舵控制装置和船舶的制作方法

本发明涉及一种舵控制装置和船舶。

背景技术：

以往，为了降低船舶的燃料消耗率而提出了各种技术(例如专利文献1)。在专利文献1中记载了以下内容：预测向可变螺距螺旋桨流入的海水的流入速度，基于预测结果来控制可变螺距螺旋桨的桨叶角。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6047923号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明的目的在于提出一种通过与专利文献1不同的方法来抑制发动机的负荷的变动从而降低船舶的燃料消耗率的技术。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，本发明是一种舵控制装置，用于控制舵机，所述舵机具备：螺旋桨；发动机，其用于向所述螺旋桨传递旋转动力来推进船舶；所述舵机，其用于使所述船舶转弯；以及转弯指令部，其输出所述舵机的目标舵角值的指令以使所述船舶在指定航路上航行，其中，所述舵控制装置具备：预测部，其预测船舶在指定航路上航行的期间中的规定时点的因干扰产生的发动机的负荷，计算所预测出的发动机的负荷相对于基准负荷的负荷变动量；校正部，其基于负荷变动量，来校正目标舵角值以使发动机的燃料消耗率减小；以及舵控制部，其按照校正后的目标舵角值来对舵机进行控制。

附图说明

图1是应用了控制装置的船舶的框图。

图2是燃料消耗率等高线的一例。

图3示出用于在指定航路上航行的目标舵角值的经时变化。

图4示出预测负荷的经时变化。

图5示出校正后的目标舵角值。

图6是将图5的一部分放大得到的图。

图7示出根据舵角的变化量校正了校正量时的舵角的经时变化。

图8是示出由控制装置进行的一系列控制的流程图。

附图标记说明

15：推进力产生部；17：舵机；19：发动机；21：螺旋桨；23：控制装置；25：燃料消耗率计算部；29：第二预测部；31：偏离量计算部；33：校正部；35：舵控制部；100：船舶。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明。图1是应用了控制装置23的船舶的框图。

如图1所示，船舶100具备例如配置于船桥的电报机11和操舵部13。推进力产生部15被电报机11输入输出指令值，推进力产生部15产生与指令值相应的输出。由操作者向操舵部13输入舵机17的舵角指令值，在手动操作时按照舵角指令值来改变舵角。

推进力产生部15具备发动机19和螺旋桨21，该螺旋桨21被固定于发动机19的输出轴，通过从发动机19传递的旋转动力来驱动螺旋桨21进行旋转。以与从电报机11输入的输出指令值相应的转数来驱动发动机19。此外，可以将电报机11设为能够输入基于航速(对地航速或对水航速)的指令的设备，将输出指令值设为表示达到航速所需要的发动机转数的值。

船舶100具备作为舵控制装置的控制装置23。控制装置23在按照预先指定的指定航路航行到目的地的自动航行控制时，基于预先设定的目标舵角值来控制舵机17的舵角。此外，在下面的例子中，只要没有特别提及，则设为在遵照指定航路时经由未图示的调速器等调速机来将发动机19的转数维持为恒定。控制装置23具备：燃料消耗率计算部25，其计算发动机19的燃料消耗率；第一预测部27，其预测受到了潮流、风等干扰时的发动机的负荷；第二预测部29，其预测与舵角相应的发动机的负荷；偏离量计算部31，其计算偏离指定航路的偏离量；以及校正部33。

燃料消耗率计算部25基于当前的发动机转矩、当前的发动机转数以及向所述发动机喷射的燃料喷射量来计算当前的燃料消耗率。燃料消耗率是指以单位时间内的每单位输出的燃料消耗量来表示的发动机的燃料消耗率[g/kw·h]。另外，燃料消耗率计算部25基于发动机负荷的变动量(下面有时简称为“发动机负荷变动量”)来预测维持着当前的发动机转数时的规定时点的燃料消耗率。燃料消耗率计算部25相当于燃料消耗率计算部和燃料消耗率预测部。

