JPH0124089B2

JPH0124089B2 -

Info

Publication number: JPH0124089B2
Application number: JP56113140A
Authority: JP
Inventors: Noryuki Akasaka
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1981-07-20
Publication date: 1989-05-10
Also published as: JPS5816997A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、首振り式吊下げ型可変翼プロペラを
推力発生装置とし、この推力発生装置を船首側お
よび船尾側のいずれか一方に２台、他方に１台装
備する大型船舶に用いて好適な自動位置制御装置
に関する。

従来より、首振り式可変翼プロペラ（以下、
「首振り式プロペラ」という。）には、プロペラ中
心軸が360度向きを変えることができるように旋
回角サーボ機構が装備されており、またプロペラ
発生推力の大きさを変えるためにプロペラ翼角を
制御する翼角サーボ機構が装備されている。

したがつてプロペラ旋回角とプロペラ翼角との
適当な組合わせにより操縦者は希望する推力ベク
トルを発生させることができるようになつてい
る。

ところで、第１図に示すように、海上作業を目
的とする大型船舶１には、風や潮流などの外乱に
対して作業中の定位置保持を行なうために、複数
台（この例では４台）の首振り式吊下げ形プロペ
ラ２１〜２４が装備されている。

プロペラの１台当りの発生推力容量には限度が
あるため、外乱から受ける抵抗力が大きい大型船
舶では、多数のプロペラが装備される。例えば第
１，２図に示すように船舶１の船首側の船体中心
線上には、第１および第２の首振り式プロペラ２
１，２２が船尾側の船体中心線上には第３および
第４の首振り式プロペラ２３，２４が装備されて
いる。なお第２図中の符号Ｇは船体重心を示して
いる。

例えば第３図に示すように、船体右前方より外
乱（以下図中では外乱を符号Ｓで示す。）を受け
た場合、抵抗力ベクトルＦとモーメントＭが船体
に作用し、等価的に船体重心Ｇより前方の点Ｏに
大きさと方向がＦに等しい力F_Tが作用する。こ
の抵抗力ベクトルF_Tに対抗して船位および船首
方位を安定に保持するためには、最少限第４図に
示す推力ベクトルT₁，T₂，T₃の組合わせが必要
と考えられる。

第４図に示すように、船舶１の船首側に第１お
よび第２の首振り式プロペラ２１，２２、船尾側
に第３の首振り式プロペラ２３が船体中心線上に
装備されているとした場合、これら３台の首振り
式プロペラ２１〜２３の操縦装置をブロツク図で
示すと、第５図のようになる。

このように、第５図は３台の首振り式プロペラ
２１，２２，２３を装備した船舶１の操縦装置を
示すが、符号１００〜１０３は第１の首振り式プ
ロペラ２１の操縦系を構成する装置を示してお
り、符号１０４〜１０７は第２の首振り式プロペ
ラ２２の操縦系を構成する装置を示していて、符
号１０８〜１１１は第３の首振り式プロペラ２３
の操縦系を構成する装置を示している。

今、操縦者が第１の翼角ハンドル１００を操作
すると、第１の翼角サーボ機構１０１が作動し
て、プロペラの翼角が所定の値に保たれ、プロペ
ラ推力の大きさが制御される。

次に、操縦者が第１の旋回角ハンドル１０２を
操作すると、第１の旋回角サーボ機構１０３が作
動してプロペラの旋回角が所定の向きに保たれ、
プロペラの推力ベクトルの向きが制御される。

このようにして第４図に示すように、操縦者が
希望する推力ベクトルT₁を第１の首振り式プロ
ペラ２１に発生させることができる。

同様に、操縦装置１０４〜１０７は第２の首振
り式プロペラ２２に希望する推力ベクトルT₂を
発生させ、操縦装置１０８〜１１１は第３の首振
り式プロペラ２３に希望する推力ベクトルT₃を
発生させることができる。

このように操縦者は推力ベクトルT₁，T₂，T₃
の組合わせによつて、潮流や風などの外乱に対抗
して船舶１の定位置保持を図ることができるので
ある。

次に、上述のごとく、３台の首振り式プロペラ
２１〜２３を装備した船舶１の定位置保持のため
の操作について述べる。

第３図に示すように、船体右前方より潮流外乱
Ｓを受けた場合、潮流方向Ψ₀が小さい角度でも、
船体重心Ｇに流体の粘性による摩擦抵抗F_Xが作
用する以外に、船体形状が翼に似ていることから
推察できるように大きな揚力F_Yが船体に直角方
向に作用する。

なお船体の揚力係数は小さいが、船の場合は翼
面積が大きいため、発生する揚力F_Yは大きくな
り、これにより合成された抵抗力ベクトルＦと船
体中心線とのなす角αは大きなものとなる。

さらに斜めより潮流を受ける船体には、第３図
に示すように、不安定モーメントＭが作用する。
なおこのモーメントＭは船体が受ける潮流の流入
角をますます大きくする方向に船体を回転させる
ように働くので不安定モーメントと呼ばれてい
る。

したがつて抵抗力Ｆと不安定モーメントＭとを
船体に作用させることは、船体重心Ｇより前方の
点Ｏに大きさと方向とがＦに等しい力F_Tが作用
するのと等価になる。

この抵抗力F_Tに対抗して船位および船首方位
を制御的に安定に保持するためには、第４図に示
す推力ベクトルT₁，T₂，T₃の組合わせが考えら
れる。

次に、第４図の推力ベクトルの組合わせが船体
の安定な位置制御を可能とすることを理解するた
めに、曳航船の運動を引用する。

第６図ａに示すように、船２が動力のない船３
の船首部にロープ４をつけて曳航するとき、一旦
曳かれる方の船３の向きが例えば右に変わると、
船３は左側より流れを受けるため、右向き揚力
F_Nおよび右向きの不安定モーメントM₁が発生し
船３はロープ張力の作るモーメントM₂および内
向きの力と釣合うまで右方向（矢印Ａ方向）に振
れ出てくる。

さらに、第６図ｂに示すように、ロープ４の張
力によるモーメントM₂が不安定モーメントM₁よ
り優つて船３が左に向きを変えると、今度は左向
き揚力F_Nおよび左向きモーメントM₁が船３に作
用して、船３は左方向（矢印Ｂ方向）に振り出し
ていく。

このように曳航される船３は不安定モーメント
および揚力のため左右の振り出しを繰り返すこと
になる。

したがつて、安定に船３を曳航するためには、
第７図ａに示すように、ロープ４の着力点Ｐが船
３の受ける抵孔力F_Tの作用点Ｏより前方になけ
ればならないことが明らかにされている。

さらに、第７図ｂ，ｃに示すように、船底から
突出した２枚のフイン５を取付けることにより、
船尾部に後向きの抵抗力F_D〔第７図ａ参照〕を発
生させると、曳航される船３の方位安定性が増す
ことが明らかにされている。

これにより、第８図に示すごとく、船６が潮流
外乱Ｓを右前方より受けた場合に、船６を所定の
位置に保持するためには、船６とブイ７とを結ぶ
ロープ８に適当な張力T₁₀をかけるとともに、船
６とブイ９とを結ぶロープ１０に適当な張力T₂₀
をかけることにより、潮流によつて船６に与えら
れる抵抗力F_Tを打消して、船６の力学的平衡を
達成できるのである。

したがつて、第９図に示すように、第４図に示
す推力ベクトルT₁，T₂の合力ベクトルT₁₂の作用
点Ｐが抵抗力ベクトルF_Tの作用点Ｏより前方に
あることと、推力ベクトルT₃が後進推力を発生
させることとにより、船舶１の方位安定性が保証
される。

ところで、第４図に示す船首側の推力ベクトル
T₁，T₂は、潮流による抵抗力F_Tに対抗するには
効果的であるため大きな推力となる。したがつて
推力ベクトルT₁，T₂の船体中心線方向の推力成
分の和は船体中心線方向の小さな抵抗成分F_Xに
対しては過大となるが、推力ベクトルT₁，T₂の
船体中心線に対する直角成分の和は揚力F_Yには
十分対抗できない。また推力ベクトルT₁，T₂に
よる旋回モーメントの和は船体重心Ｇから推力ベ
クトルT₁，T₂までの大きな腕のため不安定モー
メントＭにより過大になる。

そのため船尾側の推力ベクトルT₃は、第４図
に示すように、推力ベクトルT₁，T₂による過大
な旋回モーメントを打消すことと、揚力F_Yに対
して不足する横方向の推力成分を発生すること
と、船体中心線方向の小さな抵抗力成分F_Xと均
衡するように推力ベクトルT₁，T₂の船体中心線
方向の過大な成分を打消すこととを同時に果せる
推力ベクトルを発生する。

第４図に示す首振り式プロペラの推力ベクトル
T₁，T₂，T₃の組合わせでは、推力ベクトルT₁，
T₂と推力ベクトルT₃との船体中心線方向成分が
相殺される不利はあるが、これを避けるために第
４図に破線で示す方向に推力ベクトルT₃を発生
させると、抵抗力F_Tの作用点Ｏより後にロープ
の着力点が作用したことと等価になり、船１の方
位が不安定になる。

