JP6201217B2 - 舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法に関する。

近年、水中航走体において、水平舵及び垂直舵からなる十字型後舵による姿勢制御に代わり、より効率的な舵力を得られるＸ型後舵が採用されている。Ｘ型後舵を採用することで、理論上、十字型後舵の１／√２倍の面積で、十字型後舵と同じ舵力を得ることができる。

一方、このようなＸ型後舵を構成する４つの舵の各々を制御するための舵制御装置等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２３４３９３号公報

一般に、Ｘ型後舵を構成する舵の制御には、まず十字型後舵をベースとした目標流力舵角（ピッチ舵角、ヨー舵角及びロール舵角）を算出し、これを、Ｘ型後舵を構成する４つの舵の各々の舵角に配分する方式が採用されている。しかしながら、当該４つの舵は、いずれも所定の操舵可能範囲が設定されており、当該操舵可能範囲内のみで舵角を変更可能とされている。そうすると、配分の結果、操舵可能範囲外となった舵が一つでも存在した場合に、配分のバランスが崩れ、いずれの目標流力舵角も得られなくなる場合がある。

本発明の目的は、Ｘ型後舵を構成する４つの舵のうち操舵可能範囲外となった舵が存在した場合であっても、より目標流力舵角に近い流力舵角を得ることができる舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法を提供することにある。

本発明の一態様は、船体垂直面内にあって船体水平面に対し４５度に傾斜する第１軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、前記船体垂直面内にあって前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、の計４つの舵を備える水中航走体の前記舵の舵角を制御する舵制御装置であって、ピッチ舵角、ヨー舵角及びロール舵角の目標値である目標流力舵角の入力を受け付ける入力部と、前記目標流力舵角を得るために必要な前記舵の各々の舵角である必要舵角を特定する必要舵角特定部と、４つの前記舵のうちの少なくとも一つの前記必要舵角が操舵可能範囲外となっている場合に、当該操舵可能範囲外となっている一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定し、かつ、当該一の舵と同じ軸線回りに回転可能とされた他の舵の舵角を前記必要舵角又は前記操舵可能範囲の限度値に決定する第１舵角決定部と、前記第１舵角決定部が舵角を決定した舵以外の舵である未決定舵の舵角を、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるピッチ舵角及びヨー舵角が得られ、かつ、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角よりも前記目標流力舵角に近いロール舵角が得られる舵角に決定する第２舵角決定部と、を備える舵制御装置である。

また、本発明の一態様は、上述の舵制御装置において、前記第２舵角決定部が、前記未決定舵のうちの一の舵の舵角を、当該一の舵の前記必要舵角に所定値を加算した値に決定するとともに、前記未決定舵のうちの他の舵の舵角を、当該他の舵の前記必要舵角から前記所定値を減算した値に決定することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上述の舵制御装置において、前記第２舵角決定部が、前記未決定舵に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角と、前記目標流力舵角と、の差分を示す前記所定値を算出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上述の舵制御装置において、前記第２舵角決定部が、前記未決定舵のうちの一の舵の前記必要舵角に前記所定値を加算した値が前記操舵可能範囲外となっている場合に、当該一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定するとともに、前記未決定舵のうちの他の舵の舵角を、当該他の舵の前記必要舵角から、前記未決定舵のうちの一の舵の前記必要舵角と前記操舵可能範囲の限度値との差分を減算した値に決定することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上述の舵制御装置と、４つの前記舵と、を備える水中航走体である。

また、本発明の一態様は、船体垂直面内にあって船体水平面に対し４５度に傾斜する第１軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、前記船体垂直面内にあって前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、の計４つの舵を備える水中航走体の当該舵の舵角を制御するための舵制御方法であって、ピッチ舵角、ヨー舵角及びロール舵角の目標値である目標流力舵角の入力を受け付ける入力ステップと、前記目標流力舵角を得るために必要な前記舵の各々の舵角である必要舵角を特定する必要舵角特定ステップと、４つの前記舵のうちの少なくとも一つの前記必要舵角が操舵可能範囲外となっている場合に、当該操舵可能範囲外となっている一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定し、かつ、当該一の舵と同じ軸線回りに回転可能とされた他の舵の舵角を前記必要舵角又は前記操舵可能範囲の限度値に決定する第１舵角決定ステップと、前記第１舵角決定ステップにより舵角が決定された舵以外の舵である未決定舵の舵角を、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるピッチ舵角及びヨー舵角が得られ、かつ、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角よりも前記目標流力舵角に近いロール舵角が得られる舵角に決定する第２舵角決定ステップと、を有する舵制御方法である。

上述の舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法によれば、Ｘ型後舵を構成する４つの舵のうち操舵可能範囲外となった舵が存在した場合であっても、より目標流力舵角に近い流力舵角を得ることができる。

