JP2016022908A - 水中航走体及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】尾翼を制御することにより、水中航走体の制動距離を短縮することができる、水中航走体及びその制御方法を提供する。
【解決手段】略円筒形状の本体部と、本体部の後部に径方向に延伸するように配置された複数の尾翼と、尾翼の各々を径方向に延伸した軸を中心に回動させる尾翼駆動手段と、尾翼駆動手段に舵角指令値を送信する制御部と、を有し、制御部は、尾翼の各々について最大舵角ｒ_ｍａｘと姿勢制御用舵角指令値の絶対値｜ｒ_{ｃｏｎｔｒｏｌ＿ｉ}｜との差分により余裕舵角ｒ_{ｍａｒｇｉｎ＿ｉ}を算出し、余裕舵角の最小値ｒ_{ｍａｒｇｉｎ＿ｍｉｎ}を算出し、姿勢制御用舵角指令値ｒ_{ｃｏｎｔｒｏｌ＿ｉ}に余裕舵角の最小値ｒ_{ｍａｒｇｉｎ＿ｍｉｎ}を加算又は減算した最終舵角指令値ｒ_ｉを決定するように構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、水中航走体及びその制御方法に関し、特に、水中航走体の制動距離を短縮することができる水中航走体及び水中航走体の制御方法に関する。

海底資源や深海海洋生物の探査・調査には、無人の水中航走体が用いられることが多い。水中航走体は、例えば、特許文献１や特許文献２に示したように、略円筒形状の本体部と、該本体部の後部に配置された尾翼と、を有している。

かかる水中航走体の尾翼は、本体部の径方向に延伸された軸を中心に個別に回動可能に構成されており、水中航走体の姿勢制御に用いられる。また、特許文献２に記載されたように、主翼の仰角を個別に変更可能に構成することにより、急旋回、急減速、停止・後退等の尾翼のみでは不可能であった高度な運動制御を行うことができる。

特開平６−３４１８５２号公報 特開２００７−２７６６０９号公報

上述した水中航走体を用いて、例えば、海底付近の探査・調査を行う場合、海底の地形（隆起部）や沈没船等の障害物との衝突を回避しなければならない。特許文献２に記載された水中航走体のように、主翼を有する場合には、主翼の仰角を制御することにより急旋回させたり、急停止させたりすることが可能である。

しかしながら、特許文献１に記載されたように、尾翼のみを有する水中航走体では、プロペラ等の推進器を逆回転させなければならず、制動距離が長くなりやすいという問題があった。また、制動距離を短縮するためには、モータやドライバの容量を大きくして応答速度を速くする必要があり、水中航走体の大型化や重量化を招いてしまうという問題があった。

本発明は、上述した問題点を鑑みて創案されたものであり、尾翼を制御することにより、水中航走体の制動距離を短縮することができる、水中航走体及び水中航走体の制御方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、略円筒形状の本体部と、該本体部の後部に径方向に延伸するように配置された複数の尾翼と、該尾翼の各々を径方向に延伸した軸を中心に回動させる尾翼駆動手段と、該尾翼駆動手段に舵角指令値を送信する制御部と、を有する水中航走体において、前記制御部は、前記尾翼の各々について最大舵角と姿勢制御用舵角指令値との差分により余裕舵角を算出し、該余裕舵角の最小値を算出し、前記姿勢制御用舵角指令値に前記余裕舵角の最小値を加算又は減算した最終舵角指令値を決定するように構成されている、ことを特徴とする水中航走体が提供される。

前記制御部は、前記本体部に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように前記最終舵角指令値を決定するようにしてもよい。また、前記制御部は、制動用最大舵角が設定されている場合に、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超えない場合には、前記余裕舵角の最小値を用いて前記最終舵角指令値を決定し、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超える場合には、前記余裕舵角の最小値に替えて前記制動用最大舵角を用いて前記最終舵角指令値を決定するようにしてもよい。

また、本発明によれば、略円筒形状の本体部と、該本体部の後部に径方向に延伸した軸を中心に回動可能に配置された複数の尾翼と、を有する水中航走体の制御方法において、前記尾翼の最大舵角を設定する工程と、前記尾翼の各々について姿勢制御用舵角指令値を取得する工程と、前記尾翼の各々について前記最大舵角と前記姿勢制御用舵角指令値との差分により余裕舵角を算出する工程と、前記余裕舵角の最小値を算出する工程と、前記姿勢制御用舵角指令値に前記余裕舵角の最小値を加算又は減算した最終舵角指令値を決定する工程と、を有することを特徴とする水中航走体の制御方法が提供される。