また船尾部の首振り式プロペラ２３が後進推力
T₃を発生することは、前述のように船１の方位
安定性を増すことに寄与している。

したがつて、２台の首振り式プロペラ２１，２
２を船首側に、１台の首振り式プロペラ２３を船
尾側に配置することにより、船１の外乱抵抗特性
に適した第４図に示すような推力ベクトルの組合
わせT₁，T₂，T₃を実現して、船舶１の安定な定
位置保持を行なうことができる。

上述の点に鑑み操縦者は、第４図に示す推力ベ
クトルの組合わせとなるように、３つの翼角ハン
ドル１００，１０４，１０８と、３つの旋回角ハ
ンドル１０２，１０６，１１０を操作して目標と
なる地点に、且つ、所定の船首方位を維持するよ
うに操船していた。

なお第１０図は左前方からの外乱Ｓに対して、
操縦者が船舶１の定位置保持のために実現する推
力ベクトルT₁，T₂，T₃の組合わせを示してい
る。

このように各種海上作業を行なう船舶では、作
業内容から潮流や風などの外乱に対して、船舶の
位置および方位を保ち続けることが要求される。

しかしながら、船舶の船首側に２台の首振り式
プロペラおよび船尾側に１台の首振り式プロペラ
を装備した船舶では、操縦者が船舶の位置および
方位のずれをメーターを見ながら６つの操作量す
なわち３つの翼角ハンドルと３つの旋回角ハンド
ルとをそれぞれ操作して定位置を保持させること
は、大変困難で操縦者の労力負担は大きく、また
作業能率を悪く、熟練者を必要とするなどの問題
点がある。

本発明は、このような問題点を解決しようとす
るもので、船舶を安定に曳航するためには、ロー
プの着力点は船体の受ける抵抗力ベクトルの作用
点より前方になければならないことと、船尾部に
後向きの抵抗力を発生させることにより曳航され
る船の方位安定性が増すこととに着目して、船首
側および船尾側のいずれか一方に２台、他方に１
台の首振り式プロペラをそれぞれ装備した船舶に
おいて、上記一方の側の２台の首振り式プロペラ
には前進推力を発生させ、他方の側の首振り式プ
ロペラには後進推力を発生させるために、操縦者
が希望する設定値を入力する位置設定器や方位設
定器、位置検出器、ジヤイロコンパス、船位偏差
変換器、PID制御器、加算器、減算器、符号変換
器、旋回角検出器等を装備して、これらを巧みに
組合わせることによつて操縦者は翼角ハンドルや
旋回角ハンドルを操作することなく、風や潮流な
どの外乱力に対して自動的に３台の首振り式プロ
ペラの推力ベクトルを調整して船舶が操縦者の希
望する位置と方位を保つことができるようにした
船舶の自動位置制御装置を提供することを目的と
する。

このため、本発明の船舶の自動位置制御装置
は、船首側および船尾側のいずれか一方に第１お
よび第２の首振り式プロペラをそなえるととも
に、その他方に第３の首振り式プロペラをそなえ
た船舶において、あらかじめ決められた空間固定
の座標系での船舶の位置座標を検出する位置検出
器と、上記座標系に設定する位置の位置座標信号
を出力する位置設定器と、船舶の方位を検出する
方位検出器と、船舶の方位設定信号を出力する方
位設定器とが設けられるとともに、上記位置設定
器の出力と上記位置検出器の出力とが入力される
第１の減算器と、上記位置設定器の出力と上記位
置検出器の出力とが入力される第２の減算器と、
上記方位設定器の出力と上記方位検出器の出力と
が入力される第３の減算器と、上記の第１および
第２の減算器の出力と上記方位設定器の出力とが
入力されて設定方位方向の位置偏差信号と設定方
位に直角方向の位置偏差信号とを出力する位置偏
差変換器と、同位置偏差変換器の第１の位置偏差
信号出力が入力される第１〜第３のPID制御器
と、上記位置偏差変換器の第２の位置偏差信号出
力が入力される第４〜第９のPID制御器と、少な
くとも上記第３の減算器の出力が入力される。

第10〜第13のPID制御器と、上記第４のPID制
御器の出力と上記第10のPID制御器の出力とが入
力される第１の加算器と、上記の第１および第２
の首振り式プロペラのうち船端に近い上記第１の
首振り式プロペラの旋回角を検出して同旋回角が
右方向きの場合を正とし、同旋回角が左向きの場
合を負として出力しうる第１の旋回角検出器と、
同第１の旋回角検出器の出力と上記第１の加算器
の出力とがそれぞれ入力されて上記第１の旋回角
検出器の出力信号が負の場合には上記第１の加算
器の出力信号の符号を変換して出力し上記第１の
旋回角検出器の出力信号が正の場合は上記第１の
加算器の出力信号の符号を変換せずそのまま出力
する第１の符号変換器と、上記第１のPID制御器
の出力と上記第１の符号変換器の出力とが入力さ
れる第２の加算器と、同第２の加算器の出力が入
力される第１の翼角サーボ機構と、上記第５の
PID制御器の出力と上記第11のPID制御器の出力
とが入力される第３の加算器と、同第３の加算器
の出力が入力される第１の旋回角サーボ機構と、
上記第１の首振り式プロペラより船体中央部寄り
に位置する上記第２の首振り式プロペラの旋回角
を検出して同旋回角が右向きの場合を正とし同旋
回角が左向きの場合を負として出力しうる第２の
旋回角検出器と、同第２の旋回角検出器の出力と
上記第６のPID制御器の出力とがそれぞれ入力さ
れて上記第２の旋回角検出器の出力信号が負の場
合には上記第６のPID制御器の出力信号の符号を
変換して出力し上記第２の旋回角検出器の出力信
号が正の場合には上記第６のPID制御器の出力信
号の符号を変換せずそのまま出力する第２の符号
変換器と、上記第２のPID制御器の出力と上記第
２の符号変換器の出力とが入力される第４の加算
器と、同第４の加算器の出力が入力される第２の
翼角サーボ機構と、上記第７のPID制御器の出力
が入力される第２の施回角サーボ機構と、上記第
８のPID制御器の出力と上記第12のPID制御器の
出力とが入力される第５の加算器と、上記第３の
首振り式プロペラの旋回角を検出して同旋回角が
右向きの場合を正とし同旋回角が左向きの場合を
負として出力しうる第３の旋回角検出器と、同第
３の旋回角検出器の出力と上記第５の加算器の出
力とがそれぞれ入力されて上記第３の旋回角検出
器の出力信号が負の場合には上記第５の加算器の
出力信号の符号を変換して出力し上記第３の旋回
角検出器の出力信号が正の場合には上記第５の加
算器の出力信号の符号を変換せずそのまま出力す
る第３の符号変換器と、上記第３のPID制御器の
出力と上記第３の符号変換器の出力とが入力され
る第６の加算器と、同第６の加算器の出力が入力
される第３の翼角サーボ機構と、上記第９のPID
制御器の出力と上記第13のPID制御器の出力とが
入力される第７の加算器と、同第７の加算器の出
力が入力される第３の旋回角サーボ機構とが設け
られたことを特徴としている。

以下、図面により本発明の一実施例としての船
舶の自動位置制御装置について説明すると、第１
１図はその全体構成図、第１２図はそのあらかじ
め決められた空間固定の座標系を示す説明図、第
１３図ａ〜ｄはいずれもベクトル表示される第１
の首振り式プロペラの推力を説明するための模式
図、第１４図はその位置偏差変換器の第１の位置
偏差信号についての説明図、第１５図はその位置
偏差変換器の第２の位置偏差信号についての説明
図、第１６図ａ，ｂ、第１７図ａ，ｂ、第１８図
ａ，ｂ、第１９図ａ，ｂ、第２０図ａ，ｂ、第２
１図ａ，ｂはいずれもその作用を説明するための
模式図、第２２図ａ〜ｈはいずれもそのシユミレ
ーシヨン結果を示すグラフ、第２３図は上記シユ
ミレーシヨンの条件を説明するための模式図、第
２４図ａ〜ｈはいずれもその他のシユミレーシヨ
ン結果を示すグラフ、第２５図は上記他のシユミ
レーシヨンの条件を説明するための模式図であ
る。

さて、第１および第２の首振り式プロペラ２
１，２２を船首側にそなえるとともに第３の首振
り式プロペラ２３を船尾側にそなえた船舶１にお
いて、操縦者は、位置設定器３００に、第１２図
に示すようなあらかじめ決められた空間固定座標
系（ｘ，ｙ）での位置座標設定値x_S，y_Sを与える
とともに、方位設定器３０１に、船首方位設定値
Ψ_Sを与える。

なお、第１２図において、ｘ軸をΨ＝０度に対
応させている。

また、位置検出器３０２は船位座標（ｘ，ｙ）
を検出し、方位検出器としてのジヤイロコンパス
３０３は船首方位Ψを検出するようになつてい
る。

さらに第１および第２の減算器３０４，３０５
は位置設定器３００と位置検出器３０２との各出
力信号の差である船位偏差信号Δx（＝ｘ−x_S）、
Δy（＝ｙ−y_S）をそれぞれ出力し、第３の減算器
３０６は方位設定器３０１とジヤイロコンパス３
０３との各出力信号の差である方位偏差信号ΔΨ
（＝Ψ−Ψ_S）を出力する。

