(57)【要約】【課題】簡素な構成によって船体負荷を観測する。【解決手段】船体負荷観測装置１０は、加速度計測部２１、姿勢計測部２２、抽出部３０、および、負荷算出部４０を備える。加速度計測部２１は、船体の加速度を計測する。姿勢計測部２２は、船体の姿勢を計測する。抽出部３０は、負荷観測用加速度を加速度から抽出し、負荷観測用姿勢を姿勢から抽出する。負荷算出部４０は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とを用いて、船体に対する負荷を算出する。【選択図】  図１
2018159440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体の加速度を計測する加速度計測部と、
前記船体の姿勢を計測する姿勢計測部と、
前記船体の負荷の要因となる現象によって生じる負荷観測用加速度を前記加速度から抽出し、前記現象によって生じる負荷観測用姿勢を前記姿勢から抽出する抽出部と、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記負荷を算出する負荷算出部と、
を備える、
船体負荷観測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記船体の特定箇所の負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とから負荷指標値を算出し、該負荷指標値の積算値を用いて前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の船体負荷観測装置であって、
前記抽出部は、
前記現象が生じたタイミング、当該タイミングより前、および、当該タイミングより後、のいずれかを含む２以上のタイミングにおける前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを抽出し、
前記負荷算出部は、前記２以上のタイミングにおける、前記負荷観測用加速度の変化量または変化速度と、前記負荷観測用姿勢の変化量または変化速度と、のうち、少なくとも一方を用いて、前記負荷指標値を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷指標値が閾値を超えた場合、この負荷指標値を前記積算値に加算する、
船体負荷観測装置。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用姿勢と前記負荷観測用加速度とを用いて、前記船体の姿勢と該姿勢の船体に加わる加速度の方向および強度とを算出し、
前記船体の姿勢と該姿勢の船体に加わる加速度の方向および強度とを用いて前記負荷指標値を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記加速度計測部と前記姿勢計測部とは、運動状態計測部によって構成され、
前記運動状態計測部は、
前記船体に設置され、測位信号を受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した前記測位信号の搬送波位相を用いて、少なくとも前記姿勢を算出する姿勢計測部と、
前記船体に設置され、少なくとも前記加速度を計測する慣性センサと、
を備える、
船体負荷観測装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記加速度計測部および前記姿勢計測部は、前記船体の複数箇所に配置されており、
前記負荷算出部は、
前記船体の複数箇所毎に前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項９】
請求項８に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
複数の前記加速度計測部または複数の前記姿勢計測部の計測時刻を同期させ、
前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の船体負荷観測装置であって、
同じ位置に配置された前記加速度計測部と前記姿勢計測部とを、運動状態計測部によって構成することによって、複数の運動状態計測部が前記船体に配置され、
前記複数の運動状態計測部は、
前記船体に設置され、測位信号を受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した前記測位信号の搬送波位相を用いて、少なくとも前記姿勢を算出する姿勢計測部と、
前記船体に設置され、少なくとも前記加速度を計測する慣性センサと、
をそれぞれに備え、
前記複数の運動状態計測部は、
前記測位信号を用いて前記同期を行う、
船体負荷観測装置。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記現象は、前記船体のスラミングまたはホイッピングである、
船体負荷観測装置。
【請求項１２】
船体の加速度を計測する加速度計測部と、
前記船体の姿勢を計測する姿勢計測部と、
前記加速度の変化量または変化速度が加速度用閾値を超えるタイミング、または、前記姿勢の変化量または変化速度が姿勢用閾値を超えるタイミングを、前記船体の負荷の要因となる現象の発生タイミングとして検出する検出部と、
を備える、
船体負荷観測装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の船体負荷観測装置であって、
前記検出部で検出した前記現象によって生じる負荷観測用加速度を前記加速度から抽出し、前記現象によって生じる負荷観測用姿勢を前記姿勢から抽出する抽出部と、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記負荷を算出する負荷算出部と、
を備える、
船体負荷観測装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記船体の特定箇所の負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とから負荷指標値を算出し、該負荷指標値の積算値を用いて前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の船体負荷観測装置であって、
