JP2015175831A - 水中移動体の位置検知装置及び位置検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水中移動体の位置の検知精度を向上させることができる水中移動体の位置検知装置を提供する。
【解決手段】水中検査装置９の周囲の構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、当該或る平面上での当該構造物の外形と、当該構造物の外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像とが、位置情報と関連付けて表された鏡像付加選択画像が記憶された画像記憶部３４と、当該或る平面上において水中検査装置の周囲を超音波センサユニット２４ｃで走査することで得られる画像データであって、当該或る平面における当該構造物の外形が表された測定画像を取得する測定画像算出部３６と、鏡像付加選択画像と測定画像との対応関係と、当該鏡像付加選択画像に付された位置情報とに基づいて、当該或る平面上における水中検査装置９の位置を算出する位置算出部３８とを備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、３次元移動可能な水中移動体の位置を検知する水中移動体の位置検知装置に関する。

３次元移動が可能な水中移動体の位置を検出する水中移動体の位置検知装置を利用した技術としては、３次元移動可能な水中検査装置を用いて原子炉内の構造物の検査作業を行う原子炉内検査システムが知られている。

この種の技術の一例として、任意の水平面で水中移動体から周囲の構造物までの距離を計測することで当該水平面における当該構造物の形状を示す画像データ（測定画像）を作成し、次に、当該構造物の設計情報等から得られる当該水平面における当該構造物の形状を示す画像データであって、水平位置情報が付されている画像データ（記憶画像）を測定画像とマッチングすることで、水中移動体の水平位置を算出する位置検知装置がある（特開２０１０−２０３８８８号公報参照）。

特開２０１０−２０３８８８号公報

上記文献に係る位置検知装置は、既知の構造物の設計情報をもとに予め作成しておいた記憶画像と、その場で距離センサで計測した当該構造物までの距離をもとに作成される測定画像とのマッチング処理により水中移動体の位置を算出している。そのため、例えば当該距離センサとして超音波センサを利用した場合には、当該構造物の表面で超音波が多重反射（反響など）して、設計情報の構造物には存在しない像（虚像や鏡像などと称される）が測定画像上に虚像ノイズとして表れることがある。この場合には、実際の構造物の状態が記憶画像作成時と異なっているとき、または、測定画像にノイズ（構造物の有無と関係の無い画素）が含まれているときと同様に、記憶画像と測定画像のマッチング率が低下するため、マッチング箇所の同定に誤りが生じて水中移動体の位置算出精度が低下するおそれがある。すなわち、上記文献に係る位置検知装置は、設計情報と異なる環境下で使用する場合には、その位置検知精度の点で改善の余地がある。

本発明の目的は、構造物の設計情報と測定情報が異なる環境下での位置検知精度を向上できる水中移動体の位置検知装置及び位置検知方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、３次元空間を移動可能な水中移動体と、構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、当該或る平面上での前記構造物の外形と、当該構造物の外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像とが、位置情報と関連付けて表された画像データが記憶された記憶装置と、前記或る平面上において前記水中移動体の周囲を距離センサで走査することで得られる画像データであって、前記或る平面における前記構造物の外形が表された測定画像を取得する画像取得部と、前記記憶装置に記憶された前記画像データと前記画像取得部で取得された前記測定画像との対応関係と、前記記憶装置に記憶された前記画像データに付された位置情報とに基づいて、前記或る平面上における前記水中移動体の位置を算出する位置算出部とを備えるものとする。

本発明によれば、構造物の設計情報と測定情報が異なる環境下での水中移動体の位置の検知精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る原子炉内検査システムの概略図。 本発明の実施の形態に係るプール検査システムの概略図。 本発明の実施の形態に係る水中検査装置の構成を表す概略図。 本発明の実施の形態に係るレンジセンサユニットの水平断面図。 図４中の断面IV−IVにおけるレンジセンサユニットの垂直断面図。 本発明の実施の形態に係るレンジセンサユニットの測定動作の説明図。 本発明の実施の形態に係る超音波センサユニットの概略図。 本発明の実施の形態に係る超音波センサユニットの水平断面図。 本発明の実施の形態に係る制御装置の機能ブロック図。 本発明の実施の形態に係る制御装置の位置・姿勢算出機能に係わる制御処理内容を表すＰＡＤ図。 図１０における姿勢角算出処理の詳細を表すＰＡＤ図。 図１０における垂直位置算出処理の詳細を表すＰＡＤ図。 制御装置による測定画像算出処理及び水平位置算出処理の説明図。 図１０における測定画像算出処理の詳細を表すＰＡＤ図。 図１０における水平位置算出処理の詳細を表すＰＡＤ図。 本発明の実施の形態に係る画像修正部の概略構成図。 本発明の実施の形態に係る表示装置の表示画面の一例を表す図。 本発明の実施の形態に係る表示装置の表示画面の一例を表す図。 本発明の実施の形態に係る表示装置の表示画面の一例を表す図。 本発明の実施の形態に係る表示装置の表示画面の一例を表す図。

まず、本発明の実施の形態を説明する前に、本発明に係る水中移動体の位置検知装置が備える主な特徴について説明する。

（１）本発明に係る水中移動体の位置検知装置は、３次元空間を移動可能な水中移動体と、構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、当該或る平面上での前記構造物の外形と、当該構造物の外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像とが、位置情報と関連付けて表された画像データが記憶された記憶装置と、前記或る平面上において前記水中移動体の周囲を距離センサで走査することで得られる画像データであって、前記或る平面における前記構造物の外形が表された測定画像を取得する画像取得部と、前記記憶装置に記憶された前記画像データと前記画像取得部で取得された前記測定画像との対応関係と、前記記憶装置に記憶された前記画像データに付された位置情報とに基づいて、前記或る平面上における前記水中移動体の位置を算出する位置算出部とを備えることを特徴とする。

このように、前記構造物の設計情報に基づいて作成した当該構造物の外形だけでなく、当該外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像までも埋め込んだ前記画像データと、当該画像データと略同じ平面上で前記距離センサを走査して得た前記測定画像との対応関係をとる（例えば、画像相関処理によるマップマッチングで対応関係をとる）と、前記距離センサ（例えば超音波センサ）を利用して当該測定画像の取得の際に多重反射に起因した前記構造物の虚像が当該測定画像上に表れていても、当該測定画像における当該虚像と前記画像データにおける前記鏡像とを対応付けることができるので、虚像の発生によるマッチング率の低下が抑制でき、水中移動体の位置検知精度を向上できる。

なお、前記画像データに埋め込む鏡像は、前記構造物の外形を構成する線を含み前記或る平面に直交する鏡面を仮想的に設定し、当該鏡面に対して当該構造物の外形が写った像に基づいて作成される。例えば、当該構造物の外形を構成する線が直線（または略直線とみなせる程度に充分に緩やかな曲線）であって当該鏡面が平坦（または平坦とみなせる）の場合には、当該鏡面（当該直線）に関して対称をなす当該外形の像が鏡像となる。また、当該構造物の外形が複数の直線の組み合わせのみで規定されており、当該外形に曲線が含まれていない場合には、当該複数の直線のそれぞれについて当該外形と線対称な図形を鏡像とすれば良いので、鏡像作成処理は容易となる。

また、前記画像データへの鏡像の埋め込み処理は、事前に行っておいて当該画像データに予め埋め込んでおいても良いし、前記水中移動体の位置検知の際に鏡像を作成して当該鏡像を当該画像データにその都度埋め込んでも良い。つまり、前記記憶装置に対しての、構造物の設計情報に基づいて作成される当該構造物の外形の記憶時期（作成時期）と、当該構造物の鏡像の記憶時期（作成時期）は、実質的に同じでも良いし異なっていても良い。そして、前記水中移動体の位置検知の都度に鏡像を前記画像データに付加する場合には、前記水中移動体の周囲に形成される一部の鏡像のみを作成し（例えば、多重反射後の波動の検知が可能な範囲に形成される鏡像のみを作成する）、それを前記画像データに埋め込んでも良い。