船位偏差変換器３０７は船位偏差信号Δx，Δy
および方位設定信号Ψ_Sより下記演算式(1)によつ
て第１の位置偏差信号としての設定方位方向の船
位偏差信号Δx₀および第２の位置偏差信号として
の設定方位方向に直角な船位偏差信号Δy₀を出力
するようになつている。

なお座標（Δx₀，Δy₀）は第１２図で設定方位
Ψ_S方向とこれに直角方向とに座標軸を一致させ
た座標系（x₀，y₀）での船位座標を表わしてい
る。

Δx₀＝Δx cosΨ_S＋Δy sinΨ_S Δy₀＝−Δx sinΨ_S＋Δy cosΨ_S …(1) 以下、首振り式プロペラ２１〜２３の推力はベ
クトル表示とし、「推力量」はベクトルの大きさ
を意味しプロペラ翼角に比例する量で記号で表
わす。また「推力方向」はベクトルの方向を意味
しプロペラ旋回角に比例する量で記号θで表わ
す。さらに符号規則は次の規則に従う。すなわち
正の推力量は前進推力を表わし、負の推力量は後
進推力を表わすものとする。

そして、推力方向は船体中心線方向を零度と
し、右舷側の推力方向を正とし、左舷側の推力方
向を負として、それぞれ±90度を最大の推力方向
とする。なお後進推力の推力方向はベクトルの矢
印を反対側に延ばして船体中心線となす角度とす
る。（第１３図参照）ところで、第１のPID制御器３０８は、船位偏
差変換器３０７の出力信号Δx₀を入力として、第
１の首振り式プロペラ２１の推力量に対する要求
信号_1Xを出力し、位置偏差Δx₀が零になるよう
にする役割を果す制御器である。

ここで第１の首振り式プロペラ２１に対する要
求信号_1xは(2)式のようになる。

_1X＝K_PX1Δx₀＋K_IX1∫Δx₀dt ＋K_DX1ｄ／dt（Δx₀） …(2) なお、K_PX1，K_IX1，K_DX1＜０と定めておく。

ここで、Δx₀は第１４図に示す距離であり、第
１４図に示すように、Δx₀＞０のとき、すなわち
座標系（x₀，y₀）で船舶１の位置がy₀軸より上方
にあるときは、(2)式より推力量に対する要求信号
_1Xは負となり、第１の首振り式プロペラ２１に
後進推力を要求することにより、船舶１の位置を
設定位置（x_S，y_S）に戻そうとする。

また、Δx₀＜０のときは、(2)式により要求信号
_1xは正となり、第１の首振り式プロペラ２１に
前進推力を要求することにより、船舶１を設定位
置に戻そうとする。

なお上記(2)式における第２項の積分項は、風や
潮流などの外乱があるときに、船舶１が設定位置
に戻つて位置偏差Δx₀が零の状態〔このとき(2)式
の第１項による要求信号は零になる。〕でも、外
乱力に対抗できる推力ベクトルを第１の首振り式
プロペラ１に保持し続けるように要求信号を出力
する役割を果す項である。

また(2)式における第３項の微分項は、第１の首
振り式プロペラ２１の推力ベクトルにより船舶１
が設定位置に戻りつつあるときに設定位置より大
きく行き過ぎがないように、第１の首振り式プロ
ペラ２１の推力ベクトルに制動効果を持たせて安
定な位置制御を実現する役割を果す項である。

第２のPID制御器３０９は、x₀軸方向の位置偏
差Δx₀を入力として、第２の首振り式プロペラ２
２の推力量に対する要求信号_2xを出力し、位置
偏差Δx₀が零になるようにする制御器である。

ここで、第２の首振り式プロペラ２２に対する
要求信号_2Xは(3)式のようになる。

_2X＝K_PX2Δx₀＋K_IX2∫Δx₀dt ＋K_DX2ｄ／dt（Δx₀） …(3) なお、K_PX2，K_IX2，K_DX2＜０と定めておく。

また、第２の首振り式プロペラ２２に対する第
２のPID制御器３０９の役割は、上述の第１の首
振り式プロペラ２１に対する第１のPID制御器３
０８の役割と全く同様であるので、その作用の説
明は省略する。

第３のPID制御器３１０は、x₀軸方向の位置偏
差Δx₀を入力として、第３の首振り式プロペラ２
３の推力量に対する要求信号_3xを出力し、位置
偏差Δx₀が零になるようにする制御器である。

ここで、第３の首振り式プロペラ２３に対する
要求信号_3Xは(4)式のようになる。

_3X＝K_PX3Δx₀＋K_IX3∫Δx₀dt ＋K_DX3ｄ／dt（Δx₀） …(4) なお、K_PX3，K_IX3，K_DX3＜０と定めておく。

また、第３の首振り式プロペラ２３に対する第
３のPID制御器３１０の役割は、上述の第１、第
２の首振り式プロペラ２１，２２に対する第１、
第２のPID制御器３０８，３０９の役割と全く同
様であるので、その作用の説明は省略する。

なお、上記(3)，(4)式における積分項は、前述の
(2)式における積分項と同様に、船舶１の位置偏差
Δx₀が零の状態でも外乱力に対抗できる推力ベク
トルを第２および第３の首振り式プロペラ２２，
２３に保持し続ける役割を果す項であり、また
(3)，(4)式における微分項は、前述の(2)式における
微分項と同様に、船舶１の位置偏差修正時に第２
および第３の首振り式プロペラ２２，２３の推力
ベクトルに制御効果を持たせて安定な位置制御を
実現する役割を果す項である。

第４および第５のPID制御器３１１，３１２
は、位置偏差変換器３０７の出力信号Δy₀を入力
として、第１の首振り式プロペラ２１の推力量に
対する要求信号_1Yと推力方向に対する要求信号
θ_1Yとを出力し、位置偏差Δy₀が零になるようにす
る役割を果す制御器である。

ここで、第１の首振り式プロペラ２１に対する
要求信号_1Y，θ_1Yは(5)，(6)式のようになる。

_1Y＝K_PY4Δy₀＋K_IY4∫Δy₀dt ＋K_DY4ｄ／dt（Δy₀） …(5) なお、K_PY4，K_IY4，K_DY4＜０と定めておく。

θ_1Y＝K_PY5Δy₀＋K_IY5∫Δy₀dt ＋K_DY5ｄ／dt（Δy₀） …(6) なお、K_PY5，K_IY5，K_DY5＜０と定めておく。

ここで、Δy₀は第１５図に示す距離であり、船
舶１が右前方より風や潮流などの外乱を受け流さ
れx₀軸より左側に来たとすると、このときΔy₀＜
０となり、(5)，(6)式より、第１の首振り式プロペ
ラ２１に対する要求信号_1Y，θ_1Yは_1Y＞０，θ_1Y
＞０のようになる。

したがつて、第１の首振り式プロペラ２１の推
力ベクトルは、第１６図ａに示すように、第１象
限内にあり、右前方からの外乱Ｓに対し前記第４
図に示す推力ベクトルT₁が実現されるのである。

次に、船舶１が左前方からの外乱Ｓにより、x₀
軸の右側に来た場合、すなわちΔy₀＞０のとき
は、(5)，(6)式より、第１の首振り式プロペラ２１
の推力ベクトルに対する要求信号_1Y，θ_1Yは_1Y
＜０，θ_1Y＜０のようになる。

したがつて、第１の首振り式プロペラ２１の推
力ベクトルは、第１６図ｂ中の破線矢印で示すよ
うに、第４象限内に生じこの推力ベクトルでは位
置偏差をますます増大させることになる。しかし
前述のごとく、左前方の外乱Ｓに対して船舶１の
定位置保持を実現できる推力ベクトルの組合わせ
は、前記第１０図に示した組合わせでなければな
らないため、旋回角検出信号θ₁が負の場合は推力
量の要求信号_1Yの符号を変換する必要がある。

したがつて、第４のPID制御器３１１は第１の
首振り式プロペラ２１の旋回角検出信号θ₁が負の
ときは推力量の要求信号_1Yの符号を変換して出
力し、第１６図ｂ中に実線の矢印で示す推力ベク
トルが第１の首振り式プロペラ２１に実現でき、
船舶１の定位置保持が可能となる。

なお、旋回角検出信号θ₁が負のときに推力量の
要求信号_1Yの符号を変換する役割は後述の第１
の符号変換器３２２が行なう。

第６および第７のPID制御器３１３，３１４
は、y₀軸方向の位置偏差信号Δy₀を入力として、
第２の首振り式プロペラ２２の推力量に対する要
求信号_2Yおよび推力方向に対する要求信号θ_2Yを
出力し、位置偏差Δy₀が零になるようにする。

ここで、第２の首振り式プロペラ２２に対する
要求信号_2Y，θ_2Yは(7)，(8)式のようになる。

_2Y＝K_PY6Δy₀＋K_IY6∫Δy₀dt ＋K_DY6ｄ／dt（Δy₀） …(7) なお、K_PY6＋K_IY6，K_DY6＜０と定めておく。

θ_2Y＝K_PY7Δy₀＋K_IY7∫Δy₀dt ＋K_DY7ｄ／dt（Δy₀） …(8) なお、K_PY7，K_IY7，K_DY7＜０と定めておく。

今、船舶１が右前方より外乱Ｓを受けて、第１
５図に示すようにx₀軸の左側に来たとすると、
Δy₀＜０となり、(7)，(8)式より第２の首振り式プ
ロペラ２２の推力ベクトルに対する要求信号_2Y，
θ_2Yは_2Y＞０，θ_2Y＞０のようになる。

