JP2017072492A - Measurement system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、計測システムに関し、より詳細には、流体に浸漬する物体の形状・位置を計測する計測システムに関する。 The present invention relates to a measurement system, and more particularly to a measurement system that measures the shape and position of an object immersed in a fluid.
現在、福島第一原子力発電所の廃炉に向けて作業が進められている。福島第一原子力発電所では、溶け落ちた燃料が構造材や制御棒と共に冷えて固まってなる燃料デブリが原子炉格納容器内に散在していることが予想されており、格納容器から燃料デブリを回収するための技術が種々検討されている（例えば、特許文献１）。 Currently, work is proceeding toward the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. At the Fukushima Daiichi NPS, it is expected that fuel debris, in which the melted fuel cools and solidifies together with the structural materials and control rods, is scattered in the reactor containment vessel. Various techniques for recovery have been studied (for example, Patent Document 1).
燃料デブリを回収するためには、まずもって、格納容器内に散在する燃料デブリの位置および形状を調査する必要がある。この点につき、本発明は、外界センサを搭載した自律型移動ロボットを使用して燃料デブリの位置および形状を計測することを目的とする。 In order to recover the fuel debris, it is necessary to first investigate the position and shape of the fuel debris scattered in the containment vessel. In view of this, an object of the present invention is to measure the position and shape of fuel debris using an autonomous mobile robot equipped with an external sensor.
ここで、燃料デブリは、格納容器の冠水によって水没していることが前提となるが、滞留水の透明度が低いため、移動ロボットに搭載する外界センサとして、レーザレンジファインダ（ＬＲＦ）やデジタルカメラなどの光学センサを採用した場合、過大なノイズのために正確な計測ができないという問題がある。 Here, it is assumed that the fuel debris is submerged by the flooding of the containment vessel, but since the transparency of the accumulated water is low, a laser range finder (LRF), a digital camera, etc. are used as external sensors mounted on the mobile robot. When this optical sensor is employed, there is a problem that accurate measurement cannot be performed due to excessive noise.
また、高放射線下の格納容器内では、ロータリーエンコーダなどの内界センサが使用不能となるため、デッドレコニングによる移動ロボットの自己位置推定ができないという問題がある。 In addition, in the containment vessel under high radiation, an internal sensor such as a rotary encoder becomes unusable, so that there is a problem that self-position estimation of the mobile robot cannot be performed by dead reckoning.
一方で、格納容器の冠水作業は、格納容器の破損箇所からの漏水により困難を極めており、燃料デブリの位置・形状を検知する計測系で同時に漏水箇所を検知することが求められる。 On the other hand, the flooding operation of the containment vessel is extremely difficult due to water leakage from the damaged portion of the containment vessel, and it is required to simultaneously detect the leaked portion with a measurement system that detects the position and shape of the fuel debris.
本発明は、上記の問題や要請に鑑みてなされたものであり、本発明は、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems and requirements, and the present invention is a novel measurement system capable of simultaneously measuring the shape / position of an object immersed in a fluid and the flow velocity distribution of the fluid. The purpose is to provide.
本発明者は、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる計測システムの構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。 As a result of intensive studies on the configuration of a measurement system that can simultaneously measure the shape and position of an object immersed in a fluid and the flow velocity distribution of the fluid, the inventors have conceived the following configuration and have reached the present invention. It was.
すなわち、本発明によれば、複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサを外界センサとして搭載する移動ロボットと、前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、最新の超音波画像が取得される度に、該最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングの結果に基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、推定された各自己位置において取得された複数の超音波画像を統合して環境地図を生成する環境地図生成手段と、前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した２つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、流速ベクトル計測手段と、を含む、計測システムが提供される。 That is, according to the present invention, a mobile robot equipped with an array sensor in which a plurality of vibrators are arranged in a row as an external sensor, and vibrators at sequentially different positions by controlling the driving of the plurality of vibrators. A pulsar receiver that transmits pulse ultrasonic waves and detects echo signals of the pulse ultrasonic waves via each transducer, and an opening based on the echo signals detected via two or more transducers in the array sensor Ultrasonic image acquisition means for acquiring ultrasonic images over time by performing synthesis processing, and every time the latest ultrasonic image is acquired, the latest ultrasonic image and the ultrasonic image acquired immediately before are acquired. A self-position estimating means for estimating the self-position of the mobile robot based on the matching result and a plurality of ultrasonic images acquired at each estimated self-position are integrated to And detecting the Doppler frequency of the echo signal detected via the first transducer and the second transducer spaced apart by a predetermined distance or more in the array sensor. A means for measuring a flow velocity vector based on two Doppler frequencies, wherein the detected two Doppler frequencies, a reflection position of the pulse ultrasonic wave, and a center of the vibrator transmitting the pulse ultrasonic wave are connected. A unit vector, a first vector that is a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the first vibrator, a reflection position of the pulse ultrasonic wave, and the center of the second vibrator And a flow velocity vector measuring means for calculating a flow velocity vector based on a second unit vector that is a unit vector in a direction connecting the two. It is.
上述したように、本発明によれば、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を超音波アレイセンサを用いて同時的に計測する新規な計測システムが提供される。また、本発明によれば、超音波アレイセンサを外界センサとするＳＬＡＭ（Simultaneous Location And Mapping）により、高放射線下の原子炉格納容器内における移動ロボットの自己位置推定と環境地図の作成が同時的に実現される。 As described above, according to the present invention, a novel measurement system that simultaneously measures the shape / position of an object immersed in a fluid and the flow velocity distribution of the fluid using an ultrasonic array sensor is provided. In addition, according to the present invention, the self-location estimation of the mobile robot and the creation of the environmental map in the reactor containment vessel under high radiation are simultaneously performed by SLAM (Simultaneous Location And Mapping) using the ultrasonic array sensor as an external sensor. To be realized.
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to embodiments shown in the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments shown in the drawings. In the drawings referred to below, the same reference numerals are used for common elements, and the description thereof is omitted as appropriate.
図１は、本発明の実施形態である計測システム１００の構成を示す模式図である。本実施形態の計測システム１００は、自律型の移動ロボット１０と、パルサ・レシーバ２０と、ＡＤコンバータ３０と、コンピュータ４０を含んで構成されている。ここで、コンピュータ４０は、超音波画像取得部４２、自己位置推定部４３、環境地図生成部４４、流速ベクトル計測部４５、および計測結果出力部４６を含んで構成されている。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a measurement system 100 according to an embodiment of the present invention. The measurement system 100 of this embodiment includes an autonomous mobile robot 10, a pulser / receiver 20, an AD converter 30, and a computer 40. Here, the computer 40 includes an ultrasonic image acquisition unit 42, a self-position estimation unit 43, an environment map generation unit 44, a flow velocity vector measurement unit 45, and a measurement result output unit 46.
