JP2017178198A - 水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム - Google Patents

水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム Download PDF

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裕志 阪上
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Abstract

【課題】簡易なシステムで水中設備に自律型無人潜水機を精度よく接近させることができる水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステムを提供する。
【解決手段】水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステムは、水中に位置しており、放射状に光を放射する光放射器が設けられた水中設備と、潜水機本体と、前記潜水機本体に設けられた、互いに独立する複数の受光素子であって、格子状に配置された複数の受光素子を有する受光アレイと、を有する、自律型無人潜水機と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中ステーションなどの水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステムに関する。
海底作業や海底調査等のために、母船からの電力供給を要せず、内蔵動力源によって水中を航走する自律型無人潜水機（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle。以下、ＡＵＶともいう。）が利用されている。このようなＡＵＶとして、水中に位置する水中設備から動力源を補給するものが提案されている。ＡＵＶが水中設備に近づくためには、ＡＵＶが水中設備の位置を把握しながら水中設備にアプローチすることが必要になるが、ＡＵＶが水中設備にアプローチする手法として、音響測位を利用したものが知られている。
例えば、特許文献１には、水中ステーション側に超音波発信器、ＡＵＶ側にソナーを設けて、ＡＵＶが超音波発信器から送られる音波をソナーで受けて、水中ステーションに対する相対位置を計測しながら水中ステーションに進入することが開示されている。
特開２０００−２７２５８３号公報
ところで、ＡＵＶのソナーと水中ステーションの超音波発信器の距離が近いと、ＡＵＶ側では超音波発信器からの音波の到来方向を正確に特定できない。このため、特許文献１では、超音波発信器とＡＵＶを捕捉する捕捉部材とを水中ステーションにおけるＡＵＶの進入方向奥側と手前側に離して配置させるとともに、該捕捉部材をＡＵＶの進入側から先端に向けて狭まるＶ字形状に形成して、ＡＵＶの進入角度のずれを吸収できるようにしている。しかしながら、このように水中設備側にＡＵＶのアプローチのずれの解消策が必要になると、水中設備の構成が複雑になる。このため、ＡＵＶを水中設備に精度よくアプローチさせるためのシステムが望まれる。
この点、特許文献１は、ＡＵＶにテレビカメラを備え付けて、画像認識により水中ステーションの位置や方向を確認することも開示している。画像認識処理によりＡＵＶを水中ステーションにアプローチさせる場合、ＡＵＶを水中設備に精度よくアプローチさせることができる。しかしながら、ＡＵＶには画像認識処理を実行する演算装置が必要になるため、ＡＵＶの構成が複雑になる。
そこで、本発明は、簡易なシステムで水中設備にＡＵＶを精度よく接近させることができる、水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムは、水中に位置しており、放射状に光を放射する光放射器が設けられた水中設備と、潜水機本体と、前記潜水機本体に設けられた、互いに独立する複数の受光素子であって、格子状に配置された複数の受光素子を有する受光アレイと、を有する、ＡＵＶと、を備える。
上記の構成によれば、受光素子が格子状に配置されているので、それらの受光素子が光放射器から光を受けたときの受光感度は場所によって異なる。従って、受光素子の受光感度を比較することによって、ＡＵＶに対する水中設備の方向を検出することができる。このため、画像認識処理を必要としない簡易なシステムによって、水中設備にＡＵＶを精度よく接近させることができる。
