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きみのしんすえたけ
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1 1415 日本機械学会論文集 (C 編 ) 79 巻 801 号 (2013-5) 原著論文 No.2012-JCR-0714 飯濱浩平 *1, 外山茂浩 *2, 池田富士雄 *3, 瀬田広明 *4 *5, 江崎修央 Operability Evaluation of Pleasure Boats Based on Usability as Addressed by ISO Kohei IIHAMA *1, Shigehiro TOYAMA, Fujio IKEDA, Hiroaki SETA and Nobuo EZAKI *1 Nagaoka National College of Technology, Advanced Course in Electrical and Mechanical Engineering, 888 Nishikatakai, Nagaoka, Niigata, Japan This paper proposes an evaluation method for operability of pleasure boats in order to develop an electronic control steering system of those boats. Based on usability as addressed by ISO , some evaluation criteria such as effectiveness and efficiency are defined for a task of collision avoidance and course resuming. For safety and repeatability, the simulation with a simplified ship simulator, which is composed a manual hydraulic steering system as hardware in HILS, is performed instead of experiments. As a result of the simulation, it is found that the operability of the manual hydraulic steering system deteriorates in the case of emergency collision avoidance. In particular, the wakes of the course resuming after the emergency collision avoidance are caused to be periodic by wrong estimate of the normal pressure and by time delay in the dynamics of the pleasure boat. Therefore, it is found that the electronic control steering system of pleasure boats should have the functions to support estimation of the normal pressure and to compensate the time delay. * Key Words : Ship, Pleasure Boat, Operability, Usability, Man-Machine Interface, Ship Simulator 1. 緒言近年, プレジャーボート等の小型船舶の海難事故件数は増加傾向にある (1). 国民の余暇志向の高まりに伴い, マリンレジャーが急速かつ広範に国民に普及し, 運航のための初歩的な知識, 技能の不足した操船者の増加がその背景にあると推測される. また, 時々刻々と変化する運航状況と合わせて, 非線形流体力による複雑な操縦性が, 海難事故原因の一つである不適切な操船を誘発していると考えられる. 一般的な小型船舶の操舵系には, 手動式油圧操舵機構が広く用いられている. 手動式油圧操舵機構は, 全舵輪回転数 ( 面舵いっぱいから取舵いっぱいまでに必要な舵輪回転数 ) が 4 から 7 回転と比較的多く設定されているため, 舵輪中央位置を見誤る恐れがある. また, 非線形に変化する操舵反力 ( 舵輪から操船者へと伝わる反力 ) から船体運動の推測が困難であることから, 良好な操作性とは言い難い. 航空機等における操作性の評価, 改善に関する研究 (2)~(6) は盛んに行われているが, 小型船舶に関しては数少ない (7),(8). そこで本研究では, まず, 国際標準化機構規格 ISO により定義されるユーザビリティを基にした小型船舶の操作性の評価方法を提案する.ISO によれば, ユーザビリティとは特定の状況, 利用者によって, ある製品が指定されたタスクを達成するために用いられる際の有効性, 効率, 利用者の満足度の度合いと定義されている. その定義に従い, 操作性評価のための操船実験タスクを設定し, 有効性, 効率の評価指標を定義する. 操船実験は実船ではなく, 安全性, 再現性を考えて, 簡易操船シミュレータを用いる. 次に, 一般的な小型 * 原稿受付 2012 年 10 月 13 日 *1 長岡工業高等専門学校専攻科 ( 新潟県長岡市西片貝町 888 番地 ) *2 正員, 長岡工業高等専門学校電子制御工学科 *3 正員, 長岡工業高等専門学校機械工学科 *4 鳥羽商船高等専門学校商船学科 ( 三重県鳥羽市池上町 1-1) *5 鳥羽商船高等専門学校制御情報工学科 toyama@nagaoka-ct.ac.jp 190

1416 船舶で広く用いられている手動式油圧操舵機構の操作性を提案方法により評価し, 電子制御操舵系の設計指針について検討する. 2. 手動式油圧操舵機構一般的な小型船舶に広く用いられている手動式油圧操舵機構を図 1 に示す. 主に舵輪, ヘルムポンプ, 油圧シリンダ, 舵取機構から構成される. 舵輪を回すと舵輪に直結したヘルムポンプが動作し, 作動油を吐出する.

