特開 2024-101416 操船システムおよびそれを備える船舶

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024101416

(43)【公開日】2024-07-29

(54)【発明の名称】操船システムおよびそれを備える船舶

(51)【国際特許分類】

   B63H 25/42 20060101AFI20240722BHJP

   B63H 25/02 20060101ALI20240722BHJP

【ＦＩ】

B63H25/42 B

B63H25/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005381

(22)【出願日】2023-01-17

(71)【出願人】

【識別番号】000010076

【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002310

【氏名又は名称】弁理士法人あい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 悠平

(72)【発明者】

【氏名】中西 諒

(57)【要約】

【課題】船舶の操舵に適した操船システムおよびそれを備える船舶を提供する。
【解決手段】操船システム１００は、ＤＣモータ（直流モータ）を有するステアリングアクチュエータ２５を備える転舵装置ＳＴＧと、舵角センサ２９と、目標舵角および舵角センサの出力信号に基づいてＤＣモータをフィードバック制御することによりステアリングアクチュエータを駆動するステアリングコントローラ２２と、を含む。一つの実施形態では、ステアリングコントローラは、モータ電流が所定の電流閾値を超えること（モータ電流条件）、およびモータ電流の上昇率が所定の上昇率閾値を超えること（電流上昇率条件）の少なくとも一方を含む電圧制限条件が成立すると、電圧制限を実行する。ステアリングコントローラは、電圧制限条件の成立が所定時間以上継続すると、電圧制限を実行してもよい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＤＣモータを有するステアリングアクチュエータを備え、船舶の針路変更のために舵角を変化させる転舵装置と、
前記舵角を検出する舵角センサと、
目標舵角および前記舵角センサの出力信号に基づいて前記ＤＣモータをフィードバック制御することにより前記ステアリングアクチュエータを駆動するステアリングコントローラと、を含み、
前記ステアリングコントローラは、前記ＤＣモータに印加する電圧を制御する電圧制御を実行し、かつ前記ＤＣモータに流れるモータ電流に応じて、前記ＤＣモータに印加する電圧を制限する電圧制限制御を実行する、操船システム。

【請求項2】

前記ステアリングコントローラは、前記モータ電流が所定の電流閾値を超えること、および前記モータ電流の上昇率が所定の上昇率閾値を超えることの少なくとも一方を含む電圧制限条件が成立すると、前記電圧制限制御を実行する、請求項１に記載の操船システム。

【請求項3】

前記ステアリングコントローラは、前記電圧制限条件の成立が所定時間以上継続すると、前記電圧制限制御を実行する、請求項２に記載の操船システム。

【請求項4】

前記ステアリングコントローラは、前記ＤＣモータに接続されたモータ駆動回路をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御することによって前記電圧制御を実行し、前記電圧制限制御において、前記ＰＷＭ制御のデューティ比を制限する、請求項１に記載の操船システム。

【請求項5】

操舵のために操作者によって操作される操舵操作子と、
前記操舵操作子の操作を検出する操作センサと、をさらに含み、
前記ステアリングコントローラは、前記操作センサの出力信号に基づいて前記目標舵角を演算する、請求項１に記載の操船システム。

【請求項6】

前記操舵操作子の操作によらない操船モードにおいて、前記目標舵角を生成して前記ステアリングコントローラに供給するメインコントローラをさらに含む、請求項５に記載の操船システム。

【請求項7】

前記ステアリングアクチュエータは、油圧シリンダと、前記油圧シリンダに作動油を供給するポンプとを有する油圧アクチュエータを含み、前記ＤＣモータは前記ポンプを駆動する、請求項１に記載の操船システム。

【請求項8】

前記転舵装置は、船体に取り付けられる船外機を転舵させる、請求項１に記載の操船システム。

【請求項9】

ＤＣモータを有するステアリングアクチュエータを備え、船舶の針路変更のために舵角を変化させる転舵装置と、
前記ＤＣモータを電圧制御によって駆動し、所定の過電流条件が成立すると、前記ＤＣモータに印加する電圧を制限する電圧制限制御を実行するステアリングコントローラと、を含む、操船システム。

【請求項10】

船体と、
前記船体に装備される、請求項１～９のいずれか一項に記載の操船システムと、を含む、船舶。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、操船システムおよびそれを備える船舶に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、車両用操舵制御システムを開示している。この車両用操舵制御システムは、モータと、モータにより回転駆動される車輪操舵軸と、車輪操舵軸とともに回転するピニオンと、ピニオンに噛合するラックバーと、車輪操舵軸の角度位置を検出する操舵軸角度検出部とを含む。ステアリングホイールの角度位置に応じて目標角度位置が決定され、車輪操舵軸の角度位置がその目標角度位置に近づくようにモータドライバを介してモータの動作が制御される。モータは、三相ブラシレスモータであり、モータドライバは三相にそれぞれ対応する３対の半導体スイッチング素子をＨ型ブリッジを構成するように配線して構成されている。半導体スイッチング素子は、マイクロコンピュータからなる駆動制御部からのＰＷＭ信号によって制御される。モータに流れる電流は電流センサによって検出され、電流検出値が規定値を超えると、ロック機構を作動させて、ステアリングホイールに結合されたハンドル軸と車輪操舵軸とが結合され、モータが停止され、モータの保護が図られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４０１９３１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１には、船舶に適用するための操舵制御システムに関する記載はない。

【0005】

そこで、この発明の一実施形態は、船舶の操舵に適した操船システムおよびそれを備える船舶を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明の一実施形態は、ＤＣモータ（直流モータ）を有するステアリングアクチュエータを備え、船舶の針路変更のために舵角を変化させる転舵装置と、前記舵角を検出する舵角センサと、目標舵角および前記舵角センサの出力信号に基づいて前記ＤＣモータをフィードバック制御することにより前記ステアリングアクチュエータを駆動するステアリングコントローラと、を含む、操船システムを提供する。前記ステアリングコントローラは、前記ＤＣモータに印加する電圧を制御する電圧制御を実行し、かつ前記ＤＣモータに流れるモータ電流に応じて、前記ＤＣモータに印加する電圧を制限する電圧制限制御を実行する。

