特開 2024-172984 自律航行船舶

(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】P2024172984

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】自律航行船舶

(51)【国際特許分類】

   B63H 25/04 20060101AFI20241205BHJP

   B63H 9/04 20200101ALI20241205BHJP

   B63H 21/17 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

B63H25/04 D

B63H9/04

B63H21/17

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023091080

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】591280485

【氏名又は名称】ソフトバンクグループ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】孫 正義

(57)【要約】

【課題】航行に要するコストを低減することができる自律航行船舶を提供する。
【解決手段】実施形態に係る自律航行船舶は、船体と、縦帆と、翼帆と、電動駆動装置と、情報収集装置と、制御装置と、測位装置と、自律航行装置とを備える。自律航行装置は、測位装置によって測位される船体の位置に基づいて、船体を現在地から目的地まで船体を航行させるように舵を制御する。自律航行装置は、翼帆を駆動させずに航行した場合の目的地への第１到着時刻と、翼帆を駆動させて航行した場合の目的地への第２到着時刻とを予測する。自律航行装置は、第１到着時刻が目的への予め指定される第３到着時刻よりも早くなる場合には、翼帆を駆動させずに航行するように制御装置によって電動駆動装置を制御させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船体と、
前記船体に立設されるマストに張られる縦帆と、
前記船体の両舷に設けられ、航行中の前記船体に揚力を付与して前記船体を浮上させる翼帆と、
前記翼帆を羽ばたき運動させる電動駆動装置と、
前記船体の周囲の気象情報および海洋情報を収集する情報収集装置と、
前記情報収集装置によって収集される気象情報および海洋情報に基づいて、前記船体の推進力が最大となるように前記縦帆および前記翼帆の動作を制御する制御装置と、
前記船体の位置を測位する測位装置と、
前記測位装置によって測位される前記船体の位置に基づいて、前記船体を現在地から目的地まで前記船体を航行させるように舵を制御する自律航行装置と
を備え、
前記自律航行装置は、
前記翼帆を駆動させずに航行した場合の前記目的地への第１到着時刻と、前記翼帆を駆動させて航行した場合の前記目的地への第２到着時刻とを予測し、
前記第１到着時刻が前記目的地への予め指定される第３到着時刻よりも早くなる場合には、前記翼帆を駆動させずに航行するように前記制御装置によって前記電動駆動装置を制御させる、
自律航行船舶。

【請求項2】

前記自律航行装置は、
前記第１到着時刻が前記第３到着時刻よりも遅くなる場合には、前記翼帆を駆動させて航行するように前記制御装置によって前記電動駆動装置を制御させる、
請求項１に記載の自律航行船舶。

【請求項3】

前記船体に推進力を付与するスクリューを駆動する電気モータを備え、
前記自律航行装置は、
前記第２到着時刻が前記第３到着時刻よりも遅くなる場合には、前記翼帆を駆動させて航行するように前記制御装置によって前記電動駆動装置を制御させ、且つ前記スクリューを駆動させて航行するように前記電気モータを制御する、
請求項２に記載の自律航行船舶。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

開示の実施形態は、自律航行船舶に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、バッテリの電力によって駆動されるモータを駆動源として航行し、ＧＰＳ（Global Positioning System）等を利用して現在地から目的地までの操船を自動制御する制御部を備えた船舶がある（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１７８２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、バッテリの電力によって駆動されるモータを駆動源として航行する自律航行船舶は、航行するために商用電源などによってバッテリを充電する必要があり、航行に要するコストが嵩む。

【0005】

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、航行に要するコストを低減することができる自律航行船舶を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の一態様に係る自律航行船舶は、船体と、縦帆と、翼帆と、電動駆動装置と、情報収集装置と、制御装置と、測位装置と、自律航行装置とを備える。前記縦帆は、前記船体に立設されるマストに張られる。前記翼帆は、前記船体の両舷に設けられ、航行中の前記船体に揚力を付与して前記船体を浮上させる。前記電動駆動装置は、前記翼帆を羽ばたき運動させる。前記情報収集装置は、前記船体の周囲の気象情報および海洋情報を収集する。前記制御装置は、前記情報収集装置によって収集される気象情報および海洋情報に基づいて、前記船体の推進力が最大となるように前記縦帆および前記翼帆の動作を制御する。前記測位装置は、前記船体の位置を測位する。前記自律航行装置は、前記測位装置によって測位される前記船体の位置に基づいて、前記船体を現在地から目的地まで前記船体を航行させるように舵を制御する。前記自律航行装置は、前記翼帆を駆動させずに航行した場合の前記目的地への第１到着時刻と、前記翼帆を駆動させて航行した場合の前記目的地への第２到着時刻とを予測する。前記自律航行装置は、前記第１到着時刻が前記目的への予め指定される第３到着時刻よりも早くなる場合には、前記翼帆を駆動させずに航行するように前記制御装置によって前記電動駆動装置を制御させる。

