(57)【要約】      （修正有）【課題】切換え履歴現象を減らせる船舶の自動操舵システム及び/又は動的位置決めシステムを提供する。【解決手段】演算処理装置２９と、舵の物理量、特に持上げ力及び/又は抵抗力の値を決定するための少なくとも一つの測定装置２７，２８と、求められた物理量の値を演算処理装置２９へ送るための装置とを含む装置１２が設けられており、演算処理装置２９は、決定された物理量の値に基づいて舵に作用する力を決定するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
演算処理装置（２９）と、舵の物理量の値を決定するための少なくとも一つの測定装置（２７，２８）と、演算処理装置（２９）へ決定された物理量の値を送るための装置とを含み、演算処理装置（２９）が、決定された物理量の値に基づいて舵（１０）に作用する力を決定するように構成されている、船舶、特に船の、舵（１０）、特にスキ形舵に作用する力、特に持ち上げ力（２０）及び/又は抵抗力（２１）を決定するための装置（１２）。
【請求項２】
物理量は、曲げ応力及び/又はトルクであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、舵（１０）のラダートランク（３０）及び/又はラダーストック（４０）に作用する曲げ応力を決定するように構成されており、及び/又は少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、舵（１０）のラダーストック（４０）に作用するトルクを決定するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、ラダートランク（３０）上、特にラダートランク（３０）の内壁上、及び/又はラダーストック（４０）上、特にラダーストック（４０）外壁上に、配置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、ラダートランク（３０）及び/又はラダーストック（４０）の上部、好ましくは上半分、特に好ましくは上三分の一のところに配置されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
二つの測定装置（２７，２８）が、ラダートランク（３０）及び/又はラダーストック（４０）上に設けられており、測定装置（２７，２８）は、ラダートランク（３０）又はラダーストック（４０）の周囲上、互いに８０°乃至１００°特に実質上９０°だけ離れて配置されていることを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、歪みゲージ片、光学測定装置、及び/又は振動周波数を測定するための装置を含んでいることを特徴とする前記請求項の何れか一つに記載の装置。
【請求項８】
舵（１０）の物理量の値、特にトルク及び/又は曲げ応力が少なくとも一つの測定装置（２７，２８）によって決定され、少なくとも一つの決定された値が演算処理装置（２９）へ送られて、舵（１０）に作用する力、特に持ち上げ力（２０）及び/又は抵抗力（２１）が演算処理装置（２９）によって決定された少なくとも一つの値に基づいて決定され、測定は好ましくは舵（１０）のラダートランク（３０）上及び/又はラダーストック（４０）上の少なくとも一つの測定装置（２７，２８）によって実行される、船舶、特に船の舵（１０）、特にスキ形舵に作用する力を決定するための方法。
【請求項９】
二つの測定装置（２７，２８）は、ラダートランク（３０）上及び/又はラダーストック（４０）上に設けられて、舵（１０）の持ち上げ力（２０）は一つの測定装置（２７）の測定値に基づいて決定され、そして舵（１０）の抵抗力（２１）は他の測定装置（２８）の測定値に基づいて決定されことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
舵（１０）特にスキ形舵と、舵（１０）を調節するための調節装置（１６）特に操舵エンジンと、推進装置（１７）特に推進プロペラと、調節装置（１６）及び/又は推進装置（１７）を制御するための制御装置（１３）と、制御装置（１３）へ船舶の位置データを送るように構成された船舶位置データを求めるための装置（１４）と、船舶に作用する物理量の測定データを決定するための少なくとも一つの測定装置とを含み、制御装置（１３）が船舶の位置データと測定データに基づいて測定装置（１６）及び/又は推進装置（１７）を制御するように構成された、船舶、特に船の自動位置目決めのための動的位置決めシステム（１１）において、少なくとも一つの測定装置（２７，２８）が、舵（１０）の物理量の舵測定データを決定するように構成され、且つ制御装置（１３）が調節装置（１６）及び/又は推進装置（１７）の制御に関し舵の測定データを考慮するように構成されていることを特徴とする、船舶、特に船の自動位置目決めのための動的位置決めシステム（１１）。
【請求項１１】
舵（１０）特にスキ形舵と、舵を調節するための調節装置（１６）特に操舵エンジンと、調節装置（１６）を制御するための制御装置（１３）と、制御装置（１３）へ船舶の位置データを送るため構成された船舶位置データを求めるための装置（１４）と、船舶に作用する物理量の測定データを決定するための少なくとも一つの測定装置とを含み、少なくとも一つの測定装置は制御装置（１３）へ決定された測定データを送るように構成され、制御装置（１３）は船舶の位置データと測定データに基づいて調節装置（１６）を制御するように構成され、少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は舵（１０）の物理量の舵測定データを決定するように構成され、且つ制御装置（１３）は調節装置（１６）の制御に関し舵の測定データを考慮するように構成されている、船舶、特に船の自動コース制御のための自動操舵システム（１１a）。
【請求項１２】
舵（１０）の物理量は、曲げ応力及び/又はトルクであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のシステム。
【請求項１３】
制御装置（１３）は、舵（１０）の物理量の舵測定データに基づいて、舵（１０）に作用する力特に持ち上げ力（２０）及び/又は抵抗力を決定するように構成されていることを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）は、請求項３乃至７の何れか一項により構成されていることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
船舶の推進力に関する船舶推進測定データ特に推力（２３）を決定するように構成され、且つ、好ましくは推進装置（１７）特に推進プロペラの駆動軸上に設けられた、更なる測定装置が設けられていて、制御装置（１３）は、調節装置（１６）及び/又は推進装置（１７）の制御に関して船舶の推進測定データを考慮するように構成されていることを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
次のステップを含む船舶特に船の動的位置決め及び/又は自動コース制御方法。
a.) 船舶の舵特にスキ形舵の少なくとも一つの物理量の値特にトルク又は曲げ応力を決定    すること、
b.) 舵（１０）の決定された物理量の値に基づいて舵に作用する力特に持ち上げ力（２０    ）及び/又は抵抗力（２１）を決定すること、
c.) ステップb.)において決定された力及び任意には更に船舶位置データ及び/又は船舶      測定データに基づいて船舶の舵（１０）特に操舵エンジン及び/又は推進装置（１７    ）を調節するための調節装置（１６）を制御すること、及び任意に
d.) ステップa.)乃至c.)を繰り返すこと。
【請求項１７】
船舶の推進力特に推力（２３）が決定され、ステップb.)において持ち上げ力（２０）と抵抗力（２１）が決定され、且つ前記力に基づいて船舶の機動力が決定され、決定された船舶の機動力（２４）に基づいてステップc.)における制御が実行されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
舵（１０）に作用する力が、船舶の操船中連続的に決定されることを特徴とする請求項８，９，１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
ラダートランク（３０）とラダーストック（４０）を含み、ラダートランク（３０）及び/又はラダーストック（４０）の上には、舵（１０）の物理量の値、特にラダートランク（３０）及び/又はラダーストック（４０）における曲げ応力及び/又はラダーストック（４０）にけるトルクを決定するように構成された少なくとも一つの測定装置（２７，２８）が設けられ、且つ、少なくとも一つの測定装置（２７，２８）の決定された値をデータ演算処理装置（２９）へ送るための装置が設けられている、船舶特に船用の舵（１0）特にスキ形舵。
【請求項２０】
少なくとも一つの測定装置（２７，２８）が、請求項３乃至７の何れか一項に従って構成されていることを特徴とする舵。
【請求項２１】
プログラムが記憶されたコンピューター読み出し可能の記憶媒体を含み、コンピューターのメモリ内へ蓄積された後、コンピューターに、多分請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置（１２）又は請求項１０乃至１５の何れか一項に記載のシステム（１１，１１a）と協働して、請求項８，９，１６，１７又は１８の何れか一項に記載の方法を実行させることを可能にする、コンピュータープログラムプロダクト。
【請求項２２】
コンピューターのメモリ内へ蓄積された後、コンピューターに、多分請求項１乃至７の何れか一項に記載の装置（１２）又は請求項１０乃至１５の何れか一項に記載のシステム（１１，１１a）と協働して、請求項８，９，１６，１７又は１８の何れか一項に記載の方法を実行することを可能にする、プログラムが記憶されたコンピューター読み出し可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、舵に作用する力を決定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