（２）また、本発明に係る水中移動体の位置検知装置は、３次元空間を移動可能な水中移動体と、構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、前記３次元空間内で互いに異なる複数の平面上における前記構造物の外形が位置情報と関連付けて表された複数の記憶画像が記憶された記憶装置と、前記３次元空間で前記水中移動体の位置する平面上において当該水中移動体の周囲を距離センサで走査することで得られる画像データであって、当該平面上における前記構造物の外形が表された測定画像を取得する画像取得部と、前記複数の記憶画像の中から前記水中移動体の位置情報を取得するために利用される記憶画像を、前記水中移動体の姿勢および垂直位置に基づいて選択し、当該選択された記憶画像を選択画像とする画像選択部と、当該選択画像中の前記構造物の外形を構成する線を基準とした当該外形の鏡像を当該選択画像に付加する鏡像処理部と、前記鏡像処理部で前記鏡像が付加された前記選択画像と前記測定画像の対応関係と、前記選択画像に付された位置情報とに基づいて、前記水中移動体の位置する平面における当該水中移動体の位置を算出する位置算出部とを備えることを特徴とする。

このように水中移動体の位置検知装置を構成すると、上記（１）の場合のような或る平面における前記水中移動体の位置だけでなく、３次元空間における前記水中移動体の位置を検出することができる。なお、前記鏡像処理部により前記記憶画像に前記鏡像を付加する処理は、前記画像選択部による画像選択の前に行っておいても良く、前記記憶画像とともに前記鏡像を予め前記記憶装置に記憶しておいても良い。

なお、前記画像選択部で利用される前記水中移動体の垂直位置を算出する手段としては、例えば、水中における前記水中移動体の深度を検出する圧力センサが利用可能である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る原子炉内検査システムの概略図である。この図に示す原子炉１には、シュラウド２、上部格子板３、炉心支持板４、及びシュラウドサポート５等の構造物が設置されており、ＰＬＲ（Primary Loop Re-circulation System：一次冷却材再循環系）配管６等の配管が接続されている。原子炉１の上部には作業スペースであるオペレーションフロア７があり、さらにその上方には燃料交換装置８がある。

本実施の形態の原子炉内検査システムは、原子炉１内の構造物の目視検査に用いる水中検査装置９（水中移動体）と、ケーブル１０を介して水中検査装置９に接続された制御装置１１と、この制御装置１１に接続され、水中検査装置９のカメラ画像を表示するとともに水中検査装置９の位置や姿勢等を表示する表示装置１２と、制御装置１１に接続され、水中検査装置９を操作可能な操作装置１３を備えている。原子炉１内の構造物の目視検査作業を行う場合、燃料交換装置８上の検査員１４は、原子炉１内に水中検査装置９を投入し、この水中検査装置９の位置や姿勢を表示装置１２で確認しつつ、操作装置１３を操作する。

また、本発明に係る水中移動体の位置検知装置の他の適用先としては、図２に示すような、原子力発電所内のプールのように複数の平坦な壁面及び底面によって形成される閉空間（例えば、使用済燃料プール）での調査が挙げられる。プールのような単純な形状の場合、構造物が平坦な壁などの外形形状によって構成されているため、超音波が多重反射をおこしやすく、反響の影響が大きくなることが予想される。

図３は本発明の実施の形態に係る水中検査装置９の概略図である。
この図において、水中検査装置９は、本体の前面側（図３中左側）に設けられ原子炉１内の構造物等を撮像するカメラ１５と、カメラ１５の画像を電子情報化する画像取込部１６を備えている。また、水中検査装置９は、本体の上面側（図３中上側）、後面側（図３中右側）、及び左側面側（図３中紙面に向かって手前側）にそれぞれ設けられた３つのスラスタ（推進機構）１７を備えている。３つのスラスタ１７は、それぞれ、スクリューと、スクリューを正回転又は逆回転に駆動するモータ（図示せず）で構成されている。スラスタ１７は、水中検査装置９に対して上下方向（図３中上下方向）の推力、前後方向（図３中左右方向）の推力、及び左右方向（図３中紙面に対し垂直方向）の推力をそれぞれ付与する。すなわち、このスラスタ１７により、水中検査装置９は水で満たされた３次元空間を自在に移動可能となっている。なお、以降、水中検査装置９の座標系は、本体における垂直下向き（検査装置９の高さ方向下向き）がＺ軸正方向である右手座標系を定義して説明する。具体的には、本体の右方向（図３中紙面に向かって奥方向）がＸ軸正方向、前方向（図３中左方向）がＹ軸正方向、下方向（図３中下方向）がＺ軸正方向となっており、Ｘ軸及びＹ軸はＺ軸と直交しかつ互いに直交している。

水中検査装置９は、水中検査装置９に作用する水圧を検出する圧力センサ（垂直位置検出器）１８と、原子炉１内における水中検査装置９の姿勢（姿勢角）を検出するための慣性センサ部（姿勢角検出器）１９と、本体下部（底面）に取り付けられたレンジセンサユニット（相対距離検出器）２３を備えている。

圧力センサ１８で検出された圧力は、原子炉１内における水中検査装置９の垂直位置（深度）の検出に用いられる。また、慣性センサ部１９は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度をそれぞれ検出する３軸ジャイロ（角速度検出器）２０と、Ｘ軸及びＹ軸周りの角度（傾斜角）を検出する傾斜計（傾斜角検出器）２１と、Ｚ軸周りの角度（方位角）を検出する地磁気センサ（方位角検出器）２２を有しており、これらの検出値は水中検査装置９の姿勢角の検出に用いられる。

図４はレンジセンサユニット２３の概略構造を表す水平断面図であり、図５は図４中の断面IV−IVにおける断面図（垂直断面図）である。

レンジセンサユニット２３は、水で満たされた３次元空間で水中検査装置９の位置に応じて定められる水平面上において、水中検査装置９から当該水中検査装置９の周囲に存在する構造物までの相対距離を検出するものである。レンジセンサユニット２３のケーシング２５内には、水中検査装置９の前方側及び後方側に配置された合計２つの走査型のレーザセンサ（レーザレンジファインダ）２４ａ，２４ｂが収納されている。ケーシング２５の下面（底面）には超音波アレイセンサ２４ｄ（後述の図７参照）が内蔵された超音波センサユニット２４ｃ（図３参照）が取り付けられている。このように本実施の形態では、水中検査装置９から周囲の構造物までの相対距離を検出するセンサとして、レーザセンサ２４ａ，２４ｂと、超音波アレイセンサ２４ｄを備えている。なお、本稿における「水平面」とは、完全な水平面のみを示すだけでなく、誤差等も含んだ実質的に水平な面を意味するものとする。

ケーシング２５の材質は、レーザセンサ２４ａ，２４ｂから投光されるレーザが透過可能なものであれば良く、例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリプロピレン等の透光性を有する樹脂がある。

レーザセンサ２４ａ，２４ｂは、それぞれ、レーザを投光する投光部２６と、投光したレーザを受光する受光部２７を有している。投光部２６は、走査装置（図示せず）によってＺ軸周りに回転されて、同一平面上（ここでは水平面上となる）にレーザを走査する。投光部２６より投光及び走査されたレーザは周囲の構造物等に反射して受光部２７で受光される。

ところで、本実施の形態のレーザセンサ２４ａ，２４ｂでは、投光部２６と受光部２７が分離されており、レーザセンサ２４ａ，２４ｂには投光部２６側と受光部２７側を区画する略Ｕ字状の遮光板２６がそれぞれ設けられている。遮光板２６は、投光部２６からのレーザ光の一部がケーシング２５の内表面で反射して生じる反射光が受光部２７で受光されるのを防ぐためのものである。

なお、図４に示すように、ケーシング２５の前方側側面部は、その水平断面がレーザセンサ２４ａを中心とした円弧状になるように形成することが好ましく、また、ケーシング２５の後方側側面部は、その水平断面がレーザセンサ２４ｂを中心とした円弧状になるように形成することが好ましい。このようにケーシング２５を形成すると、投光部２６からのレーザ光が直交して出射するとともに、受光部２７で受光する反射光が直交して入射するので、ケーシング２５への出入射に伴うレーザ光の強度低下を抑制することができるからである。また、レーザセンサ２４ａ，２４ｂの構造は例えば特開２００６−３４９４４９号公報に詳しい。

図６はレンジセンサユニット２３の測定動作の説明図である。この図に示すように、本実施の形態におけるレンジセンサユニット２３では、レーザセンサ２４ａは、水中検査装置９の前方側範囲となる走査角度θａ（１）〜θａ（ｎ）の範囲（例えば−３０°〜２１０°程度の範囲）でレーザ光を走査するとともにその反射光を受光して、構造物Ａとの相対距離Ｍ（１）〜Ｍ（ｎ）をそれぞれ検出する。