P N A 2 R f V 2 sin (1) ここで,, A, f, V, はそれぞれ流体密度, 舵面積, 直圧力係数, 有効流入速度, 舵角である. 有効流入速度 R V とは舵周りの流体の流れ速度のことであり, 定常運行時においてはプロペラ回転数に応じて変化する.

2 1416 船舶で広く用いられている手動式油圧操舵機構の操作性を提案方法により評価し, 電子制御操舵系の設計指針について検討する. 2. 手動式油圧操舵機構一般的な小型船舶に広く用いられている手動式油圧操舵機構を図 1 に示す. 主に舵輪, ヘルムポンプ, 油圧シリンダ, 舵取機構から構成される. 舵輪を回すと舵輪に直結したヘルムポンプが動作し, 作動油を吐出する. その作動油は油圧シリンダへ送られ, ピストンロッドが舵を傾ける. その後, 図 2 に示すように, 舵が傾くことにより直圧力 PN が発生し, 船体重心に対して旋回モーメントが発生する. 一般に直圧力 PN は以下のように表されることが知られている (9). P N A 2 R f V 2 sin (1) ここで,, A, f, V, はそれぞれ流体密度, 舵面積, 直圧力係数, 有効流入速度, 舵角である. 有効流入速度 R V とは舵周りの流体の流れ速度のことであり, 定常運行時においてはプロペラ回転数に応じて変化する. 式 (1) から分かるように, 直圧力はプロペラ回転数に対して非線形性を有すること, また, 直圧力は舵角 δ に対しても非線形性を有することに注意する必要がある. 操船者はこれらの非線形性に加えて, 船体に作用する非線形流体力を考慮してプロペラ回転数, 舵角を決定し, 意図した旋回運動となるように直圧力を制御する必要がある. 安全な操船に極めて重要な役割を担う操舵機構の操作性は, 必ずしも良好とは言い難い. なぜなら, 全舵輪回転数が 4 から 7 回転程度と比較的多く設定されているからである. 舵輪操作を軽くする利点があるが, 舵輪中央位置を見誤る可能性がある. 操船者である人間が動力源となるので, 短時間で多くの舵輪回転を求められる緊急回避のような状況への対応に自ずと限界がある. また, 先述の通りプロペラ回転数, 舵角に応じて直圧力は非線形に変化し, 更に, 舵輪操作を軽くするために直圧力が舵回転軸近傍に発生するように舵形状が設計されていることから, 操舵反力が著しく乏しい状況もある. そのような操舵反力から船体運動を推測することは非常に困難であり, 特に, その操作性を十分に体得できていない未熟な操船者は不適切な操船を引き起こすと考えられる. 緊急回避のように短時間で適切な操作が求められるような状況では, 例え熟練操船者であっても, 急激に過大な操作量を加えることで, 強い風潮流下では転覆に繋がるようなロール運動を引き起こす恐れもある. Fig. 1 Manual hydraulic steering mechanism Fig. 2 Normal pressure P N 3. 簡易操船シミュレータ本研究で用いる簡易操船シミュレータの構成要素を図 3(a) に示す. この操船シミュレータは, ソフトウェアによる操船シミュレーション環境に, 図 3(b) に示すヘルムポンプと, 図 3(c) に示す各要素からなる手動式油圧操舵機構をハードウェアシステムとして組み入れた HILS(Hardware In the Loop Simulation) を構成している. 操船シミュレーションソフトウェアには, 航海訓練のシミュレーションなどにも用いられている VSTEP 社 NAUTIS を使用しており, 船体の 6 自由度運動などのシミュレーションデータをリアルタイムで出力可能で 191

1417 ある. 手動式油圧操舵機構には日発テレフレックス社ヘルムポンプ NE1073-00, 油圧シリンダ NE1009-00 を使用している. ヘルムポンプの全舵輪回転数は 5.4 回転である. 操舵反力は極めて小さいため本シミュレータにおいては無視できるものとした.