第１の実施形態に係る水中航走体の概要を示す図である。 第１の実施形態に係るＸ型後舵の構造を示す図である。 第１の実施形態に係る水中航走体の機能構成を示す図である。 第１の実施形態に係る必要舵角特定部の機能を説明する第１の図である。 第１の実施形態に係る必要舵角特定部の機能を説明する第２の図である。 第１の実施形態に係る舵制御装置の処理フローを示す図である。 第１の実施形態に係る再配分演算部の処理フローを示す第１の図である。 第１の実施形態に係る再配分演算部の処理フローを示す第２の図である。 第１の実施形態に係る再配分演算部の処理フローを示す第３の図である。 第１の実施形態に係る再配分演算部の処理フローを示す第４の図である。 第１の実施形態に係る舵制御装置の効果を説明する図である。

＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態に係る舵制御装置について、図１〜図１０を参照しながら詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態に係る水中航走体の概要を示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態に係る水中航走体１は、船体１０と、船体１０の進行方向後方側に設けられたＸ型後舵１１と、を備えている。
水中航走体１は、Ｘ型後舵１１の舵角が適宜変更されることで、船体１０の進路を変更可能とされている。

図２は、第１の実施形態に係るＸ型後舵の構造を示す図である。
図２は、水中航走体１を進行方向後方側から見た場合の船体１０及びＸ型後舵１１の構造を模式的に表している。なお、図２において、水中航走体１の進行方向に沿う水平面及び垂直面を船体水平面Ｈ及び船体垂直面Ｖで示している。
図２に示すように、Ｘ型後舵１１は、進行方向に直交する船体垂直面内にあって船体水平面Ｈに対し４５度に傾斜する第１軸線Ｏ１回りに回転可能とされた２つの舵１１１、１１４を有している。また、Ｘ型後舵１１は、船体垂直面内にあって第１軸線Ｏ１に直交する第２軸線Ｏ２回りに回転可能とされた２つの舵１１２、１１３を有している。このように、Ｘ型後舵１１は、水中航走体１を後方視した場合において、船体１０中心側から外側にかけて、左上、左下、右上、右下の各々に延びる計４つの舵１１１、１１２、１１３、１１４で構成される。
なお、図１に示すように船体中心を原点とした右手系座標系を考えたとき、舵１１１、１１２、１１３、１１４の取付位置ｘ座標は等しいものとする。また、舵１１１と１１２の取付位置ｙ座標および舵１１３と１１４の取付位置ｙ座標は等しいものとする。加えて、舵１１１と１１３の取付位置ｚ座標および舵１１２と１１４の取付位置ｚ座標は等しいものとする。さらに、舵１１１、１１２、１１３、１１４の流体特性は等しいものとする。

なお、図２において、舵１１１、１１２、１１３、１１４の各々の舵角を舵角ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４で示している。舵角ｆ１、ｆ４は、舵１１１側からみて各舵１１１、１１４の反時計回り方向への駆動の度合いを正の値で表し、時計回り方向への駆動の度合いを負の値で表す数値である。また、舵角ｆ２、ｆ３は、舵１１２側からみて各舵１１２、１１３の時計回り方向への駆動の度合いを正の値で表し、反時計回り方向への駆動の度合いを負の値で表す数値である。
また、詳細は後述するが、舵１１１、１１２、１１３、１１４の各々は、機械的制約等により予め操舵可能範囲（舵角ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４の限度値（上限値及び下限値））が規定されており、舵角ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は、それぞれ、操舵可能範囲である上限値ｌｉｍから下限値−ｌｉｍ（ｌｉｍ＞０）までの値のみを取り得る。

なお、以下の説明において、上下左右、時計回り、反時計回りを示す文言は、特別な記載がない限り、水中航走体１を、図２に示すように後方視した場合の方位又は回転方向を意味するものとする。

後述するように、本実施形態に係る水中航走体１は、Ｘ型後舵１１の各舵１１１〜１１４の舵角を決定するにあたり、従来の十字型後舵に対する操舵に適用される流力舵角（ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄ）の目標値である目標流力舵角を算出する。
ここで、ピッチ舵角ｅは、水中航走体１の、船体垂直面Ｖに沿った上下方向への旋回の度合いを表す数値である。図２において、ピッチ舵角ｅは、水中航走体１の進行方向が上側へ向かう旋回の度合いを正の値で表し、水中航走体１の進行方向が下側へ向かう旋回の度合いを負の値で表す。
また、ヨー舵角ｒは、水中航走体１の、船体水平面Ｈに沿った左右方向への旋回の度合いを表す数値である。図２において、ヨー舵角ｒは、水中航走体１の進行方向が右側へ向かう旋回の度合いを正の値で表し、水中航走体１の進行方向が左側へ向かう旋回の度合いを負の値で表す。
更に、ロール舵角ｄは、水中航走体１の、進行方向軸線回りの回転の度合いを表す数値である。図２において、ロール舵角ｄは、水中航走体１の時計回り方向の回転の度合いを正の値で表し、水中航走体１の反時計回り方向の回転の度合いを負の値で表す。
上記ピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒは、水中航走体１の進行方向を目的の方位（上下左右の任意の方向）へ向けるために、また、ロール舵角ｄは、水中航走体１の傾きを水平に維持するために、操縦者の操舵または自動制御によって調整される。