したがつて、第２の首振り式プロペラ２２の推
力ベクトルは第１７図ａに示すように第１象限内
にあり、右前方からの外乱Ｓに対して第４図に示
す推力ベクトルT₂が実現されるのである。

次に、船舶１が左前方からの外乱によりx₀軸の
右側に来た場合、すなわちΔy₀＞０のときは、
(7)，(8)式より第２の首振り式プロペラ２２の推力
ベクトルに対する要求信号_2Y，θ_2Yは_2Y＜０，
θ_2Y＜０のようになる。

したがつて、第２の首振り式プロペラ２２の推
力ベクトルは第１７図ｂ中の破線矢印で示すよう
に第４象限内に生じ、この推力ベクトルでは位置
偏差をますます増大させることになる。しかし前
述したように、左前方の外乱Ｓに対して船舶１の
定位置保持を実現できる推力ベクトルの組合わせ
は第１０図に示すものでなければならないため、
旋回角検出信号θ₂が負の場合は推力量の要求信号
_2Yの符号を変換する必要がある。

したがつて、第６のPID制御器３１３は、第２
の首振り式プロペラ２２の旋回角検出信号θ₂が負
のときは、推力量の要求信号_2Yの符号を変換し
て出力し、第１７図ｂ中、実線の矢印で示す推力
ベクトルが第２の首振り式プロペラ２２に実現で
き、船舶１の定位置保持が可能となる。なお旋回
角検出信号θ₂が負のときに推力量の要求信号_2Y
の符号を変換する役割は後述の第２の符号変換器
３２８が行なう。

第８及び第９のPID制御器３１５，３１６は、
y₀軸方向の位置偏差信号Δy₀を入力として、第３
の首振り式プロペラ２３の推力量に対する要求信
号_3Yおよび推力方向に対する要求信号θ_3Yを出力
し、位置偏差Δy₀が零になるようにする制御器で
ある。

ここで、第３の首振り式プロペラ２３に対する
要求信号_3Y，θ_3Yは(9)，(10)式のようになる。

_3Y＝K_PY8Δy₀＋K_IY8∫Δy₀dt ＋K_DY8ｄ／dt（Δy₀） …(9) なお、K_PY8，K_IY8，K_DY8＜０と定めておく。

θ_3Y＝K_PY9Δy₀＋K_IY9∫Δy₀dt ＋K_DY9ｄ／dt（Δy₀） …(10) なお、K_PY9，K_IY9，K_DY9＞０と定めておく。

今、船舶１が右前方より外乱Ｓを受けて第１５
図に示すようにx₀軸の左側に来たとすると、Δy₀
＜０となり、(9)，(10)式より第３の首振り式プロペ
ラ２３の推力ベクトルに対する要求信号_3Y，θ_3Y
は_3Y＞０，θ_3Y＜０のようになる。

したがつて、第３の首振り式プロペラ２３の推
力ベクトルは第１８図ａ中の破線の矢印で示すよ
うに第２象限内に生じ、この推力ベクトルでは位
置偏差をますます増大させる。しかし前述したよ
うに右前方の外乱Ｓに対して船舶１を定点保持で
きる推力ベクトルの組合わせは第４図に示す組合
わせでなければならないので、第１の首振り式プ
ロペラ２１の要求信号の場合と同様に、第３の首
振り式プロペラ２３の旋回角検出信号θ₃が負の場
合は推力量の要求信号_3Yの符号を変換する必要
がある。

したがつて、第８のPID制御器３１５は、第３
の首振り式プロペラ２３の旋回角検出信号θ₃が負
のときは、推力量の要求信号_3Yの符号を変換し
て出力すると、第１８図ａの実線の矢印で示す推
力ベクトルが第３の首振り式プロペラ２３に実現
でき、船舶１の定位置保持が可能となる。

また、旋回角検出信号θ₃が負のときに推力量の
要求信号_3Yの符号を変換する役割は後述の第３
の符号変換器３３４が行なう。

次に、船舶１が左前方からの外乱Ｓを受けてx₀
軸の右側に来たとすると、Δy₀＞０となり、(9)，
(10)式より第３の首振り式プロペラ２３の推力ベク
トルに対する要求信号_3Y，θ_3Yは_3Y＜０，θ_3Y＞
０のようになる。

したがつて、第３の首振り式プロペラ２３の推
力ベクトルは第１８図ｂに示すように第３象限内
に生じ、左前方からの外乱Ｓに対して前記第１０
図に示す推力ベクトルが実現され、船舶１の定位
置保持が可能となる。

上記(5)〜(10)式における第２項の積分項は、船舶
１が設定位置に戻つて位置偏差Δy₀が零の状態
（このとき第１項による要求信号は零になる。）で
も、風や潮流などの外乱力に対抗できる推力ベク
トルをそれぞれの首振り式プロペラに保持し続け
るように要求信号を出力する役割を果す項で、上
記(5)〜(10)式における第３項の微分項は、それぞれ
のプロペラの推力ベクトルにより船舶１が設定位
置に戻りつつあるときに設定位置より大きく行き
過ぎがないようにプロペラの推力ベクトルに制動
効果を持たせて安定な位置制御を実現する役割を
果す項である。

第10および第11のPID制御器３１７，３１８
は、第３の減算器３０６の出力、すなわち方位偏
差信号ΔΨとジヤイロコンパス３０３の出力信号
Ψとを入力として、第１の首振り式プロペラ２１
の推力量に対する要求信号₁〓と推力方向に対す
る要求信号θ₁〓とを出力して、方位偏差ΔΨが零
になるようにする役割を果す制御器である。

ここで、第１の首振り式プロペラ２１に対する
要求信号₁〓，θ₁〓は(11)，(12)式のようになる。

₁〓＝K_P〓₁₀ΔΨ＋K_I〓₁₀∫ΔΨdt ＋K_D〓₁₀ｄ／dt（Ψ） …(11) なお、K_P〓₁₀，K_I〓₁₀，K_D〓₁₀＜０と定めておく。

θ₁〓＝K_P〓₁₁ΔΨ＋K_I〓₁₁∫ΔΨdt ＋K_D〓₁₁ｄ／dt（Ψ） …(12) なお、K_P〓₁₁，K_I〓₁₁，K_D〓₁₁＜０と定めておく。

今、船舶１が第１９図ａに示すように右前方か
らの外乱Ｓを受けると、船首方位が変つて方位偏
差ΔΨがΔΨ＜０となり、(11)，(12)式より第１の首
振り式プロペラ２１の推力ベクトルに対する要求
信号₁〓，θ₁〓は₁〓＞０，θ₁〓＞０のようになる
。

したがつて、第１の首振り式プロペラ２１の推
力ベクトルは第１９図ａに示すように第１象限内
に生じ、船首方位を元に戻すような推力ベクトル
が実現されている。

次に、船舶１が左前方からの外乱Ｓを受けると
方位偏差ΔΨがΔΨ＞０となり、(11)，(12)式より第
１の首振り式プロペラ２１の推力ベクトルに対す
る要求信号₁〓，θ₁〓は₁〓＜０，θ₁〓＜０のよう
に
なる。

したがつて、第１の首振り式プロペラ２１の推
力ベクトルは第１９図ｂ中の破線の矢印で示すよ
うに第４象限内に生じ、この推力ベクトルでは方
位偏差をますます増大させることになる。船首方
位を元に戻すためには第１９図ｂの実線の矢印で
示す推力ベクトルが必要とされるから、第１の首
振り式プロペラ２１の旋回角検出信号θ₁が負の場
合には推力量の要求信号₁〓の符号を変換する必
要がある。

したがつて、第10のPID制御器３１７は、第１
の首振り式プロペラ２１の旋回角検出信号θ₁が負
のときは、推力量の要求信号₁〓の符号を変換し
て出力すると、第１９図ｂの実線の矢印で示す推
力ベクトルが第１の首振り式プロペラ２１に実現
でき、外乱Ｓによる船首方位の変化が修正され
る。

第12および第13のPID制御器３１９，３２０
は、方位偏差信号ΔΨとジヤイロコンパス３０３
の出力信号Ψとを入力として、第３の首振り式プ
ロペラ２３の推力量に対する要求信号₃〓と推力
方向に対する要求信号θ₃〓とを出力し、方位偏差
ΔΨが零になるようにする制御器である。

第３の首振り式プロペラ２３に対する要求信号
₃〓，θ₃〓は(13)，(14)式のようになる。

₃〓＝K_P〓₁₂ΔΨ＋K_I〓₁₂∫ΔΨdt ＋K_D〓₁₂ｄ／dt（Ψ） …(13) なお、K_P〓₁₂，K_I〓₁₂，K_D〓₁₂＞０と定めておく。

θ₃〓＝K_P〓₁₃ΔΨ＋K_I〓₁₃∫ΔΨdt ＋K_D〓₁₃ｄ／dt（Ψ） …(14) なお、K_P〓₁₃，K_I〓₁₃，K_D〓₁₃＜０と定めておく。

今、船舶１が第２０図ａに示すように右前方か
らの外乱Ｓを受けると、船首方位が変つて方位偏
差ΔΨがΔΨ＜０となり、(13)，(14)式より第３の
首振り式プロペラ２３の推力ベクトルに対する要
求信号₃〓，θ₃〓は₃〓＜０，θ₃〓＞０のようにな
る。

