JP6664171B2 - 船舶操縦装置 - Google Patents

Description

本発明は船舶操縦装置に関し、船舶の操船を支援する技術に係るものである。

従来の操船システムには、たとえば、１基１軸の推進器（プロペラ）の後方に１対２枚の高揚力舵を配したものがあり、ここではベクツイン舵と称する。
ベクツイン舵は、各舵がそれぞれ、アウトボード（外舷側）へ１０５°、インボード（内舷側）へ２５°乃至３５°転舵可能に構成されており、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枚の高揚力舵をそれぞれ独立して種々の角度に作動させ、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し、船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等の操船を行わせるものである。

図１１に、ベクツイン舵の基本的な舵角の組合せ、およびジョイスティックの状態と、その呼称及びプロペラ後流線と運動方向の例を示す。図１１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、「ＴＵＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（前進左旋回）は左舷舵−３５°、右舷舵−２５°であり、「ＲＯＴＡＴＥ ＴＯ ＰＯＲＴ」（船首左回頭）は左舷舵−７０°、右舷舵−２５°であり、「ＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（船尾左旋回）は左舷舵−１０５°、右舷舵＋４５°から＋７５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（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、「ＴＵＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（前進右旋回）は左舷舵＋２５°、右舷舵＋３５°であり、「ＲＯＴＡＴＥ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（船首右回頭）は左舷舵＋２５°、右舷舵＋７０°であり、「ＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（船尾右旋回）は左舷舵−４５°から−７５°、右舷舵＋１０５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（後進右旋回）は左舷舵−７５°から−１０５°、右舷舵＋１０５°である。

このように、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。

このようにして船尾に３６０°にわたるあらゆる方向に向けた任意の大きさの推力を発生させることができ、船の運動を自由に制御することができる。
また、特許文献１に記載するものは、船舶の自動着岸・離岸方法に係るものであり、２枚の高揚力舵の回転位置を適宜組合せることにより船体ないし船尾に任意方向のスラストを与え、船首部に設けた船首スラスターにより船首に左右方向のスラストを与えて船体運動を制御し、船首部と船尾部のそれぞれに設けた横移動速度センサーおよび距離センサー、船体の任意の位置に設けた縦移動速度センサーと方向センサーの各センサーの検出値を入力値として、演算制御装置において船首スラスターおよび舵取機制御装置の制御量を算出して制御するものである。

特開平６−２８６６９４号

ところで、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。
このため、操船者は、通常航海中においても、あるいは船位保持においても、目的とする船の運動を実現するために多岐にわたる多くの情報を収集し、その情報を基にして船を操縦することに大きな負担を強いられている。

とくに、港湾内など特定水域での操船において、例えば港湾での入港信号待ちの時や、着桟時、離桟時において、操船者は、操船域の状態、船と他の物標や岸壁との相対位置、船の姿勢、船の運動状態等の情報を目視で収集しながら、これらの情報に基づいて舵、推進器（プロペラ）を複雑に操作し、要求される船体運動を満足するための操作を行っている。

例えば、港湾での入港信号待ちの時に、潮流や風などの外乱で自船が流されると、位置保持と船首尾方向保持のために、ジョイスティック操作により左右の２枚の舵の舵角を調整して船首尾方向の移動及び船尾部の左右方向の移動を行わせ、さらに船首スラスターを操作して船首部を左右に移動させて、それぞれの操作量を加減してそれぞれの推力を調整していた。

しかし、時々刻々の自船の船首尾方向の動き、船尾の横方向の動き、船首の横方向の動きを、目的とする動きに整合させるように調整すること、つまり多くのアクチュエータを制御し、それぞれのアクチュエータの推力を、目的とする船の動きに整合させるように調整することは、操船者に大きな負担をかけることになり、さらには、船の積荷などの状態が変われば船の動特性が変わるので、各アクチュエータの操作量が同じでも船の動きに違いが発生するなど、操船者の負担はさらに増すことになる。