航海の分野において、多くの船舶が自動操舵システムを持っていることは、基本的に知られている。これらは、しばしば、ソフトウエアを基本にしてコンピューターにより実行されるように構成され、且つ航行中所定のコースに船舶を保持する自動制御システムである。このような自動操舵システムは、通常、例えばＧＰＳ受信器、ジャイロコンパス或いはそれと類似の機器のような位置参照センサー又は他の位置決定装置を有している。更に、自動操舵システムには、例えば、船舶に装備された局所的な測定装置により測定されてリレーされ得る他のパラメーターも役立てることが出来る。本明細書では、「船舶」なる用語は、水上又は水中で移動するように意図された各種乗り物（例えば、船、移動掘削具等）として理解されるべきである。更に、通常、自動操舵システムは、船舶の機動システムを制御すべき制御装置を含んでいる。特に船の機動システムは、推進ユニット例えば船のプロペラと、制御ユニット例えば調節可能な舵を備えた舵システムとの組合せを、含んでいる。係る機動システムにおいては、自動操舵システムは、特に舵を制御又は調節するように構成されることが多く、そして、自動操舵システムに供給されるパラメーターと予め定義されたアルゴリズムに基づいて、船舶の実際のコースを計算することが出来る。
【０００３】
更に、船舶の動的位置決めシステムが、先行技術から公知である。これらは、一般的には、船舶の自動位置決め用のコンピューターで制御されたシステムである。動的位置決めは、絶対的に達成され得るか、即ち、船舶が海底上の固定点に保持されるか、或いは、船や潜水乗物のような可動物に対して相対的に達成され得るかの何れかである。このような動的位置決めは、掘削プラットフォーム用の沖合石油産業やその他の沖合船舶において使用されることが多い。しかし、今日は、船例えば巡航船に、動的位置決めシステムを装備することが増えている。更に、これらのシステムは、自動操舵機能を追加的に含むことが出来るので、船舶を特別の予め限定されたコースに保持することが出来る。原則的には、又、船舶は、動的位置決めシステムと、別の自動操舵システムを加えて持つことも出来る。係る動的位置決めシステムは、通常、とりわけ、位置参照センサー又は例えばＧＰＳ受信器、ジャイロコンパス等の他の形式の位置決定装置を、含んでいる。これらの装置は、動的位置決めシステムに船舶の位置データを配送する。他の係る装置は、例えば、船のローリングやピッチングを求めることのできる運動センサーであり得る。自動操舵システムは勿論、動的位置決めシステムは、動的位置決めシステムへ供給されるパラメーターと記憶されたアルゴリズムに基づいて機動システムを制御するように構成された制御装置を含んでいる。この場合、機動システムの制御は、通常、予め限定された位置が保持されるように実行される。舵システムと推進ユニットの両方を含む機動システムの場合には、動的位置決めシステムは、しばしば、両方の補助システムを制御し得る。船舶用の動的位置決めシステムと自動操舵システムは、共に、一般用語としては、船舶用自動制御システムに包含され得る。
【０００４】
更に、動的位置決めシステムは、通常、船舶の物理量或いは船舶に作用する物理量の測定データを決定するための少なくとも一つの測定装置を更に含んでいる。自動操舵システムも又このような測定装置を含み得る。この場合、例えば、風センサーとして構成された測定装置の助けで船に作用する風力を決定することが知られている。これに替えて或いはこれに追加して、適当な風装置によりうねりを決定することが更に知られている。この点において、その少なくとも一つの測定装置と船舶の位置データを決定する手段は、船の位置、及び船舶の位置に影響を与え得る周囲の力の作用範囲と方向を参照して、中央制御装置例えばコンピューターへ情報を提供する。所望のコースに関するこれらのパラメーターと情報に基づいて、制御装置において統合され得る動的位置決めシステム及び/又は自動操舵システムの演算処理装置は、一つ以上の予め定義されたアルゴリズムに基づいて、制御装置が船即ち船舶の機動システムへ制御信号をリレーしてこれに相応の影響を及ぼす、必要な制御パラメーターを計算する。この装置によって、船舶の所望のコースが保持されるか、或いは、予め定められた位置に到達するか、又はその位置に保持され得る。
【０００５】
船舶の機動システムは、例えば、舵システムと推進ユニット、特に推進プロペラを含み得る。そして、その舵システムは、一般的に、舵と舵調節装置特に操舵エンジンを含んでいる。舵調節装置と推進ユニットを制御することにより、船舶即ち機動システムの推力と舵角を変化させることができ、それによって、船舶の航行方向と速度とを左右することが出来る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、所定時間に、船舶のコース又は位置を、船舶の現在位置と測定データに基づいて変えなければならない場合、公知の自動操舵システム又は動的位置決めシステムによって決定されるが、機動システムが制御されて駆動力（推力）及び/又は舵角は変えられるが、最適レベルにないことが多い。その結果、船舶のコースは所望のコース又は位置を越えて変えられて、直接所望の状態とならないことが多いため、船舶は再度反対方向へ操舵されなければならないことがしばしばある。実際問題として、これは、しばしば舵角の制御即ち調節を行う結果を招き、ことによると、比較的短い時間間隔で推進プロペラの性能に連続的な変化を招く結果となる。この過程は、「切換え履歴現象」と名付けられて、機動システムが過度に抑圧されるか、或いは所望のコース又は所望の位置が遅れて設定されるに過ぎないという結果となる。換言すれば、これは、機動システムの摩滅又は磨損を増大させる結果となり、船の取るコースがしばしば最適でないという結果を伴う。更に、自動操舵システムの場合には、しばしばの舵の偏向のため、船舶の要求される推進エネルギーが増大せしめられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
それ故、本発明の目的は、船舶の自動操舵システム及び/又は動的位置決めシステムを、切換え履歴現象が減らされるように改良することにある。この目的は、演算処理装置と、舵の物理量の値を決定するための少なくとも一つの測定装置と、決定された物理量の値を演算処理装置へ送るための装置とを含む、船舶特に船の舵特にスペード舵に作用する力特に持上げ力及び/又は抵抗力を測定するための装置によって解決される。この場合、その演算処理装置は、決定された舵の物理量の値に基づいて舵に作用する力を決定するように構成されている。
【０００８】
舵に作用する力に関係した物理量の値を測定することによって、舵に作用する力は何時でも決定することが出来る。舵における物理量の値の測定は、何時でも、或いは予め決められた多分繰り返しの時間間隔で、適宜実行される。特に、その測定は、船舶の航行中連続的に或いは予め決められた位置に船舶を止めて実行するのが適当である。本発明装置により、舵の特定量即ち舵に作用する力が決定されて、この舵の量を所定のアルゴリズムに基づいて他のパラメーターと共に評価する動的位置決めシステム又は自動操舵システムへリレーされ、その結果、切換え履歴現象が回避されるか或いは少なくとも減らされるように、舵角の変化の最適量又は出力の増減の最適レベルをより良く決定することが出来る。
【０００９】
用語「物理量」は、原理的には、舵又は舵システムの量的に決定可能な特性であり得る。それは、少なくとも一つの測定装置によって直接測定され得る（測定された量）か、或いは測定装置によって測定された測定量から演繹又は算出され得るかの何れかである。その計算は、又、便宜的には演算処理装置によってもなされる。しかしながら、測定装置自身は、又、測定された量に基づいて物理量を求めるか或いは計算するように構成されてもよい。演算処理装置は、例えば、適当なコンピューター等で、選択によっては動的位置決めシステムの一部であってもよい。場合によっては、その量は「物理技術量」或いは「技術量」とも呼ばれる。その用語は、又、本発明によってもカバーされる。
【００１０】
決定され又は測定された量を測定装置から演算処理装置へリレーする手段は、適当などのような装置であってもよい。特に、この手段はケーブル線または無線のデータ伝送であり得る。測定装置は、舵に適当に直接装備されることが多く、通常、演算処理装置は舵システムの外側の船舶の船内に置かれる。この点で、例えば、舵から演算処理装置へケーブルが延ばされて、測定装置には対応した受信機が設けられ、そして、演算処理装置には対応した受信機が設けられ得る。同様に、無線伝送の場合は、適当な送信機と受信機が都合よく装備される。
【００１１】
また、演算処理装置は、決定された一つ以上の物理量の値に基づいて舵に作用する力が決定され或いは計算され得る適当なアルゴリズムを含んでいる。原理的には、この力は、舵に作用している幾らかの適当な力である。好ましくは、舵の持ち上げ力及び/又は舵の抵抗力は、本発明により決定される。本文において、持ち上げ力は特に舵の動的な浮揚力を含む。一般に、係る力は、特別な形又は位置を有する本体（舵）が流体（水）に対して動く時発生する。流体または液体により本体に作用する力は、普通、二つの成分即ち流れの方向又は船舶の縦軸に対して横向きに作用する動的浮揚力と、流れの方向又は船舶の縦軸に沿って作用する摩擦力（抵抗力）とに分解される。海洋工学の分野では、舵の「持ち上げ力」と「抵抗力」なる用語は、英語では「リフト」及び「ドラグ」なる用語で呼ばれることも多い。特に、持ち上げ力の大きさは、舵作用に対しては極めて重要なものである。その持ち上げ力は、時には、舵の「側面力」と呼ばれることもある。
【００１２】
何れにしても、若し舵の浮力又は抵抗の実際の大きさが分かっていれば、船舶の舵システム又は駆動システムは、所望のコース又は所望の位置を得るために、自動操舵システム又は動的位置決めシステムにより、その大きさに基づいてより正確に制御され得る。浮力と抵抗の関係は、図５に図式的に示されている。ここで、Ｕoは（ここでは示されていない）船舶の推進プロペラのプロペラ流を示しており、１０はこの流れ内に在る舵を示している。舵は、船舶の長手方向１８即ち流れＵoの方向に対して角度α捩じられている。通常、船舶の長手方向１８と流れの方向は同じである。流れの方向即ち船舶の長手方向１８に対して直角方向の合成持ち上げ力は矢印２０によって示され、抵抗力は矢印２１により表されていて、船舶の長手方向１８へ延びている。矢印２０，２１はベクトルとして表されていて、各力の大きさと方向を示している。前記二つの力から合成される力は、矢印２２により表されている。図５に示された関係は、これらが実質上舵を調節するのみで、通常は推進ユニットには作用せず、その結果舵の持ち上げ力の度合いが舵角と対応する抑制力とを計算するのに基本的に重要であるので、特に、船舶用自動操舵システムにとって極めて重要である。従って、本発明によれば、自動操舵システムは実質上より僅かで小さい舵の偏向も管理することができ、その結果、船舶の必要な推進エネルギーを可なり節約することが出来る。
