JP2019011011A - 無人船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】制御に対する応答が速く、駆動系統への負荷が小さく、さらに、容易に進行方向を制御することができる無人船舶を提供すること。【解決手段】無人船舶１は、推力発生手段及び揚力発生手段を有する水中部（１０、２０ａ）と、水中部（１０、２０ａ）と連結部２０ｂによって連結される空中部３０と、を有し、空中部３０は、気流を利用して、連結部２０ｂを傾けるための傾斜発生手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無人船舶に関する。

従来、キールフィン（マストまたはストラットと呼ばれることもある。）、連結棒（胴体）、前翼および後翼（以下、総称して「水中翼」という。）を備えるハイドロフォイルが知られている（例えば、特許文献１）。キールフィンの上部には、例えば、板状部材を略水平に配置して、人が乗ることができる。連結棒（胴体）及び水中翼は、水中に位置し、水中スクリューなどの動力によってハイドロフォイルが前進し、水中翼によって揚力を生じるようになっている。ハイドロフォイルの進行方向を変えるためには、例えば、ハイドロフォイルの重心を左右にずらすことで、水中翼によって生じる揚力の方向を制御する、あるいは、水中翼や梶を動かす。

特許特開５９８４９７６号公報

ところで、ハイドロフォイルを無人船舶として構成する場合には、重心をずらす制御は煩雑である。また、水中翼や梶を動かす制御は、制御に対する応答が遅く、また、水中であるために駆動系統への負荷が大きいという問題がある。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、制御に対する応答が速く、駆動系統への負荷が小さく、さらに、簡易に進行方向を制御することができる無人船舶を提供することを目的とする。

第一の発明は、推力発生手段及び揚力発生手段を有する水中部と、前記水中部と連結部によって連結される空中部と、を有し、前記空中部は、気流を利用して、前記連結部を傾けるための傾斜発生手段を備える、無人船舶である。

第一の発明の構成によれば、無人船舶は、空中部に配置された傾斜発生手段によって、連結部を傾斜させることができる。傾斜発生手段は空中部に配置されているから、水の抵抗を受けない。このため、制御に対する応答が速く、駆動系統への負荷が小さい。また、連結部を傾斜させることで、連結部に連結されている水中部が傾斜し、揚力の方向が変わり、進行方向が変わる。このため、簡易に進行方向を制御することができる。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記傾斜発生手段は、前記空中部の左側及び右側に配置される一対のエレボン部から構成されており、各前記エレボン部の傾きを制御することによって、前記連結部の傾きを制御するように構成されている、無人船舶である。

第三の発明は、第一の発明または第二の発明の構成において、前記推力発生手段は、水中スクリューで構成されており、前記揚力発生手段は、胴体部に接続される前翼と後翼で構成されている、無人船舶である。

第四の発明は、第二の発明の構成において、出発位置から目標位置に至る予定経路を示す情報と、実際の経路が前記予定経路から外れた場合に、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶の実際の経路を前記予定経路に戻すための修正手段と、を有する無人船舶である。

第五の発明は、第二の発明の構成において、前記連結部は、水中に位置することが予定された水中連結部と、空中に位置することが予定された空中連結部を有し、前記空中連結部と前記水中連結部の境界近傍の位置に、前記空中連結部及び前記水中連結部のそれぞれに、外部の圧力を計測するための圧力計測手段が配置されており、前記空中連結部に配置された前記圧力計測手段が、所定時間、大気圧よりも大きい圧力を計測した場合には、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶を上昇させ、前記水中連結部に配置された前記圧力計測手段が、所定時間、水中の圧力よりも小さい圧力を計測した場合には、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶を下降させる水深維持手段を有する、無人船舶である。

第六の発明は、第二の発明の構成において、前記水中部には、水中の圧力を計測する水中圧力計測手段が配置され、前記空中部には、気圧を計測する気圧計測手段が配置され、 前記水中の圧力と前記気圧に基づいて、前記水中部の水深を計測する水深計測手段を有し、前記水深計測手段によって計測した水深に基づいて、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記水中部の水深を調整する水深調整手段を有する、無人船舶である。

