JP2018522782A

JP2018522782A - 水中ドローン

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Publication number: JP2018522782A
Application number: JP2018526486A
Authority: JP
Inventors: マックレディタイラー; ホワイトアントニー; フランクリンヘルツリードルー
Original assignee: アピアムインコーポレイティド
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: JP6523568B2; US20170036746A1; AU2016301238A1; WO2017023953A1; CA2994419C; AU2016301238B2; EP3331756A4; US10011337B2; EP3331756A1; CA2994419A1

Abstract

水域の水面上または水面下を航行する能力を有する水中ドローン。いくつかの実施形態において、このようなビークルは、軽量、電動式およびプロペラ駆動式であり、岸から遠隔制御により操作され、単純な自動操縦指令を用いて誘導され得る。ビークルは、２つのアクチュエータをビークル後方に有することができ、各アクチュエータは、モーターおよびプロペラを含み各々前進または後進推力を生成することができる。ビークルは、砕波帯を通って水平方向に航行し水柱を通って海底まで垂直方向に潜水する能力を有し得る。ビークルは、自身の場所および深さを監視することができ、水温などの環境条件を測定することができ、このような測定値は、テレメトリ・システムを用いてオペレータに返信され得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、内容全体が参照により本明細書に組込まれている、「水中ドローン」という題の２０１５年８月３日出願の米国仮特許出願第６２／２００，５５９号に対する優先権およびその利益を主張する。

本発明に係る実施形態の１つ以上の態様は、ビークル（vehicle）に関し、より詳細には、水域の水面上または水面下で動作する能力を有するビークルに関する。

社会が海洋に及ぼす影響およびその海洋に対する依存性の増大に伴って、アクセスが困難であるエリアからの情報に対するニーズが高まっている。水中アクセス用として大型の無人ビークル（ドローン）を利用することができるが、多くの場合、砕波および浅水域のためにビークルの安全性が脅かされる沿岸領域などの困難なエリアにおける大型無人ビークルの使用は、そのサイズおよびコストにより不可能になっている。

したがって、海岸線から数百メートル以内の海洋にアクセスできる海浜において展開可能で、打ち寄せる波を乗り切ることのできる水中ドローンに対するニーズが存在する。

本開示の実施形態の態様は、沿岸環境内における容易で信頼性の高い使用に好適かつ簡便で遠隔操作されるビークルに向けられている。いくつかの実施形態において、このようなビークルは、軽量、電動式、およびプロペラ駆動式であり、岸から遠隔制御により操作され、単純な自動操縦指令を用いて誘導され得る。このビークルは、２つのアクチュエータをビークルの後方に有し、各アクチュエータはモーターおよびプロペラを含み、各々前進または後進推力を生成する能力を有することができる。ビークルは、砕波帯を通して水平方向に航行し水柱を通って海底まで垂直方向に潜水する能力を有し得る。ビークルは、自身の場所および深さを監視することができ、水温などの環境条件を測定することができ、このような測定値は、テレメトリ・システムを用いてオペレータに返信され得る。

本発明の一実施形態によると、水面を有する水域中で使用するためのビークルにおいて、前方端部および後方端部を有し、長手方向軸を画定する船殻と；船殻の前方端部に位置付けされたアンテナを含む通信システムと；船殻の後方端部に位置付けされ推力ベクトルに沿って推力を供給するように構成されたプロペラを各々含む推進システムと；を含むビークルであって、推進システムがいかなる推力も生成しない場合に第１の定常状態位置をとり、該第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角が２０度超となるように；推進システムが第１の大きさの前進推力を生成する場合に第２の定常状態位置をとり、該第２の定常状態位置における長手方向軸の仰角が０度超４０度未満となるように；および推進システムが第２の大きさの後進推力を生成する場合に第３の定常状態位置をとり、該第２の定常状態位置における長手方向軸の仰角が６０度超となるように構成されているビークルが提供されている。

一実施形態において、第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角は、第２の定常状態位置における長手方向軸の仰角よりも大きい。

一実施形態において、第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角は、第２の定常状態位置における長手方向軸の仰角よりも少なくとも１０度大きい。

一実施形態において、第３の定常状態位置における長手方向軸の仰角は、第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角よりも大きい。

一実施形態において、第３の定常状態位置における長手方向軸の仰角は、第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角よりも少なくとも１０度大きい。