本発明は上記した課題を解決するものであり、操船者に課せられている多くの負担を軽減し、安全性の向上をはかって運航の効率化に寄与する船舶操縦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、本発明の船舶操縦装置は、推力システムと推力システムを制御する操船システムを備え、推力システムは、１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵と、高揚力舵を駆動する舵取機と、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有し、操船システムは、指令部と船体運動制御部とセンサー部を備え、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体横方向指令速度を船体運動制御部へ指令して操船する操船支援モードにおいて、センサー部は、船体の船首方位と、船首尾方向速度と、船体横方向速度と、回頭運動時の回頭角速度と、現在船位を検出し、船体運動制御部は、制御力推定部と推力分配部と操作量変換部を備え、制御力推定部は、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度に対して定常運動となる船体流体力と、船首尾方向指令速度と時々刻々に変化する船首尾方向速度との偏差と、船体横方向指令速度と時々刻々に変化する船体横方向速度との偏差と、指令運動方向の指令時における指令時船首方位と時々刻々に変化する船首方位との偏角とを求めるとともに、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するための船体制御力を求め、かつ指令時の運動方向から指令運動方向にまで回頭する間は、指令回頭角速度を実現できる回頭船体制御力を求め、推力分配部は、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し、さらに目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求めるとともに、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求め、操作量変換部は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するための２枚の高揚力舵のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機に指示するとともに、船首横移動静定速度を実現するための船首スラスターのピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置に指示することを特徴とする。

本発明の船舶操縦装置において、指令部は、操作レバーおよび回頭スイッチを有し、操作レバーの傾倒方向で船体の指令運動方向を指令し、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指令し、回頭スイッチの操作により指令回頭角速度を指令することを特徴とする。

本発明の船舶操縦装置において、回頭スイッチは、操作レバーの頂部に設けたことを特徴とする。
本発明の船舶操縦装置において、センサー部は、船首方位および回頭角速度をＧＰＳコンパスを用いて検出し、船首尾方向速度および船体横方向速度をＧＰＳを用いて検出し、船位をＧＰＳおよび電子海図システムを用いて検出することを特徴とする。

本発明の船舶操縦装置において、操船システムは、指令部により操船する操船支援モードと自動誘導操船部により操船する自動誘導モードを切り替える切換スイッチを有し、
自動誘導モードにおいて、自動誘導操船部は、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船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部へ指令して自船を誘導制御することを特徴とする。

本発明の船舶操縦装置において、操船システムは、指令部により操船する操船支援モードとマニュアル操船するマニュアルモードを切り替える切換スイッチを有し、マニュアルモードにおいて、回頭スイッチで船首スラスターの出力を制御して船首横移動静定速度をマニュアル調整し、操舵レバーで二枚の高揚力舵の舵角の組み合わせを制御して船尾横移動静定速度をマニュアル調整することを特徴とする。

上記した構成により、操船者は、指令部の操作レバーを操作し、操作レバーの傾倒方向で船体の指令運動方向を指令し、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指令するだけで、目的とする運動方向へ船体を導くことができる。

すなわち、目的とする船の運動を実現するために多岐にわたる多くの情報、例えば操船域の状態、船と他の物標や岸壁との相対位置、船の姿勢、船の運動状態等の情報を目視で収集せずとも、また多くのアクチュエータの個々の推力を自ら制御せずとも、時々刻々の自船の船首尾方向の動き、船尾の横方向の動き、船首の横方向の動きを、目的とする動きに整合させることができるので、操船者に課せられている多くの負担を軽減することができる。

本発明の実施の形態における船舶操縦装置の構成を示す模式図 同実施の形態における船舶操縦装置の構成を示すブロック図 同実施の形態における船舶を示す模式図 同実施の形態における推進器および高揚力舵を示す平面図 同実施の形態におけるジョイスティックを示す斜視図 同ジョイスティックを示す正面図 他のジョイスティックを示す正面図 不感帯による天候調整を示す利得と偏角の関係を示す図表 利得値を偏角の関数とする天候調整を示す図表 船首揺周波数に対する天候調整を示す図表 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。本実施の形態における船舶操縦装置は、図１から図４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からなる。

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と、高揚力舵１０２、１０３を駆動する舵取機１０４、１０５と、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、舵取機１０４、１０５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、操船制御ユニット２５０に格納されており、指令部２０１と船体運動制御部２０２とセンサー部２０３を備えている。センサー部２０３は、船体１１０の船首方位と、回頭運動時の回頭角速度と、船首尾方向速度と、船体横方向速度と、現在船位を操船制御ユニット２５０に接続したＧＰＳコンパス２５１および電子海図システムを用いて検出する。