上記の水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムにおいて、前記受光アレイは、凸状の球面形状に形成された、前記複数の受光素子が取り付けられる取付部を有してもよい。この構成によれば、取付部が、凸状の球面形状に形成されているため、各受光素子を取付部の表面に対して同じように取り付けることにより、各受光素子は、受光アレイの周縁側に位置するものほど受光アレイの周縁側を向くように設置される。このため、受光アレイが光を検出できる検出角度範囲を簡易な構成で大きくすることができる。
上記の水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムにおいて、前記光放射器は、前記光を光無線信号として放射できるように構成されており、前記ＡＵＶは、前記受光アレイが受信した前記光無線信号を信号処理する制御装置を更に有してもよい。この構成によれば、光無線通信により水中設備からＡＵＶに大容量のデータを短時間で送ることができる。また、光放射器および受光アレイが水中設備からＡＵＶへの光無線通信手段としても機能するので、ＡＵＶには水中設備と光無線通信を行うための光無線通信手段を別途設ける必要がなく、潜水機本体内のスペースを有効に利用することができる。
上記の水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムにおいて、前記水中設備には、音響信号を発信するトランスポンダが設けられており、前記自律型無人潜水機には、前記トランスポンダからの音響信号に基づいて前記水中設備の方向を特定する音響測位装置が設けられていてもよい。この構成によれば、音響測位装置がトランスポンダからの音響信号に基づいて水中設備の方向を特定するため、水中設備から光放射器の光が届かない範囲において、音響測位によりＡＵＶを水中設備に誘導することができる。
本発明によれば、簡易なシステムで水中設備にＡＵＶを精度よく接近させることができることができる。
本発明の一実施形態に係る水中設備へのＡＵＶのアプローチシステムの概略構成図である。 図１に示すＡＵＶの受光アレイの拡大斜視図である。 図１に示すアプローチシステムにおける受光素子の向きと水中設備からの光の到来方向との関係の一例を示した図である。 図１に示すアプローチシステムを説明するための概略側面模式図である。 図１に示すアプローチシステムを説明するための概略上面模式図である。 変形例に係るアプローチシステムにおける受光素子の向きと水中設備からの光の到来方向との関係の一例を示した図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、一実施形態に係る水中設備２へのＡＵＶ１０のアプローチシステム（以下、「アプローチシステム」と称する。）１の概略構成図である。アプローチシステム１は、水中を航走するＡＵＶ１０を水中に位置する水中設備２にアプローチさせるためのものである。
本実施形態では、水中設備２は、ＡＵＶ１０を捕捉するための捕捉機構（図示せず）を備えた、ＡＵＶ１０とドッキング可能な水中ステーションである。水中設備２は、ＡＵＶ１０とドッキングした状態で、ＡＵＶ１０に動力源を補給できるように構成されている。水中設備２は、海底に設置された基台３を有する。例えば、水中設備２は、図示しないケーブルを介して陸上設備とつながっており、陸上設備からの電力供給や陸上設備とのデータの送受信ができるように構成されている。
水中設備２には、光を３６０°全周に放射状に放射する光放射器３が設けられている。本実施形態では、光放射器３は、略半球形状であって、基台４が有する水平な上面に上に凸となるように設置されている。例えば、光放射器３は、アクリルでできた半球状の透明ケース内にＬＥＤ発光基板を並べたものである。
本実施形態では、光放射器３は、水中設備２とＡＵＶ１０の間で光無線通信を行うために、ＡＵＶ１０に光無線信号を放射できるように構成されている。具体的には、光放射器３は、光放射器３から放射される光を点滅させて光に情報を搬送させることができるように構成されている。
水中設備２の基台１１には、音響信号を発信するトランスポンダ（図示せず）が設けられている。