前記最終舵角指令は、前記本体部に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように決定されてもよい。また、制動用最大舵角を設定する工程と、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超えているか否か判定する工程と、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超える場合に前記余裕舵角の最小値に替えて前記制動用最大舵角を用いて前記最終舵角指令値を決定する工程と、を有していてもよい。

上述した本発明に係る水中航走体及びその制御方法によれば、各尾翼の姿勢制御用舵角指令値に余裕舵角を加算又は減算することによって最終舵角指令値を決定するようにしたことから、余裕舵角分だけ尾翼を回動させることができ、姿勢制御しつつ水中での抗力を増大させることができる。したがって、尾翼を制御することにより、水中航走体の制動距離を短縮することができる。

本発明の実施形態に係る水中航走体を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、を示している。 尾翼の舵角制御に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る水中航走体の制御方法により舵角制御された尾翼を示す図であり、（ａ）は第一例、（ｂ）は第二例、（ｃ）は第三例、を示している。

以下、本発明の実施形態に係る水中航走体及びその制御方法について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。ここで、図１は、本発明の実施形態に係る水中航走体を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、を示している。図２は、尾翼の舵角制御に関する説明図である。

本発明の第一実施形態に係る水中航走体１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示したように、略円筒形状の本体部２と、本体部２の後部に径方向に延伸するように配置された複数の尾翼３と、尾翼３の各々を径方向に延伸した軸を中心に回動させる尾翼駆動手段４と、尾翼駆動手段４に舵角指令値を送信する制御部５と、を有し、制御部５は、尾翼３の各々について最大舵角r_maxと姿勢制御用舵角指令値の絶対値｜r_{control_i}｜との差分により余裕舵角r_{margin_i}を算出し、余裕舵角の最小値r_{margin_min}を算出し、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}に余裕舵角の最小値r_{margin_min}を加算又は減算した最終舵角指令値r_iを決定するように構成されている。

水中航走体１は、海底資源や深海海洋生物の探査・調査に用いられる無人の水中航走体である。また、本体部２の後端には、モータ等の駆動手段により回転駆動されるプロペラを備えた推進器６が配置されており、自走できるように構成されている。かかる水中航走体は、自律型無人潜水機（AUV: Autonomous underwater vehicle）と称することもある。

本体部２の内部は空洞に形成されており、制御部５の他に、水中航走体１の運航やデータの取得に必要な制御・計測機器やバラスト等が配置されている。また、図示しないが、本体部２の外周面には、各種センサ、アンテナ、スラスタ等の機器が必要に応じて配置される。

尾翼３は、例えば、図示したように、十字形状に配置された四枚翼により構成される。ここで、図１（ｂ）において、上から時計回りに、第一尾翼３１、第二尾翼３２、第三尾翼３３、第四尾翼３４、と定義すれば、第一尾翼３１は上尾翼（上舵）に相当し、第二尾翼３２は左尾翼（左舵）に相当し、第三尾翼３３は下尾翼（下舵）に相当し、第四尾翼３４は右尾翼（右舵）に相当する。

尾翼３の構成は、図示したものに限定されず、例えば、Ｘ字形状に配置された四枚翼、水平又は垂直方向に配置された二枚翼、均等な間隔に配置された三枚翼、均等な間隔に配置された五枚以上の枚数を有する翼であってもよい。ただし、尾翼３の回転モーメントを制御するには、偶数枚の翼により構成することが好ましい。

第一尾翼３１〜第四尾翼３４は、図１（ａ）に示したように、根元部分に形成された回動軸に尾翼駆動手段４が配置されており、個別に回動可能に構成されている。第一尾翼３１〜第四尾翼３４の舵角（回動角度）は、水中航走体１の姿勢制御（例えば、ロール、ピッチ、ヨーの制御）に適した角度に個別に制御される。尾翼駆動手段４は、電動モータにより構成されていてもよいし、その他のアクチュエータにより構成されていてもよいし、歯車機構を有していてもよい。

なお、水中航走体１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示したものに限定されず、例えば、後端部に推進器を有しない水中グライダーのような水中航走体であってもよい。また、本体部２には、浮袋に流体を注入又は排出したり減圧部を作り出したりすることにより体積を変化させ、比重を変化させることによって水中航走体１を浮上させたり沈降させたりする浮沈機構が配置されていてもよい。浮沈機構は、水中航走体１の重心を前後方向に移動可能な構成（例えば、錘を本体部２の前後方向に移動させる構成）を有するものであってもよい。

