JPH026370Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は移動体の運動加速度検出装置に関し、
詳しくは、船舶、車両、航空機などの移動体が運
動することにより、その移動体の任意の個所に作
用する加速度を検出することができる加速度検出
装置に関する。これは、所望個所の加速度を知る
ことにより、例えば、積載重量貨物の移動体に対
する影響を調べる分野で利用されるものである。

〔従来技術〕

重量貨物を積載する移動体、例えば、船舶など
が航行中揺動すると、船体構造物または積載物に
加速度が作用し、これに伴つて船体構造物、積載
物およびその支持構造に動的荷重が働く。その結
果、積載物の配置計画者や操船者は、船体の波に
対する応答特性と遭遇する波浪海象の長期予測か
ら、所定の強度を有するように配慮する必要があ
る。すなわち、配置計画者は船体構造の強度を考
慮した重量物の配置やその固縛方法を採り、ま
た、操船者は波浪中の動的荷重が過大とならない
ように減速、変針などの荒天避航を採る必要があ
る。

このような場合に、実際に作用する動的荷重を
検知できれば、より一層効果的な対策を採ること
ができる。そこで従来は、予め船体の幾つかの個
所を定めてその位置ごとに３方向の加速度センサ
を設置し、検出された加速度が船体強度や固縛方
法に許容されるものであるかを確認しながら操船
している。しかし、船体の各所や積載物ごとに作
用する加速度は異なるのが一般的であり、計測さ
れない位置で過大な加速度が作用していてもそれ
を知ることはできない。その結果、数点の検出値
に基づいて操船していると、過大に作用している
個所で船体の一部が損傷したり、また、積載物の
固縛装置が破損して荷崩れを起こすといつた事態
が生じる。したがつて、近年、船体ならびに積載
物に作用する加速度を任意に検出できる装置の出
現が強く要望されるようになつてきている。

〔考案の目的〕

本考案は上述の要望に鑑みなされたもので、そ
の目的は、移動体上の所定個所で加速度を検出す
ることにより、移動体やその積載物の任意の個所
に作用する動的荷重を、リアルタイムで表示して
操船方法の変更などの指針を得ることのできる移
動体の運動加速度検出装置を提供することであ
る。

〔考案の構成〕

本考案の構成を第１図を参照して説明すると、 (i) 移動体２の運動角またはその角速度を検出す
るため、移動体２にジヤイロ１が搭載されてい
る。

(ii) このジヤイロ１からの出力信号を増幅する増
幅手段３が設けられている。

(iii) 移動体２上の空間の少なくとも１個所の位置
ａにされた加速度センサ４ax，４ay，４azか
らなる加速度検出手段４が設けられている。

(iv) 加速度検出手段４からの出力信号を増幅する
増幅手段５が設けられている。

(v) 増幅された加速度信号からノイズを除去する
フイルタ手段６が設けられている。

(vi) ジヤイロ１と加速度検出手段４からの検出信
号をデイジタル化するAD変換器７が設けられ
ている。

(vii) デイジタル化された信号から、移動体２上の
任意の位置の加速度を演算する演算手段８が設
けられている。

(viii) 演算結果を表示する表示手段９が設けられて
いる。

〔実施例〕

以下、本考案をその実施例に基づいて詳細に説
明する。

第１図は本考案の実施例の構成を示すブロツク
図である。図中、１は船体２に搭載されたジヤイ
ロで、例えば、船体２の運動によるピツチ角Θ、
ロール角Φ、ヨー角Ψの３方向の運動角を検出す
るものである。３はこのジヤイロ１からの出力信
号を増幅する増幅手段である。４は船体２上の空
間の１個所の位置ａに３個設置された加速度セン
サからなる加速度検出手段である。なお、加速度
センサ４ax，４ay，４azは、第２図に示すよう
に、位置ａでｘ，ｙ，ｚの３方向のそれぞれの加
速度を検出するよう装着されている。第１図の５
は、この３個の加速度センサ４ax，４ay，４az
からの操出力信号を増幅する増幅手段、６は増幅
された加速度信号からノイズを除去するフイルタ
手段、７は検出されたアナログ信号をデイジタル
化して演算に供し得るよう変換するAD変換器で
ある。８はデイジタル化された信号から、船体２
上の任意の位置の加速度を演算すると共にその演
算値を基に統計処理演算を行なう演算手段であ
る。９はその演算結果を表示するCRTなどの表
示手段で、操船者が加速度の大小やその経時的変
化を一目して確認できるようにするためのもので
ある。１０は船体２の各所および積載物に許容さ
れる加速度が予め記憶されている記憶装置であ
る。１１は外部記憶装置で、演算された多数の値
を集積して記憶する持ち運び自在の記憶媒体であ
つて、演算手段８が統計処理演算する際そのデー
タを提供するものである。１２はプリンタで、演
算結果を保存するために打ち出させるものであ
る。