一実施形態において、第１の定常状態位置および第２の定常状態位置において、船殻の前方端部は完全に水域の水面の上方にある。

一実施形態において、２つのアクチュエータは、独立して制御可能であるように構成されている。

一実施形態において、ビークルの推進システムは、ビークルの浮力を克服しビークルを完全に水域の水面の下方に移動させるのに充分な後進推力を生成する能力を有する。

一実施形態において、ビークルの推進システムは、完全に水域の水面の下方の初期位置から、ビークルを完全に空気中へと推進するのに充分な前進推力を生成する能力を有する。

一実施形態において、ビークルは、ビークルが完全に水域の水面の下方にある場合；および２つのアクチュエータのうちの第１のアクチュエータが第１の大きさの後進推力を生成し、２つのアクチュエータのうちの第２のアクチュエータが第２の大きさの後進推力を生成し、ここで第１の大きさが第２の大きさよりも大きい場合；実質的に恒常な横揺れ速度で定常状態横揺れ回転を行なう能力を有する。

一実施形態において、横揺れ速度は毎秒２０度超である。

一実施形態において、ビークルは、２つのアクチュエータのうちの第１のアクチュエータが第１の推力を生成し、２つのアクチュエータのうちの第２のアクチュエータが第２の推力を生成し、第１の推力が第２の推力と異なる場合に、実質的に恒常な偏揺れ速度で定常状態偏揺れ回転を行なう能力を有する。

一実施形態において、第１の推力は前進推力であり、第２の推力は後進推力である。

一実施形態において、第１の推力は第１の大きさの前進推力であり、第２の推力は第２の大きさの前進推力であり、第１の大きさは第２の大きさよりも大きい。

一実施形態において、偏揺れ速度は毎秒５度超である。

一実施形態において、アンテナは船殻の外部または内部にあり、ビークルはさらに全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機を含む。

一実施形態において、ビークルの質量中心は、ビークルが第１の定常状態位置、第２の定常状態位置および第３の定常状態位置の各々にある間、同一に位置設定され、ビークルの体積中心は、ビークルが第１の定常状態位置、第２の定常状態位置および第３の定常状態位置の各々にある間、同一に位置設定されている。

一実施形態において、ビークルの体積中心は、船殻の前方端部よりも後方端部に近い。

本発明のこれらのおよび他の特徴および利点は、明細書、クレームおよび添付図面を参考にして、認識され理解されるものである。

本発明の一実施形態に係る、３つの異なる位置にあるビークルおよびオペレータの概略図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの斜視図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの側面図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの上面図である。本発明の一実施形態に係る、第１の定常状態位置にあるビークルの側面図である。本発明の一実施形態に係る、第２の定常状態位置にあるビークルの側面図である。本発明の一実施形態に係る、第３の定常状態位置にあるビークルの側面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、一推力構成を例示するビークルの後方端部の上面図および背面図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの後方端部の分解組立図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの中間部分および前方端部の分解組立図である。本発明の一実施形態に係る、ビークルの前方端部の分解組立図である。本発明の一実施形態に係る、図２Ａの領域１０Ａの拡大図である。本発明の一実施形態に係る、モーターケージが設置された状態の、図１０Ａに示されたビークルの一部分の図である。

添付図面に関連して以下に明記する詳細な説明は、本発明にしたがって提供される水中ドローンの例示的実施形態の説明として意図されたものであり、本発明を構築または利用することのできる唯一の形態を表わすものとして意図されたものではない。この説明は、例示された実施形態に関連して本発明の特徴を明記する。しかしながら、異なる実施形態によっても同じまたは同等の機能および構造を達成することができ、これらの異なる実施形態も同様に、本発明の精神および範囲の中に包含されるように意図されているということを理解しなければならない。本明細書中の他の箇所で示されているように、同様の要素番号は同様の要素または特徴を標示するように意図されている。

図１は、一実施形態におけるビークルの３つの異なる安定した（例えば定常状態）位置を例示している。岸にいるオペレータがテレメトリおよび指令システム、例えば無線制御システムまたは「オペレータ・コンソール」１１０を使用して、砕波帯を通してビークルを駆動し、自動潜水プロファイルを指令する。推力（例えばビークルの後方でプロペラが生成する推力）の大きさおよび方向を変動させることにより、ビークルは３つの異なる安定した定常状態位置を達成することができる。いかなる推力も生成されない場合、ビークルは、本明細書において中立位置と呼ばれている、ビークルが傾斜角で座し、指令およびテレメトリ無線アンテナを水面の上方に保つ第１の位置をとることができる。前進推力が生成された場合、ビークルは、本明細書において駆動位置と呼ばれている、ビークルの向きが水面に沿った前進航行に適合させられる第２の位置へと下に縦揺れ（すなわち前方に縦揺れ）することができる。後進推力が生成された場合、例えば中立位置から出発して、ビークルは、本明細書において潜水位置と呼ばれている、ビークルの長手方向軸が実質的に垂直である第３の位置へと上に縦揺れ（すなわち後方に縦揺れ）することができる。潜水位置では、ビークルは、水柱を通って相当な深さまで尾部を先行させて垂直方向下向きに潜水することができる。テレメトリおよび指令は、ビークルが水没した時点で一時的に利用不可能となり得、したがって、ビークルは、このモードで予めプログラミングされた指令に従い、例えば予めプログラミングされた深さまで潜水し、次に水面まで戻ることができる。

