JP2013220683A

JP2013220683A - スマートフォンを用いた水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステム

Info

Publication number: JP2013220683A
Application number: JP2012092244A
Authority: JP
Inventors: Nobufumi Edamura; 庸史枝村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-28

Abstract

【課題】水中環境下でのスマートフォンの諸機能の拡張、水上水中間双方向コミュニケーションの確立、ダイバーが携行する装備品数の削減、スマートフォンを用いた経済的な遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機のセンサ部、電子制御部の設計、開発、実装、遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機用プラットフォームの提供。
【解決手段】水中耐圧容器にスマートフォンを格納、水中に展張された光ファイバーケーブル２を介して水上耐圧容器内のＧＰＳ信号受信モジュール、近距離無線送受信器からのデータを水中のスマートフォンで受信、任意のデータを上記と逆の経路で送信することで双方向コミュニケーションを確立し、ダイバーの携行品を本システムの諸機能にて代用、ダイバーが携行する装備品数を削減し、外部制御機器用の光レセプタクルを多数組み込むことで遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機用の経済的プラットフォームを構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、水中耐圧容器内部に電子地図表示機能、ブルートゥース（登録商標）無線機能、カメラ機能、磁気コンパス機能等のセンサ機能を持ったスマートフォンを格納し、水上にて耐圧容器内部に格納されたＧＰＳ信号受信モジュールからのデジタル測位信号を電気-光信号変換モジュール、水中にて展張された光ファイバ、ブルートゥース、ZIGBEE（登録商標）などの近距離通信網を介し水上水中間で双方向無線通信が可能でスマートフォンを用いたナビゲーション、またスマートフォン内部のカメラ機能、フラッシュライト機能等水中にてその機能が拡張されるダイバー、及び遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムに関するものである。

スマートフォンはＧＰＳで測位された現在位置を電子地図上に表示するマッピング機能、カメラ機能、磁気、温度、ジャイロセンサなど多機能を有し、アプリケーションを利用してのセンサ機能のプログラミングも可能で、その利便性から世界各国に広く普及している。また現在普及している水中ナビゲーションシステムとしてはダイバーが携行する水中コンパスで地磁気、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機はソナーで音響信号を検知し、現在位置、現在方位を検出する方法が一般的である。水上水中間コミュニケーションシステムは手先信号を利用する方法、索のテンションを利用する方法、水中電話を利用する方法が一般的である。

しかし、上記のスマートフォンには、防水性の規格（JIS IPX８等）に準拠している機種が多数存在するものの、大多数の機種では、ダイバー、遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機が活動する水中１０メートル以下の深度では動作が保障されておらず、信頼性が大幅に低下する。加えて、ＧＰＳ信号の電波は極超短波という電波の性質上、水中では大幅に減衰する。上記の理由により、スマートフォンがＧＰＳ信号の電波を直接受信してのナビゲーションは水上以外の使用に耐えず、スマートフォンの持つマッピング能力を水中で活かすことは困難である。

一般的な潜水の一実施例として水上で待機している船から水中コンパスを携行した、開式自給式潜水器を使用したダイバーが潜航索無しで潜水し、途中水中視界が悪く水中構造物等で位置の見当がつかない場合、水中コンパス単体では方位しか確認できないので、現在位置を確認するため、浮上して水上、地上目標物を視認する必要があるが、上昇速度の制限と、減圧停止時間の関係上、水面までの浮上自体が潜水活動に利用可能な時間的、金銭的リソースの無駄遣いであり、また急激な海流に流された場合、水上で待機している船の姿をロスト、漂流する危険性も挙げられる。

ダイバーが使用する水上水中間コミュニケーションシステムで手先信号を利用する方法、索のテンションを利用する方法は簡素簡潔故に確実ではあるが、潜水前に送り手と受け手により決められたサインを用いての簡単な信号のみしか送れない。水中電話を利用する方法は、伝送方法が音響信号等で、有線方式でない場合、伝送距離に応じてノイズが増加、音声信号の明瞭性が低下し、加えて有線方式、非有線方式共に音声信号以外のアナログ、デジタルデータを扱うことは困難である。