ここで、前述した位置ａにおける３個の加速度
センサ４ax，４ay，４azおよびジヤイロ１によ
る検出値を用いて、任意の位置における加速度を
演算する手法を説明する。

まず、船体の船首方向をｘ、船幅方向をｙ、船
体の重心を通る鉛直方向をｚとした船体固定座標
系を想定する。その結果、船体または積載物の任
意の位置は（ｘ，ｙ，ｚ）、船体の重心はxG，
Ｏ，zGで与えられる。次に、船体に空間固定座
標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を想定する。第３図ａ〜ｃに
示すように、その座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）における
それぞれの変位量すなわち前後方向の運動である
サージ量をζ、左右方向の運動であるスウエイ量
をη、上下方向の運動であるヒーブ量をζとする
と、船体の任意点であるｘ，ｙ，ｚの運動の空間
固定座標系の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）成分は式１−１〜１
−３〔８ページ参照〕で与えられる。

したがつて、任意点ｘ，ｙ，ｚで計測される。

Ｘ＝ζ＋（ｚ−zG）Θ−yΨ …（１−１） Ｙ＝η＋（ｘ−xG）Ψ−（ｚ−zG）Φ
…（１−２） Ｚ＝ζ−（ｘ−xG）Θ＋yΦ …（１−３） αx＝ζ¨＋（ｚ−zG）Θ¨−yΨ¨−（ｘ−xG）（Θ¨
²＋Ψ¨²）
＋gΘ¨ …（２−１） αy＝η¨＋（ｘ−xG）Ψ¨−（ｚ−zG）（Φ¨−ｙ（
Φ〓²＋
Ψ〓²）−gΦ …（２−２） αz＝ζ¨＋（ｘ−xG）Θ¨＋yΦ¨−（ｚ−zG）（Θ〓
²＋Φ〓²）
−gcosΘcosΦ …（２−３） αx＝αxa＋（ｚ−za）Θ¨−（ｙ−ya）Ψ¨−（ｘ−
xa）（Θ〓²＋Ψ〓²） …（３−１） αy＝αya＋（ｘ−xa）Ψ¨−（ｚ−za）Φ¨−（ｙ−y
a）
（Φ〓²＋Ψ¨²） …（３−２） αz＝αza−（ｘ−xa）Θ¨＋（ｙ−ya）Φ¨−（ｚ−z
a）
（Θ〓²＋Φ¨²） …（３−３） Ψ¨＝（αyb−αya）／（xb−xa） …(4) Φ¨＝（αyc−αya）／（za−zc）…（５−１） Φ¨＝（αzd−αza）／（yd−ya）…（５−２） Θ¨＝（αzb−αza）／（xa−xb） …(6) 船体固定座標系での加速度の３方向成分αx，
αy，αzは、重力加速度ｇ、重心回りの遠心力の
合成を考慮すると、式（２−１）〜（２−３）
〔８ページ参照〕で近似することができる。いま、
点ａでの３方向の加速度αxa，αya，αzaが計測
されると、式（２−１）〜（２−３）から、任意
の点（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度αx，αy，αzは式
（３−１）〜（３−３）〔８ページ参照〕で与えら
れる。すなわち、式（３−１）〜（３−３）中の
αxa，αya，αzaは、位置ａにおいて計測された
加速度（第２図参照）が代入され、ｘ−xa，ｙ
−ya，ｚ−zaは位置ａから所望の位置との距離
が演算されて代入される。一方、船体のヨーの角
加速度Ψ¨、ロールの角加速度Φ¨、ピツチの角加速
度Θ¨およびヨーの加速度Ψ〓、ロールの角速度Φ〓、
ピツチの角速度Θ〓は、ジヤイロ１で検出されたヨ
ー角Ψ、ロール角Φ、ピツチ角Θからそれぞれ演
算手段８で１階および２階微分されて求められ
る。そして、これらが前述の式（３−１）〜（３
−３）に代入されると、αx，αy，αzが得られ
る。なお、ジヤイロ１がレートジヤイロであれ
ば、ヨーの角速度Ψ〓、ロールの角速度Φ〓、ピツチ
の角速度Θ〓が直接検出されるので、その値および
それらを１階微分した値が代入される。

上述の構成の実施例ならびにその演算手法によ
れば、次のようにして任意の個所における加速度
を検出することができる。なお、作動の理解を容
易にするため、第４図に示すフローチヤートを参
照しながら説明する。