図２Ａを参照すると、一実施形態において、ビークルは、前方端部２１０および後方端部２１５を有する細長い管２０５で形成された船殻を含み、後方端部２１５に位置付けされたプロペラ２２５およびモーター２３０を各々含む２つのアクチュエータ２２０によって制御される。いくつかの実施形態において、プロペラ２２５およびプロペラを旋回させる電動モーター２３０は、唯一の可動部品であり２つのアクチュエータは、３次元（例えば縦揺れ、偏揺れおよび横揺れ）でビークルの向きを制御するように、そして同様に３次元でビークルのロケーションも制御するように構成されている。ビークルは、ビークルの安定性を高めるための浮力フィン（または「発泡材リッジ」）を含んでいてよい。図２Ｂおよび２Ｃは、それぞれビークルの側面図および上面図を示す。各アクチュエータ２２０についての（前進推力のための）推力ベクトルＴが示されており、ベクトルは、傾斜し（図２Ａ）トウアウト（toe out）されている（図２Ｂ）のが見える。いくつかの実施形態において、トウアウトの量は１０度であり、傾斜量は２０度である。

図３Ａ〜３Ｃは、（図３Ａ）推力なし、（図３Ｂ）最大前進推力、および（図３Ｃ）最大後進推力についての、ビークルの３つの安定した位置（すなわち向き）を示す。推力効果の下でのビークルの挙動は、質力中心３３０および浮力中心３２０の場所によって影響される。質量中心３３０（その場所は主として船殻内部のバッテリの場所に左右される場合がある）は、船殻の上面よりも船殻の底面に近くてよく、浮力中心は、船殻の中心線に近くてよい。平均水面レベル３１０が破線で示されている。本明細書中で使用される水域の平均水面レベルとの関係におけるビークルの特性とは、波に起因する無視できる程度の高さ変動を伴って、ビークルが静水中で有する特性を意味する。

アクチュエータにより推力が全く提供されない場合、ビークルの向きは、浮力中心３２０（すなわち水没体積の図心）が質量中心の直上にある位置（中立位置、図３Ａ）をとる。中立位置では、ビークルの長手方向軸（本明細書中では管２０５の中心線であると定義されている）の仰角（または「傾斜角」）は、２０〜７０度であり得、または別の実施形態では２０度超そして９０度であってもよい。

アクチュエータ２２０が、駆動モードと呼ばれるモードで前進推力を生成するように活動化された場合、ビークルは図３Ｂに例示された駆動位置まで移行することができる。アクチュエータが前進推力を生成する場合、推力ベクトルは垂直成分を有することができ、ひとたび前進運動になると、ビークル船殻上の揚力も同様に垂直成分を有することができ、両方の力が水中から外にビークルを持ち上げる傾向をもつ。その結果として、浮力中心は後方にシフトし、水面に対しより平行である定常状態位置（すなわち向き）を結果としてもたらす。中立および駆動位置の両方において、ビークルの船首は水中から外に出ていて、ビークルの船首内にあるアンテナを通した無線またはマイクロ波通信を可能にする。駆動位置においては、ビークルの長手方向軸の仰角は０〜４０度であり得る。

後進方向または後ろ向きの推力が適用された場合、ビークルは、図３Ｃに例示されている駆動位置まで移行し得る。これは、ビークルを水中さらに深くまで引込む垂直成分を有する後進推力の結果として発生し得、これにより今度は、浮力中心が前進方向へとシフトすることになる。浮力中心の前進方向シフトはビークルを回転させ（例えば上に縦揺れさせる）、例えば長手方向軸の仰角が６０度を超える状態で、ほぼ垂直である潜水位置における定常状態の向きに達する。

さまざまな位置における傾斜角は、重力ベクトルに直交する、すなわち波が無い状態の水域の水面と平行な水平平面を基準とすることができる。長手方向軸の仰角は、駆動位置よりも中立位置においてより大きく、中立位置よりも潜水位置においてより大きいものであってよい。

いくつかの実施形態においては、ビークルの後部に並んで配置された２重反転プロペラを旋回させる１対のモーターが、水平方向に駆動されているかまたは垂直方向に潜水している最中のビークルを旋回および捻回（turn and twist）させるために可変的推力および／またはトルクを利用することを可能にしている。

