JPWO2019069382A1 - 操船支援装置 - Google Patents

Abstract

転舵角が可変な船外機と、左右方向への推力を出力する動力装置と、操舵機構とを有する船舶のための操船支援装置は、船外機が有するプロペラの回転速度を検出する検出部と、当該回転速度及び操舵機構の操作に応じた転舵角に応じて、動力装置が出力する推力の大きさを制御する制御部とを備える。制御部は、動力装置の推力を制御して、船外機の推力による回頭力と、動力装置の推力による回頭力とのバランスを変更する。

Description

本発明は、転舵角が可変な船外機、及び船舶の左右舷方向への推力を出力する動力装置を備えた船舶のための操船支援装置に関する。

特許文献１には、船体を操舵するためのステアリングホイールと、船外機のシフト及び出力を操作するためのリモコンと、船体を操舵するためのジョイスティックとを含む操作装置によって、船体の後部に取り付けられた船外機及び船体の前後（バウ及びスターン）に設けられたスラスタの操作が可能な操船システムが記載されている。

日本国特開２０１６−７４２５０号公報

特許文献１に記載の操船システムによれば、操作装置の操作によって船外機とスラスタの双方の操作が可能であるが、船外機とスラスタが併用される際の各出力の大きさのバランスを船舶の状態に応じて変更するといった制御は行われていない。このため、当該操船システムにおけるスラスタは、船舶の離岸時及び接岸時には用いられるが、船舶が走行中には用いられていない。

しかし、離岸時及び接岸時のみといった利用シーンの限られるスラスタを船舶の走行中にも利用すれば、船舶の回頭性能向上を実現できると考えられる。但し、スラスタによる回頭性能向上への貢献度合いは船舶の状態によって異なる。例えば、船舶が高速走行中には、転舵した船外機の出力から十分な回頭力が得られるため、スラスタを利用しても過度な回頭力が発生するだけである。一方、船舶が低速走行中には、転舵した船外機の出力からは十分な回頭力が得られないため、スラスタの利用によって回頭力を補足すれば、必要な回頭力を得ることができる。

本発明の目的は、船舶の状態によらずに必要な回頭力を発生可能な操船支援装置を提供することである。

本発明は以下の態様を提供するものである。
第１態様は、
船舶の船尾に取り付けられ、転舵角が可変な船外機（例えば、後述の実施形態での船外機１２）と、
前記船舶の左右舷方向への推力を出力する動力装置（例えば、後述の実施形態でのスラスタ３０）と、
前記転舵角を変更するための操舵機構（例えば、後述の実施形態でのステアリングホイール２４）と、を有する前記船舶のための操船支援装置であって、
前記船外機が有するプロペラの回転速度を検出する回転速度検出部（例えば、後述の実施形態での回転数検出部４１）と、
前記プロペラの回転速度及び前記操舵機構の操作に応じた前記転舵角の少なくとも一方に応じて、前記動力装置が出力する推力の大きさを制御する制御部（例えば、後述の実施形態での制御部４３）と、を備え、
前記制御部は、前記動力装置が出力する推力の大きさを制御して、前記船外機の推力により前記船舶が回頭しようとする第１回頭力と、前記動力装置の推力により前記船舶が回頭しようとする第２回頭力と、の大きさのバランスを変更する、操船支援装置である。

第２態様は、
第１態様の操船支援装置であって、
前記第１回頭力と前記第２回頭力の和は、前記船舶の所定の回頭性能を実現するために求められる回頭力である。

第３態様は、
第１態様又は第２態様の操船支援装置であって、
前記制御部は、前記プロペラの回転速度が低いほど、又は、前記転舵角が小さいほど、前記第２回頭力の割合を高くする。

第４態様は、
第１〜第３態様のいずれかの操船支援装置であって、
前記制御部は、前記船外機がニュートラル状態のときに前記操舵機構が操作されると、前記第２回頭力が発生するよう前記動力装置を制御する。

第５態様は、
第１〜第４態様のいずれかの操船支援装置であって、
前記制御部は、前記プロペラの回転速度が所定値以上のときに前記操舵機構がしきい値以上の角速度で操作された場合には、前記転舵角を上限値に制限し、かつ、前記動力装置が回頭方向とは逆方向に推力を出力するよう制御する。

第６態様は、
第１〜第５態様のいずれかの操船支援装置であって、
前記動力装置の推力出力方向の前記左右舷方向に対する角度は水平面上で変更可能であり、
前記制御部は、前記第２回頭力が発生するよう前記動力装置を制御する場合、
前記プロペラの回転速度が０であれば、前記推力出力方向を前記左右舷方向に設定し、
前記プロペラの回転速度が０でなければ、前記推力出力方向を、前記プロペラの回転速度及び前記転舵角に応じて前記第２回頭力が最も有効に働く方向に設定する。