次に、尾翼３の舵角制御について説明する。図２は、尾翼３の一つを外側から見た拡大図である。ただし、説明の便宜上、尾翼３は概念的に流線形を有する翼形状で図示している。また、尾翼３の前後方向の中心線をＬとし、回動軸をＭとする。

尾翼３は、前縁３ａが丸く後縁３ｂが尖った流線形の翼形状を有しており、回動軸Ｍを中心に図の上下方向に回動（揺動）可能に構成されている。図２に示したように、尾翼３の中心線Ｌが本体部２の前後軸と平行な状態である場合の舵角を０°とし、図の上側に尾翼３の前縁３ａを回動させる場合をプラス（＋）とし、図の下側に尾翼３の前縁３ａを回動させる場合をマイナス（−）とする。

ここで、尾翼３をプラスに回動させることは、尾翼３を時計回りに回動させること又は尾翼３を右回りに回動させることと同義である。また、尾翼３をマイナスに回動させることは、尾翼３を反時計回りに回動させること又は尾翼３を左回りに回動させることと同義である。

尾翼３の舵角については、尾翼３同士の干渉、尾翼駆動手段４の回転トルク及び尾翼３の失速等を考慮して、最大舵角r_max（＞０）が設定され、最大舵角r_maxを超えて尾翼３が回動されないように制御される。したがって、最大舵角r_maxを超えない範囲内で水中航走体１の姿勢制御するための姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}が制御される。ここで、「ｉ」は、尾翼の番号を示す数字であり、例えば、第一尾翼３１はｉ＝１、第二尾翼３２はｉ＝２、第三尾翼３３はｉ＝３、第四尾翼３４はｉ＝４、に設定される。そして、図示したように、最大舵角r_maxと姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}との差分が、余裕舵角r_{margin_i}として算出される。余裕舵角r_{margin_i}は、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}の符号が正負の場合を含めて、r_max−｜r_{control_i}｜で表される。

ここで、図３は、本発明の第一実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。水中航走体１の制御部５は、このフローチャートに従って、尾翼３の最終舵角指令値r_iを決定する。

本実施形態に係る水中航走体１の制御方法は、尾翼３の最大舵角r_maxを設定する工程Ｓ１と、尾翼３の各々について姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}を取得する工程Ｓ２と、尾翼３の各々について最大舵角r_maxと姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}との差分により余裕舵角r_{margin_i}を算出する工程Ｓ３と、余裕舵角の最小値r_{margin_min}を算出する工程Ｓ４と、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}に余裕舵角の最小値r_{margin_min}を加算又は減算した最終舵角指令値r_iを決定する工程Ｓ５と、を有している。

最大舵角r_maxは、通常、水中航走体１の設計時に設定されており、製造時に最大舵角r_maxのデータは、制御部５に接続されたメモリ等にインプットされる（工程Ｓ１）。水中航走体１は、尾翼３の舵角を調整することによって、ロール、ピッチ、ヨー等の回転運動が制御され、水中での姿勢制御及び位置制御がなされる。この姿勢制御に必要な尾翼３の舵角は、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}として制御部５により算出される。姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}は、本体部２に配置された各種センサ（例えば、慣性航法装置、深度計、傾度計、圧力センサ、ジャイロセンサ、加速度センサ等）の数値に基づいて算出され、制御部５は姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}をメモリ等に記憶する（工程Ｓ２）。

制御部５は、メモリ等に記憶された最大舵角r_maxから姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}の絶対値を減算することによって、各尾翼３について余裕舵角r_{margin_i}を算出する（工程Ｓ３）。ところで、本発明は、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}に余裕舵角分だけ更に尾翼３を回動させることによって、水中における抗力を増大させ、水中航走体１の制動距離を短縮することを主たる特徴としている。

そして、各尾翼３について、個別に余裕舵角r_{margin_i}分だけ回動させた場合には、各尾翼３における余裕舵角r_{margin_i}の数値が異なることから、水中航走体１に回転モーメントが生じてしまう可能性がある。この回転モーメントは、姿勢制御用舵角指令値r_{control_i}に影響を与えたり、制動距離の短縮を阻害したりする要因となり得る。そこで、本実施形態では、各尾翼３の余裕舵角r_{margin_i}から舵角制御のための残量が最も少ない最小値r_{margin_min}を算出し、全ての尾翼３に対して、制動制御のために尾翼３を回動させる分量を均一にしている（工程Ｓ４）。ここで、舵角に対して尾翼３に発生する回転モーメント、抗力及び揚力は、線形に変化するものと考えられ、線形からのずれによる姿勢の乱れは姿勢制御系により適宜補正されるものとする。