次に、ＡＵＶ１０の構成について説明する。なお、以下の説明では、ＡＵＶ１０が航走するときの航走方向を前方、航走方向の反対方向を後方、航走方向左側を左方、航走方向右側を右方、航走方向上側を上方、航走方向下側を下方と定義する。
ＡＵＶ１０は、動力源としての蓄電池を内蔵した潜水機本体１１と、水中を航走するための推進力を発生させるプロペラ等のいくつかの推進装置１２（１つだけ示す）を備える。ＡＵＶ１０は、潜水機本体１１の内部に、推進装置１２を制御する制御装置１３（図４参照）を備えており、制御装置１３が保持したプログラムに従って自律航走する。潜水機本体１１は、その前方側が水の抵抗の少ない流線型をなしている。潜水機本体１１の後方側上部には、ＡＵＶ１０の水平方向の姿勢を規定する垂直翼１４が設けられている。
潜水機本体１１の上部には、音響測位装置１５が設けられている。音響測位装置１５は、水中設備２のトランスポンダとともに、水中設備２からＡＵＶ１０までの距離や水中設備２に対するＡＵＶ１０の方向を特定するための音響測位システムを構成している。この音響測位システムは、例えば、音響信号を受信するまでの時間からトランスポンダまでの距離を計算し、音響測位装置１５の有する受波アレイ内の各素子への到達音波の位相差をもとに方位を計算するＳＳＢＬ（Super Short Base Line）方式の測位システムである。ただし、音響測位システムは、ＳＳＢＬ方式でなくてもよく、ＬＢＬ（Long Base Line）方式やＳＢＬ（Short Base Line）方式などでもよい。
潜水機本体１１の前方側下部には、受光アレイ２０が設けられている。受光アレイ２０は、光放射器３から到来する光を受けて、ＡＵＶ１０に対する水中設備２の方向を検出するためのものである。上述の音響測位システムでは、ＡＵＶ１０側の音響測位装置１５と水中設備２側のトランスポンダの距離が近いと、音響測位装置１５がトランスポンダからの音響信号の到来方向を正確に特定できない。このため、ＡＵＶ１０は、水中設備２からの距離が中長距離にある場合には上述した音響測位により水中設備２に近づき、水中設備２がＡＵＶ１０から近距離にある場合には、受光アレイ２０を用いて水中設備２に近づく。
図２は、受光アレイ２０の拡大斜視図である。受光アレイ２０は、互いに独立する複数の受光素子２１と、複数の受光素子２１が取り付けられる取付部２２を有する。受光アレイ２０は、潜水機本体１１に設けられたカバー２３に覆われている。カバー２３は、透光性が高い部材であり、例えば、無色透明のアクリルなどで形成されている。
複数の受光素子２１は、同一の指向特性を有している。以下では、受光素子２１の受光感度が最大となる向きを「受光素子が向く方向」と呼ぶ。本実施形態では、受光素子２１は、フォトダイオードである。受光素子は、フォトダイオードの他、例えば、光電子増倍管でもよい。複数の受光素子２１は、それぞれ所定の間隔を空けて、取付部２２上に格子状に配置されている。取付部２２は、凸状の球面形状に形成されている。各受光素子２１は、取り付けられた面の法線方向を向くように取付部２２に設置されており、受光アレイ２０の周縁側に位置するものほど受光アレイ２０の周縁側を向いている。取付部２２の周縁は、環状であって、その中心線は、潜水機本体１１の進行方向と潜水機本体１１の下方向の間を延びる。
受光素子２１で受けた光は、電気信号に変換され、上述した制御装置１３に送られる。受光素子２１は格子状に配置されているので、それらの受光素子２１が光放射器３から光を受けたときの受光感度は場所によって異なる。このため、制御装置１３は、受光素子２１の受光感度を比較して、ＡＵＶ１０に対する水中設備２の方向を検出している。
以下、受光アレイ２０を用いた水中設備２の方向検出について、図３を参照して詳しく説明する。図３は、受光素子２１の向きと水中設備２からの光の到来方向との関係の一例を示した図である。図３では、受光アレイ２０が有する複数の受光素子２１のうち、一列に並んだ３つの受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃのみ示す。また、図３では、受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃが向く方向をそれぞれ破線ｌａ，ｌｂ，ｌｃで示し、光の到来方向を矢印で示す。