移動ロボット１０は、自律的に移動するための移動機構を備える。なお、図１は、移動ロボット１０が備える移動機構として４輪駆動の車輪を例示しているが、移動ロボット１０の移動機構は、車輪型に限定されるものではなく、クローラ型、多脚型、ヘビ型など、他の適切な移動機構であってもよい。 The mobile robot 10 includes a moving mechanism for moving autonomously. 1 illustrates a four-wheel drive wheel as the moving mechanism provided in the mobile robot 10, but the moving mechanism of the mobile robot 10 is not limited to the wheel type, but is a crawler type or a multi-leg type. Other suitable moving mechanisms such as a snake type may be used.
また、移動ロボット１０は、外界センサとして機能するセンサユニット１２を搭載する。本実施形態におけるセンサユニット１２は、矩形のセンサ面を有しており、そのセンサ面には、図１に拡大して示すように、２つの超音波アレイセンサ１４ａおよび１４ｂが配置されている。ここで、各超音波アレイセンサ１４は、複数の振動子１６が列をなして配置されたリニアアレイセンサとして構成されており、センサ面の高さ方向に超音波アレイセンサ１４ａが配置され、センサ面の幅方向に超音波アレイセンサ１４ｂが配置されている。 The mobile robot 10 is equipped with a sensor unit 12 that functions as an external sensor. The sensor unit 12 in the present embodiment has a rectangular sensor surface, and two ultrasonic array sensors 14a and 14b are arranged on the sensor surface as shown in an enlarged manner in FIG. Here, each ultrasonic array sensor 14 is configured as a linear array sensor in which a plurality of transducers 16 are arranged in a row, and the ultrasonic array sensor 14a is arranged in the height direction of the sensor surface. An ultrasonic array sensor 14b is arranged in the width direction of the surface.
本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０が超音波アレイセンサ１４ａおよび１４ｂのいずれか一方を排他的に駆動制御する。超音波アレイセンサ１４は、パルサ・レシーバ２０が超音波アレイセンサ１４を構成する各振動子１６をパルスドップラー方式で駆動することによって各振動子１６が超音波の短パルス信号を発信するように構成されている。一方、各振動子１６が発信した超音波のエコー（反射波）は、各振動子１６によって受信されるように構成されており、各振動子１６は、受信したエコーを電気信号（以下、エコー信号という）に変換してパルサ・レシーバ２０に出力する。パルサ・レシーバ２０は、各振動子１６を介して検出したエコー信号（アナログ信号）をＡＤコンバータ３０に出力し、ＡＤコンバータ３０は、これをデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力する。 In the present embodiment, the pulser / receiver 20 exclusively drives and controls one of the ultrasonic array sensors 14a and 14b. The ultrasonic array sensor 14 is configured such that each transducer 16 emits a short pulse signal of an ultrasonic wave when the pulser / receiver 20 drives each transducer 16 constituting the ultrasonic array sensor 14 by a pulse Doppler method. Has been. On the other hand, an ultrasonic echo (reflected wave) transmitted from each transducer 16 is configured to be received by each transducer 16, and each transducer 16 converts the received echo into an electrical signal (hereinafter referred to as an echo). Signal) and output to the pulser / receiver 20. The pulser / receiver 20 outputs an echo signal (analog signal) detected via each transducer 16 to the AD converter 30, and the AD converter 30 converts this into a digital signal and outputs it to the computer 40.
本実施形態において、パルサ・レシーバ２０は、超音波を発信する期間（以下、発信期間という）とエコーを受信する期間（以下、受信期間という）が交互に繰り返されるように振動子１６の駆動タイミングを制御する。パルサ・レシーバ２０は、発信期間が到来する度に、超音波アレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６の中から順次異なる位置に配置される１つの振動子１６を選択して駆動し、受信期間が到来する度に、２以上Ｎ以下の振動子１６を介してエコー信号を検出する。例えば、パルサ・レシーバ２０は、図２に示すように、発信期間が到来する度に、列の左端（１ｃｈ）から右端（Ｎｃｈ）にかけて、走査方向に隣接する振動子１６を１つずつ順番に駆動し、受信期間が到来する度に、全ての（Ｎ個の）振動子１６を介してエコー信号を検出することができる。 In the present embodiment, the pulser / receiver 20 drives the transducer 16 so that an ultrasonic wave transmission period (hereinafter referred to as a transmission period) and an echo reception period (hereinafter referred to as a reception period) are alternately repeated. To control. The pulsar / receiver 20 selects and drives one transducer 16 sequentially arranged at different positions from the N transducers 16 constituting the ultrasonic array sensor 14 every time the transmission period arrives. Every time the reception period arrives, an echo signal is detected through the vibrator 16 of 2 or more and N or less. For example, as shown in FIG. 2, the pulser / receiver 20 sequentially turns the transducers 16 adjacent to each other in the scanning direction one by one from the left end (1ch) to the right end (Nch) of the column every time the transmission period arrives. It is possible to detect the echo signal via all (N) transducers 16 every time the driving period is reached.
なお、本実施形態においては、Ｎ個の振動子１６のそれぞれに対して固有のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を１組ずつ用意し、Ｎ個の振動子１６から検出されるエコー信号を同時に処理することが望ましいが、１組のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を使用して計測を行う場合は、マルチプレクサ（Ｎ対１）を用いて、Ｎ個の振動子１６から検出されるエコー信号を時分割で処理するようにしてもよい。 In the present embodiment, a unique pulser / receiver 20 and AD converter 30 are prepared for each of the N transducers 16 and echo signals detected from the N transducers 16 are simultaneously transmitted. It is desirable to process, but when measurement is performed using a pair of pulser / receiver 20 and AD converter 30, echo signals detected from N transducers 16 using a multiplexer (N to 1). May be processed in a time-sharing manner.
