JPH05272585A - 回転揺れ制振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】従来の回転揺れ制振装置を大幅に改修すること
なく、母機の走行時及び停止時における制振効果を向上
する。 【構成】母機１０の回転角速度は、角速度センサ５によ
って検出され、微分器１１、積分器１２、及びジンバル
制御入力演算器６ａに送られる。送出された信号は、微
分器１１にて微分、積分器１２にて積分された後、上記
ジンバル制御入力演算器６ａに送られる。このジンバル
制御入力演算器６ａは、送られた各信号に基づき、母機
制振則に従った制御信号を生成し、上記ジンバル制御器
７に出力する。ジンバル制御器７はこの制御信号を入力
し、これに従ってジンバル駆動モータ３を駆動し、上記
ジンバル２を回転制御する。このジンバル２が回転制御
されることにより発生する才差トルクは、ジンバル支持
フレーム４ａ，４ｂを介して母機１０に伝えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、プレジャーボート、
遊漁船、ヨット等の船艇・船舶や、スキー用ゴンドラ、
ロープウェイ等の懸垂型輸送機・乗物（索道搬機）に適
用される回転揺れ制振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、船の波揺れやスキー用ゴンドラの
風揺れ等を低減するためには、まず高速回転するジャイ
ロとそれを支えるためのジンバルとを適当に母機に設置
する。そして母機の回転揺れをセンサで計測し、この母
機の回転揺れに合わせてジンバルをモータ等により回転
制御し、発生するジャイロの才差トルクにより母機回転
揺れの減衰を得る。従って、上述したモータ制御による
アクティブ制振の替わりにパッシブ制振、即ち、電気抵
抗付ジェネレータを用いたり、あるいは機械的な摩擦ド
ラムやオリフィス付の油圧ポンプ等を用いても上述と同
様なダンパー効果を得ることができる。従来の回転揺れ
ダンパーの構成を図６に示す。

【０００３】母機１０には高速回転するジャイロ１と、
これを上下方向から挟むようにジンバル２が設けられて
いる。このジンバル２の軸端にはジンバル駆動モータ３
が設けられ、このジンバル駆動モータ３が駆動すること
により軸を中心にジンバル２が回転できるようになって
いる。更に、上記ジンバル２の軸にはジンバル支持フレ
ーム４ａ，４ｂが、該軸の回転を妨げることのないよう
に設けられている。このジンバル支持フレーム４ａ，４
ｂは、上記ジンバル２が回転することにより発生する才
差トルクを上記母機１０に伝達する。

【０００４】角速度センサ５は、母機１０の回転揺れ角
速度（φ′）を検出し、この角速度信号をジンバル制御
入力演算器６に送る。このジンバル制御入力演算器６
は、上記角速度信号に基づき、制御信号を生成し、これ
をジンバル制御器７に出力する。このジンバル制御器７
は、送られた制御信号と、上記ジンバル駆動モータ３か
ら送られる信号とに従ってジンバル駆動モータ３を駆動
制御する。この際、上記角速度（φ′）に応じ、クーロ
ン摩擦型（θ′＝γ sgnφ′）や粘性抵抗型（θ′＝γ
φ′）でジンバルを制御することにより母機１０の回転
揺れに適当な減衰を与えることができる。但し、

【０００５】

【数１】 のように、′は時間微分を示し、 sgnｚは正、負に応じ
て各々＋１，−１をとる記号とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
法では、メカニカル方式を適用した場合、モータ方式を
適用した場合、又、モータを制御してアクティブに制御
する場合、モータをジェネレータとしてパッシブに制振
する場合のいずれにしろ、母機の力学的エネルギーをジ
ャイロジンバルを用いて散逸することにより制振するた
め原則的にダンパーとして利用される。このとき、母機
の応答は一般に次式で得られる。

【０００７】

【数２】

【０００８】

【数３】 上記した式は、例えば船のローリング揺れに関する場
合、下記に示す基礎式より得られるものである。船のロ
ーリング揺れに関する運動方程式 Ｉφ″＋Ｃφ′＋Ｋφ＝Ｔ−Ｈθ′ …（３） 母機制振則（ジンバルのピッチ運動制御入力作成法則） θ′＝γφ′ …（４） これより下記に示す関係式が得られる。

