JP3385474B2

JP3385474B2 - 波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システム

Info

Publication number: JP3385474B2
Application number: JP2000389538A
Authority: JP
Inventors: 道雄上野; 正二村
Original assignee: 独立行政法人海上技術安全研究所
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2003-03-10
Anticipated expiration: 2020-11-16
Also published as: JP2002145183A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波浪中の浮体につ
いて、波漂流力および非拘束動揺変位を計測するための
システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】波が浮体に与える力あるいはモーメント
のうち極低周波数の成分は、波漂流力と呼ばれ、難破し
た船の漂流方向を予測する場合などに用いられるが、波
漂流力には前後力と左右力および回頭モーメントの３成
分が存在する。この波漂流力は浮体が波との出会周期の
動揺をしているかどうかによって変化してしまうため、
実際の浮体に働く波漂流力を実験で計測しようとすると
きは波との出会周期の動揺を自由にして計測する必要が
ある。浮体の上下揺れと横揺れ，縦揺れについては復原
力が存在するため浮体の運動を自由にすることが可能で
あるが、波漂流力３成分に対応する前後揺れと左右揺
れ，船首揺れには復原力は存在しないため、これら３成
分については浮体の運動を全く自由にしてしまうことは
できない。これは、浮体が波漂流力によって漂流してし
まうためであり、この場合、力の計測を行うことはでき
ない。

【０００３】したがって、設定した曳航状態または停止
状態において波漂流力３成分を計測するためには、停止
時においては波漂流力と大きさが同じで方向が反対の力
あるいはモーメント（以下、反波漂流力と呼ぶ。）を、
また曳航時おいてはこれに加えて平水中を曳航するのに
必要な力あるいはモーメントを浮体に与えることによっ
て、浮体の装置に対する平均的な位置および姿勢を中立
状態に保持しつつ、且つ、波との出会周期の動揺を自由
にして力あるいはモーメントを計測する必要がある。と
ころが、その与えるべき反波漂流力が、この場合におけ
るまさに計測すべき未知の量であるので、これまで浮体
の動揺を何らかの形で拘束しないで波漂流力３成分を計
測することは不可能とされていた。

【０００４】現在のところ、波との出会周期の動揺を極
力拘束しないようにして波漂流力３成分を計測する手段
としては次のようなものが知られている。（１）前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れのすべてにつ
いて、弱いバネと重りとで平均的位置および姿勢を調整
する。（図１参照）なお、図１において、符号２１はヒービングロッドを示
し、２２はサージング・キャリッジ、２３〜２５はプー
リ、２６，２７はソフトスプリング、２８はウェイト、
２９はスウェイング・キャリッジを示し、３０は波漂流
力検出用ジンバル、３１はロールプローブおよび波漂流
力検出用ジンバルを示す。（２）前後揺れおよび左右揺れは、弱いバネと重りとで
平均的位置を調整し、船首揺れについては強いバネで船
首方向を調整する。（３）前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れのすべてにつ
いて、定トルクモーターにバネと重りの役割を持たせ、
それぞれの平均的位置および姿勢を調整する。（図２参
照）なお、図２において、符号４１はサージ用定トルクモー
ター、４２はスウェイ用定トルクモーター、４３はヨー
用定トルクモーター、４４は３分力計、４５は浮体とし
ての模型船を示す。（４）前後揺れおよび左右揺れは、弱いバネと重りとで
平均的位置を調整し、船首揺れについては舵をとること
によって調整する。

【０００５】上述の全ての手段において、少なくとも前
後揺れと左右揺れについて共通にバネを用いているの
は、未知の波漂流力に対応した反波漂流力の発生を、大
まかな部分は重りで、微調節の部分はバネによる浮体の
変位で実現しようとしたものである。

【０００６】そして、（１）の手段はこの考え方をその
まま実現しようとするものである。しかし、前後揺れと
左右揺れについては波漂流力と反波漂流力の釣り合い位
置が変化しても波と浮体との出会角は変化しないのに対
し、特に船首揺れの平均位置および姿勢の調整を適切に
行わないと波と浮体との出会角が変化してしまうため、
設定した実験状態が実現できないだけでなく、僅かなず
れが前後力や左右力の変化となって現れるため、実験計
測は非常に困難なものとなる。このため、船首揺れにつ
いても弱いバネと重りとで調整しようとする（１）の手
段は、その調整が非常に困難で、特に前進速度のある場
合などはほとんど調整が不可能に近い。このような理由
から、（２）の手段では船首揺れのみについて強いバネ
を使うことが行われている。

