JP2001247087A - 無人潜水機の航行方法および無人潜水機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水温と水質と水生生物などとの相互関係を容
易、迅速に求められるようにする。 【解決手段】 水温追従制御部１００は、水温比較部１
０４が水温センサ５９の検出水温θを目標水温θ₀ と比
較し、一致信号を出力する。目標深度演算部１１０は、
潜水機が上昇している時にθ＝θ₀ となると、そのとき
の深度Ｄ₀ より所定の深度まで潜水機をさらに上昇さ
せ、その後下降させるように各時刻における深度を求め
る。定速度航行指令部１１４は、θ＝θ₀ が検出されて
から所定時間経過しても再度目標水温が検出されない場
合、潜水機を一定の速度で上昇または下降させる信号を
出力する。水温追従制御停止判断部１１６は、潜水機が
限界深度まで上昇または下降したときに、水温追従制御
を停止する信号を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、無人潜水機に係
り、特に水中の環境調査、生物学的調査などに好適な無
人潜水機の航行方法および無人潜水機に関する。

【０００２】

【従来の技術】湖沼などのｐＨ値や濁度（透明度）な
ど、または植物プランクトンなどの水質指標値や魚類な
どの水生生物を調査することは、環境破壊の実態を把握
したり、湖沼に与える周囲環境の影響の把握、環境保全
を図る上で欠かすことができない。また、水中の深さ方
向の温度分布を検出し、水温と水質や水中生物との関
係、あるいはｐＨ値と植物プランクトンの量や濁度（透
明度）との関係などを知ることは、湖沼の保護や環境保
全にとって重要である。

【０００３】従来、湖などにおいて、水温とｐＨ値や濁
度などの水質指標、水中生物との関係などを調査する場
合、湖面にボートを浮かべ、ボートから水中に温度計を
取り付けたロープを垂らして水温を検出し、調査目標と
する水温の深さの水を容器に入れて引き上げ、それを研
究室などに持ち帰って分析するようにしている。また、
海洋における調査の場合、前記のようにして採取した水
を船上で分析するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のロープを垂下して水を採取して分析する方法は、水の
サンプリングに多くの労力と時間を必要とするため、広
い範囲を詳細に調査することが困難である。また、サン
プルを研究室などに持ち帰って分析するため、結果を得
るのに長時間を要するとともに、水質が変化したり試料
を取り違えたりする危険も大きい。

【０００５】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、水温と水質と水生生物などとの
相互関係を容易、迅速に求められるようにすることを目
的としている。

【０００６】また、本発明は、水温と水質と水生生物な
どとの相互関係などを、容易に広い水域にわたって高精
度で求められうようにすることを目的としている。さら
に、本発明は、深さ方向における水温や水質指標値の変
化が大きな場合であっても、目標水温または目標水質指
標値に対して容易、確実に追従できるようにすることな
どを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１に係る無人潜水機の航行方法は、水
中を自走可能な無人潜水機の航行方法であって、前記無
人潜水機によって水温または水質指標値を検出し、予め
定められた目標水温層または目標水質指標値層を航行す
ることを特徴としている。

【０００８】また、本発明の第２に係る無人潜水機の航
行方法は、潜水機を前進かつ上昇または下降しつつ、潜
水機により水温または水質指標値を検出し、この検出値
が予め定めた目標値と一致したときに、その深度から予
め定めた移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつ
つ上昇または下降させたのち、潜水機により水温または
水質指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方
向に下降または上昇させ、この下降または上昇中に、検
出値が前記目標値と一致したときに、その深度から前記
移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつつ下降ま
たは上昇させたのち、再び潜水機により水温または水質
指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方向に
上昇または下降させ、この上昇または下降中に検出値が
前記目標値と一致したときに、その深度から前記移動深
度分だけ潜水機を前進させつつ上昇または下降させて、
前記の動作を繰り返すことを特徴としている。

【０００９】潜水機を移動深度分だけ上昇または下降さ
せたのちに、潜水機を反対方向に下降または上昇させた
場合に、予め定めた限界深度に達しても検出値が目標値
を一致しなかったときは、潜水機の上昇動作または下降
動作を停止させるようにする。

【００１０】そして、上記の航行方法を実施する本発明
に係る無人潜水機は、潜水機に搭載されて水温を検出す
る水温センサ、またはｐＨ値や濁度などの水質指標値を
検出可能な水質検出センサと、前記水温センサまたは水
質検出センサの検出値を予め定めた目標値と比較し、両
者が一致したときに一致信号を出力する比較部と、前記
潜水機に搭載されて潜水機の深度を検出する深度計と、
この深度計の検出深度に基づいて、前記潜水機が上昇中
であるか下降中であるかを判断する上下動方向判別部
と、この上下動方向判別部と前記比較部との出力信号が
入力し、前記潜水機の上昇中に前記比較部から一致信号
を受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに上
昇させたのち、潜水機を下降させる信号を出力するとと
もに、前記潜水機の下降中に前記比較部から一致信号を
受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに下降
させたのち、潜水機を上昇させる信号を出力する目標深
度演算部と、を有することを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記のごとく構成した本発明の第１に係る無人
潜水機の航行方法によれば、潜水機を、予め定めた目標
水温層または目標水質指標値層に追従して航行させるた
め、無人潜水機に各種の検出センサを搭載することによ
り、水温とｐＨ値や濁度（透明度）、植物性プランクト
ン、魚等の水生生物などとの関係、また例えばｐＨ値と
水生生物との関係など、水温、水質指標値、水中生物な
どとの相互関係を容易、迅速に求めることができる。し
かも、ほぼ連続的な測定、調査が可能となり広い水域に
わたって水温、水質指標値、水中生物などとの相互関係
を詳細に求めることができる。

