなかった。

また、従来、一般的に減揺装置は、走航抵抗の増加を招くと考えられていて、水中翼を装着すると走航抵抗となって燃料経済性に劣るものであった。

そのため、高速双胴船のピッチングを低減するとともに、減揺装置を設けても走航抵抗を低減して乗り心地の向上と燃料経済性の向上をはかることが課題であった。

本発明は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設けたことを特徴とする減揺制御の双胴船を提供するにある。

また、船尾の下端部に水中翼の長さの１／１０〜１／２前方側に水中翼を取着したことを特徴とする減揺制御の双胴船を提供するにある。

また、船尾部に揺動駆動装置を取着し、この揺動駆動装置のロッドの下端部を水中翼に連結して水中翼を揺動駆動制御自在としたことを特徴とする減揺制御の双胴船を提供するにある。

さらに、双胴船に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ｆ（θ(t) ，ω(t) ）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減制御するように形成したことを特徴とする減揺制御の双胴船を提供するにある。

さらにまた、双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設け、双胴船の中心部または重心部に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ａ・θ(t) ＋Ｂ・ω(t) ＋Ｃ（ここに、Ａ、Ｂ、Ｃは定数で、モデル実験、実機の航行時の測定、荒天時での測定など各種の試験を行なって定め、Ｃは走航中の航体トリム値）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減して減揺制御することを特徴とする減揺制御の双胴船の制御方法を提供するにある。

本発明の減揺制御の双胴船は、双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設けたことによって、双胴船の両側の船体間のトンネル状部を流れる高速の水流中で、船尾間のトンネル状部の全幅にわたった水中翼を揺動制御でき、船尾を最大の揚力で上下させて、船尾を所要の通り上下させて必要な大きな揚力でピッチング制御を行うことができて、ピッチング角を低減して双胴船の走航抵抗を減少して航行できる。
そのため、乗り心地の向上と燃料経済性の向上をはかることができる。双胴船の中央のトンネル状部を流れる水流は、船体の速度よりも速く、また水面高さも外側の水面よりも高く、この水流の中に水中翼を設置することによって、船体のピッチングを抑制するのに必要な大きな揚力を得ることができ、双胴船の走航抵抗を減少できるものである。
また、双胴船の船体の後方の船尾部に設置すると、水中翼によって偏向された水流が船体に当たって騒音を発生することがなくなる。さらに、流木等が水中翼に当たっても船体を破損することがなく安全である。
特に、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設けたことによって、水中翼仰角の駆動システムの制御する力の負荷を小さくでき、必要な油圧システムが小規模にできて好ましい。

また、船尾の下端部に水中翼の長さの１／１０〜１／２前方側に水中翼を取着したことによって、下端後部側程翼端の渦で船体が抑制されるのを防止できて、上記のように双胴間のトンネル状部を流れる高速の水流を利用して水中翼を揺動制御駆動し、船尾側を大きく揚力を発生して上下させてピッチング制御を行うことができ、双胴船を減揺制御して航行できる。

さらに、船尾部に揺動駆動装置を取着し、この揺動駆動装置のロッドの下端部を水中翼に連結して水中翼を揺動駆動制御自在としたことによって、上記のようにトンネル状部を通過する高速の水流を介して水中翼を揺動駆動でき、双胴船のより効率よく航行させることができる。

そしてまた、双胴船に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ｆ（θ(t) ，ω(t) ）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減制御するように形成したことによって、PID制御、ファジー制御、ロバスト制御等による多次元制御をして、水中翼を目的の仰角、俯角に駆動制御をし、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の揺動角度を加減できて、水中翼を設けるにもかかわらず、双胴船の走航抵抗を減少して双胴船の乗り心地の向上と燃料経済性の向上をはかれる。

さらに、双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設け、双胴船の中心部または重心部に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ａ・θ(t) ＋Ｂ・ω(t) ＋Ｃ（ここに、Ａ、Ｂ、Ｃは定数で、モデル実験、実機の航行時の測定、荒天時での測定など各種の試験を行なって定め、Ｃは走航中の航体トリム値）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減して減揺制御することによって、走航抵抗が最小になるように姿勢制御装置を介して揺動制御して双胴船を所要の減揺航行を行なうようにでき、上記のように水中翼の揺動角度を加減して上下加速度を低減でき、水中翼を設けるにもかかわらず、双胴船の走航抵抗を減少して双胴船の乗り心地の向上と燃料経済性の向上をはかれる。