【０００７】また、（３）の手段はバネおよび重りの調
整を電気信号によって連続的に容易に行うことを可能と
するものであるが、基本的には（１）または（２）の手
段と同じ考え方に基づいており、人間が直接調整する場
合は、前進速度のある場合などについて船首揺れに関し
てやはり強いバネを使わざるをえない。適当なフィード
バック系を用いて定トルクモーターへの信号を調整する
ことも可能と考えられるが、バネ系を用いている限り、
目標とする位置からのずれが発生しないと釣り合い点を
見いだすことは原理的に不可能である。さらに、この
（３）の手段では定トルクモーターを移動部に載せて浮
体と一体となって波との出会周期の動揺をさせることに
なるため、付加的な質量が浮体の運動に影響を及ぼす度
合いが（１）あるいは（２）の手段よりも大きくなる。
このように、強いバネを使うこと、あるいは定トルクモ
ーターを使うことは、浮体の動揺をある程度拘束してい
ることにほかならない。したがって、このことが直ちに
波漂流力の計測値にも影響を及ぼしていると言わざるを
えない。また、バネ系を用いる限り、設定したとおりの
浮体の曳航状態または停止状態の実現は原理的に不可能
である。

【０００８】ところで、（４）の手段のみは、船首揺れ
の調整を当て舵によって実現しており、船首揺れに関す
る限り強いバネで波との動揺を拘束する度合いが少ない
点で、（１）から（３）までの手段よりも優れていると
考えられる。しかし、舵を取ることが横揺れや左右揺れ
を引き起こし、かつ計測された力のデータには舵が発生
する前後力と左右力，回頭モーメントをも考慮して解析
しなくてはならない点を考えると、（４）の手段が必ず
しも（１）から（３）までの手段よりも優れているとは
いえず、これらの現状の各計測手段はいずれも重大な欠
点を持っていると考えられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の計測
システムにおける定トルクモーターに代えてサーボモー
ターを用いることにより、設定した曳航状態または停止
状態において波浪中浮体の装置に対する平均的な位置お
よび姿勢を中立状態に保持するとともに、波との出会周
期の動揺を自由にして、波漂流力および非拘束動揺変位
を的確に計測できるようにした、波浪中浮体の波漂流力
３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システムを提
供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明の波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束
動揺変位６成分の計測システムは、波浪中の浮体に連結
される機構部と、同機構部の制御を行う制御部とからな
り、上記機構部は、上記浮体の波浪中における６自由度
の動きを拘束しない連結手段により同浮体を連結して、
同浮体の運動変位６成分をそれぞれ計測する６個の変位
計を備えるとともに、上記連結手段による上記浮体への
連結部分に同浮体へ働く前後力，左右力および回頭モー
メントを計測する３分力計を備え、かつ、上記浮体の前
後揺れ，左右揺れおよび船首揺れをそれぞれ制御する３
個のサーボモーターを備えており、上記制御部は、上記
変位計により計測された上記浮体の前後揺れ，左右揺れ
および船首揺れの各変位と上記３分力計により計測され
た前後力，左右力および回頭モーメントの各計測値とを
用いて、上記サーボモーターを介し、設定した曳航状態
または停止状態において装置の付加慣性力の影響を除去
しながら、上記浮体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺
れの装置に対する平均的な位置および姿勢を中立状態に
保持するように制御しうる制御系を備えていることを特
徴としている。

【００１１】また本発明の波浪中浮体の波漂流力３成分
および非拘束動揺変位６成分の計測システムは、上記制
御系が、上記変位をｘ（ｔ），計測される力またはモー
メントをＦ（ｔ）とするとき、目標値としての力または
モーメントＦ＊（ｔ）を、［数１］式，［数２］式，
［数３］式，［数４］式および［数５］式により求め、
上記サーボモーターを［数６］式が成立するように変位
ｘ（ｔ）を変化させる制御を行うことを特徴としてい
る。