第一预测部27预测在船舶100航行的过程中因潮流、风等干扰而产生的发动机负荷变动量。第一预测部27预测的发动机负荷变动量(下面有时简称为“第一发动机负荷变动量”)是指相对于发动机19的基准负荷的变动量。发动机19的基准负荷是指在没有受到潮流、波浪以及风的影响的状态中以固定转数驱动了发动机19时的发动机19的负荷。因而，第一发动机负荷变动量是指在船舶100受到了干扰时相对于基准负荷的变动量。第一预测部27获取包括潮流预报、波浪预报等海象信息、风预报等气象信息的干扰信息，以预测第一发动机负荷变动量。干扰信息可以为在船舶100上检测到的信息，也可以为从船外获取到的信息。第一预测部27通过已知的方法，基于所获取到的干扰信息执行利用自回归模型的时间序列的分析，来预测干扰。第一预测部27将受到了所预测出的干扰的情况下的发动机负荷的变动量作为第一预测负荷变动量向校正部33输出。

第二预测部29预测因与目标舵角值相应的舵角的变化而引起的发动机的负荷变动。目标舵角值是按照指定航路航行时的舵角值。已知的是，当从中立位置变更了舵角时，舵机17或船舶100整体受到的水的阻力增加，根据舵角的变化量而发动机19的负荷增加。为了预测舵角和发动机负荷的变动，能够使用将过去的舵角值与从主机功率计那样的发动机负荷的测量器获得的测量结果进行关联而得到的信息。第二预测部29预先具有同舵角的变化量与发动机负荷的变动之间的关系有关的信息，根据该信息预测发动机负荷的变动，将预测结果作为第二发动机负荷变动量向校正部33输出。

偏离量计算部31获取gps等的位置信息，计算航行中的航路与指定航路的偏离量。关于偏离量，例如将距构成指定航路的直线状航路的距离作为偏离量向校正部33输出。

校正部33基于燃料消耗率、第一发动机负荷变动量、第二发动机负荷量以及偏离量来校正目标舵角值。因而，在本实施方式中，第一预测部27、第二预测部29作为预测部而发挥功能，校正部33作为校正部而发挥功能。另外，校正部33基于发动机19的燃料消耗率等高线来校正目标舵角值。在图2中示出燃料消耗率等高线的一例。在图2中，纵轴表示发动机转矩，横轴表示发动机转数。

船舶100具备：舵控制部35，其基于目标舵角值、或由校正部33校正后的目标舵角值来控制舵角；以及舵角指令输入部37，其接受来自操舵部13的指令。舵控制部35基于来自校正部33或舵角指令输入部37的输入来控制舵角。因而，舵控制部35相当于转弯指令部。例如，当在自动航行控制时对操舵部13进行了操作以进行紧急躲避等时，舵角指令输入部37检测对操舵部13的操作，并对舵控制部35输入与对操舵部13的操作量相应的舵角指令值。在该情况下，舵控制部35与来自校正部33的输出无关地基于来自舵角指令输入部37的舵角指令值来控制舵角。

下面，对校正部33的校正处理进行说明。

[基于干扰的舵角校正]

在一个实施方式中，校正部33基于由第一预测部27预测出的第一发动机负荷变动量来校正目标舵角值。图3示出用于在指定航路上航行的目标舵角值的经时变化。在图示的例子中，使舵角在一个方向(例如右转弯方向)上进行增减，纵轴的原点表示舵机17的中立位置。另外，图4示出第一预测部27所预测出的预测负荷、也就是第一发动机负荷变动量的经时变化。在图4中，纵轴的原点表示基准负荷。第一发动机负荷变动量包括使发动机负荷增加的负荷(为正值的负荷)和使发动机负荷减少的负荷(为负值的负荷)。校正部33计算在第一发动机负荷变动量呈现增加的时点使发动机负荷减少、在第一发动机负荷变动量呈现减少的时点使发动机负荷增加的校正函数。换言之，校正部33计算相位与第一发动机负荷变动量的波形相反的校正函数。在本方式中，校正函数在各时间的大小与在相同时刻的预测负荷的大小相同。因而，校正函数具有使第一发动机负荷变动量的波形相对于横轴呈线对称而得到的波形(在该图中用虚线表示)，用于消除第一发动机负荷变动量。校正部33针对目标舵角值应用校正函数，来获得用于消除第一发动机负荷变动量的目标舵角值。在该情况下，不需要百分之百地消除第一发动机负荷变动量，只要能够将第一发动机负荷变动量减小到进入预先决定的固定范围内的程度即可。