【0007】

この実施形態では、ステアリングアクチュエータはＤＣモータを有しており、ＤＣモータの動力によって転舵装置を作動させ、船舶の針路変更のために舵角を変化させる。ＤＣモータを用いることにより、ステアリングアクチュエータのコストを低減できる利点がある。一方、ＤＣモータのモータ電流は、負荷トルクに依存して成り行きで定まり、モータ電流を直接的に制御することはできない。そこで、この実施形態では、電圧制御によってＤＣモータをフィードバック制御して舵角センサによって検出される舵角（実舵角）を目標舵角に導く一方で、モータ電流に応じてＤＣモータに印加する電圧を制限する。これにより、過電流状態を回避しながら、安価なＤＣモータを用いて、転舵装置を適切にフィードバック制御できる。こうして、船舶の操舵に適した操船システムを提供できる。

【0008】

一つの実施形態では、前記ステアリングコントローラは、前記モータ電流が所定の電流閾値を超えること（モータ電流条件）、および前記モータ電流の上昇率が所定の上昇率閾値を超えること（電流上昇率条件）の少なくとも一方を含む電圧制限条件が成立すると、前記電圧制限制御を実行する。

【0009】

この構成によれば、モータ電流条件および電流上昇率条件の少なくとも一つが電圧制限条件に含まれており、この電圧制限条件が成立すると電圧制限が実行される。それにより、過電流状態を回避しながら、ＤＣモータを用いて、転舵装置を適切にフィードバック制御できる。

【0010】

一つの実施形態では、前記ステアリングコントローラは、前記電圧制限条件の成立が所定時間以上継続すると、前記電圧制限制御を実行する。

【0011】

この構成によれば、電圧制限条件の成立が所定時間以上継続することが電圧制限の条件であるので、不必要な電圧制限を回避できる。したがって、過電流状態を回避しながら、安定した制御が可能になる。

【0012】

一つの実施形態では、前記ステアリングコントローラは、前記ＤＣモータに接続されたモータ駆動回路をＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御することによって前記電圧制御を実行し、前記電圧制限制御において、前記ＰＷＭ制御のデューティ比を制限する。

【0013】

この構成によれば、ＰＷＭ制御のデューティ比を制限することにより、ＤＣモータに印加される電圧を制限できる。デューティ比の制限は、デューティ比の上限を通常時（電圧制限条件不成立のとき）よりも小さい値に制限するリミッタ処理であってもよいし、通常のデューティ比に１未満の係数（たとえば一定の係数）を乗じる処理であってもよい。

【0014】

一つの実施形態では、前記操船システムは、操舵のために操作者によって操作される操舵操作子と、前記操舵操作子の操作を検出する操作センサと、をさらに含む。前記ステアリングコントローラは、前記操作センサの出力信号に基づいて前記目標舵角を演算する。

【0015】

この構成によれば、ステアリングコントローラは、操舵操作子の操作を検出する操作センサの出力信号に基づいて目標舵角を演算するので、その目標舵角を用いてステアリングアクチュエータをフィードバック制御できる。よって、操舵操作子の操作に応じて、ステアリングアクチュエータのＤＣモータが電圧制御され、かつモータ電流に応じて印加電圧が制限されることにより過電流を回避できる。

【0016】

一つの実施形態では、前記操船システムは、前記操舵操作子の操作によらない操船モードにおいて、前記目標舵角を生成して前記ステアリングコントローラに供給するメインコントローラをさらに含む。

【0017】

この構成により、操舵操作子の操作によらない操船モードも可能となる。このような操船モードは、ジョイスティックモード、自動操船モード等であってもよい。

【0018】

一つの実施形態では、前記ステアリングアクチュエータは、油圧シリンダと、前記油圧シリンダに作動油を供給するポンプとを有する油圧アクチュエータを含み、前記ＤＣモータは前記ポンプを駆動する。

【0019】

この構成によれば、ＤＣモータを駆動源とする電動ポンプ式の油圧アクチュエータで転舵装置を作動させることができる。その場合に、ＤＣモータを電圧制御しながら、モータ電流に応じた電圧制限によって過電流を適切に回避できる。

【0020】

一つの実施形態では、前記転舵装置は、船体に取り付けられる船外機を転舵させる。

【0021】

この発明の一実施形態は、ＤＣモータ（直流モータ）を有するステアリングアクチュエータを備え、船舶の針路変更のために舵角を変化させる転舵装置と、前記ＤＣモータを電圧制御によって駆動し、所定の過電流条件が成立すると、前記ＤＣモータに印加する電圧を制限する電圧制限制御を実行するステアリングコントローラと、を含む、操船システムを提供する。

【0022】

この実施形態では、ステアリングアクチュエータはＤＣモータを有しており、ＤＣモータの動力によって転舵装置を作動させ、船舶の針路変更のために舵角を変化させる。ＤＣモータを用いることにより、ステアリングアクチュエータのコストを低減できる利点がある。一方、ＤＣモータのモータ電流は、負荷トルクに依存して成り行きで定まり、モータ電流を直接的に制御することはできない。そこで、この実施形態では、電圧制御によってＤＣモータを制御一方で、モータ電流に応じてＤＣモータに印加する電圧を制限する。これにより、過電流状態を回避しながら、安価なＤＣモータを用いて、転舵装置を適切に制御できる。こうして、船舶の操舵に適した操船システムを提供できる。