まず、運動加速度検出装置のシステムを起動さ
せ（フローチヤートのステツプ１、以下、Ｓ１と
記す）、計測したい任意の位置（ｘ，ｙ，ｚ）や
計測時間を指示すると共に書誌的事項などの必要
な事項を設定する（Ｓ２）。位置ａに設けられた
加速度センサ４ax，４ay，４azがそれぞれの加
速度信号を検出し（Ｓ３）、それぞれが増幅され
かつフイルタリングされてAD変換手段７でデイ
ジタル値に変換される（Ｓ４）。一方、同一時刻
にジヤイロ１でヨー角Ψ、ロール角Φ、ピツチ角
Θが検出され（Ｓ５）、それぞれが増幅されかつ
AD変換手段７でデイジタル値に変換される（Ｓ
６）。そして、演算手段８で、式（３−１）〜
（３−３）により、指定された任意の位置の（ｘ，
ｙ，ｚ）における３方向の加速度αx，αy，αzが
演算される（Ｓ７）。この演算された加速度が
CRT画面に、記憶装置１０に記憶されているそ
の位置における許容加速度などと共に表示され
る。また、必要に応じてタイムヒストリプロツト
が指令される（Ｓ８）と、指定された位置（ｘ，
ｙ，ｚ）における３方向加速度がそれぞれ経時的
にリアルタイムで表示される（Ｓ９）。このよう
にして、異なる任意の位置の加速度を次々と表示
させてその加速度がそれぞれの位置において許容
されるものであるかを確認し、必要に応じて加速
度を軽減すべく操船方法を変更する。また、これ
らのデータは外部記憶装置１１に記憶されている
同じ位置における従前のデータと突き合され、演
算手段８で有義値や1/3最大期待値などが統計処
理的に演算され（Ｓ１０）、この演算値も必要に
応じてCRTに表示される（Ｓ１１）。検出された
データは外部記憶装置１１にロギングされ（Ｓ１
２）、また必要に応じてロギング事項がプリント
アウトされる（Ｓ１３）。そして、統計処理され
たデータに基づいて、積載物の配置計画者は、次
の航海における積載物の配置やその固縛方法の改
善の有無を検討することができる。さらには、船
体の設計者もそのデータを船体構造の強度設計に
供することができる。なお、任意の位置における
加速度の検出は、上述した１個所ａにおいて少な
くとも３個設置され加速度センサによればよい
が、位置ａに３方向それぞれに複数個の加速度セ
ンサを設置して、検出精度を向上させることもで
きる。

ところで、上述の例では船体運動であるピツチ
角Θ、ロール角Φ、ヨー角Ψまたはその角速度
Θ〓，Φ〓，Ψ〓を検出する３方向検出ジヤイロを採用
したが、例えば、ピツチ角Θとロール角Φ、また
はその角速度Θ〓，Φ〓を検出するものであつたり、
いずれか１方向のみの角または角速度を検出する
ものである場合には次のようにして、任意の個所
の加速度を計測することができる。加速度検出手
段４として例えば第５図に示すように、移動体２
の長手方向（すなわち、ｘ方向）で選定された異
なる第１および第２の点ａ，ｂを含む垂直面内
に、例えばａ点を基準点としてその点を通り点ａ
と点ｂを結ぶ線Ａに直交する線Ｂ上に第３の点ｃ
を定め、基準点としたａ位置にｘ，ｙ，ｚ方向の
加速度を検出する加速度センサ４ax，４ay，４
azを、長手方向の他の点の位置ｂにｙ，ｚ方向
の加速度を検出する加速度センサ４by，４bzを、
第３の点の位置ｃにｙ方向の加速度を検出する加
速度センサ４cyを設置する。すなわち、船体２
に想定された座標系とそれぞれの運動および加速
度センサの配置は第６図ａ〜ｃに示すようにな
る。そして、この３個所の位置ａ，ｂ，ｃにおけ
る６個の加速度センサ４ax，４ay，４az，４by，
４bzおよび４cyによる検出値を用いて、任意の
位置における加速度を演算する。いま、点ａでの
３方向の加速度αxa，αya，αzaが計測されたと
すると、任意の点（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度αx，
αy，αzは前述した式（３−１）〜（３−３）〔８
ページ参照〕で与えられる。すなわち、式（３−
１）〜（３−３）におけるαxa，αya，αzaは、
位置a〓において計測された加速度（第５図参照）
が代入され、ｘ−xa，ｙ−ya，ｚ−zaは位置ａ
から所望の位置との距離が演算されて代入され
る。一方、ヨーの角加速度Ψ¨は、第５図から判る
ように（ｙ，ｚ）が同一でｘが異なる２点ａ，ｂ
での計測加速度αyaとαybから、ロールの角加速
度Φ¨は、（ｘ，ｙ）が同一でｚが異なる２点ａ，
ｃでの計測加速度αyaとαycから、ピツチの角加
速度Θ¨は、（ｙ，ｚ）が同一でｘが異なる２点ａ，
ｂでの計測加速度αzaとαzbから、それぞれ式(4)，
（５−１），(6)〔８ページ参照〕で演算され、ま
た、ヨー角速度Ψ〓、ロール角速度Φ〓およびピツチ
角速度Θ〓は、演算されたヨー角加速度Ψ¨、ロール
角加速度Φ¨およびピツチ角加速度Θ¨が演算手段６
で積分されて求められる。そして、これらが前述
の式（３−１）〜（３−３）に代入されると、
αx，αy，αzが得られる。なお、第５図に示した
ように、位置ｃに代えて水平面内にある位置ｄに
加速度センサ４dzを設けると、前述したロール
の角加速度Φ¨は、（ｘ，ｚ）が同一でｙが異なる
２点ａ，ｄでの計測加速度αzaとαzdから式（５
−２）により演算される。したがつて、このよう
な演算により任意の個所の加速度をジヤイロを用
いることなく計測できることなる。逆に言うと、
いずれかの角またはその角速度を検出するジヤイ
ロが設けられていると、上述の加速度センサの一
部が不要となり、したがつて、それに該当する演
算も必要でなくなる。すなわち、ジヤイロがピツ
チ角Θまたはその角速度Θ〓を検出するものである
場合には、加速度αza，αzbを検出する加速度セ
ンサ４az，４bzが不要となり、ジヤイロがロー
ル角Φまたはその角速度Φ〓を検出するものである
場合には、加速度αya，αycまたは加速度αza，
αzdを検出する加速度センサ４ay，４cyまたは４
az，４dzが不要となり、ジヤイロがヨー角Ψま
たはその角速度Ψ〓を検出するものである場合に
は、加速度αya，αybを検出する加速度センサ４
ay，４byが不要となる。もちろん、ジヤイロが
いずれか２方向の角またはその角速度を検出する
場合には、上述の中で該当する加速度センサが不
要となる。このようにすると、ジヤイロ自体３方
向の検出を可能にする高価なものを採用しなくて
もよい利点がある。

