JP2007210402A - Autonomous unmanned submersible and its underwater navigation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水中ステーションに自動運転で帰還してバッテリー充電や陸上とのデータ通信等を行う自律型無人潜水機およびその水中航行方法に関するものである。 The present invention relates to an autonomous unmanned submarine that automatically returns to an underwater station and performs battery charging, data communication with land, and the like, and an underwater navigation method thereof.
従来から、海底調査等を行うために、有索無人潜水機(ROV:Remotely Operated Vehicle)や自律型無人潜水機(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)が利用されているが、水中では母船からの支援を必要とせず、母船が荒天下であっても運用できると共に、複数の潜水機を用いて広域で同時観測が可能となる等の利点から、近年は自律型無人潜水機の開発が進められている。 Traditionally, ROVs (Remotely Operated Vehicles) and autonomous underwater vehicles (AUVs) have been used for undersea surveys, but support from mother ships is underwater. In recent years, autonomous unmanned submersibles have been developed due to advantages such as being able to operate even in rough weather and enabling simultaneous observation over a wide area using multiple submersibles. .
このような自律型無人潜水機は内蔵バッテリー等を用いて航走するため、水中でバッテリー充電を行う手法が提案されている。例えば、特許文献1では、自律型無人潜水機に捕捉アームが設けられ、水中ステーションには捕捉アームのフックを引っ掛けて結合位置に案内する捕捉位置決め装置が設けられており、捕捉位置決め装置で位置決めされた潜水機が水中ステーションにドッキングしてバッテリー充電やデータ交換等が行われるようになっている。
Since such an autonomous unmanned submersible uses an internal battery or the like, a method for charging the battery underwater has been proposed. For example, in
ところで、自律型無人潜水機が水中ステーションまで自動運転で帰還するためには、航行中の潜水機が水中ステーションの位置を常に把握しておく必要があり、且つ、水中ステーションとの衝突等による機器の破損を避けるためには適切な潜水機の運動制御を行う必要があるが、そのためのものとして推測航法や音響測位が存在する。 By the way, in order for an autonomous unmanned submersible to return to the underwater station by automatic operation, it is necessary for the underwater station to always keep track of the position of the underwater station, and equipment caused by a collision with the underwater station, etc. In order to avoid the damage of the submarine, it is necessary to control the motion of the appropriate submersible, but there are dead reckoning navigation and acoustic positioning.
推測航法は、船体の姿勢変化を検出する装置(ジャイロ、方位計、姿勢計等)と、船体の速度変化を検出する装置(加速度計、速度計)等を組み合わせて使用し、出発点からの速度や姿勢の変化を累積計算していくことにより自己位置を把握するものである。潜水機は、この推測航法を利用して自己位置を把握しながら航行し、所定位置に固定された水中ステーションに自動ドッキングを行うことが考えられる。また、推測航法では比較的短い周期で運動変化を把握できるため、潜水機の運動制御にも推測航法を用いることが多い。しかし、推測航法では、自己位置の算出に速度の1回積分や加速度の2回積分を用いるため、姿勢、速度、加速度の計測誤差が累積的に増大し、時間経過とともに位置ドリフトが発生して自己位置の検出精度が低下するという問題がある。そうすると、正確な水中ステーションの位置を得ることができず、潜水機の水中ステーションへの自動ドッキングを実現することが不可能となる。 Dead reckoning uses a combination of devices that detect hull attitude changes (gyros, bearing meters, attitude meters, etc.) and devices that detect hull speed changes (accelerometers, speedometers, etc.). Self-position is grasped by accumulatively calculating changes in speed and posture. It is conceivable that the submarine navigates while grasping its own position using this dead reckoning navigation and performs automatic docking to an underwater station fixed at a predetermined position. In addition, dead reckoning navigation can be used to grasp movement changes in a relatively short cycle, so dead reckoning navigation is often used for submarine movement control. However, dead reckoning navigation uses one-time integration of velocity and two-time integration of acceleration to calculate the self-position, so that posture, velocity, and acceleration measurement errors increase cumulatively, and position drift occurs over time. There is a problem that the self-position detection accuracy is lowered. If it does so, the exact position of the underwater station cannot be obtained, and it becomes impossible to realize automatic docking of the diving machine to the underwater station.
一方、音響測位は、水中ステーションに設置されたトランスポンダの方位および相対距離を測定することが可能であり、潜水機はこの音響測位を利用してトランスポンダの位置を検出しながら航行し、水中ステーションに自動ドッキングを行うことが考えられる。この音響測位によく用いられる測位方法には、LBL(Long Base Line)方式、SBL(Short Base Line)方式、SSBL(Super Short Base Line)方式の3種類がある。LBL方式はトランスポンダを3つ以上使用し、各トランスポンダからの応答音を受信するまでの時間から、各トランスポンダまでの距離を測位して自身の位置を求めるものである。また、SBL方式は、船体上に間隔をあけて配した3個の受波器で海底に設置した1つのトランスポンダからの応答を受信し、トランスポンダとの相対位置(距離、方位等)を求めるものである。また、SSBL方式は1つのトランスポンダを用い、応答音到達時間から直距離を計算し、また受波器アレイ内の各素子への到達音波の位相差をもとにトランスポンダの方位、伏角を計算して、これから相対位置を求めるものである。LBL方式はSSBL方式に比べ測位精度が高いが、トランスポンダが複数必要となると共に、それぞれのトランスポンダを離して配置する必要があるため水中ステーション側のシステム規模が大きくなってしまう。また、SBL方式は受波器の間隔を大きくとることができない小型ヴィークルには不向きである。したがって、自律型無人潜水機を水中ステーションに自動ドッキングさせるためには、トランスポンダおよび受波器が1つで済み、システム規模をコンパクトにできるSSBL方式を採用するのが現実的である。
しかしながら、水中ステーションにドッキングするためには、そのドッキング位置に正しくアプローチする必要があるが、SSBL方式は、角度検出誤差と距離検出誤差を併せた位置誤差が生じ、且つ、サンプリング時間間隔に幅があり検出頻度も低いため、アプローチのための位置制御でドッキング可能な精度が得られないという問題が生じる。 However, in order to dock the underwater station, it is necessary to approach the docking position correctly. However, the SSBL method generates a position error that combines the angle detection error and the distance detection error, and the sampling time interval is wide. Since there is a low detection frequency, there arises a problem that the dockable accuracy cannot be obtained by the position control for the approach.
そこで、本発明は、音響測位による測位精度を向上させ、潜水機の適切なアプローチによる水中ステーションへの自動ドッキングを可能とすることを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to improve positioning accuracy by acoustic positioning and enable automatic docking to an underwater station by an appropriate approach of a submersible.
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る自律型無人潜水機は、仮想の固定座標上における自己位置を運動履歴の算出により計算可能な推測航法装置と、水中に設置されたトランスポンダの相対距離および方位を音響測位により検出可能な音響測位装置と、前記推測航法装置で計算される固定座標上の自己位置に対して、前記音響測位装置で検出される前記トランスポンダの相対距離および方位を組み合わせることで、前記トランスポンダの固定座標上における位置を算出する自律航行制御装置とを備えていることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and the autonomous unmanned submersible according to the present invention includes a dead reckoning navigation device capable of calculating a self-position on a virtual fixed coordinate by calculating a motion history, An acoustic positioning device capable of detecting the relative distance and direction of a transponder installed in water by acoustic positioning, and the self-position on a fixed coordinate calculated by the dead reckoning navigation device detected by the acoustic positioning device An autonomous navigation control device that calculates the position of the transponder on fixed coordinates by combining the relative distance and direction of the transponder is provided.