また、尾翼３の回動方向は、本体部２に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように決定される。具体的には、例えば、偶数番の尾翼３（第二尾翼３２、第四尾翼３４）を＋方向（右回り）に回動させ、奇数番の尾翼３（第一尾翼３１、第三尾翼３３）を−方向（左回り）に回動させるように、最終舵角指令r_iが決定される。この場合、偶数番の尾翼３では、最終舵角指令r_i＝r_{control_i}＋r_{margin_min}と決定され、奇数番の尾翼３では、最終舵角指令r_i＝r_{control_i}−r_{margin_min}と決定される。

このように尾翼３の回動方向を＋方向（右回り）と−方向（左回り）に均等に分配するとともに、尾翼３の回動量を均一にすることにより、制動制御により生じる本体部２（すなわち、水中航走体１）の回転モーメント及び前後軸垂直方向の力を抑制することができる。

ここで、図５は、本発明の実施形態に係る水中航走体の制御方法により舵角制御された尾翼を示す図であり、（ａ）は第一例、（ｂ）は第二例、（ｃ）は第三例、を示している。

図５（ａ）に示した第一例は、上述した第一実施形態に係る水中航走体１において、偶数番の尾翼３（第二尾翼３２、第四尾翼３４）を＋方向（右回り）に回動させ、奇数番の尾翼３（第一尾翼３１、第三尾翼３３）を−方向（左回り）に回動させたものである。

図５（ｂ）に示した第二例は、尾翼３をＸ字形状に配置した水中航走体１において、偶数番の尾翼３（第二尾翼３２、第四尾翼３４）を＋方向（右回り）に回動させ、奇数番の尾翼３（第一尾翼３１、第三尾翼３３）を−方向（左回り）に回動させたものである。

図５（ｃ）に示した第三例は、六枚の尾翼３を均等な間隔で配置した水中航走体１において、偶数番の尾翼３（第二尾翼３２、第四尾翼３４、第六尾翼３６）を＋方向（右回り）に回動させ、奇数番の尾翼３（第一尾翼３１、第三尾翼３３、第五尾翼３５）を−方向（左回り）に回動させたものである。

なお、図５（ａ）〜（ｃ）に示した尾翼３の舵角制御は、単なる一例であり、＋方向（右回り）と−方向（左回り）の舵角方向の分配は、図示したものに限定されるものではない。

次に、本発明の第二実施形態に係る制御方法について、図４を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の第二実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。なお、図４に示した工程Ｓ１〜工程Ｓ４は、図３に示した工程Ｓ１〜工程Ｓ４と同じであるため、ここでは詳細な説明を省略する。

図４に示した水中航走体１の制御方法は、制動用の舵角制御において最大舵角（制動用最大舵角r_{stop_max}）を設定したものである。上述した第一実施形態に係る制御方法では、少なくとも一枚の尾翼３を最大舵角r_maxまで回動させることを前提としている。したがって、第一実施形態に係る水中航走体１の制御方法では、水中航走体１の重量や速度に関係なく最も制動距離が短くなるように制御される。

それに対して、第二実施形態に係る制御方法では、水中航走体１の重量や運航スケジュール等に応じて制動距離を任意に制御することができる。したがって、制動制御のブレーキの効き目を水中航走体１に合わせて適切に設定することができる。制動用最大舵角r_{stop_max}は、水中航走体１の重量や運航スケジュール等から予め設定しておいてもよいし、水中航走体１の速度を計測しつつ制動用最大舵角r_{stop_max}をその都度設定するようにしてもよい。

かかる第二実施形態に係る制御方法では、図４に示したように、制動用最大舵角r_{stop_max}を設定する工程Ｓ６と、余裕舵角の最小値r_{margin_min}が制動用最大舵角r_{stop_max}を超えているか否か判定する工程Ｓ７と、余裕舵角の最小値r_{margin_min}が制動用最大舵角r_{stop_max}を超えていない場合（Ｎｏ）に余裕舵角の最小値r_{margin_min}を用いて最終舵角指令値r_iを決定する工程Ｓ８と、余裕舵角の最小値r_{margin_min}が制動用最大舵角r_{stop_max}を超える場合（Ｙｅｓ）に余裕舵角の最小値r_{margin_min}に替えて制動用最大舵角r_{stop_max}を用いて最終舵角指令値r_iを決定する工程Ｓ９と、を有している。