本発明によれば、制御に対する応答が速く、駆動系統への負荷が小さく、さらに、簡易に進行態様を制御することができる無人船舶を提供することができる。

本発明の第一の実施形態における無人船舶を示す概略図である。 無人船舶の概略背面図である。 無人船舶の機能ブロックを示す図である。 無人船舶の移動方向の変更方法を示す図である。 無人船舶の移動方向の変更方法を示す図である。 無人船舶の移動方向の変更方法を示す図である。 無人船舶の移動方向の変更方法を示す図である。 無人船舶が経路を修正しつつ、移動する様子を示す概念図である。 本発明の第二の実施形態における無人船舶を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１及び図２に示すように、本実施形態の無人船舶１は、水中部材１０と空中部材３０を有する。水中部材１０と空中部材３０は連結部材２０で連結されている。連結部材２０を下方部２０ａと上方部２０ｂに区別する。下方部２０ａは、無人船舶１の航行中において、水中に位置することが予定されている。上方部２０ｂは、無人船舶１の航行中において、空中に位置することが予定されている。下方部２０ａには、上方部２０ｂとの境界近傍に、水圧センサー２２が配置されている。上方部２０ｂには、下方部２０ａとの境界近傍に、気圧センサー２４が配置されている。水圧センサー２２は、例えば、ダイヤフラム式のセンサーである。気圧センサー２４は、防水タイプのセンサーであり、水中でも作動する。下方部２０ａは水中連結部の一例であり、上方部２０ｂは空中連結部の一例である。水圧センサー２２及び気圧センサー２４は、圧力計測手段の一例である。水中部材１０及び下方部２０ａは水中部の一例である。空中部材３０は空中部の一例であり、連結部材２０の上方部２０ｂは連結部の一例である。

連結部材２０の下方部２０ａには、筒状部材１６内に配置された水中スクリュー１８が配置されている。水中スクリュー１８は推力発生手段の一例である。

水中部材１０は、胴体部１１と、胴体部１１に接続される前翼１２及び後翼１４で構成されている。前翼１２及び後翼１４は揚力発生手段の一例である。水中部材１０は、いわゆる、フォイルボート（Ｆｏｉｌ Ｂｏａｔ）の構成と同様である。

空中部材３０は、無尾翼機の形状に構成されており、筐体３１を有する。筐体３１には、無人船舶１の各部を制御するコンピュータ、自律航行装置、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）または／及び準天頂衛星を利用した測位装置、慣性センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体３１には、カメラなどの画像取得手段や、各種センサー（図示せず）が配置される。

筐体３１には、翼部３２が配置されている。翼部３２の後方端部の左側及び右側には、一対のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒが配置されている。エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒは、傾斜発生手段の一例である。エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒは、気流を利用して、連結部材２０を傾けるため構成である。連結部材２０を傾ける方向は、進行方向と直交する方向（左右方向）及び、進行方向の前方及び後方（前後方向）である。エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを制御することによって、連結部材２０の傾きを制御するように構成されている。

本明細書において、連結部材２０を基準として、前翼１２が位置する方向を前方と呼び、後翼１４が位置する方向を後方、エレボン部３４Ｌが位置する方向を左、エレボン部３４Ｒが位置する方向と右と呼ぶ。

図１に示すように、無人船舶１がスクリュー１８によって矢印Ｒ１方向の推力を得ると、前翼１２及び後翼１４によって、矢印Ｒ１方向と垂直方向（矢印Ｕ１方向）の揚力が発生するように構成されている。

図３は、無人船舶１の機能構成を示す図である。無人船舶１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔＲａｌ ＰＲｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５０、記憶部５２、無線通信部５４、衛星測位部５６、慣性センサー部５８、気圧センサー部６０、水圧センサー部６２、スクリュー制御部６４、エレボン制御部６６、画像処理部６８、及び、電源部７０を有する。

