JP7573296B2 - 一軸二舵船の船体運動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、一軸二舵船に関し、自由度の高い操船を行う技術に係るものである。

従来、操船を自動で行う技術として、例えば、特許文献１に記載する自動衝突予防援助装置がある。

これは、レーダ装置と共に船舶に搭載されるものであり、自船の周囲に存する他船の長さ、針路及び速度を、レーダ装置にて得られる映像情報から検出する他船検出手段と、他船検出手段により検出された自船に対する他船の相対速度と検出された船の長さとに基づき停止性能を算出する停止性能算出手段と、算出された停止性能と航行している海域の特性とに基づき、自船が進入すると他船との衝突の危険が生じ得る危険領域を求める危険領域算出手段と、求めた危険領域を画面上に表示する手段とを備えている。

また、船舶に制動力を与える技術として特許文献２に記載する船舶の非常操船方法がある。これは、非常時に非常操舵手段を起動して通常の如何なる操舵モードよりも優先して舵制御手段を制御することにより、２枚の高揚力舵にプロペラ後流を後進推力として最大に作用させる舵角を与え、この後進推力により船舶の前進方向への慣性力に抗する後進力を船舶に与えて緊急停船ないし緊急後進させるものであり、推進プロペラを前進単一方向に作動させた状態において直ちに後進推力を得ることができ、少ない手数で短時間にかつ短い距離で船舶の停船ないし後進を行うことができる。

さらに、特許文献３には、船位および船首尾方位保持操船においては、真横移動、斜め前後移動、その場回頭など特殊な運動を実現し、かつ、位置、速度等の高い操船精度が要求されるとして、船舶操縦装置が提案されている。この船舶操縦装置では、操船支援モードにおいて、指令部により指令運動方向と指令回頭角速度と船首尾方向指令速度および船幅方向指令速度を船体運動制御部へ指令して操船し、推力分配部により、船体制御力および回頭船体制御力を、前進一定回転するプロペラ推進器の推力と２枚の高揚力舵の舵角の組み合わせとで発生させる目標推進器推力と、船首スラスターで発生させる目標スラスター推力とに分配する。

特許第４０５５９１５号 特開平７－５２８８７号 特開２０１７－０５２２９７

従来の一軸二舵船の操船システムは、予め決められたパターンの舵角の組み合わせを指示するものであった。従って、船体運動が操船者の所望する運動から乖離した場合には、それを修正する舵角（フィードバック入力）を操船者が判断し、入力を手動で修正する必要があった。

また、輻輳海域や障害物がある海域では、短時間、短距離において精度の高い転針が必要であり、あるいは精度の高い針路の維持が求められるので、手動による操舵が必要である。

また、操船者にとって、港湾内での操船は特に神経を使うものである。岸壁や他船など、周辺障害物の多い港湾内で安全に航行するためには、離岸流や向岸流の潮力、潮汐、風力等の船体に影響する外力の状況を考慮しつつ、常に自船と障害物からの離隔距離を認識しながら、慎重な操船をすることが要求される。

とりわけ、着桟操船の終末段階では、岸壁までの距離に対して船首尾方向、船幅方向の接近速度を慎重かつ適切にコントロールする必要がある。

本発明は上記した課題を解決するものであり、船体運動の船首尾方向速度、船幅方向速度、回頭角速度の制御において、自由度の高い操船を行うことができる一軸二舵船の船体運動制御装置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、本発明の一軸二舵船の船体運動制御装置は、推力システムと推力システムを制御する操船システムと自船の船体運動状態を観測する観測システムを備え、推力システムは、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舵取機と、船首スラスターと、船首スラスターを制御するスラスター制御装置を備え、観測システムは、自船の船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を測定する船速測定装置を備え、操船システムは、接岸操船部を備え、接岸操船部は、接岸操船指令装置とフィードバックコントローラと接岸船体運動制御部を有し、接岸操船指令装置は、３自由度ジョイスティックレバーを有し、レバーの傾倒によって船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を指示し、レバーの軸心周りの捻転によって回頭指令角速度を指示し、フィードバックコントローラは、現在船体運動状態から接岸操船指令装置により指令する目標船体運動状態の船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度と回頭指令角速度を実現するのに必要な指示舵角と指示スラスター推力を算出し、接岸船体運動制御部は、舵取機のそれぞれを制御し、２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体位置と回頭角と船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸操舵制御部と、接岸操舵制御部と協調したスラスター制御装置により船首スラスターのスラスター推力を調整して船体位置と回頭角と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸スラスター制御部を有し、フィードバックコントローラから入力する指示舵角と指示スラスター推力を、接岸操舵制御部および接岸スラスター制御部による制御により実現し、接岸船体運動制御部は、設定舵角範囲内において２枚の高揚力舵のそれぞれの舵角を制御し、設定舵角範囲は、船体がその場停止する左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°のホバー舵角を中心舵角としてホバー舵角周りに十数度の舵角範囲であることを特徴とする。