【数１】Ｆ^＊（ｔ）＝Ｆ_Ｓ ^＊（ｔ）＋Ｆ_Ｖ ^＊（ｔ）

【数２】

【数３】

【数４】

【数５】

【数６】

【００１２】上述の本発明の波浪中浮体の波漂流力３成
分および非拘束動揺変位６成分の計測システムでは、設
定した曳航状態または停止状態において船首方位を含め
て浮体の平均的な位置および姿勢を設定したとおりに保
持することができる。その際、本システムがバネ系を備
えていないことにより、従来の装置のようにバネに相当
する力あるいはモーメントが付加されることはなく、か
つ、装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対する影
響もサーボ制御によって除去されるため、波との出会周
期の動揺を拘束することなく計測が行われる。そして、
曳航状態においては最終的な力あるいはモーメントの計
測値Ｆ（ｔ）から平水中の曳航に必要な力あるいはモー
メントの値を差し引けば、計測したい波漂流力が得ら
れ、停止状態においては最終的な力あるいはモーメント
の計測値Ｆ（ｔ）が計測したい波漂流力そのものとな
る。また、同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分
も計測されるようになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の一実施
形態としての波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束
動揺変位６成分の計測システムについて説明すると、図
３はその機構部を概略的に示す斜視図、図４はその信号
流れ図である。

【００１４】図３に示すように、曳航台車に設置される
本システムの機構部Ｋにおいて、曳航台車により機構部
Ｋを介して波浪中を曳航されるか、または停止状態とさ
れる浮体としての模型船１は、横揺れＲおよび縦揺れＰ
を自由とする回転機構２に連結されており、同回転機構
２は３分力計３を介して移動部の支柱４に連結されてい
る。この支柱４，４ａは、上下揺れガイド４ｂ内に組み
込まれた車輪により模型船１の上下揺れを拘束しない構
造となっている。

【００１５】支柱４を支える部分には車輪５が設けられ
ており、これにより模型船１の前後揺れが可能となる。
また、前後揺れ移動部の車輪５を支える部分には前後揺
れ用のサーボモーター６が乗っており、前後揺れ移動部
をワイヤー７を介して制御できるようになっている。

【００１６】前後揺れ移動部を支える部分はさらに車輪
８を有しており、これが模型船１の左右揺れを可能とす
る。左右揺れ移動部を支える部分には左右揺れ用のサー
ボモーター９が設置されており、左右揺れ移動部をワイ
ヤー１０を介して制御できるようになっている。

【００１７】模型船１の上下揺れを自由とする船首揺れ
ガイド４ａの内部には模型船１の船首揺れを可能とする
支柱４が通っており、同支柱４は支柱上部の連結機構１
１，１２を介してサーボモーター１３に連結されてい
る。また、模型船１の運動変位６成分（前後揺れ，左右
揺れ，船首揺れ，上下揺れ，横揺れおよび縦揺れ）を計
測する６個の変位計１６（図４参照）が設けられる。

【００１８】３分力計３で計測されるのは前後力と左右
力，回頭モーメントの３成分であり、その計測信号は計
測データとして記録されるとともに、図４に示すように
制御部１４に送られる。また、前後揺れと左右揺れ，船
首揺れに関する各サーボモーター６，９，１３は制御部
１４からの信号を受けてそれぞれの運動変位を制御す
る。このほか、計測の開始までと計測の終了後に模型船
１を拘束するクランプ装置１５を備えている。

【００１９】次に図４により、本システムの制御部１４
における制御の態様について説明する。いま、時間を
ｔ、計測される変位をｘ（ｔ）、計測される力あるいは
モーメントをＦ（ｔ）とすると、目標値としての力ある
いはモーメントＦ＊（ｔ）は［数１］式で計算される。

【数１】Ｆ^＊（ｔ）＝Ｆ_Ｓ ^＊（ｔ）＋Ｆ_Ｖ ^＊（ｔ）ここで、ｔ：時間

【００２０】Ｆ_Ｓ＊（ｔ）は［数２］式で計算される。

【数２】

【数４】ここで、Ｔとしては、規則波中の場合は波との出会周期
をとり、不規則波中の場合は主要波成分の出会周期をと
ることとする。Ｆ_Ｖ＊（ｔ）は［数３］式で計算され
る。

【数３】ここで、Ｋ_２，Ｋ_３：浮体の形状や大きさなどにより変
化する制御係数同様に［数５］式で計算される。

【数５】

【００２１】サーボモーターは、［数６］式が成り立つ
ように、変位ｘ（ｔ）を変化させる制御を行う。

【数６】Ｆ（ｔ）−Ｆ^＊（ｔ）＝０

【００２２】次に、計測データの解析と制御目標値の初
期値について説明すると、最終的な計測データは、運動
変位６成分についてはそのまま変位のデータとなるが、
波漂流力については、得られた計測データは［数７］式
のような成分から成り立っている。