前記抽出部は、
前記発生タイミング、当該発生タイミングより前、および、当該発生タイミングより後、のいずれかを含む２以上のタイミングにおける前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを抽出し、
前記負荷算出部は、前記２以上のタイミングにおける、前記負荷観測用加速度の変化量または変化速度と、前記負荷観測用姿勢の変化量または変化速度と、のうち、少なくとも一方を用いて、前記負荷指標値を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項１７】
請求項１５または請求項１６に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷指標値が閾値を超えた場合、この負荷指標値を前記積算値に加算する、
船体負荷観測装置。
【請求項１８】
請求項１５乃至請求項１７のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
前記負荷観測用姿勢と前記負荷観測用加速度とを用いて、前記船体の姿勢と該姿勢の船体に加わる加速度の方向および強度とを算出し、
前記船体の姿勢と該姿勢の船体に加わる加速度の方向および強度とを用いて前記負荷指標値を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項１９】
請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記加速度計測部と前記姿勢計測部とは、運動状態計測部によって構成され、
前記運動状態計測部は、
前記船体に設置され、測位信号を受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した前記測位信号の搬送波位相を用いて、少なくとも前記姿勢を算出する姿勢計測部と、
前記船体に設置され、少なくとも前記加速度を計測する慣性センサと、
を備える、
船体負荷観測装置。
【請求項２０】
請求項１３乃至請求項１８のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記加速度計測部および前記姿勢計測部は、前記船体の複数箇所に配置されており、
前記負荷算出部は、
前記船体の複数箇所毎に前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の船体負荷観測装置であって、
前記負荷算出部は、
複数の前記加速度計測部または複数の前記姿勢計測部の計測時刻を同期させ、
前記負荷を算出する、
船体負荷観測装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の船体負荷観測装置であって、
同じ位置に配置された前記加速度計測部と前記姿勢計測部とを、運動状態計測部によって構成することによって、複数の運動状態計測部が前記船体に配置され、
前記複数の運動状態計測部は、
前記船体に設置され、測位信号を受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した前記測位信号の搬送波位相を用いて、少なくとも前記姿勢を算出する姿勢計測部と、
前記船体に設置され、少なくとも前記加速度を計測する慣性センサと、
をそれぞれに備え、
前記複数の運動状態計測部は、
前記測位信号を用いて前記同期を行う、
船体負荷観測装置。
【請求項２３】
請求項１２乃至請求項２２のいずれかに記載の船体負荷観測装置であって、
前記現象は、前記船体のスラミングまたはホイッピングである、
船体負荷観測装置。
【請求項２４】
船体の加速度を計測し、
前記船体の姿勢を計測し、
前記船体の負荷の要因となる現象によって生じる負荷観測用加速度を前記加速度から抽出し、
前記現象によって生じる負荷観測用姿勢を前記姿勢から抽出し、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記負荷を算出する、
船体負荷観測方法。
【請求項２５】
船体の加速度を計測し、
前記船体の姿勢を計測し、
前記加速度の変化量または変化速度が加速度用閾値を超えるタイミング、または、前記姿勢の変化量または変化速度が姿勢用閾値を超えるタイミングを、前記船体の負荷の要因となる現象の発生タイミングとして検出する、
船体負荷観測方法。
【請求項２６】
船体の加速度を計測し、
前記船体の姿勢を計測し、
前記船体の負荷の要因となる現象によって生じる負荷観測用加速度を前記加速度から抽出し、
前記現象によって生じる負荷観測用姿勢を前記姿勢から抽出し、
前記負荷観測用加速度と前記負荷観測用姿勢とを用いて、前記負荷を算出する、
処理を演算処理装置に実行させる船体負荷観測プログラム。
【請求項２７】
船体の加速度を計測し、
前記船体の姿勢を計測し、
前記加速度の変化量または変化速度が加速度用閾値を超えるタイミング、または、前記姿勢の変化量または変化速度が姿勢用閾値を超えるタイミングを、前記船体の負荷の要因となる現象の発生タイミングとして検出する、
処理を演算処理装置に実行させる船体負荷観測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波浪等によって船体に係る負荷を観測する船体負荷観測装置、船体負荷観測方法、および、船体負荷観測プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型商船等の船舶においては、航海によって受ける船体負荷が問題となっている。例えば、船体負荷の発生要因としては、スラミングおよびホイッピング等がある。スラミングは、波浪が船体に衝突する時に生じる衝撃であり、ホイッピングは、スラミングに起因する船体の振動である。【０００３】
船体負荷の蓄積は、安全航海および操船等に影響を及ぼす程の船体の特性変化や、船体損傷に繋がる可能性がある。【０００４】