流力舵角（ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄ）は、各舵１１１〜１１４の合成モーメントによって達成される。即ち、水中航走体１の進行は、流力舵角（ｅ、ｒ、ｄ）に対応する舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４の組み合わせによって決定される。
例えば、各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４が、図２に示す状態（ｆ１＝δ＞０、ｆ２＝δ＞０、ｆ３＝δ＞０、ｆ４＝δ＞０）の場合を考える。この場合、舵１１１、舵１１４は、ともに左下方向のモーメントを生成し、舵１１２、舵１１３は、ともに左上方向のモーメントを生成する。また、前述の通り、舵１１１、１１２、１１３、１１４の取付位置ｙ座標の絶対値および各舵の流力特性が等しく、舵角ｆ１〜ｆ４は等しいため、各舵１１１〜１１４にて生成するモーメントは等しい。したがって、これらの合成モーメントにより、船体１０の船尾側に左方向の力が印加される。その結果、船体１０の船尾側が左方向に移動するため、水中航走体１は、右方向に旋回する（ピッチ舵角ｅ＝０、ヨー舵角ｒ＞０、ロール舵角ｄ＝０）。
以上のような仕組みを一般化すると、Ｘ型後舵１１における各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４は、式（１）のような対応関係により、ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄの各々に変換される。

なお、目標とする流力舵角である目標流力舵角（後述する目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）が与えられた場合に、これに対応する各舵１１１〜１１４の各々に必要な舵角ｆ１〜ｆ４（後述する必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４）の算出の仕方については後述する。

図３は、第１の実施形態に係る水中航走体の機能構成を示す図である。
図３に示すように、船体１０は、操舵受付部１２と、舵駆動部１３と、舵制御装置２と、を備えている。
操舵受付部１２は、操縦者による操舵または自動制御の目標方位、目標ピッチ角、目標ロール角の入力を受け付ける操縦用の機器である。操舵受付部１２は、受け付けた操舵に応じた目標流力舵角（目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）を算出する目標流力舵角演算部１２０を内部に備えている。目標流力舵角演算部１２０は、操縦者の操舵または自動制御の目標方位、目標ピッチ角、目標ロール角によって指定された進行方向や姿勢が達成されるような目標流力舵角を直ちに算出し、舵制御装置２に出力する。
舵駆動部１３は、モータ等の駆動機構を備え、舵制御装置２から受け付けた制御信号（後述する決定舵角ｆｆ１、ｆｆ２、ｆｆ３、ｆｆ４）に従って、各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４を調整する。

本実施形態に係る舵制御装置２は、操舵受付部１２（目標流力舵角演算部１２０）から受け付けた目標流力舵角（ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄの各々の目標値である目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ、目標ロール舵角ｄｔ）に基づいて、最適な舵角ｆ１〜ｆ４（決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４）を算出する。以下、舵制御装置２の機能構成について詳細に説明する。

図２に示すように、舵制御装置２は、入力部２０と、必要舵角特定部２１と、再配分演算部２２と、を備えている。
入力部２０は、操舵受付部１２から目標流力舵角（目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）の入力を受け付ける。
必要舵角特定部２１は、上記目標流力舵角を得るために必要な舵１１１〜１１４の各々の舵角である必要舵角ｆｎ１、ｆｎ２、ｆｎ３、ｆｎ４を特定する。
再配分演算部２２は、必要舵角ｆｎ１、ｆｎ２、ｆｎ３、ｆｎ４の少なくとも一つが操舵可能範囲外となっている場合に、実際に得られる流力舵角（ｅ、ｒ、ｄ）を目標流力舵角（ｅｔ、ｒｔ、ｄｔ）に少しでも近づかせるため、舵角ｆ１〜ｆ４を、操舵可能範囲内において最適な舵角となるように再配分する処理を行う。再配分演算部２２は、第１舵角決定部２２１と、第２舵角決定部２２２と、を備えており、それぞれの機能により、舵角ｆ１〜ｆ４に対する最終的な決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４が決定される。

図４は、第１の実施形態に係る必要舵角特定部の機能を説明する第１の図である。
また、図５は、第１の実施形態に係る必要舵角特定部の機能を説明する第２の図である。
次に、図４及び図５を参照しながら、必要舵角特定部２１の機能について詳細に説明する。

必要舵角特定部２１は、入力部２０を通じて入力された目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔに応じた各舵１１１〜１１４の必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４を特定する。
具体的には、必要舵角特定部２１は、目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔにつき、式（２）の演算を行う。

ここで、式（２）は、目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔと、各舵１１１〜１１４の必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４と、が式（１）の関係を満たすように規定されている。つまり、各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４が必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４となることで、目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔが達成される。

式（２）によれば、目標流力舵角（目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）と必要舵角ｆｎ１、ｆｎ２、ｆｎ３、ｆｎ４との関係は、図５（ａ）に示すような対応関係となる。このような対応関係によれば、例えば、図５（ｂ）に示すように、目標流力舵角として目標ピッチ舵角ｅｔ＝２０°、目標ヨー舵角ｒｔ＝２０°及び目標ロール舵角ｄｔ＝５°が入力された場合、必要舵角特定部２１の演算により、必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４は、ｆｎ１＝３５°、ｆｎ２＝５°、ｆｎ３＝−５°、ｆｎ４＝４５°と特定される。

