自動操舵装置

自動操舵装置は、帆船で使用される装置であり、人間の操作なしに選択した航路や航行地点を維持するために使用されます。 [ 1 ]

歴史

機械式、あるいは「風向計」による自動操舵は、模型帆船の進路を保つための手段として始まりました。無線操縦の登場以前、模型ヨットレース（第一次世界大戦前に始まった）は典型的には細長い池で行われ、岸沿いの停泊回数が最終結果の減点としてカウントされました。当初は、突風で模型船が傾いた際に風上舵輪を補正するために、舵柄にカウンターウェイトを取り付けるシステムが考案されました。これらの粗雑なシステムは、発明者のジョージ・ブレインにちなんでブレイン・ギアと呼ばれる、より洗練されたシステムへと発展しました。 [ 2 ]ブレイン操舵装置は、主帆の張力によって駆動され、ゴムバンドで減衰される、舵台上の象限を微調整したシステムでした。後に、より洗練されたベーン・ギアと呼ばれるシステムが考案されました。これは、調整可能なゼンマイ仕掛けの歯車システムを介して小さなベーンまたは翼型で主舵を駆動するものでした。これは、ブロンディ・ハスラーの自動操舵舵など、後に大西洋横断ヨットに搭載されたベーン駆動式自動操縦装置に非常によく似ていました。1920年代と1930年代には、大西洋を単独で横断した船員の中に、原始的な自動操舵装置を使用した者もいました。中でも最も有名なのは、1930年代に2度大西洋を横断したフランス人マリン・マリー（ポール・マリン・デュラン・クッペル・ド・サン・フロント）です。彼は1930年代に、最初はウィンニベルIIというセーリングヨット、2度目はアリエルというモーターピナスで大西洋を横断しました。

1933年、フランスのドゥアルヌネからニューヨークへ大西洋を横断したウィニベルII号の自動操舵システムは、ブレインギアに似たもので、ツインジブ（Trinquettes jumelles）を使用し、そのシートをブロックとラインの列を介して舵に接続していました。ロングキールのウィニベルII号は、クローズホールドやビームリーチの航行時には針路上で完全に安定していましたが、より難しい風下ブロードリーチやランニングポイントでは、この自動操舵ツインジブシステムが優位に立つことができました。

1936年にニューヨークからル・アーブルまで航海した、フランス製の65馬力のボードワン・ディーゼルエンジンで推進する全長13メートルの小型モーター船アリエルでは、大西洋のうねりの中でモーターボートを操縦するのはさらに困難な作業であった。アリエルには2つの舵があり、船体の下のプロペラレースにある主舵は手動操縦用で、小さな補助舵は船尾に取り付けられていた。この補助舵は、コーチルーフ上に取り付けられた特別な風向計によって機械的に駆動することができ、この風向計は2枚の長方形の翼を垂直の車軸に斜めに取り付け、カウンターウェイトでバランスをとっている。これは単純で非常にうまく機能したが、微風や凪では操縦できなかった。

ニューヨークでマリン・マリーがアリエル号の艤装をしていたとき、フランス人発明家カセルが彼のところにやって来て、自らの発明した電気式自動操縦装置を無料で取り付けると申し出た。カセルの自動操縦装置は、当時としては画期的な光電池と、光と反射鏡の磁気コンパス・ローズへの取り付けシステムを採用していた。その原理は、自動操縦装置用の最新フラックスゲート・センサーを除けば、現代の電子式自動操縦装置と多少似ている。緑、赤、白の制御灯の配列を備えたカセルの自動操縦装置は、主舵の操作に電気モーターを使用していた。その基本原理は健全で、航海のいくつかの区間では役に立ったが、濡れて振動する小型艇にはやや軽すぎる構造であることが判明し、トラブルに見舞われた。マラン・マリーは、時には感謝していたものの、概してこの気まぐれな装置を嫌っていた。特に、カセルがうっかり自動操縦装置の中にボルドーワインを隠していたことを発見し、約20日間の禁酒大西洋横断 を強いられた時には、ひどく嫌悪した。