したがつて、第３の首振り式プロペラ２３の推
力ベクトルは第２０図ａに示すように第３象限内
に生じ、船首方位を元に戻すような推力ベクトル
が実現される。

次に、船舶１が左前方からの外乱Ｓを受ける
と、方位偏差ΔΨがΔΨ＞０となり、(13)，(14)式
より第３の首振り式プロペラ２３の推力ベクトル
に対する要求信号₃〓，θ₃〓は₃〓＞０，θ₃〓＜０
の
ようになる。

したがつて、第３の首振り式プロペラ２３の推
力ベクトルは第２０図ｂ中の破線の矢印で示すよ
うに第２象限内に生じ、この推力ベクトルでは方
位偏差をますます増大させることになる。しかし
船首方位を元に戻すためには第２０図ｂの実線の
矢印で示す推力ベクトルが必要とされるから、第
３の首振り式プロペラ２３の旋回角検出信号θ₃が
負の場合には推力量の要求信号₃〓の符号を変換
する必要がある。

したがつて、第12のPID制御器３１９は、第３
の首振り式プロペラ２３の旋回角検出信号θ₃が負
のときは、推力量の要求信号₃〓の符号を変換し
て出力すると、第２０図ｂの実線の矢印で示す推
力ベクトルが第３の首振り式プロペラ２３に実現
でき、外乱による船首方位の変化が修正される。

なお、(11)〜(14)式における第２項の積分項は、
船舶１が設定方位に戻つて方位偏差ΔΨが零の状
態（このとき第１項による要求信号は零になる。）
でも、風や潮流などの外乱に対抗できる推力ベク
トルをそれぞれの首振り式プロペラに保持し続け
るように要求信号を出力する役割を果す項で、上
記(11)〜(14)式における第３項の微分項は、それぞ
れのプロペラの推力ベクトルにより船舶１が設定
方位に戻りつつあるときに設定方位より大きく行
き過ぎがないようにプロペラの推力ベクトルに制
御効果を持たせて安定な方位制御を実現する役割
を果す項である。

第１の加算器３２１は、第４のPID制御器３１
１と第10のPID制御器３１７の出力信号を入力と
して、下記(15)式の加算結果_1Aを出力するもの
である。

_1A＝_1Y＋₁〓＝K_PY4Δy₀＋K_IY4∫Δy₀dt＋K_DY4
ｄ／dt（Δy₀）＋K_P〓₁₀ΔΨ＋K_I〓₁₀∫ΔΨdt＋K_D〓₁₀ｄ／dt（Ψ）
…(15) また、第１の符号変換器３２２は、第１の首振
り式プロペラ２１の旋回角が負、すなわち推力ベ
クトルが左向きの場合に、第１の加算器３２１が
出力する第１の首振り式プロペラ２１の推力量に
対する要求信号_1Aの符号を変換して、第１の首
振り式プロペラ２１に位置偏差Δy₀および方位偏
差ΔΨの修正を効果的に行なえるような推力ベク
トルを実現する役割を持つものである。

したがつて、第１の符号変換器３２２は、第１
の加算器３２１と後述の第１の首振り式プロペラ
２１用の第１の旋回角検出器３２７の各出力信号
を入力として、旋回角検出信号θ₁が負の場合に
は、第１の加算器３２１の出力信号の符号を変換
して出力し、旋回角検出信号θ₁が正の場合は、第
１の加算器３２１の出力信号の符号を変換せずそ
のまま出力するのである。

第２の加算器３２３は、第１のPID制御器３０
８と第１の符号変換器３２２との出力信号を入力
として第１の首振り式プロペラ２１の推力量に対
する要求信号_1dとして下記(16)式の加算結果を
出力するものである。

_1d＝K_PX1Δx₀＋K_IX1∫Δx₀dt＋K_DX1ｄ／dt（Δx₀）
±｛K_PY4Δy₀＋K_IY4∫Δy₀dt＋K_DY4ｄ／dt（Δy₀）＋K_P〓₁₀ΔΨ＋K_I〓₁₀∫ΔΨdt＋K_D〓₁₀ｄ／dt（
Ψ）｝…(16) ここで、θ₁＞０のときは、＋符号を選択し、θ₁
＜０のときは、−符号を選択するものとする。

なお、上記(16)式における第１〜第３項は、風
や潮流などの外乱に対抗して第１の首振り式プロ
ペラ２１の推力量を変えることにより、船舶１の
位置偏差Δx₀が零になるように安定な位置制御を
行なう役割を果す項で、第４〜第６項は位置偏差
Δy₀を零にする役割を果す項で、第７〜第９項は
方位偏差ΔΨを零にする役割を果す項である。

また上記(16)式の符号の選択は上述の第１の符
号変換器３２２が行なう。

第１の自動手動切換装置３２４は、既存の第１
の翼角ハンドル１００と第２の加算器３２３の出
力信号とを入力として、操縦者が希望する運転モ
ードに応じて切換えることにより、いずれかの信
号を出力できるようにしたものである。

また、第１の翼角サーボ機構１０１は第１の自
動手動切換装置３２４の出力信号により第１の首
振り式プロペラ２１の推力量₁を調節するもの
である。

第３の加算器３２５は、第５のPID制御器３１
２と第11のPID制御器３１８との出力信号とを入
力として、第１の首振り式プロペラ２１の推力方
向に対する要求信号θ_1dとして、下記(17)式の加算
結果を出力するものである。

θ_1d＝K_PY5Δy₀＋K_IY5∫Δy₀dt＋K_DY5ｄ／dt（Δy₀）
＋K_P〓₁₁ΔΨ＋K_I〓₁₁∫ΔΨdt＋K_D〓₁₁ｄ／dt（Ψ）…
(17) なお、上記(17)式における第１〜第３項は位置
偏差Δy₀を零にする役割を果す項で、第４〜第６
項は方位偏差ΔΨを零にする役割を果す項であ
る。

第２の自動手動切換装置３２６は、既存の第１
の旋回角ハンドル１０２と第３の加算器３２５と
の出力信号を入力として、操縦者が希望する運転
モードに応じて切換えることにより、いずれかの
信号を出力できるようにしたものである。

また、第１の旋回角サーボ機構１０３は、第２
の自動手動切換装置３２６の出力信号を入力とし
て、第１の首振り式プロペラ２１の旋回角θ₁を調
節するものである。

第１の旋回角検出器３２７は第１の首振り式プ
ロペラ２１の旋回角θ₁を検出するもので、この旋
回角検出信号θ₁は上述の第１の符号変換器３２２
に入力される。

第２の符号変換器３２８は、第２の首振り式プ
ロペラ２２の旋回角が負、すなわち推力ベクトル
が左向きの場合に、第６のPID制御器３１３が出
力する第２の首振り式プロペラ２２の推力量に対
する要求信号_2Yの符号を変換して、第２の首振
り式プロペラ２２に位置偏差Δy₀の修正を効果的
に行なえるような推力ベクトルを実現する役割を
持つものである。

したがつて第２の符号変換器３２８は、第６の
PID制御器３１３と後述の第２の首振り式プロペ
ラ２２用の第２の旋回角検出器３２２の各出力信
号を入力とし、旋回角検出信号θ₂が負の場合に
は、第６のPID制御器３１３の出力信号の符号を
変換して出力し、旋回角検出信号θ₂が正の場合
は、第６のPID制御器３１３の出力信号の符号を
変換せずそのまま出力するのである。

第４の加算器３２９は、第２のPID制御器３０
９と第２の符号変換器３２８との出力信号を入力
として第２の首振り式プロペラ２２の推力量に対
する要求信号_2dとして下記(18)式の加算結果を
出力するものである。

_2d＝K_PX2Δx₀＋K_IX2∫Δx₀dt＋K_DX2ｄ／dt（Δx₀）
±｛K_PY6Δy₀＋K_IY6∫Δy₀dt＋K_DY6ｄ／dt（Δy₀）｝…
(18) ここで、θ₂＞０のときは、＋符号を選択し、θ₂
＜０のときは、−符号を選択するものとする。

なお、上記（18）式における第１〜第３項は、
風や潮流などの外乱に対抗して第２の首振り式プ
ロペラ２２の推力量を変えることにより、船舶１
の位置修正Δx₀が零になるように安定な位置制御
を行なう役割を果す項で、第４〜第６項は位置偏
差Δy₀を零にする役割を果す項である。

また、上記(18)式の符号の選択は上述の第２の
符号変換器３２８が行なう。

第３の自動手動切換装置３３０は、既存の第２
の翼角ハンドル１０４と第４の加算器３２９との
出力信号を入力として、操縦者が希望する運転モ
ードに応じて切換えることにより、いずれかの信
号を出力できるようにしたものである。

また、第２の翼角サーボ機構１０５は第３の自
動手動切換装置３３０の出力信号により第２の首
振り式プロペラ２２の推力量₂を調節するもの
である。

第４の自動手動切換装置３３１は、既存の第２
の旋回角ハンドル１０６と第７のPID制御器３１
４との出力信号を入力として、操縦者が希望する
運転モードに応じて切換えることにより、いずれ
かの信号を出力できるようになつている。