【0023】

この発明の一実施形態は、船体と、前記船体に装備される前記操船システムと、を含む、船舶を提供する。

【発明の効果】

【0024】

この発明によれば、船舶の操舵に適した操船システムおよびそれを備える船舶を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、この発明の一実施形態に係る操船システムを搭載した船舶の構成例を示す平面図である。

【図2】図２は、操船システムの構成例を説明するための図である。

【図3】図３は、転舵装置の構成例を説明するための図である。

【図4】図４は、ステアリングコントローラの構成例を説明するためのブロック図である。

【図5】図５は、ステアリングコントローラによる電圧制限制御の例を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

【0027】

図１は、この発明の一実施形態に係る操船システム１００を搭載した船舶１の構成例を示す平面図である。船舶１は、船体２と、推進機の一例である船外機ＯＭとを備えている。船外機ＯＭは、船体２の船尾３に取り付けられている。船外機ＯＭを左右に転舵するために、転舵装置ＳＴＧが船尾３に設けられている。転舵装置ＳＴＧは、船外機ＯＭが発生する推進力の方向を左右に変化させる機構であり、船外機ＯＭのボディを船体２に対して左右に旋回（転舵）させ、それによって、船舶１の針路変更のために、舵角を変化させる。舵角は、この実施形態では、船外機ＯＭの推進力が船体２の前後方向に対してなす角によって定義される。端的には、平面視において船体２の前後方向に沿う中心線２ａに対して船外機ＯＭの推進力の方向がなす角が舵角である。

【0028】

船体２の内部には、乗船者のための居住空間４が確保されている。居住空間４内に操船席５が設けられている。操船席５には、ステアリングホイール６、リモコンレバー７、ジョイスティック８、ゲージ９（表示パネル）などが設けられている。ステアリングホイール６は、船舶１の針路を変更するために使用者によって操作される操舵操作子の一例である。リモコンレバー７は、船外機ＯＭの推進力の大きさ（出力）およびその方向（前進または後進）を変更するために使用者によって操作される操作子であり、アクセル操作子に相当する。ジョイスティック８は、ステアリングホイール６およびリモコンレバー７の代わりに、操船のために使用者によって操作される操作子である。ジョイスティック８は、操舵操作子の他の例でもある。ゲージ９は、操船のための情報を表示するための表示装置であり、報知装置の一例である。

【0029】

図２は、船舶１に備えられる操船システム１００の構成例を説明するための図である。

【0030】

船外機ＯＭは、エンジン船外機または電動船外機のいずれの形態であってもよい。図２には、エンジン船外機の例を示す。船外機ＯＭは、船外機コントローラ（電子制御ユニット）２１、エンジン２３、シフト機構２４、プロペラ２０、発電機３０などを備えている。発電機３０は、エンジン２３によって駆動される。発電機３０は、船外機ＯＭの電装品に電力を供給するほか、船体２（図１参照）に搭載されるバッテリ１５を充電する。

【0031】

エンジン２３が発生する動力は、シフト機構２４を介してプロペラ２０に伝達される。シフト機構２４は、前進位置、後進位置およびニュートラル位置のうちのいずれかのシフト位置を選択可能に構成されている。シフト位置が前進位置のとき、エンジン２３の回転が伝達されることによってプロペラ２０が正転方向に回転し、船外機ＯＭは前進方向に推進力を発生する前進運転状態となる。シフト位置が後進位置のとき、エンジン２３の回転が伝達されることによってプロペラ２０が逆転方向に回転し、船外機ＯＭは後進方向に推進力を発生する後進運転状態となる。シフト位置がニュートラル位置のとき、エンジン２３とプロペラ２０との間の動力伝達が遮断され、船外機ＯＭはアイドリング状態となる。

【0032】

船外機ＯＭは、さらに、スロットルアクチュエータ２７およびシフトアクチュエータ２８を備えており、これらは船外機コントローラ２１によって制御される。スロットルアクチュエータ２７は、エンジン２３のスロットルバルブ（図示せず）を作動させる電動アクチュエータ（典型的には電動モータを含む。）である。シフトアクチュエータ２８は、シフト機構２４を作動させるためのアクチュエータ（典型的には電動モータを含む。）である。

【0033】

転舵装置ＳＴＧは、ステアリングコントローラ２２と、ステアリングアクチュエータ２５とを備えている。ステアリングコントローラ２２は、ステアリングアクチュエータ２５を駆動する。ステアリングアクチュエータ２５は、転舵装置ＳＴＧの駆動源であり、典型的には、電動モータを含む。ステアリングアクチュエータ２５は、電動モータによって駆動されるボールねじ機構を有していてもよい。また、ステアリングアクチュエータ２５は、電動モータによって駆動されるポンプ（電動ポンプ）によって作動油が供給される油圧シリンダを有する油圧アクチュエータであってもよい。

【0034】

転舵装置ＳＴＧは、この実施形態では、船外機ＯＭとは別のユニットとして構成され、船尾３に取り付けられている。しかし、転舵装置ＳＴＧは、船外機ＯＭと一体化され、船外機ＯＭに組み込まれていてもよい。また、転舵装置ＳＴＧの一部分（たとえばステアリングコントローラ２２）が船外機ＯＭのボディ内に組み込まれていてもよい。転舵装置ＳＴＧには、舵角を検出するための舵角センサ２９が組み込まれている。舵角センサ２９は、ステアリングアクチュエータ２５の可動部の位置を検出する位置センサで構成されていてもよい。また、舵角センサ２９は、ステアリングアクチュエータ２５の駆動力を船外機ＯＭに伝達するリンク機構（図示せず）の可動部の位置を検出する位置センサで構成されていてもよい。それにより、舵角センサ２９は、船外機ＯＭの舵角に対応する信号を出力する。位置センサは、ホール素子およびマグネットで構成した非接触型磁気センサであってもよい。

