(57)【要約】  本発明は、帆船の自動操縦システム用の操縦修正信号（ＳＣ）を生成するためのモジュール（ＭＣ）に関し、  波によって生じる帆船の動きを表す信号（ＳＭ）用の入力部（ＥＭ）と、操縦修正信号（ＳＣ）を生成する処理ユニット（ＵＥ）とを備え、前記操縦修正信号（ＳＣ）は、波頭（ＣＩ、ＣＩＩ）を横切るときには波が来る方向に、凹部（ＣＲ）を横切るときには波が来る方向と反対方向に、船のコースを修正するように決定される。また、本発明は、そのモジュール（ＭＣ）を備えた帆船自動操縦システムに関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帆船を自動的に操舵するための自動操縦システムであって、
前記帆船の所定方向への進行を維持するために、主操舵信号（ＳＰＰ）を生成する主操縦モジュール（ＭＰＰ）と、
波によって生じる前記帆船の動きを検出し、該動きを表す信号（ＳＭ）を生成する動き検出装置（ＤＭ）と、
操舵信号を生成し、波によって生じる前記帆船の動きを表す前記信号（ＳＭ）用の入力部（ＥＭ）、波によって生じる前記帆船の動きを表す前記信号（ＳＭ）に基づいて操舵修正信号ＳＣを生成する処理ユニット（ＵＥ）、及び、前記操舵修正信号（ＳＣ）用の出力部（ＳＳＣ）を有する操舵修正信号生成モジュール（ＭＣ）と、
少なくとも前記主操舵信号（ＳＰＰ）及び操舵修正信号（ＳＣＰ）に基づいて、前記帆船の舵（Ｇ）を動かすアクチュエータモジュール（ＭＡ）とを備え、
前記操舵修正信号（ＳＣ）は、前記帆船のコースが、波頭（ＣＩ、ＣＩＩ）に対しては波が来る方向に向き、且つ、凹部（ＣＲ）に対しては波が来る方向を向かないように修正されるように、決定されることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記帆船が波（Ｗ）の上を通過するのに応じて、同じ前記波（Ｗ）によって生じる前記帆船の動きを表す前記信号（ＳＭ）の一部に基づいて、操舵修正信号（ＳＣ）を生成するように、前記操舵修正信号生成モジュール（ＭＣ）の処理ユニット（ＵＥ）が設計されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
操舵修正信号生成部（ＭＣ）が、手動で人間の操作者によって成された操舵修正を表すトレーニング信号（ＳＡ）用の入力部（ＥＡ）をさらに備え、
前記操舵信号モジュール（ＭＣ）の前記処理ユニット（ＵＥ）が、前記トレーニング信号（ＳＡ）に基づき、前記帆船の動きを表す前記信号（ＳＭ）と、対応する操舵修正信号（ＳＣ）との間の関係を決定するためのトレーニング手段を含む請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記操舵修正信号（ＳＣ）の大きさ、時間長、及びタイミングの少なくとも１つのパラメータが、前記トレーニング信号（ＳＡ）の平均値に基づいて決定される請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記帆船の動きを表す前記信号（ＳＭ）と、対応する操舵修正信号（ＳＣ）との間の前記関係が、少なくとも部分的に、システム同定アルゴリズムによって決定される請求項３又は４に記載のシステム。
【請求項６】
前記操舵修正信号生成モジュール（ＭＣ）が、前記操舵修正信号（ＳＣ）を手動で調節するための手動調節信号（ＳＡＭ）用の入力部（ＥＡＭ）をさらに備えている請求項１〜５の何れかに記載のシステム。
【請求項７】
前記帆船の動きを検出するための前記動き検出装置（ＤＭ）が、前記帆船の一部の加速度を決定するための少なくとも１つの加速度計を含む請求項１〜６の何れかに記載のシステム。
【請求項８】
前記帆船の動きを検出するための前記動き検出装置（ＤＭ）が、前記帆船の一部の瞬間的な位置を決定するための少なくとも１つの衛星測位装置を含む請求項１〜７の何れかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帆船を自動的に操舵するための自動操縦システム用の修正信号生成モジュールに関し、そのモジュールは、自動操縦システムが、特に、帆船のスピードを増加させ、ドリフトを低減させ、且つ、船上での快適性を向上させるために、帆走中の波の影響を考慮してコースを修正することを可能にする。
【０００２】
また、本発明は、そのようなモジュールを備えた自動操縦システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