しかしながら、上述したように、各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４は、予め規定された操舵可能範囲である上限値ｌｉｍから下限値−ｌｉｍ（ｌｉｍ＞０）までしか駆動しない。ここで、例えば、操舵可能範囲の限度値（上限値、下限値）が、予め、上限値ｌｉｍ＝３０°、下限値−ｌｉｍ＝−３０°と規定されていた場合を考える。
この場合、目標流力舵角（ｅｔ＝２０°、ｒｔ＝２０°、ｄｔ＝５°）に対応する必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４のうち必要舵角ｆｎ１（＝３５°）、ｆｎ４（＝４５°）は、操舵可能範囲外となっている（図５（ｂ）参照）。一方、必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４のうち必要舵角ｆｎ２（＝５°）、ｆｎ３（＝−５°）は、操舵可能範囲内となっている。
ここで、仮に、上限値ｌｉｍ（＝３０°）を超えている必要舵角ｆｎ１、ｆｎ４に対応する舵角ｆ１、ｆ４を当該上限値ｌｉｍに決定し、操舵可能範囲内となっている必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３に対応する舵角ｆ２、ｆ３を、当該必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３に決定する処理を行ったとする。このような処理によると、図５（ｃ）に示すように、各舵１１１〜１１４に対応する最終的な決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４は、ｆｆ１＝３０°、ｆｆ２＝５°、ｆｆ３＝−５°、ｆｆ４＝３０°となる。この決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４が各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４の各々に適用された結果、実際に得られる流力舵角は、式（１）に基づき、ピッチ舵角ｅ＝１５°、ヨー舵角ｒ＝１５°、ロール舵角ｄ＝２．５°となる。
そうすると、実際に得られる流力舵角（ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄ）の何れもが、目標流力舵角（目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）の各々と乖離する。

そこで、本実施形態に係る舵制御装置２は、上述した再配分演算部２２により、実際に得られる流力舵角（ｅ、ｒ、ｄ）が目標流力舵角（ｅｔ、ｒｔ、ｄｔ）に少しでも近づくように、舵角ｆ１〜ｆ４を、各々の操舵可能範囲内において再配分する処理を実行する。

図６は、第１の実施形態に係る舵制御装置の処理フローを示す図である。
次に、図６を参照しながら、舵制御装置２全体の処理フローについて順を追って説明する。

まず、舵制御装置２の入力部２０は、目標流力舵角演算部１２０（図３）から目標流力舵角（目標ピッチ舵角ｅｔ、目標ヨー舵角ｒｔ及び目標ロール舵角ｄｔ）を入力する（ステップＳ０１）。
次に、舵制御装置２の必要舵角特定部２１は、式（２）の演算に基づいて、各舵１１１〜１１４の各々の必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４を特定する（ステップＳ０２）（図５（ａ）、（ｂ）参照）。
次に、舵制御装置２の再配分演算部２２は、ステップＳ０２で得られた必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４につき、所定の再配分演算を行い、最終的な決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４を算出する（ステップＳ０３）。再配分演算部２２によるステップＳ０３の処理の詳細については後述する。
更に、再配分演算部２２は、算出された決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４を舵駆動部１３（図３）に向けて出力する（ステップＳ０４）。これにより、各舵１１１〜１１４の舵角ｆ１〜ｆ４が、目標流力舵角に応じた最適な舵角（決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４）となる。

図７〜図１０は、第１の実施形態に係る再配分演算部の処理フローを示す第１〜第４の図である。
次に、ステップＳ０３（図６）において実行される再配分演算部２２の処理フローについて詳細に説明する。

まず、再配分演算部２２の第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４の各々に、ステップＳ０２（図６）で特定された必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４を代入する（ステップＳ１１）。
次に、第１舵角決定部２２１は、同じ軸線Ｏ１回りに回転可能とされる舵１１１及び舵１１４の各々に対応する決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４を参照し、当該決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４の少なくとも何れかが操舵可能範囲外（ｆｆ１、ｆｆ４＜−ｌｉｍ、又は、ｆｆ１、ｆｆ４＞ｌｉｍ）となっているか否かを判定する（ステップＳ１２）。

決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４の何れかが操舵可能範囲外となっている場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４のうち操舵可能範囲外となっている一方（又は両方）については、上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍに決定する。また、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４のうち操舵可能範囲内となっている他方については、ステップＳ１１で初期設定された必要舵角ｆｎ１、ｆｎ４をそのまま採用して決定する（ステップＳ１３）。
例えば、ステップＳ１１において決定舵角ｆｆ１＝３５°、ｆｆ４＝−５°の場合、ステップＳ１３により、決定舵角ｆｆ１＝ｌｉｍ＝３０°、ｆｆ４＝−５°と決定される。また、例えば、ステップＳ１１において決定舵角ｆｆ１＝３５°、ｆｆ４＝−４５°の場合、ステップＳ１３により、決定舵角ｆｆ１＝ｌｉｍ＝３０°、ｆｆ４＝−ｌｉｍ＝−３０°と決定される。