【0035】

ステアリングホイール６は、回転軸線まわりに回転操作可能に構成されている。ステアリングホイール６は、操作領域端がなく、無限回転操作領域を有する操舵操作子である。ステアリングホイール６に関連して、その回転操作の速度（操作速度）を検出する操作速度センサ１２が設けられている。操作速度センサ１２は、ステアリングホイール６の操作量を検出する操作量センサの一例であり、単位時間当たりの操作量を操作速度として検出し、その操作速度を表す信号を発生する。操作速度センサ１２は、ステアリングホイール６の操作を検出する操作センサの一例である。操作速度センサ１２の出力信号は、ヘルムコントローラ１６に入力される。ステアリングホイール６の回転軸に関連して、ステアリングホイール６の回転を規制する回転規制装置としてのブレーキ装置１３（典型的には電磁ブレーキ装置）が設けられている。ブレーキ装置１３は、ヘルムコントローラ１６によって制御され、ステアリングホイール６の回転軸の回転を規制し、それによって、ステアリングホイール６の回転を規制する。

【0036】

前述のとおり、ステアリングホイール６は無限回転操作領域を有しており、右方向および左方向に無限に回転操作することができる。一方、船外機ＯＭの転舵範囲には機械的な制約があるので、右転舵端および左転舵端が存在する。そこで、ヘルムコントローラ１６は、船外機ＯＭの舵角が右転舵端または左転舵端に相当するときに、ブレーキ装置１３を作動させ、ステアリングホイール６の回転を規制する。それにより、ステアリングホイール６を操作する使用者は、ステアリングホイール６からの触覚フィードバックによって、船外機ＯＭの舵角が転舵端に達したことを知ることができる。なお、転舵装置ＳＴＧによって船外機ＯＭが転舵される範囲の右転舵端および左転舵端は、船外機ＯＭの機械的な転舵限界よりも内側（舵角中立位置寄り）に設定される場合がある。

【0037】

リモコンレバー７は、リモコンユニット１７に回動操作可能に設けられている。リモコンユニット１７は、リモコンレバー７の操作位置を検出する操作位置センサ１９を有している。操作位置センサ１９の出力信号は、リモコンＥＣＵ５１（電子制御ユニット）に入力されている。

【0038】

船外機コントローラ２１およびステアリングコントローラ２２は、船外機制御ネットワーク５６に接続されている。船外機制御ネットワーク５６には、さらに、ヘルムコントローラ１６およびリモコンＥＣＵ５１が接続されている。

【0039】

ヘルムコントローラ１６は、操作速度センサ１２によって検出される操作速度を船外機制御ネットワーク５６を介してステアリングコントローラ２２に供給する。ステアリングコントローラ２２は、ヘルムコントローラ１６から与えられる操作速度に応じて、ステアリングアクチュエータ２５を制御する。ステアリングコントローラ２２は、舵角センサ２９が検出する船外機ＯＭの舵角または後述する目標舵角を船外機制御ネットワーク５６に送出してもよい。ステアリングコントローラ２２は、船外機ＯＭの舵角が転舵端に到達すると、ヘルムコントローラに対して、ヘルムロック指令を与えてもよい。ヘルムコントローラ１６は、ステアリングコントローラ２２からヘルムロック指令を受けると、ブレーキ装置１３を作動させ、ステアリングホイール６の回転を規制する。

【0040】

ステアリングコントローラ２２は、たとえば、後述する目標舵角が転舵端に相当する値になると、ヘルムコントローラ１６にヘルムロック指令を与えてもよい。また、ステアリングコントローラ２２は、舵角センサ２９によって検出される舵角（実舵角）が転舵端に相当する値になると、ヘルムコントローラ１６にヘルムロック指令を与えてもよい。ヘルムロック指令は、船外機ＯＭの舵角が転舵端に相当することを表す舵角情報の一例である。

【0041】

ステアリングコントローラ２２がヘルムロック指令を送出する代わりに、ヘルムコントローラ１６が、船外機制御ネットワーク５６に表れる目標舵角または実舵角に応じて、ブレーキ装置１３を作動させてもよい。すなわち、ヘルムコントローラ１６は、目標舵角または実舵角が転舵端に相当する値になると、ブレーキ装置１３を作動させて、ステアリングホイール６の回転を規制するように構成されていてもよい。

【0042】

リモコンＥＣＵ５１は、操作位置センサ１９によって検出されるリモコンレバー７の位置に応じて、推進力指令を生成し、船外機制御ネットワーク５６を介して船外機コントローラ２１に供給する。推進力指令はシフト指令および出力指令を含む。船外機コントローラ２１は、シフト指令に基づいてシフトアクチュエータ２８を制御し、シフト機構２４のシフト位置を制御する。また、船外機コントローラ２１は、出力指令に基づいてスロットルアクチュエータ２７を制御し、それによって、エンジン２３の出力（回転速度）を制御する。

【0043】

リモコンＥＣＵ５１には、船内ネットワーク５５（ＣＡＮ：コントロールエリアネットワーク）を介して、メインコントローラ５０が接続されている。メインコントローラ５０に、ジョイスティックユニット１８が接続されている。ジョイスティックユニット１８は、前後左右（すなわち、３６０度の全方位）に傾倒させる操作と、軸まわりに回す（ツイストする）操作とが可能なジョイスティック８を備えている。図示は省略するが、ジョイスティックユニット１８は、ジョイスティック８の傾倒操作方向および傾倒操作量を検出する傾倒センサと、ジョイスティック８の回動操作方向および回動操作量を検出する回動センサとを備えている。傾倒センサは、ジョイスティック８の前後方向傾倒成分を検出する前後方向成分センサと、ジョイスティック８の左右方向傾倒成分を検出する左右方向成分センサとを含む。傾倒センサおよび回動センサの検出値はメインコントローラ５０に入力される。