第１態様によれば、船外機のプロペラの回転速度及び操舵機構の操作に応じた転舵角に応じて動力装置の推力の大きさを制御し、第１回頭力と第２回頭力の大きさのバランスを変更することによって、船外機の推力や転舵角といった船舶の状態によらずに必要な回頭力を発生できる。

第２態様によれば、船舶の所定の回頭性能を実現するため必要な回頭力を、第１回頭力と第２回頭力を足し合わすことで発生できる。

プロペラの回転速度が低く船外機の推力が小さい又は転舵角が小さいために第１回頭力だけでは必要な回頭力を得ることができない場合であっても、第３態様のように、第２回頭力の割合を高くすることによって、第１回頭力と第２回頭力の和によって必要な回頭力を発生できる。

第４態様によれば、船外機がニュートラル状態であっても、操舵機構が操作されたときには動力装置を作動して第２回頭力を発生することで、船舶を必要な回頭力で回頭できる。

第５態様によれば、プロペラの回転速度が高く船外機の推力が大きいときに急ハンドルが切られた場合であっても、転覆を避けるために転舵角を上限値に制限する代わりに、動力装置が回頭力を補足する。したがって、船舶は前方（バウ）及び後方（スターン）の２箇所に発生する回頭力によって安定して急回頭できる。

推力出力方向の角度が水平面上で可変な動力装置が第２回頭力を発生する際には、第６態様のように、船外機のプロペラが回転しておらず船外機の推力がなければ、動力装置の推力出力方向を左右舷方向に設定し、船外機のプロペラが回転しており船外機が推力を出力していれば、動力装置の推力出力方向を第２回頭力が最も有効に働く方向に設定することで、動力装置の推力を効率的に用いた第２回頭力を得ることができる。

本発明に係る操船支援装置を有した船舶を後方左舷側上方から見た斜視図である。 図１に示す船舶を右舷側から見た側面視である。 図１に示す船舶を上面から見た際の船体及び当該船舶に設けられた操船支援装置の構成を示す概略図である。 第１回頭力、船外機のプロペラの回転速度、及び転舵角との関係、並びに、図１に示す船舶の回頭性能を実現するために必要な回頭力に対する第１回頭力と第２回頭力のバランスの一例を示す図である。 （ａ）は他の実施形態の船舶を右舷側から見た側面視であり、（ｂ）は船舶を上面から見た際の概念図であり、（ｃ）は船舶の正面図である。

以下、本発明に係る操船支援装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとし、船首方向をＦｒ、船尾方向をＲｒ、左舷側をＬ、右舷をＲとして図面に示す。

図１は、本発明に係る操船支援装置を有した船舶を後方左舷側上方から見た斜視図である。また、図２は、図１に示す船舶を右舷側から見た側面視である。図１及び図２に示すように、船舶の船尾には、船外機１２が取り付けられている。船外機１２は、プロペラ１６と、ギア（図示せず）と、エンジン（図示せず）と、転舵機構（図示せず）とを備える。プロペラ１６は、エンジンの動力がギアを介して伝達されて回転し、船体１０を推進させる推力を発生する。なお、ギアの選択によって船外機１２は、前進状態、ニュートラル状態及び後進状態の１つに設定される。転舵機構は、船外機本体に対するプロペラ１６のシャフト（プロペラシャフト）の左右角度（転舵角）を変更するための機構である。なお、転舵機構は、プロペラシャフトの左右角度を変更する機構に限らず、プロペラ１６の後方に設けられた舵であっても良い。

また、船舶の船首（バウ）側の船体１０には、喫水線よりも下方に船体１０の左右を貫通するトンネル３１が設けられている。また、船首と船尾を結ぶ線とトンネル３１との交点に位置するトンネル３１内には、図示しない電動機の回転動力によって左右舷方向への推力を作り出すプロペラ３３が設置されている。すなわち、図１及び図２に示す船舶には、サイドスラスタ（以下、単に「スラスタ」という。）３０が船首側に設けられている。スラスタ３０は、船舶の左右舷方向への推力を出力する。

船体１０の操縦席付近には、リモートコントロールボックス２０が配置される。リモートコントロールボックス２０には、操船者によって操作自在なレバー２２が設けられる。レバー２２は、初期位置から前後方向（操船者の手前方向と奥方向）に揺動操作自在とされ、操船者からのギアのシフトチェンジ指示とエンジン回転数の調整指示がレバー２２に入力される。操縦席付近には、さらに、回転操作自在なステアリングホイール２４が配置される。ステアリングホイール２４には操船者からの旋回指示が入力され、ステアリングホイール２４が操作されることで船外機１２の転舵機構が機能して転舵角が変更される。また、ステアリングホイール２４が操作されたときの船外機１２の推力の大きさと転舵角に応じて、スラスタ３０の動作が制御される。