【発明の効果】

【0007】

実施形態の一態様に係る自律航行船舶は、航行に要するコストを低減することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る自律航行船舶の側面説明図である。

【図2】図２は、実施形態に係る自律航行船舶の正面説明図である。

【図3】図３は、実施形態に係る自律航行船舶の上面説明図である。

【図4】図４は、実施形態に係る自律航行船舶内部の構成例を示す機能ブロック図である。

【図5】図５は、実施形態に係る自律航行船舶の航行中の側面説明図である。

【図6】図６は、実施形態に係る翼帆の羽ばたき運動の説明図である。

【図7】図７は、実施形態に係る自律航行装置が実行する処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して、自律航行船舶の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0010】

［１．自律航行船舶の外観］
まず、図１～図３を参照して、実施形態に係る自律航行船舶の外観について説明する。図１は、実施形態に係る自律航行船舶１の側面説明図である。図２は、実施形態に係る自律航行船舶１の正面説明図である。図３は、実施形態に係る自律航行船舶１の上面説明図である。なお、図１および図２には、停船中自律航行船舶を示している。図１および図２に示す点線は、水面を示している。

【0011】

図１～図３に示すように、実施形態に係る自律航行船舶１は、船体２と、マスト３と、縦帆４と、舵５と、スクリュー６と、翼帆７と、水中翼８とを備える。自律航行船舶１は、貨物の輸送に利用されるものであり、図１に一点鎖線で示すように、船体２の内部に貨物を保管できるスペース１７を備える。マスト３は、船体２に立設される。縦帆４は、マスト３に張られる。マスト３は、風を受けることによって、船体２に推進力を付与する。

【0012】

舵５は、船体２の後部船底に設けられる。舵５は、後述する自律航行装置１５（図４参照）によって駆動さて船体２の進路を変更する。スクリュー６は、船体２内に設けられる電気モータ１１（図４参照）によって回転駆動されて船体に推進力を付与する。

【0013】

つまり、自律航行船舶１は、風力と電力とを推進力に変換して航行するハイブリッド船である。このため、自律航行船舶１は、電力のみ、または化石燃料のみで航行する船舶に比べて、電力および化石燃料の消費量を低減することにより、航行に要するコストを低減することができる。

【0014】

また、翼帆７は、船体２の両舷に設けられる。具体的には、翼帆７は、船体２の進行方向を基準として右側側面および左側側面のそれぞれから船体２の外部の方向へ向けて突出するように設けられる。また、翼帆７は、飛行機の主翼を模した形状となっている。これにより、翼帆７は、航行中、つまり、前進中の船体２に揚力を付与して船体２を浮上させることができる。

【0015】

また、水中翼８は、船体２の底面、つまり、船底に設けられる。水中翼８は、飛行機の主翼を模した形状となっている。れにより、水中翼８は、航行中、つまり、前進中の船体２に揚力を付与して船体２を浮上させることができる。

【0016】

また、翼帆７の上面、つまり、水面に対抗する側とは反対側の面に、太陽光を電気に変換する太陽光パネル９が設けられる。また、船体２は、甲板に太陽光パネル９が設けられる。太陽光パネル９によって発電される電力は、スクリュー６を駆動する電気モータ１１（図４参照）に供給される。

【0017】

［２．自律航行船舶の内部構成］
次に、図４を参照して、自律航行船舶１の内部構成について説明する。図４は、実施形態に係る自律航行船舶内部の構成例を示す機能ブロック図である。ここでは、図１～３に示す構成要素と同一の構成要素については、図１～図３に示す符号と同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。

【0018】

図４に示すように、自律航行船舶１は、船体２の内部に、バッテリ１０、電気モータ１１、情報収集装置１２、制御装置１３、測位装置１４、自律航行装置１５、および電動駆動装置１６を備える。

【0019】

バッテリ１０は、充放電が可能な２次電池である。例えば、バッテリ１０は、Ｌｉ（リチウムイオン）バッテリである。バッテリ１０は、太陽光パネル９によって発電される電気を蓄電し、電気モータ１１、情報収集装置１２、制御装置１３、測位装置１４、自律航行装置１５、および電動駆動装置１６に電力を供給する。電気モータ１１は、自律航行装置１５によって駆動制御される。