指令部２０１は、船体の指令運動方向と、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を指令するものであり、ジョイスティック２０４と自動誘導操船部（オートパイロット）２０５を備えている。

ジョイスティック２０４は、図５および図６に示すような、ジョイスティックレバー（操作レバー）２０６を備えており、ジョイスティックレバー２０６は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２０６の傾倒方向で船体の指令運動方向を指令し、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指令するものである。

ジョイスティックレバー２０６は頂部に指令回頭角速度を指示するための回頭スイッチ２０７を有しており、図６に示すものは回頭スイッチ２０７として回転方式の回頭ボリュームを採用した例示であり、回頭ボリュームの回転を操作して回頭ボリュームの回転角度を調整することにより指令回頭角速度を制御する。

回頭スイッチ２０７は、回転方式に代えて、図７に示すように、押しボタン方式とすることも可能であり、回頭スイッチ２０７を押す時間の長さを調整することにより指令回頭角速度を制御する。

操船制御ユニット２５０には、指令部２０１により操船する操船支援モードと、自動誘導操船部２０５により操船する自動誘導モードと、マニュアル操船するマニュアルモードとを切り替える右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を設けている。

その他に、操船制御ユニット２５０には、モニター２５４と、右舷舵取機操作レバー２５５、左舷舵取機操作レバー２５６と、右舷舵取機用各種設定スイッチ類２５７、左舷舵取機用各種設定スイッチ類２５８と、自動誘導操船部（オートパイロット）２０５のコース設定ユニット２５９を設けている。

モニター２５４の表示画面は、電子海図および自船の船位と姿勢を表示する第１画像域２５４ａ、と各種設定モードを表示する第２画像域２５４ｂ、指令運動方向をベクトル表示する第３画像域２５４ｃに区分した例を示しており、各画像域を単独で全画面化して表示することも可能である。

自動誘導操船部２０５は、電子海図システム上に入力した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船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を指令し、自船を誘導制御するものである。

船体運動制御部２０２は、制御力推定部２０８と推力分配部２０９と操作量変換部２１０を備えている。
制御力推定部２０８は、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度に対して定常運動となる船体流体力を求め、また船首尾方向指令速度と時々刻々に変化する船首尾方向速度との偏差を求め、また船体横方向指令速度と時々刻々に変化する船体横方向速度との偏差を求め、また指令運動方向の指令時における指令時船首方位と時々刻々に変化する船首方位との偏角とを求める。さらに、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するために必要な船体制御力を求める。

推力分配部２０９は、船体制御力を、前進一定回転するプロペラ推進器１０１の推力と２枚の高揚力舵１０２、１０３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１０８で発生させる目標スラスター推力とに分配する。さらに目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求めるとともに、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求める。

また、船体運動制御部２０２の制御力推定部２０８は、ジョイスティックレバー２０６の回頭スイッチ（回転方式の回頭ボリュームもしくは押しボタン方式）２０７で指示する指令回頭角速度に基づいて船尾横移動静定速度および船首横移動静定速度を調整する。

操作量変換部２１０は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するために必要な２枚の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機１０４、１０５の舵制御装置１０６、１０７に指示し、さらに船首横移動静定速度を実現するための船首スラスター１０８のピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置１０８に指示する。

操船システム２００は、緊急停止制御ユニット３００および緊急停止押釦３０１を備えており、緊急停止押釦３０１は操船制御ユニット２５０に設けている。
緊急停止制御ユニット３００は、緊急時に緊急停止押釦３０１を押すと、ジョイスティック２０４でいかなる操船状態を指示していようとも、それをキャンセルして、左舷舵１０２を取舵方向（上から見て時計回りの方向）に、右舷舵１０３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。

以下、上記構成における作用を説明する。
（操船支援モード）
従来、航行中において、減速操船が必要なときや、港湾での入港信号待ちなどの場合に、推進器（固定ピッチプロペラにあっては回転の減速、停止、逆回転、可変ピッチプロペラにあってはビッチ角の減少、ゼロピッチ、逆ピッチ）などを調整して船速を制御し、併せて舵により針路制御、航路制御を行っていた。

