JP2009538782A - 海洋船舶の制御に関する改善 - Google Patents

Abstract

主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的制御モードにある場合、船舶の位置又は速度を維持するためのものであるとともに、衛星ベースの測位システムインジケータ、又は相対位置インジケータとしての加速度計などの、船舶の位置又は速度、或いは船舶の位置偏差又は速度偏差を示すための位置又は速度インジケータと、絶対船首方位インジケータとしてのコンパス、又は相対船首方位インジケータとしてのヨーレートセンサなどの、船舶の船首方位又はヨーレート、或いは船舶の船首方位偏差又はヨーレート偏差を示すための船首方位インジケータと、動的制御モードの有効時に、ウォータージェットユニットの動作を制御して、船舶の位置又は速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するためのコントローラとを備えた動的制御システムである。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウォータージェット推進式の海洋船舶の制御に関し、特に、以下に限定されるわけではないが、マルチウォータージェット式海洋船舶の動的制御に関する。

一般的に動的ポジショニングとは、係留又は投錨することなく、船舶を固定した場所に維持する自動化された方法のことを意味する。現在、掘削船などの大型船舶において動的ポジショニングを採用するシステムを利用することができる。通常、深海域において、海底の固定点の上方で船舶をしばしば長期間静止維持させるためにこれらのシステムが使用される。これらのシステムは複雑であり、通常、複数の目的が与えられた降下式方位スラスタを利用する。

米国特許第５，４９１，６３６号に、トローリングモータなどの可動船首スラスタを利用して、選択した基準点に船を動的に維持する動的ポジショニングシステムが開示されている。

米国特許第５，４９１，６３６号広報 国際特許出願ＰＣＴ／ＮＺ２００５／０００３１９号広報

本発明の目的は、ウォータージェット推進式の海洋船舶に動的ポジショニング及び動的速度制御のいずれか又は両方を実現するシステム及び方法、及び／又は少なくとも有益な選択を公衆に提供するシステム及び方法を提供することにある。

第１の態様では、本発明は、動的制御モードにある場合、主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための、船舶の位置又は速度を維持するための動的制御システムで大まかに構成され、該システムは、
船舶の位置又は速度、若しくは船舶の位置偏差又は速度偏差を示すための位置又は速度インジケータと、
船舶の船首方位又はヨーレート、若しくは船舶の船首方位偏差又はヨーレート偏差を示すための船首インジケータと、
動的制御モードの有効時に、ウォータージェットユニットの動作を制御して、船舶の位置又は速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するためのコントローラと、
を備える。

より具体的には、本発明は、２又はそれ以上のウォータージェットユニットにより推進される海洋船舶のための動的制御システムで大まかに構成され、該システムは、
動的制御モードを有効にするとともに、指示された船舶の位置又は速度を設定するための入力手段と、
船舶の位置又は速度、若しくは船舶の位置偏差又は速度偏差を示すための位置又は速度インジケータと、
船舶の船首方位又はヨーレート、若しくは船舶の船首方位偏差又はヨーレート偏差を示すための方位インジケータと、
動的制御モードの有効時に、指示された船舶の位置又は速度に対する位置偏差又は速度偏差、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートに対する船首方位偏差又はヨーレート偏差をモニタし、ウォータージェットユニットの動作を制御して、位置誤差又は速度誤差、及び船首方位誤差又はヨーレート誤差を最小限に抑えるようにされたコントローラと、
を備える。

通常、望ましい船舶の位置又は速度、及び望ましい船舶の船首方位又はヨーレートとは、動的制御システムの有効時の船舶の位置又は速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートのことである（本明細書では以下、しばしば現在の位置又は速度、及び現在の船首方位又はヨーレートと呼ぶ）。入力手段は、動的制御モードを有効にするとともに、現在の船舶の位置及び船首方位、或いは現在の船舶の速度及び船首方位又はヨーレートを、指示された位置及び船首方位、或いは指示された速度及び船首方位又はヨーレートとして設定するための１又はそれ以上のボタン、スイッチなどであってもよい。これとは別に、又はこれに加えて、入力手段は、現在の船舶の位置及び船首方位、或いは速度及び船首方位及び／又はヨーレートとは異なる指示された位置及び／又は船首方位、或いは速度及び／又は船首方位又はヨーレートを入力できるようにすることができる。

動的制御モードの有効期間中に、例えば操縦桿、操舵輪、及び／又は（単複の）スロットルレバーなどの制御装置を使用して、指示された船舶の位置及び船首方位、或いは指示された速度及び船首方位又はヨーレートを後で変更できることが好ましい。

位置又は速度インジケータ手段は、例えば、全地球測位システム（ＧＰＳ）又は差動型ＧＰＳ（ＤＧＰＳ）などの衛星ベースの測位システムを介して、船舶の絶対地上位置又は速度を示すことができる。或いは、位置又は速度インジケータは、当初の位置又は速度に対する船舶の動きを示すようにされた１又はそれ以上のセンサを介して、指示された船舶の基準位置又は基準速度に対する船舶の位置偏差又は速度偏差を示すことにより、相対位置又は相対速度を示すこともできる。或いはまた、位置又は速度インジケータは、例えば、レーダー、音波、又はレーザーによる距離測定技術を通じて、埠頭又は停泊所、或いは静止又は移動している別の水上船舶又は潜水艦、或いは水中を移動するダイバーなどの、静止又は移動している可能性のある別の物体に対する船舶の位置又は速度を示すこともできる。

船首方位インジケータは、コンパスによって絶対船首方位を示すか、或いは船舶の船首方位の相対的変化を感知する船首方位センサを通じて指示された船舶の船首方位に対する船首方位の変化を示すことにより相対船首方位を示すことができる。ヨーレートセンサは、指示されたヨーレートに対するヨーレートの変化を示す。

通常、コントローラは、ウォータージェットユニットのエンジンスロットル及び操舵ディフレクタ並びに逆ダクトを制御可能に作動させるように構成される。コントローラは、ウォータージェットユニットの操舵ディフレクタを同時に作動させ、逆ダクトを同時に又は個別に作動させるように構成されることが好ましい。

第２の態様では、本発明は、２又はそれ以上のウォータージェットユニットにより推進される海洋船舶を動的に制御するための、コンピュータに実行される方法で大まかに構成され、該方法は、
（ａ）指示された船舶の位置又は速度、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを判断するステップと、
（ｂ）位置又は速度判断手段を使用して、現在の船舶の位置又は速度を判断するステップと、
（ｃ）船首方位又はヨーレート判断手段を使用して、現在の船舶の船首方位又はヨーレートを判断するステップと、
船舶の主推進システムであるウォータージェットユニットを制御して、指示された船舶の位置又は速度、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するステップと、
を含む。

指示された船舶の位置又は速度、或いは指示された船舶の速度及び船首方位又はヨーレートは、動的制御システムの有効時の船舶の位置又は速度、或いは船舶の速度及び船首方位又はヨーレートであってもよく、或いは動的制御の開始時点、又は開始後に、指示された船舶の位置又は速度、或いは指示された船舶の速度及び船首方位又はヨーレートとして制御システムに入力される指示された船舶の位置又は速度、或いは指示された船舶の速度及び船首方位又はヨーレートであってもよい。

より具体的には、本発明は、２又はそれ以上のウォータージェットユニットにより推進される海洋船舶を動的に制御するための、コンピュータに実行される方法で大まかに構成され、該方法は、
（ａ）指示された船舶の位置又は速度、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを受け取るステップと、
（ｂ）位置又は速度判断手段を使用して、現在の船舶の位置又は速度を判断するステップと、
（ｃ）船首方位又はヨーレート判断手段を使用して、現在の船舶の船首方位又はヨーレートを判断するステップと、
（ｄ）指示された船舶の位置又は速度と現在の船舶の位置又は速度との間の差分に基づいて、位置誤差又は速度誤差を算出するステップと、
（ｅ）指示された船舶の船首方位又はヨーレートと現在の船舶の船首方位又はヨーレートとの間の差分に基づいて、船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップと、
（ｆ）ウォータージェットユニットを制御して、位置誤差又は速度誤差、及び船首方位誤差又はヨーレート誤差を最小限に抑えるステップと、
を含む。

位置誤差又は速度誤差を算出するステップは、船舶の絶対位置又は絶対速度に対する差分、或いは当初の船舶の位置又は速度に対する差分を算出するステップを含むことができる。船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップは、絶対船首方位又は絶対ヨーレートに対する船首方位誤差又はヨーレート誤差、或いは当初の船首方位又はヨーレートに対する船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップを含むことができる。