ステップＳ１３の後、第１舵角決定部２２１は、この時点における未決定舵（ステップＳ１３で舵角が決定された舵以外の舵）であって、同じ軸線Ｏ２回りに回転可能とされた舵１１２、１１３の各々に対応する決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３がともに操舵可能範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１４）。
決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３がともに操舵可能範囲内にある場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、第２舵角決定部２２２が、未決定舵（舵１１２、１１３）に対応する決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３を決定する処理を行う（ステップＳ１５）。ステップＳ１５において実行される第２舵角決定部２２２の処理フローについては後述する。

また、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の何れかが操舵可能範囲外となっている場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち操舵可能範囲外となっている一方（又は両方）については、上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍに決定する。また、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち操舵可能範囲内となっている他方については、ステップＳ１１で初期設定された必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３をそのまま採用して決定する（ステップＳ１６）。

一方、ステップＳ１２において、決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４がともに操舵可能範囲内となっている場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、続いて、第１舵角決定部２２１は、舵１１２及び舵１１３の各々に対応する決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３を参照する。そして、第１舵角決定部２２１は、当該決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の少なくとも何れかが操舵可能範囲外となっているか否かを判定する（ステップＳ１７）。

決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の何れかが操舵可能範囲外となっている場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち操舵可能範囲外となっている一方（又は両方）については、上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍに決定する。また、第１舵角決定部２２１は、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち操舵可能範囲内となっている他方については、ステップＳ１１で初期設定された必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３をそのまま採用して決定する（ステップＳ１８）。

この時点における未決定舵（ステップＳ１７で舵角が決定された舵以外の舵）である舵１１１、１１４の各々に対応する決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４は、ステップＳ１２により、ともに操舵可能範囲内にあることが判明している。したがって、この場合は直ちに、第２舵角決定部２２２が、未決定舵（舵１１１、１１４）に対応する決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４を決定する処理を行う（ステップＳ１９）。

なお、ステップＳ１７において、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３がともに操舵可能範囲内となっている場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４は、いずれも操舵可能範囲内にある。そうすると、各舵１１１〜１１４は、目標流力舵角が達成される必要舵角ｆｎ１〜ｆｎ４に操舵可能であるため、第１舵角決定部２２１は、ステップＳ１１で初期設定された決定舵角ｆｆ１〜ｆｆ４をそのまま採用し、処理を終了する。

次に、図８〜図１０を参照しながら、ステップＳ１５及びステップＳ１９（図７）において実行される第２舵角決定部２２２の処理フローについて説明する。なお、図８〜図１０は、ステップＳ１５において実行される処理フローを例示しているが、ステップＳ１９において実行される処理フローも、図８〜図１０に示すものと同様である。

まず、再配分演算部２２の第２舵角決定部２２２は、所定値（演算値ａ）を用いて、式（３）に示す演算を行う（ステップＳ３１）。

ここで、第１舵角決定部２２１（ステップＳ１３（図７））により決定された決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４は、操舵可能範囲内に収まるように決定されている。そうすると、決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４のうちの少なくとも何れかが必要舵角ｆｎ１、ｆｎ４に満たなくなっているため、この決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４をそのまま採用した場合に、実際に得られるロール舵角ｄは、目標ロール舵角ｄｔに満たなくなる（式（１）のロール舵角ｄについての関係式を参照）。
演算値ａは、舵１１１、１１４の舵角ｆ１、ｆ４に、操舵可能範囲内に収まるように決定された決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４が適用され、かつ、未決定舵（舵１１２、１１３）の舵角ｆ２、ｆ３に必要舵角ｆｎ１、ｆｎ２がそのまま適用された場合に得られるロール舵角ｄと、本来目標としていた目標ロール舵角ｄｔとの差分を表している。

第２舵角決定部２２２は、式（３）に示す通り、未決定舵（舵１１２、１１３）のうちの一の舵（舵１１２）の決定舵角ｆｆ２を、当該舵１１２の必要舵角ｆｎ２に演算値ａの半値（ａ／２）を加算した値に決定する。また、第２舵角決定部２２２は、未決定舵（舵１１２、１１３）のうちの他の舵（舵１１３）の決定舵角ｆｆ３を、当該舵１１３の必要舵角ｆｎ３から所定値ａの半値（ａ／２）を減算した値に決定する。

ステップＳ１３（図７）で操舵可能範囲内に収められた決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４と、ステップＳ３１で新たに決定された決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３と、をロール舵角ｄについての関係式（式（１））の舵角ｆ１〜ｆ４にそれぞれ代入すると、実際に得られるロール舵角ｄが目標ロール舵角ｄｔに一致する。
また、同じく、ステップＳ１３（図７）で操舵可能範囲内に収められた決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４と、ステップＳ３１で決定された決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３と、をピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒについての関係式（式（１））の舵角ｆ１〜ｆ４にそれぞれ代入すると、いずれの場合も、演算値ａが打ち消される。即ち、未決定舵（舵１１２、１１３）の舵角ｆ２、ｆ３に対し、ステップＳ３１で決定された決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３を適用することで、当該舵角ｆ２、ｆ３に対し、本来の必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３が適用された場合に得られるピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒと同じピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒを得ることができる。