本発明の双胴船の一実施例の一部省略した後部斜視図、同上の水中翼の制御ブロック図、同上の他の実施例の一部省略した後部斜視図、同上の他の実施例の一部省略した後部斜視図、同上のさらに他の実施例の一部省略した後部斜視図、同上の揺動制御実験のピッチング制御無し（ａ）と、制御有り（ｂ）とのピッチング角度の比較図、同上の揺動制御実験のピッチング制御無し（ａ）と、制御有り（ｂ）との上下加速度の比較図。

本発明の減揺制御の双胴船およびその制御方法は、双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在としたことを特徴としている。

減揺制御の双胴船１は、図１のように船本体２として左右対称状に船体３を設けていて、このクロスデッキ下の両側の船体３間のトンネル状部４に船首側から船尾５側にわたってスクリューを介して水流を通過して走航するようにしている。特に、双胴船１の両側の船体３の船尾５部間のトンネル状部４にその全幅にわたってピッチング制御のために水中翼６を水没状態として設け、ピッチング制御のときに水中翼６を−１５度〜＋１５度、好ましくは−１０度〜＋１０度の角度にわたって駆動制御するようにしている。±１５度を越えると抵抗が増えて好ましくない。

そのため、図１のように船尾５部の対向する内側の後面下端部に、水中翼６を軸支する翼軸支部７をそれぞれ水平に設けて水中翼６の両側部の揺動用軸８を軸着し、船尾５の中央部に油圧シリンダー等の揺動駆動装置９を取着して、この揺動駆動装置９のロッド１０部を固定台１１を介して水中翼６の上面の中央部に連結し、水中翼６を後述のように多次元PID制御によって揺動駆動してピッチング制御をはかっている。水中翼６の支持部の翼軸支部７を揚力中心に設定すると、水中翼仰角の駆動システムの負荷が小さくでき、必要な油圧システムが小規模にできて好ましい。なお、船体２のキール部等から下方に出っ張りがないようにしておくと、浅瀬でも安全となる。

このようにして双胴船１の船尾５間の全幅にわたって水中翼６を水没状態とし、双胴間のトンネル状部４を流れる高速の水流を利用して水中翼６を揺動制御駆動し、船尾５側を大きく揚力を発生して上下させてピッチング制御を行うことができて双胴船１を減揺制御して航行できるようにしている。

上記水中翼６は、船本体２と比べて幅が１：２〜４、長さが１：１００〜１０、アスペクト比は通常の範囲として十分に船尾５側の揚力を発生するものとし、船本体２のほぼ重心部に設置した船体制御部１１のジャイロセンサや傾斜センサ等の姿勢制御装置１２や加速度センサ１３を介して図２のように操作パネル１４の操作によってＣＰＵ１５を作動し、ディスプレイ１６に表示するとともに、インバータ１７を介して油圧ポンプ１８を駆動制御し、コントローラ１９を介して高速の比例制御弁やサーボ弁等の制御器２０で油圧シリンダーの揺動駆動装置８を駆動制御し、水中翼６の揺動角度を検出する水中翼センサーＨＳで検出してその出力値を船体制御部１１にフィードバックしたり、サーボモータを介したりしてPID制御、ファジー制御、ロバスト制御等による多次元制御をして、水中翼６を目的の仰角、俯角に駆動制御をしてピッチングを抑制するようにできる。

たとえば、走航時、向い波の場合は船首を下げ、追い波の場合は船首を上げ、さらに波が高い場合は加速度センサ１３にもとづいて水中翼６の揺動角度を高めに設定するなど波高や向い波、追い波等の波の状態に応じて、船尾５の水中翼６を目的の仰角、俯角に上記手段による多次元制御をして走航抵抗が最小になるように姿勢制御装置１２を介して揺動制御して双胴船１を減揺制御して航行できる。なお、船体２が非常に不安定になる追い波の場合でも、水中翼６が水流の中にあるので、減揺効果が減少することがなく、安全性を向上できる。

また、図３、図４のように水中翼６を船尾５の下端部の水中翼６の長さの１／１０〜１／２の少し前方側や、水中翼６の厚さの１／２〜２倍の少し上または下方側に装着して、上記のようにピッチング制御することができる。水中翼６は、海面の自由境界に近い程揚力が減少し、また下端後部側程翼端の渦で船体３が抑制されるので、できるだけ船尾５部の下端前部側に設けるのが好ましい。また、水中翼６の前縁は、船体３の下面と同じ面、あるいは上記のように若干前方に位置し、水中翼６の前縁が船体３の下端面の若干前方に位置する場合には水中翼６の揚力中心を翼支持部と一致させることによって、翼の仰角を制御する力を少なくできる。

