JP7202389B2 - 船舶及び推進システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に船舶用のナビゲーションに関し、特に複雑な操船が可能な船舶推進システムに関する。

船舶推進システムは、典型的には、船舶を前方または後方へ進ませるための前方または後方推力を発生させる、エンジンまたはモータで駆動されるプロペラ、スクリューあるいは同様の羽根付き装置を有する。操舵及びナビゲーションでは、典型的には、船舶の船尾にて横方向の推力の発生を必要とする。ラダーまたはノズルは、縦方向に流れる水の向きを横方向へ変えることで、船舶の針路を変化させる。

推進システムには、縦方向と横方向とに力を与えるために個別の構成要素を備えるものがある。一般的な大型船は、エンジンに直結した固定軸プロペラ（前進／後方推力用）と、該プロペラの後方で横方向推力を発生させるラダーとを備える。推進システムには、横方向と縦方向の推力を兼ね備えたものがある。例えば、アジミュージング・スラスタ（例えば、ポッドベースのプロペラ）は、その推力の一部を横方向へ向けるように、左舷側または右舷側の方へ回転する。ウォータージェットは、水の噴流の一部を横方向へ向けるノズルを含む。アジミュージング・スラスタ及びウォータージェットは、高い操縦性を提供するが、この操縦性は、特に真っ直ぐに航行するときに（例えば外洋航海）低燃費性能が犠牲になる。

推進システムの能力は、通常、船舶の性能要件によって規定され、典型的には、船舶に求められる利用方法に関連する。一部の船舶は、より高い操縦性を優先し、海岸の近くを航行するフェリーまたはクルーズ船は、狭いフィヨルドまたは狭い港をナビゲートする必要がある。一部の船舶には、高い燃料効率を優先するものがあり、アジアとヨーロッパとを行き来するタンカーやコンテナ船は燃料コストを最小限に抑制する必要がある。（例えば、人口密度の高い地域のフェリーでは）しばしば大気汚染の低減が望まれる。一部の船舶には、より高速であることが要求される。

船舶に求められるタイプ及び利用方法は、歴史的に推進システムの選択を決定してきたが、先行する推進システムの欠点は妥協を余儀なくされていることである。アジミュージング・スラスタを有するクルーズ船は、曲がりくねった航路をうまく航行できるが、固定軸／ラダー推進システムを備える同様の仕様の船舶よりも多くの燃料を消費する。逆に、固定軸／ラダー推進を備えるタンカーは、外洋航海で良好な燃費を有するが、接岸のための操縦性が劣っている。固定軸推進の大型船では、典型的には、タグボートが、入港、停泊等で必要であり、タグボートを利用することに起因して追加的な燃料消費及び排出ガスが生じる。

航続距離及び船舶の大きさが増大するにつれて、推進システムは、典型的には、燃費性能が最大となるように選択され、技術者を固定軸プロペラ／ラダーシステムへと誘導する。燃料コストがナビゲーション要件よりも勝る場合、固定軸／ラダー推進システムの燃料節約量は、典型的には、方向付けが可能な推力（例えば、アジマス、ウォータージェット）を有する代替推進システムの操縦性のアドバンテージを上回る。したがって、多くのフェリー、大部分のクルーズ船、並びに、典型的には、全ての大型貨物船（コンテナ船、タンカー等）で、固定軸プロペラ／ラダーシステムが使用される。しかしながら、そのような大型船は、海岸付近でタグボート支援ナビゲーションを必要とする。大型船は、燃料消費の増大の問題が無ければ、アジミュージングまたはウォータージェットシステムに関連するナビゲーションの柔軟性の利益を得るここともあり得る。そのような大型船の「沿岸」のナビゲーション能力を高めることで、大型船はより効率的に航行できるようになる。

逆に、（通常、ポッドまたはジェット推進を必要とする）より高い操縦性を必要とする船舶では、操縦性能要件が満たされれば、より良い燃費性能の利益を得ることもあり得る。アジミュージング推力システムを通常必要とするフェリーまたはクルーズ船では、推進システムのナビゲーション要件が満たされれば、低減された燃料消費及び低排出ガスの利益を得ることもあり得る。

ポイント間で物品または人を輸送するように設計された「典型的な」船舶（例えば、船首、船尾を備え、１０ノットを超える自走速度などを有する、例えば、貨物船、タンカー、クルーズ船及びフェリー等の）の推進システムでは、横方向推力のみを与えること（例えば、前方または後方へ移動することなく横方向に移動すること）が困難である。ラダーは、水の向きを横方向に変更できるが、向きが変更された水は依然として縦方向の成分を有し、船舶は曲がるだけでなく、前方または後方へ移動し続ける。この制約は、特定の航行状況（例えば、自動車における「縦列駐車」と同様に、狭い係留場所に対する横方向ドッキング操船）において問題となる場合がある。そのような状況では、典型的には、タグボートに、厳密なナビゲーション制御、旋回半径及び横方向移動を提供することが要求される。タグボートは、コストがかかり、ガスを排出するため、タグボートの必要性を低減することで運航効率を大幅に改善して大気汚染を低減できる。

船舶に（例えば、船舶を前方または後方へ移動させることなく左舷側または右舷側へ移動させる）、横方向推力のみを与えることは有利である。前方への移動を伴わない横方向への移動は、有意に改善された事故回避プロトコルを可能にする。前進することなく横方向へ移動することで、船舶は他の接近する船舶を回避できる。動的船位保持による定常運航用に設計された特定の客船は、アジミュージング推進を使用する。例えば、フローティング・オイル・プラットフォームは、静止したままであるように能動的に制御され、したがって、アジミュージング・スラスタを使用する。しかしながら、そのような船舶では航行時の燃費が悪くなる（また多くの場合、かなりの距離を自走できない）。

複雑なナビゲーション操船は、典型的には、船舶にベテランの船長／スキッパーを必要とする。停泊に当たっては、港湾水先人が船舶を港内までナビゲートできるように、港湾水先人をヘリコプターに乗せること、または港湾水先人に船舶を引き渡すことが義務付けられる。このような操船の自動化は、ローカルナビゲーションの専門知識の必要性を低減できる、または排除できる。

典型的には、資金及び運営費のかなりの部分は乗客の安全のサポート及び確保に向けられる。自動化は、局所的な（例えば、船舶における）人の存在の必要性を低減（または排除）することが可能であり、その結果、コストが低減され、安全性が向上する。導入費用は、しばしば障壁となる。そのため、技術的課題に対してより費用対効果の高い解決策を提供する技術は、市場で経済的に望まれない可能性がある技術の製品化を可能にする。

種々の実施形態は、固定軸／ラダー推進システムの燃費とアジミュージング（例えば、ポッドまたはウォータージェット）推進システムの操縦性とを兼ね備えた推進システムを提供する。燃費と操縦性の両方を向上させることで、船舶は、より燃費が良く、汚染ガスの排出が少なく、タグボート補助のナビゲーションを必要とせず、また、フィヨルド、港、係留場所等の近くでより容易に航行できる。少なくとも２つの（例えば、３つの）プロペラ、少なくとも２つのラダー及び／またはノズル、並びに本明細書で記載する特定のコンピューティング・プラットフォームを有する船舶は、アジミュージングまたはジェットベースの推進システムのナビゲーション能力との組み合わせにおいて、固定軸推進システムの燃費効率の利点を備えることができる。種々の態様は、ＦＰＳＯ、ＦＳＯ、ＦＤＰＤＯ及び／またはＦＳＲＵなど、暫時航行し、その後、動的に所定の位置で留まる船舶の性能を改善できる。

船舶をナビゲートするために縦方向及び横方向推力を独立して制御するように構成された推進システムは、各々が独立して制御可能な推力を有する第１及び第２のスラスタ（例えば、固定軸プロペラ）と、船舶の縦方向に流れる水の一部を横方向に変更するように、独立して構成された第１及び第２のディレクタ（例えば、ラダー及び／またはノズル）とを有する。複数のスラスタ及びディレクタは、互いに横方向及び／または縦方向に配置されていてもよい。スラスタ及びディレクタは、ポッドベースのプロペラ（プロペラのスピン軸が操舵軸の周りを回転する）またはウォータージェット（ノズルがプロペラから出る水の流れを方向付ける）のように一体化されていてもよい。

第１のスラスタは、船舶を前方または後方へ進ませるための第１の推力を生成するように構成され、第１のディレクタは、所定の範囲の第１のディレクタ角で水の流れ（例えば、第１の推力）を方向付けるように構成される。第２のスラスタは、第１の推力から独立した（必要に応じて同じまたは異なる）第２の推力を生成して船舶を前方または後方へ進ませるように構成され、第２のディレクタは、第１のディレクタ角から独立した（必要に応じて同じまたは異なる）第２のディレクタ角の範囲で水の流れ（例えば、第２の推力）を方向付けるように構成される。