【００１２】本発明の第２によれば、水温や水質指標値
が変化している水域であっても、容易に目標とする水温
または水質指標値の層を捉えて追従することができる。
すなわち、例えば湖沼における水温は、一般的に水深
（深度）が大きくなるほど低下する傾向にある。しか
し、ある水温の層が、広い水域にわたって一定の深度に
存在していることは少なく、その水温層が場所、場所に
よって上下方向に大きく変化しているのが一般的であ
る。しかも、ある場所における所定の水温層が深度の小
さい方（浅い方）に存在しているか、深度の大きい方に
存在しているかは予測することができない。

【００１３】そこで、本発明の第２においては、目標水
温または目標水質指標値を検出したときに、次の水温ま
たは水質指標の検出範囲を前回検出した深度の上下方向
に広げることにより、目標とする水温層または水質指標
値層を容易、確実に検出して目標水温層、目標水質指標
値層に追従できるようにしている。

【００１４】なお、例えば湧水や流れの存在などによっ
て、目標水温層または目標水質指標値層が存在しないこ
とも考えられる。このため、予め定めた限界深度まで潜
水機を上昇、または下降させて水温または水質指標値を
検出しても、検出値が目標値と一致しなかった場合、そ
の追従を中止して例えば深度保持制御などに切り替え
る。これにより、潜水機が水底に衝突したりするのを防
止することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係る無人潜水機の航行方
法および無人潜水機の好ましい実施の形態を、添付図面
に従って詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態
に係る無索無人潜水機の斜視図である。図１において、
潜水機１０は、機体１２が中空の金属からなる円筒タン
ク状の耐圧容器１４と、この耐圧容器１４の下部に設け
たフェアリング１６とからなっている。耐圧容器１４
は、前端部に透明なプラスチック(例えばアクリル)から
なる透明ドーム１８を有し、後端側の上部に尾翼の役割
をなすブリッジ２０が設けてある。また、耐圧容器１４
の中央部には、後述する垂直推進装置を駆動した際に水
が通流するスラスト孔２２が上下方向に貫通している。
そして、耐圧容器１４の上部には、長手方向のスラスト
孔２２の両側に、図示しない母船により潜水機１０を吊
下し、吊上げするための吊り金具２４が固定してある。

【００１６】ブリッジ２０の上部には、母船との間で位
置データや検出データなどを、超音波でやり取りするた
めのデータ伝送用トランスデューサ２６、２６が設けて
ある。さらに、ブリッジ２０には、後述するカメラ（テ
レビカメラ）によって撮影した画像データを、超音波の
画像信号にして母船に送るための画像伝送用トランスデ
ューサ２８と、潜水機１０が水上に浮上したときに自己
の位置を求めるためのＧＰＳ（Global Positioning S
ystem）アンテナ３０がもうけてあるとともに、ＤＧＰ
Ｓ（Differential Global Positioning System）ア
ンテナ３２、浮上したときに母船などと交信するための
ＳＳ無線（spread spectrum communication syste
m）アンテナ３４が取り付けてある。また、ブリッジ２
０の後端部には、浮上した潜水機１０を容易に視認でき
るように点滅装置３６が設置してある。

【００１７】透明ドーム１８の内部には、図２に示した
ように、耐圧容器１４に取り付けたテレビカメラ(カメ
ラ)３８が収納してあり、テレビカメラ３８によって水
中の状態を撮影することができるようになっている。そ
して、透明ドーム１８の周囲には、耐圧容器１４の上部
先端部と、フェアリング１６の先端部とに取り付けた３
つのバンパ４０が透明ドーム１８より突出するように設
けてあって、透明ドーム１８がダムの堤体や水中の障害
物などに衝突するのを防止している。

【００１８】フェアリング１６は、図示しないフレーム
を介して耐圧容器１４に取り付けてあって、耐圧容器１
４との間に間隙が形成され、内部に水が浸入するように
なっている。そして、フェアリング１６には、前後方向
中央部両側にブラケット４２を介して水平推進装置４４
（４４ａ、４４ｂ）が設けてあり、水平推進装置４４を
駆動することにより、潜水機１０を前進、後退および旋
回することができるようになっている。また、フェアリ
ング１６の前端部には、前方に明かりを照射するための
照明灯４６、水中の微生物などを観察することができる
水中顕微鏡４８、植物プランクトンなどの量を検出する
クロロフィル計５０、水のｐＨ値や濁度（透明度）など
を検出する環境センサ５２が配設してある。さらに、フ
ェアリング１６の前端部の内部には、前方の障害物など
を検知する前方ソナー５４、水圧から深度を求める深度
計５６、母船から吊り下された際の着水を検知する着水
センサ５８、水温を検出するための水温センサ５９（図
３参照）が配置してある。また、フェアリング１６の左
舷前側と後端とには、浮上の際に流木などの障害物を検
知する流木センサ６０が取り付けてある(図２、図３参
照)。