第２舵角決定部２２２は、以上のように、未決定舵（舵１１２、１１３）に必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３が適用された場合に得られるロール舵角ｄと、目標ロール舵角ｄｔと、の差分を示す演算値ａを算出することで、実際に得られるロール舵角ｄを目標ロール舵角ｄｔに一致させることができる。

なお、ステップＳ１９（図７）においては、演算値ａを用いて、式（４）に示す演算を行うことで、ステップＳ３１に相当する処理を実行することができる。

次に、第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の各々が操舵可能範囲外となっていないかどうかを調べる。
具体的には、まず第２舵角決定部２２２は、所定の演算値ｂ２、ｂ３に“ゼロ”を代入して初期化を行う（ステップＳ３２）。

次に、第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２が操舵可能範囲外か否かを判定する（ステップＳ３３）。
ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２が操舵可能範囲外となっていた場合（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、第２舵角決定部２２２は、所定の関数Ｆを用いて、限度値（上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍ）から必要舵角ｆｎ２までの差分を求め、これを演算値ｂ２とする（ステップＳ３４）。

ここで、所定の関数Ｆについて、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。
関数Ｆは、まず、変数ｘ（ステップＳ３４においては、必要舵角ｆｎ２）がゼロ以上（ｘ≧０）か否かを判定する（ステップＳ５０）。
変数ｘ（必要舵角ｆｎ２）がゼロ以上の場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、関数Ｆは、上限値ｌｉｍと変数ｘ（必要舵角ｆｎ２）との差分ｙ（ｙ＝ｌｉｍ−ｘ＞０）を出力する（ステップＳ５１）。
一方、変数ｘ（必要舵角ｆｎ２）がゼロ未満の場合（ステップＳ５０：ＮＯ）、関数Ｆは、下限値−ｌｉｍと変数ｘ（必要舵角ｆｎ２）との差分ｙ（ｙ＝−ｌｉｍ−ｘ＜０）を出力する（ステップＳ５２）。
このように、関数Ｆは、入力された変数ｘ（必要舵角ｆｎ２）の符号を考慮して、当該変数ｘと、変数ｘに近い側の限度値（上限値ｌｉｍ、下限値−ｌｉｍ）と、の差分を出力する。

一方、図８のステップＳ３３において、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２が操舵可能範囲内となっていた場合（ステップＳ３３：ＮＯ）、第２舵角決定部２２２は、上述のステップＳ３４を実行しない。即ち、第２舵角決定部２２２は、演算値ｂ２の値をゼロのままとする。

次に、第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ３が操舵可能範囲外か否かを判定する（ステップＳ３５）。
ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ３が操舵可能範囲外となっていた場合（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、第２舵角決定部２２２は、関数Ｆ（図１０）を用いて、限度値（上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍ）から必要舵角ｆｎ３までの差分を求め、これを演算値ｂ３とする（ステップＳ３６）。

図９において、更に、第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１〜ステップＳ３６を経た演算値ｂ２及び演算値ｂ３の両方がゼロでない（ｂ２≠０かつｂ３≠０）か否かを判定する（ステップＳ３７）。

演算値ｂ２及び演算値ｂ３の両方がゼロでなかった場合（ステップＳ３７：ＹＥＳ）、これは、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の両方が操舵可能範囲外となっていることを意味している。
この場合、第２舵角決定部２２２は、演算値ｂ２、ｂ３のうち絶対値が小さい方を所定の演算値ｍに代入する。そして、第２舵角決定部２２２は、舵１１２の決定舵角ｆｆ２を、当該舵１１２の必要舵角ｆｎ２に演算値ｍを加算した値に決定し、かつ、舵１１３の決定舵角ｆｆ３を、当該舵１１３の必要舵角ｆｎ３から所定値ｍを減算した値に決定する（ステップＳ３８）。

そうすると、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３は、必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３の各々に、当該必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３のいずれか一方から限度値までの差分に相当する演算値ｍが加算（又は減算）されて得られる。したがって、当該決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうちのいずれか一方は、限度値（上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍ）に一致する。また、演算値ｍが演算値ｂ２、ｂ３のうち絶対値が小さい方の値とされているため、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうちの他方は、必ず操舵可能範囲内に収まる。

一方、演算値ｂ２及び演算値ｂ３のいずれかがゼロである場合（ステップＳ３７：ＮＯ）、第２舵角決定部２２２は、続いて、演算値ｂ３のみがゼロである（ｂ２≠０かつｂ３＝０）か否かを判定する（ステップＳ３９）。

演算値ｂ３のみがゼロであった場合（ステップＳ３９：ＹＥＳ）、これは、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち決定舵角ｆｆ２のみが操舵可能範囲外となっていることを意味している。
この場合、第２舵角決定部２２２は、舵１１２の決定舵角ｆｆ２を、当該舵１１２の必要舵角ｆｎ２に演算値ｂ２を加算した値に決定し、かつ、舵１１３の決定舵角ｆｆ３を、当該舵１１３の必要舵角ｆｎ３から所定値ｂ２を減算した値に決定する（ステップＳ４０）。