このようにすると、海底などに固定されたトランスポンダの位置測位において、推測航法で取得される潜水機の固定座標上の自己位置データに対して、音響測位で取得されるトランスポンダまでの方位・距離データを組み合わせることで、目標位置となるトランスポンダ位置を固定座標上で算出することができる。即ち、移動する潜水機を基準として音響測位のみによりトランスポンダの位置を把握するのではなく、推測航法における固定座標を基準としてトランスポンダの検出位置を把握するので、音響測位を利用しながらもトランスポンダ位置を固定座標上で取り扱うことが可能となる。また、音響測位装置がトランスポンダと交信可能なエリアに入ってから推測航法装置の位置データをもとに固定座標を仮想的に形成すればよいので、推測航法でのデータは出発点から累積して使用する必要がなくなり、推測航法の誤差の影響も大幅に低減することができる。 In this way, in the position measurement of the transponder fixed on the seabed etc., the azimuth / distance data to the transponder acquired by acoustic positioning with respect to the self-position data on the fixed coordinates of the submarine acquired by dead reckoning navigation By combining these, the transponder position that is the target position can be calculated on fixed coordinates. That is, rather than grasping the position of the transponder only by acoustic positioning based on the moving submarine, the position of the transponder is grasped based on the fixed coordinates in dead reckoning navigation, so the position of the transponder can be determined while using acoustic positioning. It can be handled on fixed coordinates. In addition, fixed coordinates should be virtually formed based on the position data of the dead reckoning device after entering the area where the acoustic positioning device can communicate with the transponder, so the dead reckoning data is accumulated from the starting point. This eliminates the need for use and can greatly reduce the influence of dead reckoning error.
なお、本願では推測航法は慣性航法やデッド・レコニングなど運動履歴の算出により自己位置計算が可能な航法を意味している。また、推測航法装置、音響測位装置および自律航行制御装置は、それぞれ別体であっても一体であってもよい。 In the present application, dead reckoning navigation means navigation capable of self-position calculation by calculation of motion history such as inertial navigation and dead reckoning. Further, the dead reckoning device, the acoustic positioning device, and the autonomous navigation control device may be separate or integrated.
前記自律航行制御装置は、過去に算出されたトランスポンダ位置の履歴情報を用いて、固定座標上における前記トランスポンダの位置を補正する構成としていてもよい。 The autonomous navigation control device may be configured to correct the position of the transponder on a fixed coordinate using history information of the transponder position calculated in the past.
このようにすると、過去に算出された複数のトランスポンダ位置データを用いることで、音響測位装置の測位結果のバラツキを補正して、音響測位の誤差を低減することが可能となる。 In this way, by using a plurality of transponder position data calculated in the past, it is possible to correct variations in the positioning result of the acoustic positioning device and reduce acoustic positioning errors.
前記自律航行制御装置は、過去に算出された複数のトランスポンダ位置を空間平均して、固定座標上における前記トランスポンダの位置を補正する構成としていてもよい。 The autonomous navigation control device may be configured to spatially average a plurality of transponder positions calculated in the past and correct the position of the transponder on fixed coordinates.
このようにすると、推測航法装置の位置データを基準として固定座標を設定し、音響測位の測位毎の位置データを固定座標を基準に空間平均することで、より正確なトランスポンダの位置データを求めることができる。その際、測位誤差の影響を更に抑制するため、測位毎に算出された各トランスポンダ位置データのうち、その空間平均位置との距離が大きいものから順に所定数のトランスポンダ位置データを除外し、再度、空間平均処理を行ってもよい。あるいは、測位毎に算出された各トランスポンダ位置データのうち、その空間平均位置から所定距離以上離れたトランスポンダ位置データについては除外して、再度、空間平均処理を行ってもよい。 In this way, more accurate transponder position data can be obtained by setting fixed coordinates based on the position data of the dead reckoning navigation device and spatially averaging the position data for each of the acoustic positioning positions based on the fixed coordinates. Can do. At that time, in order to further suppress the influence of positioning error, out of each transponder position data calculated for each positioning, exclude a predetermined number of transponder position data in descending order of the distance to the spatial average position, again, Spatial averaging processing may be performed. Alternatively, among the transponder position data calculated for each positioning, the transponder position data that is more than a predetermined distance away from the spatial average position may be excluded and the spatial average process may be performed again.
前記自律航行制御装置は、今回算出されたトランスポンダ位置にフィルタ係数α(0<α<1)を掛けたものと、前回補正されたトランスポンダ位置に1−αを掛けたものとを和算するフィルタ処理を行うことで、固定座標上における前記トランスポンダの位置を補正する構成としていてもよい。 The autonomous navigation control device adds a filter coefficient α (0 <α <1) multiplied by the transponder position calculated this time and a value obtained by multiplying the previously corrected transponder position by 1-α. It may be configured to correct the position of the transponder on fixed coordinates by performing processing.
このようにすると、推測航法装置の位置データを基準として設定された固定座標上で算出されたトランスポンダ位置データを前記フィルタ処理することで、より正確なトランスポンダの位置データを求めることができる。 In this way, more accurate transponder position data can be obtained by filtering the transponder position data calculated on fixed coordinates set with reference to the position data of the dead reckoning navigation apparatus.
前記フィルタ係数は、今回算出されたトランスポンダ位置と前回補正されたトランスポンダ位置との間の距離に反比例する変数としてもよい。 The filter coefficient may be a variable inversely proportional to the distance between the transponder position calculated this time and the previously corrected transponder position.
このようにすると、前回補正された固定座標上のトランスポンダ位置からの距離が大きく誤差が大きいと判断される測位値に関しては、フィルタ係数が小さくなって補正処理への反映度が小さくなる一方、前回補正された固定座標上のトランスポンダ位置からの距離が小さく誤差が小さいと判断される測位値に関しては、フィルタ係数が大きくなって補正処理への反映度は大きくなるので、トランスポンダ位置の検出精度が向上すると共に補正処理の収束性も向上する。なお、フィルタ係数は定数としてもよい。 In this way, for a positioning value that is determined to have a large distance from the transponder position on the fixed coordinates corrected last time and a large error, the filter coefficient becomes small and the degree of reflection in the correction process decreases. For positioning values that are judged to have a small distance from the corrected transponder position on the fixed coordinates and have a small error, the filter coefficient increases and the degree of reflection in the correction process increases, improving the detection accuracy of the transponder position. In addition, the convergence of the correction process is improved. Note that the filter coefficient may be a constant.
前記自律航行制御装置は、前記算出されたトランスポンダの固定座標上における位置から所定の距離および方位にあるドッキング進入ポイントを算出し、該ドッキング進入ポイントを経由した航路を設定する構成となっていてもよい。 The autonomous navigation control device may be configured to calculate a docking approach point at a predetermined distance and azimuth from the calculated position of the transponder on fixed coordinates and set a route via the docking approach point. Good.
このようにすると、水中ステーションにドッキングすべく帰還する際に、水中ステーションに直接帰還するのではなく、一旦は水中ステーションの進入方向にある仮想のドッキング進入ポイントに到着してから、進入ラインに沿って水中ステーションに向かうことで、正しい方向および姿勢で水中ステーションに進入することができ、円滑にドッキング動作を行うことが可能となる。 This way, when returning to dock to the underwater station, instead of returning directly to the underwater station, once you arrive at the virtual docking entry point in the entry direction of the underwater station, By heading to the underwater station, it is possible to enter the underwater station in the correct direction and posture, and it is possible to smoothly perform the docking operation.
船体を移動あるいは姿勢変化させる推力装置と、前記水中ステーション上に設置されたガイド部材に接触して所定位置に前記船体を導くガイドアームと、前記ガイドアームが前記ガイド部材に接触したことを検出するセンサと、をさらに備え、前記自律航行制御装置は、前記センサにより前記ガイドアームが前記ガイド部材に接触したことが検出されると、前記推力装置の動作状態を現状のままホールドさせる構成としてもよい。なお、ここでいう「移動」は上下・左右の平行移動と旋回移動を含む概念であり、「姿勢変化」はピッチ方向やヨウ方向に船首を動かす変化を表す概念である。 A thrust device that moves or changes the attitude of the hull, a guide arm that contacts a guide member installed on the underwater station and guides the hull to a predetermined position, and detects that the guide arm contacts the guide member And the autonomous navigation control device may be configured to hold the operating state of the thrust device as it is when the sensor detects that the guide arm has contacted the guide member. . Here, “movement” is a concept including up / down / left / right parallel movement and turning movement, and “posture change” is a concept representing a change of moving the bow in the pitch direction or the yaw direction.
