JP2019166961A - Ｈａｐｓを介した広域水中探査潜水ロボットの自律分散制御 - Google Patents

Abstract

【課題】海などの広域にわたる水中探査を低コストで短時間に行うことができるシステムを提供する。【解決手段】複数のブイと、複数の水中移動体と、複数のブイと無線通信可能な上空滞在型の無線中継装置とを備える。ブイは、水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、上空滞在型の無線中継装置と無線通信する無線通信部とを有する。水中移動体は、ブイに水中ケーブルを介して連結され、自律制御又は外部からの制御により水中を潜水して移動するための駆動部と、水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、水中情報を取得する情報取得部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、海などの水中の魚群などを探査する技術に関するものである。

従来、海などの水面に浮遊するブイで取得された水中の画像やセンサ測定データなどの水中情報を、通信回線を介して収集するシステムが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１１−２９８８８４号公報 特願２００７−２５３８８８号公報

従来のシステムでは、水中情報を取得するブイを移動させるには時間と高額な費用を必要とするため、海などの広域にわたる水中探査を低コストで短時間に行うことができない、という課題がある。

本発明の一態様に係るシステムは、水中探査を行うシステムであって、水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、上空滞在型の無線中継装置と無線通信する無線通信部とを有する複数のブイと、前記複数のブイのそれぞれに前記水中ケーブルを介して連結され、自律制御又は外部からの制御により水中を潜水して移動するための駆動部と、前記水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、水中情報を取得する情報取得部とを有する複数の水中移動体と、前記複数のブイと無線通信可能な上空滞在型の無線中継装置と、を備える。
前記システムにおいて、前記無線中継装置及び前記ブイを介して前記水中移動体と通信することにより前記水中移動体の移動を制御する制御装置を更に備えてもよい。前記制御装置は、地上、船舶又は飛行体に設けられた遠隔制御装置であってもよいし、前記無線中継装置に設けられた遠隔制御装置であってもよいし、前記複数のブイのいずれか一つのブイ又はそのブイに連結された水中移動体に設けられてもよい。
また、前記システムにおいて、前記制御装置は、前記複数のブイの互いに隣接するブイ間の最低距離が所定距離以上になるように前記水中移動体の位置を制御してもよいし、前記水中移動体が探査対象を発見したとき、その探査対象の動きに追従するように前記水中移動体の位置を制御してもよいし、前記水中移動体が探査対象を発見したとき、他の周辺の水中移動体を前記探査対象の発見位置に移動させるように前記周辺の水中移動体の位置を制御してもよい。
また、前記システムにおいて、前記上空滞在型の無線中継装置は、水面に位置している前記複数のブイを俯瞰して撮像する撮像部を備え、前記制御装置は、前記水中移動体の位置の制御に、前記複数のブイを俯瞰して撮像した画像を用いてもよい。
また、前記システムにおいて、前記水中移動体の情報取得部は、光、音波、超音波又は電波を用いて水中を撮像する撮像部を含み、前記水中情報は、水中の画像情報を含んでもよい。
また、前記システムにおいて、前記複数の水中移動体で取得された水中情報に基づいて水中探査の情報処理を行う情報処理装置を更に備えてもよい。
また、前記システムにおいて、前記ブイは、そのブイの周辺における周辺情報を取得する情報取得部を有し、前記情報処理装置は、前記複数の水中移動体で取得された前記複数の水中情報と前記複数のブイで取得された周辺情報とに基づいて水中探査の情報処理を行ってもよい。前記ブイの情報取得部は、そのブイの周辺を撮像する撮像部を含み、前記ブイ周辺情報は、ブイの周辺の画像情報を含んでもよい。前記周辺情報は、前記ブイの位置情報及び前記水中移動体の位置情報の少なくとも一方を含んでもよい。
また、前記システムにおいて、前記水中探査の対象は、水中の魚群、生物、生物礁、宝物、遺失物、遭難者、海底火山、遺跡、資源、環境及び地形の少なくとも一つであってもよい。
また、前記システムにおいて、前記水中移動体はバッテリを備え、前記ブイは発電装置を備え、前記水中ケーブルを介して前記水中移動体に電力を供給して前記バッテリを充電してもよい。前記ブイの発電装置は、波のエネルギーを利用して発電する波力発電装置であってもよい。