波の存在下で帆走するときには、ドリフトを最小にし、ボートスピードを最大にし、船上の快適性を向上する観点からは、舵を固定せずに、むしろ各波に応じて素早くコースを修正することが望ましいことが知られている。このことは、波の方向が風の方向と一致しており、且つ、ボートが詰め開き（close-hauled）で帆走している、又は、これとは正反対に、ボートが長い間切り（reach）で帆走しているときには、特に重要である。
【０００４】
前者の場合（詰め開きであり、波が風と同じ方向から来ている場合）において、帆船を帆走中の波の影響は、フランク ベスウェイトによる「高いパフォーマンスセーリング」（International Marine/Ragged Mountain出版、第１版（１９９６）、ISBN 0-7136-6704-4, 305-319ページ）というタイトルの著作物に詳細に説明されている。
【０００５】
ボートが長い間切りで、成されるべき修正のタイプは、ジム ソルトンストールによる「これがセーリングだ」（ISBN-0713663596, 96 及び 97ページ）というタイトルの著作物に説明されている。
【０００６】
そのタイプのセーリングは、とても経験豊かな操舵手によるそうとうの注意が必要であり、そのことが、その適用分野を競争的な帆走に制限している。娯楽的な帆走において、主に船上での快適さを改善するために、そのタイプの修正を行うことも、有利である。残念なことに、それは一般的に可能ではない。というのも、操舵手が必要な経験を有していない、または、操舵手に要求される努力が、課されているものと比較して過度であるからである。
【０００７】
競争的な帆走においても、操舵手を疲れさせないように、且つ、彼又は彼女が、帆走の質を低下させることなく、舵から少しの間離れることを可能にするために、操舵手の任務を軽くすることが有利であろう。
【０００８】
帆船を自動的に操舵するための従来の自動操縦システムは、その問題に対して何ら解法を提供していない。そのようなシステムは、一般的に、風センサ、操舵コンパス、操縦モジュール、および、船の舵を作動させる舵アクチュエータモジュールを備えている。操縦モジュールは、入力として、コンパスから来る信号および風センサから来る信号を受信し、出力として、北または風の方向に対する決定された帆走方向を保持するように、舵アクチュエータモジュールを制御するための制御信号を生成する。そのような既知の自動操縦システムは、従って、船首を固定された方向に保ち、上記した波に応じたコースの修正をしない。その結果、波があるときの自動操縦での帆走、特に詰め開き及び長い間切りにおける帆走は、快適性の意味で、または、パフォーマンスの意味で、良くない。
【０００９】
文書US 5,632,217は、そのような従来の自動操縦システムを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上記した欠点の少なくとも１つを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明は、操舵修正信号を生成する操舵修正信号生成モジュールを提供し、且つ、
・波による帆船の動きを示す信号のための入力部と、
・前記帆船の動きを示す前記信号に基づいて、操舵修正信号を生成するための処理ユニットと、
・前記操舵修正信号のための出力部とを備えている。
【００１２】
有利なことに、処理ユニットは、波毎に修正するように、帆船が１つの波の上を進むのに対して、その同じ波によって生じる帆船の動きを表す信号の一部に基づいて決定される操舵修正信号を生成するように設計されている。
【００１３】
本発明の実施形態において、そのモジュールはさらに、校正段階において人間の操作者によって手動で成された操舵修正を表すトレーニング信号用の入力部を備え、前記処理ユニットは、帆船の動きを表す前記信号と、対応する操舵修正信号との間の関係を、前記トレーニング信号に基づいて決定するためのトレーニング手段を含んでいる。
【００１４】
より具体的には、前記操舵修正信号の大きさ、時間長、及びタイミングのうちの少なくとも１つのパラメータは、前記トレーニング信号のパラメータの平均値に基づいて、決定される。
【００１５】
より良いパフォーマンスを得るために、帆船の動きを表す信号と、対応する操舵修正信号との間の前記関係は、少なくとも部分的に、システム同定アルゴリズムによって決定されてもよい。