また、レーザセンサ２４ｂは、水中検査装置９の後方側範囲となる走査角度θｂ（１）〜θｂ（ｎ）の範囲（例えば１５０°〜３９０°程度の範囲）でレーザ光を走査するとともにその反射光を受光して、構造物Ａとの相対距離Ｍ（ｎ＋１）〜Ｍ（２ｎ）をそれぞれ検出する。これにより、レーザセンサ２４ａ，２４ｂが位置する平面上における水中検査装置９とその周囲の構造物との相対距離を検出することができる。

図７は超音波センサユニット２４ｃの概略構造を表す水平断面図であり、図８は図７中の断面A−Aにおける断面図（水平断面図）である。

超音波センサユニット２４ｃは、水で満たされた３次元空間で水中検査装置９の位置に応じて定められる水平面上において、水中検査装置９から当該水中検査装置９の周囲に存在する構造物までの相対距離の分布を測定するものである。超音波センサユニット２４ｃは、超音波の送信や受信を行う複数個の圧電素子から構成される超音波アレイセンサ２４ｄを内蔵している。圧電素子は、水平面（図中のXY平面）に直線上または円弧状に複数個配置され、これにより水平面（XY面）内での超音波の送受信が可能となる。圧電素子の材質は、例えば、ＰＺＴなどの圧電セラミクッスや、圧電セラミックスと樹脂の複合材（コンポジット材）などでよい。

超音波アレイセンサ２４ｄを構成する複数個の圧電素子のうち、例えば、８個や１６個といった複数の圧電素子の組みをひとまとめとした素子群２４ｅ（図８参照）を送信用または受信用の素子群として使用する。

例えば、超音波アレイセンサ２４ｄが６４個の圧電素子で構成され、送信または受信用に１６個の圧電素子を用いる場合、連続する１６個をひとまとめとして超音波ビームを送信し、同じ１６個の素子で水中から反射する超音波（エコー）を受信する。次に、今使用した１６個に隣接する１個を加え、その加えた側と反対側の１個の使用を中止するようにすることで、前回の１５個と新規の１個という新しい１６個の組みあわせの素子群を形成し、この素子群で超音波を送信・受信をする。この新しい１６個はちょうど１素子分だけずれているので、超音波の送受信方向がずれることになる。

このように、１６個の素子群を構成する組合せを順次１素子ずつ切り替えていくことで、送受信方向を切り替えることができ、水平断面（XY面）に超音波を走査することが可能となる。このように超音波の送受信方向を切替えながら、超音波の反射波の受信時間を計測することで、超音波アレイセンサ２４ｄの周辺の距離分布の計測が可能となる。

本実施の形態では、レーザまたは超音波の送信時刻からその反射波の受信時刻までの伝播時間（または飛行時間）に基づいて周囲の構造物までの相対距離を測定している。このように測定した相対距離は、測定画像算出部３６（後述）における測定画像の算出に主に用いられる。

図３に戻り、水中検査装置９には信号伝送部２９が設けられている。そして、信号伝送部２９及びケーブル１０を介して、圧力センサ１８、慣性センサ部１９（３軸ジャイロ２０、傾斜計２１、地磁気センサ２２）、レンジセンサユニット２３（レーザセンサ２４ａ，２４ｂ）および／または超音波センサユニット２４ｃ（超音波アレイセンサ２４ｄ）からの検出信号並びに画像取込部１６からの画像信号が制御装置１１に出力されている。そして、制御装置１１は、前述した検出信号等に基づいて水中検査装置９の位置や姿勢を算出し、この算出した水中検査装置９の位置や姿勢を表示装置１２に出力して表示している。また、制御装置１１は、前述した画像信号を表示装置１２に出力して、カメラ１５の画像などを表示している（後の図１７等で詳述）。また、制御装置１１は、操作装置１３からの操作信号に応じてスラスタ１７を駆動制御する制御信号を生成し、この生成した制御信号をケーブル１０及び信号伝送部２９を介してスラスタ１７に出力している。

圧力センサ１８は、水中検査装置９の底面から外部に露出したセンサ部（図示せず）を有しており、当該センサ部に作用する水圧を検出することで圧力を検出している。なお、圧力センサ１８の設置の有無は、センサ部を外部から視認することで容易に確認できる。

制御装置１１は、コンピュータであり、ハードウェアとして、各種プログラムを実行するための演算手段としての演算処理装置（例えば、ＣＰＵ）と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の半導体メモリや、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置）と、各装置と水中検査装置９に係る各センサ等へのデータ及び指示等の入出力制御を行うための入出力演算処理装置を備えている（いずれも図示せず）。

次に、制御装置１１の位置・姿勢算出機能について説明する。図９は制御装置１１の機能ブロック図である。

この図に示すように、制御装置１１は、３軸ジャイロ２０の角速度信号に基づきＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度をそれぞれ算出する角速度算出部３０と、傾斜計２１の角度信号に基づきＸ軸及びＹ軸周りの傾斜角をそれぞれ算出するとともに、地磁気センサ２２の角度信号に基づきＺ軸周りの方位角を算出する角度算出部３１と、これら算出された角速度、傾斜角、及び方位角に基づき水中検査装置９の姿勢角（３軸周りの姿勢角）を算出する姿勢角算出部３２として機能する。また、圧力センサ１８の圧力信号に基づき水中における水中検査装置９の深度、すなわち垂直位置を算出する垂直位置算出部３３としても機能する。

制御装置１１は、測定画像算出部３６と、画像記憶部３４と、画像選択部３５と、鏡像処理部３５ａと、画像修正部４２と、対応部分特定部３７と、水平位置算出部３８と、位置・姿勢記憶部８０として機能する。

測定画像算出部３６は、レンジセンサユニット２３（レーザセンサ２４ａ，２４ｂ）または超音波センサユニット２４ｃ（超音波アレイセンサ２４ｄ）で検出された水中検査装置９と構造物との相対距離に基づいて、その相対距離を検出した水平面（以下において「スキャン平面」と称することがある）における構造物の外形の画像データ（測定画像）を算出・作成する処理（ビットマップ化処理）を行う部分である。

本実施の形態における測定画像算出部３６は、検出した相対距離を画像に変換する際に、距離［ｍｍ］を画素値［pixel］に変換する係数Ｋを使用してビットマップ化処理を行っている。このビットマップ化処理によって得られた画像は、複数の点（画素）の集合で表されており、原子炉１内の構造物をスキャン平面で切断したときの外形の一部を表すことになる。なお、本実施の形態では係数Ｋの値として、測定画像が一定のサイズ（例えば、６４０ｘ４８０［pixel］）のビットマップ画像となる値が採用されている。

画像記憶部３４は、原子炉１およびその内部の構造物の設計情報に基づいて作成される複数の画像データであって、原子炉１内（３次元空間）で垂直位置の異なる複数の水平面における構造物の外形の画像データ（記憶画像）が記憶されている部分であり、制御装置１１に係る記憶装置内の所定の領域に確保されている。

本実施の形態に係る画像記憶部３４に記憶されている各記憶画像は、垂直位置の異なる複数の水平面で原子炉１内の構造物を切断したときの当該構造物の外形を表しており、各記憶画像には、それぞれの切断位置を示す情報である原子炉１内における垂直位置情報が付与されている。なお、本記憶画像は、構造物の表面形状、すなわち構造物内部に存在する構造物の外形情報を削除したものである。

また、画像記憶部３４に記憶された各記憶画像を構成する画素の少なくとも１つには、原子炉１内の３次元空間に対応する水平位置情報が付されており（以下、この水平位置情報が付された画素を「基準画素」と称することがある）、各記憶画像は原子炉１内における水平位置の地図として機能している。なお、水平位置の算出精度を向上させる観点からは、記憶画像の画像サイズは大きいほど好ましい。画像サイズを大きくするほど各画素に付与する水平位置情報の精度を向上させることができるからである。

画像選択部３５は、測定画像算出部３６によって測定画像を得たときの水中検査装置９の垂直位置や、測定画像と画像記憶部３４内の複数の記憶画像とのマッチング率等に基づいて、画像記憶部３４に記憶された複数の記憶画像の中から水中検査装置９の位置算出に利用する記憶画像を最終的に１枚選択する処理を実行する部分である。

本実施の形態の画像選択部３５は、圧力センサ１８で検出された水中検査装置９の垂直位置に基づいて、画像記憶部３４に記憶された複数の記憶画像の中からレンジセンサユニット２３が相対距離を検出した水平面に対応する記憶画像を選択している。具体的には、画像選択部３５は、垂直位置算出部３３で算出された垂直位置と一致する垂直位置情報を有する記憶画像（一致するものが無い場合には垂直位置が最も近い画像）を選択画像として選択する。