このため、従来、船体負荷を観測するシステムが各種考案されている。例えば、非特許文献１には、光ファイバ等と高精度センサとを用いた船体負荷モニタリングシステムが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】インターネット、http://dspace.dsto.defence.gov.au/dspace/bitstream/desto/10246/1/DSTO-TR-2818%20PR.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載の構成では、大規模な設置工事が必要となり、且つ、簡素な構成によって、船体負荷を観測することができない。【０００７】
したがって、本発明の目的は、簡素な構成によって船体負荷を観測できる船体負荷観測装置、船体負荷観測方法、および、船体負荷観測プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の船体負荷観測装置は、加速度計測部、姿勢計測部、抽出部、および、負荷算出部を備える。加速度計測部は、船体の加速度を計測する。姿勢計測部は、船体の姿勢を計測する。抽出部は、船体の負荷の要因となる現象によって生じる負荷観測用加速度を加速度から抽出し、この現象によって生じる負荷観測用姿勢を姿勢から抽出する。負荷算出部は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とを用いて、負荷を算出する。【０００９】
この構成では、加速度計測部および姿勢計測部が複雑な構造でなく、これらに接続される抽出部、および、負荷算出部が、一般的なＣＰＵ等の演算処理装置によって実現可能である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、簡素な構成によって船体負荷を観測できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る運動状態計測部を実現する１つの構成例を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置で実行されるメインフローのフローチャートである。
【図５】第１の負荷算出処理のフローチャートである。
【図６】第２の負荷算出処理のフローチャートである。
【図７】スラミングを観測するフローのフローチャートである。
【図８】（Ａ）は、ホイッピングの推定の概略フローチャートであり、（Ｂ）は、ホイッピングの推定の詳細フローチャートである。
【図９】スラミングによる船体姿勢変化を、角速度を用いて算出するフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置のブロック図である。
【図１１】（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の平面図であり、（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の側面図である。
【図１２】スラミングの起因となる波の到来方向を推定するフローチャートである。
【図１３】ホイッピング伝搬特性を推定するフローチャートである。
【図１４】本発明の実施形態に係る船体負荷観測装置が適用される航行支援システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置について、図を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置のブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る運動状態計測部を実現する１つの構成例を示すブロック図である。図３（Ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の平面図である。図３（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の側面図である。
【００１３】
図１に示すように、船体負荷観測装置１０は、運動状態計測部２０、抽出部３０、および、負荷算出部４０を備える。抽出部３０と負荷算出部４０とは、データ処理部５０を構成している。データ処理部５０は、ＣＰＵ等の演算処理を実行するハードウエアと、抽出部３０の処理および負荷算出部４０の処理を演算処理のハードウエアに実行させるプログラムとによって実現されている。
【００１４】
運動状態計測部２０は、船体１００における負荷を算出するのに適した位置に配置されており、例えば、図３（Ａ）、図３（Ｂ）の場合であれば、船体１００の船首１０１に配置されている。データ処理部５０は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に図示していないが、船体１００の操舵室１１０に設置されている。運動状態計測部２０とデータ処理部５０とは、通信ケーブル、有線ＬＡＮ、無線ＬＡＮ等の汎用の通信手段によって接続されている。すなわち、運動状態計測部２０とデータ処理部５０とは、汎用で安価な通信手段に接続されている。
【００１５】
運動状態計測部２０は、加速度計測部２１と姿勢計測部２２とを備える。加速度計測部２１は、船体負荷観測装置１０が装備される船体１００の加速度を計測する。姿勢計測部２２は、船体負荷観測装置１０が装着される船体の姿勢を計測する。加速度計測部２１は、加速度を抽出部３０に出力する。姿勢計測部２２は、姿勢を抽出部３０に出力する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）の場合、加速度計測部２１は、船首１０１での船体１００の加速度を計測する。姿勢計測部２２は、船首１０１での船体１００の姿勢を計測する。
【００１６】
抽出部３０は、加速度と姿勢を用いて、スラミング、ホイッピング等の船体負荷（以下、単に「負荷」と称する。）の要因となる現象を観測する。
【００１７】