電子

帆船の舵柄操縦装置 - シンプルな電子式自動操舵装置。

電子式セルフステアリングは、1つ以上の入力センサー（少なくとも磁気コンパス、場合によっては風向やGPS位置情報と選択されたウェイポイント間の位置情報）に基づいて動作する電子機器によって制御されます。電子モジュールが必要な操舵動作を計算し、駆動機構（通常は電気式ですが、大型システムでは油圧式も可）がそれに応じて舵を動かします。

駆動機構と従来の操舵システムとのインターフェースにはいくつかの可能性があります。ヨットでは、最も一般的な3つのシステムは次のとおりです。

  • ダイレクトドライブ方式では、アクチュエーターを船内の舵軸上部の操舵クアドラントに取り付けます。これは最も設置の手間が少ない方法です。
  • ホイールマウント方式は、モーターをステアリングホイールの近くに取り付け、使用時にステアリングホイールと連動させる方式です。通常、ベルト駆動方式、またはホイール自体に取り付けられた歯車付きギアリングが使用され、ステアリングホイール付きのヨットへの後付け設置でよく使用されます。
  • ティラーパイロットは、ティラーで操舵される小型船舶では通常唯一の選択肢です。ティラーパイロットは、ティラーとコックピット側面の取り付け部の間に取り付けられた電動ラムで構成されています。中には電源のみを必要とする完全に自己完結型のものもあれば、アクチュエータと制御ユニットが別体になっているものもあります。これらはメンテナンスフリーで設置も容易なため、非常に人気があります。[ 3 ]
船舶舵取り機の仕組み

制御ユニット（例えば、ティラーパイロット、操舵輪に取り付けられたチャートプロッターなど）の精巧さに応じて、電子式自動操舵装置は、特定のコンパス針路を維持する、風に対して特定の角度を維持する（帆走船が帆のトリムを変更する必要がないようにする）、特定の位置へ舵を取る、あるいはその他合理的に定義できるあらゆる機能を実行するようにプログラムすることができる。しかし、特に海況や気象条件により電動アクチュエータが常に作動している場合、電動アクチュエータに必要な電力量は深刻な問題となる。外部電源を持たず、推進力としてエンジンを稼働させないことが多い長距離クルーズ船は、通常、電力予算が比較的厳しく、長時間電動操舵を使用することはない。電子式自動操舵システムの作動には電力が必要であるため、多くの船舶では太陽光発電（PV）パネルや小型風力タービンも搭載している。これにより、余分な汚染物質の排出が抑制され、コストも削減される。[ 3 ]

機械

注目の自動操舵装置を備えたヨット
補助舵とトリムタブサーボを備えた風向計の自動操舵

機械式自動操舵装置の主な目的は、見かけの風に向かって所定の針路を維持すること、そして操舵手を操舵から解放することです。有利な副次効果として、帆が見かけの風に対して最適な角度に維持され、それによって最適な推進力が得られるという点があります。エンジンで航行するヨットでも、自動操舵装置を使用すれば、船を風上に向けて帆を立てたり、帆を変えたりすることができます（例外：シート・トゥ・ティラー方式）。風向センサーとしては、a) 軸に取り付けられた風向計を水平方向に傾ける（風向計自動操舵）、b) 帆にかかる風圧と、それによるシートにかかる力（シート・トゥ・ティラー自動操舵）が使用されます。

見かけの風向の変化を針路変更アクチュエータ（舵）と機械的に結合するさまざまな機械的原理は、おおよそ次のように分類できます。

  • トリムタブ（フレットナーサーボ タブ）システム、主舵、補助舵、またはサーボ振り子舵に取り付けられた小型フラップと連動した風向計。
  • 補助舵に直接連結された風向計付き補助舵用風向計（Windpilot Atlantik、Hydrovane）。
  • 風向計から舵へ（非常に小型のボートにのみ適用され、大きな風向計が船の舵に直接連結されています）。
  • サーボ振り子舵（風向計が水中に沈められたブレードを垂直軸を中心に回転させ、ブレードは水中での動きによって横に振れ、それとともに船の舵を回転させます）。
  • 補助舵付きサーボ振り子 (上記と同様ですが、サーボ振り子のブレードは船の舵ではなく補助舵に作用します)。
  • シートからティラーへ（ティラーのスプリング荷重は、フォアセールおよび/またはメインセールシートの引っ張り力によって打ち消されます）。