また、この選択画像の選択方法に追加・代替して行われる他の選択方法としては、水中検査装置９の垂直位置に近い垂直位置情報を有する記憶画像を所定の枚数だけ抽出し、その抽出した記憶画像のそれぞれと測定画像に対して画像相関処理によるマップマッチングを実行し、当該複数の記憶画像の中からマッチング率の高いものを１枚選択し、最終的にその１枚を選択画像とするものがある。

また、上記の選択方法に追加・代替して行われる更に他の方法としては、初回の選択のみ水中検査装置９の位置（主に垂直方向位置）から最適な画像を選択し、その後の水平位置算出処理には、対応部分特定部３７で算出されるマッチング率が選択画像の再選択が不要なことを示す閾値Ｍ２未満に到達したときに、マッチング率がＭ２以上に到達する他の記憶画像を改めて選択する方法がある。このマッチング率がＭ２以上の他の画像を改めて選択する場合の具体的手段としては、まず、現在の選択画像（マッチング率がＭ２未満のもの）に垂直方向情報が近い数枚の記憶画像であって、水中検査装置９の移動可能範囲内にあるものを再選択の候補として挙げ、次に、その候補に挙げた複数の記憶画像と測定画像とのマッチング率をそれぞれ算出し、最もマッチング率の高い記憶画像を選択画像として選択する方法がある。このように選択画像を選択すれば、常にマッチング率が一定値以上の記憶画像を用いることができるので、水中検査装置９の水平位置算出処理の精度を向上することができる。

本実施の形態に係る水中検査装置９はレンジセンサユニット２３（レーザセンサ２４ａ，２４ｂ）および超音波センサユニット２４ｃ（超音波アレイセンサ２４ｄ）を備えているため、測定画像算出部３６によって得られる測定画像について、レーザと超音波の２方式を用いることができる。レーザと超音波は波長が数百ｎｍと数ｍｍとオーダが大きくことなることから、媒質（水）での透過特性が大きく異なる。一般に、波長の短いレーザはより精密に構造物の形状や距離を計測できる反面、超音波に比べて短い距離の計測に適する。従って、近距離はレーザで高精密に計測し、遠距離は超音波で距離や形状を計測するといった相補的な手法を採用することが好ましく、そのような構成を本実施の形態では利用可能となっている。

ところで、超音波センサユニット２４ｃが利用する超音波は水などの媒質中での透過性が良好なため、超音波センサから送信された超音波が構造物などの外表面で反射を繰り返し（多重反射、反響）、ノイズ信号として計測される可能性がある。計測されたノイズ信号は測定画像上にちょうど鏡に何度も写った鏡像のような偽りの画像（虚像）として現れるため、距離分布計測や自己位置検知の精度を低下させる要因となることが予想される。しかし、本実施の形態では、多重反射に起因する虚像も構造物の外形形状に由来する信号であることに着目し、ノイズとして切り捨てるのではなく、選択画像とのマッチングに積極的に利用することで、距離分布計測や自己位置検知の精度向上を図っている。

鏡像処理部３５ａは、画像選択部３５で選択された選択画像（記憶画像）において、構造物の外形形状から多重反射の効果を計算で算出し、選択画像（記憶画像）に多重反射による仮想的な外形データ（鏡像データ）を付加する処理を行う部分である。以下においては鏡像処理部３５ａにより鏡像データが付加された選択画像を鏡像付加選択画像と称することがある。

画像修正部４２は、鏡像処理部３５ａで取得された鏡像付加選択画像と、測定画像算出部（画像取得部）３６で取得された測定画像とをそれぞれ簡略化することで修正する処理を行う部分であり、鏡像処理部３５ａから出力される鏡像付加選択画像の修正を行う選択画像修正部４２ａと、測定画像算出部３６から出力される測定画像の修正を行う測定画像修正部４２ｂを備えている。

画像修正部４２によって行われる画像修正処理は、対応部分特定部３７による測定画像と鏡像付加選択画像のマッチング率の向上に寄与する。例えば、修正前の測定画像には、設計情報に存在する構造物の他にも、設計情報に無い構造物の外形や、計測誤差による構造物以外のデータ（画素）等が含まれる。そのため、設計情報に無い構造物の外形や計測誤差による構造物以外のデータを測定画像から削除したものを新たな測定画像（修正後の測定画像）とする。一方、鏡像付加選択画像については、修正前の鏡像付加選択画像から所定の大きさ未満の細かい構造物の外形や主要構造物の内部に収納された構造物の外形を捨象する等することで主要構造物の外形のみを抽出し、当該鏡像付加選択画像を簡略化したものを新たな鏡像付加選択画像（修正後の鏡像付加選択画像）とする。

対応部分特定部３７は、画像修正部４２で修正された鏡像付加選択画像と測定画像とに対してマップマッチングを行うことで、当該鏡像付加選択画像上における当該測定画像に対応する部分を特定する部分である。すなわち、対応部分特定部３７は、測定画像に表れた構造物の外形が鏡像付加選択画像に表れた構造物の外形のどの部分に対応するかを探索する。測定画像と鏡像付加選択画像の一致（対応）の程度はマッチング率で表される。画像修正部４２で画像修正処理を施した鏡像付加選択画像と測定画像をマッチングさせると、両者のマッチング率が向上する。

水平位置算出部３８は、対応部分特定部３７で特定された鏡像付加選択画像上の部分において相対距離を検出した位置（すなわち、水中検査装置９の位置（正確にはレンジセンサユニット２３または超音波センサユニット２４ｃの位置、さらに正確にはレーザセンサ２４ａ，２４ｂまたは超音波アレイセンサ２４ｄの位置だが、本稿ではこれらを同じ意味で利用する））に対応する画素を特定し、その特定した画素の位置と基準画素の位置から水中検査装置９の水平位置を算出する部分である。

ここにおける「相対距離を検出した位置」とは、図６等からも明らかなように、測定画像の中心に位置し、水中検査装置９の水平位置を示す。したがって、鏡像付加選択画像において測定画像の中心が位置する画素の位置が分かれば、当該画素と基準画素の距離を求めることにより、水平検査装置９の水平位置を算出することができる。なお、このとき画素から距離データへの変換が必要な場合には、距離から画素値に変換する際に用いた定数Ｋの逆数（すなわち、１／Ｋ）を画素値に乗じれば良い。

位置・姿勢記憶部８０は、上記のように垂直位置算出部３３、水平位置算出部３７、及び姿勢角算出部３２で演算された水中検査装置９の垂直位置、水平位置、及び姿勢角を記憶する部分である。位置・姿勢記憶部８０に記憶された垂直位置、水平位置、及び姿勢角は、水中検査装置９の垂直位置、水平位置、及び姿勢角として表示装置１２に送信され、画像取込部１６で電子情報化された目視検査用のカメラ１５の映像とともに表示される。

次に上記のように構成される制御装置１１で行われる制御処理内容について説明する。図１０は制御装置１１の位置・姿勢算出機能に係わる制御処理内容を表すＰＡＤ図である。

この図において、まずステップ３９で水中検査装置９の初期位置・初期姿勢角が入力されて位置・姿勢記憶部３８に記憶される。そして、ステップ４０に進んで水中検査装置９の操作開始とともにその位置・姿勢算出処理に移る。この位置・姿勢算出処理において、姿勢角算出処理（ステップ４１）と、垂直位置算出処理（ステップ４２）と、測定画像算出処理（ステップ４３）と、水平位置算出処理（ステップ４４）が順次繰り返し行われ、その都度ごとにステップ４１，４２，４４で算出された姿勢角、垂直位置及び水平位置が位置・姿勢記憶部３８に記憶される（ステップ４５）。以下、各算出処理の詳細を説明する。

（１）姿勢角算出処理
図１１は図１０に示すステップ４１の姿勢角算出処理の詳細を表すＰＡＤ図である。この姿勢角算出処理において、角速度算出部３０は、まず、３軸ジャイロ２０の角速度信号を取り込み、角度算出部３１は、傾斜計２１及び地磁気センサ２２の角度信号を取り込む（ステップ４６）。