ダイバーが水中コンパス、水中カメラ、水中ライト、水温計、ダイブコンピュータなどの器材を装着した場合、装着品が嵩張って、水中動作の邪魔となり活動が制限される。

ダイビングコンピュータにグラフィカルユーザーインターフェイスとマッピング機能が付加されている機種が存在するものの、多くは水深と、デジタルコンパス機能のみのマッピングであり、水上でＧＰＳを使用するスマートフォンのマッピング機能の精確性、多機能性には遠く及ばない。

また遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機の電子制御部は、遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機用の設計開発用の共通基盤が普及しておらず、その機種ごとにジャイロセンサ、磁気センサ、圧力センサ、加速度センサ、温度センサ、入出力ポートなどの実装技術、マイコンプログラミングの専門的な知識が必要なため、開発に多大な労力、資金を要する。

関邦博[ほか] 訳「Ｕ．Ｓ．ＮＡＶＹダイビングマニュアル」１９８７年

解決しようとする問題点は、水中環境下でのスマートフォンのＧＰＳマッピング機能の確立、水上水中間双方向コミュニケーションの確立、ダイバーが携行する装備品数の削減、及び、遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機のセンサ部、電子制御部の設計、開発、実装、プログラミングを省力化するスマートフォンを用いた遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機用プラットフォームの提供であり、つまりはスマートフォンの持つマッピング機能、カメラ機能、磁気センサ等の諸機能の水中環境下での拡張にある。

本発明は、その水中透明耐圧容器内部にスマートフォン、光-電気信号変換器、ブルートゥースモジュールを格納、外部に水圧検出センサ、光ファイバ巻き取り装置を配し、水中にて展張された光ファイバーケーブルと光レセプタクルを介して水上耐圧容器内部に格納された光-電気信号変換器、ＧＰＳ信号受信モジュール、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEE等）の構成を特徴とする。

本発明の水中ナビゲーションシステムは水上のＧＰＳ信号受信モジュールで測位したデジタル測位データを光ファイバケーブルで水中に光信号で伝達することにより、スマートフォンの持つ優れたマッピング機能で水中下の現在位置、現在速度の認識が格段に向上し、スマートフォンの持つカメラ、センサ等の諸機能を水中下で利用可能とし、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）により、水上水中間双方向無線通信が確立され、ダイバーが携行する水中コンパス、水中カメラ、水中ライト、水温計、ダイブコンピュータなどの器材を本発明のみで代用することが可能で、ダイバーが携行する器材を大幅に削減することが可能である。また、外部制御機器用に多数の光レセプタクルを設置し、スマートフォンのカメラ、センサ等の諸機能を利用することで遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機電子部設計開発用に省労力かつ安価な共通基盤を提供することが可能である。

図１は水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水中部の実施方法を示した説明図である。図２は水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水上部の実施方法を示した説明図である。図３はダイバー用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムの説明図である。（実施例１）図４は遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムの説明図である。（実施例２）図５は水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムの説明図である。

ＧＰＳ信号受信モジュール、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）、光-電気信号変換器、電源として小型電池を、水中下での可搬性を持たせるため耐圧構造とした電波透過性の優れた容器に格納、内部装置搬入搬出用ハッチロック機構、ハッチの水密保持パッキン、容器下部に光-電気信号変換器に接続された光ファイバ接続用レセプタクルを設け、水中ナビゲーション水上部全体の浮力が負浮力とならないように重量調整を行い正浮力とする。光-電気信号変換器、ブルートゥースモジュール、スマートフォン、スマートフォン固定装置をスマートフォンのカメラ機能を用いる際に必要な可視光透過性の優れた耐圧容器内部に格納し、内部装置搬入搬出用ハッチロック機構、ハッチの水密保持パッキン、光ファイバ接続用レセプタクルを配し、外部に光-電気信号変換器と電気的に接続された圧力センサと、光ファイバ巻き取り装置を配してその構成とする。上記の形態を採用することで、水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム、遠隔操作無人探査機、自立型無人潜水機設計開発用の共通基盤としての特性を満足できる。