このようにすると、潜水機が水中ステーションへの進入ライン上を前進し、多少の上下・左右の位置ズレが発生しても、ガイド部材にガイドアームを案内させることで、自律型無人潜水機の上下・左右位置を機械的に自動修正させて水中ステーションへの自動ドッキングを実現することができる。その際、測位誤差等により目標とするトランスポンダの位置が現実の位置から例えば左右にずれた場合、左右位置制御の動作方向と、ガイド機構による位置ずれ修正の動作方向が反対となり干渉を起こすことが考えられる。 In this way, even if the submarine moves forward on the entry line to the underwater station and a slight vertical / horizontal misalignment occurs, the guide arm is guided by the guide member, so that the autonomous unmanned submersible Automatic docking to the underwater station can be realized by automatically correcting the vertical and horizontal positions. At that time, if the target transponder position deviates from the actual position, for example, to the left or right due to a positioning error or the like, the operation direction of the left / right position control and the operation direction of the position shift correction by the guide mechanism may be opposite to cause interference. Conceivable.
そこで、センサによりガイドアームがガイド部材に接触したことが検出されると、左右位置制御の指令値をその時点の値でホールドさせるようにすることで、潮流等の外乱による左右方向の外力をキャンセルして、ガイド機構による位置ずれ修正の動作をスムーズにすることが可能となる。また、ホールド処理は、潮流等の外乱の方向・方位に応じて上下位置制御や姿勢制御をホールドさせてもよい。 Therefore, when the sensor detects that the guide arm is in contact with the guide member, the external force in the lateral direction due to disturbance such as tidal current is canceled by holding the command value for the lateral position control at the value at that time. As a result, the operation of correcting the misalignment by the guide mechanism can be made smooth. Further, in the hold process, the vertical position control and the attitude control may be held in accordance with the direction and direction of disturbance such as tidal current.
水中底面からの距離である高度を検出可能な高度ソーナーと、水表面からの距離である深度を検出可能な深度センサとを備え、前記自律航行制御装置は、前記高度ソーナーで検出される高度と前記深度センサで検出される深度とを合わせて水中底面までの全深度を算出し、該全深度と予め設定された目標高度との差を目標深度として求め、該目標深度と前記深度センサで検出される深度との偏差が小さくなるように制御する構成としてもよい。 An altitude sonar capable of detecting an altitude that is a distance from the bottom of the underwater and a depth sensor capable of detecting a depth that is a distance from the water surface, and the autonomous navigation control device includes an altitude detected by the altitude sonar Combined with the depth detected by the depth sensor, the total depth to the bottom of the water is calculated, the difference between the total depth and a preset target altitude is obtained as the target depth, and the target depth and the depth sensor are detected. It is good also as a structure controlled so that the deviation with the depth to be made becomes small.
このようにすると、高度ソーナーと深度センサの両者を利用しているため、潜水機を目標地点に到達させる際に高さ方向についても正しく位置制御することができる。その際、一般的に音波による検出でサンプリング時間間隔に幅があるが信頼性が高い高度ソーナーと、一般的に水圧による検出で水表面の昇降に影響されるが連続的にサンプリングできる深度センサとを組み合わせることで、連続性があり且つ信頼性の高い制御を行うことが可能となる。 In this way, since both the altitude sonar and the depth sensor are used, the position of the submarine can be correctly controlled in the height direction when reaching the target point. At that time, an advanced sonar that has a wide sampling time interval but is generally reliable in detection by sound waves, and a depth sensor that can be sampled continuously, although it is generally affected by the rise and fall of the water surface by detection by water pressure By combining the two, it is possible to perform control with continuity and high reliability.
また、本発明の自律型無人潜水機の水中航行方法は、仮想の固定座標上における自己位置を推測航法により検出し、水中ステーションに設置されたトランスポンダの相対距離および方位を音響測位により検出し、推測航法で検出された固定座標上の自己位置に対して、前記音響測位で検出された前記トランスポンダの相対距離および方位を組み合わせることで、目標となる前記トランスポンダの固定座標上における位置を算出することを特徴とする。 Further, the underwater navigation method of the autonomous unmanned submersible of the present invention detects the self-position on virtual fixed coordinates by dead reckoning navigation, detects the relative distance and azimuth of the transponder installed in the underwater station by acoustic positioning, Calculating the position of the target transponder on the fixed coordinates by combining the relative distance and direction of the transponder detected by the acoustic positioning with the self-position on the fixed coordinates detected by dead reckoning. It is characterized by.
このようにすると、上述したように、移動する潜水機を基準としてトランスポンダの位置を把握するのではなく、推測航法による固定座標を基準として音響測位装置によりトランスポンダの検出位置を把握するので、測位誤差を低減することができる。 In this case, as described above, the position of the transponder is not grasped on the basis of the moving submarine, but the detection position of the transponder is grasped by the acoustic positioning device on the basis of the fixed coordinates by dead reckoning navigation. Can be reduced.
また本発明の自律型無人潜水機は、仮想の固定座標上における自己位置を運動履歴の算出により計算可能な推測航法装置と、水中に設置されたトランスポンダに対する自己の相対距離および方位を音響測位により検出可能な音響測位装置と、前記推測航法装置で計算される固定座標上の自己位置と、固定座標上のトランスポンダ位置に前記音響測位装置で検出される前記相対距離および方位を合わせることで計算される固定座標上の自己位置とを用い、固定座標上における自己位置を補正する自律航行制御装置とを備えていることを特徴とする。 In addition, the autonomous unmanned submersible of the present invention is a dead reckoning navigation device capable of calculating its own position on a virtual fixed coordinate by calculating a motion history, and its relative distance and direction with respect to a transponder installed in water by acoustic positioning. Detectable acoustic positioning device, self-position on fixed coordinates calculated by dead reckoning navigation device, and relative distance and direction detected by acoustic positioning device to the transponder position on fixed coordinates are calculated And an autonomous navigation control device that corrects the self-position on the fixed coordinates using the self-position on the fixed coordinates.
このようにすると、音響測位で取得されるトランスポンダからの自己の相対距離・方位データだけでなく、推測航法で取得される潜水機の固定座標上の自己位置データも用いることで、固定座標上における自己位置を精度よく補正することができる。 In this way, not only the self-relative distance / direction data from the transponder obtained by acoustic positioning, but also the self-position data on the fixed coordinates of the submarine acquired by dead reckoning navigation can be used. The self-position can be corrected with high accuracy.
前記自律航行制御装置は、前記推測航法装置で過去に算出された複数の自己位置と、前記音響測位装置で過去に算出された複数の自己位置との各偏差を求め、該各偏差の平均を現在の自己位置に合算して、固定座標上における自己位置を補正する構成としてもよい。なお、現在の自己位置は、推測航法装置あるいは音響測位装置のいずれで得られるものでもよい。 The autonomous navigation control device obtains each deviation between a plurality of self-positions calculated in the past by the dead reckoning device and a plurality of self-positions calculated in the past by the acoustic positioning device, and calculates an average of the deviations. It is good also as a structure which correct | amends the self position on a fixed coordinate by adding to the present self position. The current self-position may be obtained by either dead reckoning navigation device or acoustic positioning device.