【００１３】
本発明による装置の好適実施例は、従属請求項に明示されている。
【００１４】
本発明の好適実施例において、物理量は、曲げ応力及び/又はトルクである。曲げ応力に替えて、舵に作用して舵に曲げ応力を生じさせる曲げモーメントも決定することが出来る。持ち上げ力と抵抗力の両者は、曲げ応力に基づく計算により容易に決定することが出来る。これは、又、舵に作用する捩じれ力即ちトルクに基づいても可能である。舵に作用する力の計算において可能な最高の正確度を得るために、曲げ応力とトルクを求めることは特に望ましい。曲げ応力は、スキ形舵の場合にはクランプタイプであるため、特に有利に求めることが出来る。
【００１５】
特に、少なくとも一つの測定装置は、舵のラダートランク及び/又はラダーストックに作用する曲げ応力及び/又は舵のラダーストックに作用するトルクを決定できるように構成されている。ラダートランクは、特にスキ形舵に使用され、船舶本体から舵内へ案内されて内側にラダーストックが配置装着される中空支持体からなっている。この目的のために、少なくとも一つの測定装置は、ラダートランクの上、特にラダートランクの内ケースの上及び/又は特にラダーストックの外ケースの上に、配置されるのが更に好ましい。スキ形舵のラダートランクは、舵に作用する曲げ応力を吸収して船舶本体内へ移すように設計されている。この点で、曲げ応力の測定はここでは特に適当である。ラダーストックのトルクの測定も、これが舵の回動軸を形成するので、適当である。
【００１６】
特に、少なくとも一つの測定装置は、ラダートランク及び/又は船体に面しているラダーストックの上部に配置されるのが好ましい。その測定装置は、ラダーストック又はラダートランクの上半分内、特に好ましくは上３分の１内に配置されるのが好ましい。これは、この領域で曲げはしばしば最大であり且つ更に該領域が測定装置の取付けが最も容易に達成できるため、特に有利である。特に、これらの領域は、しばしば船体の内側に位置するため、比較的簡単にケーブル等を自由に敷設することができる。
【００１７】
測定の特に高い冗長度を得るために、又は、特に二つの物理量、特に曲げ応力とトルクの両方を決定するために、好ましくはラダートランク及び/又はラダーストックの上に設けられる二つの測定装置を準備するのが適当である。更に、この実施例においては、円筒状のラダートランク又はラダーストックの周囲に、互いに８０°乃至１００°、特に実質上９０°だけ離して配置するのが好ましい。この二つの測定装置を互いに離した配置は、特に横断面図において見ることが出来る。この場合、舵の持ち上げ力と抵抗力は相互に実質上直角にも作用するので、何れの場合も一つの測定装置は、前記力の一方を夫々求めるための基礎を形成する物理量を決定するために設けることが出来る。しかしながら、原理的には、測定は、ラダーストックに関してのみ又はラダートランクに関してのみなされ得る。
【００１８】
原理的には、その測定装置は、従来技術から公知の何れか適当な測定手段からなり得る。特に好ましくは、少なくとも一つの測定装置は、引張りゲージ片、光学測定装置及び/又は振動数を測定するための装置を含む。この装置により、簡単且つ費用効果的に、信頼し得る測定結果を得ることができ、それに基づいて物理量の値が決定され得る。
【００１９】
本発明の基礎をなす目的は、更に、舵の物理量の値特にトルク及び/又は曲げ応力が少なくとも一つの測定装置によって決定され、その決定された少なくとも一つの値が演算処理装置へ送られて、舵に作用する力特に持ち上げ力及び/又は抵抗力が、決定された少なくとも一つの上記値に基づいて前記演算処理装置により求められる、船舶特に船用の舵特にスキ形舵に作用する力を求める方法によって解決される。トルクの測定は、好ましくは、舵のラダートランク上で実行され、曲げ応力の測定は、舵のラダーストック及び/又はラダートランク上で実行される。特に、その方法は、本発明による先に説明した装置を使用して遂行され得る。
【００２０】
更に、二つの測定装置は、夫々、ラダートランク及び/又はラダーストック上に設けられ、舵の持ち上げ力は一方の測定装置の測定値に基づいて決定され、そして、舵の抵抗力は他方の測定装置の測定値に基づいて決定されるのが、好都合である。
【００２１】
本発明の基礎をなす目的は、更に、舵特にスキ形舵を含む船舶特に船の自動位置決めのための動的位置決めシステム、舵を調節するための調節装置特に操舵エンジン、及び上記調節装置及び/又は推進プロペラを制御するための制御装置を含む推進ユニット特に推進プロペラ、船舶の位置データを決定するための装置、及び船舶に作用する物理量又は船舶の物理量の測定データを決定するための少なくとも一つの測定装置により解決される。上記制御装置は、船舶の位置データ及び測定データに基づいて上記調節装置及び/又は推進プロペラを制御するように構成されている。更に、本発明によれば、上記少なくとも一つの測定装置は、舵の物理量の測定データを決定するように構成され、そして、その一部の制御装置は、上記調節装置及び/又は推進プロペラの制御に関して舵の測定データを考慮できるように構成されている。
【００２２】
本発明の基礎をなす目的は、更に、舵特にスキ形舵と、舵を調節するための調節装置特に操舵エンジンと、上記調節装置を制御するための制御装置と、船舶位置データを上記制御装置へ送るように構成された船舶位置データを求めるための装置と、船舶に作用する物理量の測定データを決定するための少なくとも一つの測定装置とを含み、該少なくとも一つの測定装置は求められた測定データを上記制御装置へ伝送するように構成され、上記制御装置は船舶の位置データと上記測定データに基づいて上記調節装置を制御するように構成された、船舶特に船の自動コース制御のための自動操舵システムによって解決される。更に、本発明によれば、上記少なくとも一つの測定装置は、舵の物理量の舵測定データを決定するように構成されており、且つ上記制御装置は上記調節装置の制御に関して舵の測定データを考慮するように構成されている。
【００２３】
両システムにおいて、船舶の位置データを決定するための装置は位置データを制御装置へ送る。同様に、上記少なくとも一つの測定装置の測定データは上記制御装置へ送られる。その測定データは、舵の物理量の測定値又は上記測定装置の実際の測定値に基づいて決定され又は計算された値であり得る。本発明によれば、従来技術から公知の普通の測定デタの代わりに、舵に作用する物理量の舵測定データが最初に使用される。これらの舵測定デタは又上記制御装置へも送られて、船舶の自動位置決め又は自動コース制御を決定するのに使用される。即ち、特に舵の測定データに基づいて、調節装置及び/又は推進プロペラが調節装置によって制御される。その結果、船舶の機動システムの実質上より正確な制御が、本発明によるシステムによって達成され、そして、かくして切換えの履歴現象が可なり減らされ得る。それ故、本発明によるシステムにおいては、舵に対してもっぱら関係している測定データは、最初、船舶の位置決めと制御のために使用される。
【００２４】
舵の物理量は、好ましくは、曲げ応力及び/又はトルクである。
【００２５】
更に、制御装置又は任意に別の演算処理装置も又舵に作用する力、特に持ち上げ力及び/又は抵抗力を、舵の物理量の求められた値に基づいて決定することが出来るように構成される。そして、舵に作用する力は、位置決め又はコース制御、特に船舶の機動システムを制御するために使用される。
【００２６】
本発明による装置の先に記述した実施例によれば、二つのシステムの少なくとも一つの測定装置は、舵に作用する力を決定するように構成されている。特に、本発明による前記装置全体は、本発明による装置から演算処理装置の機能が各システムの制御装置により引き継がれ得る、動的位置決め又は自動操舵システムの部分である。又、演算処理装置は、二つのシステムの一方の内部に分離して設けることも出来る。
【００２７】
そのシステムの一好適実施例においては、船舶の推進力特に推力に関する船舶の推進力測定データを決定するように構成された別の測定装置が設けられている。これは、好適には、船舶の推進プロペラの駆動軸上に設けられる。更に、制御装置は、調節装置及び/又は推進プロペラの制御に関して、船舶の推進力測定データを考慮するように構成されている。従って、この実施例においては、舵の測定データに加えて、船舶の推進力測定データが、機動システムを制御するのに使用されるか、又は制御の基礎を形成するアルゴリズムに組み込まれる。これは、船舶の推力が舵の抵抗力に対して正確に作用するか、又は、舵の抵抗力によって減らされるため、特に好都合である。この点において、船舶の推進力測定データの追加的提供により、船舶の機動システムについての広範囲の情報を得ることが可能である。特に、制御装置は、これらのデータに基づいて、正味の機動力を求め又は計算することが出来て、これを機動システムを制御する過程に使用することが出来る。これらの個々の力間の関係は、図６に線図によって示されている。この線図は、抵抗２１に対して作用する推力２３がベクトル矢として付加的に示されている図５の線図に基づいている。正味の機動力２４は、正味の推力２３b（＝推力−抵抗）と浮力２０から決定することが出来る。図５に示された関係は、これらが、しばしば、共に舵と推進装置をも制御するように構成されるため、動的位置決めシステムに特に関連している。
【００２８】
本発明の基礎を成す目的は、更に、船舶特に船の機動的位置決め及び/又は自動コース制御のための、次のステップを含む方法によって解決される。
a.）船舶の舵特にスキ形舵の少なくとも一つの物理量特にトルク又は曲げ応力の値を決      定すること、                                                                
b.）決定された舵の物理量の値に基づいて、舵に作用する力特に持上げ力及び/又は抵抗
力を決定すること、
c.) ステップb.)において決定された力に基づいて、船舶の舵を調節するための調節装置    特に操舵エンジン及び/又は推進装置、及び更に船舶の位置データ及び/又は船舶の測    定データを任意に制御すること、及び任意に