【００１６】
有利なことに、そのモジュールはさらに、手動で前記操舵修正信号を調節するための手動調節信号用の入力部を備えている。
【００１７】
また、本発明は、帆船を自動的に操舵するための自動操縦システムを提供し、
帆船を所定の進行方向に維持するために、主操舵信号を生成するための主操縦モジュールと、
波によって生じる帆船の動きを検出し、該動きを表す信号を生成するための動き検出装置と、
上記したように、帆船の動きを表す前記信号を入力として受信し、操舵修正信号を生成する操舵修正信号生成ユニットと、
少なくとも前記主操舵信号及び前記操舵修正信号に基づいて、前記帆船の舵を動かすアクチュエータモジュールとを備えている。
【００１８】
特に、前記操舵修正信号は、帆船のコースが、波頭に対しては波が来る方向に向き、波の凹部に対しては波が来る方向を向かないように修正されるように、決定される。
【００１９】
帆船の動きを検出する前記動き検出装置は、帆船の一部の加速度を決定する少なくとも１つの加速時計、及び／又は、帆船の瞬間的な位置を決定するための少なくとも１つの衛星測位装置を含んでいてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明のその他の特徴、詳細および利点は、例示のために添付する図面を参照して記載された以下の説明を読めば明らかである。
【００２１】
図１は、水の範囲の一部ｘ−ｙを図示しており、ここで、波は、真の風の方向と同じである方向Ｖ（−ｘ方向に対応）に、当然、実際には正確な一致は要求されないが、伝播している。帆船Ｂは、風及び波に「向かって」、方向Ｖと４５度の角度を成すコースＲ１に沿って、帆走することを望んでいる（帆走の詰め開きの点）。図の上部に、波Ｍが断面ｘ−ｚで示されており、この波は、対象の水の範囲の一部を、５つのゾーンに、即ちｙ軸方向に伸びる細長い領域である、第１の波頭ＣＩ、前方低下ＦＤ、凹部ＣＲ、前方上昇ＦＭ、及び第２の波頭ＣＩＩに、分割している。
【００２２】
波中の水分子は、略円の経路に沿って移動することが知られている。水は、従って、波頭（ＣＩ、ＣＩＩ）において伝播方向（図の一番上にある矢印VOCT）を向き、且つ、凹部（ＣＲ）において逆方向（矢印VOCR）を向いた水平の速度成分を持っている。
【００２３】
上記したFrank Bethwaiteによる著作物において説明されているように、帆船Ｂが波頭ＣＩ及びＣＩＩを通り過ぎるとき、それ自体の移動速度は水の速度VOCTと合成され、従って、帆船は減速され、流されて「理想の」コースＲＩから大きく外れる。反対に、凹部ＣＲを通り過ぎるとき、帆船は加速され、前記コースＲＩに向かって戻る。しかし、これら２つの影響は正確には相殺しない。というもの、帆船Ｂが減速するので、波頭領域ＣＩ、ＣＩＩにおける方が、凹部ゾーンＣＲにおけるよりも長い時間がかかるからであり、よって、全体として、Ｂは減速し、大きく外れる。ラインＲＲは、実際に、直線ＲＩによって示された方向に舵を固定した帆船が走るコースを表す。この場合、帆船の向きは常にＲＩに平行であるが、その動きはそうでは無いことに注意されたい。
【００２４】
波頭に対応させて船首を風上に向けること（即ち、風が来る方向に船首を向けること）、及び、凹部に対応させて進路をそらすこと（即ち、船首を風向きからそらす）によって、適切な修正が得られる。その修正は、１秒以下の時間であり且つ約１５°の大きさである「パルス」の形式で行われ、修正の大きさ及び時間長、並びに、適用されるべき正確な瞬間（タイミング）は、帆船のスピード、波に切り込むそのアタック角度、及びその流体力学特性など、多くのパラメータに複雑に依存する。
【００２５】
これらのコースの修正によって得られるパフォーマンスの観点からの利点は、とても注目に値し得る。Bethwaiteによると、１００フィート（３０．４８メートル）の長さ及び６フィート（１．８３メートル）の高さの波で、平均速度５ノット（１ノット＝１．８５２キロメートル／時間）での、修正無しの帆船の帆走は、目標速度の３０％の損失を生じる。ここで、目標速度は、単位時間当たりに、「理想的な」コースＲＩの方向に走った距離で定義される。この目標速度の損失は、適切な修正を行うことによって、５％に低減され得る。さらに、帆船は、固定された向きで帆走する場合よりも、波の伝播方向に対する大きい角度を成すが、波の凹部ＣＲを通って進むので、帆走が快適になる。従って、帆船の船首が、次の前方上昇ＦＭと激しく衝突するのを防止することが可能になる。ラインＥＣは、そのような修正をすることによって得られた実際のコースの一例を示す。