少なくともプロセッサ及びメモリ（及び典型的には通信インタフェース）を備え、スラスタ及びディレクタと通信するプラットフォームは、船舶が進むべき目標位置を受信し、目標位置に到達するための船舶の所望の前方／後方変位を規定する所望の縦方向方位を受信及び／または計算し、目標位置に到達するための船舶の所望の横方向変位を規定する所望の横方向方位を受信及び／または計算するように構成される。方位は、典型的には、方向と大きさ（ゼロであってもよい）で構成される。プラットフォームは、船舶に与えられたときに所望の縦方向方位が生じると見込まれる縦方向推力ベクトルと、船舶に与えられたときに所望の横方向方位が生じると見込まれる横方向推力ベクトルを計算する。プラットフォームは、所定の基準を満たすスラスタ及びディレクタの運航構成（例えば、各推力の大きさ及び各ディレクタの方向）を計算し、特定し、または選択する。選択された運航構成に従って推進されると、船舶は所望の縦方向及び横方向方位へ移動できる。

基準は、（第１スラスタ及び第１ディレクタで生成された正味の縦方向推力から成る第１の縦方向ベクトル）と（第２スラスタ及び第２ディレクタで生成された正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトル）との和が、所望の縦方向方位が生じると見込まれる、計算された縦方向推力ベクトルをもたらす、推進システム及び船舶の運航条件を含んでいてもよい。基準は、（第１のスラスタ及び第１のディレクタで生成された正味の横方向推力から成る第１の横方向ベクトル）と（第２のスラスタ及び第２のディレクタで生成された正味の横方向推力から成る第２の横方向ベクトル）との和が、計算された横方向推力ベクトルをもたらす運航条件を含んでいてもよい。これらの基準を同時に満たすことで、選択された運航条件は、所望の縦方向及び横方向推力を船舶に与え、所望の縦方向及び横方向方位を生み出すスラスタ及びディレクタの配置を生じさせる。

選択された運航条件には、データベースから（例えば、ルックアップテーブルを介して）選択される情報を含むことができる。データベースは、典型的には、船舶固有であり、広範囲な横方向ベクトル及び縦方向ベクトルと共に、広範囲の環境条件に関する、推力及びディレクタ角を含む。選択された運航条件は動的に（例えば、必要に応じて繰り返し）計算されてもよい。様々な態様は、最適化サブルーチン（例えば、所望の方位と実際の方位との間の差の数値最小化）を備える。所望の方位と実際の方位との間の偏差を反復的に低減する「閉ループ」アルゴリズム（例えば、ＰＩＤ、比例／積分／微分及び／または最小化のための数値的方法（ニュートン法、最小二乗法、最急降下法、モンテカルロ法など）を含むアルゴリズム）を用いてもよい。ベンチマーク運航条件（例えば、無風、無波、全負荷、温度などに関して）は、種々のセンサ（例えば、風、負荷、電力）を組み合わせて運航条件を計算してもよい。運航条件を選択することは、ルックアップテーブルから情報を抽出すること、及び／または（例えば、センサデータを用いて）情報を計算することを含んでもよい。所望の正味の推力（例えば、負荷、風及び電流などの環境効果と組み合わせて）に応じて、プラットフォームは所望の推力ベクトルが生じる運航条件を選択する。この運航条件は、典型的には、船舶をナビゲートするために用いられ、結果として生じる動作（例えば、実際の横方向方位及び縦方向方位と所望の横方向方位及び縦方向方位との偏差）は、更新された運航条件を再計算／再選択するために用いられる。推進システムの閉ループ制御（所望の効果対実際の効果）を用いて、所望の方位を達成するために現在の運航条件を繰り返し更新できる。典型的には、ルックアップテーブルは船舶の方位に関して異なる運航条件の影響が現れるにつれて更新される。典型的には、ＣＦＣモデルに関連する複雑なフローフィールドの代わりに正準「縮小（reduced）」ベクトルを用いることで、テーブルの反復更新は、複雑なＣＦＤモデルを繰り返し再計算する必要性を低減できる、または排除できる。

独立した制御には、第１のスラスタが前方推力を生成しながら第２のスラスタが逆方向の推力を生成するように構成することを含んでいてもよい。独立した制御には、第１のディレクタを右舷に「ポイント」として構成し、第２のディレクタを左舷に「ポイント」として構成することを含んでいてもよい。構成は、略ゼロの縦方向推力をもたらすが、左舷または右舷への非ゼロの横方向推力をもたらすことができる。第１のスラスタからの推力は、第２のスラスタからの推力と異なる場合がある。第１のディレクタのディレクタ角は、第２のディレクタのディレクタ角と異なる場合がある。

船舶（例えば、船首、船尾を備え、かなりの自走最大速度（例えば、１０ノットを超えるものを含む、５ノットを超えるもの）を備える、並びに３メートルを超える、または５メートルを超える喫水である）は、推力を生成するように構成されたスラスタと、推力を横方向へ向けるように構成されたディレクタとを有する推進システムを有する。船舶は、３メートルを超える喫水である必要はなく、１０ノットを超える自走最大速度を備える必要はない。スラスタ及びディレクタと通信するコンピューティング・プラットフォームは、所望の縦方向及び所望の縦方向方位と、所望の縦方向方位から独立した所望の横方向方位を生じる、縦方向推力及び横方向推力の所望の組み合わせを達成するように、スラスタ及びディレクタを連係させてもよい。

船舶は、該船舶を前方または後方へ進ませるための第１の推力を生成するように構成された固定軸プロペラと、ラダー及び／またはノズルを備え、右舷ディレクタ角の範囲で第１の推力を方向付けるように構成された右舷ディレクタとを備える右舷スラスタを有していてもよい。船舶は、該船舶を前方または後方へ進ませるための、第１の推力から独立した第２の推力を生成するように構成された固定軸プロペラと、ラダー及び／またはノズルを備え、右舷ディレクタ角から独立した左舷ディレクタ角の範囲で第２の推力を方向付けるように構成された左舷ディレクタとを備える左舷スラスタを有していてもよい。船舶は、プロペラ（例えば、固定軸プロペラ）を備え、該船舶を前方または後方へ進ませるための、第１及び第２の推力から独立した第３の推力を生成するように構成された中央スラスタを有していてもよい。

船舶は、プロセッサと、メモリと、船舶を進ませるべき目標位置を受信するように構成された（例えば、ナビゲーション命令データを発行するコマンドコンソールと通信するための）通信インタフェースとを備えるプラットフォームを含む。プラットフォームは、目標位置データを用いて、目標位置に到達するための船舶の所望の前方／後方変位を規定する所望の縦方向方位と、目標位置に到達するための船舶の所望の横方向変位を規定する所望の横方向方位とを計算する。これらの方位を用いて、プラットフォームは、船舶に与えられたときに所望の縦方向方位が生じると見込まれる縦方向推力ベクトルと、船舶に与えられたときに所望の横方向方位が生じると見込まれる横方向推力ベクトルとを計算する。

所望の推力ベクトルにしたがって、プラットフォームは、所定の基準を満たすスラスタ及びディレクタの運航構成（例えば、各プロペラからの推力の大きさ及び各ディレクタのディレクタ角）を選択する（例えば、計算する、ルックアップテーブル及び／または他のデータベースから情報を抽出する）。スラスタとディレクタは、典型的には独立して動作する。右舷ディレクタ角は、左舷ディレクタ角と同じであってもよく、異なっていてもよく、右舷スラスタで生成される推力の大きさは、左舷スラスタで生成される推力の大きさと同じであってもよく、異なっていてもよい。

選択された基準には、（例えば、推力の許容範囲内で）計算された縦方向推力ベクトルとなる、（右舷スラスタ及び右舷ディレクタで生成された正味の縦方向推力から成る第１の縦方向ベクトル）と（左舷スラスタ及び左舷ディレクタで生成された正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトル）と（中央スラスタで生成された縦方向推力から成る第３の縦方向ベクトル）との和を含んでいてもよい。また、基準は、（例えば、推力の許容範囲内で）計算された横方向推力ベクトルとなる、（右舷スラスタ及び右舷ディレクタで生成された正味の横方向推力から成る第１の横方向ベクトル）と（左舷スラスタ及び左舷ディレクタで生成された正味の横方向推力から成る第２の横方向ベクトル）との和を含んでいてもよい。プラットフォームは、選択された運航構成をコマンドコンソールに送信し、及び／または推進システムに直接送信して、船舶を所望の縦方向及び横方向方位へ進ませることができる。