スロットルレバーから入力されたプロペラ回転数信号もシミュレーション PC へと入力され, シミュレーションソフトウェア NAUTIS によって船体運動が計算される.

(a)components Potentiometer Rudder angle meter Helm pump Rudder Throttle lever Helm Hydraulic cylinder (b)steering mechanism Fig.

ユーザビリティに基づく操作性の評価 4 1 操船実験におけるタスクの概要国際標準化機構規格 ISO9241-11 によれば, ユーザビリティとは特定の状況, 利用者によって, ある製品が指定されたタスクを達成するために用いられる際の有効性, 効率, 利用者の満足度の度合い

3 1417 ある. 手動式油圧操舵機構には日発テレフレックス社ヘルムポンプ NE , 油圧シリンダ NE を使用している. ヘルムポンプの全舵輪回転数は 5.4 回転である. 操舵反力は極めて小さいため本シミュレータにおいては無視できるものとした. 舵に取り付けられたポテンショメータによって実舵角が検出される. 検出された実舵角信号は, 舵角計, シミュレーション PC へと送信される. スロットルレバーから入力されたプロペラ回転数信号もシミュレーション PC へと入力され, シミュレーションソフトウェア NAUTIS によって船体運動が計算される. その計算結果に基づき,3 台のディスプレイから構成されるシミュレーションスクリーンに, 操縦者視点からの船体運動の挙動が描写される. このように構成された操船シミュレータによって, 安全性, 再現性の高い操船実験が行える. (a)components Potentiometer Rudder angle meter Helm pump Rudder Throttle lever Helm Hydraulic cylinder (b)steering mechanism Fig. 3 Hardware in simplified ship simulator (c)hydraulic cylinder and rudder mechanism 4. ユーザビリティに基づく操作性の評価 4 1 操船実験におけるタスクの概要国際標準化機構規格 ISO によれば, ユーザビリティとは特定の状況, 利用者によって, ある製品が指定されたタスクを達成するために用いられる際の有効性, 効率, 利用者の満足度の度合いと定義されている. その定義に従い, 簡易操船シミュレータによる操船実験のタスクは, 視界不良で直進中に障害物を発見. 素早く安全に回避した後, 元の針路に復帰と設定した. 海上を運航する上で様々な状況が考えられたが, 過渡特性, 定常特性全般を評価するため, このような障害物回避を想定したタスクとした. 図 4 に操船実験のコース概要を示す. スタート位置から 500m 地点に障害物となる大型船 ( 全長 82m, 全幅 16m) を配置し, 評価対象領域の終端はスタート位置から 1000m 地点とする. コース全体を霧で覆うことで, スタートからしばらくは障害物を確認できない. 霧の濃度を変更することで視程を変更し, 回避の緊急度を種々設定可能である. 舵輪回転角 θ(t) は図 1 に示す通り定め, 針路 ψ(t) とロール角 φ(t) は図 5 に示す通り定める. 192

1418 操船者は障害物を発見した後, 素早く障害物を回避し, 元の針路に復帰する. 評価をより明確に行うため, 障害物回避に伴う変針 ( フェーズ 1) と, 針路復帰に伴う変針 ( フェーズ 2) に分けて有効性, 効率の評価を行い, 最終的に両フェーズの結果を合算して評価する.4.2 節でフェーズ 1 の,4.