【０００９】

【数４】 又、船の波浪によるローリング揺れを考慮すると、Ｔ＝
Ｋφw で近似できる為、上記（１），（２）式は、各々
下記（６），（７）で表わすことができる。

【００１０】

【数５】 又、通常Ｋ＝Ｗｌ で表わせる。 Ｗ：船の重量 ｌ：船のメタセンター高さ

【００１１】ここで周波数ｆ（Ｈｚ）に対するφw のパ
ワースペクトル密度関数と母機回転運動の伝達関数の絶
対値の２乗との積を示した図４（ｃ）を参照する。この
図４（ｃ）及び上記（５）式から判るように、従来技術
は母機の回転運動減衰比ｈ、を大きくして固有周波数ｆ
_n における山（ピーク）を低くすることにより母機の回
転角速度の実行値φ_rms を小さく押さえ込もうとするも
のである。しかし、これは逆にいえば上記固有周波数ｆ
_n 以外の周波数においては効果がなく、又、本来の母機
の回転等価粘性抵抗係数Ｃにより減衰がそもそも大きい
ような母機では（例えば船のローリング）、従来技術に
よる減衰付加効果が薄れ、このため母機の回転角速度の
実行値φ_rms もある値以下には小さくできないという問
題が生じる。

【００１２】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、従来のものを大幅に改修することなく制振効果の限
界を広げ、船酔い等の乗心地の改善や稼働率の向上、更
には、転覆や脱索等の安全性に寄与し得る回転揺れ制振
装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る回転揺れ
制振装置は、高速で回転するジャイロと、このジャイロ
を支持するジンバルと、このジンバルを回転運動させる
ジンバル駆動モータと、このジンバル駆動モータを介し
て上記ジンバルを回転制御するジンバル制御器と、上記
ジンバルを回転制御することにより発生する才差トルク
を母機に伝え、回転揺れを抑えるジンバル支持フレーム
と、母機の回転揺れを計測する手段と、この手段により
計測された信号から上記ジンバル制御器に入力する信号
を生成するジンバル制御入力演算器とを具備することを
特徴とする。

【００１４】

【作用】母機の回転揺れを計測する手段から検出信号を
入力したジンバル制御入力演算器は、ジンバル制御器へ
の入力信号を生成する。この際、バネ効果、ダンパー効
果及び慣性効果を適切に配分した母機制振則に基づくジ
ンバル制御信号が生成される。

【００１５】ジンバル制御器はジンバル制御入力演算器
から信号を入力し、これによりジンバル駆動モータを用
いてジンバルを制御する。ジャイロジンバルを回転制御
することにより発生する才差トルクは、ジンバル支持フ
レームを介して母機に伝えられ、外乱による母機の回転
揺れを抑える。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例を
説明する。

【００１７】（第１実施例） この発明に係る回転揺れ
制振装置の第１実施例を図１に示す。レートセンサ等が
適用される角速度センサ５は回転揺れ制振対象とする母
機１０の回転角速度を検出してこの回転角速度信号を微
分器１１、積分器１２、及びジンバル制御入力演算器６
ａに出力する。上記微分器１１は送られた上記回転角速
度信号を微分し、上記積分器１２は同回転角速度信号を
積分し、各々上記ジンバル制御入力演算器６ａに出力す
る。上記ジンバル制御入力演算器６ａは、上記回転角速
度信号と、上記微分器１１及び積分器１２から送られる
各々の信号とに基づいてジンバル制御信号を生成し、ジ
ンバル制御器７に出力する。ジンバル制御器７は、この
ジンバル制御信号に従ってジンバル駆動モータ３を駆動
する。

【００１８】このジンバル駆動モータ３にはジンバル２
の軸が接続されており、ジンバル駆動モータ３を操作す
ることにより、ジンバル２の軸を中心に回転することが
できるようになっている。このジンバル２には、内側に
上下方向から挟まれるようにジャイロ１が接続され、常
時高速回転を行なっている。又、上記ジンバル２の軸に
は、母機１０に固定されるようにジンバル支持フレーム
４ａ，４ｂが設けられている。このジンバル支持フレー
ム４ａ，４ｂは、高速回転を行なっている上記ジャイロ
１を内側に維持した状態で、上記ジンバル２が回転する
ことによって発生する才差トルクを母機に伝達する。