【数７】Ｆ（ｔ）＝Ｆ_ｃａｌｍ＋Ｆ_ｗａｖｅここで、Ｆ_ｃａｌｍは平水中を波浪中と同じ平均位置で
曳航した場合に必要な曳航力を表し、Ｆ_ｗａｖｅは波漂
流力を表す。Ｆ_ｗａｖｅが最終的に計測したいデータで
あるから、計測値からＦ_ｃａｌｍを差し引く必要があ
る。したがって、平水中を曳航してＦ_ｃａｌｍをあらか
じめ計測しておく必要がある。

【００２３】このようにして、波漂流力は［数８］式で
算出される。

【数８】Ｆ_ｗａｖｅ＝Ｆ（ｔ）−Ｆ_ｃａｌｍここで、形式的にＦ_ｗａｖｅは時間の関数となっている
が、本システムで制御を行う場合は、Ｆ（ｔ）≒ｃｏｎ
ｓｔ．となるから、実際上は［数８］式の平均値をとっ
て最終的な波漂流力データとする。

【００２４】特別な場合として、停止時の波漂流力を計
測する場合は、曳航する力あるいはモーメントがゼロ、
すなわちＦ_ｃａｌｍ＝０であるから、計測された力ある
いはモーメントのデータを平均することで直ちに波漂流
力が得られる。サーボモーター制御の初期値であるＦ＊
（０）については、制御の収束を早めるために、波漂流
力データの算出に不可欠であるＦ_ｃａｌｍを用いて、Ｆ
＊（０）＝Ｆ_ｃａｌｍとすればよい。

【００２５】このようにして、本システムによれば、設
定した曳航状態または停止状態において船首方位を含め
て模型船１の装置に対する平均的な位置および姿勢を中
立状態に保持することができる。その際、本システムが
バネ系を備えていないことから従来の装置のようにバネ
に相当する力あるいはモーメントが付加されることはな
く、かつ装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対す
る影響もサーボ制御によって除去されるため、波との出
会周期の動揺を拘束することなく計測が行われる。

【００２６】そして、最終的な力あるいはモーメントの
計測値から平水中の曳航に必要な力あるいはモーメント
の値を差し引けば、計測したい波漂流力データが得られ
る。また、同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分
も計測される。

【００２７】なお、［数１］式による制御によって、設
定した曳航状態または停止状態において模型船１の前後
揺れと左右揺れ、船首揺れの装置に対する平均的な位置
および姿勢を中立状態に保持しながら、また模型船１の
波との出会周期の動揺に対する移動部やサーボモーター
等の付加的な質量の慣性力の影響を除去しながら、模型
船１の波との出会周期の動揺に影響を及ぼすその他の外
力を加えず、曳航状態の場合は設定したとおりの曳航に
必要な力およびモーメントすなわち平水中の曳航に必要
な力およびモーメントと波漂流力との和に相当する力お
よびモーメントを、また停止状態の場合は波漂流力に相
当する力およびモーメントを発生することができ、した
がって、模型船１の波との出会周期の動揺を拘束せずに
６自由度の波周期の動揺を計測しつつ波漂流力の計測が
行えることは、次のように説明できる。

【００２８】［数１］式の収束した状態を考えると［数
９］式，［数１０］式および［数１１］式のような関係
が得られる。

【数９】Ｆ^＊（ｔ）＝Ｆ^＊（ｔ−Δｔ）＝Ｆ^＊ _{ｃｏｎｓｔ}

【数１０】

【数１１】

【００２９】［数９］式は模型船１に与える力が或る一
定値になっていることを示しており、［数１０］式と
［数１１］式はそれぞれ模型船１の平均的な変位および
速度がゼロであることを示している。ここで注意すべき
は、［数９］式の意味するところは、サーボモーターが
一定の力を発生しているのではなく、あくまで模型船１
に与えられた力あるいはモーメントが制御の結果として
一定値になっていることである。

【００３０】模型船１の平均的な変位がゼロになってい
ること、すなわち装置に対する平均的な位置および姿勢
が中立状態にあることは、直ちに模型船１が設定したと
おりに曳航されている、あるいは平均的に停止状態にあ
ることを意味している。また、模型船１が或る一定の力
あるいはモーメントをかけられている、すなわち、かけ
られている力あるいはモーメントに変動成分が無いとい
うことは、模型船１に付加的に連結された移動部やサー
ボモーター６，９，１３の質量に起因する付加的な慣性
力の影響が除去されていることを意味する。なぜなら、
これら付加的な質量の影響は模型船１の波との出会周期
の動揺に伴う加速度によって変動成分としてしか現れな
いからである。