特に、港湾での入港信号待ちの時には、潮流や風などの外乱で自船が流されると、位置保持と船首尾方向保持のために、主として目視で自船の方位と位置を確認し、時に推進器を前進、後進に切換え、舵と船首スラスターにより横方向の制御を行っていた。

本発明では、特定水域において、右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を操船支援モードに切り替えて操船する。
この操船支援モードでは、指令部２０１のジョイスティック２０４によって船体の指令運動方向、船首尾方向指令速度、船体横方向指令速度を指令する。船体運動制御部２０２により高揚力舵１０２、１０３および船首スラスター１０８にそれぞれ適切な推力を担わせて船体を指令運動方向へ運動させる。

すなわち、ジョイスティックレバー（操作レバー）２０６の傾倒方向で船体の指令運動方向を船体運動制御部２０２に指令し、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船体運動制御部２０２に指令し、回頭スイッチ２０７の回転量で指令回頭角速度を船体運動制御部２０２に指令する。

制御力推定部２０８は、船体流体力と偏差と偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するために必要な船体制御力を求め、推力分配部２０９は、船体制御力を目標推進器推力と目標スラスター推力とに分配し、目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求め、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求めるとともに、指令回頭角速度に基づいて船尾横移動静定速度および船首横移動静定速度を調整する。

操作量変換部２１０は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するために必要な２枚の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機１０４、１０５の舵制御装置１０６、１０７に指示し、さらに船首横移動静定速度を実現するための船首スラスター１０８のピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置１０８に指示する。

例えば、港での入港信号待ちの時には、潮流や風などの外乱による自船の流れに対して、高揚力舵１０２、１０３の両舵角の組合せ角を制御することにより、前後進、船速ゼロを含めた船速制御を行わせて高揚力舵１０２、１０３の有するホバリング機能を有効に使って船首尾方向の位置保持と船首尾方向保持を行い、自船の横方向保持には高揚力舵１０２、１０３と併せて船首スラスター１０８を制御して行う。

これらアクチュエータの操作量の決定のために、正確な自船位置及び自船の運動状態（船首尾線方向の速度、船体横方向の速度、旋回角速度）を把握する必要がある。これらの情報収集のために、センサー部２０３は、船首方位、回頭角速度、船首尾方向速度および船体横方向速度、船位、船首尾方位をＧＰＳコンパス２５１および電子海図システムを用いて検出する。これらの情報の内、角速度および船速については、位置情報の時間微分量によって計測する。

操船支援システム２００は、センサー部２０３のＧＰＳコンパス２５１から船首尾方位信号及び自船位置信号を受けて、船体運動制御部２０５で自船に必要とする船首尾方向の速度及び回頭速度を算出し、各アクチュエータの必要な操作量、すなわち高揚力舵１０２、１０３の組合せ角及び船首スラスター１０８のピッチ角を演算し、アクチュエータを時々刻々適切に制御する。

よって、操船者に課せられている多くの負担を軽減し、安全性の向上をはかって運航の効率化に寄与できる。
上述の操船においては、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。

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２０４の状態と、その呼称及びプロペラ後流線と運動方向は、先に図１１において説明した通りである。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。

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。
・クラッシュアスターン機能
緊急停船押釦３０１を押すことの一挙動で、ジョイスティック２０４の操舵モードにかかわらず、緊急停止制御ユニット３００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）に切換えて、両舵により非常に大きな制動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。
・避行操船機能
緊急停止制御ユニット３００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ツクレバー２０６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２０４によって自在に操船して避行航行することができる。

例えば、ジョイスティックレバー２０６を‘ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ’及び‘ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ’等に修正操舵することで、減速航行中にも船首を真っ直ぐに保つことができる。または、同様操作で船首方位を含めて進行方向を変えることによって障害物を避けるようにすることが可能である。

また、「ＡＳＴＥＲＮ」状態で、船体停止後は主機関を逆転させることなく後進航行させることができる。この「ＡＳＴＥＲＮ」位置でジョイスティックレバー２０６を左方に動かせば、船尾が左に、したがって右回頭するように舵が働き、ジョイスティックレバー２０６を右方に動かせば船尾が右に、したがって左回頭するように舵が働く。