操縦性は、縦方向推力と比べて比較的大きい横方向推力を与えることで向上させてもよい。横方向推力ベクトルは、縦方向推力ベクトルよりも大きい、特に少なくとも２倍の大きさ、特に少なくとも１０倍の大きさを有していてもよい。縦方向推力ベクトルは、略ゼロの前方／後方推力に相当し、横方向推力ベクトルはゼロではない横方向推力に相当する。そのようなベクトルの組み合わせは、船舶を前進または後退させることなく横方向へ移動させるために使用できる。場合によっては、船舶は、非常に狭い半径で方向を変えるために、その船首の周りを回転することがある。場合によっては、船舶は、（例えば、船首、スイングダウン、及び／またはトンネルスラスタを用いて）、その中心の周りを回転（例えば、「スピン」）するように進ませてもよい。

中央スラスタで生成される推力の縦方向成分の大きさは、第１の縦方向ベクトル（６５０）と右舷スラスタ及び左舷スラスタで生成される正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトルとの和の大きさの２０％以内、特に１０％以内、さらには５％以内であればよい。中央スラスタで生成される推力の縦方向成分の大きさは、第１及び第２の縦方向ベクトルの和の大きさと略等しくてもよく、特に中央スラスタの推力は右舷及び左舷スラスタの推力とは逆の方向である。「略等しい」とは、典型的には、性能に影響を及ぼさない、所望の値からの少ない偏差を許容する。特定のナビゲーション運航において、選択された運航構成は、右舷及び左舷スラスタが中央スラスタとは逆の方向へ押し出すように構成される。例えば、右舷及び左舷スラスタは、前方へ押し出し、中央スラスタは後方へ押し出し、またはその逆も可能である。推力は、それらの縦方向成分及び／または横方向成分が互いに打ち消し合うような大きさを有する。

プラットフォームは、位置情報を繰り返し（実質的に連続的に）受信し、方位を更新し、所望の推力ベクトルを更新し、それに応じて運航構成を更新するように構成される。プラットフォームは、少なくとも１つの船舶センサ(例えば、ＧＰＳセンサ)から船舶の更新された位置を受け取り、船舶の所望の前方／後方変位を規定する更新された縦方向方位を計算し、船舶の所望の横方向変位を規定する更新された横方向方位を計算する。

これらの更新された方位を用いて、プラットフォームは、更新された縦方向及び横方向方位が生じると見込まれる更新された縦方向及び横方向推力ベクトルを計算し、第１の縦方向ベクトルと第２の縦方向ベクトルとオプションとして第３の縦方向ベクトルとの和が更新された縦方向推力ベクトルをもたらし、第１の横方向ベクトルと第２の横方向ベクトルとの和が更新された横方向推力ベクトルをもたらすように、更新された運航構成を選択する。プラットフォームは、更新された運航構成をスラスタ及びディレクタに（例えば、コマンドコンソールを介して）送信し、船舶を所望の更新された方位へ進ませる。船舶の位置データを用いて方位及びそれに続く推力ベクトルを動的に更新する「閉ループ」の繰り返し処理は、船舶が所望の位置の「目的地に着く（home in）」ことを可能にする。実質的に自律航行と低燃費とを兼ね備えることで、安全性を向上させつつ環境負荷を低減できる。乗務員（例えば、航空機、救助施設及び緊急援助を要する）を必要とせずに、船舶は困難な環境を安全にナビゲートできる。

図１は、いくつかの実施形態による船舶を示す図である。

図２は、いくつかの実施形態に関連する構成要素のネットワークの概略図である。

図３は、いくつかの実施形態による、コンピューティング・プラットフォームに組み込まれたハードウェアについてさらなる細部を示した図である。

図４Ａは、いくつかの実施形態による、簡略化されたフローフィールドの特徴を示す概略図である。

図４Ｂは、いくつかの実施形態による、シミュレーションされたフローフィールドを示す概略図である。

図４Ｃは、いくつかの実施形態による、２つの固定軸プロペラ及び２つのラダーを有する船舶のシミュレーションされたフローフィールドを示す概略図である。

図５は、いくつかの実施形態による、それぞれが自身のラダーを備えた中央プロペラ及び２つの側方プロペラを有する船舶のためのＣＦＤシミュレーションを示す図である。

図６は、いくつかの実施形態による、正準推力ベクトルを示す概略図である。

図７は、いくつかの実施形態による、正味のベクトル推力の組み合わせを示す図である。

図８は、いくつかの実施形態による、正味のベクトル推力の組み合わせを示す図である。

図９は、いくつかの実施形態による、ナビゲーション方法を示す図である。

図１０Ａは、いくつかの実施形態による、動的に更新される縦方向及び横方向方位を用いた、簡略化されたナビゲーション手順を示す図である。 図１０Ｂは、いくつかの実施形態による、動的に更新される縦方向及び横方向方位を用いた、簡略化されたナビゲーション手順を示す図である。 図１０Ｃは、いくつかの実施形態による、動的に更新される縦方向及び横方向方位を用いた、簡略化されたナビゲーション手順を示す図である。

図１１Ａは、いくつかの実施形態による、燃費の向上を優先するように設計された推進システムを有する船舶を示す図である。

図１１Ｂは、いくつかの実施形態による、操縦性の向上を優先するように設計された推進システムを有する船舶を示す図である。

図１１Ｃは、いくつかの実施形態による、燃費と操縦性の組み合わせを最適化するように設計された推進システムを有する船舶を示す図である。

船舶用の推進システムは、各々が前方または後方推力を発生するように構成された第１及び第２の推力装置を備える。推力装置は、それらが異なる推力を発生するように、独立して動作させることができる。例えば、第１の推力装置は前方推力を生成し、第２の推力装置は後方推力を生成する。

水（例えば、推力装置によって生成される推力）は、ラダーまたはノズルなどのディレクタによって横方向に向けられる。第１のディレクタは、第１の装置からの推力を方向付け、第２のディレクタは、第２の装置からの推力を方向付けることができる。ディレクタは、独立して動作させることができる。例えば、１つのディレクタの前縁を右舷に向け、別のディレクタの前縁を左舷に向けることができる。

スラスタからの推力及びディレクタからの横方向の角度は、縦方向推力とは関係無く、横方向推力の所望の組み合わせを達成するように、独立して調整される。例えば、ディレクタ及びスラスタは、それらの推力の縦方向成分を互いに打ち消し合い（したがって、船舶は前方／後方へ移動しない）、さらに船舶を横方向へ移動させるのに十分な横方向推力が生じるように構成される。典型的には、スラスタは固定軸プロペラを含み、ディレクタはラダー及び／またはノズルを含む。スラスタはアジミュージング・スラスタを含んでいてもよい。

図１は、いくつかの実施形態による船舶を示す図である。船舶１００は、推進システム２００と、コマンドコンソール１３０で表される、船舶に指令し、制御するための様々な装置とを備える。コマンドコンソール１３０は、ヒューマンマシンインタフェース（例えば、ジョイスティック、ホイール、トラックボール）を含む。コマンドコンソール１３０は、ナビゲーション命令を受信するために他の装置（例えば、船外マスター制御中央）と通信できる。船舶は、典型的には、５０メートルを超えるもの、１００メートルを超えるものを含む、２０メートルを超える長さの船体１０４を有する。船舶は、特に１５メートルを超える、１０メートルを超える、８メートルを超える場合を含む、５メートルを超える喫水１０６であってもよい。

推進システム２００は、エンジン２０２（またはモータ、タービンなど）によって動力が提供され、縦方向の推力を生成するスラスタ２０５（例えば、固定軸プロペラ）を備える。様々な推力センサ２１２（例えば、エンジン回転数、エンジン負荷、電力など）が、スラスタで生成された推力を推定または測定できる。ディレクタ２２０（例えば、ラダー、ノズル等）は、水の流れる向きを横方向に変更し、船舶に横方向推力を与えるように構成される。典型的には、ラダー／ノズルは、スラスタからの流れがディレクタ内またはディレクタ外を直接通過するように、プロペラの直後に配置される。スラスタ及びディレクタは（例えば、ポッドまたはウォータージェットのように）一体化されていてもよく、本明細書では、説明を簡単にするために、それらを個別のプロペラとラダーとして示す。

ディレクタは、（例えば、ディレクタのラダー角、トルクなどを検知する）１つまたは複数のディレクタセンサ２１０で監視され、（例えば、ラダー角を変更するために）１つまたは複数のディレクタアクチュエータ２３０で駆動される。アクチュエータは、油圧式アクチュエータ、電気式アクチュエータ、スクリュー／ウォーム駆動装置等を備える。典型的な船舶は、少なくとも２つのペアのスラスタ／ディレクタを備える。

船舶は、推進システム、センサ、アクチュエータ及びコマンドコンソール、並びにオプションとして様々な地上装置と通信するように構成されたコンピューティング・プラットフォーム３００を含む。プラットフォーム３００は、個別のものであってもよく、コマンドコンソール１３０と一体化されたものであってもよい。プラットフォーム３００は、「オートパイロット」として機能し、スラスタ及びディレクタを動的に調節及び連係させて、所望の目標位置（例えば、ＧＰＳ座標等に基づくジョイスティック位置）へ船舶をナビゲートするために、所望の縦方向及び横方向推力の組み合わせを実現する。