【００１９】次に上記第１実施例の動作を説明する。母
機１０の回転角速度は、角速度センサ５によって検出さ
れ、回転角速度信号として微分器１１、積分器１２、及
びジンバル制御入力演算器６ａに送られる。この回転角
速度信号は、微分器１１にて微分、積分器１２にて積分
された後、上記ジンバル制御入力演算器６ａに送られ
る。このジンバル制御入力演算器６ａは、上記回転角速
度信号と、微分器１１及び積分器１２から送られた各信
号に基づき、制御信号を生成し、上記ジンバル制御器７
に出力する。この際、バネ効果、ダンパー効果、及び慣
性効果を適切に有する母機制振則に基づいたジンバル制
御信号の生成が行なわれる。この母機制振則は後述す
る。ジンバル制御器７はこの制御信号を入力し、これに
従ってジンバル駆動モータ３を駆動し、上記ジンバル２
を回転制御する。このジンバル２が回転制御されること
により発生する才差トルクは、ジンバル支持フレーム４
ａ，４ｂを介して母機１０に伝えられる。

【００２０】ここで、同実施例の制御信号生成における
制振制御について説明する。例として船の波浪によるロ
ーリング揺れの場合をとり上げ、図４を参照して制振の
原理を説明する。

【００２１】図４（ａ）は周波数に対する波傾斜角度の
パワースペクトル密度関数、図４（ｂ）は周波数に対す
るφとφw の伝達関数の絶対値の２乗、図４（ｃ）は周
波数に対する上記図４（ａ）と（ｂ）との積を示す。こ
こで、母機制振則である上記（４）式を見直して、バネ
効果、ダンパー効果、及び慣性効果を適当に配分して持
たせる。即ち、 θ′＝αφ＋γφ′＋βφ″ …（８） このとき、波浪による船のローリング揺れに関する運動
方程式は、 （Ｉ＋βＨ）φ″＋（Ｃ＋γＨ）φ′＋（Ｋ＋αＨ）φ
＝Ｋφw…（９） となる。従って従来方式の特性を表わす式（５），
（７）は各々下記（１０），（１１）式のように変更さ
れる。

【００２２】

【数６】

【００２３】さて、上記（６）式から判るように、φ
_rms を小さくするには一般にバネ効果（α）により、静
的伝達特性（｜Ｇ（０）｜）を小さくし、ダンパー効果
（γ）により減衰比（ｈ）を大きくし、更に、固有周波
数（ｆ_n ）を小さく（但し、ＰＳＤ_T （ｆ）のピーク周
波数がｆ_n より低い場合にはｆ_n を大きくする方がいい
ときもある）すれば良い。即ち、上記（１０），（１
１）式からα，β，γを（６）式の面積が小さくなるよ
うに適切に大きく（或いは０や負に）調整すれば良い。

【００２４】これにより、上記図４（ｃ）に示されるよ
うに主要周波数域での山谷を一様に低く抑えることがで
き、この周波数積分である上記（６）式で示される面積
が小さくなる。よって、母機１０の回転揺れ（φ_rms ）
を非常に小さく制振できる。

【００２５】この制振定数α，β，γの基本設定方法の
指針を与えるために、図５を参照してより詳しく説明す
る。図５（ａ）は、制振を施さない船固有の周波数伝達
特性を表わし、図５（ｂ）は、波傾斜角度のパワースペ
クトル密度関数を表わすものである。一般に、海は外洋
へ出るほど波浪の波長、波高、周期が大きくなり、Ａの
ような傾向をもつ。逆に、入江や湾内、川口等の陸地に
近い海域では波浪の波長、波高、周期が小さくなりＣの
ような傾向をもっている。Ｂはその中間状態の波浪を表
わす。ここでは、上述した典型例において、上記α，
β，γの重点設定法について説明する。