図３は、図１に示した船舶を上面から見た際の船体１０及び当該船舶のための操船支援装置の構成を示す概略図である。本実施形態の操船支援装置は、船外機１２の推力の大きさ及びステアリングホイール２４の操作に応じた転舵角に応じてスラスタ３０の推力の大きさを制御し、船外機１２の推力により船舶が回頭しようとする第１回頭力と、スラスタ３０の推力により船舶が回頭しようとする第２回頭力の大きさのバランスを変更することによって、船外機１２の推力や転舵角といった船舶の状態によらずに必要な回頭力を発生する。このため、操船支援装置は、回転数検出部４１と、制御部４３とを備える。

回転数検出部４１は、船外機１２のプロペラ１６の回転速度を検出する。回転数検出部４１によって検出された回転速度を示す信号は、制御部４３に送られる。制御部４３は、回転数検出部４１から得られた回転速度Ｎｅとステアリングホイール２４の操作に応じた転舵角θとに応じて、スラスタ３０が出力する推力の大きさを制御して、第１回頭力と第２回頭力の大きさのバランスを変更する。以下、制御部４３による制御内容について詳細に説明する。

まず、船外機１２の推力により船舶が回頭しようとする第１回頭力の算出について説明する。回転数検出部４１から得られた船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅと、回転速度Ｎｅによって変化するプロペラ１６に固有の定数ｃ（Ｎｅ）との乗算によって、船外機１２の推力Ｐが得られる。第１回頭力Ｒ１は、船外機１２の推力Ｐに転舵角θを乗算した値である。このため、第１回頭力Ｒ１は、以下の式（１）によって表される。
Ｒ１＝ｃ（Ｎｅ）×Ｎｅ×θ …（１）

図４は、第１回頭力Ｒ１、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅ、及び転舵角θとの関係、並びに、図１に示す船舶の回頭性能を実現するために必要な回頭力Ｒｒに対する第１回頭力Ｒ１と第２回頭力Ｒ２のバランスの一例を示す図である。図４に示すように、第１回頭力Ｒ１は、転舵角θの大小によらず、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅが大きくなるに従って増加する。したがって、制御部４３は、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅに応じた第１回頭力Ｒ１が、本実施形態の船舶の回頭性能を実現するために必要な回頭力Ｒｒに満たなければ、スラスタ３０を作動して第２回頭力Ｒ２を左右いずれかの方向に発生させる。

但し、回転速度Ｎｅの変化に対する第１回頭力Ｒ１の増加率は、転舵角θが大きいほど大きい。このため、図４に示すように、同じ回転速度Ｎｅ１であっても、転舵角θが３０°のときは第１回頭力Ｒ１だけで必要な回頭力Ｒｒを実現できるが、転舵角θが２０°、５°と小さくなるにつれ第１回頭力Ｒ１だけでは必要な回頭力Ｒｒを実現できない。このように、第１回頭力Ｒ１は、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅだけでなく転舵角θによっても異なるため、制御部４３は、回転速度Ｎｅと転舵角θとに応じて、第１回頭力Ｒ１が必要な回頭力Ｒｒ未満であればスラスタ３０を作動して、スラスタ３０が出力する推力（第２回頭力）の大きさを制御することにより、第１回頭力と第２回頭力の大きさのバランスを変更する。すなわち、制御部４３は、第１回頭力Ｒ１が低いほど第２回頭力の割合を高くして、第１回頭力Ｒ１と第２回頭力Ｒ２の和によって必要な回頭力Ｒｒを発生させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅ及びステアリングホイール２４の操作に応じた転舵角θに応じてスラスタ３０の推力の大きさを制御し、第１回頭力Ｒ１と第２回頭力Ｒ２の大きさのバランスを変更して、第１回頭力Ｒ１と第２回頭力Ｒ２を足し合わすことによって、船外機１２の推力や転舵角θといった船舶の状態によらずに、船舶の所定の回頭性能を実現するために必要な回頭力Ｒｒを発生できる。また、プロペラ１６の回転速度Ｎｅが低い又は転舵角θが小さいために第１回頭力Ｒ１だけでは必要な回頭力Ｒｒを得ることができない場合であっても、第２回頭力Ｒ２の割合を高くすることによって、第１回頭力Ｒ１と第２回頭力Ｒ２の和によって必要な回頭力Ｒｒを発生できる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、制御部４３は、レバー２２の操作によって船外機１２がニュートラル状態に設定されているときに、ステアリングホイール２４が操作されて転舵角θが所定値（例えば５°）を超えると、転舵角θの正負に応じた方向の、上記必要な回頭力Ｒｒと同じ大きさの推力（第２回頭力）を出力するようスラスタ３０を制御しても良い。このように、船外機１２がニュートラル状態であっても、ステアリングホイール２４が操作されたときにはスラスタ３０を作動して第２回頭力を発生することで、船舶を必要な回頭力Ｒｒで回頭できる。

