JP7328692B2

JP7328692B2 - 緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船

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Publication number: JP7328692B2
Application number: JP2019223324A
Authority: JP
Inventors: 和志冨田; 博敬山本
Original assignee: Japan Hamworthy and Co Ltd
Current assignee: Japan Hamworthy and Co Ltd
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: JP2021091307A

Description

本発明は緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船に関し、操船制御機能を他者に支配されることを防止する技術に係るものである。

従来、船舶の操縦装置としては、例えば特許文献１に記載するものがある。これは、一基の推進プロペラの後方に一対の舵を推進プロペラ軸心に対して対称の位置に設けた二枚舵システム、あるいは、二基の推進プロペラの後方にそれぞれ一枚の舵を設けた二枚舵システムを有する船舶の自動制御装置である。

この自動制御装置は、操舵命令系統がオートパイロット装置とジョイスティック・パネルとから構成され、オートパイロット装置は針路設定装置とジャイロコンパスとからなり、ジョイスティック・パネルはジョイスティックレバーと舵角設定装置と緊急停止押釦とからなり、制御装置系統が自動演算装置とジョイスティック・ユニットと舵角設定器と緊急停止制御ユニットとから構成される。

また、近年では無人で自律的に自動航行する機能を備えた船舶の研究開発が行われている。

特許第５２１３７２９

しかし、船舶が無人で自律的に自動航行する場合には、船舶に自動制御操船のためのプログラムを搭載した自動制御装置を設ける必要がある。船舶が自動航行を行う場合に、航行に必要な目的地、航路、天候情報等々は無線通信を介して外部から得ることになる。この場合に、無線通信を介して外部の他者が自動制御装置に侵入する可能性がセキュリティの問題として存在する。ここで、外部の他者とは、日本産業規格ＪＩＳＸ０００１－１９９４においては、「高度な技術をもった計算機のマニア。」（０１．０７．０３）と「高度の技術をもった計算機のマニアであって、知識と手段を駆使して、保護された資源に権限をもたずにアクセスする人。」（０１．０７．０４）であり、いわゆるハッカーと呼称される人である。

ハッキングによって船舶が本来航行すべき航路から逸脱したり、船速が異常に速まったりして異常操船状態となったときに、あるいは操船装置の誤作動により異常操船状態となったときに、自動制御装置の異常操船状態を解除して船舶を待機状態に維持することが求められる。

本発明は上記の課題を解決するものであり、自動航行を行う機能を有する船舶が異常操船状態となったときに、船舶の本来の操船者から指令を与えることで異常操船状態から脱することができる緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船は、船尾に配置した一基の推進プロペラと、推進プロペラの後方に配置した左右一対の高揚力舵と、各高揚力舵をそれぞれ駆動する一対のロータリーベーン舵取機と、２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御する自動制御装置と、自動制御装置から独立して２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御する緊急制御装置を備え、自動制御装置は、無線通信により操船指令を受け取る操船指令受信部と、操船指令を受けて自動航行の操船を行う自動航行操船部を有し、緊急制御装置は、無線通信により緊急指令を受け取る緊急指令受信部と、緊急指令を受けて自動制御装置への給電を停止する緊急電源遮断部と、緊急指令を受けて船体をその場に留まらせるホバリング操船を行う緊急操船部を有することを特徴とする。

本発明の緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船において、緊急操船部は、ホバリング操船に先立って船舶の緊急停止操船を行うことを特徴とする。

本発明の緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船において、緊急制御装置は、現在位置情報を発信する現在位置情報発信部を有することを特徴とする。

上記の構成により、ハッキングによって自動制御装置が外部の他者に支配され、船舶が本来航行すべき航路から逸脱したり、船速が異常に速まったりして異常操船状態となったときに、あるいは自動制御装置の誤作動により異常操船状態となったときには、船舶の本来の操船者から無線通信により緊急制御装置に緊急指令を発令する。緊急制御装置は、緊急指令受信部が緊急指令を受け取ると、緊急電源遮断部により自動制御装置への給電を停止する。この結果、自動制御装置の異常操船状態を解除して船舶を待機状態に維持することができる。