【００１９】耐圧容器１４に設けたスラスト孔２２は、
壁面が円筒状の壁材によって形成してあって、耐圧容器
１４とフェアリング１６とを貫通している。そして、ア
ラスト孔２２の内部には、図４に示したように、垂直推
進装置６２が配設してあり、この垂直推進装置６２を駆
動することにより、潜水機１０を下降または上昇させる
ことができる。また、フェアリング１６のスラスト孔２
２の左右方向両側には、常用バラスト投下装置６４が設
けてあり(図３参照)、常用バラスト投下装置６４によっ
てバラストを投下することにより、潜水機１０を軽くし
て所定の浮力が得られるようになっている。

【００２０】さらに、フェアリング１６の常用バラスト
投下装置６４より前方側の底部には、ドップラーソナー
６６が取り付けてあって、潜水機１０の航行速度を求め
ることができるようになっている。このドップラーソナ
ー６６の前方側には、高度ソナー６８が配置してあっ
て、水底との距離(高度)を検出することができるように
なっている。また、高度ソナー６８の前方側には、堆積
土砂センサ７０が設けてあって、湖底などに堆積した土
砂の厚さを検出できるようにしてある。そして、高度ソ
ナー６８の上方には、シリンダ構造の浮力調整装置７２
が配設してあって、シリンダ内に挿入したピストンの位
置を変えることによって、シリンダ内の浮力調整室の大
きさ（容積）を変化させて潜水機１０の浮力を微調整で
きるようになっている。

【００２１】フェアリング１６の後端部の内部には、ウ
エイト９０が設けてある（図３参照）。このウエイト９
０の上部には、非常用バラスト投下装置９２が配設して
ある。そして、ウエイト９０の直下のフェアリング１６
には、孔(図示せず)が設けてあって、潜水機１０の緊急
浮上の際などに、非常用バラスト投下装置９２によって
非常用バラストをフェアリング１６の外部に投下できる
ようになっている。さらに、フェアリング１６の内部に
は、ウエイト９０の前方側に図示しない耐圧容器に収納
した駆動電源となる電池９４が収納してある。

【００２２】なお、ブリッジ２０の内部には、母船との
交信をするためのトランスポンダ送受波器９６と制御装
置９８と、地磁気によって潜水機１０の方位を求める方
位センサ９９とが収納してある。そして、制御装置９８
には、水温追従制御部が設けたある。

【００２３】水温追従制御部１００は、図５に示したよ
うに、目標水温記憶部１０２、水温比較部１０４、基準
深度出力部１０６を有している。目標水温記憶部１０２
は、図示しない水上の母船や湖岸などから与えられた目
標水温θ₀ を記憶する。また、水温比較部１０４は、所
定の周期（例えば、１０ｍｓごと）に水温センサ５９が
検出した水温θを読み込み、目標水温記憶部１０２に格
納してある目標水温θ ₀ と比較し、両者が一致したとき
に一致信号を出力する。そして、基準深度出力部１０６
は、水温比較部１０４と深度計５６との出力信号が入力
するようになっていて、水温比較部１０４が一致信号を
出力したときに、深度計５６が出力した深度Ｄを基準深
度Ｄ₀ として出力する。

【００２４】また、水温追従制御部１００には、上下動
方向判別部１０８と、目標深度演算部１１０と、上下動
速度演算部１１２と、定速度航行指令部１１４、水温追
従制御停止判断部１１６、後述する第２の移動深度量Ｈ
_M を記憶する第２移動深度量記憶部１１８が設けてあ
る。

【００２５】上下動方向判別部１０８は、深度計５６の
出力信号から潜水機１０が上昇中であるか、下降中であ
るかを判断し、目標深度演算部１１０と上下動速度演算
部１１２とに出力する。目標深度演算部１１０は、基準
深度出力部１０６が出力した基準深度Ｄ₀ と、上下動方
向判別部１０８が出力した潜水機１０の上昇中・下降中
の判別信号と、予め与えられている第１の移動深度量Ｈ
とを用い、基準深度出力部１０８が基準深度Ｄ₀ を出力
してから、すなわち水温比較部１０４が一致信号を出力
してから所定時間内の各時刻における潜水機１０の目標
深度を求め、ルートトラッキング制御部１２６の深度制
御部１２８に出力する。また、上下動速度演算部１１２
は、水温比較部１０４（または基準深度出力部１０６）
と上下動方向判別部１０８との出力信号を受け、所定時
間内の各時刻における潜水機１０の上昇速度または下降
速度を演算し、演算結果を推力制御部１２０の垂直推力
演算部１２２に出力する。