また、第２の旋回角サーボ機構１０７は、第４
の自動手動切換装置３３１の出力信号を入力とし
て、第２の首振り式プロペラ２２の旋回角θ₂を調
節するものである。

第２の旋回角検出器３３２は第２の首振り式プ
ロペラ２２の旋回角θ₂を検出するもので、この旋
回角検出信号θ₂は上述の第２の符号変換器３２８
に入力される。

第５の加算器３３３は、第８のPID制御器３１
５と第12のPID制御器３１９との出力信号を入力
として、下記(19)式の加算結果_5Aを出力するも
のである。

_5A＝_2Y＋₂〓＝K_PY8Δy₀＋K_IY8∫Δy₀dt＋K_DY8
ｄ／dt（Δy₀）＋K_P〓₁₂ΔΨ＋K_I〓₁₂∫ΔΨdt＋K_D〓₁₂ｄ／dt（Ψ）
…(19) 第３の符号変換器３３４は、第１の首振り式プ
ロペラ２１に対する第１の符号変換器３２２と同
じ役割を第３の首振り式プロペラ２３について果
すもので第５の加算器３３３と後述の第３の首振
り式プロペラ２３用の第３の旋回角検出器３３９
の各出力信号を入力として、旋回角検出信号θ₃が
負の場合は、第５の加算器３３３の出力信号の符
号を変換して出力し、旋回角検出信号θ₃が正の場
合は、第５の加算器３３３の出力信号の符号を変
換せずそのまま出力するのである。

第６の加算器３３５は、第３のPID制御器３１
０と第３の符号変換器３３４との出力信号を入力
として、第３の首振り式プロペラ２３の推力量に
対する要求信号_3dとして下記（20）式の加算結
果を出力するものである。

_3d＝K_PX3Δx₀＋K_IX3∫Δx₀dt＋K_DX3ｄ／dt（Δx₀）
±｛K_PY8Δy₀＋K_IY8∫Δy₀dt＋K_DY8ｄ／dt（Δy₀）＋K_P〓₁₂ΔΨ＋K_I〓₁₂∫ΔΨdt＋K_D〓₁₂ｄ／dt（
Ψ）｝…(20) ここで、θ₃＞０のときは、＋符号を選択し、θ₃
＜０のときは、−符号を選択するものとする。

なお、上記(20)式における第１〜第３項は、外
乱に対して第３の首振り式プロペラ２３の推力量
を変えることにより位置偏差Δx₀が零になるよう
にする役割を果す項で、第４〜第６項は位置偏差
Δy₀が零になるようにする役割を果す項で、第７
〜第９項は方位偏差ΔΨが零になるようにする役
割を果す項である。

また上記(20)式の符号の選択は上述の第３の符
号変換器３３４で行なう。

第５の自動手動切換装置３３６は、既存の第３
の翼角ハンドル１０８と第６の加算器３３５との
出力信号を入力として、操縦者が希望する運転モ
ードに応じて切換えることにより、いずれかの信
号を出力できるようにしたものである。

また、第３の翼角サーボ機構１０９は第５の自
動手動切換装置３３６の出力信号により第３の首
振り式プロペラ２３の推力量₃を調節するもの
である。

第７の加算器３３７は、第９のPID制御器３１
６と第13のPID制御器３２０との出力信号を入力
として、第３の首振り式プロペラ２３の推力方向
に対する要求信号θ_3dとして下記(21)式の加算結果
を出力するものである。

θ_3d＝K_PY9Δy₀＋K_IY9∫Δy₀dt＋K_DY9ｄ／dt（Δy₀）
＋K_P〓₁₃ΔΨ＋K_I〓₁₃∫ΔΨdt＋K_D〓₁₃ｄ／dt（Ψ）…
(21) なお、上記(21)式における第１〜第３項は位置
偏差Δy₀が零に、第４〜第６項は方位偏差ΔΨが
零にそれぞれなるようにする役割をもつ項であ
る。

第６の自動手動切換装置３３８は、既存の第３
の旋回角ハンドル１１０と第７の加算器３３７と
の出力信号を入力として、操縦者が希望する運転
モードに応じて切換えることにより、いずれかの
信号を出力できるようにしたものである。

また、第３の旋回角サーボ機構１１１は第６の
自動手動装置３３８の出力信号により第３の首振
り式プロペラ２３の旋回角θ₃を調節するものであ
る。

第３の旋回角検出器３３９は第３の首振り式プ
ロペラ２３の旋回角θ₃を検出するもので、この旋
回角検出信号θ₃は上述の第３の符号変換器３３４
に入力される。

ところで、本装置は、第２１図ａ，ｂに示すよ
うに、船舶１の後方より外乱Ｓを受ける場合に
も、容易に船舶１の定位置保持装置として使うこ
とができる。

第２１図ａは船体右後方より外乱Ｓを受けた場
合を示すもので、第２１図ｂは船体左後方より外
乱Ｓを受けた場合を示すものであるが、この場合
は船尾側に第１、第２の首振り式プロペラ２１，
２２を設けるとともに、船首側に第３の首振り式
プロペラ２３を設ければよく、各首振り式プロペ
ラ２１，２２，２３に第２１図ａ，ｂに示すよう
な推力ベクトルT₁，T₂，T₃を実現することによ
り、船体後方からの外乱Ｓに対しても船舶１の定
位置保持を図ることができる。

すなわち第２１図に示すように、船舶１が船体
後方より外乱Ｓを受けるときは、第１１図に示す
本装置で第２の加算器３２３の出力信号を第１の
首振り式プロペラ２１に対する翼角要求信号とし
第３の加算器３２５の出力信号を第１の首振り式
プロペラ２１に対する旋回角要求信号とする。

次に、第４の加算器３２９の出力信号を第２の
首振り式プロペラ２２に対する翼角要求信号と
し、第７のPID制御器３１４の出力信号を第２の
首振り式プロペラ２２に対する旋回角要求信号と
する。

さらに第６の加算器３３５の出力信号を第３の
首振り式プロペラ２３に対する翼角要求信号と
し、第７の加算器３３７の出力信号を第３の首振
り式プロペラ２３に対する旋回角要求信号とす
る。

なお、実際は、外乱Ｓが船体の前後方向いずれ
から作用するかわからないため、首振り式プロペ
ラを船首側および船尾側にそれぞれ２台ずつ設
け、外乱の方向により適宜スイツチ操作を行なつ
て制御すればよい。

以上のように外乱Ｓの方向によつて、本装置の
出力信号を適当な首振り式プロペラへの制御指令
として出力することにより、大型船舶１の定位置
保持をすべての外乱方向に対して実現できる。

次に、本装置についてのシユミレーシヨン例を
示す。

第２２図は、船舶１が風速25ｍ／secの風外乱
を右前方10度より受けたときに、本装置を使用し
て船舶１の定位置保持制御を行なつたときの性能
シミユレーシヨン結果を示すグラフである。

なお、対象船は船長151ｍ、船幅27ｍ、排水量
20836tで、第１および第３の首振り式プロペラ２
１，２３は船体重心Ｇより64ｍの距離に、第２の
首振り式プロペラ２２は船体重心Ｇより37ｍの距
離にあるとする。

第２２図ａは、風速の時間的変化を示すグラフ
で、このグラフから風速は10秒間で０から25ｍ／
secに達していることがわかる。

第２２図ｂは、同図ａの風外乱を受けたときの
船舶１の位置および船首方位の時間的変化を示す
グラフであるが、このグラフから船舶１の前後方
向（x₀軸方向）の動きであるサージ量（実線）は
最大5.6ｍに達し、左右方向（y₀軸方向）の動き
であるスウエイ量（破線）は最大2.3ｍに達し、
元の位置に戻るのに約４分を要していることがわ
かる。なお船舶１の船首方位（図中○―で示す。）
は左向きに最大約２度変化するが、元の方位に戻
るのに約３分を要していることもわかる。

以上より、船舶１は第２２図ａのステツプ状風
外乱を受けたときに約４分で元の状態に復帰する
ことがわかる。

第２２図ｃ〜ｈは、いずれも同図ａに示すステ
ツプ状風外乱を受けたときに船舶１の位置および
方位を元に戻すために、第１、第２および第３の
首振り式プロペラ２１，２２，２３が発生する推
力ベクトルの時間的経過を示すグラフである。

第２２図ｃ，ｄはいずれも船舶１の船首側に位
置する第１の首振り式プロペラ２１の推力ベクト
ルT₁の変化を示すグラフで、第２２図ｃの実線
はプロペラ翼角特性を示すとともに破線は旋回角
特性を示しており、第２２図ｄの実線は推力の大
きさの特性を示すとともに、破線はプロペラ消費
馬力特性を示している。

第１の首振り式プロペラ２１は、第２２図ｃの
実線で示すように前進推力を発生するようなプロ
ペラ翼角をとり、第２２図ｃの破線で示すような
右向きの旋回角をとることにより、第２３図に示
すような右向き前進推力ベクトルT₁を発生して、
船舶１の位置および方位を元に戻して整定してい
る。