本発明はまた、本出願の明細書で言及する又は示唆する部品、構成要素、及び特徴により個別に、又は全体として構成されており、さらに任意の２又はそれ以上の前記部品、構成要素、又は特徴の任意の又は全ての組み合わせにより構成されているということもできる。本明細書において、本発明に関する技術分野で知られているものと同等の特定の数値が記載されている場合、個別に記載されたものとして本明細書に組み入れているとみなされる。

本明細書で使用する「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、「少なくとも部分的に〜で構成される」ということを意味し、すなわち、本明細書においてこの用語を含む記述を解釈する際には、個々の記述においてこの用語で始まる特徴が全て存在する必要があるが、他の特徴が存在してもよいということを意味する。

本明細書では、「船舶（ｖｅｓｓｅｌ）」という用語は、レジャー用の小型モーターボート及びその他のボート、単胴船又は多胴船のいずれかの大型ランチ、及び大型船舶などのボートを含むことが意図される。

以下、添付図を参照しながら本発明のシステム及び方法の様々な形態について説明することにする。

動的ポジショニングシステムの１つの形態例の概略図である。 動的ポジショニングの方法例を示す処理フロー図である。 動的速度制御システムの１つの形態例の概略図である。 動的速度制御の方法例を示す処理フロー図である。 双ウォータージェット推進式船舶の６つの基本操縦を示す図である。 双ウォータージェット推進式船舶の側方移動を示す図である。 動的速度制御システムの一例を示すブロック図である。

以下、船尾にある２つのウォータージェットユニットで推進される海洋船舶（「双ウォータージェット船舶」）を参照しながら本発明について説明する。例えば、３又は４などの３以上のウォータージェットユニットにより推進されるウォータージェット船舶においても本発明のシステム及び方法を使用することができる。

動的ポジショニングシステム
図１を参照すると、本発明の動的ポジショニングシステムの１つの実施形態の概略構成を示している。このシステムは、動的ポジショニングモードの有効時に、データを受け取り、処理して、船舶の船首方位及び位置を動的に維持するようにプログラムされたマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能論理コントローラ（ＰＬＣ）などのコントローラ１００を含む。コントローラ１００は、動的ポジショニングのためのスタンドアローン型の、又は専用のコントローラであってもよく、或いは既存の船舶コントローラに組み込まれることが好ましい。１つの形態では、コントローラ１００は、ウォータージェット船舶内のコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）などのネットワークに接続されるプラグインモジュールである。

コントローラ１００は、船舶の主推進システムである左舷及び右舷のウォータージェットユニット１０２を制御する。前述したように３以上のウォータージェットユニットが設けられた場合、コントローラ１００が少なくとも１つの左舷ウォータージェットユニット及び１つの右舷ウォータージェットユニットに動的制御を行うようにすることができる。

個々のウォータージェットユニット１０２は、エンジン１０６により駆動シャフト１０８を通じて駆動されるポンプユニット１０４を収容するハウジングを備える。個々のウォータージェットユニットはまた、操舵ディフレクタ１１０及び逆ダクト１１２も含む。例示の形態では、個々の逆ダクト１１２は、逆推力を向上させるための分割した通路を特徴とするタイプのものである。分割した通路の逆ダクト１１２はまた、ダクトがジェット流の中へ下がっている場合、左舷及び右舷への操舵推力にも影響を及ぼす。操舵ディフレクタ１１０が、概ね垂直な軸１１４の周囲で回転するのに対し、逆ダクト１１２は、操舵ディフレクタとは無関係に概ね水平な軸１１６の周囲で回転する。個々のユニットのエンジンスロットル、操舵ディフレクタ、及び逆ダクトは、それぞれ制御入力ポート１２２、１２４、及び１２６を通じて作動モジュール１１８及び１２０から受け取った信号により作動される。作動モジュール１１８及び１２０はさらに、コントローラ１００により制御される。

コントローラ１００は、船舶制御を行うための複数の入力を受け取る。１つの入力は、１又はそれ以上の操縦桿、舵角制御機器、スロットルレバーなどの１又はそれ以上の船舶制御装置１２８から到来する。（単複の）船舶制御装置１２８は、操舵手が船舶を手動で操作するために使用される。

コントローラ１００はまた、１又はそれ以上のボタン、スイッチ、キーパッドなどの、動的制御モードを有効にすべく操作することができる動的制御入力手段１３０から入力を受け取る。動的制御入力装置１３０は、コントローラが船舶のウォータージェットユニットを制御して船舶の位置及び船舶の船首方位を維持する動的ポジショニングモードを含むか、或いは動的ポジショニングモードそのものである動的制御モードを有効にするために操舵手により使用される。動的ポジショニングモードにおけるコントローラの動作について、詳細に説明することにする。

コントローラ１００は、船舶の位置及び船舶の船首方位を示す入力を有する。コントローラ１００は、船舶の位置及び船舶の船首方位を使用して、船舶を望ましい位置及び望ましい船首方位（本明細書では指示された船舶の位置及び／又は船首方位のことを一般に意味する）に維持するだけでなく、望ましい位置及び望ましい船首方位の設定も行う。

船舶の位置は、位置インジケータ１３２により判断される。ＧＰＳ又はＤＧＰＳなどの衛星ベースの測位システムを通じて船舶の絶対地上位置を示すことができ、この場合、位置インジケータ１３２とはＧＰＳ又はＤＧＰＳユニットのことになる。ＧＰＳは、緯度及び経度という点で地球基準の位置に関するデータを提供する。ＧＰＳは、標準形態又はＤＧＰＳ形態で使用することができる。

或いは、位置インジケータ１３２は、当初の位置に対する船舶の動きを判断するようにされた加速度計などの１又はそれ以上のセンサを介して、当初の船舶の基準位置に対する船舶の位置を示すこともできる。電子回路は、船舶の加速度を示す信号を（単複の）加速度計から受け取り、この信号を積分して船舶の位置を示す信号を得ることができる。加速度信号を二重積分して位置信号を生成する。（例えば補足的なフィルタ処理の後に）複数のセンサの出力を処理して位置又は位置偏差の表示を向上させることができる。

さらなる実施形態では、位置インジケータ１３２は、例えば、埠頭又は停泊所、或いは移動又は静止している水上船舶又は潜水艦などの静止又は移動している物体に対する船舶の位置を示すことができる。位置インジケータは、音波又はレーザーベースの距離測定システムなどの、船舶から静止又は移動している対象物体までの距離及び方角を示す短距離レーダーシステム及びその他の任意のシステムを備えることができる。移動物体に関する動的制御では、移動物体と制御対象船舶との間の相対位置及び／又は相対速度が取得される。このように制御対象船舶を制御して、移動物体との間のレート又は位置「関係」を維持することができる。移動物体に対する動的位置制御の応用例として、別の船舶又は水中で遠隔操作されている船からの所望の距離及び方角を維持したり、漂流中の船舶の近くで操縦を行ったり、或いは激しい潮汐流の中でダイバーを救助したりすることが挙げられる。また、移動物体に対する動的制御を使用して、２又はそれ以上の船舶が協同して網を引く二艘引きトロール漁において、船舶をある位置関係及び／又は速度関係に維持することもできる。

船舶の船首方位は、コントローラ１００に船舶の船首方位データを提供する船首方位インジケータ１３４を使用して判断される。船首方位インジケータ１３４は、例えば、船舶の絶対船首方位を示すフラックスゲートコンパス、又はジャイロコンパスであってもよい。或いは、船首方位指示手段は、レートジャイロ又は船舶の船首方位の相対変化を判断するようにされた（単複の）その他のセンサ装置などの１又はそれ以上のヨーレートセンサを介して、当初の船舶の基準船首方位に対する船舶の船首方位を示すことができる。また、船首方位インジケータは、例えば船上オートパイロットシステムに既に設けられているインジケータであってもよい。

動的ポジショニングが有効になると、コントローラ１００は、位置インジケータ１３２及び船首方位インジケータ１３４からの入力を使用して、船舶を指示された位置及び船首方位に維持する。この指示された位置及び船首方位は、動的位置システムが有効になった時の船舶の位置及び船首方位であってもよく、或いは、別の指示された位置及び船首方位をコントローラ１００に入力することができるキーパッド又はその他のコンピュータシステムなどの別の入力手段を介して、操舵手又は操作者が入力した異なる船舶の位置及び船首方位であってもよい。次に、コントローラは、ウォータージェットユニット、具体的にはエンジン推力部、操舵ディフレクタ、及び逆ダクトを同時に又は個別に操作して、指示された船舶の位置及び船首方位を維持する。望ましい位置及び船首方位からの船舶の動きに抗して船舶の位置及び方位を維持するためのコントローラでウォータージェットユニットを操作して船舶を任意の方向に動かすことができる方法について、「双ウォータージェット船舶制御」という見出しを付けた後の節でより詳細に説明する。