【0020】

情報収集装置１２は、気象衛星および陸上に設置される気象サーバと通信可能に構成される。情報収集装置１２は、気象衛星および気象サーバのうち、少なくともいずれか一方から船体２の周囲の気象情報および海洋情報を受信して収集する。気象情報とは、例えば、船体２の周囲の天気予報、気圧配置、衛星写真等である。また、海洋情報とは、例えば、海流の方向および速さ、波の高さ等である。

【0021】

例えば、情報収集装置１２は、気象情報および海洋情報を収集して制御装置１３および自律航行装置１５に出力する。なお、情報収集装置１２は、風速センサ、風向センサ、および気圧センサ等の各種センサをさらに備え、各種センサによって気象情報および海洋情報を取得するように構成されてもよい。

【0022】

制御装置１３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。制御装置１３は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを作業領域として使用して実行することによって、縦帆４および電動駆動装置１６を制御する。

【0023】

なお、制御装置１３は、一部または全部がＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成されてもよい。

【0024】

制御装置１３は、ＡＩ（Artificial Intelligence）を備え、情報収集装置１２によって収集される気象情報および海洋情報に基づいて、船体２の推進力が最大となるようにＡＩが縦帆４の向きを制御する。

【0025】

これにより、自律航行船舶１は、例えば、船員の技術や経験に左右されることなく、ＡＩが縦帆４の向きを常に最適な向きに調整するので、風力を推進力として最大限利用して航行することができる。また、制御装置１３は、常時または必要に応じて電動駆動装置１６を制御して、翼帆７を駆動する。翼帆７の動作例については、図６を参照して後述する。

【0026】

測位装置１４は、ＧＰＳ（Global Positioning System）を備え、船体２の現在位置を測位する装置である。測位装置１４は、測位した船体２の現在位置を自律航行装置１５に出力する。

【0027】

自律航行装置１５は、地図情報と海図情報とを記憶している。自律航行装置１５は、地図情報、海図情報、事前に入力される目的地の位置、および測位装置１４から入力される船体２の現在位置に基づいて、現在地から目的地まで船体２を航行させるように、舵５と、電気モータ１１と、制御装置１３とをする。

【0028】

これにより、自律航行船舶１は、人による操船が不要となり、風力と太陽エネルギーとを使用した自動操船によって航行できる。つまり、自律航行船舶１は、バッテリ１０を充電するための電力費、内燃機関を駆動するための燃料費、および操船のための人件費が不要となる。したがって、自律航行船舶１によれば、航行に要するコストを大幅に低減することができる。

【0029】

［３．自律航行船舶の航行姿勢］
次に、図５を参照して、自律航行船舶１の航行姿勢について説明する。図５は、実施形態に係る自律航行船舶１の航行中の側面説明図である。

【0030】

図５に示すように、自律航行船舶１は、縦帆４が風を受けることによって発生する推進力と、スクリュー６が回転することによって発生する推進力とによって前進する。なお、自律航行船舶１は、縦帆４による推進力によって必要十分な航行速度が得られる場合には、スクリュー６を回転させずに航行する。

【0031】

そして、自律航行船舶１は、航行速度が予め定められる所定速度以上になると、翼帆７が発生させる揚力および水中翼８が発生する揚力によって浮上しながら航行する。このとき、自律航行船舶１は、船底が正面視Ｖ字形状（図２参照）になっているため、船体２が浮上していないときに比べて、船体２と水との接触面積が小さくなる。

【0032】

これにより、自律航行船舶１は、船体２が水から受ける抵抗力が低減されるので、翼帆７および水中翼８を備えない場合に比べて、航行速度を上昇させることができる。さらに、自律航行船舶１は、翼帆７を駆動することによって、船体２をさらに浮上させることができる。

【0033】

［４．翼帆の羽ばたき運動］
次に、図６を参照して、翼帆７の羽ばたき運動について説明する。図６は、実施形態に係る翼帆７の羽ばたき運動の説明図である。

【0034】

自律航行船舶１は、水中翼８と、固定翼の状態にした翼帆７とによる揚力では、船体２を十分に浮上させられない場合、また、航行速度をさらに上昇させる場合には、翼帆７を駆動する。