d.) ステップa.)乃至c.)を繰返すこと。
【００２９】
この場合の船舶の測定データは、船舶に作用する他の物理量、例えば、風の強さ、波のうねりその他に関するデータである。好都合なことに、個々の処理ステップは、船舶の航行中連続的に繰返される。従って、舵に作用する力は連続的に決定され、そしてそれを繰返すことにより、船舶の最適の位置決め又はコースの整合に関して高品質の結果へ導かれる。特に、上記方法は、本発明により先に説明された機動的位置決め又は自動操舵システムにより実行され得る。
【００３０】
本発明による方法の好適実施例においては、船舶の推進力特に推力が更に決定され得る。この関連において、船舶の機動力に基づいてステップc.)における制御が実行される前記三つの力に基づいて、持上げ力と抵抗力の両方を決定すること、及び船舶の機動力又は船舶の正味の機動力を決定することが適当である。この装置により、切換え履歴現象は更に減らされ得る。
【００３１】
本発明の基礎を成す目的は、更に、ラダートランク及び/又はラダーストックに少なくとも一つの測定装置が設けられ、舵の物理量特にラダートランク及び/又はラダーストックにおける曲げ応力及び/又はラダーストックにおけるトルクを決定するように構成された、ラダートランク及びラダーストックを含む、船舶特に船用の舵特にスキ形舵により解決される。更に、その舵は、少なくとも一つの測定装置の決定された値をデータ演算処理装置へ送るための装置を含んでいる。そのデータ演算処理装置は特にコンピューターであってもよく、そして、それは、舵の測定装置が係るシステムに結合され得るように動的位置決め又は自動操舵システムに付属できる。物理量の値は、直接測定されるか、或いは測定装置又は任意に別の演算処理装置又はデータ処理装置により、測定データに基づいて決定さるかの何れかであり得る。このような舵により、舵力又は舵作用についての追加的情報が前述のシステムに送られ得るため、船舶の機動システムの制御がより正確に行われて、切換え履歴現象が減らされ得る。
【００３２】
最後に、本発明の基礎をなす目的は、コンピューターのメモリ内に記憶された後、先に記述した本発明による方法の一つを、或いは、多分、本発明による装置、本発明による動的位置決めシステム又は本発明による自動操舵システムと協働して、コンピューターにより実行することを可能にする、コンピューター読み出し可能な記憶媒体又は係るコンピューター読み出し可能な記憶媒体それ自体を含むコンピュータープログラムプロダクトによって解決され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１はトルクと曲げ応力を決定するための測定装置を備えた舵の一部破断側面図を示す。
【図２】図２はトルクと曲げ応力のための測定装置を備えた舵のラダートランクとラダーストックの部分領域の断面図を示す。
【図３】図３は動的位置決めシステムの概略図を示す。
【図４】図４は自動操舵システムの概略図を示す。
【図５】図５は浮力と抵抗との間の関係を示すための力のベクトル図を示す。
【図６】図６は推力と正味の機動力を付加して示した図５からの力のベクトル図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面に示された各種実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は、ラダートランク３０と、ラダーストック４０と、関節接合されたフィン５１を備えた舵板５０を含む舵１０の側面図を示す。ラダートランク３０と、ラダーストック４０と、舵板５０の一部は断面図で示されている。ラダートランク３０の上部は、船体２６に強固に連結されている。ラダートランク３０は、更に、ラダーストック４０を受け入れている内穴２５を有している。ラダートランク３０は、ラダートランク３０の自由端３０aを受け入れる舵板５０の円筒状カット部３５内へ挿入されるのが好ましい。その円筒状カット部３５は、舵板５０の側部張り板３６，３７によって限定されている。ラダーストック４０は、ラダートランク３０から突出していて舵板５０内へ突き出ている端部４０aで舵板５０に連結されている。更に、ラダーストック４０をラダートランク３０内に装着するために、又は舵板５０内へラダートランク３０を装着するために、軸受け７０，７１が設けられている。船体２６の内側に置かれていて舵板５０内にはないラダーストック４０の上部部分の表面には、測定装置２８が設けられている。その測定装置２８は、ラダーストック４０の表面に固着されている。この測定装置２８は、歪みゲージ片を含んでいる。ラダートランク３０の上部で測定装置２８の近傍のラダートランク３０の内面又は内側には、もう一つの測定装置２７が配置されている。測定装置２７，２８のこのような配置は、装置が船体２６の内側に不動状態に設置されて、比較的容易に近付き易く、従ってケーブル等を比較的簡単に測定装置へ案内できるという利点を有する。更に、測定装置２７，２８は、ラダーストック４０又はラダートランク３０の最大曲げ領域に配置されているため、最適の測定結果が得られ得る。原理的には、測定装置２７はラダートランク３０の外面上に配置されてもよい。測定装置２７は、歪みゲージ片をも含んでいる。測定装置２８は、ラダーストック４０におけるトルクを測定又は決定することが出来るように構成されており、一方、ラダートランク３０に現れる曲げ応力は、測定装置２７によって決定することが出来る。測定され又は決定された値は、両測定装置２７，２８から（ここでは示されていない）演算処理装置へ送られる。この目的のために、データの無線送信に適する（ここでは示されていない）送信又は発送装置が、各測定装置２７，２８に設けられている。
【００３５】
図２は、ここに装着された舵のラダーストック４０のトランク３０の一部を示している。この図において、ラダーストック４０のトルク及び/又は曲げ応力を決定するための測定装置２８は、又、ラダーストックの表面上に設けられている。もう一つの測定装置は設けられていない。従って、図２による実施例においては、舵に作用する力の測定は、トルク又は曲げ応力を求めるため通常は何れか一方が構成されるラダーストック４０上に設けられる測定装置によってのみなされる。その測定装置２８は、又、（ここでは示されていない）演算処理装置へデータを送るための発送又は送信装置を持っている。
【００３６】
図３は動的位置決めシステム１１の概略図を示している。この装置１１は、舵に作用する力を決定するための装置１２を含んでいる。測定装置２７，２８は、舵に作用する曲げ応力又はトルクを決定する。測定され又は決定されたデータは、測定装置２７，２８から（ここでは示されていない）船の船内に置かれた演算処理装置２９へ送られる。曲げ応力とトルクのために求められた値に基づいて、演算処理装置２９は、舵１０の持ち上げ力２０及び/又は抵抗力２１を計算して、その値を動的位置決めシステム１１の制御装置１３へ送る。原理的には、演算処理装置２９は、又、測定された値に基づいて、先のステップにおいてトルク又は曲げ応力を初めに決定することも出来る。次に、制御装置１３は、船舶の位置データ１４を決定するためにＧＰＳ受信機として構成された装置からの船舶の位置データと、船舶の周囲の風力に関する風力測定装置からのデータを受け取る。任意には、更なる測定装置又は船舶の位置データを求めるための装置が、ここの制御装置１３へ接続され得る。制御装置１３へ送られた値又はパラメーターに基づいて、制御装置１３は、制御装置１３に記憶された又は予め定義されているアルゴリズムに基づき、制御装置１３にも記憶されている所望の位置を達成又は維持するために、何れの舵角又は何れの推進力が最適であるかを計算する。この計算ステップにおいて、持ち上げ力２０及び/又は抵抗力２１をも、本発明により考慮される。決定された舵角又は決定された出力水準に基づいて、制御装置１３は、船舶の推力を増減させるため、舵角及び/又は船舶推進装置１７を調節するための調節装置１６を制御する。先に説明した工程は、船舶が所望の位置に連続的に留まるのを保証するため、船舶の操船中連続的に繰り返される。
【００３７】
図４は、自動操船システム１１aを示している。この図又は自動操船システム１１aは、実質上、図３に示した動的位置決めシステム１１に対応している。自動操船システム１１aの制御装置１３は、動的位置決めシステム１１と違って、舵角を調節するための調節装置１６のみを制御して、水推進装置を制御はしない。加えて、そのような媒体は、船舶の航行中コース制御のための副次的な役割を演ずるに過ぎないので、風測定装置等には設けられていない。
【符号の説明】
【００３８】
１０      舵
１１      動的位置決めシステム
１１a     自動操舵システム
１２      装置
１３      制御装置
１４      船舶の位置データを決定するための装置
１５      風の測定装置
１６      舵の調節装置
１７      船舶の推進装置
１８      船舶の長手方向
２０      持ち上げ力
２１      抵抗力
２２      合成力
２３      推力
２３b     正味の推力
２４      正味の機動力
２５      内穴
２６      船体
２７      測定装置/トランク
２８      測定装置/ストック
２９      演算処理装置
３０      ラダートランク
３０a     ラダートランクの下端
３５      カット部
３６      側部張り板
３７      側部張り板
４０      ラダーストック
５０      舵板
５１      フィン
７０      軸受け
７１      軸受け
Ｕo       プロペラ流
α        舵角
【図１】
2011098723.tif 000003
【図２】
2011098723.tif 000004
【図３】
2011098723.tif 000005
【図４】
2011098723.tif 000006
【図５】
2011098723.tif 000007
【図６】
2011098723.tif 000008
【外国語明細書】
ARRANGEMENT FOR DETERMINING A FORCE ACTING ON A RUDDER
The invention relates to an arrangement for determining a force acting on a rudder.