第２２図ｅ，ｆは、いずれも船舶１の船首側に
位置する第２の首振り式プロペラ２２の推力ベク
トルT₂の時間的変化を示すグラフで、第２２図
ｅの実線はプロペラ翼角特性を示すとともに、破
線は旋回角特性を示しており、第２２図ｆの実線
は推力の大きさの特性を示すとともに破線はプロ
ペラ消費馬力特性を示している。

第２の首振り式プロペラ２２は、第２２図ｅで
示すように前進推力を右側に発生し、第２３図に
示すような前進推力ベクトルT₂を発生して、船
舶１の位置及び方位を元に戻して整定している。

第２２図ｇ，ｈは、いずれも船舶１の船尾側に
位置する第３の首振り式プロペラ２３の推力ベク
トルT₃の時間的変化を示すグラフで、第２２図
ｇの実線はプロペラ翼角特性を示すとともに、破
線は旋回角特性を示しており、第２２図ｈの実線
は推力の大きさの特性を示すとともに、破線はプ
ロペラ消費馬力特性を示している。

第３の首振り式プロペラ２３は、第２２図ｇで
示すように後進推力を右側に発生し、第２３図に
示すような後進推力ベクトルT₃を発生して、船
舶１の位置および方位を元に戻して整定してい
る。

なお、第２３図は第２１図ａの風外乱（風速25
ｍ／sec、風向右10度）を受けたときの第１、第
２および第３の首振り式プロペラ２１，２２，２
３の推力ベクトルの整定状態を示す図である。

第１の首振り式プロペラ２１は10.8tの前進推
力を船体中心線からθ₁＝18.3度の方向に発生し、
第２の首振り式プロペラ２２は12.3tの前進推力
を船体中心線からθ₂＝24.4度の方向に発生し、第
３の首振り式プロペラ２３は4.2tの後進推力を船
体中心線からθ₃＝10.0度の方向に発生している。

一方風外乱により船体が受ける抵抗力ベクトル
F_Tは、その大きさが19.4tで船体重心Ｇより前方
40.4ｍの位置に作用点Ｏを有し、船体中心線と角
度α＝28.4度をなす方向を向いている。

推力ベクトルT₁₂は、第１および第２の首振り
式プロペラ２１，２２の発生推力T₁，T₂の合力
ベクトルで、その大きさは約9.1tで、船体重心Ｇ
より前方48ｍの位置に作用点Ｐを有している。

したがつて、抵抗力F_Tの作用点Ｏは第１およ
び第２の首振り式プロペラ２１，２２の発生推力
の合力ベクトルT₁₂の作用点Ｐより後方になつて
おり、前述のごとく、船舶１の安定な方位制御が
行なわれているのである。

なお、第２３図で第３の首振り式プロペラ２３
の発生推力が後進推力となつていることにより、
船舶１の定位置保持制御に際して方位安定性が増
している。

第１１図に示す本装置では、第２の首振り式プ
ロペラ２２は船舶１の方位制御には寄与していな
い。これは第２３図に示すように抵抗力ベクトル
F_Tの作用点Ｏは第２の首振り式プロペラ２２の
中心点より前方にあるため、前述のごとく、第２
の首振り式プロペラ２２の推力ベクトルT₂自体
は船舶１の方位を不安定にさせるためである。

したがつて、第２２図ａに示すようなステツプ
状風外乱を船舶１が右前方より受けたときは、第
２３図に示すような推力ベクトルが第１、第２お
よび第３の首振り式プロペラ２１，２２，２３に
それぞれ発生し、この推力ベクトルの組合わせは
第４図に示す船舶１の安定な定位置保持を可能と
する推力ベクトルの組合わせと一致することか
ら、この実施例装置は船舶１の定位置保持制御装
置として有効であることがわかる。

第２４図は、船舶１が流速3ktの潮流外乱を右
前方10度より受けたときに、本装置を使用して船
舶１の定位置保持制御を行なつたときの性能シミ
ユレーシヨン結果を示すグラフである。

第２４図ａは、潮流流速の時間的変化を示すグ
ラフで、このグラフから流速は30秒間で０から
3ktに達することがわかる。

第２４図ｂは同図ａの潮流外乱を受けたときの
船舶１の位置および船首方位の時間的変化を示す
グラフであるが、このグラフから船舶１の前後方
向（x₀軸方向）の動きであるサージ量（実線）は
最大約4.5ｍに達し、船舶１の左右方向（y₀軸方
向）の動きであるスウエイ量（破線）は最大2.7
ｍに達し、元の位置に戻るのに約4.5分を要して
いることがわかる。なお船舶１の船首方位（図中
○―で示す。）は左向きに最大約１度変化するが、
元の位置に戻るのに約2.5分要していることもわ
かる。

以上より、船舶１は第２４図ａの潮流外乱を受
けたときに約4.5分で元の状態に復帰することが
わかる。

第２４図ｃ〜ｈは、いずれも同図ａに示す潮流
外乱を受けたときに船舶１の位置および方位を元
に戻すために、第１、第２および第３の首振り式
プロペラ２１，２２，２３が発生する推力ベクト
ルの時間的経過を示すグラフである。

第２４図ｃ，ｄはいずれも第１の首振り式プロ
ペラ２１の推力ベクトルT₁の変化を示すグラフ
で、第２２図ｃの実線はプロペラ翼角特性を示す
とともに、破線は旋回角特性を示しており、第２
４図ｄの実線は推力の大きさの特性を示すととも
に、破線はプロペラ消費馬力特性を示している。

第１の首振り式プロペラ２１は、第２４図ｃの
実線で示すように前進推力を発生するようなプロ
ペラ翼角をとり、第２４図ｃの破線が示すような
右向きの旋回角をとることにより、第２５図に示
すような右向き前進推力T₁を発生して、船舶１
の位置および方位を元に戻して整定している。

第２４図ｅ，ｆはいずれも第２の首振り式プロ
ペラ２２の推力ベクトルT₂の時間的変化を示す
グラフで、第２４図ｅの実線はプロペラ翼角特性
を示すとともに、破線は旋回角特性を示してお
り、第２４図ｆの実線は推力の大きさの特性を示
すとともに、破線はプロペラ消費馬力特性を示し
ている。

第２の首振り式プロペラ２２は、第２４図ｅで
示すように前進推力を右側に発生し、第２５図に
示すような前進推力ベクトルT₂を発生して、船
舶１の位置および方位を元に戻している。

第２４図ｇ，ｈはいずれも第３の首振り式プロ
ペラ２３の推力ベクトルT₃の時間的変化を示す
グラフで、第２４図ｇの実線はプロペラ翼角特性
を示すとともに、破線は旋回角特性を示してお
り、第２４図ｈの実線は推力の大きさの特性を示
すとともに、破線はプロペラ消費馬力特性を示し
ている。

第３の首振り式プロペラ２３は、第２４図ｇで
示すように後進推力を右側に発生し、第２５図に
示すように後進推力ベクトルT₃を発生して、船
舶１の位置および方位を元に戻している。

なお、第２５図は、第２４図ａの潮流外乱（流
速3kt、方向右10度）を受けたときの第１、第２
および第３の首振り式プロペラ２１，２２，２３
の推力ベクトルの整定状態を示す図である。

第１の首振り式プロペラ２１は5.7tの前進推力
を船体中心線からθ₁＝25.5度の方向に発生し、第
２の首振り式プロペラ２２は8.7tの前進推力を船
体中心線からθ₂＝29.1度の方向に発生し、第３の
首振り式プロペラ２３は8.1tの後進推力を船体中
心線からθ₃＝11.5度の方向に発生している。

一方潮流外乱により船体が受ける抵抗力ベクト
ルF_Tは、その大きさが9.3tで、船体重心Ｇより前
方25.8ｍの位置に作用点Ｏを有し、船体中心線と
角度α＝62.4度をなす方向を向いている。

推力ベクトルT₁₂は第１および第２の首振り式
プロペラ２１，２２の発生推力T₁，T₂の合力ベ
クトルで、その大きさは約5.8t、船体重心Ｇより
前方46.7ｍの位置に作用点Ｐを有している。

したがつて、抵抗力ベクトルF_Tの作用点Ｏは
第１および第２の首振り式プロペラ２１，２２の
発生推力の合力ベクトルT₁₂の作用点Ｐより後方
になつており、前述のごとく、船舶１の安定な方
位制御が行なわれているのである。

なお、第２５図で第３の首振り式プロペラ２３
の発生推力が後進推力となつていることにより、
船舶１の定位置保持制御に際して方位安定性を増
している。

また、第２３図の風外乱による抵抗力F_Tの作
用点Ｏは第２５図の潮流外乱による抵抗力F_Tの
作用点Ｏより船体重心より遠く船首に近いことか
ら、船舶１の定位置保持制御に際しては、船舶１
の方位安定性は外乱方向を同じとした場合、潮流
外乱を受けたときの方が風外乱を受けたときより
良好なことがわかる。

さらに外乱方向Ψ_Dが増える、すなわち、船舶
１が外乱を横方向から受けるにつれて、抵抗力
F_Tの作用点Ｏは船首側より船体重心Ｇに近づく
ため、船舶１の定位置保持制御に際しては、船舶
１の方位安定性は増してきて、制御性能は向上し
てくることもわかる。