抽出部３０は、この観測結果を用いて、加速度から負荷観測用加速度を抽出する。負荷観測用加速度とは、上述のスラミングまたはホイッピング等の負荷の要因となる現象によって生じる加速度である。言い換えれば、負荷観測用加速度とは、計測された加速度から、通常の航行時に生じる加速度を除いたものである。
【００１８】
抽出部３０は、この観測結果を用いて、姿勢から負荷観測用姿勢を抽出する。負荷観測用姿勢とは、上述のスラミングまたはホイッピング等の負荷の要因となる現象によって生じる姿勢である。言い換えれば、負荷観測用姿勢とは、計測された姿勢から、通常の航行時に生じる姿勢を除いたものである。
【００１９】
抽出部３０は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とを、負荷算出部４０に出力する。
【００２０】
負荷算出部４０は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とを用いて、船体１００に対する負荷を算出する。具体的には、負荷算出部４０は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とから、負荷指標値を算出する。例えば、負荷指標値は、負荷観測用姿勢が所定の姿勢であり、且つ、所定の負荷観測用加速度であると算出され、これら姿勢と加速度に応じた値に算出される。また、負荷指指標値は、負荷観測用加速度が大きくなるほど値が大きくなるように算出される。
【００２１】
なお、負荷指標値には、負荷観測用加速度の変化量または変化速度を用いてもよく、この場合、負荷指標値は、負荷観測用加速度の変化量または変化速度が大きくなるほど値が大きくなるように算出される。この場合、負荷観測用加速度の変化量または変化速度は、負荷の要因となる現象が生じたタイミングの前後の負荷観測用加速度から算出される。
【００２２】
また、負荷指標値には、負荷観測用姿勢の変化量または変化速度を用いてもよく、この場合、負荷指標値は、負荷観測用姿勢の変化量または変化速度が大きくなるほど値が大きくなるように算出される。この場合、負荷観測用姿勢の変化量または変化速度は、負荷の要因となる現象が生じたタイミングの前後の負荷観測用加速度から算出される。
【００２３】
負荷算出部４０は、順次算出された負荷指標値を積算する。負荷算出部４０はこの積算値を負荷として算出する。この際、負荷算出部４０は、負荷指標値に指標値用の閾値を設けておき、負荷指標値が指標値用の閾値を超えた場合にのみ、積算してもよい。
【００２４】
また、例えば、負荷算出部４０は、負荷指標値の積算値すなわち負荷を所定の通知用閾値と比較する。負荷算出部４０は、負荷が通知用閾値を超えた場合に警告等の通知を行う。
【００２５】
このような構成を用いることによって、スラミングまたはホイッピング等によって船体１００に与えられた負荷を、簡素な構成で算出できる。また、船体１００の負荷が危険なレベルまで達したことを、容易な構成で通知できる。
【００２６】
そして、船体負荷観測装置１０は、加速度から抽出した負荷観測用加速度と、姿勢から抽出した負荷観測用姿勢を用いることによって、負荷の要因となる加速度と姿勢のみから負荷を算出する。したがって、船体負荷観測装置１０は、負荷を高精度に算出できる。
【００２７】
なお、上述の説明では、各処理を機能部毎に実行する態様を示したが、上述の機能部の処理をプログラム化して記憶しておき、ＣＰＵ等の演算処理のハードウエアでこのプログラムを実行してもよい。この場合、次に示すフローに基づいて処理は実行される。図４は、本発明の第１の実施形態に係る負荷観測のメイン処理を示すフローチャートである。
【００２８】
図４に示すように、演算処理のハードウエア（以下、演算処理装置）は、船体の加速度と姿勢を取得する（Ｓ１０１）。演算処理装置は、加速度から負荷観測用加速度を抽出し、姿勢から負荷観測用姿勢を抽出する（Ｓ１０２）。演算処理装置は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とを用いて、負荷を算出する（Ｓ１０３）。
【００２９】
負荷の具体的な算出方法は、例えば図５、図６に示す方法である。図５は、第１の負荷算出処理のフローチャートである。図６は、第２の負荷算出処理のフローチャートである。
【００３０】
図５に示す場合、演算処理装置は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とから、上述のように負荷指標値を算出する（Ｓ１１１）。演算処理装置は、負荷指標値を積算して、負荷を算出する（Ｓ１１２）。
【００３１】
図６に示す場合、演算処理装置は、負荷観測用加速度と負荷観測用姿勢とから、上述のように負荷指標値を算出する（Ｓ１１１）。演算処理装置は、負荷指標値が指標値用の閾値を超えていれば（Ｓ１１３：ＹＥＳ）、当該負荷指標値を積算して、負荷を算出する（Ｓ１１２）。演算処理装置は、負荷指標値が指標値用の閾値を超えていなければ（Ｓ１１３：ＮＯ）、当該負荷指標値を、それまでの積算値に加算せず（Ｓ１１４）、負荷を算出する。図６に示す方法を用いる場合には、負荷指標値が小さく、船体１００に悪影響（疲弊等）を与えない程度であれば、この場合の負荷指標値を積算しない。これにより、負荷をより高精度に算出できる。
【００３２】
次に、運動状態計測部２０の具体的な構成の一例について、図２を用いて説明する。
【００３３】
運動状態計測部２０は、アンテナ２０１、２０２、２０３、受信部２０４、２０５、２０６、慣性センサ２０７、および、演算部２０８を備える。アンテナ２０１は、受信部２０４に接続されており、アンテナ２０２は、受信部２０５に接続されており、アンテナ２０３は、受信部２０６に接続されている。受信部２０４、２０５、２０６と慣性センサ２０７は、演算部２０８に接続されている。
【００３４】