無人船舶１は、無線通信部５４によって、基地局（図示せず）と通信可能になっている。無人船舶１は、無線通信部５４によって、基地局から、発進等の指示を受信する。

無人船舶１は、衛星測位部５６と慣性センサー部５８によって、無人船舶１自体の位置を測定することができる。衛星測位部５６は、基本的に、３つ以上の衛星からの電波を受信して無人船舶１の位置を計測する。衛星は、例えば、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星や準天頂衛星である。

無人船舶１は、気圧センサー部６０によって、気圧センサー２４を制御し、気圧データを取得する。無人船舶１は、水圧センサー部６２によって、水圧センサー２２を制御し、水圧データを取得する。無人船舶１は、スクリュー制御部６４によって、スクリュー１８の回転を制御する。無人船舶１は、エレボン制御部６６によって、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きをそれぞれ制御する。無人船舶１は、画像処理部６８によって、カメラを制御し、画像データを取得する。

記憶部５２には、出発位置から目標位置に至る予定経路を示す情報等の自律航行に必要な各種データ及びプログラム、航行予定領域周辺の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、経路を修正するための経路修正プログラム、及び、水中部材１０の水深を維持するための水深維持プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と経路修正プログラムは、修正手段の一例である。ＣＰＵ５０と水深維持プログラムは、水深維持手段の一例である。

無人船舶１は、経路修正プログラムによって、実際の経路が予定経路から外れた場合に、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを制御して、無人船舶１の実際の経路を予定経路に戻すようになっている。無人機１は、上述の衛星測位部５６と慣性センサー部５８によって、現在位置を測位し、現在位置が予定経路上か否かを判断する。

無人船舶１は、水深維持プログラムによって、気圧センサー２４が、所定時間、大気圧よりも大きい圧力を計測した場合には、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを制御して、無人船舶１を上昇させる。また、無人船舶１は、水圧センサー２２が、所定時間、水中の圧力よりも小さい圧力を計測した場合には、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを制御して、無人船舶１を下降させる。所定時間は、例えば、５秒（ｓ）である。気圧センサー２４は、継続的に大気圧を測定しており、無人船舶１は、気圧センサー２４が検出した圧力が、直前までの大気圧よりも大きな圧力であるか否かを判断することができる。気圧センサー２４が検出した圧力が直前までの大気圧よりも大きいことは、気圧センサー２４が水面下に位置し、大気圧と水の圧力の合計の圧力を検知していることを意味する。また、水圧センサー２２は、継続的に水面下の圧力を測定しており、無人船舶１は、水圧センサー２２が検出した圧力が、直前までの水面下の圧力よりも小さな圧力であるか否かを判断することができる。水圧センサー２２が検出した圧力が直前までの水面下の圧力よりも小さいことは、水圧センサー２２が水面上に位置し、大気圧だけを検知していることを意味する。無人船舶１は、水深維持プログラムにより、水中部材１０の水深を維持することができる。

図４乃至図６を使用して、無人船舶１が進行方向を変更する方法を説明する。まず、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの構成の詳細を説明する。図４（ａ）は、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの翼型、すなわち、前方から後方に向かう方向の断面形状である。図４（ａ）に示すように、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒは、上面３４ａ、下面３４ｂ、先端部３４ｃ、後端部３４ｄ、及び、回動軸３４ｅを有する。仮想直線Ｌ１は、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの翼弦を示す。エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒは、回動軸３４ｅを回動軸として、矢印Ｙ１及びＹ２方向に回動可能になっている。

図４（ａ）に示すように、左右のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きが同一の場合には、図４（ｂ）に示すように、前翼１２及び後翼１４によって、矢印Ｕ１方向（鉛直方向）の揚力が発生し、矢印Ｒ１に示すように、無人船舶１は直進する。図４のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを「水平状態」と呼ぶ。

図５（ａ）に示すように、左側のエレボン部３４Ｌが上向きに角度θ１だけ傾斜し、右側のエレボン部３４Ｒが水平状態を維持すると、図５（ｂ）に示すように、連結部材２０は無人船舶１の後方から視て左方向に傾斜し、揚力が矢印Ｕ２方向（左上方向）に変化し、矢印Ｒ２に示すように、無人船舶１は左に進行方向を変える。