船舶は、船舶の挙動を検知するための様々な船舶センサ１１０を含んでいてもよい。船舶センサは（例えば、波及び／または他の物体との接触などから船舶の動きを検知するために）加速度計を含んでいてもよい。船舶センサは、ピッチ、ヨー、振動などを検知できる。船舶センサは、そのセンサのグローバル位置を特定する位置センサ（例えば、ＧＰＳ受信機）を含んでいてもよい。典型的には、船舶は、いくつかの位置センサ（例えば、船首及びへさき、並びに左舷側及び右舷側）を含む。

（船舶の大きさに応じて）適切な数の位置センサを、船舶の周りを囲むように（例えば、デッキの外側を囲むように）配置してもよい。市販のＧＰＳ位置センサの精度（１０ｃｍ）は船舶のサイズ（数１０メートル）よりもはるかに小さいため、ナビゲーション用として、船舶の各部位の位置を十分な精度で独立して正確に測定できる。そのため、（スラスタ／ディレクタからの）変化する推力ベクトルの影響は、船舶の様々な部分で独立して測定できる。運航構成及び条件のデータベースを更新するため、（推進システムの運航構成に従って）各センサの一連の動きを用いてもよい。

１つまたは複数の環境センサ１１２は、環境を、特に船舶の周囲を局所的に検知する。環境センサは、そのセンサ近傍の風の方向及び速度を測定するように構成された風速センサ、そのセンサ近傍の水の方向及び速度を測定するように構成された水流センサ、温度センサ、降水センサ、湿度センサ、波センサなどを含んでいてもよい。センサは、（例えば、負荷の増大／減少に伴う）喫水１０６を監視してもよい。

所望の縦方向及び横方向推力の組み合わせを達成するため、スラスタ及びディレクタを制御する際に、プラットフォーム３００は、船舶、環境及び推進システムに関連する様々なセンサからの入力を受信し、スラスタ／ディレクタを動的に制御してもよい。典型的には、「閉ループ」制御（センサからのフィードバックが推進システムを調整するために使用される）が推力を繰り返し制御及び／または修正するために使用される。多くの状況において、有限の横方向推力が、非常に小さい（実質的にゼロでさえある）縦方向推力と組み合わされて、船舶を横方向へ「シミー」させる。船舶は、横方向のナビゲーションを向上させるために、任意のスイングアップスラスタ及び／またはトンネルスラスタ（例えば、船首スラスタ２４０で表されるような）を含んでいてもよい。例えば、船首スラスタは、推進システムが左に進ませると同時に中心軸の周りで船舶を「スピン」させることで、右に進ませてもよい。

図２は、いくつかの実施形態に関連する構成要素のネットワークの概略図である。ネットワーク２５０（例えば、無線、有線及び／または光ネットワーク）は、コマンドコンソール、プラットフォーム３００、様々なセンサ及び推進システム間の通信をそれぞれ提供する。いくつかの実施形態は、環境センサからのフィードバックを組み込んでいてもよく、組み込んでいなくてもよい。いくつかの実施形態では、セルラー信号を介して通信できる目標位置（例えば、ＧＰＳ位置に関連する）からのフィードバックを組み込んでもよい。

図３は、いくつかの実施形態による、コンピューティング・プラットフォームに組み込まれたハードウェアについてさらなる細部を示した図である。プラットフォーム３００は、固有の方法及び機能を実行できるハードウェア及びソフトウェアを備えていてもよく、様々なハードウェア要素のいかなる先行技術にも関係ない、固有のマシンであってもよい。典型的な実施形態において、プラットフォーム３００は、プロセッサ３１０、メモリ３２０、非一時的記憶装置３３０、入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース３４０、通信インタフェース３５０及びオプションとしてディスプレイインタフェース３６０を含む、様々なハードウェア要素を含む。これらの要素は、一般に、システムバス３７０を介して接続される。プラットフォーム３００は、通信バス３８０を介して（例えば、ネットワーク２５０と）通信できる。いくつかの実施形態において、プラットフォーム３００は、ビデオカード及び／またはディスプレイデバイス（図示せず）を含む。

プロセッサ３１０は、実行可能な命令を処理できる任意のタイプのプロセッサ（例えば、集積回路）を備えることが可能であり、キャッシュ、マルチコアプロセッサ、ビデオプロセッサ及び／または他のプロセッサを含んでいてもよい。

メモリ３２０は、データを保存するように構成されたどのようなメモリ（例えば、非一時的媒体）であってもよい。メモリ３２０の一例は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を含み、これは実行可能な命令を保存するように構成された任意の媒体を含んでいてもよい。例えば、メモリ３２０は、限定されるものではないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＭＲＡＭ、ＰＲＡＭ、フラッシュメモリ等の記憶装置を含むことができる。

記憶装置３３０は、データを受信し、保存し、提供するように構成された任意の非一時的媒体であってもよい。記憶装置３３０は、（例えば、磁気ディスクを有する）ハードドライブ、（例えば、スタティックＲＡＭを有する）ソリッドステートドライブ、（例えば、磁気テープを有する）テープドライブ、（例えば、光学的読取り／書込みディスクを有する）光学ドライブなどを含むことができる。特定の構成は、プラットフォーム３００の一部として記憶装置３３０を含む。他の構成において、記憶装置３３０は、例えば遠隔地に配置されたデータベース（図示せず）の一部としてリモートで実装してもよい。記憶装置３３０は、本明細書で説明する１つまたは複数の方法を実行するためにプロセッサによって実行可能な命令を保存できる。記憶装置３３０は、縦方向及び横方向推力の様々な組み合わせの生成に関連する運航構成を含むデータを保持し構築するように構成されたデータベースまたは他のデータ構造を含むことができる。記憶装置３３０は、過去の推力条件を記述する履歴動作データを含んでいてもよい。

入出力（Ｉ／Ｏ）は、Ｉ／Ｏインタフェース３４０を介して実現可能であり、これは、ユーザデバイス（例えば、キーボード、タッチスクリーン、マウス、ポインタ、プッシュボタンなどを有する）などの様々なリモートに配置された装置とインタフェースするためのハードウェア及び／またはソフトウェアを含むことができる。Ｉ／Ｏインタフェース３４０は、コマンドコンソールから独立した装置として実装される場合、該コマンドコンソールと通信するように構成されていてもよい。

通信インタフェース３５０は、典型的には、ネットワーク２５０（図２）を介して様々なユーザデバイス、コマンドコンソール、機器、アクチュエータなどと通信することが可能であり、暗号化ハードウェア及び／またはソフトウェアを含む、あるいはそれらと通信できる。通信インタフェース３５０は、シリアル、パラレル、ＵＳＢ、ファイヤーワイヤー、イーサネット及び／またはＡＴＡ通信をサポートしてもよい。通信インタフェース３５０は、８０２．１１、８０２．１６、ＧＳＭ、ＣＤＭＡ、ＥＤＧＥ、ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ及び商業輸送プロトコルを含む様々な他の無線通信プロトコルもまたサポートしてもよい。

オプションのディスプレイインタフェース３６０は、ＬＥＤディスプレイ、ＯＬＥＤディスプレイ、ＣＲＴ、プラズマディスプレイなどのディスプレイデバイス、コマンドコンソールなどの制御及び／または通信するために使用される任意の回路を含んでいてもよく、ビデオカード及びメモリを含んでいてもよい。ディスプレイインタフェースは、信号ランプの点灯及び／または可聴音をトリガとしてもよい。いくつかの構成において、ユーザデバイスはビデオカード及びグラフィックディスプレイを含んでいてもよく、ディスプレイインタフェース３６０はユーザデバイスのビデオカードと通信して情報を表示してもよい。

様々な構成要素の機能は、メモリ３２０及び／または非一時的記憶装置３３０に保存できる実行可能な命令を利用することを含んでいてもよい。実行可能な命令は、プロセッサ３１０で読み出されて実行されてもよく、ソフトウェア、ファームウェア及び／またはプログラム・コードを含んでいてもよい。

プラットフォーム３００は、所望の横方向及び縦方向方位の組み合わせに応じて、推進システムの運航構成を動的に計算するように（典型的には船舶及び推進システムのシミュレーションモデルを用いて）設計されていてもよい。アジミュージング・スラスタによるナビゲーションは、むしろ簡単であり得る（所望の進行方向と逆の目標推力）。しかしながら、固定軸／ラダーシステムで複雑なナビゲーション操船を達成するには、典型的には、詳細な計算モデル、システムパラメータのアクティブモニタリング、運航条件の繰り返し計算、計算された運航条件が所望の方位を生成することを確実にするための（センサ及びアクチュエータによる）閉ループ制御の組合せが必要である。迅速な計算及び比較を可能にするため、詳細なＣＦＤモデルから生じる複素ベクトル場から「正準」ベクトルを計算してもよい。これらの正準ベクトルを用いると、計算速度が著しく向上する。