アンテナ２０１、２０２、２０３の配置は、全てが１つの直線上に並ばない配置である。アンテナ２０１は、測位信号を受信して受信部２０４に出力する。アンテナ２０２は、測位信号を受信して受信部２０５に出力する。アンテナ２０３は、測位信号を受信して受信部２０６に出力する。測位信号とは、ＧＮＳＳ衛星等の測位衛星から送信される信号であり、測位衛星毎に固有のコードによって搬送波信号を変調した信号である。搬送波信号には、測位衛星の軌道情報等を含む航法メッセージが重畳されている。アンテナ２０１、２０２、２０３は、これらで共通する少なくとも４個の測位信号を受信していればよい。
【００３５】
受信部２０４は、アンテナ２０１で受信した測位信号を捕捉追尾し、コード位相および搬送波位相を観測する。受信部２０５は、アンテナ２０２で受信した測位信号を捕捉追尾し、コード位相および搬送波位相を観測する。受信部２０６は、アンテナ２０３で受信した測位信号を捕捉追尾し、コード位相および搬送波位相を観測する。
【００３６】
受信部２０４、２０５、２０６は、予め設定した時間間隔でコード位相および搬送波位相を観測する。受信部２０４、２０５、２０６は、観測した搬送波位相を観測時刻とともに、演算部２０８に出力する。なお、受信部２０４、２０５、２０６は、コード位相を演算部２０８に出力してもよく、コード位相から得られたコード擬似距離またはコード擬似距離による測位結果を演算部２０８に出力してもよい。
【００３７】
慣性センサ２０７は、少なくとも加速度センサを備えている。慣性センサ２０７は、設置箇所における船体座標系の直交三軸の加速度を計測し、演算部２０８に出力する。
【００３８】
演算部２０８は、搬送波位相を用いて、船体１００における運動状態計測部２０の設置位置での角速度および姿勢を算出する。より具体的には、演算部２０８は、各受信部２０４、２０５、２０６の搬送波位相の差（搬送波位相差）を用いて、アンテナ２０１、２０２、２０３に対する基線ベクトルを設定する。演算部２０８は、観測時刻毎に得られた基線ベクトルの変化から、絶対座標系の直交三軸周りの角速度を算出する。演算部２０８は、絶対座標系の直交三軸周りの角速度を座標変換して、船体座標系に変換し、船体１００の姿勢を算出する。
【００３９】
演算部２０８は、慣性センサ２０７の出力をそのまま用いて、船体１００の加速度として出力する。なお、演算部２０８は、搬送波位相から算出した加速度を用いて、慣性センサ２０７の出力を補正することで、船体１００の加速度を算出してもよい。これにより、加速度の算出精度が向上する。
【００４０】
このように、図２に示す構成では、慣性センサ２０７と演算部２０８とによって、図１の加速度計測部２１が実現される。また、図２に示す構成では、受信部２０４、２０５、２０６と演算部２０８とによって、図１に示す姿勢計測部２２が実現される。これにより、測位演算機能と慣性センサとを一体化した装置という簡素な構成によって、負荷観測用加速度の抽出元になる加速度、および、負荷観測用姿勢の抽出元になる姿勢を計測できる。
【００４１】
なお、運動状態計測部２０においては、慣性センサ２０７を省略することができ、この場合、搬送波位相を用いて加速度を算出すればよい。一方、運動状態計測部２０において、アンテナ２０１、２０２、２０３、受信部２０４、２０５、２０６を省略し、慣性センサ２０７に加速度センサとともに姿勢センサを備えてもよい。また、慣性センサ２０７に角速度センサを備え、角速度センサの出力と搬送波位相による角速度とを用いて、負荷観測用姿勢の抽出元になる姿勢を算出してもよい。
【００４２】
次に、負荷観測用加速度および負荷観測用姿勢を抽出するためのスラミングおよびホイッピングの観測方法について説明する。図３（Ｂ）に示すように、スラミングは、船体１００に波浪が衝突する際に生じる衝撃である。図３（Ｂ）に示すように、ホイッピングは、スラミングによって船体１００に生じる振動である。
【００４３】
概略的には、抽出部３０は、複数の観測時刻の加速度を用いて、スラミングを観測する。また、抽出部３０は、複数の観測時刻の加速度または姿勢の変化（角速度）を用いて、ホイッピングを観測する。そして、抽出部３０は、これらスラミングやホイッピングの発生タイミングを検出する。すなわち、抽出部３０は、船体の負荷の要因となる現象の発生タイミングを検出する検出部としても機能する。
【００４４】
図７は、スラミングを観測するフローのフローチャートである。
【００４５】
まず、抽出部３０は、複数の観測時刻の加速度をバッファリングする（Ｓ２１１）。なお、この際、抽出部３０は、加速度とともに姿勢もバッファリングする。抽出部３０は、各観測時刻の加速度に含まれるＺ軸加速度ａｚを取得する（Ｓ２１２）。Ｚ軸加速度ａｚとは、船体座標系における鉛直方向の加速度である。
【００４６】
抽出部３０は、Ｚ軸加速度ａｚをハイパスフィルタ（ＨＰＦ）処理する（Ｓ２１３）。スラミングによるＺ軸加速度ａｚは、通常の波浪による定常的なＺ軸加速度よりも高周波数になる。したがって、ハイパスフィルタ処理のスレッショールド周波数は、通常の波浪による定常的なＺ軸加速度と、実験的、経験的、またはシミュレーションによって予め取得したスラミングによるＺ軸加速度ａｚとの間に設定されている。この処理を行うことによって、Ｚ軸加速度に含まれる通常の波浪による定常的な成分は除去される。
【００４７】
抽出部３０は、ＨＰＦ後加速度ａｚｆと閾値Ｔｈとを比較する（Ｓ２１４）。閾値Ｔｈは、船体１００に波浪が衝突してスラミングが発生すると判断できるＺ軸加速度の下限値に設定されている。閾値Ｔｈは、実験的、経験的、または、シミュレーションによって決定した値であり、船体の運動状態に基づいて変化させてもよい。例えば、荒天時に閾値Ｔｈを上げたり、静止時に閾値Ｔｈを下げたりしてもよい。
【００４８】
抽出部３０は、ＨＰＦ後加速度ａｚｆが閾値Ｔｈ以上（ａｚｆ≧Ｔｈ）であれば（Ｓ２１５：ＹＥＳ）、スラミングが発生したことを検出する（Ｓ２１６）。抽出部３０は、スラミングの発生を検出すると、スラミング発生検出前の複数の観測時刻の加速度を保存する（Ｓ２１７）。この際、抽出部３０は、加速度とともに姿勢も保存する。なお、スラミングの検出のみを行う場合には、ステップＳ２１７は省略できる。
【００４９】
抽出部３０は、スラミング発生タイミングでのＨＰＦ後加速度ａｚｆを負荷観測用加速度とする。また、抽出部３０は、このスラミング発生タイミングでの姿勢を負荷観測用姿勢とする。