本発明の一軸二舵船の船体運動制御装置において、３自由度ジョイスティックレバーは、レバーの傾倒によって指示する船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を連続値で指示し、レバーの軸心周りの捻転によって指示する回頭指令角速度を連続値で指示することを特徴とする。

本発明の一軸二舵船の船体運動制御装置において、観測システムは、船速測定装置で測定する実際船体運動の現在船首尾方向速度と現在船幅方向速度と現在回頭角速度をフィードバックコントローラに入力し、フィードバックコントローラは、現在船体運動状態から目標船体運動状態に遷移する際に、時々刻々の実際船体運動状態と目標船体運動状態の誤差が最小化するように指示舵角と指示スラスター推力を算出することを特徴とする。

上記構成により、操船者は１本の３自由度ジョイスティックレバーの操作のみで、複数のアクチュエータによる目標運動状態を指示する。すなわち、３自由度ジョイスティックレバーの傾倒によって前後左右方向の並進運動における船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を連続値で指示し、レバーの捻転によって回頭運動における回頭指令角速度を連続値で指示するだけで、船体運動の船首尾方向速度、船幅方向速度、回頭角速度を制御して自由度の高い操船を行うことができ、接岸操船での岸壁までの距離に対して船首尾方向、船幅方向の接近速度を慎重かつ適切にコントロールすることができ、３自由度ジョイスティックレバーが傾倒しない中立位置に戻ることで船体が速やかに停止してその場停止することができる。

本発明の実施の形態における一軸二舵船の推力システム、操船システム、観測システムを示す模式図 同実施の形態における推進器、高揚力舵、船首スラスターを示す模式図 同実施の形態における船尾部の構成を示す斜視図 同実施の形態における一軸二舵船の操舵制御装置の操船スタンドを示す模式図 同実施の形態における３自由度ジョイスティックレバーを示す斜視図 同実施の形態における操船スタンドの構成を示すブロック図 同実施の形態における自動着桟操船部の構成を示すブロック図 同実施の形態における接岸操船部の構成を示すブロック図 同実施の形態における高揚力舵の稼働範囲を示す模式図 同実施の形態における高揚力舵の組み合せ舵角と旋回方向を示す模式図 同実施の形態における避航操船および着桟の様子を示す模式図

以下、本発明の舵システムに係る実施の形態を図面に基づいて説明する。
（実施例の構成）
本実施の形態における自動着桟機能を有する一軸二舵船は、図１から図９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と自船の船体運動状態を観測する観測システム３００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軸の推進プロペラ１０１と、推進プロペラ１０１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。

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軸の推進プロペラ１０１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を自在に変えることで、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。

観測システム３００は、自船５０１の船首尾方向速度、船幅方向速度、回頭角速度を測定する船速測定装置３１２と、ＧＰＳ等により自船５０１の船位を測定する位置測定装置３１３と、自船５０１の船首方位を測定する方位測定装置３１４と、自船５０１の船首と目標岸壁７００との船首距離および自船５０の船尾と目標岸壁７００との船尾距離を測定する岸壁離隔距離測定装置３１５を備えている。

操船システム２００は、操船スタンド２５０に格納されており、操船スタンド２５０には、ジャイロコンパス２５１、船舶レーダ装置３１０、船速測定装置３１２、位置測定装置３１３、方位測定装置３１４、岸壁離隔距離測定装置３１５が接続している。

船舶レーダ装置３１０は、他船との衝突が予測されるときに警報信号出力部３１１から衝突警報信号を操船スタンド２５０の操船システム２００に発信する。

操船システム２００は、スタンド筺体に以下のものを一体的に備えている。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、ＧＰＳコンパスを用いたオートパイロットによる操縦モードで操船するオート操船部２５３と、ジョイスティックレバー２５４による操縦モードで操船するジョイスティック操船部２５５と、手動操舵輪２５６による操縦モードで操船する手動操船部２５７と、ノンフォローアップ操舵レバー２５８ａ、２５８ｂによる操縦モードで操船するノンフォローアップ操船部２５９と、モード切替スイッチ２６０により各操船部の切替を行うモード切替部２６１を備えている。

さらに、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と、緊急停船釦２６４を操作することにより全ての操縦モードに優先して船舶を緊急に停船させる操縦モードで操船する緊急停船部２６５と、舵制御装置１０６、１０７を介してロータリーベーン舵取機１０４、１０５に指示舵角を与える舵角指示部２８０と、輻輳海域を航行する際に、２隻の船が互いに進路を横切り、衝突の恐れがあるときに、相手船を右舷側に見て航行する自船が行う避航操船の操縦モードで操船する避航操船部２８１と、航海用電子海図をディスプレイ装置２６２に表示する電子海図表示部２８２と、自船の予定航路を航海用電子海図上に設定するコースライン設定部２８３と、コースラインに対する自船の位置ずれを解消する針路補正部２８４を備えている。

また、予定航路の航行に必要な適正操舵角を算出し、算出した適正操舵角を舵角指示部２８０に指示舵角として出力する操船サポート部２９０と、自動着桟釦２７１を操作することで着桟操船を自動で行う自動着桟操船部６００を備えている。