【００２６】上記Ａのような波浪が発生する海域では明
らかに｜Ｇ（０）｜を小さくすれば良いので、上記（１
１）式よりαを重点的に大きくする。このとき、上記
（１０）式より減衰比が小さくなるが、固有周波数が大
きくなるため波との同調が避けられる。逆に上記Ｃのよ
うな波浪が発生する海域では明らかに固有周波数を小さ
くすれば良いので、上記（１０）式よりβを重点的に大
きくして波との同調を避け、高周波数域でのゲインを急
減させてしまうようにする。それらの中間の上記Ｂのよ
うな波浪が発生する海域では、２つの制振方針がある。
１つは波との同調を避けるため、αかβのいずれかを大
きくする方法であり、他方は同調を避けず、減衰を大き
くするために重点的にγを大きくする方法である。いず
れにしろ、このようにして求められたα，β，γの具体
的設定手段については、船の用途、目的と海域、波浪の
性質により、

【００２７】（１）上記α，β，γの最適値を固定して
外部から変更できないようにする手段、（２）その日の
運航計画に応じ、オペレータが適切なチャートを見なが
ら設定値を変更可能にする手段、（３）何等かの手段で
波浪データを適当な時間間隔で蓄積し、予め搭載された
コンピュータで最適なα，β，γを求め、自動設定を可
能とする手段、等各種考えられる。

【００２８】（第２実施例） この発明に係る回転揺れ
制振装置の第２実施例を図２に示す。傾斜計等の角度セ
ンサ１３は回転揺れ制御対象とする母機１０の回転角度
を検出してこの回転角度信号を微分器１１ａ及びジンバ
ル制御入力演算器６ｂに出力する。上記微分器１１ａ
は、送られた回転角度信号を微分した後、これをもう一
つの微分器１１ｂと上記ジンバル制御入力演算器６ｂと
に出力する。微分器１１ｂは上記微分器１１ａから送ら
れた信号を更に微分した後、上記ジンバル制御入力演算
器６ｂに出力する。このジンバル制御入力演算器６ｂ
は、上記回転角度信号と、上記微分器１１ａ，１１ｂか
ら送られる各信号とに基づいてジンバル制御信号を生成
し、ジンバル制御器７に出力する。その他は上記図１に
示す第１実施例と同様の構成であるので、詳細な説明は
省略する。

【００２９】次に同実施例の動作を説明する。母機１０
の回転角度は、角度センサ１３によって検出され、回転
角度信号として微分器１１ａ及びジンバル制御入力演算
器６ｂに送られる。上記回転角度信号は、上記微分器１
１ａにて微分され、もう一方の微分器１１ｂ及び上記ジ
ンバル制御入力演算器６ｂに送られる。上記微分器１１
ｂに送られた信号は更に微分され、上記ジンバル制御入
力演算器６ｂに送られる。上記ジンバル制御入力演算器
６ｂは、角度センサ１３、微分器１１ａ，１１ｂから送
られる各々の信号を入力し、上記第１実施例のジンバル
制御入力演算器６ａと同様に上記（８）式の母機制振則
に従って制御信号を生成し、ジンバル制御器７に出力す
る。ジンバル制御器７はこの制御信号を入力し、これに
従ってジンバル駆動モータ３を駆動し、上記ジンバル２
を回転制御する。このジンバル２が回転制御されること
により発生する才差トルクは、ジンバル支持フレーム４
ａ，４ｂを介して母機１０に伝えられる。これにより、
母機１０の回転揺れ運動の慣性、減衰、及び剛性を増強
することができ、相対的に母機１０に対する外乱を小さ
くすることができる。

【００３０】（第３実施例） この発明に係る回転揺れ
制御装置の第３実施例を図３に示す。レートセンサ等の
角速度センサ５は、回転揺れ制振対象とする母機１０の
回転角速度を検出し、この回転角速度信号を微分器１１
及びジンバル制御入力演算器６ｃに出力する。上記微分
器１１は上記回転角速度信号を微分した後、ジンバル制
御入力演算器６ｃに出力する。又、傾斜計等の角度セン
サ１３は、上記母機１０の回転角度を検出し、この回転
角度信号を上記ジンバル制御入力演算器６ｃに出力す
る。このジンバル制御入力演算器６ｃは、上記回転角速
度信号、この回転角速度信号を微分した信号、及び上記
回転角度信号とに基づいてジンバル制御信号を生成し、
ジンバル制御器７に出力する。その他は上記図１に示す
第１実施例及び上記図２に示す第２実施例と同様の構成
であるので、詳細な説明は省略する。