【００５０】
一方、データ処理部５０は、ＨＰＦ後加速度ａｚｆが閾値Ｔｈ未満（ａｚｆ＜Ｔｈ）であれば（Ｓ２１５：ＮＯ）、スラミングは発生していないと判定する。
【００５１】
このような構成および処理を用いることによって、抽出部３０は、スラミングを観測できる。この際、搬送波位相を用いた加速度を用いれば、抽出部３０は、スラミングを高精度に観測でき、高精度な負荷観測用加速度を抽出できる。
【００５２】
また、抽出部３０は、ＨＰＦ後加速度ａｚｆを用いることによって、通常の船体１００の揺れによる加速度と、スラミングの衝撃による加速度と、を正確に分離できる。これにより、抽出部３０は、スラミングをより高精度に観測できる。
【００５３】
図８（Ａ）は、ホイッピングの推定の概略フローチャートである。図８（Ｂ）は、ホイッピングの推定の詳細フローチャートである。
【００５４】
図８（Ａ）に示すように、抽出部３０は、スラミング発生前後の複数の観測時刻の姿勢を取得する（Ｓ３０１）。抽出部３０は、複数の観測時刻の姿勢から姿勢の変化速度を算出する。抽出部３０は、姿勢の変化速度の周波数解析を行う（Ｓ３０２）。周波数解析とは、姿勢の変化速度の周波数スペクトルを算出する処理（例えば、ＦＦＴ処理）である。抽出部３０は、周波数スペクトルからホイッピングの周波数とホイッピングの強度とを推定する（Ｓ３０３）。
【００５５】
より具体的には、図８（Ｂ）に示すように、抽出部３０は、姿勢の変化速度の周波数スペクトルのピークを検出し、ピーク強度ＰＳを検出する（Ｓ３１１）。抽出部３０は、ピーク強度ＰＳとホイッピング検出閾値Ｔｈｐとを比較する。ホイッピング検出閾値Ｔｈｐは、ホイッピングが発生していると判断できるスペクトル強度の下限値に設定されている。ホイッピング検出閾値Ｔｈｐは、実験的、経験的、または、シミュレーションによって決定した値であり、船体の運動状態に基づいて変化させてもよい。例えば、荒天時にホイッピング検出閾値Ｔｈｐを上げたり、静止時にホイッピング検出閾値Ｔｈｐを下げたりしてもよい。
【００５６】
抽出部３０は、ピーク強度ＰＳがホイッピング検出閾値Ｔｈｐ以上（ＰＳ≧Ｔｈｐ）であれば（Ｓ３１２：ＹＥＳ）、ホイッピングが発生したと判定する（Ｓ３１３）。そして、抽出部３０は、このピーク強度ＰＳを、ホイッピングの強度に設定する。また、抽出部３０は、ピーク強度ＰＳとなる周波数を、ホイッピングの周波数に設定する。一方、抽出部３０は、ピーク強度ＰＳがホイッピング検出閾値Ｔｈｐ未満（ＰＳ＜Ｔｈｐ）であれば（Ｓ３１２：ＮＯ）、ホイッピングは発生していないと判定する。
【００５７】
抽出部３０は、ホイッピング発生タイミングでの姿勢を負荷観測用姿勢とする。また、抽出部３０は、このホイッピング発生タイミングでのＨＰＦ後加速度ａｚｆを負荷観測用加速度とする。
【００５８】
ここで、上述のように、姿勢は、搬送波位相を用いて高精度に算出されている。したがって、このような構成および処理によって、抽出部３０は、簡素な構成で、ホイッピングの発生の判定を確実且つ正確にできる。また、抽出部３０は、簡素な構成で、ホイッピングの強度およびホイッピングの周波数を、確実且つ正確に検出できる。これにより、負荷指標値および負荷を正確に算出できる。
【００５９】
なお、上述の負荷の要因となる現象が生じた際の姿勢、姿勢の変化量、姿勢の変化速度は、角速度センサを用いた角速度から算出することができる。図９は、スラミングによる船体姿勢変化を、角速度を用いて算出するフローチャートである。
【００６０】
抽出部３０は、上述のようにスラミングの発生を検出し、スラミング発生前後の複数の観測時刻の角速度を取得する（Ｓ４０１）。抽出部３０は、角速度をローパスフィルタ処理する（Ｓ４０２）。角速度には、各種のノイズが含まれており、通常、ノイズの周波数は、スラミングに起因する角速度の周波数よりも高い。したがって、角速度をローパスフィルタ処理することによって、ノイズが除去される。
【００６１】
抽出部３０は、この角速度を用いて、スラミング発生前後の所定時間内の姿勢を算出する（Ｓ４０３）。なお、これらの所定時間は、適宜設定すればよく、スラミング発生前の場合とスラミング発生後の場合とで異なっていてもよい。
【００６２】
抽出部３０は、スラミング発生前の姿勢とスラミング発生後の姿勢との差を用いて、姿勢変化量を算出する（Ｓ４０４）。または、抽出部３０は、スラミング発生前の姿勢とスラミング発生後の姿勢との時間変化量を用いて、姿勢変化速度を算出する（Ｓ４０４）。
【００６３】
なお、上述の処理では、加速度または姿勢の変化量を用いている負荷を算出している。しかしながら、加速度の変化方向、姿勢の変化方向を用いることで、負荷の一要素となり得る船体１００の特定箇所の変位の方向を抽出できる。例えば、船首１０１等の船体１００の特定箇所のＺ軸方向の変位の方向を抽出できる。これにより、スラミングによって、船首１０１等の特定箇所が下がったか、船首１０１等の特定箇所が上がったか、すなわち、海水の打ち込み状態を検出できる。
【００６４】
上述の構成では、運動状態計測部２０に、３個のアンテナ２０１、２０２、２０３、受信部２０４、２０５、２０６を備える態様を示した。しかしながら、慣性センサとして加速度センサを備えていることで、運動状態計測部２０は、２個のアンテナと２個の受信部とを少なくとも備えていればよい。
【００６５】
次に、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置について、図を参照して説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置のブロック図である。図１１（Ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の平面図である。図１１（Ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る船体負荷観測装置が装備される船舶の側面図である。
【００６６】