さらに、接岸操船釦３５１と、３自由度ジョイスティックレバー３５２と、接岸操船釦３５１を操作することで３自由度ジョイスティックレバー３５２による操縦モードで操船する接岸操船部６５０を有している。

画像制御部２６３は、航海用電子海図を映す海図表示画像２６６と、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、オート操船部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回頭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転向し、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。

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１０において説明する。

図１０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。舵角は船尾を右に取るのが正（＋）、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、「前進左旋回」は左舷舵－３５°、右舷舵－３５°であり、「前進左回頭」は左舷舵－７０°、右舷舵－３５°であり、「後進左寄せ」は左舷舵－１０５°、右舷舵＋４５°から＋７５°であり、「後進左旋回」は左舷舵－１０５°、右舷舵＋７５°から＋１０５°であり、「前進」は左舷舵０°、右舷舵０°であり、「ホバー」（船体のその場停止）は左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°であり、「後進」は左舷舵－１０５°、右舷舵＋１０５°であり、「前進右旋回」は左舷舵＋３５°、右舷舵＋３５°であり、「前進右回頭」は左舷舵＋３５°、右舷舵＋７０°であり、「後進右寄せ」は左舷舵－４５°から－７５°、右舷舵＋１０５°であり、「後進右旋回」は左舷舵－７５°から－１０５°、右舷舵＋１０５°である。

また、「前進左回頭」時に右舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、左回頭速度をより大きくすると、「その場左回頭」となり、「前進右回頭」時に左舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、右回頭速度を大きくすると、「その場右回頭」とすることができる。

同様に、「後進左寄せ」時に左舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、右回頭速度を大きくすると、「その場右回頭」となり、「後進右寄せ」時に右舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、左回頭速度を大きくすると、「その場左回頭」となる。

また、船首クラスター１０８のスラスター推力を加減することによって、回頭中心を移動させることができる。

このように、２枚の高揚力舵１０２、１０３および船首スラスター１０８を装備した一軸二舵の船は、高揚力舵１０２、１０３の組み合わせ舵角を種々に変えることによって、推進力の方向と大きさを船の全方位に対して自在に可変して出力することができ、船首スラスター１０８のスラスター推力を組み合わせることで、その場回頭を実現できる。

オート操船部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予め定めた設定針路に誘導制御する。

緊急停船部２６５は、緊急時に緊急停止釦２６４を押すと、ジョイスティックレバー２５４でいかなる操船状態を指示していようとも、あるいは他の操縦モードで操船していても、現在の操船に係る舵角をキャンセルして、左舷舵１０３を取舵方向（上から見て時計回りの方向）に、右舷舵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。

手動操船部２５７は、手動操舵輪２５６の回転操作により二枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を制御して操船する。

ノンフォローアップ操船部２５９は、ノンフォローアップ操舵レバー２５８ａ、２５８ｂを左右に操作している時間に応じて右舷もしくは左舷に舵を切る。

避航操船部２８１は、ジャイロコンパス２５１および船舶レーダ装置３１０から得られる自船５０１および単一もしくは複数の相手船４０１、４０２の位置情報、自船５０１および相手船４０１、４０２の方位情報、相手船４０１、４０２との距離情報、および相手船４０１、４０２との相対速度情報に基づいて、その時々の状況に応じて推進方向や船速を自動的に制御して避航操船を行う。

針路補正部２８４は、後述するデジタルツイン演算部２９１により航海用電子海図上に再現する自船の船首方位がコースラインと平行をなす状態で、自船からコースラインまでの最短離隔距離をコースラインに対する自船の船位の位置ずれ量として求め、最短離隔距離が設定許容域を超えると、船首方位をコースラインに交わる針路に向けるために設定した針路補正舵角を舵角指示部２８０に出力する。

操船サポート部２９０は、デジタルツイン演算部２９１と、シミュレーション演算部２９２と、外力の合力演算部２９３と、指示舵角演算部２９４を有している。

デジタルツイン演算部２９１は、船速測定装置３１２で測定する自船の船速と、位置測定装置３１３で測定する自船の船位と、方位測定装置３１４で測定する自船の船首方位をリアルタイムで収集し、現在操舵角において実現する自船の現実船体運動を航海用電子海図上に再現する。

シミュレーション演算部２９２は、現在操舵角において演算により想定する自船の想定船体運動を航海用電子海図上に表示する。

外力の合力演算部２９３は、現実船体運動と想定船体運動における船速差、船位差、船首方位差に基づいて船体に作用する外力の合力の作用方向と大きさを算出する。

指示舵角演算部２９４は、外力の合力に抗するための補正舵角を算出し、現在操舵角を補正舵角で補正して適正操舵角を算出する。

自動着桟操船部６００は、自動着桟指令部６１０と船体運動制御部６２０とセンサー部６３０を有する。センサー部６３０は、観測システム３００の各測定装置の出力を船体運動制御部６２０に入力する。