本発明によれば、海などの広域にわたる水中探査を低コストで短時間に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るＨＡＰＳを介した広域水中探査システムの全体構成の一例を示す概略構成図。 実施形態に係る広域水中探査システムに用いることができるＨＡＰＳの一例を示す斜視図。 実施形態に係るＨＡＰＳの基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図。 実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査ユニットを構成するブイの基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図。 実施形態に係る水中探査ユニットを構成する潜水ロボットの基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図。 実施形態に係る広域水中探査システムにおけるサーバの基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図。 実施形態に係る広域水中探査システムにおける遠隔制御装置の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図。 実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査及び潜水ロボットの位置制御の一例を示すシーケンス図。 実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査及び潜水ロボットの位置制御の一例を示すフローチャート。 実施形態に係る水中探査ユニットの位置制御の一例を示す説明図。 実施形態に係る水中探査ユニットの位置制御の他の例を示す説明図。 実施形態に係る水中探査ユニットの位置制御の更に他の例を示す説明図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る広域水中探査システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。実施形態の広域水中探査システムは、ＩＣＴ（情報通信技術）やＡＩ（人工知能）技術を利用して、海などの水中の魚群９１、生物、生物礁、遺失物、遭難者、海底火山、遺跡、資源、環境及び地形を探査するシステムであり、例えば、大海原の海中にいる魚群９１などを探し出したり養殖魚の監視・観察を行ったりするスマート漁業システムとしても適用可能である。

図１において、実施形態の広域水中探査システムは、複数の上空滞在型の無線中継装置としてのＨＡＰＳ（「高高度プラットフォーム局」又は「高高度疑似衛星」）１０と、広域の海９０の海面９０ｓに分散配置されＨＡＰＳ１０を介して通信可能な複数の水中探査ユニット（海中探査ユニット）３０とを備える。本実施形態に係るＨＡＰＳ１０を介した広域水中探査システムは、多数の水中探査ユニット（端末装置）３０の同時接続、大容量伝送、低遅延伝送などに対応する第５世代又は第５世代以降の次々世代尾の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。なお、本実施形態では、水中探査ユニットを海面に配置して海中を探査する例について説明するが、川又は湖の水面に水中探査ユニットを配置して川又は湖の水中を探査してもよい。

ＨＡＰＳ１０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。ＨＡＰＳ１０は、自律制御又は外部から制御により広域の海９０の海面９０ｓから１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体又は飛行体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に、無線中継局が搭載されたものである。ＨＡＰＳ１０の位置する空域は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。この空域は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。

ＨＡＰＳ１０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビームを海面９０ｓに向けて形成する。本実施形態における端末装置は、各水中探査ユニット３０のブイ３１０に組み込まれている。端末装置は、海上の上空を飛行する遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローンに組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、海上を飛行する飛行機の中で使用するユーザ装置等の通信端末であってもよい。

ＨＡＰＳ１０の無線中継局はそれぞれ、例えば、地上９５の移動通信網８０のコアネットワークに接続された中継局としてのゲートウェイ（ＧＷ）局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上９５の基地局に接続された中継局としてのフィーダ局（リピーター親機）７０と無線通信するリピーター子機である。ＨＡＰＳ１０の無線中継局はそれぞれ、例えば地上９５に設置されたＧＷ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続される。ＨＡＰＳ１０とＧＷ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。

ＨＡＰＳ１０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や無線中継処理などを自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や無線中継処理などを自律制御してもよい。

また、ＨＡＰＳ１０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継処理などは、移動通信網８０の通信センター等に設けられた管理装置や遠隔制御装置によって制御できるようにしてもよい。

図２は、実施形態の広域水中探査システムに用いることができるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。図２において、ＨＡＰＳ１０は、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳであり、長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の上面には、太陽光発電機能を有する太陽光発電部としての太陽光発電パネル（以下「ソーラーパネル」という。）１０２が設けられている。また、主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラーパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。