図４Ａは、いくつかの実施形態による、簡略化されたフローフィールドの特徴を示す概略図である。図４Ａは、船舶の下方から「上方」を見た様子を示している。スラスタ２０５（例えば、プロペラ）は、周囲の水が加速するにつれて複雑なフローフィールドを生成する。ディレクタ２２０（この場合、ラダー）は、軸２２２を中心に回転して水が流れる方向を変更する。図４Ａでは、ディレクタ２２０が非ゼロのディレクタ角２３２に向けられている。フローフィールドは、推力ベクトル２５０のベクトル場で表され、推進システムの前方、周囲及び後方の流体の流れを局所的に示している。推力ベクトル２５０の大部分は、典型的には、プライマリ推力方向（例えば、プロペラの回転による前方または後方）を指し示す。しかしながら、推力ベクトルの一部は、横方向及び／または垂直方向（ページ外）を指し示す。流体がディレクタの周囲を流れるにつれて、フローフィールドはさらに複雑になり、ディレクタ角が大きくなるにつれて、フローフィールドは著しく変化する。大きなディレクタ角に関して、フローフィールドは、垂直方向及び水平方向の広範囲において、大きな渦及び推力成分を含み得る。

このフローは、専門家ではない人の、普通の「直感的な」画像よりもはるかに複雑である。このような複雑な流れが船舶の移動に及ぼす正味の影響の計算は、典型的には、コンピュータを利用する。推力ベクトル２５０は、典型的には、局所的に計算され、それにより、所定の運航条件には数千から数百万の推力ベクトル２５０を含み得る。比較的粗い表現に関して、（例えば、図４Ａのように）方向及び速度を示す矢印を用いて、局所的な流れをベクトル場として表すことができる。計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションを用いて、種々の条件下で推力ベクトルのフローフィールドをモデル化（場合によっては予測）できる。このような複雑なモデルの結果は、以下のようにカラーまたはグレースケールグラフィックスで最も良く伝わる。

図４Ｂは、いくつかの実施形態による、シミュレーションされたフローフィールドを示す概略図である。図４Ｂは、船舶の下方から上方を見た図であり、特定のエンジン出力、プロペラピッチ、船速、環境条件のセットで、有限のディレクタ角２３２（図４Ａ）を向いたラダーを有する、１つのプロペラ／ラダーペアの周囲のフローフィールドを示している。プロペラ推力は、図４Ｂにおいて左側を向いており、図示されているように船舶の船尾を右側に押している。図示されているように、フローフィールドは複雑である。推進システム構成と環境条件のあらゆる組み合わせは、典型的には、異なるベクトル場をもたらす。

図４Ｃは、いくつかの実施形態による、２つの固定軸プロペラ及び２つのラダーを有する船舶のシミュレーションされたフローフィールドを示す概略図である。図４Ｃは、キールの左右（それぞれ）に配置された、それぞれ個別のラダーを備える２つの固定軸プロペラを含む推進システムを図示している。このシミュレーションでは、右舷側プロペラ２０５が前方推力を生成し、左舷側プロペラ２０６が後方推力を生成する。正味の推力に対するディレクタの相対的な効果は著しく変化する。ディレクタ２２０は、ディレクタ７２０よりも非常に大きな横方向推力を与える。加えて、プロペラ２０６の後方推力は、船体に近接する複雑なフローフィールドの船体フローフィールド４１０を生成し、その結果、（本実施例では）この領域における船体に正味の横方向推力をもたらす。

図５は、いくつかの実施形態による、それぞれが自身のラダーを備えた中央プロペラ及び２つの側方プロペラを有する船舶のためのＣＦＤシミュレーションを示す図である。図５は、船舶の下方から上方を見た図（図８参照）である。左舷スラスタ及び右舷スラスタのそれぞれはディレクタ（この場合、ラダー）を有する。図５における「下の方向」は、船舶の「前方」に対応する。

このシミュレーションにおいて、左舷及び右舷スラスタは、中央スラスタが前方へ押している（船舶を後退させる）間、後方へ押している（船舶を前進させる）。このシミュレーションにおいて、構成は、スラスタの前方成分と後方成分とが互いに打ち消し合い、なおかつ横方向成分を打ち消さないように配置される。正味の結果は（ページに関して）横方向の正味の推力であり、船舶を左へ移動させる。

図４Ｂ、図４Ｃ及び図５は、様々なフローフィールドの複雑さを示す図である。典型的には、運航条件または環境条件のわずかな変化がフローフィールド（したがって、正味の推力）の著しい変化を生み出す。したがって、プラットフォーム３００は、シミュレーションされたフローフィールドを開始点として用い、簡略化されたモデルを用いて様々な計算を実行し、運航中の実際の挙動を用いてフローフィールドを更新する。船体及び推進システムの詳細な物理モデルを用いて、運航及び環境条件（例えば、エンジン出力、船速、貨物負荷、燃料タイプ、電流、風速）の範囲をシミュレーションすることにより、多数の「正準的な」フローフィールドが生成されて保存される。典型的には、数百から数千（または数百万）の異なるシミュレーションを用いて、異なる条件に関連するフローフィールドを推定できる。したがって、（それらの条件に従って）予想されるフローフィールドを、非常に広範囲の条件（低出力から高出力、低速から高速、様々な風向、電流など）に関して特定できる。これらの複雑なフローフィールドは、それらの条件の「正準的な」フローフィールドに低減できる。

運航中、所望の方位と結び付けられた環境条件の入力セットを用いて、所望の方位に船舶を進ませると見込まれるフローフィールドを生み出す、所望の運航条件のセットを特定できる。推進システムの繰り返し処理、自動制御を速やかに促進するため、フローフィールドを正準的な縦方向及び横方向推力ベクトルに分解してもよい。これらの推力ベクトルと、所望の方位が生じると見込まれる推力ベクトルとの一致は、プラットフォーム３００によって選択された（環境に従った）運航条件を特定する。

図６は、いくつかの実施形態による、正準推力ベクトルを示す概略図である。推力ベクトルの複雑なフローフィールド（例えば、図４Ｂ、図４Ｃ、図５）は、（シミュレーションの条件による）縦方向推力の総計を示す縦方向ベクトル６５０と、（それらの条件による）横方向推力の総計を示す横方向ベクトル６６０とに分解できる。これらのベクトルは、適切な地点で船舶に作用するものとして表すことができる。この概略例において、縦方向ベクトル６５０及び横方向ベクトル６６０は、ディレクタ２２０が回転する軸２２２（図４Ａ）の中心で船舶に与えられる。広範囲の運航条件をシミュレーションすることで、縦方向ベクトル６５０及び横方向ベクトル６６０のベンチマークライブラリを生成できる。様々な運航条件の典型的なライブラリは、１０００を超える、典型的には１００万を超える、正準縦方向ベクトル６５０と横方向ベクトル６６０の組み合わせを含む。

図７は、いくつかの実施形態による、正味のベクトル推力とそれらの結果として得られる方位との組み合わせを示す図である。図７は、（例えば、船舶の底部を見上げる海底において下から見た）左舷及び右舷スラスタ／ディレクタペアのみを有する船舶７００の船尾部位を示している。右舷スラスタ２０５及びディレクタ２２０は、左舷スラスタ２０６及びディレクタ７２０から独立して、プラットフォーム３００によって操作される。この図において、右舷スラスタ２０５は、（船舶を前方へ押し出す）後方推力を生成し、左舷スラスタ２０６は逆の方向に動作して、（船舶を後方へ押し出す）前方推力を生成する。

各スラスタ／ディレクタペアに関連する正準推力ベクトルを生み出すために、様々な条件に関連するフローフィールドがシミュレーションされて分解される。縦方向ベクトル６５０及び横方向ベクトル６６０は、右舷スラスタ２０５／ディレクタ２２０（例えば、ディレクタ２２０の回転軸において）に応じて船舶に作用する正味の縦方向及び横方向推力を示している。縦方向ベクトル６５１及び横方向ベクトル６６１は、左舷スラスタ２０６／ディレクタ７２０（例えば、ディレクタ７２０の回転軸において）に応じて船舶に作用する、正味の縦方向及び横方向の推力を示している。

縦方向ベクトル（縦方向ベクトル６５０及び６５１で表される）のベクトル和は、２つのスラスタ／ディレクタペアがもたらす正味の縦方向推力ベクトル７５０を生成する。縦方向推力ベクトル７５０は、縦方向において、逆の縦方向方位７５０’に（推力の大きさに比例する速度で）船舶を移動させる。この実施例では、縦方向推力ベクトル７５０は、後方を指し示しており、船舶を前方の縦方向方位７５０’へ押し出す。