5 Evaluated motion of pleasure boat 4 2 障害物回避に伴う変針 ( フェーズ 1) 図 6 に障害物回避に伴う変針の様子を示す. 図 61に示すタスクスタート時刻を t 0 とする. スタート後直進し, 図 62に示す障害物発見時刻を t t f とする. 旋回を始め, 図 63に示す回避完了時刻を t t a とする.

素早く安全に障害物を回避しなければならないフェーズ 1 の有効性は, 障害物回避の速応性に関する衝突危険率 CL (Collision Risk Rate) と, 安全性に関する転覆危険率 CP 1 (Capsize Risk Rate) を評価項目とする.

4 1418 操船者は障害物を発見した後, 素早く障害物を回避し, 元の針路に復帰する. 評価をより明確に行うため, 障害物回避に伴う変針 ( フェーズ 1) と, 針路復帰に伴う変針 ( フェーズ 2) に分けて有効性, 効率の評価を行い, 最終的に両フェーズの結果を合算して評価する.4.2 節でフェーズ 1 の,4.3 節でフェーズ 2 の有効性, 効率の評価項目をそれぞれ定義し, 利用者の満足度の度合いは評価実験後のアンケートを実施することにより評価する. Fig. 4 Course outline (a)course (b)roll angle Fig. 5 Evaluated motion of pleasure boat 4 2 障害物回避に伴う変針 ( フェーズ 1) 図 6 に障害物回避に伴う変針の様子を示す. 図 61に示すタスクスタート時刻を t 0 とする. スタート後直進し, 図 62に示す障害物発見時刻を t t f とする. 旋回を始め, 図 63に示す回避完了時刻を t t a とする. 回避完了は, 船の針路 () t が船体重心と障害物手前端点位置 Oe がなす角 () t と一致した時刻とする. 素早く安全に障害物を回避しなければならないフェーズ 1 の有効性は, 障害物回避の速応性に関する衝突危険率 CL (Collision Risk Rate) と, 安全性に関する転覆危険率 CP 1 (Capsize Risk Rate) を評価項目とする. 衝突危険率 CL は, 障害物発見時の衝突予測時間に対する回避完了時間 ta tf の比として, 次のように定める. a ( 回避完了時間 ) CL 100 ( 発見時における衝突予測時間 ) ( 回避完了時間 ) 100 ( 発見時における障害物までの距離 )/( 発見時における船速 ) ta tf 100 (2) {500 y( t )} v( t ) f f 転覆危険率 CP1 は, 転覆の恐れある限界ロール角 ( 本論文ではを 21[deg] とする ) に対するフェーズ 1 の最大絶対ロール角 max( ( t) ) の比として次のように定める. l l ( フェーズ1の最大絶対ロール角 ) CP1 100 ( 限界ロール角 ) max ( t) 100 l (3) 式 (2),(3) に示した評価項目を平均した回避危険率 A (Avoidance Risk Rate) をフェーズ 1 における有効性の評価指標とする. 193

5 1419 A CL CP1 2 (4) 一方, フェーズ 1 における効率は, 時間 dt における実舵輪操作回転角 ( t) dt をスタート時刻 t 0 から回避完了時刻 t ta まで積算した HR 1 で評価する. HR1 t a 0 () t dt (5) Fig. 6 Phase1(Collision avoidance) 4 3 針路復帰に伴う変針 ( フェーズ 2) 回避完了条件を満たした時刻 t t でフェーズ 1 は終了しフェーズ 2 へ移行する. 図 7 に示すようにフェーズ 2 a は, 回避完了時刻 t ta から針路復帰完了時刻 t tr までとする. 針路復帰完了条件は, 経験的に舵輪回転数の絶対値 ( t) 0.5 [rev], かつ針路の絶対値 ( t) 8 [deg] と定めた. 素早く安全に元の針路に復帰しなければならないフェーズ 2 の有効性は, 復帰の速応性に関する復帰遅延率 RD (Resuming Delay Rate) と, 安全性に関する転覆危険率 CP 2 (Capsize Risk Rate) とする. 復帰遅延率 RD は, フェーズ 2 開始時の評価対象領域終端への到達予測時間に対する針路復帰完了時間 tr taの比として次のように定める. ( 針路復帰完了時間 ) RD 100 ( 評価対象領域終端への到達予測時間 ) ( 針路復帰完了時間 ) 100 フェーズ 2開始時での /( フェーズ 2開始時の船速 ) 評価対象領域終端までの直線距離 tr ta 1000 yt ( a ) cos ( ta ) vt ( ) a 100 (6) 転覆危険率 CP2 は, フェーズ 1 と同様, 限界ロール角に対するフェーズ 2 の最大絶対ロール角 max( ( t) ) の比として次のように定める. l 194