図１、図２、図３は、本発明システムの１実施例の説明図である。スマートフォン操作用に操作ハンドル１０を水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水中部に固定し、光レセプタクル１２をハンドル内部の光遮断スイッチ８に接続される光ファイバと接続、光レセプタクル１２の任意に設定した発光部から導入された光を光遮断スイッチ８で光レセプタクル１２の任意に設定した受光部に遮断、導通させることにより、水中部光-電気信号変換器５、ブルートゥースモジュールを介して、スマートフォンの操作を有効にする。耐圧容器内部にスマートフォンを耐圧容器に固定された、ブルートゥースモジュール、電源を内蔵したスマートフォン固定台１６のスマートフォン固定用ラッチ１３を用いて格納する前に、スマートフォン内部のアプリケーションにて、ブルートゥースのリンク、水上耐圧容器内のＧＰＳ信号受信モジュール、送受信装置内のコンディションチェックを実施する。スマーフォン１４を格納した後、内部装置搬入搬出用ロック機能１７、水密保持パッキン１８により、容器を密閉、ロックしたならば、水中に全没させ、気泡の有無で水密性を確認する。上記のプロセスを踏まえた後に潜水が実施可能と判断される。

光ファイバ巻取り巻出し装置９からの光ファイバの展張が潜水作業に支障が出ると判断する場合は、水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水上部を操作ハンドルに水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水上部の固定用カバー２０を用いて運搬する。

光ファイバを介した水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水上部を水上に浮上させた後、水中から水上へのコミュニケーション信号は、光遮断スイッチ８、光レセプタクル１２、水中部光-電気信号変換器１５、割り込み機能を持った水中部光-電気信号変換器１５中のマイコン、ブルートゥースモジュール、スマートフォン１４内のアプリケーション、ブルートゥースモジュール、水中部光-電気信号変換器１５、光レセプタクル１２、光ファイバ、水上部光-電気信号変換器２５、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）２３を介し、パーソナルコンピュータに接続された近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）ドングル７、情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）７、水上にあるスマートフォン６、水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステム他、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）が構成するネットワークにある端末に伝送される。

水上から水中へのコミュニケーション信号は、情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）４、またはパーソナルコンピュータに接続された近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）ドングル７、水上にあるスマートフォン６あるいは他の水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムから近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）２３、水上部光-電気信号変換器２５、光レセプタクル１２、光ファイバ１９、光レセプタクル１２、水中部光-電気信号変換器１５、ブルートゥースモジュールを介しスマートフォン１４に伝送される。

水上から水中へのＧＰＳ信号受信モジュールからのデジタル測位データの伝達は、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）２３、水上部光-電気信号変換器２５、光レセプタクル１２、光ファイバ１９、光レセプタクル１２、水中部光-電気信号変換器１５、ブルートゥースモジュールを介しスマートフォン１４に伝送される。

水上から水中へのコミュニケーション信号、水上から水中へのデジタル測位データは、水上部光-電気信号変換器２５中のマイコンの情報処理機能によって、信号の重複無く、順次、水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水中部へ伝送される。

水上水中間の光通信は水上水中間双方の光-電気信号変換器内の光受信素子の光受信感度、発光素子を異にすることにより、互いに干渉することはなく双方向通信を可能とする。

深度、磁気方位、現在位置、コミュニケーション信号、潜水時間、減圧時間等、潜水に関連する情報はスマートフォン１４内部のアプリケーションによって選択的にスマートフォン１４のユーザーグラフィカルインターフェイス上表示、またはスマートフォン１４内部の記憶装置に記憶される。

水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水上部から伝送される、水上水中間の光通信と干渉しない
水上部光-電気信号変換器２５からの光源による光を、光ファイバ巻取り巻出し装置９内で４か所に分岐させ、光ファイバ巻取り巻出し装置９と耐圧容器の空隙により非接触とした光レセプタクル１２でそれぞれ受光する。装置中央部のレセプタクルは水上水中間通信用、その周囲３か所は光ファイバ巻取り巻出し装置用回転数回数カウント用とし、水中部光-電気信号変換器１５内のマイコンによって回転数から光ファイバ送出距離を算出、ブルートゥースモジュールからスマートフォン１４により伝達、スマートフォン内で深度域に伴う水平距離誤差を光ファイバ展張長、水中部光-電気信号変換器１５に接続される圧力センサ深度データ２６から求め、スマートフォン１４内磁気センサで水中下の方位データを合わせ、水中位置測位の向上を図る。