また、動的ポジショニング機能は、通常、船舶を操作するために使用する１又はそれ以上の船舶制御装置１２８と共同して機能することができる。１つの形態では、制御システムが動的ポジショニングモードにある場合、入力手段１３０は、操縦桿などの、船舶の低速度操縦制御装置と共同して機能することができる。例えば、船舶の位置を維持するために動的ポジショニングモードを有効にした後で、操舵手が、船舶を異なる位置及び／又は船首方位に動かし、その後この新しい位置及び／又は船首方位を維持したいと望む場合がある。制御システムが動的ポジショニングモードにある間に、操舵手は、操縦桿などの制御装置を操作して船舶を動かし、その後操縦桿を離すか、或いはニュートラル位置へ戻すことができる。操縦桿をニュートラル位置へ戻すことにより、動的ポジショニングが再び関与できるようになり、この結果制御システムは、（操縦桿が再び動かされるまで、或いは動的ポジショニングモードが無効にされるまで）船舶を新しい位置及び／又は方位に維持すべく再び動作するようになる。

動的ポジショニング処理
動的ポジショニングモードにおけるコントローラの処理例を図２に示す。操舵手が、例えば、地表、又は埠頭もしくは波止場、或いは別の静止中の水上船舶又は潜水艦に対して選択した場所へ船舶を操縦し、船舶の位置及び船首方位を動的に維持したいと望む場合、２００において、操舵手は動的ポジショニングモードを有効にする。ステップ２０２において、コントローラが、位置インジケータ及び船首方位インジケータからそれぞれ現在の船舶の位置及び船舶の船首方位を取得する。ステップ２０４において、取得した船舶の位置及び船舶の船首方位が、指示された船舶の位置及び方位として設定される。

次にコントローラはステップ２０６へ進み、ここで、位置インジケータ及び船首方位インジケータから現在の船舶の位置及び船舶の船首方位をそれぞれ再度判断する。ステップ２０８において、コントローラは、ステップ２０４で判断された指示された船舶の位置と、ステップ２０６で判断された船舶の位置との間の差分に基づいて位置誤差を算出する。コントローラはまた、ステップ２０４で判断された指示された船舶の船首方位と、ステップ２０６で判断された船舶の船首方位との間の差分に基づいて船首方位誤差を算出する。

ステップ２１０において、コントローラは、位置誤差及び船首方位誤差がほぼゼロであるかどうかを判定する。位置誤差又は船首方位誤差がほぼゼロでなかった場合、船舶は、望ましい位置にないか、又は望ましい船首方位を有していないかのいずれかとなる。次にコントローラはステップ２１２へ進み、ここで、ウォータージェットユニットを操作及び制御して、位置誤差及び船首方位誤差を最小限に抑えるように船舶を動かす。その後、処理は、船舶の位置及び船舶の船首方位を判断するステップ２０６から再度繰り返される。このループを通じて、コントローラは継続的に船舶の位置及び船舶の船首方位をモニタし、ウォータージェットユニットを操作して、指示された位置及び船首方位を維持する。

ステップ２１０において、位置誤差及び船首方位誤差がほぼゼロであると判明した場合、船舶は、指示された位置及び望ましい船首方位にある。コントローラはステップ２０６へ戻り、ここで、船舶の位置及び船舶の船首方位を再度モニタする。この処理は、動的ポジショニングモードが無効となるまで続く。

別の実施形態では、コントローラへの入力は、船舶の絶対位置及び絶対船首方位を示すものではなく、船舶の相対位置及び相対船首方位、すなわち当初の船舶の位置及び船首方位に対する船舶の位置及び船首方位の変化を示す入力であってもよい。この場合も、コントローラはウォータージェットユニットを操作及び制御して、位置及び船首方位の誤差を最小限に抑える。

前述したように、例えば、固定した地上の場所、及び／又は埠頭又は波止場、或いは別の静止した水上船又は潜水艦に対して固定した場所に船舶を静止して維持する動作の代わりに、動的ポジショニングシステムは、船舶が別の動いている水上船又は潜水艦、或いは例えば水中を動くダイバーに対して特定の位置関係で動いている時に、船舶を維持するように動作することができる。動的ポジショニング処理は、対象の船舶又は物体が動くと同時に、船舶も動いている、又は動くことになるという点を除いて上述したものと概念上同じものである。位置インジケータは、例えば、レーダー、音波又はレーザーによる距離測定ユニット、或いは他の同様のユニットを使用して、対象の船舶又は物体に対する船舶の位置に対する情報を提供する。

動的速度制御システム
図３を参照すると、本発明の動的速度制御システムの１つの実施形態の概略構成を示している。図１の動的ポジショニングシステムとは別個に示しているが、動的速度制御システムを動的ポジショニングシステムと統合して、船舶のための二重機能動的制御システムを実現することができる。或いは、本発明の動的ポジショニングシステム及び動的速度制御システムのうちの一方又は他方（のみ）を船舶に設けることができる。

動的速度制御システムはコントローラ３００を含み、このコントローラ３００は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能論理コントローラ（ＰＬＣ）などの形態であってもよい。以下詳述するように、コントローラ３００は、動的速度制御モードの有効時に、船舶の速度及びヨーレートを動的に維持するために、データを受け取り、処理するようにプログラムされる。前回同様、コントローラ３００は、動的速度制御のためのスタンドアローン型の又は専用のコントローラであってもよく、或いは図１に示す動的ポジショニングに使用されるコントローラ１００などの既存の船舶コントローラ内に組み込まれてもよい。１つの形態では、コントローラ３００は、ウォータージェット船舶におけるコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）などのネットワークに接続されたプラグインモジュールである。

図３に示すように、コントローラ３００は、船舶の主推進システムである左舷及び右舷のウォータージェットユニット３０２を制御する。前述したように、３以上のウォータージェットユニットが設けられる場合、少なくとも１つの左舷ウォータージェットユニット及び１つの右舷ウォータージェットユニットに動的制御を与えるようにコントローラ３００を適合することができる。

個々のウォータージェットユニット３０２は、エンジン３０６により駆動シャフト３０８を通じて駆動されるポンプユニット３０４、及び概ね垂直な軸３１４及び概ね水平な軸３１６の周囲でそれぞれ旋回する操舵ディフレクタ３１０及び逆ダクト３１２を収容するハウジングを備える。個々のユニットのエンジンスロットル、操舵ディフレクタ、及び逆ダクトは、作動モジュール３１８及び３２０から、制御入力ポート３２２、３２４、及び３２６を通じてそれぞれ受け取られる信号により作動される。作動モジュール３１８及び３２０は、コントローラ３００により制御される。

コントローラ３００は、船舶制御を行うための複数の入力を受け取る。１つの入力は、１又はそれ以上の操縦桿、舵角制御機器、スロットルレバーなどの１又はそれ以上の船舶制御装置３２８から到来する。（単複の）船舶制御装置３２８は、操舵手が船舶を手動で操作するために使用される。

またコントローラ３００はまた、動的速度制御モードを有効にするための入力も動的速度制御入力手段３３０から受け取り、このモードでは、コントローラが船舶のウォータージェットユニットを制御して、指示された船舶の速度及び船舶の船首方位又はヨーレートを実現し及び／又は維持する。

コントローラ３００は、船舶の速度及び船舶の船首方位又はヨーレートを示す入力を有する。コントローラ３００は、船舶の速度及び船舶の船首方位又はヨーレートを使用して、船舶を指示された速度及び船首方位又はヨーレートに維持する。

図３を参照すると、速度インジケータ３３２を使用して船舶の速度が判断される。複数の技術を使用して船舶の速度を取得することができる。船舶に装着されたピトー管センサ又は超音波センサにより、超音波パルスが水中を進むのに要する時間を通じて船舶の速度を計測することができる。利用できる速度インジケータの別の形態として、ドップラー効果により速度を計測するドップラー速度ログがある。速度インジケータは、当初の速度に対する船舶の速度を判断するように構成された加速度計などの１又はそれ以上のセンサを通じて、当初の船舶の基準速度に対する船舶の速度を示すことができる。電子回路が、船舶の加速度を示す信号を（単複の）加速度計から受け取り、これらの信号を積分して船舶の速度を示す信号を得ることができる。加速信号を単一積分して速度信号を生成する。或いは、ＧＰＳ又はＤＧＰＳなどの衛星ベースのシステムを通じて船舶の絶対速度を導き出すことができる。ＧＰＳ又はＤＧＰＳを使用して、緯度及び経度という点で地球基準の位置変化に関するデータから速度データを導き出すことにより直接的又は間接的に速度データを提供することができる。（例えば補足的フィルタ処理の後に）複数のセンサの出力を処理して、速度又は速度偏差の表示を向上させることができる。