横方向ベクトル（横方向ベクトル６６０及び６６１で表される）のベクトル和は、２つのスラスタ／ディレクタペアがもたらす正味の横方向推力ベクトル７６０を生成する。横方向推力ベクトル７６０は、横方向において、推力の大きさに応じた速度で横方向方位７６０’に船舶を移動させる。この実施例では、横方向推力ベクトル７６０は、左を指し示しており、船舶を右の横方向方位７６０’へ押し出す。

スラスタ及びディレクタを独立して制御することで、広範囲な縦方向及び横方向推力の組合せを生成できる。例えば、図７で示すように、ディレクタは、互いに逆の方向を向いていてもよく（例えば、ディレクタ２２０の先端を右方向の角度に動かし、ディレクタ７２０の先端を左方向の角度に動かす）、スラスタの推力方向は、縦方向ベクトル６５１を相殺する縦方向ベクトル６５０（結果として前方／後方推力が無い）を生成し、さらに横方向ベクトル６６０及び６６１のゼロでない組み合わせにおいて、ディレクタ角と推力の組み合わせが異なっていてもよい（スラスタ２０５が前方へ押し出し、スラスタ２０６が後方へ押し出す）。例えば、縦方向推力ベクトル７５０は、横方向推力ベクトル７６０を有限としつつ、船尾／船首／船舶の前方／後方への移動無しに横方向に移動させる、略ゼロの大きさにできる。

図８は、いくつかの実施形態による、正味のベクトル推力の組み合わせを示す図である。図８は、（例えば船舶の底部を見上げる海底において下から見た）左舷及び右舷スラスタ／ディレクタペアを有する船舶８００の船尾部位を示している。船舶８００は、３つのスラスタを有し、そのうちの２つ（例えば、固定軸プロペラ）が対応するディレクタ（例えば、ノズルを使用してもよいが、ラダー）を含む。本実施例では、中央スラスタ２０７（例えば、固定軸プロペラ）が船舶の中心に位置合わせされている（例えば、スケグ１０８と一体化される）。３スラスタ実装に関連するフローフィールドは、２スラスタ実装のフローフィールドよりも複雑であり得るが、正準推力成分へのフローフィールドの分解はシステムを十分に単純化する。船舶８００に関して、中央スラスタ（ディレクタ無し）は、比較的小さな横方向推力成分を生成し、この推力は典型的には対称であるため（回転を除いて）、このベクトルは示されていない。中央スラスタ２０７で生じる推力は、縦方向ベクトル８５０に分解することが可能であり、縦方向ベクトル６５０及び６５１と組み合わされて正味の縦方向推力７５０を生み出す。

図８で示す構成のように、左舷及び右舷スラスタが共に一方の方向（例えば、前方）へ押し出す間、中央スラスタが他方の方向へ押し出すことで、略ゼロの正味の縦方向推力７５０を生じさせる。一方、ディレクタ２２０及び７２０を、それらの推力が同じ横方向へ向くように位置合わせすることで（典型的には、船体フローフィールド４１０と組み合わせて、図４Ｃ）、ゼロではない正味の横方向推力ベクトル７６０を生じさせる。

特定の推力ベクトルを互いに相殺する（他の推力ベクトルは相殺しない）スラスタ／ディレクタの組み合わせを用いて、船舶（及び／または少なくとも船尾部位）は、該船舶が前進／後退することなく横へ移動するようにナビゲートされてもよい。少しの前進／後退は、比較的大きな横方向推力と組み合わされてもよい。横方向推力が縦方向推力と常に一致する船舶と比べて操縦性が著しく改善される。

所望の縦方向及び横方向推力７５０／７６０の組み合わせは、所望の縦方向及び横方向方位７５０’／７６０’の組み合わせを生成するものである。所望の方位は（例えば、パイロットによって操作される）ジョイスティックから受信してもよい。所望の方位は、船舶の位置から目標位置までのベクトルのカルテシアン分解（cartesian decomposition）に基づいて計算することが可能であり、所望の縦方向及び横方向方位７５０’／７６０’を得ることができる。これらの所望の方位を「目標」として用いると、運航条件及び環境条件（それぞれが縦方向及び横方向推力ベクトル７５０／７６０を生み出す）のデータベースに問い合わせることで、所望の方位を生み出す運航条件を選択できる。

図９は、いくつかの実施形態による、ナビゲーション方法を示す図である。方法９００は、様々なセンサ及びアクチュエータと協働するプラットフォーム３００によって実行される。ステップ９１０において、目標位置を受信する。ステップ９２０において、（目標位置へ船舶を移動させる）縦方向及び横方向方位が計算される。ステップ９３０において、縦方向及び横方向推力ベクトルが計算される。これらのベクトルは、典型的には（所望の方位が生じると見込まれる）、推力の方向と（所望の速度が生じる）正味の推力の大きさとを兼ね備える。ステップ９４０において、運航構成が選択される（例えば、計算される）。例えば、最適化ルーチン（例えば、荷重、風速、船速、潮位等が組み込まれた）のための「目標」として所望の縦方向及び横方向方位を有する「ルックアップテーブル」のようなデータベースを用いて、プラットフォーム３００は、所望の縦方向及び横方向方位へ船舶を移動させる、所望の縦方向及び横方向推力ベクトルが生じると見込まれる１組の運航条件を特定する。

ステップ９５０において、特定された運航構成に関連する運航構成データが（例えば、プラットフォーム３００、コマンドコンソール１３０またはそれらを組み合わせた）推進システムに送信される。運航条件に従って動作する推進システムは、船舶を所望の縦方向及び横方向方位へ押し出すことができる。

本システムは、推進力を繰り返し監視し、制御できる。例えば、本システムは、周期的に（例えば、毎秒、０．１秒毎に）船舶の位置を測定し、該船舶がその目標位置に到達したか否かを判定する。そうでない場合、典型的には、更新された縦方向及び横方向方位のセットが計算される（及び様々な船舶センサ及び環境センサデータも更新される）。それに応じて更新された縦方向及び横方向推力ベクトルのセットを計算し、（更新された推力ベクトルが生じると見込まれる）更新された運航条件を特定する。

運航構成のデータベースを動的に更新するため、位置検出を用いてもよい。与えられた推力（すなわち、実際の方位）から起こり得る結果と、予想される方位とを比較し、この比較結果を様々な船舶及び環境条件と関連付けることで運航構成の精度を改善する。典型的には、運航条件のマップ（及び関連する推力ベクトル）が実際の運航データ（例えば、風、天候、負荷、波などによる）を含むように動的に更新され、その後、運航条件を選択するときに、これらのデータが含まれる。

図１０Ａ～１０Ｃは、いくつかの実施形態による、動的に更新される縦方向及び横方向方位を用いた、簡略化されたナビゲーション手順を示す図である。目標位置１０７（例えば、ドックの場所）へナビゲートする船舶に関して、第１の縦方向方位７５０’及び横方向方位７６０’が計算される。それに応じて計算された縦方向及び横方向推力ベクトルを用いて、所望の方位が生じると見込まれる運航条件を選択し、推進システムは選択された運航条件に従って運転される。その後しばらくして（図１０Ｂ）、船舶の新しい位置に応じて更新された方位が決定される。図１０Ｂにおいて、更新された横方向方位７６０’（縦方向運動を伴わない）のみが船舶を所望の方向へ移動させると期待される。更新された横方向方位７６０’を生成する、横方向推力ベクトルが生じると見込まれる更新された運航条件が特定され、それに応じて推進システムが駆動される。その後（図１０Ｃ）、船舶は、「ドック」の位置、典型的には、目標１０７から所定の距離及び方向に到着する。

自動化されたスラスタとディレクタの独立した動作は、（典型的には、環境に応じた）運航構成の閉ループ更新と組み合わされて高い操縦性及び効果的なオートパイロットを可能にする。様々な環境条件及び船舶条件によれば、正準推力ベクトルに分解されると、船舶を所望の縦方向方位７５０’へ移動させる縦方向推力ベクトル７５０と、船舶を所望の横方向方位７６０’へ移動させる横方向推力ベクトル７６０とを生み出すスラスタ／ディレクタの運航条件が選択される。シミュレーションの大きなデータベースと、高速計算でそれらを合成した正味の推力とを組み合わせることで、プラットフォーム３００は、動的に「所望の方位に船舶を移動させる運航条件を見出し」、運航条件を船舶及び／または環境センサを用いて閉ループで繰り返し制御する。

図１０Ａ～図１０Ｃで示す操船の概要は、小型ボート、アジミュージング・スラスタを有する船舶及び／または１隻または複数隻のタグボートで水先案内される船舶で比較的容易に見られる。しかしながら、固定軸プロペラを有する大型船でこのような操船を可能にすることは容易ではない。本明細書で記載するハードウェア及び方法の組み合わせは、大型の固定軸船舶のナビゲーション能力を大幅に向上させることができる。その結果、このような推進システムに特有の燃費効率は、典型的には、アジミュージング・システムに関する操縦性の向上によって補完される。