自動着桟指令部６１０は、目標岸壁７００に向けての接岸航行を担う岸壁接近操舵部６１１と、目標岸壁７００に近接する位置から目標岸壁７００に向けて自船を接近させる岸壁着桟操舵部６１２を有する。

岸壁近接操舵部６１１は、航海用電子海図上で選択設定した目標岸壁７００に至る接岸針路に自船５０１を向かわせる船体運動の運動指令方向と、当該船体運動に必要な船首尾方向指令速度および船幅方向指令速度を船体運動制御部６２０へ指令する。

岸壁着桟操舵部６１２は、目標岸壁７００に近接する位置において自船５０１の船首尾方向を目標岸壁７００と平行にし、この平行状態を維持しつつ自船５０１を目標岸壁７００への着桟に向けて接近させる操舵を船体運動制御部６２０へ指令する。

船体運動制御部６２０は、ロータリーベーン舵取機１０４、１０５のそれぞれを制御し、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操舵制御部６２１と、スラスター制御装置１０９により船首スラスター１０８のスラスター推力を調整して船首方向を制御するスラスター制御部６２２を有する。

図１１に示すように、船体運動制御部６２０は、岸壁近接操舵部６１１の指令下において、操舵制御部６２１およびスラスター制御部６２２により、運動指令方向、船首尾方向指令速度および船幅方向指令速度を実現して、目標岸壁７００と設定距離を隔てた位置まで航行する。

そして、岸壁着桟操舵部６１２の指令下において、操舵制御部６２１およびスラスター制御部６２２により、岸壁離隔距離測定装置３１５で測定する船首距離および船尾距離が等しくなり、自船の船首尾方向が目標岸壁７００と平行となるその場回頭の操舵を実施し、さらに、この平行状態を維持しつつ自船５０１を目標岸壁７００への着桟に向けて正横方向に接近させる真横移動の操舵を実施する。

接岸操船部６５０は、フィードバックコントローラ６５１と接岸船体運動制御部６５２を有している。

３自由度ジョイスティックレバー３５２は、接岸操船指令装置をなし、レバーの傾倒によって船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を連続値で指示し、レバーの軸心周りの捻転によって回頭指令角速度を連続値で指示する。

すなわち、３自由度ジョイスティックレバー３５２は、Ｘ－Ｙ方向の何れの方向へも操作可能に、かつＺ方向であるレバーの軸心周りに捻転可能に構成されており、３自由度ジョイスティックレバー３５２の傾倒方向で指令運動方向の指令速度、すなわち船首尾方向指令速度成分と船幅方向指令速度成分の割合を制御し、傾倒方向における傾倒角度で船首尾方向指令速度、船幅方向指令速度を制御し、レバーの軸心周りの捻転によって回頭指令角速度を制御する。

また、３自由度ジョイスティックレバーが傾倒しない中立位置に戻ることで船体が速やかに停止してその場停止する。

フィードバックコントローラ６５１は、現在船体運動状態から３自由度ジョイスティックレバー３５２により指令する船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度と回頭指令角速度を実現するのに必要な指示舵角と指示スラスター推力を算出する。

観測システム３００は、船速測定装置３１２で測定する実際船体運動の現在船首尾方向速度と現在船幅方向速度と現在回頭角速度をフィードバックコントローラ６５１に入力し、フィードバックコントローラ６５１は、現在船体運動状態から目標船体運動状態に遷移する際に、時々刻々実際船体運動状態と目標船体運動状態の誤差が最小化するように指示舵角と指示スラスター推力を算出する。

この指示舵角と指示スラスター推力の算出は、推進プロペラ１０１の回転数に一定に固定した状態、すなわち推進プロペラ１０１の推力を接岸操船時の微速運転状態の下で行う。

接岸船体運動制御部６５２は、ロータリーベーン舵取機１０４、１０５のそれぞれを制御し、２枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を組み合わせて船体位置と回頭角と船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸操舵制御部６５３と、接岸操舵制御部６５３と協調したスラスター制御装置１０９により船首スラスター１０８のスラスター推力を調整して船体位置と回頭角と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸スラスター制御部６５４を有している。

そして、接岸船体運動制御部６５２は、フィードバックコントローラ６５１から入力する指示舵角と指示スラスター推力を、接岸操舵制御部６５３および接岸スラスター制御部６５４による制御により実現する。

接岸船体運動制御部６５２の接岸操舵制御部６５３は、設定舵角範囲内において２枚の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角を制御する。設定舵角範囲は、船体がその場停止する左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°のホバー舵角を中心舵角としてホバー舵角周りに十数度の舵角範囲である。

以下、上記構成における作用を説明する。
１．ジョイスティックによる操縦モード
モード切替スイッチ２６０を操作して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、船幅方向指令推力を指令する。

この操船においては、推進プロペラ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゜の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．緊急停船部による操縦モード
緊急停船釦２６４を押すことの一挙動で、緊急停船部２６５を起動し、全ての操縦モードに優先して船舶を緊急に停船させることができる。すなわち、ジョイスティックレバー２５４の操舵モードにかかわらず、あるいは他の操縦モードにかかわらず、緊急停船部２６５によってクラッシュアスターンモード（左舷舵は左般１０５°、右舷舵は右舷１０５゜に舵を取る「ＡＳＴＥＲＮ」）に切換えて、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。