图5示出校正后的目标舵角值。如图5所示，校正后的目标舵角值是针对校正前的目标舵角值应用与校正函数同样的波形而得到的值。

参照图4和图5，在时刻t1的第一发动机负荷变动量大于在时刻t2的第一发动机负荷变动量。对于此，如图5所示，在时刻t1的校正后的舵角小于在时刻t2的校正后的舵角。像这样，在第一发动机负荷变动量大的时点使舵角减小来使发动机负荷减少，在第一发动机负荷变动量小的时点使舵角增大来使发动机负荷增加。由此，能够消除第一发动机负荷变动量，使受到了干扰时的发动机19的负荷的变动接近于零(也就是说，接近于基准负荷)，从而使发动机19的负荷的变动减少。通过使发动机19的负荷的变动减少，能够使发动机19的燃料消耗率减小、也就是说能够使燃料消耗量减少。

可以直接使用上述得到的校正后的目标舵角值来进行操舵，也可以基于通过燃料消耗率、第二预测负荷以及偏离量得到的信息来对校正后的目标舵角值进一步校正。

[基于燃料消耗率等高线的控制]

在一个实施方式中，校正部33基于由燃料消耗率计算部25计算出的燃料消耗率来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，在燃料消耗率变差的情况下，校正部33使校正量增大来改善燃料消耗率，在燃料消耗率没有变差或微小地变差的情况下，使校正量为0或减小。使校正量为0是指将基于第一发动机负荷变动量校正后的目标舵角值恢复为校正前的目标舵角值。另外，使校正量减小是指将目标舵角值设为基于第一发动机负荷变动量校正后的目标舵角值与校正前的目标舵角值之间的任意值。

参照图2，点a表示当前的发动机状态。点b和点c分别表示与第一发动机负荷变动量对应地对目标舵角值进行了校正的情况下的规定时点的发动机的状态。点a和点b位于燃料消耗率等高线上，表示相同的燃料消耗率。在尽管第一发动机负荷变动量被应用于发动机19但燃料消耗率未从当前的值变差那样的情况下(在发动机状态从点a转变为点b的情况下)，校正部33将校正量校正为0、或者比与第一发动机负荷变动量对应的校正值少的值。另一方面，在施加了第一发动机负荷变动量时燃料消耗率从当前的值变差的情况下(在从点a转变为点c的情况下)，校正部33为了消除第一发动机负荷变动量而对目标舵角值进行校正，来避免燃料消耗率变差。

[基于航路偏离量的控制]

在一个实施方式中，校正部33基于由偏离量计算部31计算出的偏离量来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，校正部33参照当前位置，在偏离指定航路的偏离量为第一偏离阈值以上的情况下，使校正量减小来优先进行向指定航路的返回，在偏离指定航路的偏离量小于第一偏离阈值的情况下，基于校正量来消除预测负荷。根据第一发动机负荷变动量的值，使校正后的目标舵角值变小或变大。因而，还考虑到当基于校正后的目标舵角值持续航行时大幅地偏离指定航路的情形。在从指定航路偏离了预先指定的距离(偏离量阈值)以上的情况下，校正部33使校正量减小，使校正量为0、或者将校正量设为比偏离量小于偏离量阈值时的校正量小的值。

另外，校正部33也可以基于预测出的航路的偏离量来对目标舵角值的校正量进一步校正。偏离量计算部31基于位置信息来计算航行中的航路与指定航路的偏离量，预测以校正后的目标舵角值航行的情况下的规定时点的船舶的位置。偏离量计算部31预测所预测出的船舶的位置相对于指定航路的偏离量。因而，偏离量计算部31作为位置获取部、位置预测部以及偏离量预测部而发挥功能。在偏离量为第二偏离量阈值以上的情况下，校正部33优先进行向指定航路的返回而使目标舵角值的校正量减小，使校正量为0、或者将校正量设为比偏离量小于第二偏离量阈值时的校正量小的值。

[基于目标舵角值的变化量的控制]

在一个实施方式中，校正部33基于目标舵角值的变化量来对校正后的目标舵角值进一步校正。在遵照指定航路的目标舵角值的变化量大(为舵角阈值以上)的情况下，认为船舶100被要求急转弯且遵照指定航路的优先级高。在目标舵角值的变化量为舵角阈值以上的情况下，校正部33使校正后的目标舵角值的校正量减小。此外，能够基于船舶的转弯性能等适当地决定舵角阈值的值。另外，也可以在目标舵角值大的情况下，使校正量减小。

图6是将图5的一部分放大得到的图。在图6中，在时刻t3和t4，目标舵角值的变化量变大，设该变化量为舵角阈值以上。在该情况下，校正部33使紧接着时刻t3和时刻t4之后的校正量减小以接近目标舵角值。也可以在舵角大幅地变化之后经过规定时间后，使校正量复原。