次に、緊急制御装置は、緊急操船部によって船体をその場に留まらせるホバリング操船を行う。この結果、船舶が本来の航路を逸脱して航行することを防止でき、船体がその場に留まることで、船舶の漂流を防止し、有人操船を行うために操船者を船舶に派遣することが容易となる。このホバリング操船に先立って船舶の緊急停止操船を行うことで、船舶が非制御状態の下で長く漂流することを防止し、船舶が待機状態で留まる海域を狭くすることができ、船舶の捜索および操船者の派遣を容易に行える。

また、緊急制御装置が、現在位置情報発信部により現在位置情報を発信することで、船舶の現在位置を容易に把握することができ、有人操船を行うための操船者の派遣が容易となる。

本発明の実施の形態における緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船の推力システムおよび自動制御装置を示す模式図同実施の形態における緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船の操船スタンドを示す模式図同実施の形態における操船スタンドの構成を示す模式図同実施の形態における緊急制御装置を示す模式図同実施の形態における高揚力舵の可動範囲を示す平面図同実施の形態における推進器および高揚力舵を示し、推力システム１００の船尾部の構成を示す斜視図舵の組み合せ舵角と旋回方向を示す模式図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明に係る緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船の自動制御装置は、船舶の大きさに拘わらず適用可能である。

本実施の形態における緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船は、図１から図７に示すように、推力システム１００と推力システム１００を制御する操船システム２００を備えている。

推力システム１００は、船体１１０の船尾に配置した１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器１０１と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵１０２、１０３を配したものである。

高揚力舵１０２、１０３は、プロペラの軸心方向に沿った断面形状が高揚力の断面輪郭の舵ブレードを有する舵である。高揚力の舵ブレードには種々の形状のものがあるが、本実施の形態の高揚力舵１０２、１０３の舵ブレードは以下の形状をなす。すなわち、水平断面の輪郭において前方へ半円形状に突出させた前縁部１０２ａ、１０３ａと、前縁部１０２ａ、１０３ａに連続して流線型に幅を増大させた後に最小幅部１０２ｂ、１０３ｂに向けて徐々に幅を減少させた中間部１０２ｃ、１０３ｃと、中間部１０２ｃ、１０３ｃに連続して所定幅の後方端１０２ｄ、１０３ｄに向けて徐々に幅を増大させた魚尾後縁部１０２ｅ、１０３ｅからなる形状を有している。

各高揚力舵１０２、１０３は、それぞれ、アウトボード（外舷側）へ１０５°、インボード（内舷側）へ３５゜転舵可能に構成されている。そして、１基１軸の推進器（プロペラ）をプロペラ前進回転のままで、１対２枚の高揚力舵１０２、１０３をそれぞれ独立して種々の角度に作動させ、両舷の高揚力舵１０２、１０３を舵角の組合せを変えることによって、プロペラ後流を目的とする望ましい方向に分配し、それぞれの方向の推力を自在に変えることができる。従って、それぞれの方向の推力の合成推力を自在に変えることができ、プロペラ後流を制御して船尾回りの推力を３６０゜全方向にわたって制御することで、船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等の操船を行わせ、船の運動を自由に制御することができる。

さらに、推力システム１００は、高揚力舵１０２、１０３を駆動するロータリーベーン舵取機１０４、１０５と、ロータリーベーン舵取機１０４、１０５を制御する舵制御装置（サーボアンプ）１０６、１０７と、船体１１０の船首側に配置した船首スラスター１０８および船首スラスター１０８を制御するスラスター制御装置１０９を有している。

また、ロータリーベーン舵取機１０４、１０５のそれぞれには、ポンプユニット１５１、１５２と舵角発信器１５３、１５４とフィードバックユニット１５５、１５６が接続しており、フィードバックユニット１５５、１５６が舵制御装置１０６、１０７に接続している。

操船システム２００は、２枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御し、無人で自律的に自動操船する場合（モード）の自動制御装置２０１、有人で２枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を組み合わせて操船する場合（モード）の有人制御装置２０２、自動制御装置２０１から独立して２枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御する場合（モード）の緊急制御装置２０３を備え、船舶レーダ装置２７１および送受信アンテナ装置２７２が接続されている。