制動用最大舵角r_{stop_max}を設定する工程Ｓ６は、工程Ｓ１と同一の工程であってもよいし、別工程であってもよい。工程Ｓ７では、余裕舵角の最小値r_{margin_min}と制動用最大舵角r_{stop_max}とを比較し、r_{margin_min}＞r_{stop_max}の条件を満たしているか否かで、最終舵角指令値r_iの算出方法を工程Ｓ８と工程Ｓ９とに振り分けている。工程Ｓ８では、余裕舵角の最小値r_{margin_min}が制動用最大舵角r_{stop_max}を超えていないことから、最終舵角指令値r_iの算出に余裕舵角の最小値r_{margin_min}が用いられる。この工程Ｓ８の内容は、上述した工程Ｓ５と実質的に同じである。工程Ｓ９では、余裕舵角の最小値r_{margin_min}が制動用最大舵角r_{stop_max}を超えていることから、最終舵角指令値r_iの算出に制動用最大舵角r_{stop_max}が用いられる。

かかる第二実施形態に係る制御方法においても、上述した第一実施形態に係る制御方法と同様に、最終舵角指令r_iは、本体部２に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように決定され、例えば、図５に示したように、尾翼３の回動方向が制御される。

上述した本実施形態に係る水中航走体１によれば、例えば、海底探査中の水中航走体１が、超音波センサ等により前方に障害物を発見した場合に、制御部５は、各尾翼３の余裕舵角r_{margin_i}を算出し、上述した第一実施形態又は第二実施形態に係るフローチャートに従って、最終舵角指令値r_iの数値（絶対値）を算出し、本体部２（水中航走体１）に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように各尾翼の舵角方向を分配し、各尾翼３に舵角方向を含む最終舵角指令値r_iを出力する。かかる処理により、水中航走体１に生じる回転モーメント及び前後軸垂直方向の力を抑制しつつ、水中航走体１の水中における抗力を増大させて制動力を生じさせ、制動距離を短縮することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ 水中航走体
２ 本体部
３ 尾翼
３ａ 前縁
３ｂ 後縁
４ 尾翼駆動手段
５ 制御部
６ 推進器
３１ 第一尾翼
３２ 第二尾翼
３３ 第三尾翼
３４ 第四尾翼
３５ 第五尾翼
３６ 第六尾翼

Claims (6)

1. 略円筒形状の本体部と、該本体部の後部に径方向に延伸するように配置された複数の尾翼と、該尾翼の各々を径方向に延伸した軸を中心に回動させる尾翼駆動手段と、該尾翼駆動手段に舵角指令値を送信する制御部と、を有する水中航走体において、
   前記制御部は、前記尾翼の各々について最大舵角と姿勢制御用舵角指令値との差分により余裕舵角を算出し、該余裕舵角の最小値を算出し、前記姿勢制御用舵角指令値に前記余裕舵角の最小値を加算又は減算した最終舵角指令値を決定するように構成されている、
   ことを特徴とする水中航走体。
2. 前記制御部は、前記本体部に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように前記最終舵角指令値を決定する、ことを特徴とする請求項１に記載の水中航走体。
3. 前記制御部は、制動用最大舵角が設定されている場合に、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超えない場合には、前記余裕舵角の最小値を用いて前記最終舵角指令値を決定し、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超える場合には、前記余裕舵角の最小値に替えて前記制動用最大舵角を用いて前記最終舵角指令値を決定する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の水中航走体。
4. 略円筒形状の本体部と、該本体部の後部に径方向に延伸した軸を中心に回動可能に配置された複数の尾翼と、を有する水中航走体の制御方法において、
   前記尾翼の最大舵角を設定する工程と、
   前記尾翼の各々について姿勢制御用舵角指令値を取得する工程と、
   前記尾翼の各々について前記最大舵角と前記姿勢制御用舵角指令値との差分により余裕舵角を算出する工程と、
   前記余裕舵角の最小値を算出する工程と、
   前記姿勢制御用舵角指令値に前記余裕舵角の最小値を加算又は減算した最終舵角指令値を決定する工程と、
   を有することを特徴とする水中航走体の制御方法。
5. 前記最終舵角指令は、前記本体部に回転モーメント及び前後軸垂直方向の力が生じないように決定される、ことを特徴とする請求項４に記載の水中航走体の制御方法。
6. 制動用最大舵角を設定する工程と、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超えているか否か判定する工程と、前記余裕舵角の最小値が前記制動用最大舵角を超える場合に前記余裕舵角の最小値に替えて前記制動用最大舵角を用いて前記最終舵角指令値を決定する工程と、有することを特徴とする請求項４又は５に記載の水中航走体の制御方法。