図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃを参照すると、駆動モードにおいて、ビークルは、前進駆動中の操舵のために差動推力制御を使用することができる。プロペラ回転方向（頂部外向き）およびプロペラの間隔取りおよびトウアウトは、２つのプロペラの回転速度を変動させることにより、円滑に調整された旋回を生成することができる（例えば、ビークルは左に旋回する（偏揺れ）するときわずかに左に横揺れすることができ、右に旋回するとき、わずかに右に横揺れし得る）。図４Ａは、両方のプロペラが実質的に同じ速度で旋回している状態で、ビークルが実質的に直線に駆動している構成を示している。図４Ｂは、左のアクチュエータ２２０のプロペラ２２５が右のアクチュエータ２２０のプロペラ２２５よりも高速で旋回し、したがって左のアクチュエータ２２０が右のアクチュエータ２２０よりも多くの推力を生成している状態で、右旋回を行なうための推力構成を示す。図４Ｃは、右のアクチュエータ２２０のプロペラ２２５が左のアクチュエータ２２０のプロペラ２２５よりも高速で旋回している状態で、左旋回を行なうための推力構成を示している。

図５Ａおよび５Ｂは、２つのアクチュエータ２２０が実質的に等しくかつ（トウイン（toe in）に起因する軸ずれの場合を除いて）相対する推力を生成して、水中を通って大きく移動することなくビークルを偏揺れ回転させる、現場制御モード（control-in-place mode）を例示している。図５Ａの推力構成において、右のアクチュエータ２２０は前進推力を生成し、左のアクチュエータ２２０は後進推力を生成し、こうしてビークルは偏揺れで左へ回転するようになっている。図５Ｂの推力構成では、左のアクチュエータ２２０は、前進推力を生成し、右のアクチュエータ２２０は後進推力を生成し、こうして、ビークルは、偏揺れで右へ回転するようになっている。ビークルがこの種のその場操作を行なうことができるようにするため、両方のプロペラ２２５が同じ方向に回転するとき容認できない量の横揺れを示すのを回避するのに充分な横揺れ安定性を（例えば浮力フィン２３５を内含することにより）提供するように、船殻の形状および質量中心を選択することができる。

図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃを参照すると、潜水モードで、ビークルは、実質的に垂直である間、横揺れ（または長手方向軸を中心とする「捻回」）を制御するためにプロペラ２２５の差動回転を用いることができる。図６Ａは、両方のプロペラが実質的に同じ速度で旋回している状態で、ビークルが実質的に真直ぐな垂直線で潜水している構成を示している。図６Ｂは、右のプロペラ２２５が左のプロペラ２２５よりも高速で旋回し、ビークルが時計回りに横揺れできる、すなわち上から見たとき反時計回りである方向に捻回できる、推力構成を示している。図６Ｃは、左のプロペラ２２５が右のプロペラ２２５よりも高速で旋回し、ビークルが反時計回りで横揺れできる、すなわち上から見たとき時計回りである方向に捻回できる、推力構成を示している。このようにして、潜水中、ビークルの横揺れの向きを制御することができる。

いくつかの実施形態において、ビークルは、さまざまな有用な挙動を示す能力を有する。ビークルは、例えばオペレータによって実時間で駆動され得る、すなわち直接制御され得、あるいは、ビークルにコンパス、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機および単純なオートパイロットが備わっている場合には、ビークルは半自動的に駆動可動である。

ビークルが沿岸アクセスビークルとして使用される場合、いくつかの半自動化挙動が有用であり得る。例えば、砕波帯を通って航行している場合、ビークルは、（浮力が少ないことを理由として）通過する波毎に岸に向かって短い距離だけ転動され引きずられる可能性がある。波間の間隔において、オペレータは、接近する波の中でビークルが指向された状態に保つことを望むかもしれないが、ビークルは、砕波によりくり返し飲み込まれ、結果として頻繁に視覚かつ無線による連絡が失なわれる可能性がある。ビークルが砕波帯をより巧妙に横断できるようにするために、ビークルは、所望の船首方位にビークルを自動的に再配向している状態に保つ目的で、搭載コンパスからの向きデータを組み込んだオートパイロットを含むことができる。このオートパイロットは、ビークルが所望の船首方位から９０度以内にある場合には、その現在の推力の大きさで航行を継続し所望の方向への旋回を試みるように構成されていてよい。ビークルの船首方位が指令された船首方位から９０度超だけ異なる場合、オートパイロットは、ビークルの水没を促すよう穏やかな後進推力を適用することができ、こうして砕波はより容易にビークルの上を通過することができる。