【0044】

ジョイスティックユニット１８は、この例では、さらに、複数の操作ボタンを備えている。複数の操作ボタンは、ジョイスティックボタン１８０および保持モード設定ボタン１８１～１８３を含む。ジョイスティックボタン１８０は、ジョイスティック８を用いる制御モード（操船モード）、すなわち、ジョイスティックモードを選択するときに操船者によって操作される操作子である。保持モード設定ボタン１８１～１８３は、位置／方位保持系の制御モード（自動操船モードの一例）を設定するために使用者によって操作される操作ボタンである。より具体的には、保持モード設定ボタン１８１は、船舶の位置および船首方位（または船尾方位）を保持する定点保持モード(Stay Point)を設定するために操作される。保持モード設定ボタン１８２は、船舶の位置を保持し船首方位（または船尾方位）は保持しない位置保持モード(Fish Point)を設定するために操作される。保持モード設定ボタン１８３は、船首方位（または船尾方位）を保持し位置の保持は行わない方位保持モード(Drift Point)を設定するために操作される。

【0045】

船内ネットワーク５５には、さらに、ＧＰＳ(Global Positioning System)受信機５２、方位センサ５３、アプリケーションスイッチパネル６０などが接続されている。ＧＰＳ受信機５２は、位置検出装置の一例であり、地球を周回する人工衛星からの電波を受信して船舶１の位置を特定し、船舶１の位置を表す位置データと、船舶１の移動速度を表す速度データとを出力する。これらのデータは、メインコントローラ５０によって取得され、船舶１の位置および／または方位の表示や制御のために用いられる。方位センサ５３は、船舶１の方位を検出して、方位データを生成する。その方位データはメインコントローラ５０によって利用される。

【0046】

アプリケーションスイッチパネル６０は、予め定義した機能の実行を指令するための複数のファンクションスイッチ６１を含む。たとえば、ファンクションスイッチ６１は、自動操船を指令するためのスイッチを含んでいてもよい。より具体的には、一つのファンクションスイッチ６１は、前進中に船首方位を維持する自動操舵を行う船首保持モード(Heading Hold)を指令するために割り当てられていてもよい。また、別のファンクションスイッチ６１は、前進中に船首方位を保持し、かつ直進する進路を保持する自動操舵を行う直進保持モード(Course Hold)を指令するために割り当てられていてもよい。さらに別のファンクションスイッチ６１は、指定した複数の通過点を順に通る経路（ルート）に従って航行させる自動操舵を行う通過点追従モード(Track Point)を指令するために割り当てられていてもよい。さらに別のファンクションスイッチ６１は、所定の航走パターン（ジグザグパターン、スパイラルパターンなど）に従って航走させる自動操舵を行うパターン航走モード(Pattern Steer)を指令するために割り当てられていてもよい。これらのモードは、自動操船モードの例である。

【0047】

船内ネットワーク５５には、さらに、ゲージ９が接続されている。ゲージ９は、操船のための各種情報を表示するための表示装置である。ゲージ９は、たとえば、メインコントローラ５０、リモコンＥＣＵ５１等と通信可能である。それにより、ゲージ９は、船外機ＯＭの運転状態、船舶１の位置および／または方位などの情報を表示することができる。ゲージ９には、タッチパネルやボタン等の入力装置１０が備えられていてもよい。使用者が入力装置１０を操作することにより、操作信号が船内ネットワーク５５に送出され、様々な設定や指令が行えるようになっていてもよい。ゲージ９に関連する表示制御信号を伝達するために、船内ネットワーク５５とは別のネットワークが構築されていてもよい。

【0048】

メインコントローラ５０は、プロセッサおよびメモリ（いずれも図示省略）を含み、メモリに格納されたプログラムをプロセッサが実行することによって、複数の機能を達成するように構成されている。メインコントローラ５０は、複数の制御モードを有している。メインコントローラ５０の制御モードは、操作系の観点からは、通常操船モード、ジョイスティックモードおよび自動操船モードに分類できる。

【0049】

通常操船モードは、ステアリングホイール６の操作に応じて転舵制御を行い、かつリモコンレバー７の操作に応じて推進力制御を行う制御モードである。この実施形態では、通常操船モードは、メインコントローラ５０のデフォルト制御モードである。転舵制御とは、具体的には、ステアリングホイール６の操作に応じて操作速度センサ１２が生成する操作速度信号またはリモコンＥＣＵ５１が生成する転舵角指令（具体的には目標舵角の指令）に応じて、ステアリングコントローラ２２がステアリングアクチュエータ２５を駆動させる制御動作をいう。これにより、船外機ＯＭが左右に転舵して、船体２に対する推進力の方向が左右に変化する。推進力制御とは、具体的には、リモコンＥＣＵ５１が船外機コントローラに与える推進力指令（シフト指令および出力指令）に応じて、船外機コントローラ２１がシフトアクチュエータ２８およびスロットルアクチュエータ２７を駆動させる制御動作をいう。これにより、船外機ＯＭのシフト位置が前進位置、後進位置またはニュートラル位置に設定され、かつエンジン出力（具体的にはエンジン回転速度）が変化する。

【0050】

ジョイスティックモードは、ジョイスティック８の操作信号に応じて転舵制御および推進力制御を行う制御モードである。ジョイスティックモードでは、ジョイスティック８の操作に応じて転舵制御および推進力制御が行われる。すなわち、メインコントローラ５０は、ジョイスティック８の操作に応じて、リモコンＥＣＵ５１に転舵角指令および推進力指令を与え、リモコンＥＣＵ５１はそれらをステアリングコントローラ２２および船外機コントローラ２１に与える。

