JP2008120304A - 水中航走体及び水中航走体の移動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機体の移動に必要なエネルギー消費量が著しく少なく、しかも、比較的単純で構成で機械的信頼性の高く、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した水中航走体及び水中航走体の移動方法を提供する。
【解決手段】水中航走体１を船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能に形成し、水中をグライディングにより移動するように構成する。更に、水中航走体１の浮力の調整を行なう浮力調整機構３０（３０Ａ）と、水中航走体１の重心位置の移動を行なう重心移動機構２０（２０Ａ）を搭載し、水中航走体１の浮力の増加により浮上を行い、水中航走体１の浮力の減少により沈降を行うと共に、水中航走体１の重心位置の移動により移動方向を変更するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、海洋や湖沼等における水中調査を行う水中航走体及び水中航走体の移動方法に関する。

近年、全地球規模における環境変化の予測に関する研究や環境保全に関する研究が行われるようになってきている。これらの研究には地球環境に大きな影響を及ぼす海洋に関する時間的・空間的な観測データが必要となるため、観測機器を係留して観測が行われてきている。

しかしながら、係留方式では水深方向の離散的なデータしか得ることができないという問題や、係留された観測機器を回収するまで計測データを確認できず、係留終了までは観測の成否を確かめることができないという問題や、観測機器を係留するに際して、その設計から投入までに多大な労力、時間、費用が必要になるという問題等があった。

そのため、係留されることなく観測水域に留まる、所謂バーチャルモアリング用の水中ビークルと呼ばれる水中航走体が必要となる。この水中航走体は、同じ観測水域に留まって、長期間連続観測（例えば、３カ月）を行うために、潮流等によって流された時に観測水域に戻る必要があり、移動手段を備える必要がある。この移動手段は、移動に必要なエネルギー消費量を極力抑え、しかも、長期間メンテナンスができないので、機械的信頼性を確保する必要がある。

一方、海底に付設する海底ケーブルの敷設ルート調査や海底ケーブル敷設後の状況調査、あるいは、海底地形の調査等のために、調査水域においてデータを取得するために、バラストによりダウントリムにして少ない動力により速やかに潜水し、船首近傍の一部のバラストを切り離して水平姿勢を保持して水中を推進器により自律航行して観測データを収集した後、更に船首近傍のバラストを切り離してアップトリムにして揚収海域に速やかに浮上する水中航走体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、電話線及びパイプラインの点検、天然資源の探索、海洋生物の生物量調査の実行等のために、水力学的安定性及び操縦性に優れた弓形状の１対の翼と推進ユニットを有し、翼のフラップや尾部操舵フラップや推進ユニットを制御することにより移動する潜水ビークルが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

上記のような水中航走体や潜水ビークルは船首方向が特定され、この方向のみに移動するので、海底ケーブル等に沿って移動する場合には適しているが、特定の水域に留まって水平方向よりもむしろ水深方向（鉛直方向）の観測データを連続的に得るような観測には適していないという問題がある。
特開２００３−２９１８８８号公報 特表２００３−５０４２７６号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、機体の移動に必要なエネルギー消費量が著しく少なく、しかも、比較的単純な構成で機械的信頼性が高く、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した水中航走体及び水中航走体の移動方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の水中航走体は、船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能に形成して構成される。この構成によれば、水中航走体の方位を変更することなく、即ち、水中航走体を回頭させることなく、任意の方向に移動できるので、移動に要するエネルギーを少なくすることができる。従って、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した水中航走体となる。

上記の水中航走体において、水中をグライディング（滑走：gliding)により移動するように構成する。この構成によれば、従来技術のスラスター型の推進装置及びフィンによる制御で移動する水中航走体（水中ビークル：潜水ビークル）とは異なり、グライディングによって位置制御が可能となる。

なお、このグライディングでは、位置エネルギーを運動エネルギーに変換する変換効率が理論的には１００％であり、位置エネルギーを得るための浮力調整装置の効率は、機械摩擦損失でだけであるので、概ね８０％程度と考えられ、一方、プロペラ推進器の効率は概ね４０％程度と考えられるので、非常に効率がよい。