【００３１】さらに、曳航に必要な力およびモーメント
は平水中を曳航するのに必要な力およびモーメントと波
漂流力との和であって、これ以外の力あるいはモーメン
トの成分が仮に存在した場合は明らかに模型船１の平均
的な位置および姿勢を設定通りに保持することはできな
いことから、模型船１にかけられている力およびモーメ
ントは、まさに曳航あるいは停止に必要な力およびモー
メントだけ、すなわち曳航の場合は平水中を曳航するの
に必要な力およびモーメントと波漂流力との和であり、
また停止の場合は波漂流力そのものであることになる。
そして、この曳航のみに必要な力およびモーメントは模
型船１の波との出会周期の動揺に影響を与えない。

【００３２】以上によって、本システムが模型船１の６
自由度の波との出会周期の動揺を拘束せずにその変位を
計測し、同時に波漂流力も計測できるシステムであるこ
とが理解できる。なお、上述の実施形態における各サー
ボモーター６，９，１３は、変位制御を実現するための
位置決め手段であり、本発明におけるサーボモーターの
概念には、ステッピングモーターを用いる位置決め手段
も含むものとする。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の波浪中浮
体の波漂流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計測
システムによれば次のような効果が得られる。（１）設定した曳航状態または停止状態において、船首
方位を含めて浮体の平均的な位置および姿勢を設定した
通りに保持することができる。その際、本システムがバ
ネ系を備えていないことから、従来の装置のようにバネ
に相当する力あるいはモーメントが付加されることは無
く、かつ装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対す
る影響もサーボ制御によって除去されるため、波との出
会周期の動揺を拘束することなく計測が行われる。そし
て、曳航状態においては最終的な力あるいはモーメント
の計測値Ｆ（ｔ）から平水中の曳航に必要な力あるいは
モーメントの値を差し引けば、計測したい波漂流力が得
られ、停止状態においては最終的な力あるいはモーメン
トの計測値Ｆ（ｔ）が計測したい波漂流力そのものとな
る。（２）同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分も計
測される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のバネと重りを用いた波漂流力測定装置を
模式的に示す説明図である。

【図２】従来の定トルクモーターを用いた波漂流力測定
装置を模式的に示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施形態としての波浪中浮体の波漂
流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システム
における機構部を模式的に示す斜視図である。

【図４】図３のシステムにおける制御の態様を示す信号
流れ図である。

【符号の説明】

１模型船（浮体）２回転機構３３分力計４支柱５車輪６サーボモーター７ワイヤー８車輪９サーボモーター１０ワイヤー１１連結機構１２連結機構１３サーボモーター１４制御部１５クランプ装置１６変位計Ｋ機構部Ｐ縦揺れＲ横揺れ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B63B 39/14 G01B 21/00 G01L 5/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】波浪中の浮体に連結される機構部と、同
機構部の制御を行う制御部とからなり、上記機構部は、
上記浮体の波浪中における６自由度の動きを拘束しない
連結手段により同浮体を連結して、同浮体の運動変位６
成分をそれぞれ計測する６個の変位計を備えるととも
に、上記連結手段による上記浮体への連結部分に同浮体
へ働く前後力，左右力および回頭モーメントを計測する
３分力計を備え、かつ、上記浮体の前後揺れ，左右揺れ
および船首揺れをそれぞれ制御する３個のサーボモータ
ーを備えており、上記制御部は、上記変位計により計測
された上記浮体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れの
各変位と上記３分力計により計測された前後力，左右力
および回頭モーメントの各計測値とを用いて、上記サー
ボモーターを介し、設定した曳航状態または停止状態に
おいて装置の付加慣性力の影響を除去しながら、上記浮
体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れの装置に対する
平均的な位置および姿勢を中立状態に保持するように制
御しうる制御系を備えていることを特徴とする、波浪中
浮体の波漂流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計
測システム。
【請求項２】請求項１に記載の波浪中浮体の波漂流力
３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システムにお
いて、上記制御系は、上記変位をｘ（ｔ），計測される
力またはモーメントをＦ（ｔ）とするとき、目標値とし
ての力またはモーメントＦ＊（ｔ）を、［数１］式，
［数２］式，［数３］式，［数４］式および［数５］式
により求め、上記サーボモーターを［数６］式が成立す
るように変位ｘ（ｔ）を変化させる制御を行うことを特
徴とする、波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束動
揺変位６成分の計測システム。【数１】Ｆ^＊（ｔ）＝Ｆ_Ｓ ^＊（ｔ）＋Ｆ_Ｖ ^＊（ｔ）【数２】【数３】【数４】【数５】【数６】