このようにすると、推測航法装置で時系列的に得られる複数の自己位置と、音響測位装置で時系列的に得られる複数の自己位置との間でそれぞれ偏差をとり、その各偏差を平均して得られる平均偏差を現在の自己位置に反映させて補正しているので、より正確な自己位置データを求めることができる。その際、測位誤差の影響を更に抑制するため、測位毎に算出された各自己位置データのうち、補正位置との距離が大きいものから順に所定数の自己位置データを除外し、再度、偏差平均処理を行ってもよい。あるいは、測位毎に算出された各自己位置データのうち、その補正位置から所定距離以上離れた自己位置データについては除外して、再度、偏差平均処理を行ってもよい。 In this way, a deviation is taken between a plurality of self-positions obtained in time series by the dead reckoning navigation device and a plurality of self-positions obtained in time series by the acoustic positioning device, and each deviation is averaged. Since the average deviation obtained in this way is corrected by reflecting it in the current self-position, more accurate self-position data can be obtained. At that time, in order to further suppress the influence of positioning error, a predetermined number of self-position data is excluded from the self-position data calculated for each positioning in descending order of the distance from the correction position, and again the deviation average Processing may be performed. Alternatively, among the self-position data calculated for each positioning, self-position data that is a predetermined distance or more away from the correction position may be excluded and the deviation averaging process may be performed again.
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、水中配置されたトランスポンダの位置測位において、移動する潜水機を基準としてトランスポンダの位置を把握するのではなく、推測航法装置で把握される固定座標上の自己位置データを基準とし、音響測位装置で取得されるトランスポンダまでの方位・距離データを組み合わせて、目標となるトランスポンダの位置を測位しているので、測位精度を向上させることが可能となる。また、過去に算出された複数のトランスポンダ位置に空間平均処理あるいはフィルタ処理を行えば、固定座標上におけるトランスポンダの位置が補正されて、正確なトランスポンダの位置データを求めることが可能となる。また、推測航法で計算される固定座標上の自己位置と、音響測位で検出される固定座標上のトランスポンダ位置に対する自己相対距離および方位を合わせることで計算される固定座標上の自己位置とを用れば、固定座標上における自己位置を補正することもできる。 As is clear from the above description, according to the present invention, in the position measurement of the transponder arranged underwater, the position of the transponder is not grasped on the basis of the moving submarine but is fixed by the dead reckoning navigation device. Since the position of the target transponder is measured by combining the azimuth and distance data to the transponder acquired by the acoustic positioning device with reference to the self-position data on the coordinates, it is possible to improve the positioning accuracy Become. Further, if a spatial averaging process or a filter process is performed on a plurality of transponder positions calculated in the past, the position of the transponder on the fixed coordinates is corrected, and accurate position data of the transponder can be obtained. In addition, the self-position on the fixed coordinates calculated by dead reckoning and the self-position on the fixed coordinates calculated by matching the self-relative distance and direction to the transponder position on the fixed coordinates detected by acoustic positioning are used. If so, the self-position on the fixed coordinates can be corrected.
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1(a)は本発明の第1実施形態に係る自律型無人潜水機1および水中ステーション20を示す側面図、(b)は平面図である。自律型無人潜水機1はバッテリー(図示せず)を動力源として航行し、オペレータの操作、信号線、動力線を必要とせず、自律的に海洋観測や海底探索を行うものである。そして、バッテリー電力が低下すれば、自律型無人潜水機1は水中ステーション20にドッキングしてバッテリー充電を行い、同時に水中での取得データを水中ステーション20を介して陸上に送信したり、陸上からの指令を水中ステーション20を介して受信するものとしている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1A is a side view showing the autonomous
図1(a)(b)に示すように、水中ステーション20は、進入ラインELに沿って長尺で海底に固定される板状部材であり、進入ラインEL上の奥側(進入側と反対側)にトランスポンダ23が立設されている。このトランスポンダ23より進入側の進入ラインEL上には自律型無人潜水機1の船体2を位置決めする嵌合部材24が立設されている。この嵌合部材24の進入側の進入ラインEL上には自律型無人潜水機1に内蔵されたバッテリー(図示せず)に非接触給電(誘導給電)により充電やデータ通信等を行うコネクタ25が立設されている。
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
このコネクタ25の進入側の進入ラインEL上には、自律型無人潜水機1を所定位置に案内するフレーム状のガイド部材21が立設されている。ガイド部材21は、平面視で略V字状に形成されたテーパ部21c、21dと、このテーパ部21c、21dの奥端(進入側と反対側の端部)に連続して進入ラインELと平行である直線部21e、21fと、この直線部21e、21fの奥端で左右に突出した捕捉部22A、22Bとを備えている。テーパ部21cとテーパ部21dとの連結箇所と、テーパ部21c、21dと直線部21e、21fとの連結箇所からは支持脚部21a、21bが垂設されて水中ステーション20に固定されている。
On the entry line EL on the entry side of the
自律型無人潜水機1は、船体2の前側先端に前方の障害物との距離を測定する前部ソーナー8を備えていると共に、船体2の底面後側に下方の障害物(海底や水中ステーション等)との距離を音波測定する高度ソーナー9を備えている。
The autonomous
船体2の最後部には前進する推力を発生させる主推進器11が設けられている。船体2の前部には、上下方向の推力を発生させる前部垂直スラスタ6Aと、左右方向の推力を発生させる前部水平スラスタ7Aとが設けられている。また、船体2の後部にも、上下方向の推力を発生させる後部垂直スラスタ6Bと、左右方向の推力を発生させる前部水平スラスタ7Bとが設けられている。すなわち、この自律型無人潜水機1は主推進器11による前後方向、垂直スラスタ6A、6Bによる上下方向・ピッチ方向、水平スラスタ7A、7Bによる回頭・並進の5自由度について制御可能となっている。
A
船体2の底面前側には、水中ステーション20の嵌合部材24と嵌合して船体2を位置決め固定する被嵌合部材12が設けられている。船体2の底面中央には、水中ステーション20のコネクタ25と嵌合して非接触給電(誘導給電)により船体2に内蔵されたバッテリー(図示せず)への充電やデータ通信等を行うコネクタ13が設けられている。また、船体2の内部には海水面からの深さを水圧により検出する深度センサ10が設けられている。
On the front side of the bottom surface of the
船体2内には、仮想の固定座標上における自己位置を運動履歴により算出可能な推測航法装置として慣性航法装置(INS)3が設けられている。慣性航法装置3は、三次元の加速度を検出する加速度計と、姿勢変化を検出するジャイロとを備えたものであり、出発点からの速度や姿勢変化を累積的に計算する慣性航法により固定座標上における自己位置を把握できる構成となっている。
In the
船体2の前部下方側には、水中ステーション20に設置されたトランスポンダ23の相対距離および方位を音響測位により検出可能なSSBL(Super Short Base Line)方式の音響測位装置4が設けられている。音響測位装置4は、送波器から質問信号を発信し、トランスポンダ23から返ってくる応答信号を受波器アレイで受信するものであって、質問信号を発信してから応答信号を受信するまでの時間によりトランスポンダ23までの距離が算出されると共に、受波器アレイの各素子で受信される応答信号の位相差によりトランスポンダ23の方位が算出される構成となっている。