また、クラッシュアスターンモードにおいても、主機関を止めて後進再始動をする必要がないため、操船中にいわゆる無制御状態となることがないので、航行における事態ヘのすばやい対応が可能である。

尚、緊急停船部２６５による操船中に、船の特性、外乱等により旋回を起した場合や、または必要によって船首方位を含めて進行力向を変えたい場合には、そのままジョイスティックレバー２５４を操作すれば通常のジョイスティック操作と同様に、ジョイスティックレバー２５４によって自在に操船して避行航行することができる。
３．オートパイロットによる操縦モード
通常航行操船では、モード切替スイッチ２６０を操作してオートパイロットによる操縦モードを選択する。

ディスプレイ装置２６２のモニター画面上にオート操船操作画像２６９を表示し、モニター画面上のタッチ操作によりオート操船部２５３に自船の位置、進みたい方位、到達したい位置ないし船首尾線方位を入力し、設定した針路で船を自動誘導操船する。

さらに、電子海図表示部２８２によりディスプレイ装置２６２のモニター画面上に海図表示画像２６６として航海用電子海図を表示し、コースライン設定部２８３により自船の予定航路を航海用電子海図上に設定する。

オート操船部２５３は、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適宜に舵角を制御する。オートパイロットは、オート操船操作画像２６９において設定した進みたい方位また船首尾線方位としてジャイロコンパスが示す針路を保持する。

しかし、自船の船位をコースライン上に保持するものではないので、航海用電子海図上で船首方位がコースラインと平行をなす状態を保ちつつ、風圧や海潮流などによって船位がコースラインからずれる場合がある。

針路補正部２８４は、デジタルツイン演算部により航海用電子海図上に再現する自船の船首方位が、オートパイロットによる操船によって航海用電子海図上でコースラインと平行をなす状態で、自船からコースラインまでの最短離隔距離をコースラインに対する自船の船位の位置ずれ量として求める。

そして、最短離隔距離が設定許容域を超えると、オートパイロットによる操船を一時停止し、船首方位をコースラインに交わる針路に向けるために設定した針路補正舵角を舵角指示部２８０に出力する。

舵角指示部２８０が、舵制御装置１０６、１０７を介してロータリーベーン舵取機１０４、１０５に針路補正舵角を与え、針路補正部２８４は、船位がコースラインに達したらオートパイロットによる操船に復帰する。

操船サポート部２９０は、デジタルツイン演算部２９１により、船速測定装置３１２で測定する自船の船速と、位置測定装置３１３で測定する自船の船位と、方位測定装置３１４で測定する自船の船首方位をリアルタイムで収集し、現在操舵角において実現する自船の現実船体運動を、ディスプレイ装置２６２のモニター画面に表示する航海用電子海図上に再現する。

デジタルツイン演算部２９１が航海用電子海図上に再現する自船の現実船体運動は、現在操舵角により船体に与える駆動力と、水の抵抗、風力、潮力等々が船体に与える種々の外力とにより定まる。

船体に作用する外力のその全てを個々に測定することはできないが、航海用電子海図上に再現する自船の現実船体運動は、船体に作用する外力のその全てが影響した結果として現れる。

シミュレーション演算部２９２は、現在操舵角において演算により想定する自船の想定船体運動を航海用電子海図上に表示する。

このシミュレーション演算部２９２が航海用電子海図上に表示する自船の想定船体運動は、現在操舵角において船体に与える駆動力、すなわち推進プロペラ１０１の推力と高揚力舵１０２、１０３の舵角の組合せにより生じる力を演算し、この駆動力を船体に作用する力として算出する。ここでのシミュレーション演算部２９２による演算にはいずれの外力も考慮されていない。しかし、測定可能な個々の外力はシミュレーション演算部２９２による演算に取り込むことも可能であるが、個々の外力をシミュレーション演算部２９２の演算に取り込むことは煩雑であり、測定不能の外力もあるので、すべての外力をシミュレーション演算部２９２の演算に取り込むことは不可能である。

このため、デジタルツイン演算部２９１が、リアルタイムで収集する自船の船速、自船の船位、自船の船首方位に基づいて航海用電子海図上に再現する現実船体運動と、シミュレーション演算部２９２が航海用電子海図上に表示する想定船体運動とを比較することは、制御可能な駆動力と制御不能な外力とが作用する実際の結果の現実船体運動と、制御可能な駆動力だけが作用すると想定する演算の結果の想定船体運動を比較することになる。

よって、船体に作用する風や波浪、海潮流等の個々の外力を演算により求めることなく、現実船体運動と想定船体運動の間に生じる動きの差によって、船体に作用するすべての外力の合力の作用方向と大きさを捉えることができる。