【００２６】
上記した著作物「これが帆走だ」によって説明されているように、波の伝播速度が、帆船の速度よりも大きく、且つ、進行方向に対して９０°よりも大きい角度を成している場合、間切りで帆走しているとき、有利なことに、同じ技術が適用され得る。この場合、波が後ろから来るので、前記波によって生成される推進力の影響の利益を可能な限り得るには、風下に向かうことが有利であり、帆船が波によって追い越されるので、その後の減速の時間の長さを最小にするには、船首を風上に向けることが有利である。
【００２７】
便宜的には、これらの修正は、修正の程度、時間の長さ、及びタイミングを、経験を通して決定する操舵手によって、手動で適用される。
【００２８】
図２は、連続的に人が介入することなく帆船が操舵されているが、前記修正を適用することを可能にする本発明のシステムの原理を示すブロック図である。そのようなシステムは、従来の自動操縦システムの要素、すなわち、操舵コンパスＣＲと、少なくとも風の方向を検出する風センサＣＶと、舵Ｇを動かすためのアクチュエータモジュールＭＡと、主操縦ジュールＭＰＰとを備えている。公知の方法で、主操縦モジュールは、コンパスＣＲによって生成され、北に対する進行方向の角度を表す信号と、風の方向（及び、オプションとして速度）を表す風センサＣＶからの信号と、舵Ｇから来る、その角度位置を表す帰還信号ＳＲとを、入力として受信する。これらの入力信号に基づき、主操縦モジュールＭＰＰは、北または風の方向に対して固定された進行方向に帆船を維持するように、アクチュエータモジュールＭＡが舵に作用するように、アクチュエータモジュールＭＡを制御する主操舵信号ＳＰＰを生成する。
【００２９】
従来技術で知られているシステムとは異なり、本発明の自動操縦システムは、波によって生じた帆船の動き（ロール、ピッチ及び進路変更）を示す信号ＳＭを入力ＥＭとして受信する修正モジュールＭＣを、さらに備えている。信号ＳＭは動き検出装置ＤＭによって生成され、動き検出装置は、例えば、３次元的な１組の加速度計によって、そうでなければ、波に応じた帆船の進路変更を検出できる衛星測位システム（ＧＰＳ、ＥＧＮＯＳまたはＧａｌｉｌｅｏ）によって、傾斜計によって、または、実際にはこれらの検出器の組み合わせによって構成され得る。
【００３０】
衛星測位システムに関しては、非連続キャリア位相二重差技術（non-consecutive carrier phase double difference technique）が、船に搭載された単一のＧＰＳ受信機によって、波の周期及びその高さを、約５ｃｍの誤差で測定することを可能にする。その技術は、１９９６年４月５日の「宇宙船着陸、姿勢決定、及び種々の地球観測へのＧＮＳＳシステムの応用」という標題のMartin Neiraの博士論文に記載されたものであるが、２つの異なる瞬間における、即ち初期及び現在における２つの衛星の搬送波の位相差を検出することを含む。
【００３１】
前記信号ＳＭ、および、舵Ｇから来る第２帰還信号ＳＲＣに任意的に基づき、処理ユニットＵＥは、帆船の舳先が、上記したように、波頭に対して波が来る方向を向き、凹部に対して前記方向を向かないように、舵Ｇに進行方向を修正させるように作用する操舵修正信号ＳＣを決定する。
【００３２】
前記修正モジュールＭＣの出力部ＳＳＣから取り出される修正信号ＳＣは、前記修正の元になり、且つアクチュエータモジュールＭＡへの入力として伝達される操舵信号ＳＰＣを生成するように、主操舵信号ＳＰＰと加算器Ｓで結合される。
【００３３】
望ましくは、各波に応じて適用される修正は、その同じ波によって生じる帆船の動きに対応して信号ＳＭの関数として決定される。言い換えれば、修正モジュールは、波を越えるときに波を「感じ」て、その感覚に基づいて修正を決定する人間の操舵手のように働く。代替の実施形態では、各波についての修正は、前の１つの波に対応する信号ＳＭ、または場合によると所定数の先行する波の加重平均に基づく。この実施形態は、動き検出装置ＤＭのスピードおよび処理ユニットＥＭに課されるより厳しくない制限を要求するが、修正の精度を低下させる。波の高さは、一定ではなく、７つの波毎に１つの波が他の波よりも著しく高いことが知られている。これらの実施形態を結合し、現在の波及び先行する波に対応する複数の信号ＳＭの加重平均に基づいて、修正信号ＳＣを決定することも可能である。