そして、ステップ４７に進み、角速度算出部３０は、３軸ジャイロ２０の角速度信号から各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）周りの角速度を算出する角速度算出処理に移る。本実施の形態の３軸ジャイロ２０は、静電浮上型ジャイロであり、角速度に比例する増減値が基準電圧（一定の電圧値）に加えられた正の電圧値を出力する。そのため、まずステップ４８において、３軸ジャイロ２０の各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）周りの信号に対し基準電圧を減じる基本処理を行う。ここで、基準電圧は、通常、３軸ジャイロ２０の固有スペックとして示されているが、本実施の形態では、角速度信号が入力されないときの電圧値を予め計測して平均化したものを用いる。その後、ステップ４９に進んで、電圧−角速度換算係数（３軸ジャイロ２０の固有のスペックとして示される一定値）を乗じて各軸周りの角速度を算出する。

ステップ４７の角速度算出処理が終了すると、ステップ５０に進み、角度算出部３１は、傾斜計２１の角度信号から各軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの傾斜角を算出する傾斜角算出処理に移る。本実施の形態の傾斜計２１は、封入された電解液の液面変化（Ｘ軸及びＹ軸周りの傾斜角）を電圧変化に変換して出力するものである。そのため、まずステップ５１において、各軸（Ｘ軸、Ｙ軸）周りの信号から基準電圧（傾斜計２１の固有スペックとして示される一定の電圧値）を減じる基本処理を行う。その後、ステップ５２に進んで、傾斜角換算係数（傾斜計２１の固有スペックとして示される一定値）を乗じて各軸周りの傾斜角を算出する。

ステップ５０の傾斜角算出処理が終了すると、ステップ５３に進み、角度算出部３１は、地磁気センサ２２の角度信号からＺ軸周りの方位角を算出する方位角算出処理に移る。本実施の形態の地磁気センサ２２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に感度を有するホール素子で捉えた磁力を出力するものである。そのため、まずステップ５４において、Ｘ軸及びＹ軸の地磁気信号から基準電圧を減じ、ゲインを乗じる基本処理を行う。ここで、基準電圧及びゲインは、地磁気センサ２２を使用する環境により異なるため、予め使用する領域で測定したものを用いる。その後、ステップ５５に進んで、基本処理したＸ軸及びＹ軸の信号Ｍｘ，Ｍｙを用い、下記の式（１）によりＺ軸周りの方位角θｍを算出する。

ステップ５３の方位角算出処理が終了すると、ステップ５６に進み、姿勢角算出部３２は、上述したＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの角速度、Ｘ軸及びＹ軸周りの傾斜角、Ｚ軸周りの方位角をカルマンフィルタ（この種のものとして公知のものであり、例えば上記特許文献１参照）に入力し、水中検査装置９の姿勢角（３軸周りの姿勢角）の最適値を推定する。その後、ステップ５７に進んで、推定した水中検査装置９の姿勢角を位置・姿勢記憶部３８に記憶する。このステップ５７の手順が終了すると姿勢角算出処理が終了する。

（２）垂直位置算出処理
図１２は図１０に示すステップ４２の垂直位置算出処理の詳細を表すＰＡＤ図である。この垂直位置算出処理において、垂直位置算出部３３は、まず、下記の式（２）に基づいて圧力Ｐを算出する。すなわち、まず、ステップ５８において圧力センサ１８の圧力信号（検出電圧）を取り込む。そして、ステップ５９に進んで、検出電圧Ｖｐから基準電圧Ｖｐ_base（圧力センサ１８の固有スペックとして示される一定の電圧値）を減じ、さらに圧力換算係数Ｋｖ_p（圧力センサ１８の固有スペックとして示される一定値）を乗じて圧力Ｐを算出する。

次に、垂直位置算出部３３は、ステップ６０に進んで、算出した圧力Ｐと原子炉１内の冷却材の密度ρと重力加速度ｇとを用い、下記の式（３）により水中検査装置９の深度Ｈを算出する。そして、算出した深度Ｈに例えばオペレーションフロア７から水面までの距離Ｌｗ（図１，２参照）を加えて、水中検査装置９の垂直位置とする。

その後、ステップ６１に進んで、算出した水中検査装置９の垂直位置を位置・姿勢記憶部３８に記憶する。このステップ６１の手順が終了すると垂直位置算出処理が終了する。

ところで、以下に続く測定画像算出処理（ステップ４３）と水平位置算出処理（ステップ４４）では、その理解を容易にするために、水中検査装置９で中空直方体内を検査する場合を適宜参照しながら説明する。

図１３は制御装置１１による鏡像付加処理、測定画像算出処理、画像修正処理及び水平位置算出処理の説明図である。この図に示す水中検査装置９は、水で満たされた中空直方体９０内に配置されている。中空直方体９０の内部には３つの小型構造物（例えば配管）４５が配置されている。水中検査装置９の水平位置は、画像選択部３５で選択されたスキャン平面Ｓにおける選択画像９１と、当該選択画像９１に鏡面処理部３５ａによる鏡像付加処理を施して得られる鏡像付加選択画像９１Ｍと、当該鏡像付加選択画像９１Ｍに選択画像修正部４２ａによる画像修正処理を施して得られる選択画像９１Ｒと、平面Ｓで検出された測定画像９２と、当該測定画像９２に測定画像修正部４２ｂによる画像修正処理を施して得られる測定画像９２Ｒとに基づいて算出される。なお、選択画像９１，９１Ｍ，９１Ｒ及び測定画像９２，９２Ｒのサイズはすべて６４０×４８０［pixel］であり、選択画像９１，９１Ｍ，９１Ｒの中心点をＣ９１とし、測定画像９２，９２Ｒの中心点をＣ９２とする。

図１３中の鏡像付加選択画像９１Ｍには、選択画像９１に対して、中空直方体９０の内壁面８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを基準とした当該中空直方体９０の鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが付加されている。中空直方体９０の内壁面は、その外形として４つの平坦な壁面８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを有しているため、当該４つの壁面８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄの１つを示す直線を対称軸にして残りの３つの壁面を示す直線を反転させた像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが鏡像であり、選択画像９１には合計で４つの鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが鏡像付加処理により付加されている。なお、図１３の例では、各鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄの全体を選択画像９１内に付加しているが、選択画像９１の画像内に含まれる部分のみを鏡像として付加しても良く、選択画像９１の画像サイズの外側に位置する鏡像は捨象しても良い。

（３）測定画像算出処理（構造物形状算出処理）
図１４は図１０に示すステップ４３の測定画像算出処理の詳細を表すＰＡＤ図である。本実施の形態では鏡像付加選択画像と測定画像のマッチングが特徴となるため、ここでは測定画像を作成する際の距離センサとして超音波センサユニット２４ｃ（超音波アレイセンサ２４ｄ）を利用する場合を例に挙げて説明する。図１４に示した測定画像算出処理において、測定画像算出部３６は、まず、超音波アレイセンサ２４ｄの出力信号を取り込む（ステップ６２）。本実施の形態における超音波アレイセンサ２４ｄでは図８で説明した方法で水平なスキャン平面（図１３の例では面Ｓ）における構造物との相対距離が測定されており、超音波アレイセンサ２４ｄからの出力信号には、構造物までの距離Ｍが情報として含まれている。測定画像算出部３６は、ステップ６２で取り込んだ出力信号から、スキャン平面上において構造物の表面（外形）が位置する座標値Ｌ（ｘＬ，ｙＬ）を算出する（ステップ６３）。

次に、測定画像算出部３６は、ステップ６３で算出した各座標値ｘＬ，ｙＬに係数Ｋを乗じ、その値を測定画像における構造物の表面を示す画素の座標値Ｌ’（ＫｘＬ，ＫｙＬ）とする（ステップ６４）。すなわち、図１３の例においてステップ６４で得られた点Ｐ１の座標値が例えば（１２０，１００）であった場合には、測定画像９２の中心かつ水中検査装置９の中心の点Ｃ９２からＸ軸の正方向へ１２０［pixel］，Ｙ軸の正方向へ１００［pixel］進んだ位置が構造物の表面上の点Ｐ１の位置となる。そして、測定画像算出部３６は、検出したすべての発振角度θについてステップ６３，６４の算出処理を行って測定画像９２を得る。測定画像算出部３６は、このように取得した測定画像９２のデータを保存し（ステップ６５）、測定画像算出処理を終了する。

（４）水平位置算出処理
図１５は図１０に示すステップ４４の水平位置算出処理の詳細を表すＰＡＤ図である。この水平位置算出処理が開始すると、画像修正部４２は、ステップ４３で算出された測定画像９２を取り込む（ステップ６６）。