以上の結果より、装置は風および潮流の外乱に
対して船舶の位置制御装置として有効であること
がわかるのである。

なお、回転数により推力調整を行なう首振り式
固定翼プロペラを本装置に使用する場合は、翼角
サーボ機構に代わつて、プロペラ回転数サーボ機
構を使用することにより、可変翼により推力調整
を行なう前述の首振り式プロペラと同様の効果を
挙げることができる。また、本装置は制御用計算
機に置きかえてDDC（Direct Digital Control）
方式によつても実現できる。

また第10〜第13のPID制御器３１７，３１８，
３１９，３２０へは、第３の減算器３０６の出力
ΔΨのみが入力されるようにしてもよく、この場
合は、Ｄ動作も情報ΔΨに基づいて行なわれる。

以上詳述したように、本発明の船舶の自動位置
制御装置によれば、操縦者が翼角ハンドルや旋回
角ハンドルを操作することなく、風や潮流等の外
乱に対し自動的に３台の首振り式プロペラの推力
ベクトルを調整することでき、操縦性および信頼
性が大幅に向上する利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は船首尾部にそれぞれ首振り式プロ
ペラを有する船舶を示すもので、第１図はその側
面図、第２図はその首振り式プロペラの配置関係
を示す模式図、第３，４図はいずれもその作用を
説明するための模式図であり、第５図は従来の船
舶の位置制御手段を示す全体構成図であり、第６
図ａ，ｂ、第７図ａ〜ｃ、第８図、第９図および
第１０図はいずれも安定な位置制御を理解するた
めに必要な説明図であり、第１１〜２５図は本発
明の一実施例としての船舶の自動位置制御装置を
示すもので、第１１図はその全体構成図、第１２
図はそのあらかじめ決められた空間固定の座標系
を示す説明図、第１３図ａ〜ｄはいずれもベクト
ル表示される第１の首振り式プロペラの推力を説
明するための模式図、第１４図はその位置偏差変
換器の第１の位置偏差信号についての説明図、第
１５図はその位置偏差変換器の第２の位置偏差信
号についての説明図、第１６図ａ，ｂ、第１７図
ａ，ｂ、第１８図ａ，ｂ、第１９図ａ，ｂ、第２
０図ａ，ｂ、第２１図ａ，ｂはいずれもその作用
を説明するための模式図、第２２図ａ〜ｈはいず
れもそのシミユレーシヨン結果を示すグラフ、第
２３図は上記シミユレーシヨンの条件を説明する
ための模式図、第２４図ａ〜ｈはいずれもその他
のシミユレーシヨン結果を示すグラフ、第２５図
は上記他のシミユレーシヨンの条件を説明するた
めの模式図である。１…船舶、２１，２２，２３…第１、第２、第
３の首振り式プロペラ、３００…位置設定器、３
０１…方位設定器、３０２…位置検出器、３０３
…方位検出器としてのジヤイロコンパス、３０４
…第１の減算器、３０５…第２の減算器、３０６
…第３の減算器、３０７…位置偏差変換器、３０
８…第１のPID制御器、３０９…第２のPID制御
器、３１０…第３のPID制御器、３１１…第４の
PID制御器、３１２…第５のPID制御器、３１３
…第６のPID制御器、３１４…第７のPID制御
器、３１５…第８のPID制御器、３１６…第９の
PID制御器、３１７…第10のPID制御器、３１８
…第11のPID制御器、３１９…第12のPID制御
器、３２０…第13のPID制御器、３２１…第１の
加算器、３２２…第１の符号変換器、３２３…第
２の加算器、３２４…第１の自動手動切換器、３
２５…第３の加算器、３２６…第２の自動手動切
換器、３２７…第１の旋回角検出器、３２８…第
２の符号変換器、３２９…第４の加算器、３３０
…第３の自動手動切換器、３３１…第４の自動手
動切換器、３３２…第２の旋回角検出器、３３３
…第５の加算器、３３４…第３の符号変換器、３
３５…第６の加算器、３３６…第５の自動手動切
換器、３３７…第７の加算器、３３８…第６の自
動手動切換器、３３９…第３の旋回角検出器。

Claims

【特許請求の範囲】

１船首側および船尾側のいずれか一方に第１お
よび第２の首振り式プロペラ２１，２２をそなえ
るとともに、その他方に第３の首振り式プロペラ
２３をそなえた船舶において、あらかじめ決めら
れた空間固定の座標系での船舶の位置座標（ｘ，
ｙ）を検出する位置検出器３０２と、上記座標系
に設定する位置の位置座標信号x_S，y_Sを出力する
位置設定器３００と、船舶の方位Ψを検出する方
位検出部３０３と、船舶の方位設定信号Ψ_sを出
力する方位設定器３０１とが設けられるととも
に、上記位置検出器３００の出力x_Sと上記位置検
出器３０２の出力ｘとが入力される第１の減算器
３０４と、上記位置検出器３００の出力y_Sと上記
位置検出器３０２の出力ｙとが入力される第２の
減算器３０５と、上記方位設定器３０１の出力
Ψ_Sと上記方位検出器３０３の出力Ψとが入力さ
れる第３の減算器３０６と、上記の第１および第
２の減算器３０４，３０５の出力Δx，Δyと上記
方位設定器３０１の出力Ψ_Sとが入力されて設定
方位方向の位置偏差信号Δx₀と設定方位に直角方
向の位置偏差信号Δy₀とを出力する位置偏差変換
器３０７と、同位置偏差変換器３０７の第１の位
置偏差信号出力Δx₀が入力される第１〜第３の
PID制御器３０８，３０９，３１０と、上記位置
偏差変換器３０７の第２の位置偏差信号出力Δy₀
が入力される第４〜第９のPID制御器３１１，３
１２，３１３，３１４，３１５，３１６と、少な
くとも上記第３の減算器３０６の出力ΔΨが入力
される第10〜第13のPID制御器３１７，３１８，
３１９，３２０と、上記第４のPID制御器３１１
の出力と上記第10のPID制御器３１７の出力とが
入力される第１の加算器３２１と、上記の第１お
よび第２の首振り式プロペラ２１，２２のうち船
端に近い上記第１の首振り式プロペラ２１の旋回
角を検出して同旋回角が右向きの場合を正とし同
旋回角が左向きの場合を負として出力しうる第１
の旋回角検出器３２７と、同第１の旋回角検出器
３２７の出力θ₁と上記第１の加算器３２１の出力
とがそれぞれ入力されて上記第１の旋回角検出器
３２７の出力信号が負の場合には上記第１の加算
器３２１の出力信号の符号を変換して出力し上記
第１の旋回角検出器３２７の出力信号が正の場合
は上記第１の加算器３２１の出力信号の符号を変
換せずそのまま出力する第１の符号変換器３２２
と、上記第１のPID制御器３０８の出力と上記第
１の符号変換器３２２の出力とが入力される第２
の加算器３２３と、同第２の加算器３２３の出力
が入力される第１の翼角サーボ機構１０１と、上
記第５のPID制御器３１２の出力と上記第11の
PID制御器３１８の出力とが入力される第３の加
算器３２５と、同第３の加算器３２５の出力が入
力される第１の旋回角サーボ機構１０３と、上記
第１の首振り式プロペラ２１より船体中央部寄り
に位置する上記第２の首振り式プロペラ２２の旋
回角を検出して同旋回角が右向きの場合を正とし
同旋回角が左向きの場合を負として出力しうる第
２の旋回角検出器３３２と、同第２の旋回角検出
器３３２の出力θ₂と上記第６のPID制御器３１３
の出力とがそれぞれ入力されて上記第２の旋回角
検出器３３２の出力信号が負の場合には上記第６
のPID制御器３１３の出力信号の符号を変換して
出力し上記第２の旋回角検出器３３２の出力信号
が正の場合には上記第６のPID制御器３１３の出
力信号の符号を変換せずそのまま出力する第２の
符号変換器３２８と、上記第２のPID制御器３０
９の出力と上記第２の符号変換器３２８の出力と
が入力される第４の加算器３２９と、同第４の加
算器３２９の出力が入力される第２の翼角サーボ
機構１０５と、上記第７のPID制御器３１４の出
力が入力される第２の旋回角サーボ機構１０７
と、上記第８のPID制御器３１５の出力と上記第
12のPID制御器３１９の出力とが入力される第５
の加算器３３３と、上記第３の首振り式プロペラ
２３の旋回角を検出して同旋回角が右向きの場合
を正とし同旋回角が左向きの場合を負として出力
しうる第３の旋回角検出器３３９と、同第３の旋
回角検出器３３９の出力θ₃と上記第５の加算器３
３３の出力とがそれぞれ入力されて上記第３の旋
回角検出器３３９の出力信号が負の場合には上記
第５の加算器３３３の出力信号の符号を変換して
出力し上記第３の旋回角検出器３３９の出力信号
が正の場合には上記第５の加算器３３３の出力信
号の符号を変換せずそのまま出力する第３の符号
変換器３３４と、上記第３のPID制御器３１０の
出力と上記第３の符号変換器３３４の出力とが入
力される第６の加算器３３５と、同第６の加算器
３３５の出力が入力される第３の翼角サーボ機構
１０９と、上記第９のPID制御器３１６の出力と
上記第13のPID制御器３２０の出力とが入力され
る第７の加算器３３７と、同第７の加算器３３７
の出力が入力される第３の旋回角サーボ機構１１
１とが設けられたことを特徴とする、船舶の自動
位置制御装置。