コントローラ３００に船舶の船首方位データ又はヨーレートデータを提供する方位インジケータ３３４を使用して、船舶の船首方位又はヨーレートが判断される。船首方位又はヨーレートインジケータ３３４は、例えば船舶の絶対船首方位を示し、或いは絶対ヨーレートを判断することができるフラックスゲートコンパス又はジャイロコンパスであってもよい。或いは、船首方位指示手段３３４は、レートジャイロ又は当初の船首方位又はヨーレートに対する船舶の船首方位又はヨーレートの変化を判断するように構成された他のセンサ装置などの１又はそれ以上のセンサを介して、当初の（指示された）船舶の船首方位又はヨーレートに対する船舶の船首方位又はヨーレートを示すことができる。

例えば、船舶が１０ノットを上回る比較的高速で航行しているときには、船舶の前進速度を動的に制御することができ、或いは、例えば低速操縦中などの低速航行時には、制御される船舶の速度は、前進、逆進、左舷又は右舷への動き、或いはこれらの組み合わせを含むあらゆる方向における速度であってもよい（例えばこの場合、船舶方向は、操縦中に操縦桿又は他の多軸制御装置により制御される）。

速度制御モードの有効時、コントローラは、船舶の推進ユニットを制御して、操舵手が指示する速度及び船首方位又はヨーレートを維持する。指示速度及び船首方位又はヨーレートは、速度制御モードが有効となった時点の速度及び船首方位又はヨーレートであってもよく、或いは、操舵手が、その後船舶の速度を上げるか又は下げることにより、及び／又は船舶の船首方位又はヨーレートを変更するための船舶操舵制御装置を使用して船舶の速度及び船首方位又はヨーレートを変更した場合、速度制御モードが有効になった後に指示された速度及び方位又はヨーレートであってもよい。速度制御モードにある場合、コントローラは推進ユニットを作動させて、例えば、風、潮汐、又は潮流などの、船舶の速度及び船首方位又はヨーレートを変化させる可能性がある外部作用に抗して、望ましい速度及び船首方位又はヨーレートを維持する。従って、速度制御モードにある場合、船舶は、指示された速度及び船首方位又はヨーレートを地上に対して実質的に維持することになる。

既存のシステムは、制御レバーの位置と、ある特定の方向に生じる推力の量との間に直接的な関係を有する。従って、生じる推力により、地表に対してではなく、風、潮汐、又は潮流などの外部作用により著しく影響を受ける恐れがある水面に対して特定のレートの移動が行われる結果となる。

動的速度制御機能は、通常、船舶を操作するために使用する（単複の）船舶制御装置と共同して機能することができる。１つの形態では、動的制御システムが動的制御モードにある場合、この制御システムは、操縦桿などの、船舶の低速度制御装置と共同して機能することができる。例えば、動的速度制御モードが有効になった時点で、操舵手が、船舶の速度を上げたり又は下げたり、或いは船舶の船首方位又は旋回のヨーレートを変更したいと望んだりする場合がある。操舵手は、動的速度制御モードが有効な間に、例えば、前方、後方、又は任意の他の方向に操縦桿を動かして、その方向における船舶の速度を上げたり又は下げたり、或いは船舶を旋回させたり又は旋回レートを変更したりすることができる。

動的速度制御処理
動的速度制御モードにおけるコントローラの処理例を図４に示す。船舶が、望ましい船首方位で望ましい速度に達すると、操舵手が、船舶をその地上速度及び船首方位に動的に維持したいと望む場合、操舵手は、４００において動的速度制御モードを有効にする入力装置を作動させる。ステップ４０２において、コントローラが、速度インジケータ及び船首方位インジケータから現在の船舶の地上速度及び船舶の船首方位をそれぞれ取得する。ステップ４０４において、取得した船舶の速度及び船舶の船首方位が、指示された船舶の速度として設定される。或いは、操舵手が、キーパッド又は他の入力手段を通じて、指示された船舶の速度及び／又は船首方位を入力する。入力が行われると、動的速度制御が推進システムを起動することにより、船舶は指示された船舶の速度及び／又は船首方位に達し、これらを維持するようになる。

次にコントローラはステップ４０６へ進み、ここで、速度インジケータ及び船首方位インジケータから船舶の速度及び船舶の船首方位をそれぞれ再度判断する。ステップ４０８において、コントローラは、ステップ４０４で判断された指示された船舶の速度とステップ４０６で判断された船舶の速度との間の差分に基づいて速度誤差を算出する。コントローラはまた、ステップ４０４で判断された指示された船舶の船首方位とステップ４０６で判断された船舶の船首方位との間の差分に基づいて船首方位誤差を算出する。

ステップ４１０において、コントローラは、速度誤差及び船首方位誤差がほぼゼロであるかどうかを判定する。速度誤差又は船首方位誤差がほぼゼロでない場合、船舶は、指示された速度又は指示された船首方位のいずれかを有していないことになる。次にコントローラはステップ４１２へ進み、ここで、ウォータージェットユニットを操作及び制御して、速度誤差及び船首方位誤差を最小限に抑える。この後、処理は、船舶の速度及び船舶の船首方位を判断するステップ４０６から再度繰り返される。このループを通じて、コントローラは継続的に船舶の速度及び船舶の船首方位をモニタし、ウォータージェットユニットを操作して、望ましい速度を維持する。

ステップ４１０において、速度誤差及び船首方位誤差がほぼゼロであることが判明した場合、船舶は、望ましい速度及び船首方位を有していることになる。コントローラはステップ４０６へ戻り、ここで、船舶の速度及び船舶の船首方位を再度モニタする。この処理は、動的速度制御モードが無効になるまで続く。

代替の実施形態では、船首方位インジケータは、絶対船首方位を示すのではなく、相対船首方位、すなわち当初の（指示された）船首方位に対する船首方位の変化を示すことができる。制御システムは、（異なる船首方位が指示されるか、或いは動的制御システムが無効になるまで）船舶の船首方位を当初の船首方位に維持するように動作する。

さらに別の実施形態では、船舶の速度及びヨーレートを動的に維持するように制御システムを構成することができる。ヨーレートセンサは、最初の（指示された）ヨーレートに対するヨーを示すことになる。例えば、船舶がある特定の速度及び旋回レート（ヨーレート）で旋回中である場合、速度及び／又は旋回レートは、風、潮汐、又は潮流などの外部作用により著しく影響を受ける可能性がある。ヨーレートセンサは、指示されたヨーレートからのヨーレートの変化をコントローラに示し、コントローラは、ウォータージェットユニットを操作して、指示されたヨーレートに船舶を維持する。船舶が直進している場合、指示されたヨーレートはゼロであり、コントローラは、あらゆる外部作用に抗して船舶をゼロのヨーレートに維持するように動作する。船舶が旋回中の場合、コントローラはここでも、外部作用に抗して船舶を指示されたヨーレート及び速度に維持するように動作する。

加速度制御
本発明の動的制御システムはまた任意で、或いは別様に、速度ではなく加速度の計測及び制御を考慮に入れた適当な変更により、動的速度制御と同様に加速度又は減速度を動的に制御することができる。動的加速度制御システムの応用例として、制御された急停止機能を提供することが挙げられ、この場合、操舵手からの急停止要求により、制御システムが、船舶の操舵手又は乗客に負傷を負わせることなく最大減速が達成されるように船舶を制御可能に減速させるようになる。動的加速度制御システムの別の応用例には、予め設定した加速及び減速ルーチンがある。例えば、予め設定した加速度をフェリーにプログラムして乗客に快適さを保証することができる。また、船舶が物体又は水上スキーヤーなどの人を牽引するような用途に、予め設定した加速度をプログラムすることもできる。

制御された加速又は減速モードは、操舵手が起動することができる。例えば、操舵手は、ボタン、スイッチなどを操作して、上述の制御された急停止減速の形態、又は予め設定した加速の形態を起動することができる。再び図３を参照すると、船舶の加速又は減速レートは、速度インジケータ３３２から出される信号からコントローラ３００により判断される。コントローラ３００は、ウォータージェットユニット３０２を制御して望ましい加速度又は減速度を生じさせる。前回のように、船舶の船首方位は船首方位インジケータ３３４により判断され、コントローラ３００はまた、制御された加速又は減速中に、望ましい船舶の船首方位を維持するように動作する。