そして、外力の合力演算部２９３が、現実船体運動と想定船体運動における船速差、船位差、船首方位差に基づいて船体に作用する外力の合力の作用方向と大きさを算出する。この外力の合力の作用方向と大きさに基づいて、指示舵角演算部２９４が外力の合力に抗するための補正舵角を算出し、現在操舵角を補正舵角で補正することで、適正操舵角、すなわち航海用電子海図上に設定した予定航路の航行に必要な操舵角を算出する。操船サポート部２９０は、算出した適正操舵角を舵角指示部２８０に指示舵角として出力する。

オート操船部２５３は、コースライン上にある対象物に対する停止操船において、推進プロペラ１０１を常に前進回転のままで、双方の高揚力舵１０２、１０３に舵角を与えてプロペラ後流の推力を後進推力となし、後進推力により自船５０１の前進方向への慣性力に抗して自船５０１を減速させ、双方の高揚力舵１０２、１０３に与える舵角を、プロペラ後流を後進推力として最大に作用させる舵角からプロペラ後流の前進推力をなくす舵角までの範囲で制御する。

この停止操船においても外力の影響を考慮し、外力の合力演算部２９３が算出する外力の合力に基づいて指示舵角演算部２９４が自船５０１と対象物までの距離間において停船に至る適正船速に減速させるのに必要な双方の高揚力舵１０２、１０３の適正操舵角を算出する。
４．手動による操縦モード
モード切替スイッチ２６０を操作して手動操舵輪２５６による操縦モードを選択する。この操縦モードでは、手動操舵輪２５６の回転操作により二枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を手動操船部２５７に指示し、二枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角を制御して操船する。
５．ノンフォローアップの操縦モード
モード切替スイッチ２６０を操作してノンフォローアップ操縦レバー２５８ａ、２５８ｂによる操縦モードを選択する。この操縦モードでは、ノンフォローアップ操船部２５９により、ノンフォローアップ操舵レバー２５８ａ、２５８ｂのそれぞれを左右に操作している時間に応じて、ノンフォローアップ操舵レバー２５８ａ、２５８ｂのそれぞれに対応する各ロータリーベーン舵取機１０４、１０５が右舷もしくは左舷に舵を切る。
６．避航操船の操縦モード
輻輳海域を航行する場合には、モード切替スイッチ２６０を操作して避航操船部２８１による操縦モードを選択する。

この輻輳海域を航行する避航操船の操船モードにおいて、相手船４０１、４０２が自船５０１のコースライン５０２を横切り、衝突の恐れがあるときに船舶レーダ装置３１０が衝突警報信号を発信すると、避航操船部２８１が避航操船を行う。

避航操船部２８１は、図８に示すように、輻輳海域を航行する避航操船の操船モードにおいて、相手船４０１、４０２が航海用電子海図上で自船５０１のコースライン５０２を横切り、衝突の恐れがあるときには、船舶レーダ装置３１０が発する衝突警報信号を受けて、相手船４０１、４０２を右舷側に見て航行する自船５０１の現状のコースライン５０２を継続航行しつつ、推進プロペラ１０１を常に前進回転のままで、双方の高揚力舵１０２、１０３に舵角を与えてプロペラ後流の推力を後進推力となし、後進推力により自船５０１の前進方向への慣性力に抗して自船５０１を減速させて相手船４０１、４０２との衝突を回避する。

避航操船部２８１が双方の高揚力舵１０２、１０３に与える舵角は、プロペラ後流を後進推力として最大に作用させる舵角からプロペラ後流の前進推力をなくす舵角までの範囲である。そして、推進プロペラ１０１を一定の前進回転のままに、舵角に応じて増減する後進推力を相手船４０１、４０２との距離に見合って制御し、相手船４０１、４０２が自船５０１のコースライン５０２を横切って通過するのに必要な時間を確保できる船速に減速する。

この避航操船においても、外力の影響を考慮し、外力の合力演算部２９３が算出する外力の合力に基づいて指示舵角演算部２９４が自船５０１と相手船４０１、４０２までの距離間において相手船４０１、４０２を避ける適正船速に減速させるのに必要な双方の高揚力舵１０２、１０３の適正操舵角を算出する。

次に、相手船４０１、４０２が自船５０１のコースライン５０２を横切って通過した後に、双方の高揚力舵１０２、１０３の舵角を制御し、プロペラ後流の推力を前進推力となしてコースライン５０２を継続航行する操船を行う。
７．自動着桟の操縦モード
目標岸壁７００に自動着桟する操船を行う場合には、自動着桟釦２７１を操作して自動着桟操船部６００を起動する。

自動着桟操船部６００は、センサー部６３０により、観測システム３００の各測定装置の出力を船体運動制御部６２０に入力する。

自動着桟指令部６１０の岸壁近接操舵部６１１は、航海用電子海図上で選択設定した目標岸壁７００に至る接岸針路に自船５０１を向かわせる船体運動の運動指令方向と、当該船体運動に必要な船首尾方向指令速度および船幅方向指令速度を船体運動制御部６２０へ指令する。