【0051】

自動操船モードは、ステアリングホイール６、リモコンレバー７およびジョイスティック８の操作によることなく、メインコントローラ５０等の働きによって、転舵制御および／または推進力制御を自動で行う制御モードである。すなわち、自動操船が行われる。自動操船には、航走時に使用される航走系の自動操船と、位置および方位の一方または両方を維持する位置／方位保持系の自動操船とがある。航走系の自動操船の例は、ファンクションスイッチ６１の操作によって指令される前述の自動操舵である。位置／保持系の自動操船は、保持モード設定ボタン１８１～１８３の操作によって指令される、定点保持モード、位置保持モードおよび方位保持モードによる操船を含む。このような自動操船モードにおいて、メインコントローラ５０は、ＧＰＳ受信機５２が生成する位置情報および／または方位センサ５３が生成する方位情報を利用して、転舵角指令および推進力指令を生成する。自動操船モードにおいても、ジョイスティックモードの場合と同じく、メインコントローラ５０は、リモコンＥＣＵ５１に転舵角指令および推進力指令を与え、リモコンＥＣＵ５１は、それらをステアリングコントローラ２２および船外機コントローラ２１に与える。

【0052】

ジョイスティックモードおよび自動操船モードにおいては、ヘルムコントローラ１６は、操作速度センサ１２の出力を船外機制御ネットワーク５６に供給しなくてもよい。あるいは、ステアリングコントローラ２２は、リモコンＥＣＵ５１から転舵角指令が与えられるときには、ヘルムコントローラ１６が船外機制御ネットワーク５６に送出する操作速度信号に応答しないようにプログラムされていてもよい。

【0053】

図３は、転舵装置ＳＴＧの構成例を説明するための図である。転舵装置ＳＴＧは、この例では、油圧式の転舵装置である。転舵装置ＳＴＧは、油圧ポンプ４５と、油圧ポンプ４５を駆動する電動モータＭと、油圧シリンダ４０と、油圧ポンプ４５と油圧シリンダ４０との間で作動油を流動させる油圧回路４６とを含む。油圧シリンダ４０は、複動式シリンダであり、シリンダチューブ４７と、シリンダチューブ４７内に設けられたピストン４３と、ピストン４３に固定されその両側に延びたピストンロッド４４とを含む。

【0054】

シリンダチューブ４７およびピストンロッド４４は左右方向に延びている。ピストンロッド４４の両端部は、船外機ＯＭのスイベルブラケット３３に結合されている。シリンダチューブ４７内の空間は、ピストン４３によって右シリンダ室４１および左シリンダ室４２に区画されている。シリンダチューブ４７は、船外機ＯＭのステアリングアーム３４に連結されている。シリンダチューブ４７は、ピストンロッド４４に案内されて左右に移動可能であり、それにより、船外機ＯＭのステアリングアーム３４を左右に移動させ、船外機ＯＭをステアリング軸３５まわりに左右に旋回（転舵）させる。

【0055】

油圧回路４６は、右シリンダ室４１および左シリンダ室４２に接続されている。電動モータＭは正逆回転可能に構成されており、その回転方向に応じて、油圧ポンプ４５が、２つのシリンダ室４１，４２の一方に作動油を送り込む。それにより、そのシリンダ室の容積が大きくなり、他方のシリンダ室の容積が小さくなるように、シリンダチューブ４７が左右に移動する。

【0056】

電動モータＭおよび油圧ポンプ４５により、電動ポンプが構成されている。また、電動モータＭ、油圧ポンプ４５、油圧回路４６および油圧シリンダ４０によって、油圧アクチュエータからなるステアリングアクチュエータ２５が構成されている。舵角センサ２９は、シリンダチューブ４７の左右方向の位置を検出してもよい。また、舵角センサ２９は、ステアリングアーム３４の回転位置を検出してもよい。それによって、舵角センサ２９は、船外機ＯＭの舵角を検出する。

【0057】

油圧回路４６には、左右のシリンダ室４１，４２の間を連通させるバイパス油路４６ａと、そのバイパス油路４６ａを開閉するためのリリーフバルブ４６ｂとが設けられていることが好ましい。リリーフバルブ４６ｂを手動で開くことにより、左右のシリンダ室４１，４２がバイパス油路４６ａを介して連通するので、使用者は、船外機ＯＭに外力を加えて、左右に手動で転舵させることができる。そして、所望の舵角の状態でリリーフバルブ４６ｂを手動で閉じると、その舵角を保持することができる。こうして、リリーフバルブ４６ｂ等により、緊急時のための手動機構を構成することができる。

【0058】

図４は、ステアリングコントローラ２２の構成例を説明するためのブロック図である。ステアリングコントローラ２２は、処理装置６５と駆動回路６６とを備えている。処理装置６５はプロセッサ６５ａおよびメモリ６５ｂを備え、プロセッサ６５ａがメモリ６５ｂに記憶されているプログラムを実行することにより複数の機能を実現するように構成されている。具体的には、処理装置６５は、フィードバック制御部７０、電圧制限制御部８０等の機能を有するようにプログラムされている。

【0059】

フィードバック制御部７０は、目標舵角を達成するように舵角センサ２９の出力信号（操作速度信号）に基づいてステアリングアクチュエータ２５（より具体的には電動モータＭ）をフィードバック制御する。