自動化制御は同様に、無線連絡が失われる可能性のある潜水時にも有用であり得る。一実施形態において、ビークルは、潜水の指令を受けた時点で、直ちに、最大後進推力を提供して下降を開始するように両方のアクチュエータ２２０をセットする。ビークルがひとたび１メートル以下の深度に達したならば、アクチュエータの推力は、予め割り当てられた調節ルーチンにしたがって、恒常な速度で潜水を行なうかまたは一連の深さにおいて規定された時間休止することができる。一部の状況において、例えばビークルがカメラを担持している場合、搭載されたコンパスからの情報を使用して、潜水中一貫した向きを保持することができる。目標の深さに達した時点で、または何らかの理由で予想された下降進捗が５秒間を超えて停止した場合（例えば、ビークルが海底に当接した場合）、モーター２３０は停止し、ビークルは垂直方向に水面に戻るように受動的に浮動し、中立位置に復帰することができる。ひとたび水面に戻ったならば、ビークルは、潜水中に収集されたデータを転送するための特殊通信モードに入ることができる。

一部の状況においては、ビークルが「ジャンプする」、すなわち船体の全体または大部分を水面の上方に推進することが有用である場合がある。例えば、オペレータが、海洋などのより大きな水域内でビークルを見失う場合がある。ジャンプは、ビークルの後方端部がおおよそ（または約）１メートルの深さに来るまで、まず最大逆転でモーター２３０を動作させることによって実施され得る。ビークルがこの深さまで下降するまでに、ビークルは同様に、以上で説明したように、垂直の向きへと回転させられた状態になり得る。このとき、アクチュエータ２２０を約１秒間、最大前進推力で作動させたならば、ビークルは真直ぐに上へ、可能性としては完全に空中に推進され得る。このシーケンスは、一回だけ指令することもできるし、または、数秒毎に反復するようにセットされてもよい。活動および高度の増加は共に、ビークルをより容易に発見できるようにし、ビークルの前部が水面より上で、通常よりも高いところにある間、無線通信範囲は一時的に増大し得る。

図７は、ビークルの後方端部の分解組立図である。形状に合わせて折り曲げられワイヤ同士の接触部で溶接されたステンレスワイヤで形成され得るモーターケージ７０５（明確さのため図１〜６Ｃからは削除されている）が、２つのアクチュエータを取り囲んでいる。例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）などで形成された押下プレート７１０は、ビークルが運動しているときに縦揺れ安定性を提供するフィンとして作用する。プロペラは、直径４２．５ｍｍのプロペラであってよく、左のプロペラは、左回りピッチを有し、右のプロペラは、右回りピッチを有する。各モーター２３０は、ＢｌｕｅＲｏｂｏｔｉｃｓ（商標）（ｗｗｗ．ｂｌｕｅｒｏｂｏｔｉｃｓ．ｃｏｍ）から入手可能であるＭ１００密閉型ブラシレス直流モーターであってよい。モーター２３０は、後方端部キャップ７２０にしっかり固定されている注型ウレタンで形成されたモーターマウント７１５上に組付けられている。４本のボルト７３０、７４０、７４５が、後方端部キャップ７２０内の貫通孔の中にナット７２５を用いてしっかり固定されている。温度センサーボルト７３０は、ボルト内の軸方向孔を通過するワイヤにより管２０５の内側の回路に接続された保護ケージ７３５内の密閉型温度センサーを含む。圧力センサーボルト７４０（図７では温度センサーボルト７３０によって部分的に見えなくなっている）が同様にして、ボルト内の軸方向孔を通過するワイヤにより管２０５の内側で回路に対し圧力信号を提供する、２つのモーター貫通ボルト７４５は、モーター２３０に電力を提供する管２０５内の駆動回路（電子速度コントローラ）からのモーターワイヤのためのシールを提供する。４本のボルト７３０、７４０、７４５の各々が、後方端部キャップ７２０に対する封止のため、ボルトの頭部の下側の溝内にＯリングを有する。後方端部キャップ７２０は、Ｏリングによって管２０５に対し封止されている。

図８は、ビークルの中央部分および前方端部の分解組立図である。例えばＳｍｏｏｔｈ−Ｏｎ（商標）（ｗｗｗ．ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ．ｃｏｍ）から入手可能であるＴＡＳＫ９（商標）ウレタン注型用樹脂で形成されたテールアンカー８０５が、管２０５上に成形されて、管２０５にしっかり接着され、例えばネジ付き締結具などを用いてモーターマウント７１５をしっかり固定するための特徴部を提供する。７６ワット時の３セルリチウムポリマーバッテリ８１０がシステム用に電力を提供し、例えばＦＲ−４（ガラス繊維強化プラスチック材料である難燃剤４）でできた内部フレーム８１５が、管２０５内の構成要素を支持する。２つの電子速度コントローラ（ＥＳＣ）８２０の各々が、モーター２３０のそれぞれ１つに電力を提供し、このモーターを制御する。９００ＭＨｚの無線機８２５が指令およびテレメトリ接続をオペレータ・コンソールに提供し、２．４ＧＨｚの無線機８３０が、他の類似のビークルと通信する能力を提供している。船首８３５および取っ手８４０は、ＦＥＡＴＨＥＲＬＩＴＥ（商標）が充填された低密度ウレタン成形用樹脂で構成され得、それぞれに、管２０５の前方端部を封止し、オペレータによるビークルの運搬を容易にすることができる。船首８３５は、管２０５にしっかり接着されるように管２０５上に成形されてよく、取っ手８４０は、船首８３５と一体を成していてよい。浮力フィン２３５は、Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎから入手可能なＦＯＡＭ−ＩＴ！（商標）１０ＳＬＯＷ注型適性剛性発泡ウレタン・フォームで構成されていてよい。