【００２６】推力制御部１２０は、ルートトラッキング
制御部１２６からも制御信号が入力するようになってい
て、上下方向の垂直推力、前進・後退のための水平推
力、旋回推力を演算し、垂直推進装置６２と水平推進装
置４４ａ、４４ｂに出力し、予め与えられた三次元的な
航行ルートに沿って潜水機１０を航行させる。また、ル
ートトラッキング制御部１２６は、深度制御部１２８が
目標深度演算部１１０から潜水機１０の目標深度Ｄ_d が
入力すると、深度計５６の出力を読み込み、目標深度Ｄ
_d が得られるように、垂直推力演算部１２２が上下動速
度演算部１１２の出力に基づいて求めた推力を補正す
る。そして、推力制御部１２０を構成している水平推力
演算部１２４は、この水温追尾制御の場合、潜水機１０
を任意の方向（方位）に前進させる場合、予め与えられ
た一定の前進推力を出力するようにしてある。

【００２７】定速度航行指令部１１４は、深度計５６と
水温比較部１０４との出力信号に基づいて、詳細を後述
するように、潜水機１０を予め与えられた一定の速度で
上昇または下降させる定速度航行開始信号を上下動速度
演算部１１２と水温追従制御停止判断部１１６とに出力
する。また、定速度航行指令部１１４の出力信号が入力
する水温追従制御停止判断部１１６は、後述するよう
に、深度計５６と上下動方向判別部１０８との出力信号
と、第２移動深度量記憶部１１８に格納してある第２移
動深度量とから、定速度航行指令部１１４が信号を出力
してから潜水機１０が上昇または下降した深度が、所定
の限界深度に達したか否かを判断して水温追従制御を停
止する信号を出力し、例えば深度保持制御部１３０に潜
水機１０の深度保持制御を開始させる信号を与える。

【００２８】上記のごとく構成してある実施形態の潜水
機１０は、湖などの水中における水温追従制御を、次の
ようにして行なう。なお、この水温追従制御の説明にお
いては、図７に示したように、水深（深度Ｄ）が大きく
なる方向を正方向（プラス方向）としている。また、こ
の水温追従制御の説明においては、潜水機１０を一定の
方向（方位）に向けて航行する場合について説明する
が、蛇行させたり、あるいは岸に沿って航行させる場合
も同様にして行なうことができる。

【００２９】まず、図６のステップ１４０に示したよう
に、潜水機１０を追従させる目標水温θ₀ （例えば１５
℃）を水温追従制御部１００の目標水温記憶部１０２に
記憶させ、また後述するように、目標水温θ₀ を検出し
たときに、潜水機１０を一定量だけ上昇または下降させ
る第１移動深度量Ｈを水温追従制御部１００の目標深度
演算部１１０に与え、水温追従制御を停止する判断基準
の１つとなる第２移動深度量Ｈ_M を第２移動深度量記憶
部１１８に記憶させるとともに、潜水機１０の前進速度
などを設定する。

【００３０】その後、潜水機１０を潜降させつつ水温セ
ンサ５９によって水温を検出する。そして、検出水温θ
＝目標水温θ₀ となったならば、その深度よりもやや深
い位置まで潜降させ、水温追従制御のプログラムを起動
し、ステップ１４２に示したように、潜水機１０を前進
させつつ正弦波上に一周期分上下移動させる。この場
合、確実に目標水温θ₀ が検出できるように、潜水機１
０の上昇から開始することが望ましい。なお、水温追従
制御開始の指令は、水上において潜水機１０からの検出
データをもらい、水上からから超音波無線を利用して与
えてもよいし、θ＝θ₀ となったときに、自動的に起動
するようにしてもよい。

【００３１】水温追従制御部１００の水温比較部１０４
は、所定の周期（例えば１０ｍｓごと）に水温センサ５
９の出力する検出水温θを読み込み、目標水温記憶部１
０２に格納してある目標水温θ₀ と比較する（ステップ
１４４）。検出水温が目標水温と一致しないときには、
ステップ１４２、１４４が繰り返される。そして、水温
センサ５９の検出水温θが目標水温θ₀ と一致すると、
水温比較部１０４は一致信号を基準深度出力部１０６
と、上下動速度演算部１１２と、定速度航行指令部１１
４とに送出する。

【００３２】基準深度出力部１０６は、水温比較部１０
４が一致信号を出力すると、そのときの深度計５６が出
力する潜水機１０の深度を基準深度Ｄ₀ として目標深度
演算部１１０に出力する。また、水温追従制御部１００
は、上下動方向判別部１０８が深度計５６の出力に基づ
いて、潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを示
す信号を、目標深度演算部１１０、上下動速度演算部１
１２、水温追従制御停止判断部１１６に出力している。
そして、目標深度演算部１１０は、基準深度出力部１０
８から基準深度Ｄ₀ が入力すると、すなわち水温比較部
１０４が一致信号を出力すると、内部タイマを後述する
所定の時刻にリセットするとともに、ステップ１４６に
示したように、上下動方向判別部１０８の出力信号から
潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを判断す
る。また、上下動速度演算部１１２も、水温比較部１０
４が一致信号を出力すると、内部タイマを所定の時刻に
リセットし、上下動方向判別部１０８の出力信号によっ
て潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを判断す
る。