なお、各位置に所定方向の加速度センサをそれ
ぞれ複数個設置して、検出精度を向上させること
もできる。また、船体が剛体であれば上述の設置
センサは１セツトでよいが、船体が弾性変形して
船首、中胴、船尾で異なる挙動をする場合がある
ときは、それぞれに１セツトずつ設置すれば、そ
れぞれの部分でより一層正確な加速度を検出する
ことができる。上述のジヤイロおよび加速度セン
サによる検出は、船体のみならず車両や航空機な
どの移動体全てに適用できることは言うまでもな
い。

〔考案の効果〕

本考案は以上の実施例の説明から判るように、
移動体の少なくとも１個所に設けられた３個の加
速度センサからなる加速度検出手段の検出信号と
ジヤイロで検出された運動角またはその角速度を
基に、船体上の任意の位置での加速度を演算する
ことができる。したがつて、リアルタイムで表示
される加速度に応じて操船方法を変更することが
できると共に、重量貨物を積載する船舶などにお
いて、積載物の配置や固縛方法の選定が容易とな
り、航行の安全を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は運動加速度検出装置の構成ブロツク
図、第２図は船体に設置された加速度センサとそ
の計測方向を示す計測状態図、第３図ａ〜ｃは船
体に想定された座標系とそれぞれの運動を示す模
式図、第４図は作動手順を示すフローチヤート、
第５図は船体に設置された加速度センサとその計
測方向を示す計測状態図、第６図ａ〜ｃは船体に
想定された座標系とそれぞれの運動ならびに３個
所における加速度センサの設置状態を示す模式図
である。 １……ジヤイロ、２……移動体（船体）、３３，
５……増幅手段、４……加速度検出手段、４ax，
４ay，４az，４by，４bz，４cy，４dz……加速
度センサ、６……フイルタ手段、７……AD変換
器、８……演算手段、９……表示手段、ａ〜ｄ…
…位置。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 移動体に搭載され、移動体の運動角またはその
   角速度を検出するジヤイロと、 このジヤイロからの出力信号を増幅する増幅手
   段と、 移動体上の空間の少なくとも１個所の位置に設
   置された加速度センサからなる加速度検出手段
   と、 前記加速度検出手段からの出力信号を増幅する
   増幅手段と、 増幅された加速度信号からノイズを除去するフ
   イルタ手段と、 前記ジヤイロと加速度検出手段からの検出信号
   をデイジタル化するAD変換器と、 デイジタル化された信号から、移動体上の任意
   の位置の加速度を演算する演算手段と、 演算結果を表示する表示手段と、 を有することを特徴とする移動体の運動加速度検
   出装置。