そうすると、決定舵角ｆｆ２は、必要舵角ｆｎ２に、当該必要舵角ｆｎ２から限度値までの差分に相当する演算値ｂ２が加算されて得られる。したがって、決定舵角ｆｆ２は、限度値（上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍ）に一致する。

また、演算値ｂ３のみがゼロではない場合（ステップＳ３９：ＮＯ）、第２舵角決定部２２２は、続いて、演算値ｂ２のみがゼロである（ｂ２＝０かつｂ３≠０）か否かを判定する（ステップＳ４１）。

演算値ｂ２のみがゼロであった場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、これは、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３のうち決定舵角ｆｆ３のみが操舵可能範囲外となっていることを意味している。
この場合、第２舵角決定部２２２は、舵１１３の決定舵角ｆｆ３を、当該舵１１３の必要舵角ｆｎ３から演算値ｂ３を減算した値に決定し、かつ、舵１１２の決定舵角ｆｆ２を、当該舵１１２の必要舵角ｆｎ２に所定値ｂ３を加算した値に決定する（ステップＳ４２）。

そうすると、決定舵角ｆｆ３は、必要舵角ｆｎ３に、当該必要舵角ｆｎ３から限度値までの差分に相当する演算値ｂ３が加算されて得られる。したがって、決定舵角ｆｆ３は、限度値（上限値ｌｉｍ又は下限値−ｌｉｍ）に一致する。

また、演算値ｂ２、ｂ３の両方がゼロであった場合（ステップＳ４１：ＮＯ）、これは、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の両方が操舵可能範囲内となっていることを意味している。したがって、この場合は、ステップＳ３１で決定された決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３をそのまま採用する。

以上のステップＳ３２〜ステップＳ４２の処理によれば、第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１で決定した決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３の何れかが操舵可能範囲外となっていた場合に、未決定舵（舵１１２、１１３）の舵角ｆ２、ｆ３を、操舵可能範囲の限度値（上限値ｌｉｍ、下限値−ｌｉｍ）に決定する。このようにすることで、操舵可能範囲内において、可能な限り、ロール舵角ｄを目標ロール舵角ｄｔまで近づけるように制御することができる。
また、第２舵角決定部２２２は、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３をともに操舵可能範囲内としながら、更に、必要舵角ｆｎ２に加算される値（ｍ、ｂ２又はｂ３）と必要舵角ｆｎ３から減算される値とが等しくなるように制御する。このようにすることで、未決定舵（舵１１２、１１３）の舵角ｆ２、ｆ３に対し、本来の必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３が適用された場合に得られるピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒと同じピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒを得ることができる。

図１１は、第１の実施形態に係る舵制御装置の効果を説明する図である。
ここで、図５（ｂ）に示した事例において、上述の第１舵角決定部２２１及び第２舵角決定部２２２の処理がなされた場合を考える。
この場合、決定舵角ｆｆ１、ｆｆ４は、ともに操舵可能範囲外（ｆｆ１＝３５°＞３０°、ｆｆ４＝４５°＞３０°）となっている。したがって、第１舵角決定部２２１は、ステップＳ１３（図７）において、決定舵角ｆｆ１＝３０°、決定舵角ｆｆ４＝３０°と決定する。そして、この時点において、未決定舵（舵１１２、１１３）の決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３（初期設定値であるｆｎ２、ｆｎ３）は、ともに操舵可能範囲内となっているので（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、第２舵角決定部２２２が舵角決定処理を実行する（ステップＳ１５）。

第２舵角決定部２２２は、ステップＳ３１（図８）において、演算値ａを算出し（ａ＝１０°）、更に、決定舵角ｆｆ２＝１０°、決定舵角ｆｆ３＝−１０°と決定する。この場合、決定舵角ｆｆ２、ｆｆ３はともに操舵可能範囲内であるから、ステップＳ３１において決定された当該決定舵角ｆｆ２＝１０°、決定舵角ｆｆ３＝−１０°がそのまま採用される（ステップＳ３２〜ステップＳ４２）。

その結果、図１１に示す通り、実際に得られる流力舵角は、ピッチ舵角ｅ＝１５°、ヨー舵角ｒ＝１５°、ロール舵角ｄ＝５°となる。したがって、舵制御装置２の制御により、図５（ｃ）に示す場合において得られるピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒと同じピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒが得られ、かつ、目標ロール舵角ｄｔと同じロール舵角ｄ（＝５°）を得ることができる。