【００３３】例えば、図７に示したように、潜水機１０
が前進しつつ上昇しているときの時刻τ₁ において、す
なわちａ点において、水温センサ５９の検出水温θが目
標水温θ₀ と一致し、水温比較部１０４が一致信号を出
力したとする。このとき、目標深度演算部１１０は、基
準深度出力部１０６から基準深度Ｄ₀ （Ｄ_0a）が入力す
ると、ステップ１４８に進んで、所定の時間内に基準深
度Ｄ_0aより予め与えられた第１移動深度量Ｈ分だけ潜水
機１０を上昇させる時々刻々の目標深度Ｄ_d を演算し、
ルートトラッキング制御部１２６の深度制御部１２８に
出力する。また、上下動速度演算部１１２は、所定時間
内における潜水機１０の目標上昇速度Ｖ _d を演算し、推
力制御部１２０の垂直水力演算部１２２に与える。ステ
ップ１４６において、潜水機１０が下降中である場合
は、後述するようにステップ１６２の処理を行なう。

【００３４】この実施形態の場合、潜水機１０が目標深
度よりオーバーシュートするのを防止するため、時間の
経過とともに目標深度の変化率、上昇速度の変化率が小
さくなるようにしてある。すなわち、潜水機１０が上昇
中にθ＝θ₀ を検出した場合、目標深度演算部１１０が
出力する目標深度Ｄ_d は、

【数１】 となる。また、上下動速度演算部１２２は、

【数２】 により、潜水機１０の目標上昇速度を求める。ただし、
ここにωは任意に設定された周期であり、ｔは時間、ｔ
₀ は前記したａ点における基準の時刻（リセットした時
刻）であって、例えばｔ₀ ＝０である。

【００３５】そして、潜水機１０は、前進しつつ基準深
度Ｄ₀ からさらに上昇し、時刻τ₁から

【数３】 の時間が経過して時刻τ₂ になると、図７のｂに示した
ように、深度が極小値の（Ｄ_0a −Ｈ）になるととも
に、上昇速度が０となる（ステップ１４８）。

【００３６】潜水機１０は、目標水温θ₀ が検出されて
から、

【数４】 だけ時間が経過すると、すなわち、時刻τ₂ になって潜
水機１０が深度の極小値（Ｄ_0a −Ｈ）まで上昇する
と、一定の前進推力によって前進しつつ下降を開始する
とともに、水温追従制御部１００の水温比較部１０４が
水温センサ５９の検出水温θを読み込んで目標水温θ₀
との比較を再開する（ステップ１５０、１５２）。この
ときの潜水機１０の目標深度Ｄ_d および目標下降速度Ｖ
_d は、数式１、数式２によって求められる。そして、ス
テップ１５２において水温比較部１０４がθ＝θ₀ を判
断して一致信号を出力すると、ステップ１６２にスキッ
プして後述するステップ１６２の処理が開始される。

【００３７】ステップ１５２において一致信号が出力さ
れない場合、ステップ１５４の処理が行なわれる。すな
わち、定速度航行指令部１１４は、水温比較部１０４か
ら一致信号を受け取ると、内部タイマを所定の時刻ｔ₀
にリセットし、その時刻からπだけ時間が経過したか、
すなわち、

【数５】 となったか否かを判断する。時間πが経過していない場
合、ステップ１５０〜１５４の処理が繰り返される。そ
して、定速度航行指令部１１４は、時刻τ₁ から時間π
を経過するまでに水温比較部１０４が一致信号を出力し
ない場合、すなわち潜水機１０が図７のｃ点である深度
Ｄ_0a まで下降すると、上下動速度演算部１１２と水温
追従制御停止判断部１１６とに定速度航行開始信号を入
力する。上下動速度演算部１１２は、定速度航行指令部
１１４から信号が入力すると、潜水機１０を予め定めら
れた一定速度で下降させる目標速度Ｖ_d ＝Ｈωを推進制
御部１２０の垂直推力演算部１２２に出力する。これに
より、潜水機１０は、ステップ１５６に示したように、
毎秒Ｈωずつ深度が増加するように一定速度で下降す
る。このため、潜水機１０は、目標水温θ₀ を有する水
の層に迅速に降下することができる。

【００３８】この定速度航行中においても、水温比較部
１０４は、水温センサ５９の検出水温を目標水温と比較
している（ステップ１５８）。そして、潜水機１０が一
定速度で下降中に、図７のｄに示したように、θ＝θ₀
となって水温比較部１０４が一致信号を出力すると、ス
テップ１６２の処理が行われ、一致信号を出力しない場
合には、ステップ１６０の処理がなされる。ステップ１
６０の処理においては、水温追従制御停止判断部１１６
が、深度計５６の出力から読み取った潜水機１０の現在
深度Ｄと、第２移動深度量記憶部１１８に格納されてい
る第２移動深度量Ｈ_M とを用いて水温追従制御を中止す
るか否かを判断する。