この構成では、潜降したり浮上したりする時は重力や浮力を利用してグライディングにより移動するので、プロペラ等の推進器を使用して移動する場合に比べて、非常に少ないエネルギーで移動することができる。従って、搭載してあるバッテリー電力等のエネルギーの消費を抑えることができ、長期間の海洋観測が可能となる。

上記の水中航走体において、該水中航走体の浮力の調整を行なう浮力調整機構と、該水中航走体の重心位置の移動を行なう重心移動機構を搭載し、該水中航走体の浮力の増加により浮上を行い、該水中航走体の浮力の減少により沈降を行うと共に、該水中航走体の重心位置の移動により移動方向を変更するように構成される。この構成によれば、比較的単純な構成要素で、移動可能に構成できるようになる。

上記の水中航走体において、該水中航走体の外形の主要部を形成する形状を回転体で形成して構成する。この外形の主要部を形成する形状とは、アンテナや観測機器等の局部的な突起物や凹凸は考慮に入れないという意味である。この形状としては、平面視では、三角形、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形等様々な形状を採用することができるが、平面視が円形となる回転体で形成すると、全周囲に関して方向性が無くなるので、移動用の制御において全周囲方向に関して方向を考える必要がなくなる。そのため、水中航走体の方位を考慮せずに済み、単に移動方向を検出すれば良いことになる。また、全周囲の全方向に対して移動制御を同じにすることができる。更に、翼などを持つ飛行機型に比較して、丈夫で、漁網などに掛かり難いという利点がある。

また、上記の目的を達成するための本発明の水中航走体の移動方法は、船首方向を限定せずに、全周囲方向にグライディングにより移動可能に形成した水中航走体の移動方法であって、該水中航走体の浮力の増加により浮上を行い、該水中航走体の浮力の減少により沈降を行うと共に、該水中航走体の重心位置の移動により移動方向を変更することを特徴とする。この方法によれば、浮力と重力を利用して移動するので、機体の移動に必要なエネルギー消費量が著しく少なくなり、しかも、移動機構が比較的単純で構成となるため機械的信頼性も高くなる。従って、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した移動方法となる。

なお、上記の本発明の水中航走体及び水中航走体の移動方法は、無人の水中航走体と有人の水中航走体の両方に適用できる。

本発明の水中航走体によれば、船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能に形成することにより、機体の移動に必要なエネルギー消費量を著しく少なすることができ、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うことができる。

また、水中航走体が、水中をグライディングにより移動するように構成すると、プロペラ等の推進器を使用して移動する場合に比べて、非常に少ないエネルギーで移動することができるので、搭載してあるバッテリー電力等のエネルギーの消費を抑えることができ、長期間の海洋観測が可能となる。

また、本発明の水中航走体の移動方法によれば、機体の移動に必要なエネルギー消費量が著しく少なくなり、しかも、移動機構の機械的信頼性も高くすることができ、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した水中航走体を提供できるようになる。

以下、本発明に係る浮力水中航走体、及び、水中航走体の移動方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態の水中航走体（水中ビークル）１は、外形の主要部を、円盤状に形成される。つまり、回転体で形成される。この円盤は外周部分を薄く形成してグライディング（滑走：gliding)し易い形状にすると共に、中央部に行くにつれて厚みを増して形成し、内部に機器類を搭載できるように構成される。なお、図１〜図３の実施の形態では上下方向にも面対称に形成される。この構成により、船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能になり、水中をグライディングにより移動することができるようになる。

水中航走体１の外形の主要部を、この円盤形状に形成することにより、全周囲に関して方向性が無くなるので、移動用の制御が全周囲方向に対して方向性を考える必要がなくなる。そのため、水中航走体１の方位を考慮せずに済み、単に目標とする移動方向を検出すれば良いことになる。また、全周囲の全方向に対して移動制御が同じで良いことになる。また、上下面対称とすることにより、浮上時と沈降時のグライディング性能も略同じとなるので、制御を単純化することができる。更に、翼などを持つ飛行機型に比較して、丈夫で、漁網などに掛かり難いという利点がある。