特定の設計特性は、概ね操縦性よりも燃費が優先されるかどうかで修正されてもよい。いくつかの実施態様において、中央プロペラに対する左舷及び右舷プロペラの縦方向位置は、この優先順位に応じて選択される。図１１Ａ～図１１Ｃは、いくつかの実施例を示す図であり、中央と外側の構成要素間の縦方向の距離１１１１を示している。これらの図は、中央プロペラのセンタープレーンからラダー軸２２２／２２２’（図４Ａ）までの縦方向の距離１１１１を示しており、様々な距離を選択することが可能である。

図１１Ａは、いくつかの実施形態による、燃費の向上を優先するように設計された船舶を示す図である。船舶１１１０は、左舷及び右舷ディレクタ２２０、７２０を備える、３つのプロペラ（中央、左舷及び右舷）を有する。この構成では、中央プロペラができるだけ後方に配置される（例えば、トランサムのほぼ真下など、プロペラの直径の１０％未満である、トランサムまでの距離内のプロペラ後縁）。このような場所は、プロペラの直径を大きくできる。いくつかの実施例において、喫水１０６（図１）の９０％を超える直径を含む、８０％を超える直径を含む、５０％を超える直径を有する大面積プロペラ（ＬＡＰ）を実装することが有利である。

干渉を低減するため、左舷及び右舷プロペラ及びディレクタは、典型的には、左舷または右舷（場合によっては）からできるだけ遠くに配置され、しばしば船体の寸法で制限される。プロペラ２０５及び２０６の横方向位置は、典型的には、船舶内部の最小距離（例えば、これらのエンジン幅にそれぞれ関連する）に依存し、場合によっては、プロペラまたはディレクタは船舶を越えて外側へ延長しないという要件に依存する。図１１Ａは、中央プロペラの前方（例えば、プロペラ半径よりも大きく、プロペラ直径よりも大きい）から相当な距離１１１１に位置するラダー軸を示す図である。いくつかの実施形態において、アウトバウンド構成要素がさらに前方にあってもよく、例えばディレクタ２２０及び７２０の後縁は中央プロペラ２０７の前縁よりも前方の同様の距離１１１１に位置する。

図１１Ｂは、いくつかの実施形態による、操縦性の向上を優先するように設計された推進システムを有する船舶を示す図である。船舶１１２０において、左舷プロペラ２０５及び右舷プロペラ２０６のセンタープレーンは、（大面積のプロペラであってもよい）中央プロペラ２０７のセンタープレーンの後方に位置する。このような構成は、例えば、３５度を超える角度、または４０度を超える角度を含む、３０度を超える角度など、非常に大きなディレクタ角２３２、２３２’（図４Ａ）を可能にする。側方プロペラからの流れと中央プロペラからの流れとの干渉がより大きくなる可能性があり、そのような構成は、関連するＣＦＤモデル数の増大及び／または複雑さを必要とする可能性がある。中央プロペラは、側方プロペラの半径未満を含む、側方プロペラの直径未満の距離だけ側方プロペラの前方に配置できる。中央プロペラで生成される局所的な回転（非動力接線推力）に対して、側方プロペラは、回転の一部が局所的に相殺されるように、逆回転を生成するようにピッチが設定されていてもよい。図１１Ｂは、中央プロペラの後方（例えば、プロペラ半径よりも大きく、プロペラ直径よりも大きく、プロペラ半径の５０％よりも大きい）からかなりの距離１１１１に位置するラダー軸を示している。

図１１Ｃは、いくつかの実施形態による、燃費性能と操縦性の組み合わせを最適化するように設計された推進システムを有する船舶を示す図である。フローフィールド間の干渉を低減するため、側方ディレクタの後縁は中央プロペラのセンタープレーンの後方に位置してもよい（例えば、それぞれの前縁がセンタープレーンよりも前方に位置する）。ディレクタの前縁は中央プロペラの前方または後方に位置してもよい。船舶１１３０は、ディレクタ２２２／２２２’（この場合、ラダー）が良好な燃費と高い操縦性の組み合わせを提供する（中央プロペラ２０７に対して）位置に配置された推進システムを有する。一実施形態において、左舷及び右舷ディレクタの操舵軸２２２／２２２’は、左舷及び／または右舷スラスタの固定軸プロペラの直径を超えない、中央プロペラ２０７のセンタープレーンの前方または後方からの距離１１１１以内で（中央プロペラに対して）縦方向に配置される。ディレクタの操舵軸は、半径の５０％未満、半径の２０％未満、または半径の１０％未満を含む、左舷または右舷プロペラの半径未満である、中央プロペラのセンタープレーンからの距離１１１１に配置されてもよい。図１１Ｃに示す実施例では、操舵軸２２２／２２２’が中央プロペラ２０７のセンタープレーンに概ね位置合わせされている（距離１１１１が非常に短い）。

側方プロペラの操舵軸を中央プロペラに概ね隣接して配置することは、特に大面積のプロペラ（例えば、中央プロペラ２０７）を実装する場合に比較的高い燃費性能と高い操縦性の組み合わせを提供する。３５度以下のディレクタ角２３２／２３２’（図４Ａ）では、ディレクタのフローフィールドと中央プロペラとの間に著しい相互作用を生じさせないことが好ましい。典型的には、何らかの相互作用が予想される、プラットフォーム３００（図３）で用いる計算モデルがこの相互作用を記述する。

本明細書で説明する様々な特徴は、独立して及び／または互いに組み合わせて実装してもよい。特徴の明示的な組み合わせは、他の実施形態からこれらの特徴のいずれかを省略することを排除するものではない。上記の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の多くの変形例は、本開示を検討することで当業者に明らかになるのであろう。本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲は、それらの均等物の全範囲を共に参照して、決定されるべきである。

Claims (14)