図６（ａ）に示すように、左側のエレボン部３４Ｌが上向きに角度θ１だけ傾斜し、右側のエレボン部３４Ｒが下向きに角度θ１だけ傾斜すると、連結部材２０は、図５（ｂ）に示す傾きよりも大きく左方向に傾斜し、揚力が矢印Ｕ３方向（左上方向）に変化し、矢印Ｒ３に示すように、無人船舶１は図５（ｂ）に示す進行方向の変更よりも大きく左に進行方向を変える。

無人船舶１が右方向に進行方向を変更する場合には、左右のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを図５及び図６において説明したのとは逆にすればよい。図５や図６の場合において、角度θ１を小さくするほど、ゆっくりと、かつ、ゆるやかに（大きな平均曲率半径で）進路変更する。逆に、角度θ１を大きくするほど、迅速に、かつ、鋭角的に（小さな平均曲率半径で）進路変更する。図５や図６において、例えば、角度θ１を、はじめは小さくしておいて、徐々に大きくすることで、最初から角度θ１を大きくするよりも、円滑に進路変更を行うことができる。

図７（ｂ）は、無人船舶１を右側から視た側面図である。図７（ａ）に示すように、左右のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きが共に上向きに角度θ１だけ傾斜すると、連結部材２０は、図７（ｂ）に示すように、後方に傾斜し、揚力が矢印Ｕ５方向（斜め後方）に変化し、矢印Ｒ５に示すように、無人船舶１は左右方向においては直進するが、斜め上方に向かう。

無人船舶１が直進しつつ、斜め下方に向かうためには、左右のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを共に下向きに角度θ１だけ傾斜させればよい。これにより、連結部材２０が海面１００から突出している高さＨ１を調整することができる。すなわち、水中部材１０の水深を維持することもできる。

上述のエレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒは、無人船舶１が航行するときに空中に位置する空中部材３０に配置されているから、水の抵抗を受けない。このため、制御に対する応答が速く、また、駆動系統への負荷が小さい。また、連結部材２０を傾斜させることで、連結部材２０に連結されている水中部材１０が傾斜し、揚力の方向が変わり、進行方向が変わる。このため、容易に進行方向を制御することができる。

図８（ａ）に示すように、水面１００において、出発位置Ｓと目標位置Ｇを仮定する。無人船舶１は、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒを制御することで、進行方向を随時調整し、出発点Ｓから最短距離に近い経路Ｒ１０を通過して、到着点Ｇに至ることができる。出発位置Ｓと目標位置Ｇを結ぶ直線の経路が最短経路（予定経路）であり、最も好ましいのであるが、例えば、海上の場合、無人船舶１は、波や水流、風の影響を頻繁に受け、最短経路から外れる方向の力を受ける。これに対して、無人船舶１は、筐体３１に格納されたＧＰＳを利用した測位装置や慣性センサー（ジャイロセンサー）からの出力によって、予定経路から外れたと判断した場合には、その都度、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒを制御して、無人船舶１が最短経路に戻るように進行方向を制御する。

また、図８（ｂ）に示すように、無人船舶１は、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒを制御することで、水中部材１０の水深を一定に維持し、水中部材１０が一定の水深の経路Ｒ１１を通過するように制御しつつ、出発位置Ｓから目標位置Ｇに至ることができる。例えば、無人船舶１が水面１００から一定の高さにおける気体のデータを収集する場合には、水中部材１０の水深の維持は有益である。あるいは、空中部材３０に搭載する測定装置の重量によっては、常に上方へ向かうようにしたり、常に下方へ向かうようにすることで、水中部材１０の水深を維持することができる。

＜第二の実施形態＞
図９を参照して、第二の実施形態の無人船舶１Ａについて説明する。第一の実施形態と共通する事項については説明を省略し、異なる事項についてのみ説明する。