現在の自動操縦装置

機械式自動操舵装置は多くのメーカーによって製造されているが[ 4 ]、今日生産されているシステムのほとんどは同じ原理（サーボ振り子舵、下記参照）を共有している。電力を必要とすることに加え、多くの長距離クルーザーは、電子式自動操舵装置は複雑で、遠隔地ではスペアパーツなしでは修理できない可能性が高いことに気づいている。対照的に、ベーンギアは少なくとも海上で即席の修理が可能であり、通常は陸上で地元の溶接工や機械工が汎用部品（配管部品など）を使用して作り直すことができる。自動操舵装置による速度低下を最小限に抑えるには、自動操舵を作動させる前に、船の帆のバランスを取り、舵にほとんど負荷がかからないようにすることが不可欠である。帆が正しく調整されていれば、サーボオールと主舵または補助舵の力のつり合いが最小限に抑えられ、水流に対する舵とサーボオールの迎え角が最小になる。しかし、特定の船舶および操舵機構に適した設定を決定するには、通常、ある程度の実験と判断が必要です。現代の風向計技術に関する一般的な情報源としては、「The Windvane Self-Steering Handbook」があります。[ 5 ] Morris の本の特に貴重な貢献の 1 つは、風向計の製造に使用されるさまざまな合金についての説明です。Morris は、キッチンタイマーを 30 分ずつセットし、風向計が舵を操作している間に眠る習慣があることを認めています。この間、向かい風が 25 から 35 ノットであってもそうでした。最近のインタビューでは、紅海を航海中に眠っていたときに、巨大貨物船に衝突されそうになったことがあると語っています。モリスはこう指摘する。「今回のケースでは、自動操縦装置を使っても何の違いもなかったでしょう。もし電子自動操縦装置を使っていたとしても、あの貨物船はそこにいたでしょう。私は世界一周航海の3分の2を単独航海で航海するという選択をし、それに伴うリスクも受け入れました。運命は私に味方したのでしょう。」

トリムタブ

従来のトリムタブ・サーボシステムでは、サーボブレードの垂直軸周りの旋回運動はトリムタブ（サーボタブ）によって行われていましたが、サーボブレードを回転させるためにトリムタブを逆方向に動かす必要があるため、ある程度の力が必要になります。船の舵からかなり離れた位置に設置され、その上下端が舵に接続されたトリムタブについても同様です。この構造は「セイズ・リグ」と呼ばれています。帆船における風向計による自動操舵の別のバージョンは垂直軸ベーンと呼ばれ、サーボ振り子装置に比べて操舵力の出力が劣るため、通常は舵から吊り下げられたトリムタブを用いて船の進路を制御します。ベーンは地面に対して直角に回転し、任意の位置でトリムタブにロックできます。船が風から離れると、ベーンは風によって回転し、トリムタブも一緒に回転します。その結果、舵が逆方向に動き、進路が修正されます。一般的に、このようなトリムタブによる自動操舵は、船尾舵（または船尾に吊るされたダブルエンダー）を備えたボートでのみ使用できます。これは、目的の効果を得るためには、トリムタブを舵の後部に直接取り付ける必要があり、また、舵が左右に振れても制御する必要があるためです。これは通常、舵が回転するとベーンアセンブリへの接続が滑り込むスロットバーを使用することで実現されます。これらの自動操舵システムは一般に単純であり、舵を制御するラインを使用せず、堅固なリンク機構を介してより直接的に制御するため、コースの設定と調整が容易です。[ 6 ]関連するデバイスが一部の風車で使用されており、ファンテイルはメインセイルに対して直角に取り付けられた小型の風車で、重いキャップセイルとメインセイルを自動的に風上に向けます（1745年にイギリスで発明されました）。（風がすでにメインベーンに直接当たっている場合、ファンテイルは基本的に静止したままです。）