上述の水平距離誤差算出の根拠となる式、資料以下の表に示す。

このようなスマートフォンを用いたダイバー用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムの形態を採用したので、水中ナビゲーション装置としての、良携行性、現在地確認性、水上水中間コミュニケーションシステムとしてのリアルタイム双方向コミュニケーション性を確保している。本発明の主体はスマートフォンを用いた水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーション体系にあるので、電子、機構系の説明は省略する。

図１、図２、図４は、本発明装置の１実施例の説明図である。
水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水中部と水流補正用兼、内部装置固定用容器３２を水流補正用兼、内部装置固定用容器と水中ナビゲーションシステムを接続する固定具３８で各センサの機能を発揮できるよう任意の角度を持って固定する。光レセプタクル１２に耐圧容器２７の光レセプタクル１２を光ファイバ１９で接続する。耐圧容器２７内に耐圧容器に装着された光レセプタクル１２に接続された光-電気信号変換器３４、電池３５、動力制御モジュール３６が格納され気密が保たれる。舵制御用油漬けモータを封入した非耐圧容器３０は姿勢制御、針路保持制御用舵３１に推進動力用油漬けモータを封入した非耐圧容器２９はプロペラ２８にそれぞれ回転軸を通して接続させる。遠隔操作無人探査機あるいは自立型無人潜水機として用途に合わせ光ファイバを介した水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム水上部の水面への展張を決定する。

水上から水中へのコミュニケーション信号は、情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）４、またはパーソナルコンピュータに接続された近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）ドングル７、水上にあるスマートフォン６あるいは他の水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムから近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）２３、水上部光-電気信号変換器２５、光レセプタクル１２、光ファイバ、光レセプタクル１２、水中部光-電気信号変換器１５、ブルートゥースモジュールを介しスマートフォン１４に伝送される。

水上から水中へのＧＰＳ信号受信モジュールからのデジタル測位データの伝達は、近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）２３、水上部光-電気信号変換器２５、光レセプタクル１２、光ファイバ、光レセプタクル１２、水中部光-電気信号変換器１５、ブルートゥースモジュールを介しスマートフォン１４に伝送される。

水上から水中へのコミュニケーション信号、水上から水中へのデジタル測位データは、水上部光-電気信号変換器２５中のマイコンの情報処理機能によって、信号の重複無く、順次水中部へ伝送される。

深度、磁気方位、現在位置、コミュニケーション信号、潜水時間、減圧時間等、潜水に関連する情報はスマートフォン１４内部のアプリケーションによって選択的にスマートフォン１４のユーザーグラフィカルインターフェイス上表示、またはスマートフォン１４内部の記憶装置に記憶される

水中の移動、制御はスマートフォン内臓自立型無人潜水機用プログラム、または情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）４、水上にあるスマートフォン６、からの無線信号を水中ナビゲーション装置の水上部２１、から光ファイバを介して遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機に搭載された水中ナビゲーション装置の水中部３に伝達される信号を光レセプタクル１２、から耐圧容器２７の光レセプタクルに接続された光-電気信号変換器３４、動力制御モジュール３６に伝達され、電池３５の電力を動力制御モジュール３６でカットオフし、油漬けモータ動力用電線３３を介して各油漬けモータに電力が供給される、格納容器に内蔵された油漬けモータでプロペラ２８、姿勢制御、針路保持制御用舵３１を駆動し、各油漬けモータ毎分回転数、舵角度の情報を２対の光レセプタクルと光ファイバ３７から光ロータリーエンコーダ形式で遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機に搭載された水中ナビゲーション装置の水中部３にフィードバックされて実施される。

このようなスマートフォンを用いた遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステムの形態を採用したので、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機の設計、開発時の経済性を得られる。本発明の主体はスマートフォンを用いた水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーション体系にあるので、電子、機構系の説明は省略する。