自動制御装置２０１は、操船スタンド２５０に格納されており、ＧＰＳコンパスを用いたオートパイロットで操縦するものであり、送受信アンテナ装置２７２を介して交信する無線通信により遠隔地から目的地、航路、船速等々の航行に必要な情報を操船指令として受け取り、船舶レーダ装置２７１で周囲の船舶や障害物を検知しつつ自律的に自動操船する自動航行操船部２５３と、無線通信による操船指令を受け取る操船指令受信部２６５を有している。

有人制御装置２０２は、ジャイロコンパス２５１のジャイロ方位を表示するジャイロ方位表示部２５２と、ジョイスティックレバー２５４により操船するジョイスティック操船部２５５と、モード切替スイッチ２６０により自動制御装置２０１と有人制御装置２０２の切替を行うモード切替部２６１と、画面にタッチパネルを配したディスプレイ装置２６２と、ディスプレイ装置２６２に映す画像を制御する画像制御部２６３を有している。

画像制御部２６３は、ジャイロ方位を映すジャイロ方位表示画像２６７と、ジャイロ方位表示部２５２をモニター画面上でタッチ操作するための方位表示部操作画像２６８と、自動航行操船部２５３をモニター画面上でタッチ操作するためのオート操船操作画像２６９を選択的に表示し、あるいは同時に表示する。

ジョイスティック操作部２５５は、ジョイスティックレバー２５４がＸ－Ｙ方向の何れの方向へも操作可能に構成されており、ジョイスティックレバー２５４の傾倒方向で船体の指令運動方向を制御し、傾倒方向における傾倒角度で船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を制御するものである。

ジョイスティック操船部２５５は、両舷の高揚力舵１０２、１０３の舵角をそれぞれジョイスティックレバー２５４の傾倒方向に応じて設定した舵角に制御し、かつ両舷の高揚力舵１０２、１０３の舵角を組合せることで、プロペラ後流の推力を目的方向に向けて変向し、双方のロータリーベーン舵取機１０４、１０５により両舷の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角を外舷側へ１０５°、内舷側へ３５°の範囲で制御する。詳細は後述する。

自動航行操船部２５３は、ＧＰＳコンパス、電子海図システムにより自船の現在位置情報、誘導経路情報、停船保持位置情報に基づいて、自船を無線通信による操船指令で受けた設定針路に誘導制御するものである。

緊急制御装置２０３は、送受信アンテナ装置２７２を通じて交信する無線通信により緊急指令を受け取る緊急指令受信部３０１と、緊急指令を受けて自動制御装置２０１への給電を停止する緊急電源遮断部３０２と、緊急指令を受けて船体をその場に留まらせるホバリング操船を行う緊急操船部３０３と、ＧＰＳコンパス、電子海図システムにより得る自船の現在位置情報を発信する現在位置情報発信部３０４を有する。

電源装置４０１が操船スタンド２５０の自動制御装置２０１に給電する電源回路４０２の途中には開閉スイッチ４０３が介装してあり、開閉スイッチ４０３の開閉動作を緊急制御装置２０３の緊急電源遮断部３０２が制御している。

高揚力舵１０２、１０３の基本的な舵角の組合せ、およびジョイスティックレバー２５４の状態と、その呼称及びプロペラ後流線と運動方向を、図７において説明する。

図７中で、舵は水平断面で示してあり、その横あるいは下方に各々の舵の舵角を示している。舵角は右に取るのが正（＋）、左に取るのが負（－）として表示し、これらの舵角の組み合わせに対する呼称を掲げている。プロペラ後流は、細い矢印線で、又、それによる船の推進方向を太い中抜き矢印線で画いている。