なお、この水中航走体１の外形の主要部を形成する形状を回転体で形成して構成することは上記のような利点があるので好ましいが、必ずしも本発明の必須要件ではなく、上記の利点を求めなければ、この形状としては、平面視で、三角形、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形等様々な形状を採用することができる。

図４に示すように、この水中航走体１の上部構造体１１と下部構造体１２の間に形成される内部空間には、外側から重心移動装置２０が四方に配置され、その内側に浮力調整装置３０が四方に配置され、更に、その中央に制御装置４０が配置されている。また、ＣＴＤ（Conductivity Temperature Depth profiler ：電気伝導度、温度、水深を観測する装置）等の環境計測装置５１と通信アンテナ５２とバッテリーパック５３、５３が制御装置４０と浮力調整装置３０の間に配置されている。

重心移動装置２０は、水密構造の内部に重錘をモータの駆動により直線方向に移動できるように設けており、この重錘の移動により、重心移動装置２０の重心位置を変更するように構成されている。図４の構成では、この重心移動装置２０を直交する２方向（Ｘ軸とＹ軸）に平行に対にして配置し、対となっている重心移動装置２０の重心位置を同時に同速度で移動することにより、他方向に関しての重心位置の移動を回避している。この２対の重心移動装置２０の重心位置を制御することにより、水中航走体１の重心位置をＸＹ平面内の全方向に移動させることができる。

次に、図５に示すような別の重心移動装置２０Ａについて説明する。この重心移動装置２０Ａでは一つの重錘（ウェイト）２１をＸ方向のレール２２上をモータ２３の駆動により直線移動させるように構成する。この重錘２１、レール２２、モータ２３で台車２４を構成し、この台車２４をＹ方向のレール２５上をモータ２６の駆動により直線移動させるように構成する。そして、モータ２３とモータ２６を駆動することにより、重錘２１をＸＹ平面内で任意の位置に移動させることができるので、この重心移動装置２０Ａにより、水中航走体１の重心位置を任意の方向に移動することができるようになる。

浮力調整装置３０は、内部機構部に面対称に設置した２組のシリンダ内のピストンを伸縮させることにより、排水量を増減させることで浮力を調整する。この２つのピストンを１個のモータと１本のシャフトからなるボールネジ機構で同時に反対の方向に同じ速度で移動するように構成する。この２つのシリンダ内における排水量の変化を同じにすることにより、浮力調整装置３０の浮心位置及び重心位置の変化を防止する。この浮力調整装置３０において、浮心位置及び重心位置を変化することなく、浮力を変化させるようにすることによって、浮力調整装置３０による浮力調整制御が重心移動装置２０による重心移動と干渉しないようにすることができ、それぞれを独立に制御することができる。これにより、グライディング時の制御が著しく単純化される。

次に、図６及び図７に示すような別の浮力調整装置３０Ａについて説明する。この浮力調整装置３０Ａは、図６及び図７に示すように、水密区画３１から互いに面対称に形成された円筒形状の第１浮力調整部分３２ａと第２浮力調整部分３２ｂとを直線方向に同時に反対方向に同じ速度で移動するように構成されている。図６に示すように第１浮力調整部分３２ａと第２浮力調整部分３２ｂとを水密区画３１から水中に進出及び露出することにより、浮力を増加させ、図７に示すように第１浮力調整部分３２ａと第２浮力調整部分３２ｂとを水中から水密区画３１に後退及び収納することにより、浮力を減少させる。この時、円筒形状の第１浮力調整部分３２ａと第２浮力調整部分３２ｂの進出量を同じにすることにより、浮力調整装置３０Ａの浮心位置及び重心位置の変化を防止する。