また、本実施形態は、発信期間における振動子１６の駆動順序を限定するものではなく、発信期間が到来する度に異なる位置の振動子１６からパルス超音波が発信される態様であればよい。なお、図２に示すように、受信期間において全ての振動子１６からエコー信号を検出することは必須ではなく、計測値に関して所望の精度を達成しうる態様（数および位置）で振動子１６からエコー信号を検出するように構成すればよい。 Further, the present embodiment does not limit the driving order of the transducers 16 in the transmission period, and any mode may be used as long as pulse ultrasonic waves are transmitted from the transducers 16 at different positions each time the transmission period arrives. As shown in FIG. 2, it is not essential to detect echo signals from all the transducers 16 during the reception period, and the transducers 16 from the transducers 16 in a manner (number and position) that can achieve a desired accuracy with respect to the measurement values. What is necessary is just to comprise so that an echo signal may be detected.
以上、本実施形態の計測システム１００の構成の概要を説明してきたが、本実施形態の計測システム１００を格納容器内に散在する燃料デブリの調査に使用する場合、まず、図３に示すように、ペデスタル外側の１Ｆグレーチングの隙間から移動ロボット１０を下に降ろして水没させ、格納容器（ＰＣＶ）の底部に着地させる。この時点で、移動ロボット１０の初期位置と姿勢（世界座標系）を適切な方法により取得する。その後、移動ロボット１０は、格納容器内を移動してその位置を変えながら、各位置においてセンサユニット１２を介した超音波の送受信を繰り返す。一方、コンピュータ４０は、センサユニット１２を介して検出されたエコー信号に基づいて所定の処理を実行する。 As described above, the outline of the configuration of the measurement system 100 of the present embodiment has been described. When the measurement system 100 of the present embodiment is used for investigating the fuel debris scattered in the containment vessel, first, as shown in FIG. Then, the mobile robot 10 is lowered from the 1F grating gap outside the pedestal to be submerged and landed on the bottom of the containment vessel (PCV). At this time, the initial position and posture (world coordinate system) of the mobile robot 10 are acquired by an appropriate method. Thereafter, the mobile robot 10 repeats transmission / reception of ultrasonic waves through the sensor unit 12 at each position while moving in the storage container and changing its position. On the other hand, the computer 40 executes predetermined processing based on the echo signal detected via the sensor unit 12.
以下、コンピュータ４０を構成する各機能部が実行する処理を説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図１を参照するものとする。 Hereinafter, processing executed by each functional unit constituting the computer 40 will be described. In the following description, FIG. 1 will be referred to as appropriate.
本実施形態においては、移動ロボット１０は、格納容器の底部に着地した初期位置・姿勢を起点とし、その後、微小距離だけ移動しては静止することを繰り返しながら、格納容器内をくまなく探索する。移動ロボット１０が静止している期間（起点において静止している期間を含む）、超音波アレイセンサ１４を構成する複数の振動子１６のうち、発信期間に１つの振動子１６がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１６がそのエコーを受信する。図４は、受信期間に各振動子１６から検出されるエコー信号の波形を模式的に示す。図４に示すように、各振動子１６から検出されるエコー信号は、水没する静止物体に反射したエコーに対応する成分Ｅ１を含む。ここで、静止物体は、例えば、格納容器内に散在する燃料デブリである。 In the present embodiment, the mobile robot 10 starts from the initial position / posture landed on the bottom of the storage container, and then searches the entire storage container while repeatedly moving and moving still for a minute distance. . During a period during which the mobile robot 10 is stationary (including a period during which the mobile robot 10 is stationary), one transducer 16 of the plurality of transducers 16 constituting the ultrasonic array sensor 14 generates pulsed ultrasonic waves during the transmission period. A plurality of transducers 16 receive the echo during the reception period. FIG. 4 schematically shows the waveform of an echo signal detected from each transducer 16 during the reception period. As shown in FIG. 4, the echo signal detected from each transducer 16 includes a component E <b> 1 corresponding to the echo reflected from the submerged stationary object. Here, the stationary object is, for example, fuel debris scattered in the containment vessel.
一方、超音波画像取得部４２は、移動ロボット１０が静止している期間にコンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ１に基づいて移動ロボット１０の周囲環境の超音波画像を取得する。具体的には、超音波画像取得部４２は、２以上の振動子１６を介して検出された成分Ｅ１に基づいて開口合成処理を行うことによって超音波画像を取得する。ここで、開口合成とは、異なる位置で受信した受信信号を合成することにより仮想的に大口径の開口（受信素子）を得る手法である。以下、図５に基づいて、本実施形態に適用される開口合成の原理を概説する。 On the other hand, the ultrasonic image acquisition unit 42 acquires an ultrasonic image of the surrounding environment of the mobile robot 10 based on the component E1 of the echo signal input to the computer 40 while the mobile robot 10 is stationary. Specifically, the ultrasonic image acquisition unit 42 acquires an ultrasonic image by performing an aperture synthesis process based on the component E1 detected through the two or more transducers 16. Here, aperture synthesis is a technique for virtually obtaining an aperture (reception element) having a large aperture by synthesizing received signals received at different positions. Hereinafter, the principle of aperture synthesis applied to the present embodiment will be outlined based on FIG.
ここでは、センサユニット１２のセンサ面の幅方向に配置された超音波アレイセンサ１４ｂを構成する複数の振動子１６のうち、振動子１６ａが発信したパルス超音波が燃料デブリ５２上の位置Ｘで反射し、３つの振動子１６ｂ、１２ｃ、１２ｄがそのエコーを受信する場合について考える。 Here, among the plurality of transducers 16 constituting the ultrasonic array sensor 14 b arranged in the width direction of the sensor surface of the sensor unit 12, the pulse ultrasonic wave transmitted by the transducer 16 a is at the position X on the fuel debris 52. Consider a case in which three transducers 16b, 12c, and 12d receive the echo.