また、ＨＡＰＳ１０は、他のＨＡＰＳや人工衛星との通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性のアンテナ装置１３０を備えている。なお、図２の例では主翼部１０１の長手方向の両端部にアンテナ装置１３０を配置しているが、ＨＡＰＳ１０の他の箇所にアンテナ装置１３０を配置してもよい。なお、他のＨＡＰＳや人工衛星との通信に用いられる通信は、光通信でもよいし、マイクロ波などの電波による無線通信などの他の方式による無線通信であってもよい。

図３は、実施形態に係るＨＡＰＳ１０の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図である。図３において、ＨＡＰＳ１０の無線中継局は、アンテナ１１ａを介してＧＷ局７０などと無線通信するフィーダリンク通信部１１と、アンテナ１２ａを介して水中探査ユニット（端末装置）３０と無線通信するサービスリンク通信部１２と、互いに異なるフィーダリンクの周波数とサービスリンクの周波数との間の変換を行う周波数変換部１３と、前述のアンテナ装置１３０を介して周辺の他のＨＡＰＳと無線通信するＨＡＰＳ間通信部１５とを備える。ＨＡＰＳ間通信部１５は、人工衛星との通信に用いることもできる。更に、ＨＡＰＳ１０は、各部を制御する制御部１４と、モータ駆動のプロペラ１０３等を含む飛行駆動部と、ソーラーパネル１０２及びバッテリー１０６等を含む電源部１７とを備える。

ＨＡＰＳ１０は、海面に位置している複数の水中探査ユニット３０のブイ３１０を俯瞰して撮像するカメラなどの撮像部１８を備えてもよい。撮像部１８で撮影した複数のブイ３１０の俯瞰画像は、ブイ３１０間の位置制御に用いることができる。

ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば所定の目標飛行ルートに基づいて円形状に旋回飛行を行ったり「Ｄ」の字飛行を行ったり「８」の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラーパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラーパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。

なお、本実施形態の広域水中探査システムに用いることができるＨＡＰＳは、ペイロードが大きく大容量のバッテリーを搭載することができる無人飛行船タイプのＨＡＰＳであってもよい。このタイプのＨＡＰＳは、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラと、ミッション機器が収容される機器収容部とを備える。機器収容部の内部には、無線中継局とバッテリーとが収容されている。バッテリーから供給される電力により、プロペラのモータが回転駆動され、無線中継局による無線中継処理が実行される。なお、飛行船本体の上面に、太陽光発電機能を有するソーラーパネルを設け、ソーラーパネルで発電された電力をバッテリーに蓄電するようにしてもよい。また、無人飛行船タイプのＨＡＰＳも、他のＨＡＰＳや人工衛星との通信に用いられる通信部としての３次元対応指向性のアンテナ装置を備えてもよい。

また、実施形態の複数のＨＡＰＳ１０は、上空で互いに光通信などによるＨＡＰＳ間通信ができるように構成され、３次元化したネットワークを広域にわたって安定に実現することができるロバスト性に優れた無線通信ネットワークを形成してもよい。この無線通信ネットワークは、各種環境や各種情報に応じたダイナミックルーティングによるアドホックネットワークとして機能することもできる。ＨＡＰＳ１０間の無線通信ネットワークは、２次元又は３次元の各種トポロジーを有するように形成することができ、例えばメッシュ型の無線通信ネットワークであってもよい。

また、本実施形態において、ＨＡＰＳ１０と移動通信網８０のコアネットワークとの間の通信は、ＧＷ局７０及び低軌道の人工衛星を介して行ってもよい。この場合、人工衛星とＧＷ局７０との間の通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。

また、実施形態のＨＡＰＳ１０は、各種情報処理を行う情報処理装置としてのエッジコンピュータを備えてもよい。エッジコンピュータは、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、水中探査ユニット３０で取得された情報に基づく水中探査の情報処理、水中探査ユニット３０の位置制御、ＨＡＰＳ１０の無線中継局１１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行してもよい。

無線中継局１１０を介した水中探査ユニット３０（端末装置）との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、無線中継局１１０を介した端末装置との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ ＭＩＭＯ）技術であってもよい。