或いは、本発明の動的制御システムは、船舶が許容する最大加速レート又は最大減速レートを単純に制限するものであってもよい。船舶が、特定の速度に加速又は減速するように指示を受けた場合、船舶は、この指示された速度に加速又は減速を行うことになるが、所定の加速度又は減速度の制限を超えない制御されたレートで加速又は減速を行って、例えば、船舶の乗客に快適さを保証する。

双ウォータージェット船舶制御
ここで、船舶を動的に位置保持する、及び／又は船舶の速度を動的に制御するためのウォータージェットユニットの動作について、図５を参照しながら説明することにする。図は、双ウォータージェット船舶５００の６つの基本操縦を示している。説明を簡単にするために、操舵ディフレクタを５０２で示し、下げた時の逆ダクトを５０４で示している。上げた時の逆ダクトは図示していない。部分的に下げた逆ダクトを５０６で示している。

船舶５００の操舵ディフレクタ５０２は同時に操作され、すなわちジェット流を導くために左舷及び右舷両方のディフレクタが一体となって動く。１及び２の番号を付けた操縦では、ディフレクタは中心に同期されている。３及び６の番号を付けた操縦では、ディフレクタは左舷に同期されている。４及び５の番号を付けた操縦では、ディフレクタは右舷に同期されている。

逆ダクト５０４は、同時に又は個別に操作することができる。例えば、１及び２の番号を付けた操縦に同期を示しており、逆ダクト５０２の両方が上がっているか、或いは下がっている。例えば、５及び６の番号を付けた操縦に差動動作を示しており、一方の逆ダクト５０２が上がっているのに対し、もう一方は下がっている。差動動作については、図６を参照しながら後で詳述することにする。

図５に示すように、ウォータージェット船舶には、１、２、５、６の番号を付けた４つの基本移動操縦が存在する。これらの移動操縦では、船舶５００は一定の船首方位を維持しながら、前方、後方、左舷、又は右舷へそれぞれ動く。移動を生み出す力ベクトルを５０８と表示した矢印で示しており、一方、移動の方向を５１０と表示した矢印で示している。

船舶にはまた、３、４の番号を付けた基本回転操縦が存在する。これらの回転操縦では、船舶５００は船舶の中心点の周囲でそれぞれ左舷又は右舷へと回転する。５１２と表示した曲線矢印で回転方向を示している。

双ウォータージェット式船舶及び関連する船舶の制御が対応可能な基本操縦を下記の表１にまとめている。この操縦は、（単複の）船舶制御装置を操作する操舵手とコントローラとの両方が対応可能である。

表１：船舶操縦のまとめ

実際上、上記の基本操縦を組み合わせることにより船舶のあらゆる動き又は移動を実現することができる。コントローラは、上記の操縦のうちの任意の操縦を行うことができ、従って追加のスラスタ又は推進システムを使用して船舶に動的ポジショニング及び／又は速度制御能力を与えることなく、船舶のウォータージェットユニットを制御することにより船舶の位置又は速度及び船舶の船首方位を維持するように操縦することができる。

動的ポジショニング及び動的速度制御の操作例
動的ポジショニングモードが有効であり、船舶が、望ましい位置と逆方向に、すなわち後方に漂流し始めたと仮定すると、コントローラはまず、望ましい位置と漂流によって生じる船舶の位置との間の差分を算出することにより、位置誤差を判断することになる。この位置誤差に基づいて、コントローラは、船舶を前方へ適切に推進するのに必要なエンジンスロットル量を判断する。しかしながら、コントローラは、単にデフォルトのスロットル指示を送って、その結果生じる船舶の動きをモニタすることができるので、このステップは不可欠なものではない。表１を参照すると、コントローラはまた、逆ダクトが上がっていること、及び操舵ディフレクタが中心にきていることも確実にしなければならない。次に、ウォータージェットユニットは、図５で１の番号を付けた操縦を行うように操作される。

船舶が望ましい船舶の位置の前方すなわち先に漂流していた場合、コントローラはこの場合も位置誤差を判断するが、今回は、船舶を逆方向に推進するのに必要なエンジンスロットル量を判断する。前回同様、エンジンスロットルの判断については省略することができる。次に、コントローラは、逆ダクトが下がっていること、及び操舵ディフレクタが中心にきていることを確実にする。この後、ウォータージェットユニットは、船舶が逆進して望ましい位置へ戻るように操作される。結果として行われる操縦は、図５で２の番号を付けたものと同じものである。

動的速度制御が有効であり、船舶が、（前方／後方又は左舷／右舷方向のいずれかにおける）指示された速度から遅れ／超え始めたと仮定すると、指示を受けたコントローラはまず、望ましい速度と船舶の速度との間の差分を算出することにより速度誤差を判断することになる。この速度誤差に基づいて、コントローラは、望ましい速度で船舶を適切に推進させるのに必要なエンジンスロットル量を判断する。しかしながら、コントローラは、単にデフォルトのスロットル指示を送って、その結果生じる船舶の速度をモニタすることができるので、このステップは不可欠なものではない。望ましい速度を実際にゼロとすることも可能であり、この場合、制御システムはゼロ速度を維持しようと試みる。

船舶の船首方位が変化した場合、例えば、船舶が、望ましい船首方位から外れて回転した場合、コントローラはまず船首方位誤差を判断する。補正の回転操縦が必要とされるため、表１を参照すると、コントローラは次に、必要な回転方向に応じて操舵ディフレクタが適切に旋回していること、及び逆ダクトが適切に部分的に下がっていることを確実にする。左舷への回転が必要な場合、操舵ディフレクタは同時に左舷に向けられる。また、左舷の逆ダクトは、左舷ウォータージェットユニットからのジェット流の大半の部分が前方へ偏向されるように部分的に下げられる。この偏向の結果、図５で３の番号を付けた操縦において矢印５１４で示すように、後方により強い力ベクトルが得られる。右舷の逆ダクトは、右舷ウォータージェットユニットからのジェット流の大半の部分が後方に偏向されるように部分的に下げられる。結果、図５で３の番号を付けた操縦において矢印５１６で示すように、前方により強い力ベクトルが得られる。これらの組み合わせにより、力ベクトルが船舶の中心回りに船舶を左舷へ回転させる。

船舶が望ましい船舶の位置から側方に漂流して離れた場合、コントローラは、前回同様に位置誤差を判断することになる。この位置誤差に基づいて、コントローラは、船舶を操縦して望ましい位置に戻すのに必要なエンジンスロットル量を判断する。この判断は任意的なものであり、省略することができる。望ましい位置に戻るには側方移動の操縦が必要であるため、コントローラは、上記の表１に示すように、逆ダクト及び操舵ディフレクタも適切に制御しなければならない。

船舶が、望ましい位置の右へ漂流したと仮定すると、コントローラは、船舶を望ましい位置に戻すために、船舶が左へと加勢されるようにウォータージェットユニットを制御しなければならない。表１及び５の番号を付けた操縦を参照すると、コントローラは、左舷及び右舷両方の操舵ディフレクタを同時に右舷へ旋回させることになる。またコントローラは、左舷の逆ダクトが下げられることも確実にする。必要なエンジンスロットル量に基づいて、コントローラは、ウォータージェットユニットの動作を制御することになる。５と表示した操縦に示すように、右舷へ偏向された操舵ディフレクタと下げられた左舷の逆ダクトとの組み合わせにより、船舶の後方に異なる力ベクトルが生じる。図６を参照しながら説明するが、これらの力ベクトルの総和により、純粋な左への横方向の動きが生じるようになる。

ここで左側方への動きについて、図６を参照しながら説明する。上記の例のように、船舶６００は、望ましい位置の右へ漂流している。動的ポジショニングモードが有効であるため、コントローラは、船舶を左へ加勢して望ましい位置に戻す必要がある。コントローラがとるステップは、上述したものと同様であり、両方の操舵ディフレクタ６０２及び６０４を同時に右舷へ旋回させるステップを含む。

ディフレクタの方向が定まると、右舷ウォータージェットは、後方かつ右舷側に向けられたジェット流６０６を発生させる。この結果、ジェット流６０６と反対方向に力が生じるようになる。この力を力ベクトル６０８で示している。

前回同様に、左舷の逆ダクト６１０は、左舷ウォータージェットユニットから出るジェット流を偏向させるために適所に下げられている。下げられた左舷の逆ダクト６１０によって、ジェット流６１２は前方へ向けられる。これにより、ジェット流６１２と反対方向に力が生じる。この力を力ベクトル６１４で示している。