主制御盤８３２は、全ての高水準指令、テレメトリ、順序付けおよび制御機能を実施するためのマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含む。主制御盤８３２は同様に、温度センサーボルト７３０、圧力センサーボルト７４０、ＥＳＣ８２０、無線機８２５、８３０およびＧＰＳ受信機９１５および慣性計測ユニット９２０（図９）などの外部回路に接続するためのインターフェース回路をも含む。

図９は、ビークルの前方端部の分解組立図である。無線充電システム９０５が、充電ステーションの外部コイルに対する誘導結合によりビークルのバッテリを再充電することを可能にしている。発光ダイオード（ＬＥＤ）９１０を用いて、オペレータに対し、ビークルの位置および状況を視覚的に信号送りすることができる。全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機９１５および慣性計測ユニット（ＩＭＵ）９２０を、ナビゲーション用に利用することができる。９００ＭＨｚのアンテナ９２５および２．４ＧＨｚのアンテナ９３０が、対応する無線機８２５、８３０のための自由空間への結合を提供する。多様なブラケット９３５および絶縁体９４０が構成要素を共にしっかり固定し、それらを管２０５の内部で支持する。図１０Ａおよび１０Ｂは、モーターケージ７０５を伴わない（図１０Ａ）および伴う（図１０Ｂ）、ビークルの後方端部２１５の拡大図である。

以上のことに照らして、水面上を航行し水面下に潜水する能力を有する単純かつ操作性の高いビークルを、調整可能な前進推力または後進推力を提供する能力を各々有する２つのアクチュエータを伴って、本明細書中に記載されている通りに構築することができる。いくつかの実施形態においては、単一のアクチュエータが、３つの安定した位置において作動する類似の能力を提供することができる。しかしながら、このような実施形態は、ビークルの６つの自由度（３つの向きの自由度と３つの場所の自由度）に対して比較的効果の低い制御しか提供することができない。同様にして、いくつかの実施形態（例えば図２Ａおよび図７など、いくつかの図面の中で例示されている通り）においては、両方のプロペラ２２５が左回りピッチを有する場合もあれば、両方のプロペラが右回りピッチを有する場合もある。

いくつかの実施形態において、主制御盤８３２は処理用回路を含み、例えば主制御盤８３２上のマイクロプロセッサが処理用回路を含むことができる。「処理用回路」なる用語は、本明細書において、データまたはデジタル信号を処理するために用いられるハードウェア、ファームウェアおよびソフトウェアの任意の組合せを含めるように使用されている。処理用回路ハードウェアは、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、汎用または特殊用途の中央処理ユニット（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、グラフィクスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）、およびプログラマブル論理デバイス、例えばフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含み得る。本明細書中で使用されている処理用回路においては、各機能は、その機能を行なうように構成されたすなわち配線で接続されたハードウェアによってか、または非一時的記憶媒体内に記憶された命令を実行するように構成されたＣＰＵなどのより汎用性の高いハードウェアによって行なわれる。処理用回路は、単一のプリント配線板（ＰＷＢ）上で製造されてもよいし、または複数の相互接続されたＰＷＢ上に分散されてもよい。処理用回路は、他の処理用回路を格納することができ、例えば処理用回路は、ＰＷＢ上で相互接続された２つの処理用回路ＦＰＧＡおよびＣＰＵを含むことができる。

「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、本明細書においてさまざまな要素、構成要素、領域、層および／または区分を説明するために使用され得るものの、これらの要素、構成要素、領域、層および／または区分はこれらの用語に限定されるべきではない、ということが理解される。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層または区分を別の要素、構成要素、領域、層または区分と区別するためにのみ使用されている。したがって、以下で論述する第１の要素、構成要素、領域、層または区分を、本発明の概念の精神および範囲から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または区分と呼ぶことができると考えられる。