It is fundamentally known that in the maritime area, many watercraft have autopilot systems. These are automatic control systems which are frequently configured to be software-based and computer-implemented and which hold the watercraft on a predefined course during the trip. Such autopilot systems normally have position reference sensors or other types of position determining devices such as, for example, GPS receivers, gyro compasses or similar. In addition, other parameters can be made available to the autopilot system, which can be determined and relayed, for example, by local measuring devices on the watercraft. In the present context, the term "watercraft" is to be understood as any vehicle which is intended for movement on or in the water (e.g. ships, mobile drilling rigs, etc.). The autopilot systems further normally comprise a control device which is configured to control the manoeuvring system of a watercraft. Manoeuvring systems, in particular in ships, can in particular comprise a combination of a propulsion unit, for example, a ship's propeller and a control unit, for example, a rudder system with an adjustable rudder. In such manoeuvring systems, the autopilot systems are frequently configured in particular to control or adjust the rudder and can thus calculate the actual course of the watercraft on the basis of the parameters supplied to the autopilot system and the predefined algorithms.
Furthermore, dynamic positioning systems for watercraft are known from the prior art. These are generally computer-controlled systems for the automatic positioning of watercraft, in particular ships. Dynamic positioning can either be accomplished absolutely - i.e. the watercraft is held at a fixed point above the seabed - or relative to a moving object such as a ship or a submarine vehicle. Such dynamic positionings are frequently used in the offshore oil industry for drilling platforms or other offshore watercraft. However, ships, for example, cruise ships, are now increasingly being fitted with dynamic positioning systems. These systems can furthermore additionally include autopilot functions and can thus hold watercraft on a specific, predefined course. In principle, watercraft can also have a dynamic positioning system and in addition a separate autopilot system. Such dynamic positioning systems normally comprise, inter alia, position reference sensors or other types of position determining devices such as, for example, GPS receivers, gyro compasses or similar. These devices deliver watercraft position data to the dynamic positioning system. Other such devices can be motion sensors by which means, for example, the rolling or pitching of a ship can be determined. As well as an autopilot system a dynamic positioning system comprises a control device which is configured to control the manoeuvring system on the basis of the parameters supplied to the dynamic positioning system and the algorithms stored therein. In this case the control of the manoeuvring system is usually accomplished in such a manner that a predefined position should be held. In the case of manoeuvring systems comprising both a rudder system and a propulsion unit, dynamic positioning systems are frequently capable of controlling both subsystems. Both the dynamic positioning systems and the autopilot systems for watercraft can be subsumed under the generic term automatic control systems for watercraft.
In addition, dynamic positioning systems normally further comprise at least one measuring device for determining measurement data of physical quantities of the watercraft or of physical quantities acting on the watercraft. Autopilot systems can also comprise such measuring devices. In this case, it is for example known to determine the wind strength acting on the ship with the aid of measuring devices configured as wind sensors. Alternatively or additionally, it is further known to determine the swell by means of suitable wind devices. In this respect, the at least one measuring device and the means for determining watercraft position data provide information for a central control device, for example, a computer, with reference to the position of the ship and the extent and direction of action of certain environmental forces which (can) influence the position of the watercraft. On the basis of these parameters and information on a desired course, a processing unit of the dynamic positioning system and/or of the autopilot system, which can be integrated in the control device, calculates on the basis of one or more predefined algorithms the necessary control parameters on which basis the control device relays control signals to the manoeuvring system of the ship or the watercraft and thereby influences this accordingly. By this means the desired course of the watercraft can be held or the predefined position reached or held.
The manoeuvring system of a watercraft can, for example, comprise a rudder system and a propulsion unit, in particular a propulsion propeller. The rudder system in turn generally comprises a rudder and a rudder adjusting device, in particular a steering engine. By controlling the adjusting device and the propulsion unit, the thrust and the rudder angle of the watercraft or of the manoeuvring system can be varied and the direction of travel and speed of the watercraft thereby influenced.
It is now determined by known autopilot systems or dynamic positioning systems at a given time that the course or the position of the watercraft must be changed on the basis of the present watercraft position and measurement data, the manoeuvring system is controlled and the drive power (thrust) and/or the rudder angle is altered, but frequently not at the optimal level. As a result, the course of the watercraft is frequently changed beyond the desired course or the desired position is not reached directly so that the craft must then be steered again in the opposite direction. In practice, this results in frequent controlling or adjustment of the rudder angle and possibly in a continuous change in the performance of the propulsion propeller within relatively short time intervals. This process is designated as "switching hysteresis" and has the result that the manoeuvring system is excessively stressed or the desired course or the desired position is only set with a delay. In other words, this can lead to increased abrasion or increased wear of the manoeuvring system and can have the result that the course taken by the ship is frequently not optimal. Furthermore, in the case of autopilot systems the required propulsion energy of the watercraft is increased due to the frequent rudder deflections.
It is therefore the object of the present invention to improve autopilot systems of watercraft and/or dynamic positioning systems in such a manner that the switching hysteresis is reduced. This object is solved with an arrangement for determining a force, in particular a lift force and/or resistance force, acting on a rudder, in particular spade rudders, for watercraft, in particular ships, comprising a processing unit, at least one measuring device for determining values of a physical quantity of a rudder, and means for transmitting the determined values of the physical quantity to the processing unit, wherein the processing unit is configured to determine the force acting on the rudder on the basis of the determined values of the physical quantity.
By measuring the values of a physical quantity related to the force acting on the rudder, the force acting on the rudder can be determined at any time. The measurement of the values of the physical quantity at the rudder is expediently carried out many times or at predefined, possibly recurring intervals. In particular, it is expedient to carry out the measurement continuously during the travel of the watercraft or whilst holding the watercraft at a predefined position. By means of the present arrangement, a specific quantity of the rudder, i.e. the force acting on the rudder, can be determined and relayed to a dynamic positioning system or an autopilot system which evaluate this rudder quantity together with the other parameters on the basis of a predefined algorithm and as a result are able to better determine the optimal magnitude of the change in the rudder angle or the optimal level of the power increase or reduction so that switching hysteresis is avoided or at least reduced.
The term "physical quantity" can in principle be any quantitatively determinable property of the rudder or the rudder system. It can either be measured directly by means of the at least one measuring device (measured quantity) or it can be deduced or calculated from the measured quantity measured by the measuring device. The calculation is expediently also made by means of the processing unit. However, the measuring device can itself also be configured to determine or calculate the physical quantity on the basis of the measured quantities. The processing unit can, for example, be a suitable computer or similar and can optionally also be part of a dynamic positioning system. In some cases, such quantities are also designated as "physical-technical quantities" or "technical quantities". Such terms are also covered by the present invention.
The means for relaying the determined or measured quantity from the measuring device to the processing unit can comprise any suitable means. In particular, this means can be a cable-bound or wireless data transmission. The measuring device is frequently expediently provided directly on the rudder, the processing unit normally being located outside the rudder system on board the watercraft. In this respect, for example, a cable can be run from the rudder to the processing unit and the measuring device can be provided with a corresponding receiver and the processing unit can be provided with a corresponding receiver. Likewise, suitable transmitters and receivers are expediently provided in the case of a wireless transmission.
The processing unit in turn comprises suitable algorithms with which the force acting on the rudder can be determined or calculated on the basis of one or more of the determined values of the physical quantity. In principle, this force can be any suitable force acting on the rudder. Preferably, the lift force of the rudder and/or the resistance force of the rudder are determined according to the invention. In the present context, the lift force in particular comprises the force of the dynamic buoyancy of the rudder. In general, such a force arises when a body (rudder) having a specific shape or position moves relative to a fluid (water). The force exerted by the fluid or the liquid on the body is usually broken down into two components: into the dynamic buoyancy acting transverse to the direction of flow or to the longitudinal axis of the watercraft and the frictional resistance (resistance force) acting along the direction of flow or the longitudinal axis of the watercraft. In marine engineering circles, the terms "lift force" and "resistance force" of the rudder are also frequently designated by their English terms "lift" and "drag". In particular, the magnitude of the lift force is crucial for the rudder action. The lift force is sometimes also designated as "lateral force" of the rudder.