この水中航走体１の浮力の調整を行なう浮力調整装置（浮力調整機構）３０（又は３０Ａ）と、この水中航走体１の重心位置の移動を行なう重心移動装置（重心移動機構）２０（又は２０Ａ）を搭載することにより、水中航走体１の浮力の増加により浮上を行い、水中航走体１の浮力の減少により沈降を行うと共に、水中航走体１の重心位置の移動により移動方向を変更することができるようになる。

制御装置４０には、図示しないが、ＧＰＳ、磁気方位計、ヨーレートセンサ、姿勢制御用の傾斜計（ロール、ピッチ）、圧力計（深度計）等の航海用機器と、重心移動装置２０（２０Ａ）と浮力調整装置３０（３０Ａ）等の姿勢制御装置と、これらの全体を制御する主制御装置が搭載されている。この主制御装置は、航海用機器の検出データを基に重心移動装置２０（２０Ａ）と浮力調整装置３０（３０Ａ）を制御する。また、航海用機器や環境計測装置５１等の各装置からの計測値を集めて船陸間通信装置によって人工衛星を介して基地局（地上局）に送信する。

また、環境計測装置５１には、水深計測用の圧力計、温度計等の各種環境計測機器が配置される。また、通信アンテナ５２は、制御装置４０内に搭載された船陸間通信装置（オーブコム）を用いて、浮上時に人工衛星を介して船陸間通信を行なって、航海用機器のデータや環境計測装置５１のデータを送信し、必要に応じて指令を受信するためのものである。この通信アンテナ５２は、浮上時には伸張し、潜水時には水中航走体１の機体内に収納される。また、バッテリーパック５３は内部に、水中航走体１の各機器５１や装置２０（２０Ａ），３０（３０Ａ）及び制御装置４０を駆動するための電源であるバッテリーが搭載される。

また、水密区画には漏水センサやを緊急浮上装置を配設して、漏水やシステム障害などの緊急トラブルが発生した場合には、緊急浮上装置の重錘（バラストウェイト）を切り離して、浮上できるように構成する。

次に、水中航走体の移動方法について説明する。この移動方法では、上記の船首方向を限定せずに、全周囲方向にグライディングにより移動可能に形成した水中航走体１において、浮上時には浮力調整装置３０（３０Ａ）の浮力を増加することにより、水中航走体１の浮力を重量よりも増加し、それと共に、重心移動装置２０（２０Ａ）の重心位置のグライディング方向と逆方向への移動により、水中航走体１の重心位置を移動して、これにより移動方向を変更し、頭上げ姿勢とし、グライディングによる浮上を行う。また、潜降時には浮力調整装置３０（３０Ａ）の浮力を減少することにより、水中航走体１の浮力を重量よりも減少し、それと共に、重心移動装置２０（２０Ａ）の重心位置のグライディング方向への移動により、水中航走体１の重心位置を移動して、これにより移動方向を変更し、頭下げ姿勢とし、グライディングによる沈降を行う。

つまり、水中航走体１の移動は、重心移動装置２０（２０Ａ）で重錘を移動させることにより重心位置を移動させて行ない、水中航走体１のこの重心位置の移動により、水中航走体１の浮心位置との関係で、水中航走体１に傾斜モーメントを発生させて、水中航走体１の姿勢をその進行方向に関して頭下げや頭上げの状態にしてグライディングさせる。このグライディングの動力として、浮上力又は沈降力を使用する。この浮上力と沈降力は、浮力と重力が釣り合う中性浮力に浮力調整された水中航走体１において浮力調整装置３０（３０Ａ）によって浮力を増減させることにより、水中航走体１全体としての浮力を水中航走体１全体としての重量よりも大きくしたり小さくしたりすることで発生することができる。