An SSBL (Super Short Base Line) type
船体2の左右両側には、回転自在な回転軸14に支持された捕捉アーム(ガイドアーム)15A、15Bがそれぞれ斜め後方に向けて揺動可能に設けられている。右捕捉アーム15Aおよび左捕捉アーム15Bの先端にはそれぞれフック部16A、16Bが形成されており、各フック部16A、16Bの各受け面には、水中ステーション20のガイド部材21が接触することを検出可能な右捕捉センサ17Aおよび左捕捉センサ17Bがそれぞれ取り付けられている。
Capture arms (guide arms) 15A and 15B supported by a rotatable
船体2内には、慣性航法装置3で把握される固定座標上の自己位置に対して、音響測位装置4で検出されるトランスポンダ23の相対距離および方位を組み合わせることで、トランスポンダ23の固定座標上における位置を算出可能な自律航行制御装置5が設けられている。
In the
図2は自律型無人潜水機1に搭載された自律航行制御装置5を説明するブロック図である。図2に示すように、自律航行制御装置5は、行動計画データ保存部30、前進速度制御部31、方位制御部32、水平・垂直スラスタ推力配分部33、目標位置計算部34、左右位置偏差計算部35、左右位置制御部36、捕捉判定部37、ホールド処理部38および切替スイッチ39を備えている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating the autonomous
行動計画データ保存部30は、自律型無人潜水機1の水中ステーション20への進入速度や水中ステーション20に対する進入ラインELの方位等の設定情報を保存する機能を有する。前進速度制御部31は、行動計画データ保存部30に保存された進入速度データと慣性航法装置3から得られる速度データとの偏差を低減するように主推進器11の駆動力をフィードバック制御する機能を有する。方位制御部32は、行動計画データ保存部30に保存された進入ラインELの方位と慣性航法装置3から得られる船首方位との偏差を低減するように回頭指令を出力する機能を有する。水平・垂直スラスタ推力配分部33は、方位制御部32からの回頭指令に基づき水平スラスタ7A、7Bや垂直スラスタ6A、6Bの推力バランスを調節する機能を有する。
The action plan data storage unit 30 has a function of storing setting information such as the approach speed of the autonomous
目標位置計算部34は、慣性航法装置3から得られる船体位置・姿勢の情報と音響測位装置4から得られるトランスポンダ23の相対距離および方位の情報より、目標となるトランスポンダ23の位置(目標位置)を算出すると共に、トランスポンダ23を通り且つ予め決められた進入方向(この進入方向は水中ステーション設置時に決定される)にある進入ラインELを求める機能を有する。左右位置偏差計算部35は、目標位置計算部34で求められた進入ラインELと船体2の軸線との左右位置偏差を出力する機能を有する。左右位置制御部36は、左右位置偏差計算部35から出力された左右位置偏差を低減するように水平・垂直スラスタ推力配分部33に指令を出力する機能を有する。
The target
捕捉判定部37は、右捕捉センサ17Aと左捕捉センサ17Bの片方あるいは両方が水中ステーション20のガイド部材21に接触したことを判定する機能を有する。ホールド処理部38は、水平・垂直スラスタ推力配分部33に対して水平スラスタ7A、7Bおよび垂直スラスタ6A、6Bの動作状態を現状のままホールドさせる機能を有する。切替スイッチ39は、捕捉判定部37により右捕捉センサ17Aあるいは左捕捉センサ17Bの片方のみがガイド部材21に接触したと判定されたときに、左右位置制御部36からの出力を遮断すると共に、ホールド処理部38からの出力を水平・垂直スラスタ推力配分部33に伝達させるようにスイッチングする機能を有する。
The
次に、自律型無人潜水機1による水中ステーション20への自動ドッキングの手順について説明する。図3は自律型無人潜水機1の水中航行を説明する平面図である。図3に示すように、海底を航行する自律型無人潜水機1が水中ステーション20に帰還して自動ドッキングを行う際には、潜水機1は水中ステーション20に直接向かうのではなく、進入ラインEL上においてガイド部材21から進入方向の所定距離に仮想的に設定されたドッキング進入ポイントPを経由した後に水中ステーション20に向かうよう二段階誘導される。
Next, the procedure of automatic docking to the
まず、自律航行制御装置5は、音響測位装置4がトランスポンダ23と交信可能なエリアに入ってから慣性航法装置3の位置データをもとに固定座標を仮想的に形成する。そして、慣性航法装置3および音響測位装置4により水中ステーション20に設置されたトランスポンダ23の固定座標上の位置を測位し、その位置から所定の方位(固定座標における角度θD)かつ所定距離にあるドッキング進入ポイントPの位置を自律航行制御装置5の目標位置計算部34で計算する。そして、自律航行制御装置5は、そのドッキング進入ポイントPを目標位置として自動誘導制御(前進速度、方位、高度の3自由度制御)を行う。自律航行制御装置5により自律型無人潜水機1がドッキング進入ポイントPに到達したと判断された時に、水平スラスタ7A,7Bにより船首を進入ラインELに沿うように向ける。そして、自律航行制御装置5により、トランスポンダ23の船体2との相対位置および方位を求めながら進入ラインEL上を前進するドッキング制御(前進速度、左右位置、方位、高度、ピッチの5自由度制御)を行う。
First, the autonomous
図4は自律型無人潜水機1によるトランスポンダ位置の算出処理を説明するフローチャートである。図5は自律型無人潜水機1によるトランスポンダ位置の算出を説明する平面図である。図4に示すように、まず、音響測位装置4で目標となる水中ステーション20のトランスポンダ23の位置(船体2との相対位置)を測位する(ステップS1)。また、慣性航法装置3により水中に仮想的に設けた固定座標上における船体2の位置を測位する(ステップS2)。そして、自律航行制御装置5において、慣性航法装置3で観測される固定座標上の自己位置に対して、音響測位装置4で検出されるトランスポンダ23までの相対距離および方位を組み合わせた演算を行うことで、目標となるトランスポンダ23の固定座標上における位置を計算する(ステップS3)。
FIG. 4 is a flowchart for explaining the calculation process of the transponder position by the autonomous
具体的には、図5に示すように、慣性航法装置3で観測される船体2の固定座標上における位置をxA、yA、音響測位装置4で測位されるトランスポンダ23との相対距離をLS、慣性航法装置3で観測される船体軸線DのY軸に対する角度をθA、音響測位装置4で測位されるトランスポンダ23の方位の船体軸線Dに対する誤差角度をθSとすると、トランスポンダ23の固定座標上における位置(xT、yT)は以下の数式1で算出することができる。
Specifically, as shown in FIG. 5, the position on the fixed coordinate of the
次いで、所定時間間隔でステップS3の目標位置(トランスポンダ位置)を計算し、算出された目標位置の直近の過去6点分を自律航行制御装置5の記憶装置(図示せず)に保存する(ステップS4)。そして、該記憶領域に履歴情報として過去6点の目標位置が保持されているか否かを判定する(ステップS5)。ここで、まだ目標位置のデータ数が6点未満しか保持されていない場合には、過去の保存されている全ての目標位置の重心Bを計算する空間平均処理を行う(ステップS6)。
Next, the target position (transponder position) of step S3 is calculated at predetermined time intervals, and the last six points of the calculated target position are stored in a storage device (not shown) of the autonomous navigation control device 5 (step). S4). Then, it is determined whether or not the past six target positions are held as history information in the storage area (step S5). Here, when the number of data of the target position is still less than 6 points, a spatial averaging process is performed to calculate the centroid B of all the target positions stored in the past (step S6).
図6は自律型無人潜水機1によるトランスポンダ位置の空間平均を説明する平面図である。図6に示すように、自律型無人潜水機1は、自律航行制御装置5で測位された固定座標上の目標位置(トランスポンダ位置)231〜233を数式2により空間平均を行い、それにより求められた重心Bを目標位置XT(ベクトル表記)として補正する。ここで、ベクトルXiは測位データ、nはサンプリング点数を表している。
FIG. 6 is a plan view for explaining a spatial average of transponder positions by the autonomous
そして、図4に示すように、自律航行制御装置5の目標位置計算部34(図2)は、重心Bを目標位置(トランスポンダ位置)に設定して出力する(ステップS7)。
And as shown in FIG. 4, the target position calculation part 34 (FIG. 2) of the autonomous
また、ステップS5において、目標位置のデータ数が過去6点保持されている場合には、以下のステップS8〜S10により空間平均に加えて測位誤差除去処理を行う。 Further, in step S5, when the number of data of the target position is held in the past six points, a positioning error removal process is performed in addition to the spatial average in the following steps S8 to S10.