If the actual magnitude of the buoyancy or the resistance of the rudder is known in each case, the rudder system or the drive system of the watercraft can be controlled more accurately on the basis of this by an autopilot system or a dynamic positioning system in order to achieve the desired course or the desired position. The relationship between buoyancy and resistance is shown schematically in Fig. 5, where U0 designates the propeller flow of a propulsion propeller of a watercraft (not shown here) and 10 designates a rudder located within this flow. The rudder is twisted at an angle α with respect to the watercraft longitudinal direction 18 or the direction of the flow U0. Normally the watercraft longitudinal direction 18 and the direction of flow are identical. The resulting lift force running perpendicular to the direction of flow or the watercraft longitudinal direction 18 is shown by the arrow 20, whereas the resistance force is depicted by the arrow 21 and runs in the watercraft longitudinal direction 18. The arrows 20, 21 are depicted as vectors and indicate both the magnitude and the direction of the respective force. A force resulting from the two aforesaid forces is depicted by the arrow 22. The relationship shown in Fig. 5 is particularly crucial for autopilot systems for watercraft since these substantially only adjust the rudder and normally do not act on the propulsion unit and consequently, the level of the lift force of the rudder is fundamentally crucial for calculating the rudder angle and the corresponding control. According to the present invention, autopilot systems can accordingly manage with substantially fewer and smaller rudder deflections with the result that the necessary propulsion energy of the watercraft can be saved considerably. 
Preferred embodiments of the arrangement according to the invention are specified in the dependent claims.
In a preferred embodiment of the invention, the physical quantity is a bending stress and/or a torque. Alternatively to the bending stress, the bending moment acting on the rudder and causing the bending stress in the rudder can also be determined. Both the lift force and also the resistance force can readily be determined by calculation on the basis of the bending stress. This is also possible on the basis of the torsional force acting on the rudder, i.e. the torque. It is particularly preferable to determine both the bending stress and the torque in order to obtain the highest possible accuracy in the calculation of the forces acting on the rudder. The bending stress can be determined particularly advantageously in the case of spade rudders as a result of their type of clamping. 
In particular, it is expedient that the at least one measuring device is configured to determine the bending stress acting on a rudder trunk and/or a rudder stock of the rudder and/or the torque acting on the rudder stock of the rudder. A rudder trunk is used in particular in spade rudders and consists of a hollow support which is guided from the watercraft body into the rudder, inside which the rudder stock is disposed and mounted. For this purpose it is further preferred that the at least one measuring device is disposed on the rudder trunk, in particular on the inner casing of the rudder trunk, and/or on the rudder stock, in particular on the outer casing of the rudder stock. The rudder trunk of a spade rudder is designed in such a manner that it absorbs the bending stress acting on the rudder and removes it into the watercraft body. In this respect, the measurement of the bending stress is particularly expedient there. The measurement of the torque on the rudder stock is also expedient since this forms the axis of rotation of the rudder.
In particular, it is preferred that the at least one measuring device is disposed in an upper region of the rudder trunk and/or the rudder stock facing the hull. The measuring device is preferably disposed in the upper half, particularly preferably in the upper third of the rudder stock or the rudder trunk. This is particularly advantageous because the bending is frequently greatest in this region and the aforesaid regions are furthermore most readily accessible for the attachment of a measuring device. In particular, these regions are frequently located inside the hull so that optionally cables or the like can be installed in a relatively simple manner.
In order to obtain a particularly high redundancy of the measurement or in particular in order to determine two physical quantities, in particular both the bending stress and also the torque, it is expedient to provide two measuring devices which are preferably provided on the rudder trunk and/or on the rudder stock. Furthermore, in this embodiment, the two measuring devices are preferably arranged offset with respect to one another by 80o to 100o, in particular substantially by 90o, in relation to the circumference of the cylindrical rudder trunk or the rudder stock. This offset arrangement of the two measuring devices with respect to one another is in particular identifiable in a cross-sectional view. It is advantageous in this case that the lift force and the resistance force of the rudder also act substantially orthogonally to one another so that in each case one measuring device can be provided to determine a physical quantity which forms the basis for determining respectively one of the aforesaid forces. In principle, however a measurement can also be made only on the rudder stock or only on the rudder trunk. 
In principle, the measuring device can comprise any suitable measuring means known from the prior art. Particularly preferably the at least one measuring device comprises a strain gauge strip, optical measuring means and/or means for measuring vibration frequencies. By this means reliable measurement results can be obtained in a simple and cost-effective manner, on the basis of which the value of the physical quantity can be determined.
The object forming the basis of the invention is further solved by a method for determining a force acting on a rudder, in particular a spade rudder, for watercraft, in particular ships, wherein a value of a physical quantity of a rudder, in particular a torque and/or a bending stress is determined by means of at least one measuring device, wherein the at least one determined value is transmitted to a processing unit, and wherein a force acting on the rudder, in particular a lift force and/or a resistance force is determined by means of the processing unit on the basis of the determined at least one value. The measurement for the torque is preferably carried out on the rudder trunk of the rudder and that for the bending stress is carried out on the rudder stock and/or on the rudder trunk of the rudder. In particular, the method can be carried out using the previously described arrangement according to the invention.
It is furthermore expedient that two measuring devices each are provided on the rudder trunk and/or on the rudder stock, and that the lift force of the rudder is determined on the basis of the measured values of the one measuring device and the resistance force of the rudder is determined on the basis of the measured values of the other measuring device.
The object forming the basis of the invention is further solved by a dynamic positioning system for the automatic positioning of a watercraft, in particular a ship, comprising a rudder, in particular a spade rudder, an adjusting means, in particular a steering engine, for adjusting the rudder and a propulsion unit, in particular a propulsion propeller, comprising a control device for controlling the adjusting means and/or the propulsion propeller, means for determining watercraft position data and at least one measuring device to determine measurement data of physical quantities acting on the watercraft or physical quantities of the watercraft. The control device is configured for controlling the adjusting means and/or the propulsion propeller on the basis of the watercraft position data and the measurement data. Furthermore, according to the invention the at least one measuring device is configured to determine rudder measurement data of a physical quantity of the rudder and the control device for its part is configured to take into account the rudder measurement data in regard to the controlling of the adjusting means and/or the propulsion propeller.
The object forming the basis of the invention is further solved by an autopilot system for the automatic course control of a watercraft, in particular a ship, comprising a rudder, in particular a spade rudder, and an adjusting means, in particular a steering engine, for adjusting the rudder, comprising a control device for controlling the adjusting means, means for determining watercraft position data which are configured to transmit the watercraft position data to the control device and at least one measuring device to determine measurement data of physical quantities acting on the watercraft, wherein the at least one measuring device is configured to transmit the determined measurement data to the control device, wherein the control device is configured for controlling the adjusting means on the basis of the watercraft position data and the measurement data. Furthermore, according to the invention the at least one measuring device is configured to determine rudder measurement data of a physical quantity of the rudder and the control device is configured to take into account the rudder measurement data in regard to the controlling of the adjusting means. 
In both systems means for determining watercraft position data transmit these to the control device. Likewise, the measurement data of the at least one measuring device are transmitted to the control device. The measured data can be measured values of the physical quantity of the rudder or values determined or calculated on the basis of the actually measured values of the measuring device. According to the invention, instead of the usual measurement data known from the prior art, rudder measurement data of a physical quantity acting on the rudder are now used for the first time. These rudder measurement data are also transmitted to the control device and are used to determine the automatic positioning or automatic course control of the watercraft, i.e. in particular on the basis of the rudder measurement data, the adjusting means and/or the propulsion propeller are controlled by the adjusting means and/or the propulsion propeller. Consequently, a substantially more accurate control of the manoeuvring system of the watercraft can be accomplished by the systems according to the invention and the switching hysteresis can thus be reduced considerably. In the systems according to the invention, measurement data exclusively relating to the rudder are therefore used for the first time for the positioning and control of the watercraft.
The physical quantity of the rudder is preferably a bending stress and/or a torque.
Furthermore, the control device or optionally also a separate processing unit is configured to determine a force acting on the rudder, in particular the lift force and/or the resistance force, on the basis of the determined values of the physical quantity of the rudder. The force acting on the rudder is then used for positioning or course control and in particular for controlling the manoeuvring system of the watercraft.
According to one of the previously described embodiments of the arrangement according to the invention, the at least one measuring device of the two systems can be configured to determine a force acting on a rudder. In particular, the entire, aforesaid arrangement according to the invention can be part of the dynamic positioning or autopilot system, wherein the function of the processing unit from the arrangement according to the invention can be taken over by the control device of the respective system. Alternatively, the processing unit can also be provided separately inside one of the two systems.