また、通常のジョイスティック操作による操船と同様に、‘ＡＨＥＡＤ’から‘ＡＳＴＥＲＮ’の間でジョイスティック２０４を操作することによって、船速の制御を行うことができる。勿論このときジョイスティックレバー２０６を左右に操作することによって船首方位も自在に制御できる。通常のコース設定ユニット２５９による操船やジョイスティック２０４による操船への復帰は、緊急停船押釦３０１を再度押すことにより行われる。
（自動誘導モード）
通常航行操船では、右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を自動誘導モードに切り替え、指令部２０１による操船に代えて、自動誘導操船部２０５で操船する。

自動誘導モードにおいては、コース設定ユニット２５９により自動誘導操船部２０５に自船の位置、進みたい方位、到達したい位置と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。

自動誘導操船部２０５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船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部２０２へ指令して自船を誘導制御する。

この通常航行操船では、外乱によって船首方位が目標針路から逸れると自動誘導操船部２０５がセンサー部２０３のＧＰＳコンパス２５１によって逸れを知り、舵をとって船首を目標針路に戻そうとする。そして船が目標針路に戻るにつれて舵角を小さくし、船首が目標針路になる直前になると旋回惰性を止めるために反対側にあて舵をとって定針させる。

自動誘導操船部２０５では、船首方位が設定針路から逸れた場合、その偏位に比例した修正操舵信号を出して比例動作の操舵を行う。しかし、この動作だけでは設定針路に戻るのは容易ではない。なぜなら船体は一方向ヘの運動を始めると外力がなくなっても慣性のために設定針路を越えてオーバシュートし、次にそのオーバシュート分に比例した逆の舵がとられると、これも同様にして反対方向のオーバシュートを行ない、以下これを繰り返すからである。

そのため、安定して新針路に入るようにするために、従来では微分動作を適用する。微分動作は船の回頭角速度に比例した修正操舵信号を出すもので、比例信号と組み合わせることにより設定針路に船を安定に保持する。なぜなら回頭角速度が大きければ大きい程修正舵を大きくする、即ちあて舵を行なうのと同じことになる。適当な修正舵量を与えてやれば極めて速やかに設定針路に復帰することができる。

しかし、本発明では、ＧＰＳコンパス２５１を用いて回頭角速度を求め、この信号そのものに比例する操作量を舵に与えることによって、微分制御と同等以上の精度の制御特性を得る。

比例と微分動作だけでは、潮流や風、または小さな偏位の集積等また場合によっては船の癖等によりオフセットと呼ばれる針路からの逸れが生じる。このため、設定針路と船首方位との偏差を時間で積分し、これに比例した修正操舵を行なう。

なお積分動作は使用の始め、すなわちｔ＝０である値を持っているとそれがオフセットの原因となるので、電子回路上でリセットする。
同様に変針時にも変針過程を設定針路からの逸れとして積分し、これが新設定針路に対してオフセットを持つことになるのでリセットを行なう。
・天候調整
海上が静穏な場合に、自動誘導操船部（オートパイロット）２０５はわずかな船首方位の逸れに対してすぐに舵をとり、精度よく保針操舵を行なうことができる。しかし荒天で激浪のため船首方位が激しく振揺しているときに、静穏時と同じ感度でオートパイロットを作動させると次のような問題が起きる。

・舵取り回数が増え、また舵に無理な力が加わって舵取機を酷使する。
・無理に舵を取るため船体の口ーリングが大きくなり、また船速も落ちる。
従って海象条件に応じてある程度の蛇行は許しても無駄な舵や無理な舵を取ることを避けるために、またある程度の船首方位の逸れに対しては操舵をしないようにするために、図８に示すような不感帯による天侯調整機構が従来から採用されてきた。

しかし不感帯を制御系の中に持ち込むことは操舵性能の上から好ましくなく、不必要に針路を不安定にすることになる。
それゆえ、本発明の操船システム２００では、不感帯を持ち込まず、船首方位の設定針路からの偏差が定められたある値以下ではゲインがその偏差に比例し、偏差がその値以上ではゲインが１（最大）となるように演算し、波浪による短周期のヨーイングに対しては舵をとらないように考慮し、図９に示すような波浪フィルターからなる天候調整を行う。この天候調整機能が本発明の一つの特徴である。