【0060】

フィードバック制御部７０は、目標舵角演算部７１、偏差演算部７２、ＰＩＤ（比例積分微分）制御部７３、およびＰＷＭ（パルス幅変調）信号生成部７４としての機能を有する。目標舵角演算部７１は、ヘルムコントローラ１６から与えられる操作速度信号に基づいて、目標舵角を演算する。具体的には、操作速度信号を積算して目標舵角を演算する。積算のための初期値には、舵角センサ２９によって検出される舵角が用いられる。偏差演算部７２は、舵角センサ２９によって検出される舵角（実舵角）の目標舵角に対する偏差を演算する。用いられる目標舵角は、目標舵角演算部７１によって演算される目標舵角である場合と、リモコンＥＣＵから与えられる転舵角指令に含まれる目標舵角の場合とがある。ＰＩＤ制御部７３は、偏差演算部７２によって求められる偏差に対して比例積分微分演算を行って、偏差を減少させるための制御値を生成する。その制御値に応じたデューティ比のＰＷＭ信号がＰＷＭ信号生成部７４によって生成される。ＰＷＭ信号生成部７４によって生成されるＰＷＭ信号によって駆動回路６６が駆動される。

【0061】

駆動回路６６は、船外機ＯＭに備えられる発電機３０によって充電されるバッテリ１５（図２を併せて参照）に接続されたＨ型ブリッジ回路で構成されている。バッテリ１５は、２機の船外機ＯＭにそれぞれ対応して２個設けられていてもよい。駆動回路６６を構成するＨ型ブリッジ回路には、上アームスイッチング素子Ｕ１，Ｕ２および下アームスイッチング素子Ｌ１，Ｌ２の直列回路が２組設けられており、この２組の直列回路がバッテリ１５に対して並列に接続されている。スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｌ１，Ｌ２は、典型的には、パワートランジスタ等の半導体スイッチである。第１の直列回路を構成する一対のスイッチング素子Ｕ１，Ｌ１の間の接続点Ｎ１と、第２の直列回路を構成する一対のスイッチング素子Ｕ２，Ｌ２の間の接続点Ｎ２とに、電動モータＭの一対の端子がそれぞれ接続されている。電動モータＭは、たとえば、ＤＣモータ（直流モータ）である。ＰＷＭ信号生成部７４によって生成されるＰＷＭ信号によって、各スイッチング素子Ｕ１，Ｕ２，Ｌ１，Ｌ２がスイッチングされることにより、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じた電圧が電動モータＭに印加される。

【0062】

たとえば、電動モータＭを正転方向に駆動するときには、第１の直列回路の下アームスイッチング素子Ｌ１および第２の直列回路の上アームスイッチング素子Ｕ２はオフ状態に維持される。そして、第１の直列回路の上アームスイッチング素子Ｕ１および第２の直列回路の下アームスイッチング素子Ｌ２がＰＷＭ信号によってオン／オフされる。また、電動モータＭを逆転方向に駆動するときには、第１の直列回路の上アームスイッチング素子Ｕ１および第２の直列回路の下アームスイッチング素子Ｌ２をオフ状態に維持する。そして、第１の直列回路の下アームスイッチング素子Ｌ１および第２の直列回路の上アームスイッチング素子Ｕ２がＰＷＭ信号によってオン／オフされる。

【0063】

こうして、実舵角の目標舵角に対する偏差（舵角偏差）に応じたデューティ比のＰＷＭ信号によって駆動回路６６が駆動されることにより、舵角偏差を減少させる電圧が電動モータＭに印加され、それによって、船外機ＯＭを目標舵角へと導くことができる。すなわち、舵角センサ２９によって検出される実舵角を目標舵角へと導くように、ステアリングアクチュエータ２５のフィードバック制御が実行される。

【0064】

駆動回路６６から電動モータＭに供給される電流（モータ電流）を検出するための電流センサ６８（電流検出回路）が設けられている。電流センサ６８の出力信号は処理装置６５に入力されている。処理装置６５は、電流センサ６８の出力信号に基づいてモータ電流を検出できる。

【0065】

電圧制限制御部８０は、モータ電流に応じて、電動モータＭに印加される電圧を制限する電圧制限制御を実行する。より具体的には、電圧制限制御部８０は、電源電圧制限条件が成立すると、電圧制限制御を実行する。

【0066】

ステアリングコントローラ２２は、ＤＣモータからなる電動モータＭに印加する電圧制御を実行し、かつ電動モータＭに流れるモータ電流に応じて当該電動モータＭに印加する電圧を制限する電圧制限制御を実行する（電圧制限制御部８０としての機能）。デューティ比の設定されたＰＷＭ信号によって駆動回路６６を駆動することによって、電動モータＭに印加される電圧を制御する電圧制御が行われる。この場合、電動モータＭに流れるモータ電流は、電動モータＭの負荷トルクに依存し、負荷トルクが大きいほど大きなモータ電流が流れる。つまり、ＤＣモータで構成される電動モータＭのモータ電流は、負荷トルクに依存して成り行きで定まり、モータ電流を直接的に制御することはできない。過大なモータ電流は電動モータＭの温度上昇を招き、効率低下に繋がる。また、駆動回路６６を構成するスイッチング素子Ｕ１，Ｌ１，Ｕ２，Ｌ２を保護する観点からも、過大なモータ電流を回避することが好ましい。

【0067】

そこで、この実施形態では、所定の電圧制限条件（過電流条件）が成立すると、電動モータに印加する電圧を制限する電圧制限制御が実行され、それによって、モータ電流の低減が図られる。

【0068】

図５は、ステアリングコントローラ２２の電圧制限制御の例（電圧制限制御部８０としての機能）を説明するためのフローチャートであり、ステアリングコントローラ２２が所定の制御周期で繰り返す処理の一例を示す。ステアリングコントローラ２２は、電流センサ６８の出力信号に基づいてモータ電流を検出する（ステップＳ１）。また、ステアリングコントローラ２２は、所定の制御周期毎に電流センサ６８の出力信号を読み込んで検出するモータ電流の値に基づいて、モータ電流の上昇率（たとえば、制御周期間のモータ電流の増分）を求める（ステップＳ２）。