In a preferred embodiment of the systems, a further measuring device is provided, which is configured to determine watercraft propulsion measurement data in relation to the propulsion force of the watercraft, in particular the thrust. This is preferably provided on the drive shaft of the propulsion propeller of the watercraft. Furthermore, the control device is configured to take into account the watercraft propulsion measurement data in regard to the controlling of the adjusting means and/or the propulsion propeller. Consequently, in this embodiment, in addition to the rudder measurement data, the watercraft propulsion measurement data are used in controlling the manoeuvring system of the watercraft or incorporated in the algorithm forming the basis of the control. This is particularly expedient because the thrust of the watercraft acts precisely against the resistance force of the rudder or is reduced by the resistance force of the rudder. In this respect, with the additional provision of the watercraft propulsion measurement data it is possible to obtain extensive information about the manoeuvring system of the watercraft. In particular, on the basis of these data the control device can determine or calculate the net manoeuvring force and use this for the process of controlling the manoeuvring system. The relationship between these individual forces is illustrated by the diagram in Fig. 6. This diagram is based on the diagram in Fig. 5 wherein the thrust 23 acting against the resistance 21 is additionally indicated as a vector arrow. The net manoeuvring force 24 can be determined from the net thrust 23b (= thrust - resistance) and the buoyancy 20. The relationship shown in Fig. 5 is particularly relevant in dynamic positioning systems since these are frequently configured both for controlling the rudder and also the propulsion unit.
The object forming the basis of the invention is further solved by a method for the dynamic positioning and/or for the automatic course control of a watercraft, in particular a ship, comprising the following steps:
a.)    determining a value of at least one physical quantity of a rudder, in particu      lar a spade rudder, of a watercraft, in particular a torque or a bending stres      s,
b.)    determining a force acting on the rudder, in particular the lift force and/or       the resistance force on the basis of the determined value of the physical qua      ntity of the rudder,
c.)    controlling an adjusting means for adjusting the rudder, in particular a stee      ring engine, and/or a propulsion unit of the watercraft on the basis of the fo      rce determined in step b.) and optionally further watercraft position data and      /or watercraft measurement data, and optionally 
d.)    repeating steps a.) to c.).
The watercraft measurement data in this case are measurement data relating to other physical quantities acting on the watercraft, for example, wind strength, swell, etc. Expediently the individual process steps are continuously repeated during the trip of the watercraft. Consequently, the force acting on the rudder is determined continuously and in a repetitive manner, which leads to high-quality results in relation to an optimal positioning or course alignment of the watercraft. In particular, the method can be carried out with a dynamic positioning or autopilot system described previously according to the invention.
In a preferred embodiment of the method according to the invention, the propulsion force of the watercraft, in particular the thrust can further be determined. In this connection it is then expedient to determine both the lift force and the resistance force and determine a watercraft manoeuvring force or a net manoeuvring force of the watercraft on the basis of the aforesaid three forces, wherein the controlling in step c.) is carried out on the basis of the watercraft manoeuvring force. By this means, the switching synthesis can be further reduced.
The object forming the basis of the invention is further solved by a rudder, in particular a spade rudder, for watercraft, in particular ships, comprising a rudder trunk and a rudder stock, wherein at least one measuring device is provided on the rudder trunk and/or on the rudder stock, which is configured to determine a physical quantity of the rudder, in particular a bending stress in the rudder trunk and/or in the rudder stock and/or a torque in the rudder stock. The rudder further comprises means for transmitting the determined values of the at least one measuring device to a data processing unit. The data processing unit can in particular be a computer and it can pertain to a dynamic positioning or autopilot system so that the measuring device of the rudder can be coupled to such a system. The values of the physical quantity can either be measured directly or they can be determined on the basis of the measured data by means of the measuring device or optionally a further processing or data processing unit. With such a rudder, additional information about the rudder forces or the rudder action can be transmitted to the aforesaid systems so that the control of the manoeuvring system of the watercraft can take place more accurately and the switching synthesis can be reduced.
Finally, the object forming the basis of the invention can be solved by a computer program product, comprising a computer-readable storage medium or such a computer-readable storage medium itself, wherein a program is stored on the storage medium, which, after being loaded into the memory of the computer, enables a computer to carry out one of the previously described methods according to the invention, possibly in cooperation with an arrangement according to the invention, a dynamic positioning system according to the invention or an autopilot system according to the invention. 
The invention is explained in detail hereinafter with reference to various exemplary embodiments shown in the drawings. In the figures, schematically:
Fig. 1 shows a partially cutaway side view of a rudder with measuring devices for de              termining a torque and a bending stress,
Fig. 2 shows a sectional view of a partial region of a rudder trunk and a rudder sto              ck of a rudder with measuring devices for torque and bending stress,
Fig. 3 shows a schematic view of a dynamic positioning system,
Fig. 4 shows a schematic view of an autopilot system,
Fig. 5 shows a force vector diagram to illustrate the relationship between buoyancy               and resistance and
Fig. 6 shows the force vector diagram from Fig. 5 with thrust and net manoeuvring fo              rce additionally indicated.
Figure 1 shows a side view of a rudder 10 comprising a rudder trunk 30, a rudder stock 40 and a rudder blade 50 with articulated fin 51. The trunk 30, the stock 40 and some partial regions of the rudder blade 50 are shown in a sectional view. In its upper region the rudder trunk 30 is firmly connected to the hull 26. The rudder trunk 30 further has an inner hole 25 which receives the rudder stock 40. The rudder trunk 30 is preferably inserted into a cylindrical cut-out 35 in the rudder blade 50 which receives the free end 30a of the rudder trunk 30. The cut-out 35 is delimited by a lateral planking 36, 37 of the rudder blade 50. The rudder stock 40 is connected to the rudder blade 50 with its end region 40a projecting from the rudder stock 30 and protruding into the rudder blade 50. Furthermore bearings 70, 71 are provided for mounting the stock 40 in the rudder trunk 30 or for mounting the rudder trunk 30 in the rudder blade 50. A measuring device 28 is provided on the surface of the rudder stock 40 in an upper region of the rudder stock 40 which is located inside the hull 26 and not yet in the rudder blade 50. The measuring device 28 is firmly mounted on the surface of the stock 40. This measuring device 28 comprises strain gauge strips. Another measuring device 27 is disposed on the inner casing or on the inner side of the rudder trunk 30 in the upper region of the rudder trunk 30 and in the vicinity of the measuring device 28. Such an arrangement of the measuring device 27, 28 has the advantage that this is still disposed inside the hull 26 and thus is relatively readily accessible and accordingly, cables or the like can be guided in a relatively uncomplicated manner to the measuring devices. Furthermore, the measuring devices 27, 28 are disposed in the region of the greatest bending of the rudder stock 40 or the rudder trunk 30 so that optimal measurement results can be achieved here. In principle, the measuring device 27 could also be arranged on the outer casing of the rudder trunk 30. The measuring device 27 also comprises a strain gauge strip. The measuring device 28 is configured to measure or determine the torque in the rudder stock 40 whilst the bending stress prevailing in the rudder trunk 30 can be determined by means of the measuring device 27. The measured or determined values are transmitted from both measuring devices 27, 28 to a processing unit (not shown here). For this purpose, transmitting or sending means (not shown here) suitable for wireless transmission of the data are provided in each measuring device 27, 28.
Figure 2 shows a partial region of a trunk 30 of a rudder stock 40 of a rudder mounted therein. In this diagram a measuring device 28 for determining the torque and/or the bending stress of the rudder stock 40 is also provided on the surface of the rudder stock. Another measuring device is not provided. Consequently, in the embodiment according to Fig. 2, the determination of the forces acting on the rudder is made only by a measuring device provided on the rudder stock 40 which is normally configured either to determine the torque or the bending stress. The measuring device 28 also has sending or transmitting means for transmitting data to a processing unit (not shown here).
Figure 3 shows a schematic diagram of a dynamic positioning system 11. This system 11 comprises an arrangement 12 for determining a force acting on a rudder. The measuring devices 27, 28 determine a bending stress or a torque on the rudder. The measured or determined data are transmitted from the measuring devices 27, 28 to a processing unit 29 which is located on board a ship (not shown here). On the basis of the determined values for the bending stress and the torque, the processing unit 29 calculates a lift force 20 and/or a resistance force 21 of the rudder 10 and transmits the values for this force to a control device 13 of the dynamic positioning system 11. In principle, the processing unit 29 can also initially determine the torque or the bending stress in a previous step on the basis of the measured values. The control device 13 then receives watercraft position data from a means configured as a GPS receiver to determine watercraft position data 14 and data from a wind measuring device 15 relating to the wind strength in the environs of the watercraft. Optionally, further measuring devices or means for determining watercraft position data can be connected to the control device 13 here. On the basis of the values or parameters transmitted to the control device 13, the control device 13 calculates on the basis of algorithms stored or predefined in the control device 13, which rudder angles or which propulsion force is optimal to achieve or maintain the desired positions which are also stored in the control device 13. In this calculation step, the lift force 20 and/or the resistance force 21 are also taken into account according to the invention. Based on the determined rudder angles or the determined power level, the control device 13 controls an adjusting device 16 for adjusting the rudder angle and/or a watercraft propulsion unit 17 for increasing or reducing the thrust of the watercraft. The previously described process is repeated continuously during operation of the watercraft in order to ensure that the watercraft remains continuously at the desired position.
Figure 4 shows a schematic diagram of an autopilot system 11a. This diagram or the autopilot system 11a substantially corresponds to the dynamic positioning system 11 shown in Fig. 3. Unlike the dynamic positioning system 11, the control device 13 of the autopilot system 11a only controls the adjusting means 16 for adjusting the rudder angle and not a water propulsion unit. In addition, no wind measuring device or the like is provided since such parameters only play a subordinate role for course control during travel of the watercraft.