1. 船首、船尾を備え、喫水が３メートルを超え、最大自走速度が十ノットを超える船舶（１００，８００）であって、
   前記船舶を前方または後方へ進ませるための第１の推力を生成するように構成された固定軸プロペラを備える右舷スラスタ（２０５）と、
   ラダー及び／またはノズルを含み、右舷ディレクタ角（２３２）の範囲で前記第１の推力を方向付けるように構成された右舷ディレクタ（２２０）と、
   前記船舶を前方または後方へ進ませるための、前記第１の推力から独立した第２の推力を生成するように構成された固定軸プロペラを備える左舷スラスタ（２０６）と、
   ラダー及び／またはノズルを含み、右舷ディレクタ角（２３２）から独立した左舷ディレクタ角（２３２’）の範囲で前記第２の推力を方向付けるように構成された左舷ディレクタ（７２０）と、
   固定軸プロペラを備え、前記船舶を前方または後方へ進ませるための、前記第１及び前記第２の推力から独立した第３の推力（８５０）を生成するように構成された中央スラスタ（２０７）と、
   プロセッサ（３１０）、メモリ（３２０）及びコマンドコンソール（１３０）と通信するように構成された通信インタフェース（３５０）を備えるプラットフォーム（３００）と、を有し、
   前記プラットフォーム（３００）は、
   前記船舶が進むべき目標位置（１０７）を受信し、
   前記目標位置へ到達する前記船舶の所望の前方／後方変位を規定する、所望の縦方向方位（７５０’）を計算し、
   前記目標位置へ到達する前記船舶の所望の横方向変位を規定する、所望の横方向方位（７６０’）を計算し、
   前記船舶に与えたときに所望の縦方向方位（７５０’）が生じると見込まれる縦方向推力ベクトル（７５０）を計算し、
   前記船舶に与えたときに所望の横方向方位（７６０’）が生じると見込まれる横方向推力ベクトル（７６０）を計算し、
   基準を満たすスラスタ（２０５、２０６、２０７）及びディレクタ（２２０、７２０）の運航構成を選択し、
   前記船舶を所望の縦方向及び横方向方位（７５０’、７６０’）へ進ませるために、選択された運航構成を前記コマンドコンソール（１３０）へ送信するように構成され、
   前記基準は、
   前記右舷スラスタ（２０５）及び前記右舷ディレクタ（２２０）で生成される正味の縦方向推力から成る第１の縦方向ベクトル（６５０）、前記左舷スラスタ（２０６）及び前記左舷ディレクタ（７２０）で生成される正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトル（６５１）、並びに前記中央スラスタ（２０７）で生成される正味の縦方向推力から成る第３の縦方向ベクトル（８５１）の和が計算された縦方向推力ベクトル（７５０）となり、且つ
   前記右舷スラスタ（２０５）及び前記右舷ディレクタ（２２０）で生成される正味の横方向推力から成る第１の横方向ベクトル（６６０）、並びに前記左舷スラスタ（２０６）及び前記左舷ディレクタ（７２０）で生成される正味の横方向推力から成る第２の横方向ベクトル（６６１）の和が計算された横方向推力ベクトル（７６０）となることを含み、
   前記選択された運航構成は、前記中央スラスタ（２０７）の推力が前記右舷スラスタ（２０５）及び前記左舷スラスタ（２０６）の推力と逆の方向となるものである、船舶。
2. 前記横方向推力ベクトル（７６０）は、前記縦方向推力ベクトル（７５０）よりも大きい、請求項１に記載の船舶。
3. 前記縦方向推力ベクトル（７５０）は、略ゼロの前方／後方推力に対応し、前記横方向推力ベクトル（７６０）は、ゼロでない横方向推力に対応する、請求項２に記載の船舶。
4. 前記中央スラスタ（２０７）で生成される前記推力の縦方向成分の大きさは、前記第１の縦方向ベクトル（６５０）と、右舷及び左舷スラスタ（２０５、２０６）で生成される正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトル（６５１）との和の大きさの２０％以内である、請求項１から３のいずれか１項に記載の船舶。
5. 前記中央スラスタ（２０７）で生成される前記推力の前記縦方向成分の大きさは、前記第１及び第２の縦方向ベクトル（６５０、６５１）の和の大きさと略等しい、請求項１から３のいずれか１項に記載の船舶。
6. 前記選択された運航構成は、
   前記右舷ディレクタ角（２３２）が前記左舷ディレクタ角（２３２’）と異なり、及び／または
   前記右舷スラスタ（２０５）で生成される推力の大きさが前記左舷スラスタ（２０６）で生成される推力の大きさと異なる、請求項１から５のいずれか１項に記載の船舶。
7. 前記右舷ディレクタ（２２０）は、前記船舶を操船するための前記右舷ディレクタがその周りを回転する操舵軸２２２を含み、
   前記左舷ディレクタ（７２０）は、前記船舶を操船するための前記左舷ディレクタがその周りを回転する操舵軸２２２’を含み、
   前記中央スラスタ（２０７）の前記固定軸プロペラのセンタープレーンから操舵軸２２２／２２２’までの縦方向距離（１１１１）が、前記左舷または前記右舷スラスタの前記固定軸プロペラの直径を超えない、請求項１から６のいずれか１項に記載の船舶。
8. 前記プラットフォーム（３００）は、
   少なくとも１つの船舶センサ（１１０）から前記船舶の更新された位置を受信し、
   前記船舶の所望の前方／後方変位を規定する、更新された縦方向方位（７５０’）を計算し、
   前記船舶の所望の横方向変位を規定する、更新された横方向方位（７６０’）を計算し、
   更新された縦方向及び横方向方位（７５０’、７６０’）が生じると見込まれる、更新された縦方向及び横方向推力ベクトル（７５０、７６０）を計算し、
   第１の縦方向ベクトル（６５０）、第２の縦方向ベクトル及び第３の縦方向ベクトル（８５０）の和が更新された縦方向推力ベクトル（７５０）となり、且つ第１の横方向ベクトル（６６０）及び第２の横方向ベクトル（６６１）の和が更新された横方向推力ベクトル（７６０）となることを含む、という基準を満たす、更新された運航構成を選択し、
   前記船舶を所望の更新された方位へ進ませるために、更新されて選択された運航構成をコマンドコンソール（１３０）へ送信する処理を繰り返すようにさらに構成された、請求項１から７のいずれか１項に記載の船舶。
9. 船舶（１００、７００、８００）をナビゲートするために縦方向及び横方向推力を独立して制御するように構成された推進システム（２００）であって、
   固定軸プロペラを備え、前記船舶を前方または後方へ進ませるための第１の推力を生成するように構成された第１のスラスタ（２０５）と、
   第１のディレクタ角（２３２）の範囲で水の流れを方向付けるように構成された第１のディレクタ（２２０）と、
   固定軸プロペラを備え、前記船舶を前方または後方へ進ませるための、前記第１の推力から独立した第２の推力を生成するように構成された第２のスラスタ（２０６）と、
   前記第１のディレクタ角（２３２）から独立した第２のディレクタ角（２３２’）の範囲で水の流れを方向付けるように構成された第２のディレクタ（７２０）と、
   固定軸プロペラを備え、前記船舶を前方または後方へ進ませるための、前記第１及び前記第２の推力から独立した第３の推力（８５０）を生成するように構成された第３のスラスタ（２０７）と、
   プロセッサ（３１０）、メモリ（３２０）、並びに前記スラスタ及び前記ディレクタと通信する通信インタフェース（３５０）を備えたプラットフォーム（３００）と、を有し、
   前記プラットフォーム（３００）が、
   前記船舶が進むべき目標位置（１０７）を受信し、
   前記目標位置へ到達するための前記船舶の所望の前方／後方変位を規定する所望の縦方向方位（７５０’）を計算し、
   前記目標位置へ到達するための前記船舶の所望の横方向変位を規定する所望の横方向方位（７６０’）を計算し、
   前記船舶に与えたときに所望の縦方向方位（７５０’）が生じると見込まれる縦方向推力ベクトル（７５０）を計算し、
   前記船舶に与えたときに所望の横方向方位（７６０’）が生じると見込まれる横方向推力ベクトル（７６０）を計算し、
   前記船舶を所望の方位（７５０’、７６０’）へ進ませると見込まれるスラスタ（２０５、２０６）及びディレクタ（２２０、７２０）の運航構成を選択し、
   前記選択された運航構成が、
   前記第１のスラスタ（２０５）及び前記第１のディレクタ（２２０）で生成される正味の縦方向推力から成る第１の縦方向ベクトル（６５０）、並びに前記第２のスラスタ（２０６）及び前記第２のディレクタ（７２０）で生成される正味の縦方向推力から成る第２の縦方向ベクトル（６５１）の和が計算された縦方向推力ベクトル（７５０）となり、且つ
   前記第１のスラスタ（２０５）及び前記第１のディレクタ（２２０）で生成される正味の横方向推力から成る第１の横方向ベクトル（６６０）、並びに前記第２のスラスタ（２０６）及び前記第２のディレクタ（７２０）で生成される正味の横方向推力から成る第２の横方向ベクトル（６６１）の和が計算された横方向推力ベクトル（７６０）となることを含む、という基準を満たし、
   前記選択された運航構成は、前記第３のスラスタ（２０７）の推力が前記第１のスラスタ（２０５）及び前記第２のスラスタ（２０６）の推力と逆の方向となるものである、推進システム。
10. 前記選択された運航構成は、
    前記第１のスラスタ（２０５）が前方推力を生成するように構成され、
    前記第１のディレクタ（２２０）が前記前方推力を左舷または右舷方向へ方向付け、
    前記第２のスラスタ（２５１）が後方推力を生成するように構成され、
    前記第２のディレクタ（７２０）が前記後方推力を左舷または右舷方向へ方向付ける、請求項９に記載の推進システム。
11. 前記運航構成は、前記第２の推力とは異なる大きさを有する第１の推力と、前記第２のディレクタ角（２３２’）とは異なる第１のディレクタ角（２３２）の少なくとも一方を有する、請求項９または１０に記載の推進システム。
12. 前記運航構成の選択は、ルックアップテーブル及び／またはデータベースからの抽出データを含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の船舶、または請求項９から１１のいずれか１項に記載の推進システム。
13. 前記運航構成の選択は、繰り返し処理を含む、所望の値と実際の値との偏差を低減する計算方法を用いて、運航構成を計算することを含む、請求項１から８のいずれかに記載の船舶、または請求項９から１１のいずれか１項に記載の推進システム。
14. 前記プラットフォーム（３００）は、
    少なくとも１つの船舶センサ（１１０）から前記船舶（１００、７００、８００）の更新された位置を受信し、
    前記船舶の所望の前方／後方変位を規定する、更新された縦方向方位（７５０’）を計算し、
    前記船舶の所望の横方向変位を規定する、更新された横方向方位（７６０’）を計算し、
    更新された縦方向及び横方向方位（７５０’，７６０’）が生じると見込まれる、更新された縦方向及び横方向推力ベクトル（７５０、７６０）を計算し、
    第１の縦方向ベクトル（６５０）及び第２の縦方向ベクトル（６５１）の和が更新された縦方向推力ベクトル（７５０）となり、且つ
    第１の横方向ベクトル（６６０）及び第２の横方向ベクトル（６６１）の和が更新された横方向推力ベクトル（７６０）となることを含むという基準を満たす、更新された運航構成を選択し、
    前記船舶を所望の更新された方位へ進ませるために、更新されて選択された運航構成をコマンドコンソール（１３０）へ送信する処理を繰り返すように構成された、請求項９から１１のいずれか１項に記載の推進システム。

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