受光素子２１の指向特性から、光放射器３からの光の到来方向と受光素子２１が向く方向とがなす角が小さいほど、受光素子２１の受光感度（すなわち、受光素子２１の出力）が大きくなる。図３に示した例では、光の到来方向と受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃが向く方向ｌａ，ｌｂ，ｌｃがなす角θａ，θｂ，θｃは、θａ＜θｂ＜θｃの関係にあるため、３つの受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの中では受光素子２１ａの出力が最大となり、受光素子２１ｃの出力が最小となる。制御装置１３は、受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃからの出力の分布に基づいて、受光アレイ２０の中心から最大出力となった受光素子２１ａへ向かう方向に光放射器３があると判定し、水中設備２に精度よく近づくよう推進装置１２を制御する。
図４は、アプローチシステム１の概略側面模式図であり、図５は、アプローチシステム１の概略上面模式図である。なお、図４および図５は、ＡＵＶ１０が音響測位により水中設備２にアプローチし、光放射器５からの光が受光アレイ２０に届く範囲Ｌに入った状態を示している。例えば、制御装置１３は、音響測位により計測されたＡＵＶ１０から水中設備２までの距離が、光放射器３から光が届く範囲Ｌ内の距離である予め定めた距離（例えば１０ｍ）以下になったときに、音響測位によるアプローチから受光アレイ２０を用いたアプローチに切り換える。あるいは、制御装置１３は、受光素子２１からの出力が所定の閾値を超えたときに音響測位によるアプローチから受光アレイ２０を用いたアプローチに切り換えてもよい。
受光アレイ２０が光を検出できる検出角度範囲Ａは、受光素子２１の指向特性、受光素子２１の数、隣接する受光素子２１間の間隔、取付部２２の曲率などによって決まる。本実施形態では、複数の受光素子２１は、上下方向と左右方向の検出角度範囲Ａがいずれも受光アレイ２０を中心に約９０度となるように取付部２１に配置されている。ただし、受光アレイ２０は、上下方向の検出角度範囲Ａと左右方向の検出角度範囲が異なるように設計されていてもよい。
水中設備２とＡＵＶ１０の間で光無線通信を行うために、上述したように水中設備２側では、光放射器３が光無線信号を放射でき、ＡＵＶ１０側では、制御装置１３が光放射器３から受光アレイ２０に送られた光無線信号を信号処理する。例えば、光無線通信開始のトリガとなる音響信号が、ＡＵＶ１０から水中設備２に送られることにより光無線通信が開始される。光無線信号を介して水中設備２からＡＵＶ１０に送られる情報は、例えば、陸上設備から水中設備２に送られたＡＵＶ１０への指令情報や、水中設備２に設けられた地震計などの計測機器で得られた観測データである。
以上説明したように、本実施形態のアプローチシステム１は、受光素子２１が格子状に配置されているので、それらの受光素子２１が光放射器５から光を受けたときの受光感度は場所によって異なる。従って、受光素子２１の受光感度を比較することによって、ＡＵＶ１０に対する水中設備２の方向を検出することができる。このため、画像認識処理を必要としない簡易なシステムによって、水中設備２にＡＵＶ１０を精度よく接近させることができる。
また、本実施形態では、取付部２２が、凸状の球面形状に形成されているため、各受光素子２１を取付部２２の表面に対して同じように取り付けることにより、各受光素子２１は、受光アレイ２０の周縁側に位置するものほど受光アレイ２０の周縁側を向くように設置される。このため、受光アレイ２０が光を検出できる検出角度範囲Ａを簡易な構成で大きくすることができる。
また、本実施形態では、光放射器３は、光無線信号を放射しており、制御装置１３が、受光アレイ２０が受光した光無線信号を信号処理するため、光無線通信により水中設備２からＡＵＶ１０に大容量のデータを短時間で送ることができる。また、光放射器３および受光アレイ２０が、水中設備２からＡＵＶ１０への光無線通信手段としても機能するので、ＡＵＶ１０には水中設備２と光無線通信を行うための光無線通信手段を別途設ける必要がなく、潜水機本体１１内のスペースを有効に利用することができる。
また、本実施形態では、音響測位装置１５が水中設備２のトランスポンダからの音響信号に基づいて水中設備２の方向を特定するため、水中設備２から光放射器５の光が届かない範囲において、音響測位によりＡＵＶ１０を水中設備２に誘導することができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、受光素子２１の指向特性、受光素子２１の数、隣接する受光素子２１間の間隔、取付部２２の曲率などは、アプローチシステム２に求めるアプローチ精度や受光アレイ２０の検出角度範囲Ａに応じて、適宜選択される。