6 1420 フェーズ 2の最大絶対ロール角 CP2 100 限界ロール角 max ( t) 100 l (7) 式 (6),( 7) に示した評価項目を平均した針路復帰危険率 R (Resuming Risk Rate) をフェーズ 2 における有効性の評価指標とする. R RD CP2 2 (8) 一方, フェーズ 2 における効率は, フェーズ 1 における評価式 (5) と同様に, フェーズ 2 開始時刻 t t から針路復帰完了時刻 t tr までの実舵輪操作回転角の積算値 HR2 で評価する. a HR 2 tr ta () t dt (9) Fig. 7 Phase2(Course resuming) 4 4 操作性の最終評価前節までをまとめて, 有効性は, フェーズ 1 における式 (4) の回避危険率 A と, フェーズ 2 における式 (8) の針路復帰危険率 R の平均値 AR を評価指標とする. 効率は, フェーズ 1,2 それぞれにおける実舵輪操作回転角の積算である式 (5) の HR 1 と, 式 (9) の HR 2 の合計値 HR を評価指標とする. AR, HR どちらの指標値も小さいほど操作性は良好といえる. 利用者の満足度は, 実験後に設定尺度法に自由記述を加えたアンケートを実施することで評価する. [ 有効性の評価指標 ] A AR R 2 [ 効率の評価指標 ] HR HR1 HR2 [ 利用者の満足度 ] 実験後のアンケート (10) (11) 195

7 評価指標の妥当性検証実験前節で提案した評価指標の妥当性を確認するため, 図 8 に示すタスク成功例と, 図 9 に示すタスク失敗例の特徴的な 2 パターンに対し, 前節で定めた評価指標を計算する. タスク失敗例は, 操船が未熟なある被験者に見受けられた代表的なデータである. 一方, タスク成功例は, 同じ被験者が操船を長期間に渡って経験し操船性をある程度体得した後に見受けられた代表的なデータである. 操船条件に関しては, 経験的に緊急回避となる視程 200m で, 風潮流は無しとする. 使用する船舶は全長 18.8m, 全幅 6.1m, 最大プロペラ回転数 2100rpm, 最高船速 32.0kt(=16.5m/s) の小型船舶とした. プロペラ回転数は 900rpm,1200rpm,1500rpm,1800rpm でそれぞれ一定の 4 パターンとする. タスク成功例, 失敗例の評価結果を, 表 1, 表 2 にそれぞれ示す. 有効性 AR, 効率 HR のどちらとも, 成功例より失敗例の方が指標値は大きく, 操作性が悪化していることが分かる. 有効性 AR の悪化の原因は, 図 9(a) のように蛇行が発生するとともに, 図 9(b) のようにロール角が大きく振動的な応答を示しているからである. 効率 HR の悪化の原因は, 図 9(c) のように舵輪操作が持続して加えられているからである. 利用者の満足度の度合いについては, 有効性と効率の評価結果と同様に, タスク成功例よりもタスク失敗例の方が, 操船が難しい, 安全に操船が行えなかったという評価であった. 以上より, 前節で提案した評価指標の妥当性を確認した. なお, 表 1 に示したタスク成功例における有効性, 効率の平均値 18.5,3.0 を, 次章で説明する手動式油圧操舵機構の操作性評価における基準値とする. Table 1 Evaluation result for success example of task Number of propeller revolutions AR(Effectiveness) HR(Efficiency) 900rpm rpm rpm rpm Average Table 2 Evaluation result for failure example of task Number of propeller revolutions AR(Effectiveness) HR(Efficiency) 900rpm rpm rpm rpm Average (b)roll angle (a)wake Fig. 8 Success example of task (c)helm revolutions 196