【００３４】
修正信号ＳＣは、一度、全ての信号ＳＭに関して決定される関数の形で、常には表すことができない。上で説明したように、修正の大きさ及び時間的長さは、それが行われる正確な瞬間に加えて、複雑に非常に多くのパラメータ、風速、波の高さ及び長さ、船の速度、波のアタック角度、帆船の特徴などに依存しているので、従って校正が必要である。
【００３５】
そのような校正は操舵手によって成され得、最初の時間では、操舵手が、彼自身または彼女自身で、必要な修正をしながら帆船を操舵する。この校正期間の間、修正モジュールＭＣの処理ユニットＵＥは、帆船の動きを表す信号ＳＭを受信し、入力部ＥＡにおいて、マニュアルで成された修正を表すトレーニング信号ＳＡ（トレーニング信号ＳＡは、図では別の信号として示されているが、実際には、舵Ｇからの第２帰還信号ＳＲＣに一致し得る）を受信する。トレーニング手段（一般に、適切なアルゴリズムを実行するソフトウエア手段）を使用して、修正ユニットは、ＳＭおよび適合された修正信号ＳＣの間の経験的な関係を決定し、それに基づいて、少なくとも海の状態または風の状態が人の介入を再び必要とするまで、システムが自動的に動作する。
【００３６】
最も簡単な場合では、処理ユニットＵＥは、場合によっては、手動で適用された修正の加重平均を計算する。言い換えると、それは、操舵手により成された手動の修正によって生じる効果と同じ効果を、舵Ｇに与える修正信号ＳＣ’について、平均の大きさ、平均の時間長さ、平均のタイミング（例えば、波頭の上を進むことから、凹部を進むことから、または波の最大加速の点から計算されたコース修正における遅れとして）を決定する。この平均の修正信号は、連続する各波の上を進むときに適用され、信号ＳＭは、単に、タイミング信号として使用される。
【００３７】
より大きな満足を提供することを条件として、トレーニング期間に帆走される波に応じた信号ＳＭを入力として受信し、操舵手により成された手動の修正によって生じる効果と同じ効果を、舵Ｇに与える修正信号ＳＣ’を、出力として生成する「ブラックボックス」モデルを決定するためのシステム特定方法を使用することによって、より良いパフォーマンスを得ることができる。これは、自動制御においてよく知られている技術である。このように、トレージング段階の後には、システムは、波の周期、高さ及び方向に変化があったとしても、その変化がそれ程大きくなければ、人の介入の必要が無く、正しく動作することができる。
【００３８】
２つのアプローチを結合することも可能である。例えば、平均値は修正のタイミングに使用されるが、特定は修正の大きさ及び時間長にのみ関係し得、またはその逆であり得る。
【００３９】
その代わりに、動き検出装置ＤＭによって連続的に測定される場合、修正のタイミングは波の周期に依存するのだが、固定の大きさ及び固定の時間長の修正を使用することが可能である。この方法は、波の周期及び／又は方向における変化にもかかわらず、その変化がそれ程大きくなければ、システムが人の介入を必要とすること無く正しく動作することを可能にする。
【００４０】
場合によると、修正モジュールＭＣは、校正段階の後においても、前記修正信号ＳＣの大きさ、時間長、及び／又はタイミングを手動で調節するために、人間の操作者が介入できるように、修正信号ＳＣを手動で調節するための手動調節信号ＳＡＭ用の入力部ＥＡＭを有することができる。
【００４１】
図２に示された実施形態は、特に有利である。というのは、それは、本発明の修正モジュールを従来の自動操縦システムに、そのシステムに対して僅かに修正（主操縦モジュールＭＰＰ及びアクチュエータモジュールＭＡの間への加算器Ｓの挿入）するだけで、追加することができるからである。しかし、モジュールＭＰＰ及びＭＣＣの特徴が１つの共通ユニットに統合されている実施形態をも、本発明がカバーすることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、詰め開きで帆走している帆船によって取られるコース上での波の影響、および、適切なコースの修正によって得られる利点を示している。
【図２】図２は、本発明の実施形態の原理を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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