さらに、図５のように水中翼６の揺動駆動装置９を船尾５の中央でなく、水中翼６の側部の船本体２のトンネル状部４の両側の船体３の内側部に装着して左右を同調制御するようにし、トンネル状部４を通過する高速の水流に揺動駆動装置９が当たらずに流体抵抗を低減するようにすることが好ましい。

上記双胴船１について、水槽での実験モデルで、ジャイロセンサの姿勢制御装置１２の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼６の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ａ・θ(t) ＋Ｂ・ω(t) ＋Ｃとして減揺制御できる。
ここに、Ａ、Ｂ、Ｃは定数で、モデル実験、実機の航行時の測定、荒天時での測定など各種の試験を行なって定め、Ｃは走航中の航体トリムを定める値で、静水時の実験での走航抵抗が最中になるトリム角を定めておくものである。

各種の波の状態で制御パラメータを設定して、これらのパラメータにもとづいてＣＰＵ１５でジャイロセンサの姿勢制御装置１２、加速度センサ１３のデータから瞬時に判断して所要のパラメータに切り換えて、走航抵抗が最小になるようにジャイロセンサの姿勢制御装置１２を介して揺動制御して双胴船１を所要の減揺航行を行なうようにできる。なお、上記した本発明の趣旨にもとづいて、Ｐ(t)=Ｆ（θ(t)，ω(t)）等としてファジー制御、ロバスト制御等の制御方法でも実施することができる。

図１、図２は、本発明の一実施例を示すもので、減揺制御の双胴船１は、両側の船体３の船尾５部間のトンネル状部４の船尾５部の対向する内側の後面下端部に翼軸支部７をそれぞれ水平に設けて水中翼６の両側部の揺動用軸８を軸着し、船尾５の中央部に油圧シリンダーの揺動駆動装置９を固着し、この揺動駆動装置９のロッド１０部を固定台１１を介して水中翼６の上面の中央部と連結して、船尾５部間のトンネル状部４にその全幅にわたって水中翼６を水没状態として揺動制御駆動自在に設け、水中翼６を−１５度〜＋１５度の角度にわたって駆動制御するようにしている。

上記水中翼６は、船本体２と比べて幅が１：２、長さが１：３０、アスペクト比は通常の範囲として、図２のように船本体２のほぼ重心部に設置した船体制御部１１のジャイロセンサの姿勢制御装置１２および加速度センサ１３を介して操作パネル１４の操作によってＣＰＵ１５を作動し、ディスプレイ１６に表示するとともに、インバータ１７を介して油圧ポンプ１８を駆動制御し、コントローラ１９を介して高速の比例制御弁の制御器２０で油圧シリンダーの揺動駆動装置８を駆動制御し、水中翼６の揺動角度を水中翼センサーＨＳで検出してその出力値を船体制御部１１にフィードバックし多次元PID制御して、所要の目的の仰角、俯角に多次元PID制御して双胴船１を減揺制御するようにしている。

そのため、双胴船１の船尾５間の全幅にわたって水没状態の水中翼６によって、双胴間のトンネル状部４を流れる高速の水流を利用して揺動制御駆動して船尾５側を大きく揚力を発生して上下させて、ピッチング制御を行うことができ、双胴船１の走航抵抗が最小になるようにジャイロセンサの姿勢制御装置１２を介して揺動制御して双胴船１をよりよく減揺制御して航行できる。船体３のトリムは、水中翼６の角度を手動等で調整し、速度が最高になるところをトリムとし、水中翼６はこのときの角度をニュートラル点として、上下に仰角を変えて減揺のための揚力を発生させるようにできる。

また、図３、図４のように水中翼６を船尾５の下端部の水中翼６の長さの１／３位の少し前方側や、水中翼６の厚みの２倍の高さの少し上方側に装着することができる。水中翼６は、海面の自由境界に近い程揚力が減少し、また下端後部側程翼端の渦で船体３が抑制されるので、できるだけ下端前部側に設けることによって、より大きな揚力を発生できて好ましい。