8 1422 (b)roll angle (a)wake Fig. 9 Failure example of task (c)helm revolutions 5. 手動式油圧操舵機構の操作性評価実験 5 1 実験手順被験者 10 人 ( 船舶免許所持者無し, 自動車運転経験人数 9 人 ) を対象として, 実験ガイダンス, テストコース試運転, 操作性評価実験, アンケートの順で実験を行うこととした. 実験ガイダンスでは実験目的, 手動式油圧操舵機構, 船の旋回メカニズム, 簡易操船シミュレータ, そしてタスクの説明を行う. テストコース試運転では狭路で複数回の旋回を含むコースを 10 分程度操船し, 船の旋回特性を事前に体感してもらう. 評価実験は図 4 のコースを基本として, 比較的余裕のある回避となる視程 300m と, 緊急回避となる視程 200m の 2 つのケースを設定し, 風潮流は無しとする. テストコース試運転と操作性評価実験で使用する船舶は,4.5 節で述べた検証実験で用いた小型船舶とする. プロペラ回転数は 900rpm,1200rpm,1500rpm,1800rpm でそれぞれ一定の 4 パターンに対して評価を行う. 5 2 余裕のある回避となる視程 300m における評価結果図 10 は余裕のある回避となる視程 300m における有効性の評価結果を示している. 図 10(a) に示す被験者別の評価結果から分かるように, 前章で説明した基準値 ( 表 1 における平均値 ) と比べて, プロペラ回転数が増加すると指標値がやや増加する傾向がどの被験者にもあるが, 図 10(b) に示されている有効性指標値の平均値, 標準偏差を比べると, プロペラ回転数の増加による極端な増加は見受けられない. 図 11 は視程 300m における効率の評価結果を示している. 図 11(a) に示す被験者別の評価結果や, 図 11(b) に示す効率指標値の平均値, 標準偏差から分かるように, 有効性の結果と同様に被験者によって若干の差異はあるものの, プロペラ回転数の増加に伴い指標値が低減される傾向にある. これは式 (1) から分かるように, プロペラ回転数の増加によって舵への有効流入速度 V が増加するので, 同じ大きさの直圧力を発生するとしても, 舵角を小さく, つまり舵輪操作量を少なくできるからである. 効率に関しては, 時間的に余裕があればプロペラ回転数の増加に伴い指標値は改善されることが分かった. アンケート結果からもプロペラ回転数の違いによる操作のしやすさはほとんど変わらず, 全体を通して安全な操船ができたという意見が 10 名中 8 名と大半であった. 以上の結果より, 比較的回避に余裕がある視程 300m では, プロペラ回転数に依らず良好な操作性が得られていることが分かった. 197