【００３９】すなわち、水温追従制御停止判断部１１６
は、定速度航行指令部１１４から定速度航行開始信号が
入力すると、上下動方向判別部１０８の出力から潜水機
１０が下降中であることを確認し、そのときの深度計５
６の出力する深度を読み出して潜水機１０の基準深度Ｄ
_0aとする。さらに、水温追従制御停止判断部１１６は、
この基準深度Ｄ_0aに第２移動深度量記憶部１１８に記憶
されている第２移動深度量Ｈ_M を加えた限界深度（Ｄ_0a
＋Ｈ_M ）を求め、深度計５６の出力する深度検出信号か
ら潜水機１０がこの限界深度に達したか否かを判断す
る。検出深度Ｄが（Ｄ_0a＋Ｈ_M ）に達していない場合に
は、ステップ１５６に戻ってステップ１５６〜１６０の
処理が繰り返される。また、水温追従制御中止判断部１
１６は、Ｄ≧（Ｄ_0a＋Ｈ_M ）であると判断した場合、湧
水や流れの存在などによって目標水温θ₀ を有する水の
層が存在しないものとして、ステップ１６０からす１８
０に進んで水温追従制御を中止し、深度保持制御部１３
０に深度保持制御を開始させる。なお、第２移動深度量
Ｈ_M は、例えば第１移動深度量Ｈの２倍または３倍等、
任意に設定することができ、水上から所望のときに変更
可能となっている。第１移動深度量Ｈも同様である。

【００４０】ステップ１４６において、すなわち最初の
一周期の上下動における下降中、またはステップ１５
２、ステップ１５８のように、潜水機１０の下降中に水
温センサ５９の検出水温θが目標水温θ₀ となった場
合、例えば図７のｄ点（時刻τ₄）においてθ＝θ₀ と
なった場合、水温比較部１０４は基準深度出力部１０６
に一致信号を出力する。基準深度出力部１０６は、水温
比較部１０４から信号が入力すると、前記と同様にして
深度計５６の検出したそのときの深度Ｄを基準深度Ｄ₀
（Ｄ_0d）として目標深度演算部１１０に入力する。

【００４１】目標深度演算部１１０は、基準深度が入力
すると、上下動方向判別部１０８の出力信号から潜水機
１０が下降中であることを確認する。そして、目標深度
演算部１１０は、そのときの内部タイマの時刻をｔ₀ と
するとともに、予め与えられた第１移動深度量Ｈと基準
深度Ｄ₀ とにより、所定の時間内における潜水機１０の
目標深度Ｄ_d を次の数式６のように演算してルートトラ
ッキング制御部１２６に与える。また、上下動速度演算
部１１２は、水温比較部１０４から一致信号を受け取る
と、そのときの内部タイマの時刻をｔ₀ とし、所定の時
間内における潜水機１０を上下動させる目標速度Ｖ_d を
求め、次の数式７によって求め、垂直推力演算部１２２
に送出する。

【数６】

【数７】

【００４２】これにより、潜水機１０は、時間が時刻τ
₄ から

【数８】 が経過しすると、図７のｅに示したように、深度（Ｄ
_0d ＋Ｈ）に達する。このとき、潜水機１０の下降速度
は０となる。そして、潜水機１０は、

【数９】 を満足する時間が経過すると、数式６、数式７に基づい
て図７のｅ−ｆのように前進しつつ浮上を開始する（ス
テップ１６４）。

【００４３】潜水機１０が上昇を開始すると、水温比較
部１０４は、水温センサ５９の検出水温を読み込んで目
標水温と比較する（ステップ１６６）。この潜水機１０
の上昇過程において、水温センサ５９の検出水温が目標
水温と一致すると、水温比較部１０４が一致信号を基準
深度出力部１０６に出力し、ステップ１６６からステッ
プ１４８に戻り、ステップ１４８以降の潜水機１０が上
昇時にθ＝θ₀ となったときと同じ処理が行なわれる。
また、ステップ１６６において水温比較部１０４が一致
信号を出力しない場合、定速度航行指令部１１４が水温
比較部１０４から一致信号を受けてから、

【数１０】 の時間が経過したか否かを判断する。数式１０を満足す
る時間が経過していない場合、ステップ１６４に戻って
ステップ１６４からステップ１６８の処理が繰り返され
る。そして、定速度航行指令部１１４は、図７に示した
ように、時刻τ₄からπの時間が経過して潜水機１０が
ｆ点まで、すなわち基準深度Ｄ_0d まで上昇すると、定
速度航行開始信号を上下動速度演算部１１２と水温追従
制御停止判断部１１６とに出力する。

【００４４】上下動速度演算部１１２は、定速度航行指
令部１１４から信号を受けると、予め与えられた一定の
目標速度Ｖ_d ＝−Ｈωを推力制御部１２０の垂直推力演
算部１２２に出力する。これにより、潜水機１０は、一
定の水平推力によって前進するとともに、深度が毎秒Ｈ
ωずつ減少するように一定の速度で上昇する（ステップ
１７０）。また、水温比較部１０４は、この潜水機１０
の上昇中において、水温センサ５９が出力する検出水温
と目標水温とを比較する（ステップ１７２）。そして、
図７のｇに示したように、この定速度航行中に、水温セ
ンサ５９の検出水温θが基準水温θ₀ と一致すると、水
温比較部１０４が一致信号を出力し、ステップ１４８に
戻って前記したステップ１４８以降の処理が行なわれ
る。