【0035】

この場合、自律航行船舶１の制御装置１３は、自律航行装置１５から翼帆７の駆動指令を受信すると、図６に示すように、電動駆動装置１６を制御して電動駆動装置１６により翼帆７を羽ばたき運動させる。これにより、自律航行船舶１は、翼帆７を固定翼状態にしている場合に比べて、船体２の浮上高度が高くなるので、航行速度をさらに上昇させることができる。

【0036】

［５．自律航行装置が実行する処理］
次に、図７を参照して、自律航行装置１５が実行する処理の一例について説明する。図７は、実施形態に係る自律航行装置１５が実行する処理の一例を示すフローチャートである。自律航行装置１５には、自律航行船舶１の出航前に、船体２の現在位置、目的地の位置、および、予め指定される到着時刻等が入力されて設定される。

【0037】

自律航行装置１５は、就航すると図７に示す処理を開始する。具体的には、図７に示すように、自律航行装置１５は、まず、情報収集装置１２から気象情報および海洋情報を取得する（ステップＳ１０１）。

【0038】

続いて、自律航行装置１５は、現在位置、目的地の位置、気象情報、および海洋情報に基づいて、翼帆７を駆動させずに航行した場合の目的地への到着時刻（以下、「第１到着時刻」と記載する）を算出して予測する（ステップＳ１０２）。

【0039】

このとき、自律航行装置１５は、気象情報を参照し、追い風の風向きが自律航行船舶１の目標進行方向に近く、かつ、その風速が高いほど、第１到着時刻が早くなるように、第１到着時刻を予測する。

【0040】

また、自律航行装置１５は、海洋情報を参照し、海流の向きが自律航行船舶１の目標進行方向に近く、かつ、その流速が高いほど、第１到着時刻が早くなるように、第１到着時刻を予測する。

【0041】

さらに、自律航行装置１５は、現在位置、目的地の位置、気象情報、海洋情報、および翼帆７の性能に基づいて、翼帆７を駆動させて航行した場合の目的地への到着時刻（以下、「第２到着時刻」と記載する）を算出して予測する（ステップＳ１０３）。

【0042】

このとき、自律航行装置１５は、気象情報を参照し、追い風の風向きが自律航行船舶１の目標進行方向に近く、かつ、その風速が高いほど、第２到着時刻が早くなるように、第２到着時刻を予測する。

【0043】

また、自律航行装置１５は、海洋情報を参照し、海流の向きが自律航行船舶１の目標進行方向に近く、かつ、その流速が高いほど、第２到着時刻が早くなるように、第２到着時刻を予測する。なお、翼帆７の性能は、翼帆７の種類毎に異なる各翼帆７の大きさ、および、形状に応じた設計上の既知の性能であるものとする。

【0044】

その後、自律航行装置１５は、第１到着時刻が目的地への予め指定される到着時刻（以下、「第３到着時刻」と記載する）よりも早くなるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

【0045】

自律航行装置１５は、第１到着時刻が第３到着時刻よりも早くなると判定した場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、翼帆７を駆動させずに航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させ（ステップＳ１０５）、処理をステップＳ１０６へ移す。

【0046】

また、自律航行装置１５は、第１到着時刻が第３到着時刻よりも早くならない（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、翼帆７を駆動させて航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させる（ステップＳ１０７）。

【0047】

つまり、自律航行装置１５は、第１到着時刻が第３到着時刻よりも遅くなる場合、または、第１到着時刻と第２到着時刻とが同時刻になる場合には、翼帆７を駆動させて航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させる。その後、自律航行装置１５は、第２到着時刻が第３到着時刻より遅くなるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

【0048】

自律航行装置１５は、第２到着時刻が第３到着時刻よりも遅くなると判定した場合（ステップＳ１０８，Ｙｅｓ）、スクリュー６を駆動させ航行するように電気モータ１１を制御し（ステップＳ１０９）、処理をステップＳ１０６へ移す。

【0049】

また、自律航行装置１５は、第２到着時刻が第３到着時刻よりも遅くならないと判定した場合（ステップＳ１０９，Ｎｏ）、処理をステップＳ１０６へ移す。つまり、自律航行装置１５は、第２到着時刻が第３到着時刻よりも早くなる場合、または、第２到着時刻と第３到着時刻とが同時刻になる場合には、処理をステップＳ１０６へ移す。

【0050】

ステップＳ１０６において、自律航行装置１５は、目的地に到着したか否かを判定する。そして、自律航行装置１５は、目的地に到着してないと判定した場合（ステップＳ１０６，Ｎｏ）、処理をステップＳ１０１へ移す。また、自律航行装置１５は、目的地に到着したと判定した場合（ステップＳ１０６，Ｙｅｓ）、処理を終了する。