REFERENCE LIST
10     Rudder
11     Dynamic positioning system
11a    Autopilot system
12     Arrangement
13     Control device
14     Means for determining watercraft position data
15     Wind measuring device
16     Rudder adjusting device
17     Watercraft propulsion unit
18     Watercraft longitudinal direction
20     Lift force
21     Resistance force
22     Resultant force
23     Thrust
23b    Net thrust
24     Net manoeuvring force
25     Inner hole
26     Hull
27     Measuring device/trunk
28     Measuring device/stock
29     Processing unit
30     Rudder trunk
30a    Lower rudder trunk end
35     Cut-out
36     Planking
37     Planking 
40     Rudder stock
50     Rudder blade
51     Fin
70     Bearing
71     Bearing
U0     Propeller flow
α     Rudder angle
CLAIMS
1.    An arrangement (12) for determining a force, in particular a lift force (20) and/or resistance force (21), acting on a rudder (10), in particular spade rudders, for watercraft, in particular ships, comprising a processing unit (29), at least one measuring device (27, 28) for determining values of a physical quantity of a rudder, and means for transmitting the determined values of the physical quantity to the processing unit (29), wherein the processing unit (29) is configured to determine the force acting on the rudder (10) on the basis of the determined values of the physical quantity.
2.    The arrangement according to claim 1, characterised in that the physical quantity is a bending stress and/or a torque.
3.    The arrangement according to claim 2, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) is configured to determine the bending stress acting on a rudder trunk (30) and/or a rudder stock (40) of a rudder (10) and/or that the at least one measuring device (27, 28) is configured to determine the torque acting on a rudder stock (40) of a rudder (10).
4.    The arrangement according to claim 3, characterised in that the at least one measuring device (27; 28) is disposed on the rudder trunk (30), in particular on the inner casing of the rudder trunk (30), and/or on the rudder stock (40), in particular on the outer casing of the rudder stock (40).
5.    The arrangement according to claim 4, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) is disposed in an upper region of the rudder trunk (30) and/or the rudder stock (40), preferably in the upper half, particularly preferably in the upper third.
6.    The arrangement according to claim 4 or 5, characterised in that two measuring devices (27, 28) are provided on the rudder trunk (30) and/or on the rudder stock (40), wherein the measuring devices (27, 28) are arranged offset with respect to one another by 80o to 100o, in particular substantially by 90o, in relation to the circumference of the rudder trunk (30) or the rudder stock (40).
7.    The arrangement according to any one of the preceding claims, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) comprises a strain gauge strip, optical measuring means, and/or means for measuring vibration frequencies.      
8.    A method for determining a force acting on a rudder (10), in particular a spade rudder, for watercraft, in particular ships, wherein a value of a physical quantity of a rudder (10), in particular a torque and/or a bending stress, is determined by means of at least one measuring device (27, 28), wherein the at least one determined value is transmitted to a processing unit (29), and wherein a force acting on the rudder (10), in particular a lift force (20) and/or a resistance force (21), is determined by means of the processing unit (29) on the basis of the determined at least one value, wherein the measurement is preferably carried out by means of the at least one measuring device (27, 28) on the rudder trunk (30) and/or on the rudder stock (40) of the rudder (10). 
9.    The method according to claim 8, characterised in that two measuring devices(27, 28) are provided on the rudder trunk (30) and/or on the rudder stock (40), and that the lift force (20) of the rudder (10) is determined on the basis of the measured values of the one measuring device (27) and the resistance force (21) of the rudder (10) is determined on the basis of the measured values of the other measuring device (28).
10.   A dynamic positioning system (11) for the automatic positioning of a watercraft, in particular a ship, comprising a rudder (10), in particular a spade rudder, an adjusting means (16), in particular a steering engine, for adjusting the rudder (10), a propulsion unit (17), in particular a propulsion propeller, a control device (13) for controlling the adjusting means (16) and/or the propulsion unit (17), means (14) for determining watercraft position data which are configured to transmit the watercraft position data to the control device (13), and at least one measuring device to determine measurement data of physical quantities acting on the watercraft, wherein the at least one measuring device is configured to transmit the determined measurement data to the control device (13), wherein the control device (13) is configured for controlling the adjusting means (16) and/or the propulsion unit (17) on the basis of the watercraft position data and the measurement data, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) is configured to determine rudder measurement data of a physical quantity of the rudder (10) and that the control device (13) is configured to take into account the rudder measurement data in regard to the controlling of the adjusting means (16) and/or the propulsion unit (17). 
11.   An autopilot system (11a) for the automatic course control of a watercraft, in particular a ship, comprising a rudder (10), in particular a spade rudder, an adjusting means (16), in particular a steering engine, for adjusting the rudder, a control device (13) for controlling the adjusting means (16), means (14) for determining watercraft position data which are configured to transmit the watercraft position data to the control device (13), and at least one measuring device to determine measurement data of physical quantities acting on the watercraft, wherein the at least one measuring device is configured to transmit the determined measurement data to the control device (13), wherein the control device (13) is configured for controlling the adjusting means (16) on the basis of the watercraft position data and the measurement data, wherein the at least one measuring device (27, 28) is configured to determine rudder measurement data of a physical quantity of the rudder (10), and wherein the control device (13) is configured to take into account the rudder measurement data in regard to the controlling of the adjusting means (16). 
12.   The system according to claim 10 or 11, characterised in that the physical quantity of the rudder (10) is a bending stress and/or a torque.
13.   The system according to any one of claims 10 to 12, characterised in that the control device (13) is configured to determine a force acting on the rudder (10), in particular the lift force (20) and/or the resistance force (21), on the basis of the rudder measurement data of the physical quantity of the rudder 10).
14.   The system according to any one of claims 10 to 13, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) is configured according to any one of claims 3 to 7.
15.   The system according to any one of claims 10 to 14, characterised in that a further measuring device is provided, which is configured to determine watercraft propulsion measurement data in relation to the propulsion force of the watercraft, in particular the thrust (23), and which is preferably provided on the propulsion unit (17), in particular on the drive shaft of the propulsion propeller, wherein the control device (13) is configured to take into account the watercraft propulsion measurement data in regard to the controlling of the adjusting means (16) and/or the propulsion unit (17).
16.   A method for the dynamic positioning and/or for the automatic course control of a watercraft, in particular a ship, comprising the following steps:
a.)     determining a value of at least one physical quantity, in particular a torque or a bending stress, of a rudder, in particular a spade rudder, of a watercraft,
b.)     determining a force acting on the rudder, in particular the lift force (20) and/or the resistance force (21), on the basis of the determined value of the physical quantity of the rudder (10), 
c.)     controlling an adjusting means (16) for adjusting the rudder (10), in particular a steering engine, and/or a propulsion unit (17) of the watercraft on the basis of the force determined in step b.) and optionally further watercraft position data and/or watercraft measurement data, and optionally 
d.)     repeating steps a.) to c.).
17.   The method according to claim 16, characterised in that the propulsion force of the watercraft, in particular the thrust (23), is determined, that the lift force (20) and the resistance force (21) are determined in step b.), and that a watercraft manoeuvring force (24) is determined on the basis of the aforesaid forces, wherein the controlling in step c.) is carried out on the basis of the determined watercraft manoeuvring force (24).
18.   The method according to claim 8, 9, 16 or 17, characterised in that the force acting on the rudder (10) is determined continuously during operation of the watercraft.
19.   A rudder (10), in particular a spade rudder, for watercraft, in particular ships, comprising a rudder trunk (30) and a rudder stock (40), wherein at least one measuring device (27, 28) is provided on the rudder trunk (30) and/or on the rudder stock (40), which is configured to determine the value of a physical quantity of the rudder (10), in particular a bending stress in the rudder trunk (30) and/or in the rudder stock (40) and/or a torque in the rudder stock (40), and wherein means for transmitting the determined value of the at least one measuring device (27, 28) to a data processing unit (29) are provided.
20.   The rudder according to claim 19, characterised in that the at least one measuring device (27, 28) is configured according to any one of claims 3 to 7.
21.   A computer program product, comprising a computer-readable storage medium on which a program is stored, which, after being loaded into the memory of a computer, enables the computer to carry out a method according to any one of claims 8, 9, 16, 17 or 18, possibly in cooperation with an arrangement (12) according to any one of claims 1 to 7 or a system (11, 11a) according to any one of claims 10 to 15. 
22.   A computer-readable storage medium on which a program is stored, which, after being loaded into the memory of a computer, enables the computer to carry out a method according to any one of claims 8, 9, 16, 17 or 18, possibly in cooperation with an arrangement (12) according to any one of claims 1 to 7 or a system (11, 11a) according to any one of claims 10 to 15.
ABSTRACT
In order to reduce the switching hysteresis in a dynamic positioning system (11) and/or an autopilot system (11a) for watercraft, an arrangement (12) is provided for determining a force acting on a rudder (10) for watercraft, comprising a processing unit (29), at least one measuring device (27, 28) for determining values of a physical quantity of a rudder (10), and means for transmitting the determined values of the physical quantity to the processing unit (29), wherein the processing unit (29) is configured to determine the force acting on the rudder (10) on the basis of the determined values of the physical quantity.
(Fig. 3)
【図１】
2011098723.tif 000009
【図２】
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【図３】
2011098723.tif 000011
【図４】
2011098723.tif 000012
【図５】
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【図６】
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