補助舵のベーン

補助舵を風向計から直接操作するシステム（非サーボシステム：Windpilot Atlantik、Hydrovane）の開発に成功しているメーカーはごくわずかです。掲載されている風向計の写真では、この原理を採用し、大きな布製ベーンを垂直軸上に配置しています（主に、ほぼ水平軸の風向計が使用されています）。

サーボ振り子舵

最も普及した自己操舵方式であるサーボ振り子は、大型舵の操作に必要な動力に対応するために導入され、サーボトリムタブ原理（ハーバート・ブロンディ・ハスラーが導入）の後継機となりました。すべてのサーボ振り子舵（オール、ブレード）システムに共通するのは、風向計からの小さな力を増幅し、水上を進む船の速度を利用して舵を回すという点です。サーボブレードは垂直軸を中心に回転し、振り子のように吊り下げられます。垂直軸を中心に回転すると、水流によってブレード部分に横方向の力がかかり、この横方向への強い揺動運動が舵（船の舵、またはシステムに組み込まれた補助舵）に作用します。細長い垂直の板、すなわち風向計は、ほぼ水平な軸キャリアに取り付けられており、キャリア自体は垂直軸を中心に回転するため、ボートが目的の方向に進むと、風向計は垂直になり、風に対して真横を向きます。風向計はピボットの下の小さな重りでバランスが取られていますが、ボートが回転して板が風に対して真横を向いていなくなると、余分な表面積が現れて片側に吹き飛ばされます。この動きは一連のリンク機構によって水中のブレード (またはオール) に伝達されるため、風向計が中立位置から回転すると、オールは垂直軸を中心に回転します。上記のブレードが回転すると、その横を流れる水の圧力により、ブレードはピボット ロッドの端で横に振られます。オールがNACA0012プロファイルを持つ場合、ボートの速度2.5m/s（約5ノット）、迎え角5°で、レバー長さ1mで浸水面積0.1m2ですでに180N⋅mのモーメントが発生します。 [ 7 ]サーボオールの操舵力は、通常、操舵ロープをヘルムまたはステアリングホイールに導くために2本のラインと4つ以上のロールの配置を含む主舵に伝達されます。

最適化されたトランスミッションと低摩擦メカニズムを備えた現代のサーボ振り子式自動操舵装置は、以前は主に長距離外洋航行に使用されていましたが、日中のセーリングやクルージングでますます使用されています。最適化された現代の装置の低風性能の向上により、見かけの風速 1.3 m/s、船速 1.5 kn まで風下操舵が可能になります[ 8 ] [ 9 ]。この特性により、電子操舵装置はほぼ不要になり、風見自動操舵で無風状態を横断できるようになります。長距離レガッタのセーラーの間では、風見自動操舵を使用する人が増えています。これは、帆が常に風に対して最適な角度に保たれ、ボートの速度が可能な限り最大に保たれるためです。

水平風向計サーボによる自己操舵の数学的記述は、コースエラーと定常舵角の関係をカバーし、コースエラーを修正する。力学は力と運動量の連成方程式によって記述される。[ 10 ] [ 11 ]主に3つの異なる機械的伝達原理が用いられている。マレー式スライドブロックジョイント、90°ベベルギア、Zシャフトであり、これらの形状によりコースエラーの変化に応じて操舵力が変化する。[ 12 ]

補助舵付きサーボ振り子

純粋なサーボ振り子式自動操舵装置が使用できない場合（油圧式舵装置では舵を切るのに非常に大きな力が必要）、補助舵システムが使用されます。補助舵システムは、サーボ振り子式舵と、自動操舵システムの一部である補助舵が直接連結された構造です。この場合、主舵は主針路を「トリム」するために使用され、自動操舵装置は見かけの風向の変化に応じて主針路を「周回」します。

シートからティラーへ

風向計を舵に機械的に連結したり、サーボ振り子舵を介した機械的自動操舵が広く普及しているが、「シート・トゥ・ティラー」と呼ばれる機械的自動操舵原理もある。ロロ・ゲプハルトは、全長5.6メートルのソルヴェイグ号でこの方式を用いて大西洋を横断した。シート・トゥ・ティラー自動操舵は、バネ仕掛けのティラーとシートを連結し、帆に働く風の力を利用して船を操舵する。