一方、画像選択部３５は、ステップ４２で得られた水中検査装置９の垂直位置に基づいて、画像記憶部３４内に記憶されている複数の記憶画像の中から、水中検査装置９の水平位置を算出するために利用する画像（選択画像９１）を選択する（ステップ６７）。すなわち、図１３の例ではスキャン平面Ｓの垂直位置情報を有する記憶画像が選択画像９１として選択される。

なお、ステップ６７における選択画像の選択方法として、画像選択部３５の説明箇所で触れた他の方法を利用しても良い。例えば、２回目以降の水平位置算出処理において水中検査装置９が垂直方向に移動することで選択画像と測定画像のマッチング率がＭ２未満に到達したときは、マッチング率がＭ２以上となる選択画像を改めて選択しても良い。

鏡像処理部３５ａは、ステップ６７で選択された選択画像９１に対して鏡像付加処理を施して、鏡像付加選択画像９１Ｍを取得する。具体的には、選択画像９１中で構造物の外形の鏡像を作成するために鏡面となる線を決定し、当該線を基準とした当該構造物の外形の鏡像を作成して選択画像に付加することで鏡面付加選択画像９１Ｍを取得する。図１３の例では、選択画像９１中の中空直方体９０の内壁は４つの直線（壁面）８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを組み合わせて規定されており、当該４つの直線８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄのそれぞれが鏡面となる線となる。そこで、これら４つの直線８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄをそれぞれ対称軸にして合計４つの中空直方体９０の鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを作成し、当該４つの鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを選択画像９１中に付加したものが鏡像付加選択画像９１Ｍとなっている。

なお、図１３の例では、選択画像９１上に現れる可能性のある全ての鏡像を付加しているが、水中検査装置９から多重反射後の波動の検知が可能な一部の範囲に形成される鏡像のみを付加しても良い。また、ステップ６７で選択された選択画像に対して鏡像付加処理を行う場合について説明したが、画像記憶部３４に記憶される全ての記録画像に予め鏡像を付加しておいても良い。

次に、ステップ６７ａの鏡像付加処理が終了したら、画像修正部４２は、ステップ６６で取り込んだ測定画像９２と、ステップ６７ａで鏡像を付加した選択画像９１Ｍとに対して、画像修正処理を行う（ステップ６８）。

ここで、ステップ６８の測定画像９２と選択画像９１Ｍの修正処理について説明する。図１６は画像修正部４２ａ，４２ｂの概略構成図である。この図に示すように画像修正部４２ａ，４２ｂは、それぞれ、膨張処理部１４２と、縮小処理部１４４と、クラスタリング処理部１４６と、クラスタ面積算出処理部１４８と、画像更新部１５０を備えている。

画像修正処理に際して、膨張処理部１４２は、まず、取り込んだ選択画像９１Ｍと測定画像９２に対し、構造物形状を示す各画素を拡大する膨張処理を実施する。そして、縮小処理部１４４は、膨張処理が施された各画像に対して縮小処理を実施する。一般的に「測定画像」における構造物形状は点列で描かれるため、当該点列を構成する画素間に間隔が形成されることが多いが、上記の膨張処理部１４２と縮小処理部１４４による一連の処理により、当該画素間の間隔が満たされ、画素が線状に連続した構造物形状画像が得られる。

次に、クラスタリング処理部１４６は、縮小処理が施された各画像に対してクラスタリング処理を実施し、各画像に含まれる構造物の形状（外形）を複数のクラスタに分類する。そして、クラスタ面積算出処理部１４８は、クラスタリング処理が実施された各画像に対して、各クラスタの面積を算出する処理を実施する。画像更新部１５０は、クラスタ面積算出処理で算出した各クラスタの面積を基に、所定の閾値Ａ１以下の面積のクラスタは、画像測定時に発生したノイズである、または、主要構造物ではない、等と判断し、当該クラスタは画像中より削除する処理（画像更新処理）を実施する。

上記の一連の画像修正処理により、各画像９１Ｍ，９２は、閾値Ａ１を超える面積を有し所定の大きさ以上のクラスタのみが存在することになり、図１３に示した画像９１Ｒ，９２Ｒのように簡略化される。具体的に説明すれば、図１３の選択画像９１Ｍには３つの小型構造物４５が存在していたが、上記の一連の処理により修正後の選択画像９１Ｒからは小型構造物４５は削除されている。また、図１３の測定画像９２は間隔を介して配置される複数の点の集合で描かれていたが、上記の一連の処理により修正後の測定画像９２Ｒでは構造物の形状は線状に繋がった点列で描かれている。さらに小型構造物４５に係る画素は削除されており直方体９０の壁面のみが残っている。また図１３中に示されていないが、測定画像９２の取得中に画素として記録されたノイズ等の構造物を示さない画素も削除できる。

次に、対応部分特定部３７は、ステップ６８で画像修正処理を施した測定画像９２Ｒと選択画像９１Ｒに対して画像相関処理によるマップマッチングを行い、選択画像９１Ｒ上で測定画像９２Ｒに対応する部分を特定する。換言すれば、修正後の測定画像９２Ｒと選択画像９１Ｒがどのように重ね合わさるかが特定される（ステップ６９）。ステップ６８の画像修正処理を施した選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒでは、各画像で細かい構造物の形状を示す画素や構造物と無関係の画素が省略されており、面積の比較的大きい構造物のみが残っているので、記憶画像の作成時に存在しなかった小さな構造物やゴミが存在していたり、測定画像にノイズが混じったりしても、選択画像と測定画像のマッチング率が低下することを防止でき、構造物の設計情報と測定情報が異なる環境下での水中移動体９の位置の検知精度を向上させることができる。

ステップ６９において対応部分が特定できたら、水平位置算出部３８は、まず、レンジセンサユニット２３を利用して水中検査装置９から構造物までの距離を検出した位置（すなわち、測定画像の中心位置であって、水中検査装置９の中心位置）が、選択画像上のどの画素に対応するかを特定する。そして、その特定した画素の位置と、選択画像において水平位置情報が判明している画素（例えば、基準画素）の位置とから、水中検査装置９の水平位置を算出する（ステップ７０）。

ステップ７０を図１３の例で説明すると、修正後の選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒとは図１３の右下に示したマッチングイメージ９３が示すように重なるので、選択画像９１Ｒ上において測定画像９２Ｒの中心点Ｃ９２に対応する画素を容易に特定できる。そして、選択画像９１Ｒの中心点Ｃ９１の画素は中空直方体９０の中心に対応する基準画素なので、中心点Ｃ９１と中心点Ｃ９２との画素上における距離（シフト量９４）を算出し、そのシフト量９４を中空直方体９０における距離データに変換すれば、中心点Ｃ９２の水平位置（すなわち、水中検査装置９の水平位置）を算出することができる。なお、シフト量９４を距離データへ変換する際には、測定画像算出部３６において距離を画素値に変換する際に用いた定数Ｋの逆数（すなわち、１／Ｋ）をシフト量９４（ξ,η）に乗じて算出すれば良い。このように水中検査装置９の水平位置の算出が終了したら、その算出した水平位置を位置・姿勢記憶部８０に記憶する（ステップ７１）。

ステップ７１が終了したら一連の水平位置算出処理を終了する。上記の姿勢角算出処理（ステップ４１）、垂直位置算出処理（ステップ４２）、測定画像算出処理（ステップ４３）、及び水平位置算出処理（ステップ４４）で算出された水中検査装置値９の位置及び姿勢は位置・姿勢記憶部８０を介して表示装置１２に出力される。

なお、上記において画像修正部４２の画像更新部１５０に利用される閾値Ａ１は、画像更新部１５０による処理がユーザーの所望する結果となるように適宜変更可能とする。そして、閾値Ａ１の変更時には、変更後の閾値に基づく画像修正結果が閾値Ａ１とともに表示装置の画面上に表示されるように構成することが好ましく（後の図１９参照）、このように構成することでユーザーの所望する結果に短時間で到達できるようになる。

また、上記のクラスタ面積算出処理部１４８と画像更新部１５０は、各クラスタの面積を算出し、当該算出面積が閾値Ａ１以下のクラスタを削除して各画像の修正を行ったが、各クラスタの図形が開いた形状で面積の算定が容易ではない場合等には、面積に代えて各クラスタの画素数を算出し、当該算出画素数が画素数用の閾値以下のクラスタを削除して各画像の修正を行っても良い。