上記の構成の水中航走体１及び水中航走体の移動方法で、図８に示すように、潜降時と浮上時のグライディングによる移動により、バーチャルモアリングを実施する水域Ｒｖｍ又はその近傍水域の水面Ｆと水底Ｂとを往復する。この水中航走体１の潜降時及び浮上時にその機体内部に搭載された各種の観測機器で計測された各種の観測データを、水中航走体１が浮上した時（図８の１ｆ）に、人工衛星を介して電波により基地局に逐次送信することができる。また、水面浮上時にはＧＰＳにより自機の位置を確認して、潮流等の影響により観測対象の設定水域Ｒｖｍから外れている場合には、潜降時に機体の運動を制御して設定水域Ｒｖｍに帰還することができる。

従って、この水中航走体１を、定期的に潜降と浮上を繰り返しさせながら、観測水域Ｒｖｍの計測を続けさせて、計測と計測の間では、水底Ｂに機体を着底させて待機させ（図８の１ｂ）、潮流等により機体が流されることを防ぐように運用することもできるので、水中航走体１は長期間の間、設定水域Ｒｖｍ内に留まることができる。また、用途によっては目標位置に移動できる。

上記の水中航走体１及び水中航走体の移動方法によれば、船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能に形成しているので、機体の移動に必要なエネルギー消費量を著しく少なすることができる。また、水中航走体１が、水中をグライディングにより移動するようにしているので、プロペラ等の推進器を使用して移動する場合に比べて、非常に少ないエネルギーで移動することができる。従って、搭載してあるバッテリー電力等のエネルギーの消費を抑えることができ、係留されることなく同じ観測水域Ｒｖｍに留まって長期間連続観測を行うことができる。また、移動機構も比較的単純であるので、機械的な信頼性も高くなり、係留されることなく同じ観測水域に留まって長期間連続観測を行うのに適した水中航走体となる。

なお、上記の水中航走体１及び水中航走体の移動方法では、実施の形態として、グライディングによる移動を採用して説明しているが、本発明の水中航走体及び水中航走体の移動方法を適用することにより、グライディングによる移動でなくても、移動、特に旋回におけるエネルギー消費を抑えることができるので、従来技術であるスラスタ等の推進装置の使用を妨げるものではなく、これらの推進装置を補助的に使用したり、あるいは、主推進用に使用したりしてもよい。

本発明の実施の形態の水中航走体の側面図である。 図１の水中航走体の斜視図である。 図１の水中航走体の別の角度から見た斜視図である。 水中航走体の内部の構成を模式的に示す斜視図である。 他の重心移動装置の構成を示す模式的な斜視図である。 他の浮力調整装置の構成と浮力を増加した状態を示す模式的な斜視図である。 図６の浮力調整装置で浮力を減少した状態を示す模式的な斜視図である。 水中航走体のバーチャルモアリングの実施状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 水中航走体（水中ビークル）
１１ 上部構造体
１２ 下部構造体
２０，２０Ａ 重心移動装置
３０，３０Ａ 浮力調整装置
４０ 制御装置
５１ 環境計測装置
５２ 通信アンテナ
５３ バッテリーパック

Claims (5)

1. 船首方向を限定せずに、全周囲方向に対して移動可能に形成したことを特徴とする水中航走体。
2. 水中をグライディングにより移動することを特徴とする請求項１記載の水中航走体。
3. 該水中航走体の浮力の調整を行なう浮力調整機構と、該水中航走体の重心位置の移動を行なう重心移動機構を搭載し、該水中航走体の浮力の増加により浮上を行い、該水中航走体の浮力の減少により沈降を行うと共に、該水中航走体の重心位置の移動により移動方向を変更することを特徴とする請求項２記載の水中航走体。
4. 該水中航走体の外形の主要部を回転体で形成したことを特徴とすることを特徴とする請求項１又は２記載の水中航走体。
5. 船首方向を限定せずに、全周囲方向にグライディングにより移動可能に形成した水中航走体の移動方法であって、該水中航走体の浮力の増加により浮上を行い、該水中航走体の浮力の減少により沈降を行うと共に、該水中航走体の重心位置の移動により移動方向を変更することを特徴とする水中航走体の移動方法。

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