船体運動制御部６２０は、岸壁近接操舵部６１１の指令下において、センサー部６３０から自船５０１の船首尾方向速度および船幅方向速度、自船５０１の船位、自船５０１の船首方位、自船５０１の船首と目標岸壁７００との船首距離および自船５０１の船尾と目標岸壁７００との船尾距離を受けつつ、操舵制御部６２１およびスラスター制御部６２２により、運動指令方向、船首尾方向指令速度および船幅方向指令速度を実現して、目標岸壁７００と設定距離を隔てた位置まで航行する。

岸壁着桟操作部６１２は、目標岸壁７００に近接する位置において自船５０１の船首尾方向を目標岸壁７００と平行にし、この平行状態を維持しつつ自船５０１を目標岸壁７００への着桟に向けて接近させる操舵を船体運動制御部６２０へ指令する。

船体運動制御部６２０は、岸壁着桟操舵部６１２の指令下において、センサー部６３０から自船５０１の船首尾方向速度および船幅方向速度、自船５０１の船位、自船５０１の船首方位、自船５０１の船首と目標岸壁７００との船首距離および自船５０１の船尾と目標岸壁７００との船尾距離を受けつつ、操舵制御部６２１およびスラスター制御部６２２により、岸壁離隔距離測定装置３１５で測定する船首距離および船尾距離が等しくなり、自船の船首尾方向が目標岸壁７００と平行となるその場回頭の操舵を実施し、さらに、この平行状態を維持しつつ自船５０１を目標岸壁７００への着桟に向けて正横方向に接近させる真横移動の操舵を実施する。

この操舵は以下のように行う。例えば、「後進左寄せ」時に右舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、左横移動となり、「後進右寄せ」時に左舷方向に向けて船首スラスター１０８のスラスター推力を加えることで、右横移動となる。

このため、岸壁接近操舵部６１２の指令下で、船首尾方向を目標岸壁に向けた接岸航行において目標岸壁に近接する位置まで航行することができ、目標岸壁７００に対するアプローチを、狭い水域において、短い航路で短時間に行え、接岸時に受ける離岸流や向岸流の潮力、潮汐、風力等の船体に影響する外力の状況を軽減できる。

また、接岸時に、船体に作用する風や波浪、海潮流等の外力を考慮して操舵角を補正することができ、精度の高い接岸操船を行える。

すなわち、先に説明した操船サポート部２９０は当然に機能し、デジタルツイン演算部２９１が航海用電子海図上に再現する自船５０１の現実船体運動と、シミュレーション演算部２９２が航海用電子海図上に表示する自船５０１の想定船体運動とを比較することにより、船体に作用する風力や波浪、海潮流等の個々の外力を演算により求めることなく、船体に作用するすべての外力の合力の作用方向と大きさを捉えることができる。よって、外力の合力に抗するための補正舵角で、現在操舵角を補正することで、接岸航行に必要な適正操舵角を算出できる。

船の運動特性は、積み荷の状態（積み荷の重量と積み付け位置）によって異なる。同一船速において同一舵角の操舵を行っても、操舵に基づく船体運動は、積み荷の状態に応じて異なったものになる。即ち、船首方位変更をある積荷状態のときに最適な操舵量になるように設定されていたとしても積み荷の状態が変われば同一の操舵量を与えても、船の運動特性はその時どきの積み荷の状態に対応して変化し、操舵量はオーバーシュートしたり、アンダーシュートになったりすることになる。

したがって、常時、操舵に基づく実船体運動特性と想定運動特性を計測してデータ保存を行いつつ、その後の操舵においてはその差異を補正するために、想定船体運動特性と実船体運動特性とが一致するように操舵量を加減して、最適操舵を行わせる。

これにより、安全性の向上のみならず通常航行中における無駄舵をとらないようにして、推進性能の向上を図る。

この接岸航行においても、避航操船と同様の操船を合わせて行うことは当然に可能である。
８．接岸操船モード
自船５０１が目標岸壁７００に接近した状態で、手動による接岸操船を実施する。手動による接岸操船を行う場合には、接岸操船釦３５１を操作して接岸操船部６５０および３自由度ジョイスティックレバー３５２を起動する。接岸操船部６５０の起動に伴って自動着桟操船部６００は終了する。

操船者は１本の３自由度ジョイスティックレバー３５２を操作し、３自由度ジョイスティックレバー３５２の傾倒方向で指令運動方向の指令速度、すなわち船首尾方向指令速度成分と船幅方向指令速度成分の割合を制御し、傾倒方向における傾倒角度で船首尾方向指令速度、船幅方向指令速度を制御し、レバーの軸心周りの捻転によって回頭指令角速度を制御し、複数のアクチュエータによる目標運動状態を指示する。

そして、フィードバックコントローラ６５１により、現在船体運動状態から３自由度ジョイスティックレバー３５２により指令する船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度と回頭指令角速度を実現するのに必要な指示舵角と指示スラスター推力を算出し、接岸船体運動制御部６５２の接岸操舵制御部６５３および接岸スラスター制御部６５４により船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を制御する。