空間的に相対的な用語、例えば「〜の直下」、「〜の下方」、「下位の」、「〜の下」、「〜の上方」、「上位の」などは、本明細書において、図に例示されている別の要素または特徴に対する１つの要素または特徴の関係を説明するための説明し易さを目的として本明細書において使用され得る。このような空間的に相対的な用語は、図中で描かれた向きに加えて、使用中または作動中のデバイスの異なる向きを包含するように意図されている、ということが理解される。例えば、図中のデバイスが反転した場合には、他の要素または特徴部「〜の下方」または「〜の直下」または「の下」として説明された要素は、これらの他の要素または特徴「の上方」に向けられていることになる。したがって、「〜の下方」および「〜の下」なる例示的用語は、〜の上方および下方の向きを両方共包含することができる。デバイスは、他の形で（例えば９０度回転させられるかまたは他の向きで）配向され得、本明細書中で使用される空間的に相対的な記述子は、相応して解釈されるべきである。

本明細書中で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的をもち、本発明の概念を限定するものとして意図されていない。本明細書中で使用される「実質的に」、「約」および類似の用語は、程度の用語としてではなく、近似の用語として用いられ、当業者によって認知されると考えられる測定値または計算値における固有の偏差を説明するように意図されている。本明細書中で使用されている「主要な構成要素」なる用語は、組成の重量で少なくとも半分を構成する構成要素を意味し、「大部分」なる用語は、複数の品目に適用された場合、それらの品目の少なくとも半分を意味する。

本明細書中で使用されている単数形態「ａ」および「ａｎ」は、文脈から別段の指示が明らかになされているのでないかぎり、複数形態を含むように意図されている。さらに「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」なる用語は、本明細書中で使用されている場合、記載されている特徴、整数、ステップ、作業、要素および／または構成要素の存在を規定するものの、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、作業、要素、構成要素および／またはその群の存在または追加を排除するわけではない、ということが理解される。本明細書中で使用される「および／または」なる用語は、付随する列挙された品目のうちの１つ以上の品目の任意のおよび全ての組合せを含む。「〜の少なくとも１つ」などの表現は、要素のリストがそれに先行している場合、要素リスト全体を修飾し、リストの個別の要素を修飾するわけではない。さらに、本発明の概念の実施形態を説明している場合の「ｍａｙ」の使用は、「本発明の１つ以上の実施形態」を意味する。同様に、「例示的」なる用語は、実施例または例示を意味するように意図されている。本明細書中で使用されている、「ｕｓｅ（使用する）」「ｕｓｉｎｇ（使用する）」、および「ｕｓｅｄ（使用された）」なる用語は、それぞれ「ｕｔｉｌｉｚｅ」、「ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ」および「ｕｔｉｌｉｓｅｄ」なる用語と同義とみなすことができる。

要素または層が、別の要素または層「の上にある」、「に連結されている」、「に結合されている」または「隣接している」ものとして言及されている場合、それは、直接、このもう一方の要素または層の上にあるか、それに連結されているか、結合されているか、または隣接していることができ、または１つ以上の介在する要素または層が存在することもできる。対照的には、要素または層が別の要素または層「の直接上にある」、「それに直接連結されている」、「それに直接連結されている」、「それに直接結合されている」または「それに直接隣接している」場合、介在する要素または層は全く存在しない。

本明細書中に列挙されている任意の数値的範囲は、この列挙された範囲内に組み込まれた同じ数値精度の全ての下位範囲を含むように意図されている。例えば、「１．０〜１０．０」の範囲は、１．０という列挙された最小値と１０．０という列挙された最大値の間（これらの値を含める）の、すなわち例えば２．４〜７．６などの１．０以上の最小値と１０．０以下の最大値を有する全ての下位範囲を含むように意図されている。本明細書中で列挙されたいずれの最大数値限界も、その中に組み込まれた全てのより低い数値限界を含むように意図され、本明細書中に列挙されているいずれの最小数値限界も、その中に組み込まれた全てのより高い数値限界を含むように意図されている。

本明細書中においては、水中ドローンの例示的実施形態が具体的に説明され例示されてきたが、当業者には、多くの修正および変形形態が明らかになる。したがって、本発明の原理にしたがって構築された水中ドローンは、本明細書中で具体的に説明されているもの以外に実施可能であることを理解すべきである。本発明は同様に、以下のクレームおよびその等価物の中でも定義されている。