【００３１】次に同実施例の動作を説明する。母機１０
の回転角速度は、角速度センサ５によって検出され、回
転角速度信号として微分器１１及びジンバル制御入力演
算器６ｃに送られる。上記回転角速度信号は、上記微分
器１１にて微分され、上記ジンバル制御入力演算器６ｃ
に送られる。又、上記母機１０の回転角度は、角度セン
サ１３によって検出され、回転角度信号として上記ジン
バル制御入力演算器６ｃに送られる。このジンバル制御
入力演算器６は、角速度センサ５、微分器１１、及び角
度センサ１３から送られる各々の信号を入力し、上記第
１実施例のジンバル制御入力演算器６ａ及び上記第２実
施例のジンバル制御入力演算器６ｂと同様に上記（８）
式の母機制振則に従って制御信号を生成し、ジンバル制
御器７に出力する。ジンバル制御器７はこの制御信号を
入力し、これに従ってジンバル駆動モータ３を駆動し、
上記ジンバル２を回転制御する。このジンバル２が回転
制御されることにより発生する才差トルクは、ジンバル
支持フレーム４ａ，４ｂを介して母機１０に伝えられ
る。これにより、母機１０の回転揺れ運動の慣性、減
衰、及び剛性を増強することができ、相対的に母機１０
に対する外乱を小さくすることができる。

【００３２】上述したように第１実施例から第３実施例
のいずれの実施例においても、上記（８）式の母機制振
則によれば、上記（９）式に示すように、母機回転揺れ
運動の慣性、減衰、及び剛性を増強でき、相対的に上記
（９）式の右辺に示されるような外乱を小さく抑えるこ
とができる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳記したようにこの発明によれば、
ダンパーとしての従来の制振装置をセンサ及びジンバル
制御入力演算器の改修のみにより、バネ＋ダンパー＋慣
性型の制振装置に改良できるため、従来品を大幅に改修
することなく従来品の有する制振効果の限界を広げるこ
とができる。

【００３４】更に、制振効果が向上することにより、船
酔い等の乗心地や稼働率が向上し、船の転覆やゴンドラ
リフトの脱索等を防ぎ、安全性をも高めることができ
る。又、釣り船においては、揺れが低減することによ
り、釣りそのものの効果が増大することも期待できる。
尚、以上の説明は上記（８）式の母機制振則についての
ものであるが、上記（８）式右辺の３つの項は必ずしも
必要ではなく、外乱特性及び母機特性等によりいずれか
１つ以上の組み合わせでも良い。更に、この発明による
効果は、走行時でも停止時でも船速によらず有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例に係る回転揺れ制振装置
の構成を示すブロック図。

【図２】同発明の第２実施例に係る回転揺れ制振装置の
構成を示すブロック図。

【図３】同発明の第３実施例に係る回転揺れ制振装置の
構成を示すブロック図。

【図４】同実施例における制振効果を示す説明図。

【図５】同実施例における制振定数の基本設定指針を示
す説明図。

【図６】従来の回転揺れダンパーを示すブロック図。

【符号の説明】

１…ジャイロ、２…ジンバル、３…ジンバル駆動モー
タ、４ａ，４ｂ…ジンバル支持フレーム、５…角速度セ
ンサ、６ａ，６ｂ，６ｃ…ジンバル制御入力演算器、７
…ジンバル制御器、１０…母機、１１…微分器、１２…
積分器、１３…角度センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高速で回転するジャイロと、このジャイ
   ロを支持するジンバルと、このジンバルを回転運動させ
   るジンバル駆動モータと、このジンバル駆動モータを介
   して上記ジンバルを回転制御するジンバル制御器と、上
   記ジンバルを回転制御することにより発生する才差トル
   クを母機に伝え、回転揺れを抑えるジンバル支持フレー
   ムと、母機の回転揺れを計測する手段と、この手段によ
   り計測された信号から上記ジンバル制御器に入力する信
   号を生成するジンバル制御入力演算器とを具備すること
   を特徴とする回転揺れ制振装置。