【００４５】一方、水温追従制御停止判断部１１６は、
定速度航行指令部１１４から定速度航行開始信号を受け
取ると、ステップ１７４に示したように、水温比較部１
０４が次の一致信号を出力しない間、潜水機１０が所定
の限界深度まで上昇したか否かを判断する。すなわち、
水温追従制御停止判断部１１６は、低速航行指令部１１
４から信号が入力すると、上下動方向判別部１０８の出
力信号を読み込んで潜水機１０が上昇していることを確
認するとともに、そのときの深度計５６の検出深度Ｄを
基準深度Ｄ_0dとし、第２移動深度量記憶部１１８に格納
されている第２移動深度量Ｈ_M を読み出し、潜水機１０
の現在深度Ｄが限界深度（Ｄ_0d−Ｈ_M ）となったか否か
を判断する。深度Ｄ＞（Ｄ_0d−Ｈ_M ）である場合、ステ
ップ１７０に戻ってステップ１７０からステップ１７４
の処理を繰り返す。そして、ステップ１７４において、
Ｄ≦（Ｄ_0d−Ｈ_M ）となると、水温追従制御停止判断部
１１４は水温による追従制御の停止信号を出力し、ステ
ップ１８０に進んで深度保持制御部１３０に深度保持制
御を行なわせる。

【００４６】このように、実施の形態においては、予め
定めた水温層に沿って潜水機１０を追従させて航行させ
ることができるため、この水温層におけるｐＨ値や濁度
（透明度）、植物性プランクトンの量や水中生物の種類
などを潜水機１０に搭載した計測器類等によって知るこ
とができ、湖の周囲環境による影響の調査や環境保全の
ための資料等を容易、迅速に得ることができる。しか
も、無人で自律航行するため、広い範囲を精度よく迅速
に調査することが可能である。また、実施形態において
は、潜水機１０の上昇時に目標水温θ₀ を検出した場
合、その検出位置より予め定めた深度量だけさらに上昇
したのち下降を開始し、潜水機１０の下降時に目標水温
を検出した場合、その検出深度よりさらに深い位置まで
下降したのち上昇を開始するようにしているため、目標
水温の層が場所によって大きく変化している場合であっ
ても、確実に目標水温を検出することができる。さら
に、実施形態においては、目標水温θ₀ が検出され、潜
水機１０をさらに同方向に上昇または下降させたのち
に、反対方向に下降または上昇させたときに、限界深度
に下降または上昇しても目標水温が検出できない場合、
水温追従制御を停止するようにしているため、潜水機１
０が水底に衝突したりするのを避けることができる。

【００４７】なお、前記実施の形態においては、潜水機
１０を特定の水温層に追従して航行させる場合について
説明したが、予め定めたｐＨ値や濁度（透明度）、植物
プランクトン量の層等の水質指標値に追従した航行を行
なわせてもよい。また、前記実施形態においては、潜水
機１０の上昇過程と下降過程とのいずれにおいても水温
を検出して目標水温と比較する場合について説明した
が、深度による水温の変化が小さいときなどの場合、次
のような航行制御を行なってもよい。

【００４８】すなわち、前記と同様にして目標水温θ₀
などを設定して潜水機１０を潜降させ、θ＝θ₀ となっ
たときに、さらにその深度より深い位置に潜降させる。
その後、前記と同様にして潜水機１０を正弦波状に一周
期上下動させて目標水温を検出する。潜水機１０の上昇
中に目標水温θ₀ が検出されたならば、そのときの深度
を基準深度Ｄ₀ 、そのときの時刻をｔ₀ とする。そし
て、目標温度θ₀ を検出した深度Ｄ₀ を中心にして、目
標深度Ｄ_d と目標上下動速度Ｖ_d を、

【数１１】

【数１２】 のようにして潜水機１０を一定の振幅で上下運動させ
る。

【００４９】一方、潜水機１０の下降中に目標水温θ₀
が検出された場合、そのときの深度Ｄを基準深度Ｄ₀ 、
そのときの時刻をｔ₀ とし、基準深度Ｄ₀ を中心にして
目標深度Ｄ_d と目標上下速度Ｖ_d を、

【数１３】

【数１４】 のようにして潜水機１０を一定の振幅で上下運動させて
もよい。

【００５０】さらに、このＤ₀ を中心に一定の深度範囲
（Ｄ₀ ±Ｈ）で潜水機１０を上下移動させたときに、さ
らに水温の検出を行ない、新たにθ＝θ₀ となった深度
を基準深度Ｄ₀ とし、上記数式１１ないし数式１４によ
る航行制御を行なってもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の第１に
係る無人潜水機の航行方法によれば、潜水機を、予め定
めた目標水温層または目標水質指標値層に追従して航行
させるため、無人潜水機に各種の検出センサを搭載する
ことにより、水温とｐＨ値や濁度（透明度）、植物性プ
ランクトン、魚等の水生生物などとの関係、また例えば
ｐＨ値と水生生物との関係など、水温、水質指標値、水
中生物などとの相互関係を容易、迅速に求めることがで
きる。しかも、ほぼ連続的な測定、調査が可能となり広
い水域にわたって水温、水質指標値、水中生物などとの
相互関係を詳細に求めることができる。