さらにまた、図５は、本発明のさらに他の実施例を示すもので、水中翼６の揺動駆動装置９を船尾５の中央でなく、水中翼６の側部の船本体２のトンネル状部４の両側の船体３の内側部に装着して左右を同調制御するようにしている。本実施例では、トンネル状部４を通過する高速の水流に揺動駆動装置９が当たらずに流体抵抗を低減することができ、双胴船１のより効率よく航行させることができる。

本発明の双胴船１の水槽での実験モデルで、実機Ｓ船の２５の１の模型船とし、翼長１３３ｍｍ、翼幅５０ｍｍ、翼厚１５％の対称水中翼とし、船速を２．７ｍ／ｓ、排水量を満載状態相当、波高３ｃｍ、波長３ｍの向かい波等として、上記したように水中翼６の揺動角度Ｐ(t)=Ａ・θ(t) ＋Ｂ・ω(t) ＋Ｃとして入力して実験した。Ａ、Ｂ、Ｃは、モデル実験、実機の航行時の測定値にもとづいてデータ送信して出力した。

その結果、図６（ａ）、（ｂ）のように、水中翼をピッチング制御しない場合（ａ）とピッチング制御した場合（ｂ）のように、ピッチング制御を行なうことで、ピッチング角は３．７÷５．８＝０．６４で、６４％に低減できた。
また、図７（ａ）、（ｂ）のように、同上での上下加速度の変化も上下加速度は０．１８÷０．２５＝０．７２で、７２％に上下加速度を低減できた。そのため、上記水中翼６の制御角度Ｐ(t) に加速度センサの検出値を加味することが、波高等で水中翼６を急に大きく揺動して減揺するのに有効である。

また、船体の走航抵抗は、ピッチング制御しない場合は９８７ｇであったが、ピッチング制御した場合は６９９ｇであり、６９９÷９８７＝０．７１で、ほぼ３０％の低減率であり、減揺装置の利用によって乗り心地の向上と燃料経済性の向上をはかることができる。一般的に、減揺装置は抵抗の増加を招くとの議論があったが、上記のようにピッチング制御することによって船体の走航トリムを抵抗が少ない状態に制御でき、その船体の抵抗減少が水中翼の動作による水中翼の増加抵抗を上回るものである。

本発明は、旅客船、漁船、観光船等の船舶分野における減揺制御の双胴船およびその制御方法に利用できるものである。

１…双胴船２…船本体３…胴体４…トンネル状部５…船尾
６…水中翼９…揺動駆動装置２２…トリムタブ

特開平６−２６３０８２号公報特開平９−２７２４８８号公報

Claims

双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、
上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設けたことを特徴とする減揺制御の双胴船。
船尾の下端部に水中翼の長さの１／１０〜１／２前方側に水中翼を取着した請求項１に記載の減揺制御の双胴船。
船尾部に揺動駆動装置を取着し、この揺動駆動装置のロッドの下端部を水中翼に連結して水中翼を揺動駆動制御自在とした請求項１に記載の減揺制御の双胴船。
双胴船に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ｆ（θ(t) ，ω(t) ）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減制御するように形成した請求項１ないし３のいずれかに記載の減揺制御の双胴船。
双胴船の両側の船体の船尾部の対向する後面下端部に水中翼を軸支する翼軸支部をそれぞれ水平に設け、船尾部間のトンネル状部にピッチング制御のために水中翼の両側部の揺動用軸を上記翼軸支部に軸着して船尾部間のトンネル状部の直後部にトンネル状部の全幅にわたって水中翼を揺動自在に設け、上記水中翼の支持部の翼軸支部を揚力中心として船尾部間のトンネル状部の全幅にわたって水中翼を水没状態として揺動制御自在に設け、
双胴船の中心部または重心部に姿勢制御装置を配設し、この姿勢制御装置の出力をピッチング角速度ωとし、この数値積分をピッチング角θとし、水中翼の制御角度Ｐ(t) として、Ｐ(t)=Ａ・θ(t) ＋Ｂ・ω(t) ＋Ｃ（ここに、Ａ、Ｂ、Ｃは定数で、モデル実験、実機の航行時の測定、荒天時での測定など各種の試験を行なって定め、Ｃは走航中の航体トリム値）として減揺制御して、ピッチングに対してピッチング角を減少させるように姿勢制御装置によって船尾部の水中翼の仰角を加減して減揺制御することを特徴とする減揺制御の双胴船の制御方法。