ちなみに、「ＴＵＲＮＴＯＰＯＲＴ」（前進左旋回）は左舷舵－３５°、右舷舵－３５°であり、「ＲＯＴＡＴＥＴＯＰＯＲＴ」（船首左回頭）は左舷舵－７０°、右舷舵－３５°であり、「ＳＴＥＲＮＴＯＰＯＲＴ」（船尾左旋回）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋４５°から＋７５°であり、「ＡＳＴＥＲＮＴＯＰＯＲＴ」（後進左旋回）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋７５°から＋１０５°であり、「ＡＨＥＡＤ」（前進）は左舷舵０°、右舷舵０°であり、「ＨＯＶＥＲＩＮＧ」（その場停止）は左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ」（後進）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋１０５°であり、「ＴＵＲＮＴＯＳＴＡＲＤ」（前進右旋回）は左舷舵＋３５°、右舷舵＋３５°であり、「ＲＯＴＡＴＥＴＯＳＴＡＲＤ」（船首右回頭）は左舷舵＋３５°、右舷舵＋７０°であり、「ＳＴＥＲＮＴＯＳＴＡＲＤ」（船尾右旋回）は左舷舵－４５°から－７５°、右舷舵＋１０５°であり、「ＡＳＴＥＲＮＴＯＳＴＡＲＤ」（後進右旋回）は左舷舵－７５°から－１０５°、右舷舵＋１０５°である。

以下、上記構成における作用を説明する。
１．有人制御装置２０２による操縦モード
モード切替スイッチ２６０を操作して有人制御装置２０２のジョイスティックによる操縦モードを選択する。ジョイスティック操船部２５５は、ジョイスティックレバー２５４によって船体の指令運動方向、船首尾方向指令推力、船体横方向指令推力を指令する。

この操船においては、プロペラ推進器１０１をプロペラ前進回転のままで、それぞれの高揚力舵、１０３をそれぞれ独立に種々の角度に作動させてプロペラ後流を制御し、船尾回りの推力を３６０゜全方向にわたって制御する。この制御によって船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等を行わせることにより操船における機動性を向上させることができる。

すなわち、両舷の舵の舵角の組合せを変えることによって、プロペラ後流を目的とする望ましい方向に向けてその方向に推力を変えることができる。ここに挙げた舵角の組み合わせは一例であり、目的とする推進方向及び推力を得るように、舵角の組み合わせを任意に変えることができる。

このように、操船においては推進器推力の反転（プロペラ逆転）が不要であり、主機関は常に前進回転のままであらゆる操船制御が行え、主機関の回転数を加減せずとも、両舵の舵角を加減して、そのときのプロペラ回転数に対応した前進最大速度から後進最大速度まで無段階にきめ細かく船速を制御することができる。
２．自動制御装置２０１による操縦モード
モード切替スイッチ２６０を操作して自動制御装置２０１による操縦モードを選択する。

自動制御装置２０１は、無人で自律的に自動操船する。すなわち、自動制御装置２０１は、無線通信により遠隔地から目的地、航路、船速等の航行に必要な情報を操船指令として操船指令受信部２６５で受け取り、受け取った指令に基づいてＧＰＳコンパスを用いたオートパイロットで操縦し、ＧＰＳコンパス、電子海図システムにより自船の現在位置情報、誘導経路情報、停船保持位置情報に基づいて、自船を無線通信による操船指令で受けた設定針路に誘導制御する。

この自動制御装置２０１による操船においても、有人制御装置２０２による操船と同様に、船体の指令運動方向、船首尾方向指令推力、船体横方向指令推力を指令する。

すなわち、プロペラ推進器１０１をプロペラ前進回転のままで、それぞれの高揚力舵１０２、１０３をそれぞれ独立に種々の角度に作動させてプロペラ後流を制御し、船尾回りの推力を３６０゜全方向にわたって制御する。この制御によって船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等を行わせる。
３．緊急制御装置２０３による操縦モード
ハッキングによって自動制御装置２０１が外部の他者に支配され、船舶が本来航行すべき航路から逸脱したり、船速が異常に速まったりして異常操船状態となったときに、あるいは自動制御装置２０１の誤作動により異常操船状態となったときには、船舶の本来の操船者から無線通信により緊急制御装置２０３に緊急指令を発令する。