この場合、振動子１６ａがパルス超音波を発信してからそのエコーが振動子１６ｂで受信されるまでの所要時間Ｔｂと、流体の媒質の音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｂの中心の離間距離Ｌａｂから位置Ｘが存在しうる曲線ｂが幾何学的に求まる。同様に、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１６ｃで受信されるまでの所要時間Ｔｃと、音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｃの中心の離間距離Ｌａｃから位置Ｘが存在しうる曲線ｃが幾何学的に求まり、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１６ｄで受信されるまでの所要時間Ｔｄと、音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｄの中心の離間距離Ｌａｄから位置Ｘが存在しうる曲線ｄが幾何学的に求まる。そして、この場合、３つの曲線ｂ、ｃ、ｄが交差する領域近傍に位置Ｘの存在が推定されることになる。 In this case, the required time T b to the echoes from the transducer 16a are transmitted the pulse ultrasonic waves are received by the transducer 16b, and the sound velocity c in the fluid medium, the center of the vibrator 16a and the transducer 16b A curve b in which the position X can exist is obtained geometrically from the distance L ab at the center of. Similarly, from the required time T c until the echo is received by the transducer 16c after the pulse ultrasonic wave is transmitted, the sound velocity c, and the separation distance L ac between the center of the transducer 16a and the center of the transducer 16c. A curve c where the position X can exist is obtained geometrically, and the required time T d from when the pulse ultrasonic wave is transmitted until the echo is received by the transducer 16d, the sound velocity c, and the center of the transducer 16a. a distance L ad from position X can exist curve d of the center of the transducer 16d is determined geometrically. In this case, the presence of the position X is estimated in the vicinity of the region where the three curves b, c, d intersect.
なお、ここでは、３つの振動子１６から検出されたエコー信号を合成する態様を示したが、合成するエコー信号を多くするほど推定の確度が高くなることはいうまでもない。超音波画像取得部４２は、計測値に関して所望の精度を達成するために必要と考えられる２以上の振動子１６を選択し、そこから検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行う。 Note that, here, a mode in which echo signals detected from the three transducers 16 are synthesized is shown, but it goes without saying that the accuracy of estimation increases as the number of synthesized echo signals increases. The ultrasonic image acquisition unit 42 selects two or more transducers 16 that are considered necessary for achieving a desired accuracy with respect to the measurement value, and performs aperture synthesis processing based on the echo signal detected therefrom.
本実施形態においては、先述したように、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子１６の位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、超音波画像取得部４２は、計測線の走査に同期して、複数の振動子１６から検出されるエコー信号を開口合成し、これにＤＢＦ法やＭＵＳＩＣ法といった既知の位置推定アルゴリズムを適用することで各計測線上の位置Ｘを推定する処理を繰り返す。その結果、燃料デブリ５２の超音波画像が取得される。 In this embodiment, as described above, the pulser / receiver 20 sequentially changes the position of the transducer 16 that transmits the pulsed ultrasonic wave, and scans the measurement line in a one-dimensional manner. On the other hand, the ultrasonic image acquisition unit 42 performs aperture synthesis on echo signals detected from the plurality of transducers 16 in synchronization with the scanning of the measurement line, and applies a known position estimation algorithm such as the DBF method or the MUSIC method to this. This repeats the process of estimating the position X on each measurement line. As a result, an ultrasonic image of the fuel debris 52 is acquired.
図６は、本実施形態の計測システム１００によって燃料デブリ５２の超音波画像が取得される態様を模式的に示す。対象となる物体が複雑な形状を有する場合、パルス超音波が入射する位置によって、そのエコーの伝搬方向が大きく異なることがある。例えば、図６（ａ）に示すように、パルス超音波が位置Ｘ１に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上を戻るように伝搬する。この場合、高い強度のエコー信号が検出されるので位置Ｘ１につき確度の高い位置情報が得られる。 FIG. 6 schematically shows an aspect in which an ultrasonic image of the fuel debris 52 is acquired by the measurement system 100 of the present embodiment. When the target object has a complicated shape, the propagation direction of the echo may vary greatly depending on the position where the pulse ultrasonic wave is incident. For example, as shown in FIG. 6A, when a pulse ultrasonic wave is incident on a position X1, the echo propagates back on the propagation line of the pulse ultrasonic wave. In this case, since a high-intensity echo signal is detected, position information with high accuracy can be obtained for the position X1.
一方、パルス超音波が位置Ｘ２に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上からずれた方向に伝搬する。この場合、パルス超音波の伝搬線上近傍の振動子１６から検出されるエコー信号の強度は弱くなるが、エコーの伝搬方向に配置された複数の振動子１６から検出されるエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことで位置Ｘ２の位置情報が得られるので、図６（ｂ）に示すように、複雑な形状を有する物体について鮮明な超音波画像を取得することができる。 On the other hand, when the pulse ultrasonic wave is incident on the position X2, the echo propagates in a direction shifted from the propagation line of the pulse ultrasonic wave. In this case, the intensity of the echo signal detected from the transducer 16 in the vicinity of the propagation line of the pulse ultrasonic wave is weak, but the opening is based on the echo signals detected from the plurality of transducers 16 arranged in the echo propagation direction. Since the position information of the position X2 is obtained by performing the synthesis process, as shown in FIG. 6B, a clear ultrasonic image can be acquired for an object having a complicated shape.
以上、説明したように、超音波画像取得部４２は、移動ロボット１０が静止する度に超音波画像を取得する。その結果、移動ロボット１０が格納容器内を移動する間に、複数の超音波画像が経時的に取得されることになる。一方、自己位置推定部４３は、超音波画像が取得される度に移動ロボット１０の自己位置を推定する。なお、ここでいう自己位置とは、移動ロボット１０の位置と姿勢を含む概念である。 As described above, the ultrasonic image acquisition unit 42 acquires an ultrasonic image every time the mobile robot 10 stops. As a result, a plurality of ultrasonic images are acquired over time while the mobile robot 10 moves in the storage container. On the other hand, the self-position estimation unit 43 estimates the self-position of the mobile robot 10 every time an ultrasonic image is acquired. Here, the self position is a concept including the position and posture of the mobile robot 10.
具体的には、自己位置推定部４３は、まず、起点において取得された０番目の超音波画像と、移動ロボット１０が起点から移動した１番目の静止点において取得された１番目の超音波画像を比較し、両者の間の対応する特徴点（ランドマーク）のマッチングの結果に基づいて移動ロボット１０の移動量を推定する。なお、このマッチングは、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズムなど、任意の手法を用いて行うことができる。自己位置推定部４３は、予め取得しておいた起点の位置・姿勢に対して推定した移動量を加算してなる位置・姿勢を１番目の静止点における移動ロボット１０の自己位置として推定する。 Specifically, the self-position estimation unit 43 firstly has the 0th ultrasonic image acquired at the starting point and the first ultrasonic image acquired at the first stationary point where the mobile robot 10 has moved from the starting point. And the movement amount of the mobile robot 10 is estimated based on the matching result of the corresponding feature points (landmarks) between the two. This matching can be performed using any method such as an ICP (Iterative Closest Point) algorithm. The self-position estimation unit 43 estimates the position / posture obtained by adding the estimated movement amount to the position / posture of the starting point acquired in advance as the self-position of the mobile robot 10 at the first stationary point.