つまり、設定針路と船首方位の差の偏角がある値に達するまでは、利得を偏角に比例させる。ある値以上となると利得が１となって舵取機１０４、１０５のポンプユニット１５１、１５２の油圧ポンプの吐出量が最大となる。このようにすれば、偏角がある値に達するまでは、偏角が小さいと油圧ポンプの吐出量は少なく、偏角が大きい油圧ポンプの吐出量は多くなるので、転舵速度が偏角の大きさに対応して変化する。よって、不感帯を持ち込まずに合理的な制御を行える。

図１０に示すように、船首揺周波数が小さいと利得が大きくなり、船首揺周波数が大きいと利得が小さくなる。このため、波浪による船首揺の周期が短く、周波数が高い状態では利得が小さくなって余り舵をとらず、波浪による船首揺の周期が非常に大きく、周波数が低い状態では、利得が１となって油圧ポンプの最大吐出量に対応する最大転舵速度で転舵して速やかに偏角を小さくする。
・操舵に基づく推進力の損失の低減
ＧＰＳコンパス２５１からの船首方位信号に基づいて必要転舵角が計算され、その操舵信号により舵が取られて固有の運動特性をもつ船体に旋回運動が起こり、それによって変化した偏差量が再び自動誘導操船部２０５に入力される。このループを繰り返すことにより船首方位を設定針路に一致させる。

船体の運動特性が安定で外乱のない場合は、一且針路が落ち着いて舵が中立に戻ると全く舵を取ることなしに、かなり長い間針路を保って直進することができる。しかし外乱を受けていたり不安定な船の場合はこのようなわけにはいかない。特に不安定な船の場合には、もし舵を取らずに放っておくとすぐに船は旋回を始める。従って不安定な船の場合は間断なく舵を操作することが必要である。間断のない舵の操作は連続した閉ループ制御回路によって成し得るものである。

しかし、従来の操舵装置の操縦、追縦装置には天候調整機能を含め不感帯を持っている。不感帯を系内に有する場合、制御対象は振動を起こし、通常その振幅は必然的に不感帯幅より大きくなる。すなわち操舵による周期的な船首揺が起こることになる。この現象はたとえ制御回路のパラメータが完全に調整されていても避けられない。この種の操舵によってひき起こされる船首揺は直接推進力の損失につながる。不感帯の減少はそのまま船首揺の振幅と転舵角を減少させることになり、更には推進力の損失をそれぞれの自乗に比例して減少させることになる。

本発明では前述したように天候調整機能の不感帯を取り除くなどして、系内に存在する不感帯を極力少なくしているので、上述したような操舵に基づく推進力の損失は少なくなる。

ＧＰＳコンパス２５１を用いるもう一つのメリットは、その機能の一つである旋回角速度信号を得て旋回角速度が最小になるようにきめ細かい操舵を行うことにより、上述の不安定な船のような場合にあっても無駄舵を取ることなく、操舵に基づくヨーイングの振幅と転舵角を減少させることができ、推進力の損失を一層低減でき、省エネに寄与できることにある。
・一つのアクチュエータ故障時又は同動力装置故障時ヘの緊急対応
１００，０００ＤＷＴ以上のタンカーは、アクチュエータを２ケ以上設けることが要求されており、１台の舵取機が作動油漏洩等により作動不能になった場合に４５秒以内にその舵取機の油圧駆動ユニットを停めて切離し、残りの舵取機で操舵できることが要求される。

本発明においては、この要求に対して、一方の舵取機１０４（１０５）の油圧ラインからの油漏れがある場合、作動油タンクの低レベルをレベルセンサーで検出して、他の１台の舵取機１０５（１０４）のポンプユニット１５２（１５１）の油圧ポンプを継続運転し、同時に不具合のポンプユニット１５１（１５２）の油圧ポンプを停止させることによって運転を継続させるようにする。

アクチュエータの内部油圧漏れの発生により転舵速度が遅くなった場合、そのことをアクチュエータ上に設けた転舵速度計測センサーによって検出し、舵角を０°に転舵してそのアクチュエータを０°位置に固定する装置を設ける。このようにして残りの他の舵取機で航行を続行できるようにする。
（マニュアルモード）
右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３をマニュアルモードに切り替えて操船する。