9 1423 (a)evaluation results of each examinee Fig. 10 Evaluation results of effectiveness for visibility 300m (b)average and standard deviation (a)evaluation results of each examinee (b)average and standard deviation Fig. 11 Evaluation results of efficiency for visibility 300m 5 3 緊急回避となる視程 200m における評価結果図 12 は緊急回避となる視程 200m における有効性の評価結果を示している. 図 12(a) に示す被験者別の評価結果から分かるように, 基準値よりも大幅に指標値が増加しており, 特に図 12(b) の指標値平均に表れているように, プロペラ回転数の増加に対して指標値増加の傾向がより顕著に表れている. ただし, 図 12(b) に示す指標値の標準偏差は, プロペラ回転数の増加に伴って増加している. これは被験者 6,7,8 において, プロペラ回転数の増加に伴う指標値の増加が見受けられないことによるものであり, 被験者間の操作技術の差が表れていると考えられる. 図 13 は視程 200m における効率の評価結果を示している. 図 13(a) に示す被験者別の評価結果から分かるように, 理想的な操船結果である基準値より全体的に増加している. 図 13(b) に示す指標値平均から分かるように, 前節で述べたようなプロペラ回転数の増加による指標値の減少は見受けられず, 逆に増加しており, 必要以上の舵輪操作がなされていると考えられる. 以上の結果より, 緊急回避となる視程 200m では, プロペラ回転数の増加に伴い操作性が悪化することが分かった. (a)evaluation results of each examinee Fig. 12 Evaluation results of effectiveness for visibility 200m (b)average and standard deviation 198

10 1424 (a)evaluation results of each examinee Fig. 13 Evaluation results of efficiency for visibility 200m (b)average and standard deviation 5 4 電子制御操舵系の設計指針最も結果が悪い被験者 3 に対するフェーズ別評価の内訳を図 14(a),(b) に示す. これらの図から分かるように, プロペラ回転数の増加に伴い全体的にフェーズ 1 よりもフェーズ 2 の比率が大きくなる結果となっている. これは図 14(c) に示す航跡から分かるように, 障害物を回避した後のフェーズ 2 において, 図 14(e) に示すような振動的な舵輪操作が加わったことによる蛇行が生じているためである. その結果として, 針路復帰が遅れるとともに図 14(d) に示すような過大なロール角が生じてフェーズ 2 のスコアが悪化している. スコア悪化の原因となる図 14(e) に示すような振動的な舵輪操作がなぜ加わるのかについて次に分析する. 分析のためのデータの一例として, 視程 200m, プロペラ回転数 1800rpm での被験者 3 に対する舵輪回転数, 針路の時間応答を図 15 に重ねて示す. この図から分かるように, 舵輪回転の変化に対して船体運動の応答性のため針路が遅れて変化している. フェーズ 1 に関して, 回避完了時刻 t=t a で回避完了となり, 回避完了となる時点での針路を保持すれば最も良好となるはずである. しかし, 回避する際に必要以上の舵輪入力を加えているため, 針路が行き過ぎている. フェーズ 2 に関しては, その行き過ぎた針路から元の針路に復帰するために, 舵輪入力を反対方向に加える必要があるが, 直圧力の推定誤差や船体運動の応答遅れによって, 図中に丸印で示したような過剰な舵輪回転を加えている. 特にプロペラ回転数が 1800rpm の時では, 有効流入速度の増加に伴い直圧力も大きくなり舵輪操作に対する感度が高まるため, 船体運動の応答遅れによって振動的な波形がより顕著に表れていると考えられる. 以上の結果より, 手動式油圧操舵機構は, 舵角, プロペラ回転数に対して非線形に発生する直圧力に関する情報を操船者が把握しにくく, 特に緊急回避のような短時間での操船が必要とされる状況でプロペラ回転数が高い時には, 船体運動の遅れによって過大なロール角, 蛇行を引き起こし, 操作性の改善が必要であることが分かった. それらの点を改善するための電子制御操舵系 (8) は, 操舵機構のバイワイヤ化により, 舵輪を通じで操船者に任意の反力感を提示する機能や, 舵輪操作から舵角までの伝達特性を任意に設計できる機能を有する. そこで電子制御操舵系の設計指針としては, 直圧力の大きさを推定し, その情報を舵輪操作の反力感として操船者に提示することが有効であると考えられる. また, 舵輪操作から舵角までの伝達特性として, 過剰で振動的な舵輪操作が加わらないよう, 船体のダイナミクスを考慮した低域通過型の周波数特性を持たせることが有効と考えられる. 199