図１０、図１１（Ａ）、図１２（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る船体負荷観測装置１０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを備え、これらがデータ処理部５０Ａに接続する点において、第１の実施形態に係る船体負荷観測装置１０と異なる。
【００６７】
運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、船体１００における異なる位置に配置されている。言い換えれば、加速度計測部２１と姿勢計測部２２との組は複数であり、これら加速度計測部２１と姿勢計測部２２とは、組毎に船体の１００における異なる位置に配置されている。
【００６８】
運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、同じ構成である。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、船体１００に設置されている。運動状態計測部２０Ａは、船体１００の船首１０１に設置されている。運動状態計測部２０Ｂは、船首−船尾方向（船体座標系のＸ軸方向）における船体１００の途中の箇所に設置されている。運動状態計測部２０Ｃ、２０Ｄは、船体１００の船尾１０２付近の操舵室１１０の上に設置されている。運動状態計測部２０Ｃ、２０Ｄは、それぞれ船体１００の右舷付近または左舷付近に設置されている。運動状態計測部２０Ｃ、２０Ｄは、これらの運動状態計測部２０Ｃ、２０Ｄを結ぶ基線が右舷−左舷方向（船体座標系のＹ軸方向）に並行になるように、配置されている。
【００６９】
データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのそれぞれの設置位置に対して、上述の第１の実施形態に示した負荷の観測（スラミングの検出、ホイッピングの発生の検出等）と同様の負荷の観測を行う。これにより、船体負荷観測装置１０は、船体１００の複数位置のそれぞれにおいて個別に負荷を観測できる。そして、これらの複数の位置の負荷は、測位信号から復調できる測位システムの時刻によって高精度に同期できる。これにより、船体１００の複数の位置で同時刻に生じる負荷を観測できる。
【００７０】
運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの配置は、これに限らず、全ての運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄが一直線上に並ぶ配置でないことが好ましい。これにより、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに備えられるアンテナが１個であっても、複数の基線ベクトルを設定でき、負荷の観測に利用できる。言い換えれば、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄに１個のアンテナがあれば、複数の基線ベクトルを設定でき、搬送波位相を用いた負荷の観測に利用できる。
【００７１】
具体的な一例として図１１（Ａ）に示す構成では、運動状態計測部２０Ｂは、運動状態計測部２０Ａと運動状態計測部２０Ｃとを結ぶ基線上、運動状態計測部２０Ａと運動状態計測部２０Ｄとを結ぶ基線上、および、運動状態計測部２０Ｃと運動状態計測部２０Ｄとを結ぶ基線上のいずれにもない位置に配置されている。これにより、互いに平行でない基線ベクトルの個数を、運動状態計測部の個数の制限範囲内において、できる限り多くできる。さらには、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄは、広範囲に亘るように、すなわち、各運動状態計測部を結ぶ基線ベクトルの長さが長くなるように配置することが好ましい。これにより、基線ベクトルの算出精度が向上し、姿勢の算出精度、ひいては負荷の算出精度が向上する。
【００７２】
また、測位システムの時刻を用いた同期が可能であることによって、データ処理部５０Ａは、次に示すような負荷の要因を観測できる。観測される負荷の要因としては、例えば、波の衝突到来方向推定、ホイッピングの伝搬特性の推定等である。
【００７３】
図１２は、スラミングの起因となる波の到来方向を推定するフローチャートである。
【００７４】
データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄから出力されたスラミング発生後の複数の観測時刻の加速度を取得する（Ｓ５０１）。
【００７５】
データ処理部５０Ａは、加速度毎に負荷観測用加速度を抽出する。データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの加速度（負荷観測用加速度）を同期させる。加速度（負荷観測用加速度）の同期は、加速度（負荷観測用加速度）とともに取得する観測時刻によって実行される。観測時刻は、測位システムの時刻を用いているので、観測時刻の同期は高精度に行われる。
【００７６】
データ処理部５０Ａは、同一時刻における運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの加速度（負荷観測用加速度）の最大加速度を検出する（Ｓ５０２）。
【００７７】
データ処理部５０Ａは、最大加速度を観測した運動状態計測部の船体１００に対する位置を、スラミングの起因となる波浪の到来方向として推定する（Ｓ５０３）。
【００７８】
そして、上述のように、各観測時刻の加速度は、高精度に算出されており、各運動状態計測部の加速度は、高精度な観測時刻で同期されているので、各運動状態計測部の加速度から算出される最大加速度も高精度に検出される。したがって、この構成および処理を用いることによって、船体負荷観測装置１０Ａは、簡素な構成で、スラミングの起因となる波浪の到来方向を、確実且つ正確に検出でき、ひいては、負荷を正確に観測できる。
【００７９】
また、高精度な観測時刻に基づいて、加速度を同期できるので、大規模な工事を必要とせず、安価な構成で、スラミングの起因となる波浪の到来方向を検出できる。