【００５２】本発明の第２の航行方法によれば、水温や
水質指標値が変化している水域であっても、容易に目標
とする水温または水質指標値の層を捉えて追従すること
ができる。すなわち、本発明の第２においては、目標水
温または目標水質指標値を検出したときに、次の水温ま
たは水質指標の検出範囲を前回検出した深度の上下方向
に広げることにより、目標とする水温層または水質指標
値層を容易、確実に検出して目標水温層、目標水質指標
値層に追従できるようにしている。また、予め定めた限
界深度まで潜水機を上昇、または下降させて水温または
水質指標値を検出しても、検出値が目標値を一致しなか
った場合、その追従を中止して例えば深度保持制御など
に切り替えるようにしており、潜水機が水底に衝突した
りするのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の斜視図
である。

【図２】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の正面図
である。

【図３】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の側面図
である。

【図４】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の平面図
である。

【図５】実施の形態に係る水温追従制御部のブロック図
である。

【図６】実施の形態に係る水温追従制御部の作用を説明
するフローチャートである。

【図７】実施の形態に係る水温追従制御部の作用を説明
する図である。

【符号の説明】

１０………潜水機、１２………機体、１４………耐圧容
器、１６………フェアリング、３８………テレビカメ
ラ、４４ａ、４４ｂ………水平推進装置、４６………照
明灯、４８………水中顕微鏡、５０………クロロフィル
計、５２………環境センサ、５６………深度計、５９…
……水温センサ、６２………垂直推進装置、６６………
ドップラーソナー、６８………高度ソナー、１００……
…水温追従制御部、１０２………目標水温記憶部、１０
４………水温比較部、１０６………基準深度出力部、１
０８………上下動方向判別部、１１０………目標深度演
算部、１１２………上下動速度演算部、１１４………定
速度航行指令部、１１６………水温追従制御停止判断
部、１１８………第２移動深度量記憶部、１２０………
推力制御部、１２６………ルートトラッキング制御部。

フロントページの続き (72)発明者 細谷 徳男 東京都中央区築地５丁目６番４号 三井造 船株式会社内 (72)発明者 熊谷 道夫 滋賀県大津市打出浜１−10 滋賀県琵琶湖 研究所内 (72)発明者 二階堂 義則 大阪府枚方市山田池北町10−１ 建設省近 畿地方建設局 淀川ダム統合管理事務所内 (72)発明者 浦 環 東京都杉並区西荻北３−28−６

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中を自走可能な無人潜水機の航行方法
   であって、前記無人潜水機によって水温または水質指標
   値を検出し、予め定められた目標水温層または目標水質
   指標値層を航行することを特徴とする無人潜水機の航行
   方法。
2. 【請求項２】 潜水機を前進かつ上昇または下降しつ
   つ、潜水機により水温または水質指標値を検出し、 この検出値が予め定めた目標値と一致したときに、その
   深度から予め定めた移動深度分だけ、潜水機を同方向に
   前進させつつ上昇または下降させたのち、 潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、潜水
   機を前進させつつ反対方向に下降または上昇させ、 この下降または上昇中に、検出値が前記目標値と一致し
   たときに、その深度から前記移動深度分だけ、潜水機を
   同方向に前進させつつ下降または上昇させたのち、 再び潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、
   潜水機を前進させつつ反対方向に上昇または下降させ、 この上昇または下降中に検出値が前記目標値と一致した
   ときに、その深度から前記移動深度分だけ潜水機を前進
   させつつ上昇または下降させて、 前記の動作を繰り返すことを特徴とする無人潜水機の航
   行方法。
3. 【請求項３】 前記潜水機を前記移動深度分だけ上昇ま
   たは下降させたのちに、前記潜水機を反対方向に下降ま
   たは上昇させた場合に、予め定めた限界深度に達しても
   前記検出値が前記目標値を一致しなかったときは、前記
   潜水機の上昇動作または下降動作を停止することを特徴
   とする請求項２に記載の無人潜水機の航行方法。
4. 【請求項４】 潜水機に搭載されて水温を検出する水温
   センサ、またはｐＨ値や濁度などの水質指標値を検出可
   能な水質検出センサと、 前記水温センサまたは水質検出センサの検出値を予め定
   めた目標値と比較し、両者が一致したときに一致信号を
   出力する比較部と、 前記潜水機に搭載されて潜水機の深度を検出する深度計
   と、 この深度計の検出深度に基づいて、前記潜水機が上昇中
   であるか下降中であるかを判断する上下動方向判別部
   と、 この上下動方向判別部と前記比較部との出力信号が入力
   し、前記潜水機の上昇中に前記比較部から一致信号を受
   けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに上昇さ
   せたのち、潜水機を下降させる信号を出力するととも
   に、前記潜水機の下降中に前記比較部から一致信号を受
   けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに下降さ
   せたのち、潜水機を上昇させる信号を出力する目標深度
   演算部と、を有することを特徴とする無人潜水機。