[基于舵角的预测变化量的控制]

在一个实施方式中，校正部33基于第二预测部29的预测结果来对校正后的目标舵角值进一步校正。在该情况下，校正部33考虑第一发动机负荷变动量、以及由第二预测部29预测出的基于舵角的预测负荷即第二发动机负荷变动量来对目标舵角值进一步校正。舵角越大则使校正量越大，舵角越小使校正量越小。

图7示出根据舵角量校正了校正量时的舵角的经时变化。在图7中，实线表示与图5相关联地说明的校正后的目标舵角值，虚线表示根据舵角对校正后的目标舵角值进一步校正而得到的舵角值。像这样，通过基于第二预测部29的预测结果使校正后的目标舵角值进一步减小，由此使发动机负荷的增减量减少。

图8是示出控制装置23的一系列控制的流程图。当开启自动航行控制时，控制装置23开始一系列处理。在步骤s1中，控制装置23判断当前的发动机输出是否小于输出阈值。能够根据燃料投入量、发动机转数、主机功率计的测量结果来获取发动机输出。在发动机输出少的情况下，船舶100针对舵角的控制的转弯性低。另一方面，如果发动机输出为固定量以上，则船舶100针对舵角的控制的转弯性变高。负荷阈值是考虑船舶100的转弯性而预先决定的。在发动机输出小于负荷阈值的情况下(步骤s1：“是”)，不对目标舵角值进行校正，在步骤s2中，控制装置23按照目标舵角值来控制舵角。

在主机的输出为阈值以上的情况下(步骤s1：“否”)，在步骤s3中，控制装置23基于第一预测部27的预测结果来预测因干扰引起的负荷变动。在步骤s4中，控制装置23基于步骤s1的预测结果来校正目标舵角值。在步骤s4中，可以采用基于第一预测部27的预测结果获取到的校正后的目标舵角值、以及基于通过燃料消耗率计算部25等获得的信息进一步校正后的目标舵角值中的任一个。在步骤s5中，控制装置23按照校正后的目标舵角值来控制舵角。

在进行上述一系列处理的期间存在来自舵角指令输入部37的输入的情况下，基于舵角指令输入值来控制舵角。此外，步骤s1中的处理可以在任意的时点进行。

像这样，控制装置23能够基于由第一预测部27得到的预测结果来校正目标舵角值。由此，抑制因干扰的影响而引起的发动机的负荷的变动，使发动机的负荷保持恒定从而能够减低燃料消耗率。

另外，通过使用如消除由第一预测部27预测出的预测负荷的变动量那样的校正函数，能够使发动机的负荷变动微小或为零。

另外，在主机的输出小于输出阈值的情况下，不对目标舵角值进行校正，通过按照目标舵角值来控制舵角，能够减少相对于指定航路的偏离。

另外，通过根据目标舵角值的变化量对校正量进一步校正，由此能够在要求急转弯时优先进行船舶100的转弯。

另外，通过使用燃料消耗率计算部25的计算结果，能够进一步降低燃料消耗率。

另外，通过使用偏离量计算部31的计算结果，能够减少相对于指定航路的偏离。

另外，通过使用第二预测部29的预测结果，能够使发动机的负荷更加保持恒定，从而进一步降低燃料消耗率。

另外，通过使用舵角指令输入部37的输入，能够可靠地执行紧急躲避等。

本发明并不限定于实施方式，实施方式的各结构能够在不脱离本发明的宗旨的范围内适当地变更。

在实施方式中，设为控制装置23进行使燃料消耗率[g/kw·h]减小来避免燃料消耗率变差那样的控制。然而，也可以代替燃料消耗率，控制装置23进行基于表示每单位时间的燃料消耗量的燃料消耗量[m³/h]使燃料消耗量减少来避免燃料消耗率变差那样的控制。

可以在预先计算基于干扰的舵角校正的校正函数时加入舵角的预测变化量。

另外，当使上述实施方式一般化时能够获得如下那样的对船舶的控制方法。控制方法为，预测在指定航路航行时的主机的规定时点的负荷，基于所述预测结果，以在预测为发动机的负荷在所述规定时点增加的情况下使所述规定时点的舵角减小、在预测为发动机的负荷在所述规定时点减少的情况下使所述规定时点的舵角增加的方式对用于在所述指定航路上航行的目标舵角值进行校正，按照所述校正后的目标舵角值来控制舵角。