本実施の形態の一軸二舵船の操船においては、推進プロペラ１０１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。

よって、３自由度ジョイスティックレバー３５２の傾倒によって前後左右方向の並進運動における船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を連続値で指示し、レバーの捻転によって回頭運動における回頭指令角速度を連続値で指示するだけで、船体位置と回頭角と船体運動の船首尾方向速度、船幅方向速度、回頭角速度を制御して自由度の高い操船を行うことができ、接岸操船での岸壁までの距離に対して船首尾方向、船幅方向の接近速度を慎重かつ適切にコントロールすることができる。また、３自由度ジョイスティックレバーが傾倒しない中立位置に戻ることで船体が速やかに停止してその場停止する。

１００ 推力システム
１１０ 船体
１０１ 推進プロペラ
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
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 オート操船部
２５４ ジョイスティックレバー
２５５ ジョイスティック操船部
２５６ 手動操舵輪２５６
２５７ 手動操船部２５７
２５８ａ、２５８ｂ ノンフォローアップ操舵レバー
２５９ ノンフォローアップ操船部
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
２６４ 緊急停船釦
２６５ 緊急停船部
２６６ 海図表示画像
２６７ ジャイロ方位表示画像
２６８ 方位表示部操作画像
２６９ オート操船操作画像
２７１ 自動着桟釦
２８０ 舵角指示部
２８１ 避航操船部
２８２ 電子海図表示部
２８３ コースライン設定部
２８４ 針路補正部
２９０ 操船サポート部
２９１ デジタルツイン演算部
２９２ シミュレーション演算部
２９３ 外力の合力演算部
２９４ 指示舵角演算部
３００ 観測システム
３１０ 船舶レーダ装置
３１１ 警報信号出力部
３１２ 船速測定装置
３１３ 位置測定装置
３１４ 方位測定装置
３１５ 岸壁離隔距離測定装置
３５１ 接岸操船釦
３５２ ３自由度ジョイスティックレバー
４０１、４０２ 相手船
５０１ 自船
５０２ コースライン
６００ 自動着桟操船部
６１０ 自動着桟指令部
６１１ 岸壁接近操作部
６１２ 岸壁着桟操作部
６２０ 船体運動制御部
６２１ 操舵制御部
６２２ スラスター制御部
６３０ センサー部
６５０ 接岸操船部
６５１ フィードバックコントローラ
６５２ 接岸船体運動制御部
６５３ 接岸操舵制御部
６５４ 接岸スラスター制御部
７００ 目標岸壁

Claims (3)

1. 推力システムと推力システムを制御する操船システムと自船の船体運動状態を観測する観測システムを備え、
   推力システムは、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舵取機と、船首スラスターと、船首スラスターを制御するスラスター制御装置を備え、
   観測システムは、自船の船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を測定する船速測定装置を備え、
   操船システムは、接岸操船部を備え、接岸操船部は、接岸操船指令装置とフィードバックコントローラと接岸船体運動制御部を有し、
   接岸操船指令装置は、３自由度ジョイスティックレバーを有し、レバーの傾倒によって船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を指示し、レバーの軸心周りの捻転によって回頭指令角速度を指示し、
   フィードバックコントローラは、現在船体運動状態から接岸操船指令装置により指令する目標船体運動状態の船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度と回頭指令角速度を実現するのに必要な指示舵角と指示スラスター推力を算出し、
   接岸船体運動制御部は、舵取機のそれぞれを制御し、２枚の高揚力舵の舵角を組み合わせて船体位置と回頭角と船首尾方向速度と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸操舵制御部と、接岸操舵制御部と協調したスラスター制御装置により船首スラスターのスラスター推力を調整して船体位置と回頭角と船幅方向速度と回頭角速度を制御する接岸スラスター制御部を有し、フィードバックコントローラから入力する指示舵角と指示スラスター推力を、接岸操舵制御部および接岸スラスター制御部による制御により実現し、
   接岸船体運動制御部は、設定舵角範囲内において２枚の高揚力舵のそれぞれの舵角を制御し、設定舵角範囲は、船体がその場停止する左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°のホバー舵角を中心舵角としてホバー舵角周りに十数度の舵角範囲であることを特徴とする一軸二舵船の船体運動制御装置。
2. ３自由度ジョイスティックレバーは、レバーの傾倒によって指示する船首尾方向指令速度と船幅方向指令速度を連続値で指示し、レバーの軸心周りの捻転によって指示する回頭指令角速度を連続値で指示することを特徴とする請求項１に記載の一軸二舵船の船体運動制御装置。
3. 観測システムは、船速測定装置で測定する実際船体運動の現在船首尾方向速度と現在船幅方向速度と現在回頭角速度をフィードバックコントローラに入力し、
   フィードバックコントローラは、現在船体運動状態から目標船体運動状態に遷移する際に、時々刻々の実際船体運動状態と目標船体運動状態の誤差が最小化するように指示舵角と指示スラスター推力を算出することを特徴とする請求項１に記載の一軸二舵船の船体運動制御装置。

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