続いて、自己位置推定部４３は、１番目の静止点において取得された１番目の超音波画像と、移動ロボット１０が１番目の静止点から移動した２番目の静止点において取得された２番目の超音波画像についても同様のマッチングを行って移動量を推定し、第１の静止点における移動ロボット１０の自己位置（推定値）に対して推定した移動量を加算してなる座標を２番目の静止点における移動ロボット１０の自己位置として推定する。以降、自己位置推定部４３は、最新の超音波画像が取得される度に、当該最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングによって推定される移動量に基づいて移動ロボット１０の最新の自己位置を推定する処理を繰り返す。ここで、自己位置推定部４３は、推定した移動ロボット１０の自己位置と、当該自己位置において取得された超音波画像を紐付けて蓄積する。 Subsequently, the self-position estimating unit 43 acquires the first ultrasonic image acquired at the first stationary point and the second acquired at the second stationary point where the mobile robot 10 has moved from the first stationary point. The same matching is performed on the ultrasonic image of, and the amount of movement is estimated, and the coordinates obtained by adding the estimated amount of movement to the self-position (estimated value) of the mobile robot 10 at the first stationary point are the second coordinates. It is estimated as the self-position of the mobile robot 10 at the stationary point. Thereafter, each time the latest ultrasonic image is acquired, the self-position estimating unit 43 is based on the movement amount estimated by matching the latest ultrasonic image and the ultrasonic image acquired immediately before. The process of estimating the latest self-position of is repeated. Here, the self-position estimation unit 43 associates and accumulates the estimated self-position of the mobile robot 10 and the ultrasonic image acquired at the self-position.
一方、環境地図生成部４４は、自己位置推定部４３が蓄積したＮ個（Ｎ＝移動ロボット１０が静止した回数）の超音波画像を、各超音波画像に紐付いた自己位置に基づいて位置合わせを行って統合することによって環境地図を生成する。本実施形態においては、センサユニット１２のセンサ面の幅方向に配置された超音波アレイセンサ１４ｂを駆動した場合、移動ロボット１０の移動面に平行な超音波画像が連続して取得され、これらが統合される結果、２次元の環境地図が生成される。一方、センサユニット１２のセンサ面の高さ方向に配置された超音波アレイセンサ１４ａを駆動した場合、移動ロボット１０の移動面に垂直な超音波画像が連続して取得され、これらが統合される結果、３次元の環境地図が生成される。なお、環境地図の生成は、バッチ処理で行うようにしてもよいし、リアルタイム処理で行うようにしてもよい。 On the other hand, the environment map generation unit 44 aligns the N (N = number of times the mobile robot 10 is stationary) accumulated by the self-position estimation unit 43 based on the self-position associated with each ultrasonic image. To create an environmental map. In this embodiment, when the ultrasonic array sensor 14b arranged in the width direction of the sensor surface of the sensor unit 12 is driven, ultrasonic images parallel to the moving surface of the mobile robot 10 are continuously acquired, and these are acquired. As a result of the integration, a two-dimensional environmental map is generated. On the other hand, when the ultrasonic array sensor 14a arranged in the height direction of the sensor surface of the sensor unit 12 is driven, ultrasonic images perpendicular to the moving surface of the mobile robot 10 are continuously acquired and integrated. As a result, a three-dimensional environment map is generated. The generation of the environment map may be performed by batch processing or real-time processing.
以上、説明したように、本実施形態の計測システム１００は、移動ロボットに搭載する外界センサとして超音波センサを採用するため、高放射線下の格納容器内の透明度の低い水中においても燃料デブリの位置および形状を精度良く計測することが可能になる。 As described above, since the measurement system 100 according to the present embodiment employs an ultrasonic sensor as an external sensor mounted on a mobile robot, the position of fuel debris even in low-transparency water in a containment vessel under high radiation. In addition, the shape can be accurately measured.
以上、超音波画像取得部４２、自己位置推定部４３および環境地図生成部４４が実行する処理を説明してきたが、続いて、流速ベクトル計測部４５が実行する処理を説明する。 The processing executed by the ultrasonic image acquisition unit 42, the self-position estimation unit 43, and the environment map generation unit 44 has been described above. Subsequently, the processing executed by the flow velocity vector measurement unit 45 will be described.
本実施形態においては、先述したように、超音波アレイセンサ１４を構成する複数の振動子１６のうち、発信期間に１つの振動子１６がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１６がそのエコーを受信する。このとき、振動子１６が発信したパルス超音波は、流体内を移動する微小粒子に反射し、そのエコー（反射波）を各振動子１６が受信する。各振動子１６から検出されるエコー信号は、図４に示すように、微小粒子に反射したエコーに対応する成分Ｅ２を含む。 In the present embodiment, as described above, among the plurality of transducers 16 constituting the ultrasonic array sensor 14, one transducer 16 transmits pulse ultrasonic waves during the transmission period, and the plurality of transducers during the reception period. 16 receives the echo. At this time, the pulse ultrasonic wave transmitted from the transducer 16 is reflected by the minute particles moving in the fluid, and each transducer 16 receives the echo (reflected wave). As shown in FIG. 4, the echo signal detected from each transducer 16 includes a component E2 corresponding to the echo reflected on the microparticle.
ここで、流速ベクトル計測部４５は、コンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ２に基づいて流体の２次元流速ベクトルを計測する。具体的には、流速ベクトル計測部４５は、所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子１６を介して検出された成分Ｅ２に基づいて流体の２次元流速ベクトルを計測する。以下、図８に示す概念図に基づいて、２次元流速ベクトルの算出原理を説明する。 Here, the flow velocity vector measurement unit 45 measures a two-dimensional flow velocity vector of the fluid based on the component E2 of the echo signal input to the computer 40. Specifically, the flow velocity vector measuring unit 45 measures the two-dimensional flow velocity vector of the fluid based on the component E2 detected through the two vibrators 16 separated by a predetermined distance or more. Hereinafter, the calculation principle of the two-dimensional flow velocity vector will be described based on the conceptual diagram shown in FIG.