図7は自律型無人潜水機1によるトランスポンダ位置の空間平均および測位誤差除去処理を説明する平面図である。図4および図7に示すように、自律航行制御装置5の目標位置計算部34(図2)で過去6点の目標位置231〜236の重心Aを計算して空間平均を行う(ステップS8)。次いで、目標位置計算部34は、重心Aと目標位置の過去6点の距離を計算し、重心Aに近い順に4点の目標位置231、232、233、235を抽出して測位誤差を除去する(ステップS9)。そして、目標位置計算部34は、その抽出した4点だけで重心Bを計算する空間平均を行い(ステップS10)、その重心Bを目標位置(トランスポンダ位置)に設定して出力する(ステップS7)。
FIG. 7 is a plan view for explaining the spatial average of the transponder position and the positioning error removal process by the autonomous
図8は自律型無人潜水機1のドッキング進入ポイントPへの誘導を説明するフローチャートである。図2および図8に示すように、自律航行制御装置5の目標位置計算部34は、上述したような目標位置の空間平均と測位誤差除去処理を行い(ステップS11)、それにより算出された目標位置から予め決められた方位および距離に設定されるドッキング進入ポイントPの固定座標上の位置を計算する(ステップS12)。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the guidance of the autonomous unmanned
そして、ドッキング進入ポイントPへ向けて自動航行するように左右位置偏差計算部35でドッキング進入ポイントPの方位と船体軸線との方位のズレを算出し、該ズレを修正するように左右位置制御部36により水平・垂直スラスタ推力配分部33に指令し、水平スラスタ7A、7Bおよび垂直スラスタ6A、6Bを駆動させる(ステップS13)。
Then, the left / right position
慣性航法装置3からの情報により船体2がドッキング進入ポイントPに到達したと判定されると(ステップS14)、目標計算部34は船体2の向かう方位を目標位置(トランスポンダ位置)に変換する(ステップS15)。これで、ドッキング進入ポイントPへの誘導制御を完了し(ステップS16)、ドッキング制御(精密制御)モードに移行する(ステップS17)。
When it is determined from the information from the
図9は自律型無人潜水機1のドッキング制御を説明するフローチャートである。図10は自律型無人潜水機1のドッキング制御を説明する平面図である。図11(a)〜(d)は自律型無人潜水機1の水中ステーション20へのドッキングを説明する平面図である。図2、図9および図10に示すように、自律航行制御装置5の目標位置計算部34が上述したような目標位置の空間平均および測位誤差除去処理を行って重心Bを求め(ステップS20)、その目標位置である重心Bを通過し且つ所定角度θDの方向に設定される進入ラインELを固定座標上で計算する(ステップS21)。そして、左右位置偏差計算部35で進入ラインELとの左右位置偏差Lと、進入ラインELとの方位偏差θBとが計算される(ステップS22)。
FIG. 9 is a flowchart for explaining docking control of the autonomous
そして、図9および図11(a)に示すように、右捕捉アーム15Aのフック部16Aの右捕捉センサ17Aあるいは左捕捉アーム15Bのフック部16Bの左捕捉センサ17Bのいずれかがガイド部材21に接触するまでは(ステップS23)、左右位置制御、方位制御、高度制御、ピッチ制御および速度制御が実行され、船体2が進入ラインEL上を真っ直ぐに進むように制御される(ステップS24)。なお、高さ方向については音響測位装置4、深度センサ10、高度ソーナー9の情報が使えるが、水中ステーション20上に到達してからは相対位置の情報として最も信頼できる高度ソーナー9の情報を使用する。(深度は海面の潮位により異なるためである。)
図11(b)に示すように、右捕捉アーム15Aのフック部16Aが水中ステーション20のガイド部材21の右側のテーパ部21cを捕捉したことが右捕捉センサ17Aで検出されたと捕捉判定部37で判定されると(ステップS23)、切替スイッチ39はホールド処理部38(図2)がONとなるように切り替えられ、左右位置制御が現状のままホールドされる(ステップS25)。
Then, as shown in FIGS. 9 and 11A, either the
As shown in FIG. 11 (b), when the
詳しくは、図11では自律型無人潜水機1の水中ステーション20への進入時に、進入ラインELに対する左方向のズレが捕捉機構により修正されている。しかし、自律型無人潜水機1が進入ラインELに沿って前進している時は、船体2は進入ラインELに対する左右位置についてフィードバック制御されている。図11のように船体2が左方向にずれて進入しているケースは、突発的な外乱により左方向に流された場合と、自律航行制御装置5により算出された進入ラインが誤差により左方向にずれている場合とが考えられる。後者の場合、右捕捉アーム15Aのフック部16Aがガイド部材21に接触して船体2を中央に向けて修正する力が働いても、左右位置制御により左にずれた進入ラインに向けて船体2を移動させようとするため、ガイド部材21による修正力に抗するように水平スラスタ7A、7Bが作動することとなる。
Specifically, in FIG. 11, when the autonomous
さらに、左右位置制御は潮流外乱に抗するために積分制御が組み込まれることが通常であり、その場合、右捕捉アーム15Aのフック部16Aがガイド部材21に接触することで左右方向の動きが拘束されると、積分制御により左右方向への操作量は増加していく。このように捕捉機構と左右位置制御は干渉するため、この干渉を回避する制御が必要である。
Further, in order to resist the tidal current disturbance, the left / right position control is usually incorporated with integral control, and in this case, the movement of the right / left direction is restricted by the
そこで、右捕捉アーム15Aのフック部16Aがガイド部材21の右側のテーパ部21cを捕捉したことが右捕捉センサ17Aで検出されると、左右位置制御がOFFされ、フック部16Aがガイド部材21の接触する直前の状態で左右位置制御指令値はホールド(固定値出力)される。ここで、指令値がゼロとなるの
ではなく指令値がホールドされるのは、左右方向の潮流が起きている状態で船体2が左右方向に流されずに前進するために、潮流に抗する左右スラスタ力を保持させるためである。すなわち、右捕捉アーム15Aがガイド部材21と接触した時に左右位置制御指令値をゼロにすると潮流による左右方向の力を打ち消す推力がなくなり、捕捉機構による位置修正が正常に機能しない事態が起こりえるからである。なお、本実施形態では左右位置制御のみをホールドしているが、上下位置制御もホールドしてもよい。
Therefore, when the
以上のようにして、図11(c)に示すように、右捕捉アーム15Aがガイド部材21のテーパ部21cに案内されながら船体2の位置が中央に修正され、図11(d)に示すように、右捕捉アーム15Aのフック部16Aおよび左捕捉アーム15Bのフック部16Bの両方が、ガイド部材21の終端に設けられた左右の捕捉部22A、22Bに係止されることとなる。このように、捕捉機構の結合が右捕捉センサ17Aと左捕捉センサ17Bの両方から検出されると(ステップS26)、自律航行制御装置5の捕捉判定部37(図2)で捕捉完了であると判定し(ステップS27)、捕捉判定部37から図示しない嵌合動作制御部に指令して、水中ステーション20への嵌合動作(ドッキング)が実行される(ステップS28)。
As described above, as shown in FIG. 11C, the position of the
図12(a)(b)は自律型無人潜水機1の水中ステーション20へのドッキングを説明する側面図である。図12(a)(b)に示すように、右捕捉アーム15Aおよび左捕捉アーム15Bの両方のフック部16A、16Bがガイド部材21の捕捉部22A、22Bに係止された状態から、垂直スラスタ6A、6Bの推力により船体2を下降させる。その際、それまで船体2が前進していた慣性により、フック部16A、16Bが捕捉部22A、22Bに係止された状態が維持されることとなる。そして、水中ステーション20の嵌合部材24が船体2の被嵌合部材12に嵌合して自律型無人潜水機1が位置決めされると共に、水中ステーション20のコネクタ25が船体2のコネクタ13に嵌合される。
FIGS. 12A and 12B are side views illustrating docking of the autonomous
以上に説明した構成とすると、移動する潜水機1を基準としてトランスポンダ23の位置を把握するのではなく、慣性航法装置3および音響測位装置4により仮想的に設けた固定座標を基準としてトランスポンダ23の位置を把握するので、測位誤差を低減できる。また、音響測位装置4がトランスポンダ23と交信可能なエリアに入ってから慣性航法装置3の位置データをもとに固定座標を仮想的に形成すればよいので、慣性航法装置3のデータは出発点から累積して使用する必要がなくなり、慣性航法装置3の誤差の影響も大幅に低減される。
With the configuration described above, the position of the
また、慣性航法装置3の位置データを基準として固定座標を設定し、音響測位装置4による測位毎の位置データを空間平均し、更に測位誤差除去処理も行っているので、算出される目標位置(トランスポンダ位置)の観測精度が向上する。
In addition, fixed coordinates are set with reference to the position data of the
さらに、自律型無人潜水機1が水中ステーション20に帰還する際には、一旦はドッキング進入ポイントPに到着してから、進入ラインELに沿って水中ステーション20に向かう二段階誘導を実施しているので、船体2は正しい方向および姿勢で水中ステーション20に進入することができ、ドッキング動作が円滑かつ正確に行われる。
Furthermore, when the autonomous
また、右捕捉アーム15Aのフック部16Aのみがガイド部材21に接触したことが検出されると、水平スラスタ7A、7Bおよび垂直スラスタ6A、6Bの動作状態を現状のままホールドさせているので、捕捉機構と左右位置制御との干渉も回避することができる。
Further, when it is detected that only the
図13は自律型無人潜水機1の水中ステーション20への自動ドッキングの試験データのプロット図である。図13では自律型無人潜水機1がドッキング進入ポイントPを経由して水中ステーション20に自動ドッキングする様子が示されている。図13に示すように、トランスポンダ23の計測位置(生データ)はばらつきが大きく、この位置を基準に進入ラインELを設定すると進入ラインELが左右に変動することになるが、トランスポンダ計測位置を空間平均することで測位位置のばらつきが小さくなって進入ラインELの変動が低減されるため、自律型無人潜水機1は自動ドッキングに成功している。また、図13では水中ステーション20上で自律型無人潜水機1に左右方向の位置ずれが発生しているが、捕捉機構および左右位置制御ホールドにより、水中ステーション20の中央へ位置修正されていることも確認できる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第1実施形態との相違点は、計測された目標位置(トランスポンダ位置)を補正する方法として、空間平均の代わりにフィルタ処理を用いている点である。
FIG. 13 is a plot of test data for automatic docking of the autonomous
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The difference from the first embodiment is that filter processing is used instead of spatial averaging as a method of correcting the measured target position (transponder position).