また、本実施の形態では、２つの画像修正部４２がそれぞれ膨張処理部１４２、縮小処理部１４４、クラスタリング処理部１４６、クラスタ面積算出処理部１４８および画像更新部１５０を備える場合について説明したが、一般的に「選択画像」は線状に連続した画素によって形成されることが多いため、選択画像修正部４２ａからは膨張処理部１４２と、縮小処理部１４４を省略しても構わない。

また、上記の実施の形態では、水平位置算出の都度、選択画像修正部４２ａで選択画像を修正する場合について説明したが、選択画像修正部４２ａが行う修正処理を画像記憶部３４の全ての記憶画像に予め施しておいて、水平位置算出処理時における選択画像修正部４２ａによる画像修正処理を省略しても良い。この場合にはその都度行われる処理が減少するので、水平位置算出に要する時間を短縮できる。

また、上記の実施の形態では、測定画像と選択画像の双方に画像修正処理を施してマッチングさせることで水中検査装置９の水平位置を算出する場合について説明したが、測定画像と選択画像のいずれか一方のみに画像修正処理を施して水平位置を算出しても良い。

図１７は表示装置１２の表示画面の一例を表す図である。この図に示す表示画面１２０は、位置座標表示部９５と、水平位置画像表示部９６と、カメラ映像表示部９９を有している。

位置座標表示部９５には、制御装置１１の位置・姿勢記憶部３８から読み込んだ水中検査装置９の絶対位置が表示される。水平位置画像表示部９６には、水中検査装置９が位置する垂直位置における原子炉１内の水平断面画像とともに水中検査装置９の水平位置を示すマーカ９４が表示される。

水平位置画像表示部９６における原子炉１内の水平断面画像は、例えば、制御装置１１における構造物データ記憶部（図示せず）に記憶されている原子炉１の形状データ（例えば、ＣＡＤデータ）と、垂直位置算出部３３で算出された水中検査装置９の垂直位置とを利用して描かれており、水中検査装置９の垂直方向の移動に追従して随時変化する。また、水平位置画像表示部９６には、水中検査装置９の投入位置（初期位置）をマーカ９７でマークする機能や、水中検査装置９の移動軌跡９８を表示又は非表示する機能が具備されている。

カメラ映像表示部９９は、水中検査装置９に搭載されたカメラ１５の映像が表示される部分である。

なお、表示装置１２は、図示しない他の表示画面に切り換えられるようになっており、位置・姿勢記憶部８０から読み込んだ水中検査装置９の姿勢等も表示されるようになっている。このように構成された表示画面１２０によれば、検査員１４は原子炉１内のどこに水中検査装置９があるかを視覚的に把握しながら検査することができる。

図１８は表示装置１２の他の表示画面の一例を表す図である。この図に示す表示画面１３０は、水中検査装置９による測定画像が表示される測定画像表示部１１０と、画像記憶部３４の記憶画像もしくは選択画像（すなわち、原子炉の設計情報に基づいて作成した当初の記憶画像）または鏡像処理部３５ａによる鏡像付加画像が表示される記憶画像表示部１１５を有している。表示部１１０と表示部１１５に表示する画像は、それぞれ、画像修正部４２ａ，４２ｂによる修正後の画像へ切替可能な構成であり、操作者が修正前と修正後の画像を任意に選択して表示可能である。

なお、図１８の例では測定画像と記憶画像（選択画像、鏡像付加画像）を個別のウィンドウに表示したが、測定画像と記憶画像（選択画像、鏡像付加画像）は１つのウィンドウ内に重ねて表示しても良い。その場合には、二つの画像の判別が容易になるように、各画像の色を異ならせること等して各画像の視認性の向上を図ることが好ましい。

図１９は表示装置１２のさらに他の表示画面の一例を示す図である。この図に示す表示画面１４０は、画像修正部４２による画像修正処理がユーザーの所望する結果となるように閾値Ａ１を調整するための画面であり、選択画像修正部４２ａによる修正前の選択画像９１（または鏡像付加画像９１Ｍ）と修正後の選択画像９１Ｒが表示される選択画像表示部１４２と、測定画像修正部４２ｂによる修正前の測定画像９２と修正後の測定画像９２Ｒが表示される測定画像表示部１４４と、ユーザーが閾値Ａ１を入力するための入力部１４６を備えている。入力部１４６の閾値を変更すると、当該変更後の閾値に応じて修正後の選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒがリアルタイムに変化するので、ユーザーは所望する簡略化が施された修正画像を容易に得ることができる。

なお、図１９の例では、修正前後の選択画像と、修正前後の測定画像とを同じ画面上に表示したが、いずれか一方を表示する表示態様を採用しても良い。また、図１９の例では修正前後の画像（選択画像または測定画像）を同じ画面上に表示したが、修正前後の画像を個別のウィンドウで表示する等して個別に表示しても良い。つまり図１９の表示例は種々存在する表示例の１つに過ぎない。

図２０は表示装置１２のさらに他の表示画面の一例を示す図である。この図に示す表示画面１６０は、鏡像付加選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒが同時に表示される画面であり、鏡像付加選択画像９１Ｒが表示される選択画像表示部１６２と、測定画像９２Ｒが表示される測定画像表示部１６４を備えている。このように選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒを表示すると、測定画像９２Ｒに虚像が含まれていることを容易に把握することができる。

なお、図２０の例では、選択画像９１Ｒと測定画像９２Ｒとを同じ画面上に表示したが、いずれか一方を表示する表示態様を採用しても良い。鏡像付加前の選択画像９１を表示可能に構成しても良い。つまり図２０の表示例は種々存在する表示例の１つに過ぎない。

以上のように、本実施の形態に係る水中移動体（水中検査装置）の位置検知装置は、３次元空間を移動可能な水中検査装置９と、構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、前記３次元空間内で互いに異なる複数の平面上における前記構造物の外形が、位置情報と関連付けて表された複数の記憶画像が記憶された画像記憶部３４と、前記３次元空間で前記水中移動体の位置する平面上において当該水中検査装置９の周囲を超音波アレイセンサ２４ｄで走査することで得られる画像データであって、当該平面上における前記構造物の外形が表された測定画像９２を取得する測定画像算出部３６と、前記複数の記憶画像の中から前記水中検査装置９の位置情報を取得するために利用される記憶画像を、前記水中検査装置９の姿勢および垂直位置に基づいて選択し、当該選択された記憶画像を選択画像９１とする画像選択部３５と、当該選択画像９１中の前記構造物の外形を構成する線を基準とした当該外形の鏡像（８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ）を当該選択画像９１に付加する鏡像処理部３５ａと、前記鏡像処理部３５ａで前記鏡像（８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ）が付加された鏡像付加選択画像９１Ｍと前記測定画像９２の対応関係と、前記鏡像付加選択画像９１Ｍに付された位置情報とに基づいて、前記水中検査装置９の位置する平面における当該水中検査装置９の位置を算出する位置算出部３８とを備えている。

このように水中移動体の位置検知装置を構成すると、現実の構造物の状態が記憶画像作成時と異なっている場合や、測定画像に反響などによるノイズが含まれている場合にも、選択画像９１に多重反射（反響）の影響を考慮した鏡像８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄを付加した鏡像付加選択画像９１Ｍと、測定画像９２とをマップマッチングすることで水中検査装置９の水平位置を算出することができるので、距離センサとして多重反射の影響を受けやすいもの（例えば超音波アレイセンサ２４ｄ）を利用して得た測定画像と選択画像を単にマッチングさせる場合と比較して、位置算出に伴う誤差を軽減することができる。したがって、本実施の形態によれば、構造物の設計情報と測定情報が異なる環境下での水中検査装置９の位置の検知精度を向上させることができる。

また、本実施の形態における水中検査装置９は、構造物との相対距離を検出する相対距離検出器（距離センサ）として、投光部２６及び受光部２７を有するレーザセンサ２３ａ，２３ｂを備えたレンジセンサユニット２３を備えているので、次の効果を発揮する。すなわち、例えば投光部及び受光部のうちのいずれか一方を水中検査装置側に設けて他方を構造物側に設けるような構成では、水中検査装置が狭隘部若しくは複雑な構造物が介在するような環境下に配置された場合に、水中検査装置の位置を検知することが困難となる。これに対し本実施の形態では、投光部２６及び受光部２７をともに水中検査装置９側に設けているので、狭隘部や複雑な構造物が存在する環境下に配置された場合でも、水中検査装置９の位置を検知することができる。