11 1425 (a)evaluation results of effectiveness (b)evaluation results of efficiency (d)roll angle (c)wake (e)helm revolutions Fig. 14 Evaluation results of examinee3 for visibility 200m Phase1 Phase2 t=t f t=t a Fig. 15 Behavior of pressure boat at 1800rpm for visibility 200m 200

12 結言本論文では, まず, ユーザビリティに基づき緊急回避と針路復帰をタスクとする小型船舶の操作性の評価方法を提案した. 回避完了時間, 針路復帰完了時間, ロール角を評価項目に含めた有効性の指標と, 実舵輪操作回転角の積算による効率の指標を定めた. タスク成功例, 失敗例の操船実験データを対象に提案方法によって操作性を評価し, その妥当性を確認した. 次に, 小型船舶で広く用いられている手動式油圧操舵機構の操作性を評価し, その結果以下の知見が得られた. 1) 回避に対して時間的に余裕がある場合は, 安全かつ素早く効率的にタスクを完了できているため, プロペラ回転数に依らず操作性は良好である. 2) 回避に対して時間的に余裕がない場合は, 特にプロペラ回転数の増加に伴い, 過大なロール角, 蛇行を引き起こし, 操作性が悪化する. 以上の知見により, 開発を目指す電子制御操舵系には, 例えば, 直圧力を推定しその情報を舵輪操作の反力感として操船者に提示する機能や, 船体運動の応答性が操作性の悪化を招いたことから舵輪操作から舵角までの周波数特性を船体運動のダイナミクスを考慮して設計することが有効と考えられる. 最後に, 本研究の一部は平成 24 年度ユニオンツール育英奨学会研究助成金によることを記し, 関係者各位に謝意を表す. 参考文献 (1) 内閣府, 平成 23 年度交通事故の状況及び交通安全施策の現状, 交通安全白書,(2012). (2) 鴨川卓児, 前川明寛, ファジィニューラルネットワークによる航空機の横操縦性最適化, 日本機械学会東海支部第 59 期総会講演会講演論文集, (2010), pp (3) 小島徹, 夜間低視程度のホバリングに対するヘリコプタ操縦性の改善, 三菱重工技報,Vol. 45, No. 4 (2008), pp (4) 加藤明夫, 宇佐見直之, 奥出宗重, ニューラルネットワークによる航空機の操縦性向上, 名城大学総合研究所総合学術研究論文集,No. 4 (2004), pp (5) 江間徹郎, 水倉幸夫, 航空機のパイロット操縦性評価法の一考察, 防衛大学校理工学研究報告,Vol. 38, No. 3 (1991), pp (6) 後藤昇弘, 飛行機の操縦性と評価, 設計工学,Vol. 34, No. 6 (1990), pp (7) Ikeda, F., Toyama, S., Seta, H. and Ezaki, N., Improvement of Steering Feeling on Maneuverability for Pleasure Boat, Journal of System Design and Dynamics, Vol. 5,No. 5 (2011), pp (8) Toyama, S., Ikeda, F. and Seta, H., A Sliding Mode Controller of Rudder Angle Servomechanism in Steer-by-Wire System of Pleasure Boat, Journal of System Design and Dynamics, Vol. 5, No. 5 (2011), pp (9) 本田啓之輔, 操船通論,(2001), pp , 成山堂. 201

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Microsoft PowerPoint - chap8.ppt 第 8 章 : フィードバック制御系の設計法第 8 章 : フィードバック制御系の設計法 8. 設計手順と性能評価キーワード : 設計手順, 性能評価 8. 補償による制御系設計キーワード : ( 比例 ),( 積分 ),( 微分 ) 学習目標 : 一般的な制御系設計における手順と制御系の性能評価について学ぶ. 学習目標 : 補償の有効性について理解し, その設計手順を習得する. 第 8 章