開発

かなり長い間、市販の自動操舵システムの開発はほとんど進んでいませんでした。ほとんどの新しい開発は、自作システムの形で行われました。重要な役割を果たしたのは、アメリカ人のウォルト・マレーで、彼は自身のウェブサイトで設計を公開していました。[ 13 ]そしてオランダ人のヤン・アルケマは、新しい風向計、いわゆる逆さまで上下する風向計（略してUSD、市販されているのは2つのブランドのみ）と、船尾に吊り下げられた舵を持つボートに取り付け可能な新しいタイプのサーボ振り子システムを発明しました。この最後の発明により、ヤン・アルケマは2005年にAYRS（アマチュアヨット研究協会）からジョン・ホッグ賞を受賞しました。ヤン・アルケマは彼の発明の多くをウォルト・マレーのウェブサイトで公開しました。[ 13 ]

ヨルン・ハインリッヒは2010年に、風下におけるボートのロール角を利用してサーボオールの迎え角を修正するメカニズム[ 14 ]を追加しました。これにより、コースの安定性が向上し、追い波での横揺れのリスクが低下します。 [ 15 ] ヨルン・ハインリッヒはまた、突風の中でカタマランやトリマランのような大きな速度を持つ多胴船ヨットの加減速中の見かけの風の変化を補正するために水中のフィンを使用するメカニズム[ 16 ]も発表しました。ハインリッヒは、彼自身のパラメトリックシミュレーションソフトウェアVaneSim [ 17 ]を適用して、ボートの特性に応じて風向計の自動操舵装置を最適化しています。

有名な自動操縦ボート

注目すべき自動操縦ヨットには次のようなものがあります。

参照

参考文献

  1. ^ Foerthmann, Peter (2013). Self-Steering Under Sail: Autopilots and Wind-steering Systems . Berlin: epubli GmbH. ISBN 978-3-8442-5640-6. OCLC  860314922 .
  2. ^ダニエルズ, WJ; タッカー, HB (1952). 「模型帆船」 .ヴィンテージ・モデル・ヨット・グループ(第3版). チャップマン＆ホール. p. 239.
  3. ^ a b H.C. Herreshoff (2006). The Sailor's Handbook . McGraw-Hill Education. ISBN 0-07-148092-7。
  4. ^ Heinrich, Joern. 「WindGear」 . 2018年4月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  5. ^ビル・モリス (2004). 『ウィンドベーン自動操縦ハンドブック』 インターナショナル・マリン/ラギッド・マウンテン・プレス. ISBN 978-0071434690。
  6. ^ 「Blondie Hasler Trim Tab Self Steering」 。 2013年8月28日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年8月22日閲覧。
  7. ^サーボオールの力https://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
  8. ^低風速制限https://www.windautopilot.de/_de/2_innov/lowwind.html
  9. ^低風速制限https://www.youtube.com/watch?v=kBXzafY49GA
  10. ^風向計の運動量: https://www.windautopilot.de/_de/1_basics/windsensor.html
  11. ^サーボオールの運動量https://www.windautopilot.de/_de/1_basics/servokraft.html
  12. ^トランスミッション：コースエラーにより舵角が生成されるhttps://www.windautopilot.de/_de/1_basics/transmission.html
  13. ^ a b「Home | Mister Vee windvane self steering」 . windvaneselfsteering.com . 2013年9月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  14. ^ 「WindGear by Joern Heinrich - アクティブヨーダンピングギア - セキュリティプラス」。
  15. ^測定による後続うねりにおける YDG メカニズムの検証https://www.youtube.com/watch?v=odUO39DB85Y
  16. ^ 「多胴船用風向計自動操舵装置用機械式コーススピードレギュレータ」（PDF）。windgear.eu。
  17. ^パラメトリック風向計シミュレーションソフトウェア Vanesim https://www.windautopilot.de/_de/2_innov/sim.html
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