ウォータージェットユニットの推力を制御すること、並びに操舵ディフレクタ及び逆ダクトを適宜制御することにより、生み出される力ベクトルの大きさ及び方向は、組み合わされて効果的な横向きの力ベクトルを生み出すほどのものとなり得る。６１６と表示している船の中心において、力ベクトル６０８及び６１４のベクトルの和は、純粋な横向きの力ベクトル６１８となる。この純粋な力ベクトルにより、船舶は左への移動を受けるように加勢される。

上記の例は例示的なものであるにすぎず、本発明を限定するものではない。実際には、様々な方向に又は方向を組み合わせて船舶を動かすことができる。当業者であれば、上記の説明事項を応用し、適当に修正して、表１に列挙した残りの基本操縦を行うことができるということが予想される。また、当業者であれば、多くの別の基本操縦を実行し、或いはこれらの基本操縦を組み合わせて１つの操作にするようにコントローラをプログラムできるということを理解するであろう。

前述したように、本発明の動的制御システムは、統合された動的位置制御及び速度制御を備えることができる。これは、低速度での船舶操縦に特に役立つ可能性がある。統合した動的制御システムにより、操舵手は、操縦桿又はその他の多軸制御装置などの通常の操縦制御装置を使用して船舶を動かし、制御できるようになる。操舵手が操縦桿を任意の方向に動かすと、船舶は、制御装置が動かされた方向に動くことなり、さらに制御装置が、ニュートラル位置から離れて動いた量に比例するレートで動くことになる。本発明の速度制御機能により、船舶は、風及び潮汐又は潮流などの外部要因によって実質的に影響を受けずに、指示された方向及び指示されたレートで動くようになる。操舵手が、制御装置をニュートラル位置へ動かした（或いはニュートラル位置に自動復帰するように付勢された制御装置を手放した）場合、位置制御機能が有効となり、操舵手が制御装置をある方向に再度動かして、その方向及び制御装置を動かした度合いにより指示されるレートで動くように船舶に指示するまで、或いは動的制御システムが無効となるまで、船舶は位置制御機能により、風及び／又は潮汐又は潮流などの外部要因によってほぼ影響を受けることなくこの位置を維持することになる。

動的位置及び速度制御システムの例
ここで、本発明の動的制御システムの特定例について、図７を参照しながら説明する。矢印７００で大まかに示しているこのシステムは、以下の主構成要素を含む。
・操縦桿などの１又はそれ以上の制御入力装置７０２
・位置及び船首方位コントローラ７０４
・エンジン及びウォータージェット推進システム７０６、７０８
・複数の船舶センサ７１０、７１２、７１４、７１６
・軸変換を算出するシステム７１８

（単複の）制御入力装置
（単複の）制御入力装置７０２は、操舵手と制御システムとの間のインターフェースであり、１又はそれ以上の方向制御ユニット及び操舵ユニットで構成することができる。（単複の）制御入力装置７０２は、船舶による以下の望ましい動きを表す出力信号を供給することができる。
・前方又は後方への指示された船舶の速度（サージ速度、ｕ）
・左舷又は右舷への指示された船舶の速度（スウェイ速度、ｖ）
・重心の周囲での時計回り方向又は反時計回り方向の指示された船舶の旋回レート（ヨーレート、ｒ）
・モード入力

操舵輪、単軸又は多軸の操縦桿、ボタン、スイッチなどの公知の入力装置を使用して、サージ速度及びスウェイ速度、及び旋回レートを要求することができる。入力装置はまた、本出願人の国際特許出願ＰＣＴ／ＮＺ２００５／０００３１９号に記載されているものであってもよい。

操作モードを有効にするか又は選択するための１又はそれ以上のボタン、スイッチなどを使用してモードを要求することができ、これについては以下で詳述する。

１つの使用可能な操作モードは、操作者が、ウォータージェットユニット及び関連する制御面を、制御システムを通じて従来方式で手動で操作する「手動モード」である。

別の使用可能な操作モードは、制御システムが、ウォータージェットユニット及び関連する制御面を操作して船舶を動的に位置保持する「位置モード」である。本出願人の国際特許出願ＰＣＴ／ＮＺ２００５／０００３１９号に記載されている入力装置上に設けられた「保持」ボタンを押すことなどによりこのモードが選択されると、制御システムは動的ポジショニングを有効にする。動的ポジショニングが有効である間、操舵制御装置又は（単複の）その他の制御入力装置のいずれかを操作することにより、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１又はそれ以上において船舶が維持される位置を調節することができる。例えば、船舶を埠頭から５メートルのところに動的に位置保持した後に、その位置をｙ軸方向に１メートルだけ増分して調節して、船舶を制御可能に接岸させることができる。

さらに使用可能な操作モードは、制御システムが、ウォータージェットユニット及び関連する制御面を操作して、望ましい地上速度と一致すべき船舶の速度を動的に制御する「レート又は速度モード」である。専用ボタンを押すこと、又は望ましい地上速度を入力することによりこのモードが選択されると、制御システムは動的速度制御を有効にする。動的速度制御が有効である間、操舵制御装置又は（単複の）その他の制御入力装置のいずれかを操作することにより、船舶が、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸のうちの１又はそれ以上において移動するレートを調節することができる。例えば、速度制限領域に入る前は船舶の速度を２０ノットに動的に制御することができ、速度制限領域に進入する際に、例えば「減速」ボタンを使用して１０ノットまで減速することができる。別の例では、入力制御装置を設けて船舶の現在の速度を維持することができる。

さらに使用可能な操作モードは、制御システムが、ウォータージェットユニット及び関連する制御面を操作して、誘導船などの「マスター」物体との比較に基づいて船舶を動的に位置保持する、或いは船舶の速度を制御する「スレーブモード」である。このモードについては、本文中において「移動物体に対する動的制御」という表題で説明している。

好ましい形態では、表示手段７４０も設けられる。表示手段７４０は、船舶のサージ速度、スウェイ速度、船首方位、及び動作モードというパラメータのうちの１又はそれ以上の表示を可能にする。表示手段７４０は、パラメータの計測値、パラメータの要求値、又はこれらの両方を表示することができる。表示手段７４０上にタッチセンサー手段を設けることにより、表示手段７４０を制御入力装置の一形態にして、操舵手が表示手段７４０のエリアを選択的に触れることにより、速度変更又はモード選択などの要求を入力できるようにすることも可能である。

位置及び船首方位コントローラ
位置及び船首方位コントローラ７０４は、制御入力装置７０２から要求を受け取る。位置及び船首方位コントローラ７０４はまた、船舶センサ７１０、７１２、７１４、及び７１６から、直接及び処理済みデータの形で、計測した船舶の速度ｕ及びｖを表すフィードバック信号を受け取る。

位置及び船首方位コントローラ７０４の主機能は、望ましい速度及びヨーレートと計測した速度及びヨーレートとの間の差分を算出し、ウォータージェット及びエンジンに要求を設定して、サージ速度誤差及びスウェイ速度誤差、並びにヨーレート誤差を最小限に抑えるようにすることである。

推進システム
左舷ジェット用の推進システムを、陰付きの囲み７０６に詳細に示している。右舷推進システムは左舷のものと同じものであり、囲み７０８で示している。

個々のウォータージェットは、操舵ディフレクタ及び逆ダクトを動かすための２つのアクチュエータ７２０及び７２２を有する。ジェット推力の大きさは、エンジン速度を変化させることにより変化する。操舵ディフレクタ位置コントローラ７２６は、位置及び船首方位コントローラ７０４から操舵ディフレクタ要求信号を受け取り、位置センサ７２８から計測した操舵ディフレクタ位置を受け取る。位置コントローラ７０４は、要求される操舵ディフレクタ位置と計測された操舵ディフレクタ位置との間の誤差を最小限に抑えるようにアクチュエータ７２０を駆動する。従来の閉ループ制御システムを使用してこれを行うことができる。

逆ダクト位置センサ７３０及び逆ダクト位置コントローラ７３２を含む第２の同一の制御ループは、位置及び船首方位コントローラ７０４からの要求信号に応じて逆ダクトの位置を維持する。

推進システムブロックの第３の部分は、エンジンスピード制御部である。位置及び船首方位コントローラ７０４からの要求信号がエンジン制御システム７２４に供給されて、特定のエンジンスピードが設定される。これにより、（分毎の回転数又はＲＰＭでの）ジェットシャフトの回転スピード、従ってウォータージェットにより生成される推力の大きさが変化する。

船舶ブロック
船舶ブロック７３４は、制御システムにより制御される船舶を表す。概略的に示すように、船舶は、ウォータージェット及び風、波、潮流などの外部擾乱によって生成される力及びモーメントに作用される。ウォータージェット力及びモーメントを制御して、外部擾乱の影響を弱め、ひいては制御入力装置７０２が定めた望ましい船舶の軌道上に船舶を維持する必要がある。