図８に示すように、振動子ｅが基本周波数ｆ０のパルス超音波を発信する場合、当該パルス超音波が流れを速度Ｖで移動する微小粒子Ｓに反射し、その反射波が所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子αおよび振動子βによって受信される。流速ベクトル計測部４５は、２つの振動子α、βから検出される２つのエコー信号（成分Ｅ２）について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆＤを検出する。ここでいう所定以上の距離とは、以下に述べる算出原理に照らして適切な距離を意味する。 As shown in FIG. 8, when the vibrator e transmits pulse ultrasonic waves having a fundamental frequency f 0 , the pulse ultrasonic waves are reflected by the fine particles S moving at a velocity V, and the reflected waves exceed a predetermined level. Received by two transducers α and β separated by a distance. The flow velocity vector measurement unit 45 performs frequency analysis on the two echo signals (component E2) detected from the two transducers α and β by an appropriate method such as an autocorrelation method, and calculates the Doppler frequency f from each echo signal. D is detected. The distance more than the predetermined here means an appropriate distance in light of the calculation principle described below.
ここで、振動子αのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆＤαは下記式（１）で表すことができ、振動子βのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆＤβは下記式（２）で表すことができる。 Here, the Doppler frequency f Dα detected from the echo signal of the transducer α can be expressed by the following formula (1), and the Doppler frequency f Dβ detected from the echo signal of the transducer β is expressed by the following formula (2). Can be represented.
上記式（１）、（２）において、ｆ０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅαは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅβは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルを示す。 The formula (1), in (2), f 0 represents the fundamental frequency of the pulse ultrasonic waves transducer e originates, c is shown a sound velocity of the medium, e e is the center of the fine particles S and the vibrator e E α represents a unit vector in the direction connecting the microparticle S and the center of the vibrator α, e β represents a unit vector in the direction connecting the microparticle S and the center of the vibrator β, V represents a two-dimensional flow velocity vector of the microparticle S.
ここで、上記式（１）と上記式（２）を連立し、行列を用いて表すと下記式（３）の様になる。 Here, when the above formula (1) and the above formula (2) are combined and expressed using a matrix, the following formula (3) is obtained.
そして、上記式（３）を整理すると、流速ベクトルＶは、下記式（４）で表される。 Then, when the above equation (3) is arranged, the flow velocity vector V is expressed by the following equation (4).
本実施形態において、流速ベクトル計測部４５は、２つの振動子α、βのエコー信号から検出したドップラー周波数ｆＤαおよびｆＤβを上記式（４）に投入して微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを算出する。ここで、上記式（４）におけるｅｅ、ｅαおよびｅβは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置と、２つの振動子α、βのそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。 In the present embodiment, the flow velocity vector measuring unit 45 inputs the Doppler frequencies f Dα and f Dβ detected from the echo signals of the two transducers α and β into the above equation (4), and thereby the two-dimensional flow velocity vector of the microparticle S. V is calculated. Here, e e , e α and e β in the above equation (4) are the positions of the microparticles S (reflection position of the ultrasonic wave) on the measurement line and the centers of the transducers e, α and β, respectively. Geometrically determined from the position. The position of the microparticle S on the measurement line is the center position of each of the transducers e, α, and β and the propagation time of the ultrasonic waves measured by each of the two transducers α, β (oscillator The time from when e transmits a pulse ultrasonic wave until it returns as its echo) and the emission angle θ of the pulse ultrasonic wave transmitted from the transducer e is obtained geometrically.
本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、流速ベクトル計測部４５は、計測線の走査に同期して、上記式（４）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流体の２次元平面上の流速ベクトルが計測される。 In the present embodiment, the pulser / receiver 20 sequentially changes the position of the transducer e that emits pulsed ultrasonic waves to scan the measurement line in a one-dimensional manner. On the other hand, the flow velocity vector measurement unit 45 repeats the process of calculating the two-dimensional flow velocity vector V of the microparticle S existing on each measurement line according to the above equation (4) in synchronization with the scanning of the measurement line. As a result, the flow velocity vector on the two-dimensional plane of the fluid is measured.
なお、流速ベクトル計測部４５は、超音波アレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６のそれぞれについて、その振動子１６が発信したパルス超音波のエコー信号を検出する２つの振動子１６からなる組を予め決定しておく。本実施形態においては、１つの振動子１６に対して、エコー信号を検出する振動子１６の組を２組以上決定してもよい。その場合、１つの計測点に対して２以上の流速ベクトルが算出されることになるが、算出された２以上の流速ベクトルをエコー信号の強度に応じて適宜合成することで計測精度を向上させることができる。 The flow velocity vector measuring unit 45 includes two transducers 16 that detect echo signals of pulsed ultrasonic waves transmitted from the transducers 16 for each of the N transducers 16 constituting the ultrasonic array sensor 14. A set is determined in advance. In the present embodiment, two or more sets of transducers 16 that detect echo signals may be determined for one transducer 16. In that case, two or more flow velocity vectors are calculated for one measurement point, but the measurement accuracy is improved by appropriately combining the calculated two or more flow velocity vectors according to the intensity of the echo signal. be able to.
なお、超音波アレイセンサとして、図８に示したリニアアレイセンサに代えて、図９に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用することによって流れの３次元流速ベクトルを計測することができる。 As an ultrasonic array sensor, instead of the linear array sensor shown in FIG. 8, an array sensor in which a plurality of transducers as illustrated in FIG. Vectors can be measured.
この点を図６（ｂ）に基づいて説明すると、流速ベクトル計測部４５は、振動子ｅから基本周波数ｆ０のパルス超音波を発信した場合において、所定以上の距離をおいて離間する３つの振動子（α、β、γ）から検出される３つのエコー信号について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆＤを検出する。流速ベクトル計測部４５は、３つの振動子（α、β、γ）のエコー信号から検出したドップラー周波数ｆＤα、ｆＤβ、ｆＤγを下記式（５）に投入して微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを算出する。 This point will be described with reference to FIG. 6B. When the pulsed ultrasonic wave having the fundamental frequency f 0 is transmitted from the transducer e, the flow velocity vector measuring unit 45 is separated by a distance of a predetermined distance or more. vibrator (alpha, beta, gamma) for three echo signals detected from, performs frequency analysis by a suitable method such as the autocorrelation method, to detect the Doppler frequency f D from the respective echo signals. The flow velocity vector measuring unit 45 inputs the Doppler frequencies f Dα , f Dβ , and f Dγ detected from the echo signals of the three vibrators (α, β, γ) into the following equation (5), and thereby the three-dimensional of the microparticle S A flow velocity vector V is calculated.