図９に示すように、無人船舶１Ａにおいて、水中部材１０の胴体部１１に水圧センサー２６が配置されている。そして、空中部材３０の筐体３１に気圧センサー２８が配置されている。水圧センサー２６は、水中の圧力を計測するための構成であり、水中圧力計測手段の一例である。気圧センサー２８は、気圧を計測するための構成であり、気圧計測手段の一例である。水圧センサー２６は、例えば、ダイヤフラム式のセンサーである。気圧センサー２８は、例えば、静電容量型のセンサー素子を使用したセンサーである。

記憶部５２（図３参照）には、水深計測プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と水深計測プログラムは、水深計測手段の一例である。無人船舶１Ａは、水圧センサー２６によって、水中の圧力Ｐ１を計測し、気圧センサー２８によって、気圧Ｐ２を計測する。そして、無人船舶１Ａは、水中の圧力Ｐ１から気圧Ｐ２を差し引いて、気圧の影響を排除した水圧Ｐ３を算出する。水深計測プログラムは、水圧Ｐ３と水深の関係を示すデータを含む。なお、水圧Ｐ３と水深は比例し、水圧Ｐ３と水深の関係を示すデータは公知である。これにより、無人船舶１Ａは、水中部材１０（正確には、水圧センサー２６）の位置の水深を算出することができる。

記憶部５２（図３参照）には、水深調整プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と水深調整プログラムは、水深調整手段の一例である。無人船舶１Ａは、水深計測プログラムによって算出した水中部材１０の水深が、予定した水深と乖離している場合には、エレボン部３４Ｌ及びエレボン部３４Ｒの傾きを制御して、水中部材１０の水深を調整する。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

１，１Ａ 無人船舶
１０ 水中部材
２０ 連結部材
２２，２６ 水圧センサー
２４，２８ 気圧センサー
３０ 空中部材
３４Ｌ，３４Ｒ エレボン部

Claims (6)

1. 推力発生手段及び揚力発生手段を有する水中部と、
   前記水中部と連結部によって連結される空中部と、
   を有し、
   前記空中部は、気流を利用して、前記連結部を傾けるための傾斜発生手段を備える、
   無人船舶。
2. 前記傾斜発生手段は、前記空中部の左側及び右側に配置される一対のエレボン部から構成されており、
   各前記エレボン部の傾きを制御することによって、前記連結部の傾きを制御するように構成されている、
   請求項１に記載の無人船舶。
3. 前記推力発生手段は、水中スクリューで構成されており、
   前記揚力発生手段は、胴体部に接続される前翼と後翼で構成されている、
   請求項１または請求項２に記載の無人船舶。
4. 出発位置から目標位置に至る予定経路を示す情報と、
   実際の経路が前記予定経路から外れた場合に、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶の実際の経路を前記予定経路に戻すための修正手段と、
   を有する請求項２に記載の無人船舶。
5. 前記連結部は、水中に位置することが予定された水中連結部と、空中に位置することが予定された空中連結部を有し、
   前記空中連結部と前記水中連結部の境界近傍の位置に、前記空中連結部及び前記水中連結部のそれぞれに、外部の圧力を計測するための圧力計測手段が配置されており、
   前記空中連結部に配置された前記圧力計測手段が、所定時間、大気圧よりも大きい圧力を計測した場合には、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶を上昇させ、前記水中連結部に配置された前記圧力計測手段が、所定時間、水中の圧力よりも小さい圧力を計測した場合には、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記無人船舶を下降させる水深維持手段を有する、
   請求項２に記載の無人船舶。
6. 前記水中部には、水中の圧力を計測する水中圧力計測手段が配置され、
   前記空中部には、気圧を計測する気圧計測手段が配置され、
   前記水中の圧力と前記気圧に基づいて、前記水中部の水深を計測する水深計測手段を有し、
   前記水深計測手段によって計測した水深に基づいて、各前記エレボン部の傾きを制御して、前記水中部の水深を調整する水深調整手段を有する、
   請求項２に記載の無人船舶。