【0051】

上記したように、自律航行装置１５は、翼帆７を駆動させずに航行した場合の目的地への第１到着時刻と、翼帆７を駆動させて航行した場合の目的地への第２到着時刻とを予測する。そして、自律航行装置１５は、第１到着時刻が目的への予め指定される第３到着時刻よりも早くなる場合には、翼帆７を駆動させずに航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させる。

【0052】

つまり、自律航行装置１５は、翼帆７を駆動させなくても、指定時時刻よりも前に目的地に到着できるのであれば、固定状態の翼帆７の揚力と、縦帆４の推進力とだけによって航行させる。

【0053】

これにより、自律航行船舶１は、内燃機関を駆動するための燃料が不要であり、翼帆７を駆動するための消費電力も不要になるので、バッテリ１０を充電するための電力費を低減することによって、航行に要するコストを低減することができる。しかも、自律航行船舶１は、今回の航行で温存したバッテリ１０の充電残量を次回の航行に有効活用することができる。

【0054】

また、自律航行装置１５は、第１到着時刻が第３到着時刻よりも遅くなる場合には、翼帆７を駆動させて航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させる。これにより、自律航行船舶１は、翼帆７の揚力および推進力と、縦帆４の推進力との双方を利用して航行することにより、目的地への到着時刻を縦帆４の推進力だけでは間に合わない指定時刻に近付けることができる。

【0055】

また、自律航行装置１５は、第２到着時刻が第３到着時刻よりも遅くなる場合には、翼帆７を駆動させて航行するように制御装置１３によって電動駆動装置１６を制御させ、且つスクリュー６を駆動させて航行するように電気モータ１１を制御する。

【0056】

これにより、自律航行船舶１は、翼帆７の揚力および推進力と、縦帆４の推進力と、スクリュー６の推進力とを利用して航行することにより、目的地への到着時刻を指定時刻にさらに近付けることができる。

【0057】

［６．変形例］
上記した実施形態は、一例であり、実施形態に係る自律航行船舶１は、種々の変形が可能である。図１～図６に示す自律航行船舶１は、翼帆７と水中翼８とを備えるが、翼帆７および水中翼８のうち、少なくともいずれか一方を備えるように構成されてもよい。これにより、自律航行船舶１は、重量が低減されるので、航行速度をさらに上昇させることができる。

【0058】

また、自律航行船舶１は、比較的風速が強い航路の運航に利用される場合、電気モータ１１およびスクリュー６を備えない構成であってもよい。これにより、自律航行船舶１は、電気モータ１１用のスペースを積み荷用のスペースとして有効活用できるので、船体２の積載能力を高めることができる。

【0059】

また、翼帆７の形状は、図１～図６に示す形状に限定されるものではなく、揚力を発生させる形状であれば、任意の形状であってもよい。例えば、翼帆７の長さ（船体２の幅方向の長さ）は、船体２の幅の２～３倍の長さであることが望ましい。

【0060】

また、制御装置１３は、船体２の航行速度が上昇し、かつ、船体２の浮上高度が上昇するように、風向きおよび風速に応じて翼帆７のピッチを調整するよう電動駆動装置１６を制御するように構成されてもよい。これにより、自律航行船舶１は、風力を最大限に利用して航行することが可能となる。

【0061】

また、制御装置１３は、船体２の重量に応じて翼帆７を制御するように構成されてもよい。具体的には、自律航行船舶１は、積載する貨物の重量が増大すると、貨物を含めた船体２の重量が増大して喫水が長くなる。自律航行船舶１は、喫水が長くなると船体２と水との接触面積が増大して水から受ける抵抗が増大する。

【0062】

そこで、制御装置１３は、貨物を含めた船体２の重量が増大するほど、翼帆７による揚力が大きくなるように翼帆７のピッチを調整する。これにより、自律航行船舶１は、より浮上しやすくなるので、水から受ける抵抗を低減することができる。

【0063】

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ 自律航行船舶
２ 船体
３ マスト
４ 縦帆
５ 舵
６ スクリュー
７ 翼帆
８ 水中翼
９ 太陽光パネル
１０ バッテリ
１１ 電気モータ
１２ 情報収集装置
１３ 制御装置
１４ 測位装置
１５ 自律航行装置
１６ 電動駆動装置
１７ スペース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】