上記式（５）において、ｆ０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅαは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅβは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅγは微小粒子Ｓと振動子γの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルを示す。 In the above equation (5), f 0 represents the fundamental frequency of the pulsed ultrasonic wave transmitted from the transducer e, c represents the sound velocity of the medium, and e e is a unit in the direction connecting the fine particle S and the center of the transducer e. E α represents a unit vector in the direction connecting the microparticle S and the center of the vibrator α, e β represents a unit vector in the direction connecting the microparticle S and the center of the vibrator β, and e γ is a micro A unit vector in the direction connecting the particle S and the center of the vibrator γ is shown, and V is a three-dimensional flow velocity vector of the fine particle S.
ここで、上記式（５）におけるｅｅ、ｅα、ｅβおよびｅγは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置と、３つの振動子（α、β、γ）のそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。 Here, e e , e α , e β and e γ in the above equation (5) are the positions of the microparticles S (ultrasonic reflection positions) on the measurement line and the transducers e, α, β and γ, respectively. Geometrically determined from the center position. The positions of the microparticles S on the measurement line are the center positions of the transducers e, α, β, and γ and the propagation times of ultrasonic waves that are measured by the three transducers (α, β, γ). (The time from when the transducer e transmits a pulse ultrasonic wave until it returns as an echo thereof) and the emission angle θ of the pulse ultrasonic wave transmitted from the transducer e can be obtained geometrically.
この場合、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を２次元的に走査する。一方、流速ベクトル計測部４５は、計測線の走査に同期して、上記式（５）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流体の３次元空間内の流速ベクトルが計測される。 In this case, the pulser / receiver 20 sequentially changes the position of the transducer e that emits pulsed ultrasonic waves to scan the measurement line two-dimensionally. On the other hand, the flow velocity vector measuring unit 45 repeats the process of calculating the three-dimensional flow velocity vector V of the fine particles S existing on each measurement line according to the above equation (5) in synchronization with the scanning of the measurement line. As a result, the flow velocity vector in the three-dimensional space of the fluid is measured.
なお、超音波アレイセンサ１４としてマトリックスアレイセンサを使用する場合は、流速ベクトル計測部４５は、マトリックスアレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６のそれぞれについて、その振動子１６が発信したパルス超音波のエコー信号を検出する３つの振動子１６からなる組を予め決定しておく。 When a matrix array sensor is used as the ultrasonic array sensor 14, the flow velocity vector measuring unit 45 performs pulse superposition transmitted by the transducer 16 for each of the N transducers 16 constituting the matrix array sensor 14. A set of three transducers 16 for detecting a sound wave echo signal is determined in advance.
以上、流速ベクトル計測部４５が実行する処理を説明してきたが、続いて、計測結果出力部４６が実行する処理を説明する。 The process executed by the flow velocity vector measurement unit 45 has been described above. Next, the process executed by the measurement result output unit 46 will be described.
本実施形態の計測結果出力部４６は、環境地図生成部４４が生成する環境地図と、流速ベクトル計測部４５が出力する流速ベクトルを合成して可視化データを生成し、生成した可視化データを計測結果として出力する。図１０は、計測結果出力部４６が出力する計測結果を例示的に示す。本実施形態によれば、図１０に示すように、計測結果として、流体内に存在する燃料デブリ５２の表面形状と当該流体の流速ベクトルを同時的に提示する可視化データがユーザに提供される。 The measurement result output unit 46 of the present embodiment generates visualization data by synthesizing the environment map generated by the environment map generation unit 44 and the flow velocity vector output by the flow velocity vector measurement unit 45, and uses the generated visualization data as a measurement result. Output as. FIG. 10 exemplarily shows the measurement result output by the measurement result output unit 46. According to the present embodiment, as shown in FIG. 10, visualization data that simultaneously presents the surface shape of the fuel debris 52 present in the fluid and the flow velocity vector of the fluid as a measurement result is provided to the user.
なお、図１０は、燃料デブリ５２を含む環境地図と２次元流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを示したが、図９に示したマトリックスアレイセンサを採用する場合においては、計測結果出力部４６は、燃料デブリ５２の３次元表面形状と３次元流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを生成・出力する。 FIG. 10 shows the visualization data that simultaneously presents the environment map including the fuel debris 52 and the two-dimensional flow velocity vector. However, when the matrix array sensor shown in FIG. 46 generates and outputs visualization data that simultaneously presents the three-dimensional surface shape of the fuel debris 52 and the three-dimensional flow velocity vector.
以上、説明したように、本実施形態の計測システム１００によれば、格納容器内の環境地図（燃料デブリの位置および形状）と格納容器内の滞留水の流速分布を１つの外界センサ（超音波アレイセンサ）で取得することができ、取得した流速分布から漏水箇所を特定することができる。 As described above, according to the measurement system 100 of the present embodiment, the environment map (position and shape of the fuel debris) in the containment vessel and the flow rate distribution of the accumulated water in the containment vessel are represented by one external sensor (ultrasonic wave). Array sensor) and the location of water leakage can be identified from the acquired flow velocity distribution.
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、これまで、本発明の移動ロボットとして、専ら、水底を移動するロボットを例に挙げて説明してきたが、本発明の移動ロボットは、これに限定されるものではなく、水中を移動する潜水型のロボットであってもよいし、水上を移動する船型のロボットであってもよいし、空中を飛行移動するドローン型のロボットであってもよい。また、これまで、本発明の計測システムの適用シーンとして、専ら、原子力発電所の廃炉に伴う燃料デブリの回収作業を例に挙げて説明してきたが、本発明の計測システムは、その用途を限定するものではないことはいうまでもない。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。 Although the present invention has been described with the embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the mobile robot of the present invention has been described by taking a robot that moves on the bottom of the water as an example. However, the mobile robot of the present invention is not limited to this, and is a diving that moves in water. It may be a type robot, a ship type robot that moves on the water, or a drone type robot that flies and moves in the air. In addition, until now, as an application scene of the measurement system of the present invention, the fuel debris recovery work accompanying the decommissioning of a nuclear power plant has been described as an example, but the measurement system of the present invention has its application. Needless to say, this is not a limitation. In addition, it is included in the scope of the present invention as long as the effects and effects of the present invention are exhibited within the scope of embodiments that can be considered by those skilled in the art.