緊急制御装置２０３は、緊急指令受信部３０１が緊急指令を受け取ると、緊急電源遮断部３０２により開閉スイッチ４０３を開放して自動制御装置２０１への給電を停止する。

この結果、自動制御装置２０１の異常操船状態を解除して船舶を待機状態に維持することができる。

緊急操船部３０３は、最初の操船として、船舶が現在如何なる操船状態にあるかに関わらず、全ての操船に優先して船舶を緊急に停船させる。このため、左舷舵の高揚力舵１０３を取舵方向（上から見て時計回りの方向）に、右舷舵の高揚力舵１０２を面舵方向（上から見て反時計回りの方向）に、それぞれハードオーバー（舵いっぱい）まで転舵させ、船に制動力を与えて停止させる。この両舵により非常に大きな制動力と後進力を発生させるので、プロペラ逆転による操船よりもはるかに短い時間、短い距離で船体を停止させることができる。

次に、緊急操船部３０３は、船体をその場に留まらせるホバリング操船を行う。このため、左舷舵の高揚力舵１０３を取舵方向（上から見て時計回りの方向）に－７５°、右舷舵の高揚力舵１０２を面舵方向（上から見て反時計回りの方向）に＋７５°に転舵させて、図７に示す「ＨＯＶＥＲＩＮＧ」（その場停止）を行う。

このように、緊急制御装置２０３が、緊急操船部３０３によって船体をその場に留まらせるホバリング操船を行うことで、船舶が本来の航路を逸脱して航行することを防止でき、船舶の漂流を防止し、船体をその場に留まることができる。

さらに、ホバリング操船に先立って船舶の緊急停止操船を行うことで、船舶が非制御状態の下で長く漂流することを防止し、船舶が待機状態で留まる海域を狭くすることができ、船舶の捜索および操船者の派遣を容易に行える。

また、緊急制御装置２０３が、現在位置情報発信部３０４により現在位置情報を発信することで、船舶の現在位置を容易に把握することができ、有人操船を行うための操船者の派遣が容易となる。

また、緊急制御装置が、ＧＰＳコンパス、電子海図システムにより得る自船の現在位置情報を現在位置情報発信部３０４により発信することで、船舶の現在位置を容易に把握することができ、有人操船を行うための操船者の派遣が容易となる。

１００推力システム
１１０船体
１０１プロペラ推進器
１０２、１０３高揚力舵
１０４、１０５ロータリーベーン舵取機
１０６、１０７舵制御装置
１０８船首スラスター
１０９スラスター制御装置
１５１、１５２ポンプユニット
１５３、１５４舵角発信器
１５５、１５６フィードバックユニット
２００操船システム
２０１自動制御装置
２０２有人制御装置
２０３緊急制御装置
２５０操船スタンド
２５１ジャイロコンパス
２５２ジャイロ方位表示部
２５３自動航行操船部
２５４ジョイスティックレバー
２５５ジョイスティック操船部
２６０モード切替スイッチ
２６１モード切替部
２６２ディスプレイ装置
２６３画像制御部
２７１船舶レーダ装置
２７２送受信アンテナ装置
３０１緊急指令受信部
３０２緊急電源遮断部
３０３緊急操船部
３０４現在位置情報発信部
４０１電源装置
４０２電源回路
４０３開閉スイッチ

Claims

船尾に配置した一基の推進プロペラと、推進プロペラの後方に配置した左右一対の高揚力舵と、各高揚力舵をそれぞれ駆動する一対のロータリーベーン舵取機と、２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御する自動制御装置と、自動制御装置から独立して２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体運動の方向を制御する緊急制御装置を備え、
自動制御装置は、無線通信により操船指令を受け取る操船指令受信部と、操船指令を受けて自動航行の操船を行う自動航行操船部を有し、
緊急制御装置は、無線通信により緊急指令を受け取る緊急指令受信部と、緊急指令を受けて自動制御装置への給電を停止する緊急電源遮断部と、緊急指令を受けて船体をその場に留まらせるホバリング操船を行う緊急操船部を有することを特徴とする緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船。
緊急操船部は、ホバリング操船に先立って船舶の緊急停止操船を行うことを特徴とする請求項１に記載の緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船。
緊急制御装置は、現在位置情報を発信する現在位置情報発信部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の緊急制御機能を備えた自動航行一軸二舵船。