また、制御部４３は、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅが所定値以上のときにステアリングホイール２４がしきい値以上の角速度で操作された場合には、転舵角θを所定の上限値に制限し、かつ、スラスタ３０を作動して回頭方向とは逆方向に推力を出力するよう制御する。このように、プロペラ１６の回転速度Ｎｅが高く船外機１２の推力が大きいときに急ハンドルが切られた場合であっても、転覆を避けるために転舵角θを上限値に制限する代わりに、スラスタ３０が回頭力を補足する。したがって、船舶は前方（バウ）及び後方（スターン）の２箇所に発生する回頭力によって安定して急回頭できる。なお、上記所定の上限値は、面舵一杯又は取舵一杯となる転舵角よりも低い値に設定される。

また、上記実施形態の船舶に設けられるスラスタ３０は、船体１０に設けられたトンネル３１の内部に設けられたトンネル・スラスターであるが、左右舷方向への推力を作り出すプロペラが船首から喫水線の下方まで懸架された構造の図５に示すスラスタ３０ａが設けられても良い。また、図５（ｂ）に示すように、スラスタ３０ａの推力出力方向の左右舷方向に対する角度が水平面上で変更可能な構成であっても良い。この場合、スラスタ３０ａが推力（第２回頭力）を出力する際に、制御部４３が、船外機１２のプロペラ１６の回転速度Ｎｅが０であれば、スラスタ３０ａの推力出力方向を左右舷方向に設定し、回転速度Ｎｅが０でなければ、スラスタ３０ａの推力出力方向を、回転速度Ｎｅ及び転舵角θに応じて第２回頭力が最も有効に働く方向に設定すれば、スラスタ３０ａの推力を効率的に用いた第２回頭力を得ることができる。

１０ 船体
１２ 船外機
１６ プロペラ
２０ リモートコントロールボックス
２２ レバー
２４ ステアリングホイール
３０ サイドスラスタ
３１ トンネル
３３ プロペラ
４１ 回転数検出部
４３ 制御部

Claims (6)

1. 船舶の船尾に取り付けられ、転舵角が可変な船外機と、
   前記船舶の左右舷方向への推力を出力する動力装置と、
   前記転舵角を変更するための操舵機構と、を有する前記船舶のための操船支援装置であって、
   前記船外機が有するプロペラの回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記プロペラの回転速度及び前記操舵機構の操作に応じた前記転舵角の少なくとも一方に応じて、前記動力装置が出力する推力の大きさを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記動力装置が出力する推力の大きさを制御して、前記船外機の推力により前記船舶が回頭しようとする第１回頭力と、前記動力装置の推力により前記船舶が回頭しようとする第２回頭力と、の大きさのバランスを変更する、操船支援装置。
2. 請求項１に記載の操船支援装置であって、
   前記第１回頭力と前記第２回頭力の和は、前記船舶の所定の回頭性能を実現するために求められる回頭力である、操船支援装置。
3. 請求項１又は２に記載の操船支援装置であって、
   前記制御部は、前記プロペラの回転速度が低いほど、又は、前記転舵角が小さいほど、前記第２回頭力の割合を高くする、操船支援装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の操船支援装置であって、
   前記制御部は、前記船外機がニュートラル状態のときに前記操舵機構が操作されると、前記第２回頭力が発生するよう前記動力装置を制御する、操船支援装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の操船支援装置であって、
   前記制御部は、前記プロペラの回転速度が所定値以上のときに前記操舵機構がしきい値以上の角速度で操作された場合には、前記転舵角を上限値に制限し、かつ、前記動力装置が回頭方向とは逆方向に推力を出力するよう制御する、操船支援装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の操船支援装置であって、
   前記動力装置の推力出力方向の前記左右舷方向に対する角度は水平面上で変更可能であり、
   前記制御部は、前記第２回頭力が発生するよう前記動力装置を制御する場合、
   前記プロペラの回転速度が０であれば、前記推力出力方向を前記左右舷方向に設定し、
   前記プロペラの回転速度が０でなければ、前記推力出力方向を、前記プロペラの回転速度及び前記転舵角に応じて前記第２回頭力が最も有効に働く方向に設定する、操船支援装置。

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