補正後の目標位置をベクトルXT、フィルタ係数をα(0<α<1;定数)、今回測位された目標位置をベクトルXP、前回補正後の目標位置をベクトルXT−1とすると、フィルタ処理は以下の数式3を用いて行われる。
Assuming that the corrected target position is vector X T , the filter coefficient is α (0 <α <1; constant), the currently measured target position is vector X P , and the previously corrected target position is vector X T−1 , The filtering process is performed using the following
なお、初回に計測されたトランスポンダ位置は、数式3を用いずにそのままベクトルX1として採用するとよい。以上によれば、空間平均処理と同様にトランスポンダ位置の計測精度を向上することができる。
Note that the transponder position measured for the first time may be adopted as the vector X 1 as it is without using
また、上記ではフィルタ係数αは定数としているが、変数としてもよい。具体的には、以下の数式4を用いて、フィルタ係数αを今回算出されたトランスポンダ位置と前回補正されたトランスポンダ位置との距離(|XP−XT−1|)に反比例する変数としてもよい。なお、βは重み係数(定数)である。
In the above description, the filter coefficient α is a constant, but may be a variable. Specifically, the following
このようにすると、今回測位された目標位置XPが前回補正された固定座標上の目標位置XT−1から離れている場合には、フィルタ係数αが小さくなって補正処理への反映度が小さくなる一方、今回測位された目標位置XPが前回補正された固定座標上の目標位置XT−1と近い場合には、フィルタ係数αが大きくなって補正処理への反映度は大きくなる。したがって、トランスポンダ位置の検出精度が向上すると共に、補正処理の収束性も向上する。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第1実施形態では高さ方向の位置情報として主に高度ソーナー9の情報を使用していたが、本実施形態では高度ソーナー9と深度センサ10の両方を利用している。
In this way, when positioning the target position X P this is far from the target position X T-1 on the fixed coordinate the previously corrected, reflected in the degree to correction processing filter coefficient α becomes smaller while smaller, when positioning the target position X P is close to the target position X T-1 on the fixed coordinates was last corrected this time, reflecting the degree to correction processing filter coefficient α becomes large increases. Therefore, the detection accuracy of the transponder position is improved and the convergence of the correction process is also improved. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the first embodiment, information on the
図14は第3実施形態の高さ制御を説明する図面である。図14に示すように、自律航行制御装置5は、深度センサ10により水表面からの距離である深度dを検出すると共に、高度ソーナー9により水底面(潜水機1が水中ステーション20上にいない時は海底を意味し、水中ステーション20上にあるときは水中ステーションの表面を意味する)からの距離である高度hを検出する。そして、高度ソーナー9で最近得られた複数の高度データを平均して平均高度haveを求める。そして、以下の数式5により水表面から水底面までの全深度dTを算出する。
FIG. 14 is a diagram illustrating height control according to the third embodiment. As shown in FIG. 14, the autonomous
次いで、自律航行制御装置5は、以下の数式6により全深度DTから予め設定された目標高度hconsとの差を目標深度Dとして求める。
Next, the autonomous
そして、自律航行制御装置5は、この目標深度Dと深度センサ10で検出される現在の深度dとの偏差が小さくなるようにフィードバック制御しながら、潜水機1の高さ制御を行う。
And the autonomous
以上のようにすれば、高度ソーナー9と深度センサ10を組み合わせて利用しているため、互いの欠点を補い合いながら精度良い高さ制御を行うことができる。即ち、水表面の昇降に影響されない利点を有する高度ソーナー9のサンプリング時間間隔に幅がある欠点を、水圧により連続的にサンプリングできる深度センサ10で補うことで、連続性があり信頼性の高い制御を行うことが可能となる。なお、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第1実施形態との相違点は、トランスポンダ23の位置を補正する代わりに、音響測位で固定座標上のトランスポンダ位置から潜水機1の位置を逆算し、慣性航法で得られた潜水機1の位置を補正する点である。
In this way, since the
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. The difference from the first embodiment is that, instead of correcting the position of the
図15は第4実施形態の自律型無人潜水機の位置補正を説明する平面図である。図15中の破線で表された潜水機1の夫々は、慣性航法装置3により時系列的に算出された固定座標上における潜水機1の過去の自己位置を示している。また、図15中の一転鎖線で表された潜水機1の夫々は、音響測位装置4により時系列的に算出されたトランスポンダ23に対する潜水機1の相対距離および方位を求め、予め設定された固定座標上でのトランスポンダ23の位置から該相対距離および方位の差をとることで求められる潜水機1の自己位置を示している。
FIG. 15 is a plan view for explaining position correction of the autonomous unmanned submersible according to the fourth embodiment. Each of the
自律航行制御装置5は、上記のように慣性航法装置3により潜水機1の自己位置を求めると共に、音響側位装置4でも潜水機1の自己位置を求める。この際、慣性航法装置3では、図15に示すように固定座標上でトランスポンダ23に向かって正しく航行していると認識しているが、実際には累積誤差により自己位置にズレが生じている。一方、音響測位装置4では、測位誤差によりサンプリング毎にバラツキが生じている。
The autonomous
そこで、自律航行制御装置5は、音響測位装置で時系列的に得られる複数の自己位置と、この自己位置の夫々の時刻に対応して慣性航法装置3で得られる複数の自己位置との間でそれぞれ偏差Ai(iは自然数)をとり、以下の数式7により各偏差Aiを平均して得られる平均偏差Aaveを求める。
Therefore, the autonomous
次いで、以下の数式8により、慣性航法装置3あるいは音響側位装置4で得られる現在の自己位置Yp(ベクトル表記)に対してその平均偏差Aaveを加算することで、固定座標上における潜水機1の補正後の自己位置YT(ベクトル表記)が求められる。
Next, by adding the average deviation A ave to the current self-position Y p (vector notation) obtained by the
以上のようにすれば、音響測位で取得されるトランスポンダ23からの潜水機1の相対距離・方位データだけでなく、慣性航法で取得される潜水機1の固定座標上の自己位置データも併せて用いることで、固定座標上における自己位置を精度よく補正することができる。なお、測位誤差の影響を更に抑制するため、測位毎に算出された各自己位置データのうち、補正位置との距離が大きいものから順に所定数の自己位置データを除外し、再度、平均処理を行ってもよい。また、他の構成は第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第4実施形態との相違点は、計測された潜水機1の自己位置を補正する方法として、空間平均の代わりにフィルタ処理を用いている点である。
As described above, not only the relative distance / azimuth data of the
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. The difference from the fourth embodiment is that, as a method of correcting the measured self-position of the
補正後の自己位置をベクトルYT、フィルタ係数をα(0<α<1;定数)、慣性航法装置3で今回測位された自己位置をベクトルΔYP1、音響測位装置4で今回測位された自己位置をベクトルYP2、前回補正後の自己位置をベクトルYT−1とすると、フィルタ処理は以下の数式9を用いて行われる。
The corrected self-position is the vector Y T , the filter coefficient is α (0 <α <1; constant), the self-position measured this time by the
なお、初回に計測された潜水機1の自己位置は、数式9を用いずに、(Yp1+Yp2)/2をベクトルY1として採用するとよい。以上によれば、平均処理と同様に潜水機1の位置の計測精度を向上することができる。
Incidentally, the self-position of the
また、上記ではフィルタ係数αは定数としているが、変数としてもよい。具体的には、以下の数式10を用いて、フィルタ係数αを今回音響測位データより算出された潜水機1の位置と前回補正された潜水機1の位置に慣性航法装置で得られた移動量を加えて求めた潜水機1の現在の推定位置との間の距離(|YP2−(YT−1+ΔYp1|)に反比例する変数としてもよい。なお、βは重み係数(定数)である。
In the above description, the filter coefficient α is a constant, but may be a variable. Specifically, the following
このようにすると、今回算出された固定座標上の位置YPが前回補正された位置XT−1から離れている場合には、フィルタ係数αが小さくなって補正処理への反映度が小さくなる一方、今回算出された位置YPが前回補正された位置YT−1と近い場合には、フィルタ係数αが大きくなって補正処理への反映度は大きくなる。したがって、潜水機1の自己位置の検出精度が向上すると共に、補正処理の収束性も向上する。なお、他の構成は第4実施形態と同様であるため説明を省略する。