従来の水中ナビゲーション装置と比べ、本発明は水中環境下にてスマートフォンの機能を用いることで潜水工事、潜水訓練、レジャーダイビングなど、水中環境下位置視認性、水上水中間コミュニケーションの向上、そして水中コンパス、水中カメラ等、携行器材の削減が求められる分野でその効果を発揮する。また従来、開発に多大な労力、資金を要した遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機ナビゲーションモジュールの設計開発を安価、省労力な共通基盤として提供可能であり、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機の普及に貢献する。

１操作ハンドルを装着した水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水中部
２水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水上部と水中ナビゲーション装置の水中部を接続する光ファイバ
３遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機に搭載された水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水中部
４情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）
５陸、または船
６水上にあるスマートフォン
７情報端末装置（例えばノートＰＣ、モバイルＰＣなど）に接続された近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）ドングル
８光遮断スイッチ
９光ファイバ巻取り巻出し装置
１０操作ハンドル
１１光ファイバ巻取り巻出し装置巻取り巻出し口
１２光ファイバ接続用レセプタクル
１３スマートフォン固定用ラッチ
１４スマートフォン
１５水中部光-電気信号変換器
１６耐圧容器に固定された、ブルートゥースモジュール、電源を内臓したスマートフォン固定台
１７内部装置搬入搬出用ハッチロック機構
１８水密保持パッキン
１９光ファイバ
２０水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水上部の固定用カバー
２１水中ナビゲーション兼水上水中間双方向コミュニケーションシステムの水上部
２２ＧＰＳ信号受信モジュール
２３近距離通信器（ブルートゥース、ZIGBEEモジュール等）
２４電池
２５水上部光-電気信号変換器
２６水中部光-電気信号変換器に接続される圧力センサ
２７耐圧容器
２８油漬けモータを封入した非耐圧容器からの動力で駆動するプロペラ
２９推進動力用油漬けモータを封入した非耐圧容器
３０舵制御用油漬けモータを封入した非耐圧容器
３１姿勢制御、針路保持制御用舵
３２水流補正用兼、内部装置固定用容器
３３油漬けモータ動力用電線
３４耐圧容器に装着された光レセプタクルに接続された光-電気信号変換器
３５電池
３６動力制御モジュール
３７２対の光レセプタクルと光ファイバ
３８水流補正用兼、内部装置固定用容器と水中ナビゲーションシステムを接続する固定具

Claims

水上の近距離通信網が使用する周波数帯の電波透過性を持った耐圧容器に格納されたＧＰＳ信号受信モジュール、近距離通信器、光-電気信号変換器、光レセプタクルと水中に展張された光ファイバケーブルと、水中の深度測定用圧力センサ付き透明耐圧容器に格納された光レセプタクルと光-電気信号変換器、ブルートゥースモジュールを介して水中の耐圧容器内のスマートフォンを用い、水中下で現在位置を確認、水中耐圧容器内の光-電気信号変換器と接続される光レセプタクルの光信号によって、耐圧容器内のスマートフォンを操作、外部機器を制御し、同システムまたは情報端末装置、陸上の情報端末装置に接続された近距離通信網送受信ドングルと双方向無線通信することを特徴とするダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。
前記近距離通信網は、無線ＬＡＮ（Wireless Local Area Network）、ブルトゥース網（Bluetooth Network）、及びジグビー網（Zigbee Network）のうちの一つ以上を含むのを特徴とする、請求項１に記載のダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。
前記近距離通信器は、無線ＬＡＮ（Wireless Local Area Network）、ブルトゥース網（Bluetooth Network）、及びジグビー網（Zigbee Network）のうちの一つ以上のネットワークと通信する装置を特徴とする、請求項１に記載のダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。
前記情報端末装置は、スマートフォン、パーソナルコンピュータのうちの一つ以上を含むのを特徴とする、請求項１に記載のダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。
前記光-電気信号変換器は内部に情報処理用マイコン、光通信用に２波長以上の光源を備えていることを特徴とする請求項１に記載のダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。
前記スマートフォンは内部に、ブルートゥース無線送受信機能、磁気センサ、カメラ機能、電子地図表示機能を備えていることを特徴とする請求項１に記載のダイバーまたは、遠隔操作無人探査機,自立型無人潜水機用水中ナビゲーション兼水上水中間コミュニケーションシステム。