船舶に作用する力及びモーメントの複合効果として、船舶ブロック７３４への入力が得られる。この結果、船舶が地球表面に対してある特定の方法で動くように制御することができる。これらの動きは、大まかに７３５で示している「緯度」、「経度」、「方位」、及び「ヨーレート」という表示で表される。７３５に示す表示は、本発明の制御システムに入力される電気信号ではない。代わりに、これらの表示は、センサ７１０から７１６により検知される動きを表すものである。

船舶センサ
船舶の位置は、ＧＰＳ又は差動型ＧＰＳなどの高精度システムを使用して計測されることが好ましい。このシステムは、地球基準位置（緯度及び経度）の出力を供給するので、図７に示す実施形態の緯度センサ７１０及び経度センサ７１２は、好ましいＧＰＳ又は差動型ＧＰＳシステムに組み込まれることになる。

また、ヨーレートセンサ７１６と共に、ジャイロコンパス又はフラックスゲートコンパスなどの方位センサ７１４が使用される。

上記のセンサから得られる計測パラメータは、図示の接続Ｖ及びＰを介して位置及び船首方位コントローラ７０４に直接提供される。

ＧＰＳ及びジャイロコンパスの代替として、加速度計及びレートジャイロを使用して、以前の船舶の位置又は速度に基づいて船舶の動きを制御することができる。この代替形態では、加速度計が緯度及び経度センサ７１０及び７１２に取って代わってｘ軸及びｙ軸における加速度を示す信号を供給し、レートジャイロが方位センサ７１４に取って代わってｚ軸における速度変化を示す信号を供給する。加速度計から出力される加速度信号を１度積分して速度信号を生成し、もう１度積分して位置信号を生成する。レートジャイロから出力される速度信号は、位置信号を生成するのに１度しか積分する必要がない。この後、加速度計及びレートジャイロから導き出された速度及び位置信号は、図示の接続Ｖ及びＰを介して位置及び船首方位コントローラ７０４に入力される。

ＧＰＳ及びジャイロコンパスの別の代替として、レーダーを使用して船舶を動的に制御する関連入力信号を供給することができる。レーダーは方角及び距離の表示を行い、これらを使用して、船舶を動的に位置保持すべき場所、又は船舶の速度を動的に制御すべき対比物である物体を定めることができる。例えば、移動物体に対する動的ポジショニングが望ましい場合、操舵手はレーダーを使用して、動的ポジショニングを実行する対比物となる移動物体を示すか、或いは選択することができる。

変換
緯度、経度、及び方位センサ７１０、７１２、及び７１４からの信号はまた、微分器７３６及び７３８による微分、並びにブロック７１８による軸変換を通じて処理され、縦軸及び横軸における船舶の速度ｕ及びｖの出力を供給する。これらの関係は、以下の通りである。
ｄｘ_0G／ｄｔ＝ｕ ｃｏｓ ｐｈｉ−ｖ ｓｉｎ ｐｈｉ
ｄｙ_0G／ｄｔ＝ｕ ｓｉｎ ｐｈｉ＋ｖ ｃｏｓ ｐｈｉ
この場合
ｘ_0G＝船舶の縦位置座標（地球基準軸）
ｙ_0G＝船舶の横位置座標（地球基準軸）
ｕ＝サージ軸に沿った船舶の速度
ｖ＝スウェイ軸に沿った船舶の速度
ｐｈｉ＝船舶の船首方位角

上記の方程式は、２つの未知数を含む連立方程式に関する任意の標準方法によって解かれ、サージ速度ｕ及びスウェイ速度ｖが求められる。これらのパラメータは、位置及び船首方位コントローラ７０４に提供される。

当業者であれば、センサ７１０及び７１２が加速度計に置き換えられ、センサ７１４がレートジャイロに置き換えられた場合、上記の変換方程式が、加速度計及びレートジャイロにより生成される信号に適合するようにされるということを理解するであろう。例えば、加速度計は加速度信号を生成するので、速度及び位置信号を生成するためには微分ではなく積分が必要となる。またレートジャイロは速度信号を生成し、位置信号を生成するためにはこの速度信号を積分する必要がある。ＧＰＳシステムの中には、直接速度出力を供給するものもあり、このＧＰＳシステムが利用可能な場合には微分器は必要ない。

動作説明
ここで図７の動的速度制御システムの動作について説明することにする。動的速度制御システムの有効時、制御入力装置７０２は、要求される縦及び横の速度及びヨーレートを地上に対して設定する。位置及び船首方位コントローラ７０４は、指示された速度及びヨーレートと計測した速度及びヨーレートとの間の誤差を判断し、これらの誤差を最小限に抑えるのに必要とされる操舵ディフレクタ要求、及び逆ダクト位置、並びにエンジン推力（又はｒｐｍ）を算出する。これらの新しく算出された要求は、操舵ディフレクタ及び逆ダクト位置コントローラ７２６及び７３２、並びにエンジン速度コントローラ７２４に出力される。

この後、推進システムは、船舶に作用する推力及びモーメントを発生させる。この推力及びモーメントは、風、潮汐などに起因する外乱力及びモーメントと結びつき、一体となって速度及びヨーレート誤差を低減する方向に船舶を動かすようになる。船舶の動きは、センサ７１０、７１２、７１４、及び７１６により検出され、位置及び船首方位コントローラ７０４にフィードバックが提供され、このようにしてループが閉じられる。

上述したシステムはまた、船舶の動的ポジショニングを実現する動的ポジショニングシステムとして途切れなく機能することもできる。これは、制御入力装置を「ゼロ」位置に設定することにより行われ、この場合、サージ速度及びスウェイ速度がゼロとなり、旋回レートがゼロとなることが要求される。これにより、位置及び船首方位コントローラ７０４は、制御システムが動き及び回転のレートを制御入力装置が要求するレートに一致させるように働く上述の「レート」制御モードから「位置」制御モードへと変化する。

１つの形態では、船舶が停止した場合、制御システムは船舶の位置及び船首方位の「スナップショット」をとる。制御入力装置がゼロ位置のままである間、「スナップショット」の位置及び船首方位が要求入力として使用され、システムは、位置閉ループ制御を実行し、船舶が「スナップショット」の位置及び「スナップショット」の船首方位を維持することを確実にする。このモードでは、「直接」フィードバック、及び、緯度、経度及び船首方位の「スナップショット」を使用して、位置制御用の誤差信号を算出する。このモードを「レート」又は動的速度制御モードと対比することができ、この場合、サージ速度及びスウェイ速度の処理済み信号、並びに直接ヨーレート信号がフィードバックとして使用される。

図７で説明したシステムは、縦、横、及び回転位置又はレートを維持するための３つの制御ループを効果的に含む。これらの３つの制御ループは、任意の一時点において異なるモードにあることが可能である。例えば、船舶は特定のサージ速度及びスウェイ速度要求で動いているが、ヨーレート要求がゼロである場合、サージ及びスウェイ制御ループは「レート」モードにあるのに対し、ヨー制御ループは「位置」モードにあることになる。

前述の内容は、好ましい形態を含む本発明について説明したものである。当業者にとっては明らかなように、本出願の範囲内に変更及び修正を組み入れることが意図されている。

２００ 操舵手が、動的ポジショニングモードを有効にする
２０２ コントローラが、位置判断手段及び船首方位判断手段から船舶の位置及び船首方位を取得
２０４ 船舶の位置及び船首方位を、望ましい船舶の位置及び望ましい船舶の船首方位として設定
２０６ コントローラが、位置判断手段及び船首方位判断手段から船舶の位置及び船首方位を取得
２０８ コントローラが、位置誤差及び船首方位誤差を算出
２１０ 誤差＝０か？
２１２ コントローラが、ウォータージェットユニットを操作及び制御して誤差を最小限に抑える

Claims (37)