In this way, when the position Y P on the fixed coordinates calculated this time is distant from the position X T-1 that was last correction, reflection degree of the correction process filter coefficient α is reduced is reduced on the other hand, when the position Y P that has been calculated this time is closer to the position Y T-1 that was last correction, reflection degree of the correction process filter coefficient α becomes large increases. Therefore, the detection accuracy of the self position of the
以上のように、本発明に係る自律型無人潜水機及びその水中航行方法は、水中ステーションに固定されたトランスポンダの位置測位の精度を向上させることが可能となる優れた効果を有し、このような自律型無人潜水機等に適用するのに適している。 As described above, the autonomous unmanned submersible and its underwater navigation method according to the present invention have an excellent effect that can improve the positioning accuracy of the transponder fixed to the underwater station. It is suitable for application to a large autonomous unmanned submersible.
1 自律型無人潜水機
2 船体
3 慣性航法装置(推測航法装置)
4 音響測位装置
5 自律航行制御装置
6A 前部垂直スラスタ(推力装置)
6B 後部垂直スラスタ(推力装置)
7A 前部水平スラスタ(推力装置)
7B 後部水平スラスタ(推力装置)
9 高度ソーナー
10 深度センサー
15A、15B ガイドアーム
16A、16B フック部
17A、17B 捕捉センサ(センサ)
20 水中ステーション
21 ガイド部材
23 トランスポンダ
P ドッキング進入ポイント
1 Autonomous
4
6B Rear vertical thruster (thrust device)
7A Front horizontal thruster (thrust device)
7B Rear horizontal thruster (thrust device)
9
20
Claims (10)
水中に配置されたトランスポンダの相対距離および方位を音響測位により検出可能な音響測位装置と、
前記推測航法装置で計算される固定座標上の自己位置に対して、前記音響測位装置で検出される前記トランスポンダの相対距離および方位を組み合わせることで、前記トランスポンダの固定座標上における位置を算出する自律航行制御装置と
を備えていることを特徴とする自律型無人潜水機。 Dead reckoning device capable of calculating self-position on virtual fixed coordinates by calculating motion history;
An acoustic positioning device capable of detecting the relative distance and orientation of a transponder placed in water by acoustic positioning;
Autonomous calculation of the position of the transponder on the fixed coordinate by combining the relative distance and direction of the transponder detected by the acoustic positioning device with the self-position on the fixed coordinate calculated by the dead reckoning navigation device An autonomous unmanned submersible, comprising: a navigation control device.
前記水中ステーション上に設置されたガイド部材に接触して所定位置に前記船体を導くガイドアームと、
前記ガイドアームが前記ガイド部材に接触したことを検出するセンサと、をさらに備え、
前記自律航行制御装置は、前記センサにより前記ガイドアームが前記ガイド部材に接触したことが検出されると、前記推力装置の動作状態を現状のままホールドさせる構成としている請求項1乃至6のいずれかに記載の自律型無人潜水機。 A thrust device that moves or changes the attitude of the hull,
A guide arm that contacts a guide member installed on the underwater station and guides the hull to a predetermined position;
A sensor for detecting that the guide arm is in contact with the guide member;
7. The autonomous navigation control device according to claim 1, wherein when the sensor detects that the guide arm is in contact with the guide member, the operation state of the thrust device is held as it is. Autonomous unmanned submersible as described in.
水表面からの距離である深度を検出可能な深度センサとを備え、
前記自律航行制御装置は、前記高度ソーナーで検出される高度と前記深度センサで検出される深度とを合わせて水中底面までの全深度を算出し、該全深度と予め設定された目標高度との差を目標深度として求め、該目標深度と前記深度センサで検出される深度との偏差が小さくなるように制御する構成としている請求項1乃至7のいずれか1項に記載の自律型無人潜水機。 An altitude sonar capable of detecting altitude, which is the distance from the bottom of the water,
It has a depth sensor that can detect the depth that is the distance from the water surface,
The autonomous navigation control device calculates the total depth to the bottom of the underwater by combining the altitude detected by the altitude sonar and the depth detected by the depth sensor, and calculates the total depth and a preset target altitude. The autonomous unmanned submersible vehicle according to any one of claims 1 to 7, wherein a difference is obtained as a target depth, and control is performed such that a deviation between the target depth and a depth detected by the depth sensor is reduced. .
水中に配置されたトランスポンダの相対距離および方位を音響測位により検出し、
推測航法で検出された固定座標上の自己位置に対して、前記音響測位で検出された前記トランスポンダの相対距離および方位を組み合わせることで、目標となる前記トランスポンダの固定座標上における位置を算出することを特徴とする自律型無人潜水機の水中航行方法。 Detects self-location on virtual fixed coordinates by dead reckoning navigation,
Detecting relative distance and orientation of transponders placed underwater by acoustic positioning,
Calculating the position of the target transponder on the fixed coordinates by combining the relative distance and direction of the transponder detected by the acoustic positioning with the self-position on the fixed coordinates detected by dead reckoning. An underwater navigation method for autonomous unmanned submersibles.
水中に設置されたトランスポンダに対する自己の相対距離および方位を音響測位により検出可能な音響測位装置と、
前記推測航法装置で計算される固定座標上の自己位置と、固定座標上のトランスポンダ位置に前記音響測位装置で検出される前記相対距離および方位を合わせることで計算される固定座標上の自己位置とを用い、固定座標上における自己位置を補正する自律航行制御装置と
を備えていることを特徴とする自律型無人潜水機。
Dead reckoning device capable of calculating self-position on virtual fixed coordinates by calculating motion history;
An acoustic positioning device that can detect the relative distance and orientation of the transponder installed in the water by acoustic positioning;
A self-position on fixed coordinates calculated by the dead reckoning device, and a self-position on fixed coordinates calculated by matching the relative distance and direction detected by the acoustic positioning device to the transponder position on the fixed coordinates; And an autonomous navigation control device that corrects its own position on fixed coordinates.
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