なお、上述したコンピュータ４０の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。 Each function of the computer 40 described above can be realized by a device-executable program written in C, C ++, C #, Java (registered trademark), and the like. The program of this embodiment includes a hard disk device, a CD-ROM. , MO, DVD, flexible disk, EEPROM, EPROM and the like can be stored and distributed in a device-readable recording medium, and can be transmitted via a network in a format that other devices can.
１０…移動ロボット
１２…センサユニット
１４…超音波アレイセンサ
１６…振動子
２０…パルサ・レシーバ
３０…ＡＤコンバータ
４０…コンピュータ
４２…超音波画像取得部
４３…自己位置推定部
４４…環境地図生成部
４５…流速ベクトル計測部
４６…計測結果出力部
５２…燃料デブリ
１００…計測システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Mobile robot 12 ... Sensor unit 14 ... Ultrasonic array sensor 16 ... Vibrator 20 ... Pulsar receiver 30 ... AD converter 40 ... Computer 42 ... Ultrasonic image acquisition part 43 ... Self-position estimation part 44 ... Environmental map generation part 45 ... Velocity vector measurement unit 46 ... Measurement result output unit 52 ... Fuel debris 100 ... Measurement system
Claims (6)
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、
最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングに基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、
取得された複数の超音波画像を統合して推定された自己位置に基づいて環境地図を生成する環境地図生成手段と、
前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した２つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、流速ベクトル計測手段と、を含む、
計測システム。 A mobile robot equipped with an array sensor in which a plurality of transducers are arranged in a row as an external sensor;
A pulser / receiver for controlling the driving of the plurality of vibrators to sequentially transmit pulse ultrasonic waves from vibrators at different positions, and detecting echo signals of the pulse ultrasonic waves through the vibrators,
Ultrasonic image acquisition means for acquiring ultrasonic images over time by performing aperture synthesis processing based on echo signals detected via two or more transducers in the array sensor;
Self-position estimating means for estimating the self-position of the mobile robot based on matching of the latest ultrasonic image and the ultrasonic image acquired immediately before,
An environment map generating means for generating an environment map based on a self-position estimated by integrating a plurality of acquired ultrasonic images;
In the array sensor, the Doppler frequency of the echo signal detected via the first vibrator and the second vibrator separated by a predetermined distance or more is detected, and the flow velocity vector is based on the two detected Doppler frequencies. Measuring the two Doppler frequencies, a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulsed ultrasonic wave and the center of the vibrator transmitting the pulsed ultrasonic wave, and the pulse ultrasonic wave A first vector which is a unit vector in a direction connecting the reflection position and the center of the first transducer, and a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the second transducer. A flow velocity vector measuring means for calculating a flow velocity vector based on two unit vectors,
Measuring system.
（上記式において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記単位ベクトルを示し、ｅαは前記第１のベクトルを示し、ｅβは前記第２のベクトルを示し、ｆＤαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。） The measurement system according to claim 1, wherein the flow velocity vector measuring unit measures a two-dimensional flow velocity vector V based on the following formula (1).
(In the above equation, f 0 indicates the fundamental frequency of pulsed ultrasound, c indicates the speed of sound, e e indicates the unit vector, e α indicates the first vector, and e β indicates the second frequency. F Dα represents the Doppler frequency of the echo signal detected via the first transducer, and f Dβ represents the Doppler frequency of the echo signal detected via the second transducer. )
請求項１または２に記載の計測システム。 Furthermore, it includes measurement result output means for outputting visualization data that simultaneously presents the environmental map and the flow velocity vector as a measurement result,
The measurement system according to claim 1 or 2.
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、
最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングに基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、
取得された複数の超音波画像を推定された自己位置に基づいて統合して環境地図を生成する環境地図生成手段と、
前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて互いに離間し、且つ、同一直線上にない第１の振動子、第２の振動子および第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した３つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した３つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第３の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第３の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを計測する、流速ベクトル計測手段と、を含む
計測システム。 A mobile robot equipped with an array sensor in which a plurality of transducers are arranged in a row as an external sensor;
A pulser / receiver for controlling the driving of the plurality of vibrators to sequentially transmit pulse ultrasonic waves from vibrators at different positions, and detecting echo signals of the pulse ultrasonic waves through the vibrators,
Ultrasonic image acquisition means for acquiring ultrasonic images over time by performing aperture synthesis processing based on echo signals detected via two or more transducers in the array sensor;
Self-position estimating means for estimating the self-position of the mobile robot based on matching of the latest ultrasonic image and the ultrasonic image acquired immediately before,
An environment map generating means for generating an environment map by integrating a plurality of acquired ultrasonic images based on the estimated self-position;
The Doppler frequency of echo signals detected via the first transducer, the second transducer, and the third transducer that are separated from each other by a predetermined distance or more and are not on the same straight line in the array sensor And measuring the flow velocity vector based on the detected three Doppler frequencies, the detected three Doppler frequencies, the reflection position of the pulsed ultrasonic wave, and the transducer for transmitting the pulsed ultrasonic wave A unit vector in a direction connecting the centers of the first ultrasonic wave, a first vector which is a unit vector in a direction connecting the reflection ultrasonic wave reflection position and the center of the first transducer, a reflection position of the pulse ultrasonic wave, and the first A second unit vector which is a unit vector in a direction connecting the centers of the two transducers, and a unit vector in a direction connecting the reflection position of the pulse ultrasonic wave and the center of the third transducer Measurement system including a certain third unit vector, to measure the flow velocity vector based on the velocity vector measurement means.
（上記式（２）において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記単位ベクトルを示し、ｅαは前記第１のベクトルを示し、ｅβは前記第２のベクトルを示し、ｅγは前記第３のベクトルを示し、ｆＤαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤγは前記第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。） The measurement system according to claim 4, wherein the flow velocity vector measuring unit measures a three-dimensional flow velocity vector V based on the following equation (2).
(In the above equation (2), f 0 represents the fundamental frequency of pulsed ultrasound, c represents the speed of sound, e e represents the unit vector, e α represents the first vector, and e β represents the above-mentioned unit vector. E γ represents the third vector, f Dα represents the Doppler frequency of the echo signal detected via the first transducer, and f Dβ represents the second transducer (Indicates the Doppler frequency of the echo signal detected via, and fDγ indicates the Doppler frequency of the echo signal detected via the third transducer.)
請求項４または５に記載の計測システム。
Furthermore, it includes measurement result output means for outputting visualization data that simultaneously presents the environmental map and the flow velocity vector as a measurement result,
The measurement system according to claim 4 or 5.
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