本発明の一実施形態によると、水面を有する水域中で使用するためのビークルにおいて、前方端部および後方端部を有し、長手方向軸を画定する船殻と；船殻の前方端部に位置付けされたアンテナを含む通信システムと；船殻の後方端部に位置付けされ推力ベクトルに沿って推力を供給するように構成されたプロペラを各々含む推進システムと；を含むビークルであって、推進システムがいかなる推力も生成しない場合に第１の定常状態位置をとり、該第１の定常状態位置における長手方向軸の仰角が２０度超となるように；推進システムが第１の大きさの前進推力を生成する場合に第２の定常状態位置をとり、該第２の定常状態位置における長手方向軸の仰角が０度超４０度未満となるように；および推進システムが第２の大きさの後進推力を生成する場合に第３の定常状態位置をとり、該第３の定常状態位置における長手方向軸の仰角が６０度超となるように構成されているビークルが提供されている。

Claims

水面を有する水域中で使用するためのビークルにおいて、
前方端部および後方端部を有し、長手方向軸を画定する船殻と；
前記船殻の前記前方端部に位置付けされたアンテナを含む通信システムと；
２つのアクチュエータを含み、各アクチュエータが、前記船殻の前記後方端部に位置付けされ推力ベクトルに沿って推力を供給するように構成されたプロペラを含む推進システムと；
を含むビークルであって、
− 前記推進システムがいかなる推力も生成しない場合に第１の定常状態位置をとり、該第１の定常状態位置における前記長手方向軸の仰角が２０度超となるように；
− 前記推進システムが第１の大きさの前進推力を生成する場合に第２の定常状態位置をとり、該第２の定常状態位置における前記長手方向軸の仰角が０度超４０度未満となるように；および
− 前記推進システムが第２の大きさの後進推力を生成する場合に第３の定常状態位置をとり、該第２の定常状態位置における前記長手方向軸の仰角が６０度超となるように；
構成されているビークル。
前記第１の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角が、前記第２の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角よりも大きい、請求項１に記載のビークル。
前記第１の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角が、前記第２の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角よりも少なくとも１０度大きい、請求項２に記載のビークル。
前記第３の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角が、前記第１の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角よりも大きい、請求項１に記載のビークル。
前記第３の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角が、前記第１の定常状態位置における前記長手方向軸の前記仰角よりも少なくとも１０度大きい、請求項４に記載のビークル。
前記第１の定常状態位置および前記第２の定常状態位置において、前記船殻の前記前方端部が完全に前記水域の前記水面の上方にある、請求項１に記載のビークル。
前記２つのアクチュエータが独立して制御可能であるように構成されている、請求項１に記載のビークル。
前記ビークルの前記推進システムが、前記ビークルの浮力を克服し前記ビークルを完全に前記水域の前記水面の下方に移動させるのに充分な後進推力を生成する能力を有する、請求項７に記載のビークル。
前記ビークルの前記推進システムが、完全に前記水域の前記水面の下方の初期位置から前記ビークルを完全に空気中へと推進するのに充分な前進推力を生成する能力を有する、請求項８に記載のビークル。
前記ビークルは、
前記ビークルが完全に前記水域の前記水面の下方にある場合；および
前記２つのアクチュエータのうちの第１のアクチュエータが第１の大きさの後進推力を生成し、前記２つのアクチュエータのうちの第２のアクチュエータが第２の大きさの後進推力を生成し、ここで前記第１の大きさが前記第２の大きさよりも大きい場合；
実質的に恒常な横揺れ速度で定常状態横揺れ回転を行なう能力を有する、請求項８に記載のビークル。
前記横揺れ速度が毎秒２０度超である、請求項１０に記載のビークル。
前記ビークルは、前記２つのアクチュエータのうちの第１のアクチュエータが第１の推力を生成し、前記２つのアクチュエータのうちの第２のアクチュエータが第２の推力を生成し、前記第１の推力が前記第２の推力と異なる場合に、実質的に恒常な偏揺れ速度で定常状態偏揺れ回転を行なう能力を有する、請求項７に記載のビークル。
前記第１の推力が前進推力であり、前記第２の推力が後進推力である、請求項１２に記載のビークル。
前記第１の推力が第１の大きさの前進推力であり、前記第２の推力が第２の大きさの前進推力であり、前記第１の大きさが前記第２の大きさよりも大きい、請求項１２に記載のビークル。
前記偏揺れ速度が毎秒５度超である、請求項１２に記載のビークル。
前記アンテナが前記船殻の外部または内部にあり、前記ビークルがさらに全地球測位システム受信機を含む、請求項１に記載のビークル。
前記ビークルの質量中心は、前記ビークルが前記第１の定常状態位置、前記第２の定常状態位置および前記第３の定常状態位置の各々にある間、同一に位置設定され、
前記ビークルの体積中心は、前記ビークルが前記第１の定常状態位置、前記第２の定常状態位置および前記第３の定常状態位置の各々にある間、同一に位置設定されている、
請求項１に記載のビークル。
前記ビークルの体積中心が、前記船殻の前方端部よりも後方端部に近い、請求項１に記載のビークル。