1. 主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的制御モードにある場合、船舶の位置又は速度を維持するためのものであるとともに、
   船舶の位置又は速度、或いは船舶の位置偏差又は速度偏差を示すための位置又は速度インジケータと、
   船舶の船首方位又はヨーレート、或いは船舶の船首方位偏差又はヨーレート偏差を示すための方位インジケータ手段と、
   前記動的制御モードの有効時に、前記ウォータージェットユニットの動作を制御して、前記船舶の位置又は速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するためのコントローラと、
   を備えることを特徴とする動的制御システム。
2. 主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的位置制御モードにある場合、船舶の位置を維持し、動的速度制御モードにある場合、船舶の速度を維持するためのものであるとともに、
   船舶の位置及び速度、或いは船舶の位置偏差又は速度偏差を示すための位置及び速度インジケータ、或いは船舶の位置と速度との両方を示すための複合インジケータと、
   船舶の船首方位又はヨーレート、或いは船舶の船首方位又はヨーレート偏差を示すための船首方位インジケータ手段と、
   前記動的制御モードの有効時に、前記ウォータージェットユニットの動作を制御して、前記船舶の位置又は速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するためのコントローラと、
   を備えることを特徴とする動的制御システム。
3. 前記動的制御モードを有効にするとともに、指示された船舶の位置又は速度、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを設定するための入力手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の船舶のための動的制御システム。
4. 前記コントローラは、前記動的制御モードの有効時に、指示された船舶の位置又は速度に対する位置偏差又は速度偏差、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートに対する船首方位偏差又はヨーレート偏差をモニタするとともに、前記ウォータージェットユニットの前記動作を制御して、位置誤差又は速度誤差、及び船首方位誤差又はヨーレート誤差を最小限に抑えるようにされた、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
5. 前記船舶の現在の位置又は速度及び現在の船首方位又はヨーレートを、指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートとして設定できるようにする入力手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
6. 現在の船舶の位置又は速度及び現在の船首方位又はヨーレートとは異なる位置又は速度及び船首方位又はヨーレートを、指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートとして設定できるようにする前記入力手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
7. 前記動的制御モードの有効期間中に、船舶の位置及び船首方位又はヨーレートを制御するためのユーザ操作される制御装置を介して、指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを変更することができる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
8. 前記動的制御モードの有効期間中に、操縦桿、操舵輪、及び／又は（単複の）スロットルレバーを介して、指示された船舶の位置、速度、船首方位、又はヨーレートのうちの任意の１又はそれ以上を変更することができる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
9. 船舶の絶対地上位置を示すための位置インジケータを含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
10. 船舶の絶対地上速度を示すための速度インジケータを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
11. 前記位置又は速度インジケータは、衛星ベースの測位システムを介して位置又は速度を示す、
    ことを特徴とする請求項９又は請求項１０のいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
12. 指示された船舶の基準位置に対する船舶の位置偏差を示すことにより相対位置を示すための位置インジケータを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
13. 指示された船舶の基準位置に対する船舶の位置偏差を示すことにより相対位置を示すための位置インジケータを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
14. 相対速度インジケータとして加速度計を含む、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
15. 相対位置インジケータとして複数の加速度計を含む、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
16. 前記位置又は速度インジケータは、別の静止物体に対する船舶の位置又は速度を示す、
    ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
17. 前記位置又は速度インジケータは、別の移動物体に対する船舶の位置又は速度を示す、
    ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
18. 前記位置又は速度インジケータは、レーダー、音波、又はレーザー距離測定システムを介して、別の静止又は移動物体に対する船舶の位置又は速度を示す、
    ことを特徴とする請求項１６又は請求項１７のいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
19. 絶対船首方位を示すための前記船首方位インジケータを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１８のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
20. 絶対船首方位インジケータとしてコンパスを含む、
    ことを特徴とする請求項１９に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
21. 指示された船首方位に対する船首方位の変化を示すためのセンサを含む、
    ことを特徴とする請求項１９及び請求項２０のいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
22. 相対船首方位を示すための船首方位インジケータを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１８のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
23. 前記船首方位インジケータはヨーレートセンサを備える、
    ことを特徴とする請求項２２に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
24. 前記ヨーレートセンサは、絶対ヨーレート、又は指示されたヨーレートに対するヨーレートの変化のいずれかを示す、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
25. 前記コントローラは、前記ウォータージェットユニットの前記エンジンスロットル及び操舵ディフレクタ並びに逆ダクトを制御可能に作動させるようにされた、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２４のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
26. 前記コントローラは、前記ウォータージェットユニットの前記操舵ディフレクタを同時に作動させ、前記逆ダクトを同時に又は個別に作動させるようにされた、
    ことを特徴とする請求項１から請求項２４のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
27. 主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的ポジショニング制御モードにある場合、少なくとも船舶の位置を維持するためのものであるとともに、
    衛星ベースの測位システムを介して船舶の位置偏差を示すための位置インジケータと、
    船舶の船首方位偏差を示すためのコンパス及びヨーレートセンサと、
    前記動的制御モードの有効時に、前記ウォータージェットユニットの動作を制御して、前記船舶の位置及び船首方位を実質的に維持するためのコントローラと、
    を備えることを特徴とする動的制御システム。
28. 主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的ポジショニングモードにある場合、少なくとも船舶の位置を維持するためのものであるとともに、
    船舶の位置偏差を示すようにされた加速度計と、
    船舶の船首方位偏差を示すようにされたヨーレートセンサと、
    前記動的制御モードの有効時に、前記ウォータージェットユニットの動作を制御して、前記船舶の位置及び船首方位を実質的に維持するためのコントローラと、
    を備えることを特徴とする動的制御システム。
29. 前記コントローラは、前記ウォータージェットユニットの前記エンジンスロットル及び操舵ディフレクタ並びに逆ダクトを制御可能に作動させるようにされた、
    ことを特徴とする請求項２７又は請求項２８のいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
30. 前記コントローラは、前記ウォータージェットユニットの前記操舵ディフレクタを同時に作動させ、前記逆ダクトを同時に又は個別に作動させるようにされた、
    ことを特徴とする請求項２７又は請求項２８のいずれか１項に記載の海洋船舶のための動的制御システム。
31. ２又はそれ以上のウォータージェットユニットにより推進される海洋船舶を動的に制御するための、コンピュータに実行される方法であって、
    （ａ）指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを判断するステップと、
    （ｂ）位置又は速度判断手段を使用して、現在の船舶の位置又は速度を判断するステップと、
    （ｃ）船首方位又はヨーレート判断手段を使用して、現在の船舶の船首方位又はヨーレートを判断するステップと、
    （ｄ）前記船舶の主推進システムであるウォータージェットユニットを制御して、前記指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
32. （ｅ）指示された船舶の位置又は速度及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートを受け取るステップと、
    （ｆ）前記指示された船舶の位置又は速度と現在の船舶の位置又は速度との間の差分に基づいて、位置誤差又は速度誤差を算出するステップと、
    （ｇ）前記指示された船舶の船首方位又はヨーレートと現在の船舶の船首方位又はヨーレートとの間の差分に基づいて、船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップと、
    （ｈ）前記ウォータージェットユニットを制御して、前記位置誤差又は速度誤差及び船首方位誤差又はヨーレート誤差を最小限に抑えるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の海洋船舶を動的に制御する方法。
33. 前記位置誤差又は速度誤差を算出するステップは、船舶の絶対位置又は絶対速度に対する差分、或いは当初の船舶の位置又は速度に対する差分を算出するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項３２に記載の海洋船舶を動的に制御する方法。
34. 前記船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップは、絶対船首方位又は絶対ヨーレートに対する船首方位誤差又はヨーレート誤差、或いは当初の船首方位又はヨーレートに対する船首方位誤差又はヨーレート誤差を算出するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項３１及び請求項３２のいずれか１項に記載の海洋船舶を動的に制御する方法。
35. 前記位置又は速度は絶対地上位置又は絶対速度である、
    ことを特徴とする請求項３１から請求項３４のうちのいずれか１項に記載の海洋船舶を動的に制御する方法。
36. 主推進システムとして２又はそれ以上のウォータージェットユニットを有する海洋船舶のための動的制御システムであって、該システムは、動的制御モードにある場合、船舶の加速度及び／又は減速度を制御するためのものであるとともに、
    船舶の加速度及び／又は減速度又は船舶の加速度偏差及び／又は減速度偏差を示すための加速度インジケータと、
    船舶の船首方位又はヨーレート、或いは船舶の船首方位偏差又はヨーレート偏差を示すための船首方位インジケータ手段と、
    前記動的制御モードの有効時に、前記ウォータージェットユニットの動作を制御して、前記船舶の加速度及び／又は減速度、及び船舶の船首方位又はヨーレートを実質的に維持するためのコントローラと、
    を備えることを特徴とする動的制御システム。
37. 前記コントローラは、前記動的制御モードの有効時に、指示された船舶の加速度及び／又は減速度に対する加速度偏差及び／又は減速度偏差、及び指示された船舶の船首方位又はヨーレートに対する船首方位偏差又はヨーレート偏差をモニタするとともに、前記ウォータージェットユニットの前記動作を制御して、加速度誤差及び／又は減速度誤差、及び船首方位誤差又はヨーレート誤差を最小限に抑えるようにされた、
    ことを特徴とする請求項３３に記載の海洋船舶のための動的制御システム。

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