なお、上記では、記憶画像を構成する画素には水平位置情報が付された基準画素が１つ以上含まれている場合について説明したが、記憶画像を構成するすべての画素に水平位置情報を付しても良い。この場合には、選択画像上で測定画像の中心が位置する画素を特定できれば、当該画素に付された水平位置情報から水平位置を算出することができるようになるので、上記の場合と比較して水平処理算出処理を容易に行うことができる。

また、上記の実施の形態では、相対距離検出器（距離センサ）として、超音波を送信してその反射波を受信する超音波センサ２４ｄだけでなく、多数の方向にレーザを走査してその反射光を受光する走査型のレーザセンサ２４ａ，２４ｂを備えているため、構造物までの距離が遠い場合や測定環境の水が濁っている場合など、レーザなどの光の透過性が低下してレーザセンサ２４ａ，２４ｂによる相対距離検出が困難な場合においても、反響の影響を受けることなく超音波センサ２４ｄによる相対距離検出、すなわち水中検査装置９の位置算出を精度良く実行できる。具体的には、構造物までの距離が所定の閾値以下である場合にはレーザセンサ２４ａ，２４ｂにより測定画像を取得し、構造物までの距離が当該閾値を超える場合には超音波センサ２４ｄにより測定画像を取得するように制御装置１１を構成するものがある。

また、上記の説明では、位置算出に利用する測定画像と記憶画像は水平面に限定したが、測定画像と記憶画像は水平面に限らず、水平面と交差する他の面としても良い。この場合の構成例としては、検査対象である構造物の３次元モデルを記憶装置内に記憶しておき、測定画像を取得した時の水中検査装置９の垂直位置に近い位置で測定画像と平行な１以上の面でもって当該３次元モデルを切断し、その結果得られる１以上の画像を記憶画像とし、当該記憶画像を測定画像とマッチングさせることで水中検査装置９の水平位置を推定するものがある。なお、この場合には、水中検査装置９の姿勢から測定画像の水平面に対する傾きを推定し、当該傾きを有する１以上の画像を記憶画像として３次元モデルから切り出せば良い。

また、上記において図１０およびこれに関連する図を利用して説明した各処理の順番は、一例に過ぎず、算出結果の変化が許容される範囲内で各処理の順番は適宜変更可能である。

また、上記の説明では、選択画像修正部４２を制御装置１１に備える場合を例に挙げて説明したが、選択画像修正部４２を省略し、鏡像処理部３５ａからの選択画像と測定画像算出部３６からの測定画像を対応部分特定部３７でマップマッチングすることで、水中検査装置９の水平位置を算出しても良い。

さらに、以上の説明では原子炉内検査システムに用いられる水中移動体の位置検知装置について説明したが、本発明は、原子炉内の検査に用いる検査装置の位置検知だけでなく、水中で使用する移動体の位置検知に広く適用可能である。特に、本発明は、移動体を直接目視できない環境における当該移動体の位置把握に適している。

なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

また、上記の制御装置１１に係る各構成や当該各構成の機能及び実行処理等は、それらの一部又は全部をハードウェア（例えば各機能を実行するロジックを集積回路で設計する等）で実現しても良い。また、上記の制御装置１１に係る構成は、演算処理装置（例えばＣＰＵ）によって読み出し・実行されることで当該制御装置の構成に係る各機能が実現されるプログラム（ソフトウェア）としてもよい。当該プログラムに係る情報は、例えば、半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＳＳＤ等）、磁気記憶装置（ハードディスクドライブ等）及び記録媒体（磁気ディスク、光ディスク等）等に記憶することができる。

また、上記の実施の形態の説明では、制御線や情報線は、当該実施の形態の説明に必要であると解されるものを示したが、必ずしも製品に係る全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

９…水中検査装置（水中移動体）、１１…制御装置、１８…圧力センサ（垂直位置検出器）、１９…慣性センサ部（姿勢検出器）、２０…３軸ジャイロ、２１…傾斜計、２２…地磁気センサ、２３…レンジセンサユニット（相対距離検出器）、２４ａ…レーザセンサ、２４ｂ…レーザセンサ、２４ｄ…超音波アレイセンサ、３４…画像記憶部、３５…画像選択部、３５ａ…鏡像処理部、３６…測定画像算出部、３７…対応部分特定部、３８…水平位置算出部、４２…画像修正部、１１０…測定画像表示部、１１５…記憶画像表示部

Claims (10)

1. ３次元空間を移動可能な水中移動体と、
   構造物の設計情報に基づいて作成された或る平面上の画像データであって、当該或る平面上での前記構造物の外形と、当該構造物の外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像とが、位置情報と関連付けて表された画像データが記憶された記憶装置と、
   前記或る平面上において前記水中移動体の周囲を距離センサで走査することで得られる画像データであって、前記或る平面における前記構造物の外形が表された測定画像を取得する画像取得部と、
   前記記憶装置に記憶された前記画像データと前記画像取得部で取得された前記測定画像との対応関係と、前記記憶装置に記憶された前記画像データに付された位置情報とに基づいて、前記或る平面上における前記水中移動体の位置を算出する位置算出部と
   を備えることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
2. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記記憶装置には、構造物の設計情報に基づいて作成される複数の画像データであって、前記３次元空間内で互いに異なる複数の平面上における前記構造物の外形が位置情報と関連付けて表された複数の記憶画像が記憶されており、
   当該複数の記憶画像の中から前記水中移動体の位置情報を取得するために利用される記憶画像を、前記水中移動体の姿勢および垂直位置に基づいて選択し、当該選択された記憶画像を選択画像とする画像選択部と、
   当該選択画像中の前記構造物の外形を構成する線を基準とした当該外形の鏡像を当該選択画像に付加する鏡像処理部とをさらに備え、
   前記画像取得部は、前記３次元空間で前記水中移動体の位置する平面上において当該水中移動体の周囲を前記距離センサで走査することで得られる画像データであって、当該平面上における前記構造物の外形が表された測定画像を取得し、
   前記位置算出部は、前記鏡像処理部で前記鏡像が付加された前記選択画像と前記測定画像の対応関係と、前記選択画像に付された位置情報とに基づいて、前記水中移動体の位置する平面における当該水中移動体の位置を算出すること
   を特徴とする水中移動体の位置検知装置。
3. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記記憶装置に記憶された前記画像データ中の前記構造物の外形は、複数の直線を組み合わせて規定されていることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
4. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記距離センサは、超音波センサであることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
5. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記距離センサは、超音波センサとレーザセンサであることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
6. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記位置算出部で互いの対応関係が考慮される前に、前記記憶画像に記憶された前記画像データと、前記画像取得部で取得された前記測定画像とをそれぞれ簡略化することで修正する画像修正部をさらに備えることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
7. 請求項６に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記画像修正部は、
   前記記憶画像の前記画像データと前記測定画像との各画素を拡大する膨張処理部と、
   前記膨張処理部の出力画像の各画素を縮小する縮小処理部と、
   前記縮小処理部の出力画像の構造物の外形を分類するクラスタリング処理部と、
   前記クラスタリング処理部の出力画像の各クラスタの面積を算出するクラスタ面積算出処理部と、
   前記クラスタ面積算出処理部で算出された複数のクラスタの面積のうち、予め設定した閾値以下の面積のクラスタを前記記憶画像の前記画像データと前記測定画像とから削除する画像更新部とを備えることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
8. 請求項２に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記水中移動体の垂直位置を算出するために、水中における前記水中移動体の深度を検出する圧力センサをさらに備えることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
9. 請求項１に記載の水中移動体の位置検知装置において、
   前記記憶装置に記憶され前記鏡像を含む前記画像データと、前記画像取得部による前記測定画像とが表示される表示装置をさらに備えることを特徴とする水中移動体の位置検知装置。
10. 構造物の設計情報に基づいて作成される画像データであって、或る平面上での当該構造物の外形が位置情報と関連付けた表された記憶画像を作成するステップと、
    当該記憶画像中の前記構造物の外形を構成する線を基準とした当該構造物の外形の鏡像を作成し、当該鏡像を当該記憶画像に付加するステップと、
    前記或る平面上において、水中移動体から当該水中移動体の周囲に存在する構造物までの距離を計測することで、当該平面上における前記構造物の外形が表された測定画像を取得するステップと、
    前記鏡像が付加された前記記憶画像と前記測定画像との対応関係と、前記鏡像が付加された前記記憶画像に付された位置情報とに基づいて、前記或る平面上における前記水中移動体の位置を算出するステップと
    を備えることを特徴とする水中移動体の位置検知方法。

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