【００８０】
図１３は、ホイッピング伝搬特性を推定するフローチャートである。
【００８１】
データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ毎に、上述の方法を用いて、ホイッピングを検出する（Ｓ６０１）。この際、データ処理部５０Ａは、ホイッピングの強度（振幅）、周波数を含むホイッピング検出データも検出する。データ処理部５０Ａは、これらホイッピングの強度（振幅）、周波数の検出時刻を、観測時刻に基づいて設定し、ホイッピング検出データに含ませる。
【００８２】
データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのホイッピング検出データを同期させ、ホイッピング伝搬特性を推定する。すなわち、データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの加速度の振幅特性または周波数特性、もしくは、姿勢の変化量（変化速度）の振幅特性または周波数特性を用いて、ホイッピング伝搬特性を推定する。具体的には、データ処理部５０Ａは、ホイッピングとして検出した周波数成分に対する運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの検出時刻の差、すなわち時系列によって、ホイッピングの伝搬方向を推定する。また、データ処理部５０Ａは、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのそれぞれで検出されたホイッピングの強度から、伝搬によるホイッピングの減衰特性等を推定する。これにより、データ処理部５０Ａは、船体１００の所望位置でのホイッピングの強度を推定できる。したがって、船体負荷観測装置１０Ａは、このホイッピング伝搬特性を用いて、船体１００の任意の位置での負荷を推定して観測できる。
【００８３】
また、高精度な観測時刻に基づいて、加速度を同期できるので、大規模な工事を必要とせず、安価な構成で、ホイッピング伝搬特性を推定できる。
【００８４】
上述の船体負荷観測装置１０、１０Ａは、次に示す航行支援システムに適用することができる。図１４は、本発明の実施形態に係る船体負荷観測装置が適用される航行支援システムのブロック図である。
【００８５】
図１４に示すように、航行支援システム８０は、船体負荷観測装置１０Ａ、支援部７０、船速取得部６１、舵角取得部６２、および、海況取得部６３を備える。船体負荷観測装置１０Ａ、船速取得部６１、舵角取得部６２、および、海況取得部６３は、支援部７０に接続されている。
【００８６】
船速取得部６１は、運動状態計測部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄのいずれかの加速度から速度を算出することで、船速を取得する。または、船速取得部６１には、船体１００に取り付けられたドップラーソナーが接続されており、ドップラーソナーの出力値から既知の方法で船速を取得する。
【００８７】
舵角取得部６２は、船体１００に取り付けられた舵角センサに接続されており、舵角センサの出力値から既知の方法で舵角を取得する。
【００８８】
海況取得部６３は、船体１００に取り付けられた波浪レーダーに接続されており、波浪レーダーの出力値から既知の方法で海況を取得する。また、海況取得部６３は、無線通信機能を有し、外部から海況を取得する。
【００８９】
支援部７０は、船体負荷観測装置１０Ａからの負荷に関する情報、船速取得部６１からの船速、舵角取得部６２からの舵角、海況取得部６３からの海況を用いて、負荷の発生を回避する航行支援情報を生成する。具体的には、航行支援情報は、負荷となり得るスラミングを回避するための船速制御および舵角制御を含む情報である。
【００９０】
このような構成および処理を行うことによって、負荷を軽減させる航行支援を行うことができる。
【００９１】
なお、図１４では、船体負荷観測装置１０Ａを用いる態様を示したが、船体負荷観測装置１０を用いることも可能である。
【００９２】
また、上述の船体負荷観測装置では、負荷の要因となる現象としてスラミングまたはホイッピングを主として検出する場合を示したが、船体負荷観測装置１０Ａの構成を用いることによって、船体のサギング、ホギングを検出することも可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０、１０Ａ：船体負荷観測装置
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ：運動状態計測部
２１：加速度計測部
２２：姿勢計測部
３０：抽出部
４０：負荷算出部
５０、５０Ａ：データ処理部
６１：船速取得部
６２：舵角取得部
６３：海況取得部
７０：支援部
８０：航行支援システム
１００：船体
１０１：船首
１０２：船尾
１１０：操舵室
２０１、２０２、２０３：アンテナ
２０４、２０５、２０６：受信部
２０７：慣性センサ
２０８：演算部
【図１】
2018159440.tif 000003
【図２】
2018159440.tif 000004
【図３】
2018159440.tif 000005
【図４】
2018159440.tif 000006
【図５】
2018159440.tif 000007
【図６】
2018159440.tif 000008
【図７】
2018159440.tif 000009
【図８】
2018159440.tif 000010
【図９】
2018159440.tif 000011
【図１０】
2018159440.tif 000012
【図１１】
2018159440.tif 000013
【図１２】
2018159440.tif 000014
【図１３】
2018159440.tif 000015
【図１４】
2018159440.tif 000016
【国際調査報告】
2018159440.tif 000017
2018159440.tif 000018
2018159440.tif 000019
2018159440.tif 000020