また、上記実施形態では、受光アレイ２０の取付部２２は凸状の球面形状に形成されていたが、例えば、受光アレイ２０の取付部２２は平面状であったり、凸状の多面体形状であったりしてもよい。図６に、取付部２２が平面状である場合の受光素子２１の向きと水中設備２からの光の到来方向との関係の一例を示す。図６でも、図３と同様、受光アレイ２０が有する複数の受光素子２１のうち、一列に並んだ３つの受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃのみ示している。図６に示した例では、光の到来方向と受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃが向く方向ｌａ，ｌｂ，ｌｃがなす角θａ，θｂ，θｃは、θａ＜θｂ＜θｃの関係にあるため、３つの受光素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの中では受光素子２１ａからの出力が最大となり、受光素子２１ｃからの出力が最小となる。この場合でも、受光素子２１の受光感度を比較することによって、ＡＵＶ１０に対する水中設備２の方向を検出することができる。このため、画像認識処理を必要としない簡易なシステムによって、水中設備２にＡＵＶ１０を接近させることができる。
また、上記実施形態では、水中設備２は、海底に設置された水中設置型のものであったが、例えば、水中設備２は、洋上の船舶に曳航されるなどして水中を移動するように構成された水中移動型のものでもよい。また、水中設備２は、ＡＵＶ１０とドッキングするように構成されていなくてもよい。
また、上記実施形態では、潜水機本体１１に設けられた受光アレイ２０は１つであったが、潜水機本体１１に複数の受光アレイ２０を設けてもよい。例えば、上記実施形態の受光アレイ２０に加えて、更に２つの受光アレイ２０をそれぞれ潜水機本体１１の右側と左側に設けてもよい。
また、上記実施形態では、推進装置１２を制御する制御装置１３が、受光素子２１の受光感度の比較や光無線信号の信号処理を実行していたが、これに限定されず、推進装置１２の制御、受光素子２１の受光感度の比較、および光無線信号の信号処理が異なる制御装置により制御されてもよい。
１ アプローチシステム
２ 水中設備
３ 光放射器
１０ ＡＵＶ（自律型無人潜水機）
１１ 潜水機本体
１３ 制御装置
１５ 音響測位装置
２０ 受光アレイ
２１ 受光素子
２２ 取付部

Claims (4)

  1. 水中に位置しており、放射状に光を放射する光放射器が設けられた水中設備と、
    潜水機本体と、前記潜水機本体に設けられた、互いに独立する複数の受光素子であって、格子状に配置された複数の受光素子を有する受光アレイと、を有する、自律型無人潜水機と、
    を備える、水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム。
  2. 前記受光アレイは、凸状の球面形状に形成された、前記複数の受光素子が取り付けられる取付部を有する、請求項１に記載の水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム。
  3. 前記光放射器は、前記光を光無線信号として放射できるように構成されており、
    前記自律型無人潜水機は、前記受光アレイが受信した前記光無線信号を信号処理する制御装置を更に有する、請求項１または２に記載の水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム。
  4. 前記水中設備には、音響信号を発信するトランスポンダが設けられており、前記自律型無人潜水機には、前記トランスポンダからの音響信号に基づいて前記水中設備の方向を特定する音響測位装置が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水中設備への自律型無人潜水機のアプローチシステム。
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