【0069】

電圧制限条件は、モータ電流が所定の電流閾値を超えること（ステップＳ３：モータ電流条件）、およびモータ電流の上昇率が所定の上昇率閾値を超えること（ステップＳ４：電流上昇率条件）の一方または両方を含む。たとえば、ステアリングコントローラ２２は、電圧制限条件の成立状態が所定時間以上継続すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、電圧制限（ステップＳ６）を実行するようにプログラムされていてもよい。図５には、モータ電流条件（ステップＳ３）および電流上昇率条件（ステップＳ４）の両方が所定時間以上継続するときに（ステップＳ５：ＹＥＳ）、電圧制限（ステップＳ６）を実行する例を示す。

【0070】

電圧制限は、具体的には、ＰＷＭ信号のデューティ比を制限することであってもよい。たとえば、電圧制限が実行されていないときには、０％～１００％のデューティ比が許容され、電圧制限が開始されるとデューティ比の上限値が１００％よりも小さい値（たとえば８０％程度）に制限されてもよい。また、電圧制限は、ＰＩＤ演算によって求められたデューティ比に１未満の所定の係数（たとえば０．８程度）を乗じることによって、デューティ比を制限する処理を含んでいてもよい。

【0071】

ステアリングコントローラ２２は、所定の電圧制限時間だけ電圧制限を継続し（ステップＳ７）、その後、ステップＳ１に戻り、電圧制限条件（ステップＳ３，Ｓ４）を再判定するようにプログラムされていてもよい。すなわち、ステアリングコントローラ２２は、所定の電圧制限時間に渡って電圧制限を実行した後（ステップＳ７：ＹＥＳ）も電圧制限条件が成立していれば（ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５：ＹＥＳ）、電圧制限（ステップＳ６）を引き続き実行する。一方、電圧制限条件が不成立であれば（ステップＳ３またはＳ４でＮＯ）、電圧制限条件成立の継続時間を計測するタイマを初期化して計時動作を停止し、処理を終える。したがって、電圧制限が終了する。その後は、ステップＳ１からの処理が繰り返される。

【0072】

電圧制限条件成立（ステップＳ３およびＳ４でＹＥＳ）の継続時間が所定時間に満たないときには（ステップＳ５：ＮＯ）、その継続時間の計時を継続したまま（すなわちタイマを初期化せずに）、処理を終える。その後は、ステップＳ１からの処理が繰り返される。

【0073】

以上のように、この実施形態では、ステアリングアクチュエータ２５の動力源である電動モータＭはＤＣモータ（直流モータ）で構成されている。ＤＣモータは、典型的には、ブラシ付きＤＣモータである。ブラシ付ＤＣモータは、たとえば、磁石を取り付けたステータと、巻線を施したロータと、巻線の両端に接続された整流子と、整流子に接触するブラシとを有する。このようなＤＣモータを用いることにより、ステアリングアクチュエータ２５のコストを低減できる利点がある。一方、ＤＣモータのモータ電流は、負荷トルクに依存して成り行きで定まり、モータ電流を直接的に制御することはできない。そこで、この実施形態では、電圧制御によってＤＣモータをフィードバック制御して舵角センサ２９によって検出される舵角（実舵角）を目標舵角に導く一方で、モータ電流に応じてＤＣモータに印加する電圧を制限する。これにより、過電流状態を回避しながら、安価なＤＣモータを用いて、転舵装置ＳＴＧを適切にフィードバック制御できる。こうして、船舶１の操舵に適した操船システム１００を提供できる。

【0074】

また、この実施形態では、ステアリングコントローラ２２は、モータ電流が所定の電流閾値を超えること（モータ電流条件）、およびモータ電流の上昇率が所定の上昇率閾値を超えること（電流上昇率条件）の少なくとも一方を含む電圧制限条件が成立すると、電圧制限制御を実行する。したがって、過電流状態を回避しながら、ＤＣモータを用いて、転舵装置ＳＴＧを適切にフィードバック制御できる。

【0075】

また、この実施形態では、ステアリングコントローラ２２は、電圧制限条件の成立が所定時間以上継続すると、電圧制限制御を実行する。それにより、不必要な電圧制限を回避できる。したがって、過電流状態を回避しながら、安定した制御が可能になる。

【0076】

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、以下に例示するように、さらに他の形態で実施することができる。

【0077】

前述の実施形態では、１機の船外機ＯＭを船体２に取り付けた構成の船舶１を示したが、２機以上の船外機を船体２に取り付けた構成の船舶に上記の実施形態が応用されてもよい。

【0078】

船外機以外の形態の推進機が用いられてもよい。具体的には、船内機、船内外機、ウォータージェット等の形態の推進機を備える船舶に上記の実施形態が応用されてもよい。

【0079】

推進機の原動機は、エンジンである必要はなく、電動モータであってもよい。

【0080】

舵角は、船外機の舵角である必要はなく、舵板の角度であってもよい。

【0081】

操舵操作子としては、ステアリングホイールの代わりにジョイスティックが用いられてもよい。

【0082】

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

【符号の説明】

【0083】

１：船舶、２：船体、６：ステアリングホイール、８：ジョイスティック、１２：操作速度センサ、２１：船外機コントローラ、２２：ステアリングコントローラ、２５：ステアリングアクチュエータ、２９：舵角センサ、４０：油圧シリンダ、４５：油圧ポンプ、５０：メインコントローラ、５５：船内ネットワーク、５６：船外機制御ネットワーク、６５：処理装置、６６：駆動回路、６８：電流センサ、７０：フィードバック制御部、７１：目標舵角演算部、７２：偏差演算部、７３：ＰＩＤ制御部、７４：ＰＷＭ信号生成部、８０：電圧制限制御部、１００：操船システム、Ｍ：電動モータ、ＯＭ：船外機、ＳＴＧ：転舵装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】