以上、第１の実施形態に係る第２舵角決定部２２２によれば、未決定舵（舵１１２、１１３）の舵角ｆ２、ｆ３が、当該舵角ｆ２、ｆ３に必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３が適用された場合に得られるピッチ舵角ｅ及びヨー舵角ｒが得られ、かつ、当該舵角ｆ２、ｆ３に必要舵角ｆｎ２、ｆｎ３が適用された場合に得られるロール舵角ｄよりも目標ロール舵角ｄｔに近いロール舵角ｄが得られる舵角に決定される。
したがって、第１の実施形態に係る舵制御装置２によれば、Ｘ型後舵１１を構成する４つの舵１１１〜１１４のうち操舵可能範囲外となった舵が存在した場合であっても、より目標流力舵角に近い流力舵角を得ることができる。

以上、第１の実施形態に係る舵制御装置２について詳細に説明したが、舵制御装置２の具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
例えば、第１の実施形態においては、舵制御装置２は、ピッチ舵角ｅ、ヨー舵角ｒ及びロール舵角ｄのうち、ロール舵角ｄについて優先的に目標流力舵角に近づけるような制御を行うものとして説明した。しかし、他の実施形態においてはこの態様に限定されず、ピッチ舵角ｅ又はヨー舵角ｒを優先的に目標流力舵角に近づけるような制御を行ってもよい。

また、上述の実施形態においては、舵制御装置２の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各手順を行うものとしている。ここで、上述した舵制御装置２の各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
また、舵制御装置２の各機能が、ネットワークで接続される複数の装置に渡って具備される態様であってもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。

１ 水中航走体
１０ 船体
１１ Ｘ型後舵
１１１、１１２、１１３、１１４ 舵
１２ 操舵受付部
１２０ 目標流力舵角演算部
１３ 舵駆動部
２ 舵制御装置
２０ 入力部
２１ 必要舵角特定部
２２ 再配分演算部
２２１ 第１舵角決定部
２２２ 第２舵角決定部

Claims (6)

1. 船体垂直面内にあって船体水平面に対し４５度に傾斜する第１軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、前記船体垂直面内にあって前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、の計４つの舵を備える水中航走体の前記舵の舵角を制御する舵制御装置であって、
   ピッチ舵角、ヨー舵角及びロール舵角の目標値である目標流力舵角の入力を受け付ける入力部と、
   前記目標流力舵角を得るために必要な前記舵の各々の舵角である必要舵角を特定する必要舵角特定部と、
   ４つの前記舵のうちの少なくとも一つの前記必要舵角が操舵可能範囲外となっている場合に、当該操舵可能範囲外となっている一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定し、かつ、当該一の舵と同じ軸線回りに回転可能とされた他の舵の舵角を前記必要舵角又は前記操舵可能範囲の限度値に決定する第１舵角決定部と、
   前記第１舵角決定部が舵角を決定した舵以外の舵である未決定舵の舵角を、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるピッチ舵角及びヨー舵角が得られ、かつ、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角よりも前記目標流力舵角に近いロール舵角が得られる舵角に決定する第２舵角決定部と、
   を備える舵制御装置。
2. 前記第２舵角決定部は、
   前記未決定舵のうちの一の舵の舵角を、当該一の舵の前記必要舵角に所定値を加算した値に決定するとともに、前記未決定舵のうちの他の舵の舵角を、当該他の舵の前記必要舵角から前記所定値を減算した値に決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の舵制御装置。
3. 前記第２舵角決定部は、
   前記未決定舵に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角と、前記目標流力舵角と、の差分を示す前記所定値を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の舵制御装置。
4. 前記第２舵角決定部は、
   前記未決定舵のうちの一の舵の前記必要舵角に前記所定値を加算した値が前記操舵可能範囲外となっている場合に、当該一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定するとともに、前記未決定舵のうちの他の舵の舵角を、当該他の舵の前記必要舵角から、前記未決定舵のうちの一の舵の前記必要舵角と前記操舵可能範囲の限度値との差分を減算した値に決定する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の舵制御装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の舵制御装置と、
   ４つの前記舵と、を備える水中航走体。
6. 船体垂直面内にあって船体水平面に対し４５度に傾斜する第１軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、前記船体垂直面内にあって前記第１軸線に直交する第２軸線回りに回転可能とされた２つの舵と、の計４つの舵を備える水中航走体の当該舵の舵角を制御するための舵制御方法であって、
   ピッチ舵角、ヨー舵角及びロール舵角の目標値である目標流力舵角の入力を受け付ける入力ステップと、
   前記目標流力舵角を得るために必要な前記舵の各々の舵角である必要舵角を特定する必要舵角特定ステップと、
   ４つの前記舵のうちの少なくとも一つの前記必要舵角が操舵可能範囲外となっている場合に、当該操舵可能範囲外となっている一の舵の舵角を前記操舵可能範囲の限度値に決定し、かつ、当該一の舵と同じ軸線回りに回転可能とされた他の舵の舵角を前記必要舵角又は前記操舵可能範囲の限度値に決定する第１舵角決定ステップと、
   前記第１舵角決定ステップにより舵角が決定された舵以外の舵である未決定舵の舵角を、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるピッチ舵角及びヨー舵角が得られ、かつ、当該未決定舵の舵角に前記必要舵角が適用された場合に得られるロール舵角よりも前記目標流力舵角に近いロール舵角が得られる舵角に決定する第２舵角決定ステップと、
   を有する舵制御方法。

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