マニュアルモードでは、回頭スイッチ２０７によって直接的にスラスター制御装置１０９に指令し、船首スラスター１０８の出力を制御して船首横移動静定速度をマニュアル調整する。また、右舷舵取機操作レバー２５５および左舷舵取機操作レバー２５６で舵制御装置１０６、１０７に指令し、舵取機１０４、１０５により二枚の高揚力舵の舵角の組み合わせを制御して船尾横移動静定速度をマニュアル調整する。

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 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 指令部
２０２ 船体運動制御部
２０３ センサー部
２０４ ジョイスティック
２０５ 自動誘導操船部
２０６ ジョイスティックレバー（操作レバー）
２０７ 回頭スイッチ（回転方式の回頭ボリュームもしくは押しボタン方式）
２０８ 制御力推定部
２０９ 推力分配部
２１０ 操作量変換部
２５０ 操船制御ユニット
２５１ ＧＰＳコンパス
２５２ 右舷切換スイッチ
２５３ 左舷切換スイッチ
２５４ モニター
２５４ａ 第１画像域
２５４ｂ 第２画像域
２５４ｃ 第３画像域
２５５ 右舷舵取機操作レバー
２５６ 左舷舵取機操作レバー
２５７ 右舷舵取機用各種設定スイッチ類
２５８ 左舷舵取機用各種設定スイッチ類
２５９ コース設定ユニット
３００ 緊急停止制御ユニット
３０１ 緊急停止押釦

Claims (6)

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を備え、
   推力システムは、１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵と、高揚力舵を駆動する舵取機と、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有し、
   操船システムは、指令部と船体運動制御部とセンサー部を備え、
   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体横方向指令速度を船体運動制御部へ指令して操船する操船支援モードにおいて、
   センサー部は、船体の船首方位と、船首尾方向速度と、船体横方向速度と、回頭運動時の回頭角速度と、現在船位を検出し、
   船体運動制御部は、制御力推定部と推力分配部と操作量変換部を備え、
   制御力推定部は、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度に対して定常運動となる船体流体力と、船首尾方向指令速度と時々刻々に変化する船首尾方向速度との偏差と、船体横方向指令速度と時々刻々に変化する船体横方向速度との偏差と、指令運動方向の指令時における指令時船首方位と時々刻々に変化する船首方位との偏角とを求めるとともに、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するための船体制御力を求め、かつ指令時の運動方向から指令運動方向にまで回頭する間は、指令回頭角速度を実現できる回頭船体制御力を求め、
   推力分配部は、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し、さらに目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求めるとともに、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求め、
   操作量変換部は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するための２枚の高揚力舵のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機に指示するとともに、船首横移動静定速度を実現するための船首スラスターのピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置に指示することを特徴とする船舶操縦装置。
2. 指令部は、操作レバーおよび回頭スイッチを有し、操作レバーの傾倒方向で船体の指令運動方向を指令し、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指令し、回頭スイッチの操作により指令回頭角速度を指令することを特徴とする請求項１に記載の船舶操縦装置。
3. 回頭スイッチは、操作レバーの頂部に設けたことを特徴とする請求項２に記載の船舶操縦装置。
4. センサー部は、船首方位および回頭角速度をＧＰＳコンパスを用いて検出し、船首尾方向速度および船体横方向速度をＧＰＳを用いて検出し、船位をＧＰＳおよび電子海図システムを用いて検出することを特徴とする請求項１に記載の船舶操縦装置。
5. 操船システムは、指令部により操船する操船支援モードと自動誘導操船部により操船する自動誘導モードを切り替える切換スイッチを有し、
   自動誘導モードにおいて、自動誘導操船部は、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船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部へ指令して自船を誘導制御することを特徴とする請求項１に記載の船舶操縦装置。
6. 操船システムは、指令部により操船する操船支援モードとマニュアル操船するマニュアルモードを切り替える切換スイッチを有し、
   マニュアルモードにおいて、回頭スイッチで船首スラスターの出力を制御して船首横移動静定速度をマニュアル調整し、操舵レバーで二枚の高揚力舵の舵角の組み合わせを制御して船尾横移動静定速度をマニュアル調整することを特徴とする請求項２に記載の船舶操縦装置。

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