以下、水中探査ユニット３０（端末装置）と無線通信する無線中継装置が、無線中継局１１０を有するソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０である場合について説明するが、以下の実施形態は、無線中継局２１０を有する無人飛行船タイプのＨＡＰＳ等の上空を移動可能な他の無線中継装置にも同様に適用できる。

前述の図１に示すように、ＨＡＰＳ１０を介して無線通信することができる複数の水中探査ユニット３０はそれぞれ、海面９０ｓに浮遊した状態で配置される浮遊装置としてのブイ３１０と、ブイ３１０に水中ケーブル３２０を介して連結された水中移動体としての無人潜水ロボット（以下「潜水ロボット」という。）３３０とを備える。ブイ３１０の上端部には、ＨＡＰＳ１０と無線通信するためのアンテナ３１１が設けられ、ブイ３１０の下端部には、水中側と通信するための通信線を含む水中ケーブル３２０が連結されている。

図４は、実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査ユニット３０を構成するブイ３１０の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図である。
図４において、ブイ３１０は、水中ケーブル３２０の信号線３２１を介して潜水ロボット３３０と通信する有線通信部３１２と、ＨＡＰＳ１０と無線通信する無線通信部３１３と、制御部３１４とを有する。制御部３１４は、ブイ３１０内の各部を制御したり、各部で取得された情報・データを処理したり、外部に送信する情報・データを処理したりする。

ブイ３１０は、ＧＰＳ受信部３１５と発電装置３１６とを更に備える。ＧＰＳ受信部３１５は、複数のＧＰＳ衛星からの無線信号を受信してブイ３１０の現在位置の位置情報（例えばブイ３１０が位置する緯度及び経度）を取得する。

発電装置３１６は、例えば、波のエネルギー（例えば波の上下動のエネルギー）を利用して発電する波力発電装置である。発電装置３１６は、太陽光を受けて発電する太陽光発電パネルや、バッテリーを含んでもよい。発電装置３１６で発電された電力は、水中ケーブル３２０の電力線３２２を介して潜水ロボット３３０に供給される。

ブイ３１０は、撮像部３１７、センサ３１８及び投光装置３１９の少なくとも一つを備えてもよい。撮像部３１７は、ブイ３１０の周囲の海上や上空の光景及び周囲に位置する物体（例えば領海侵犯している船舶）の画像を撮影することができる。

センサ３１８は、例えば、ブイの周辺における周辺情報（例えば、気温、気圧、風向、風速などの気象情報、海流の方向及び速度、波の高さ及び周期などの環境情報）、海面に対するブイ自体の相対移動方向（方位）及び速度、ブイ３１０から水中に延びている水中ケーブル３２０の方向（海面に対する水中ケーブル３２０の角度及び方位）並びに撮像部３１７による撮影方向（方位）の少なくとも一つを測定するセンサである。水中ケーブル３２０の方向及び長さにより、ブイ３１０を曳航している潜水ロボット３３０の位置（ブイ３１０に対する相対的な位置）がわかる。センサ３１８は、複数種類のセンサを組み合わせて構成してもよい。

投光装置３１９は、例えば、撮像部３１７で夜間等に周辺を撮影するときにブイ１０の周辺を照らしたり、ＨＡＰＳ１０や周辺の船舶などからブイ３１０が認知されやすくするように光を発したりする。

ブイ３１０は、ＨＡＰＳ１０を介して、海上の船舶（例えば、水中探査ユニット３０の母船）６０に設けられたサーバ６１及び遠隔制御装置６２、地上９５に配置された情報処理装置としてのサーバ８５や遠隔制御装置８６などと通信することができる。また、ＨＡＰＳ１０にエッジコンピュータ等の情報処理装置が組み込まれている場合、ブイ３１０は、ＨＡＰＳ１０内の情報処理装置と通信することもできる。

図５は、実施形態に係る水中探査ユニット３０を構成する潜水ロボット３３０の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図である。
図５において、潜水ロボット３３０は、水中ケーブル３２０を介してブイ３１０に連結され、自律制御又は外部からの制御により水中を潜水して任意の方向に移動するための駆動部３３１と、水中ケーブルを介して通信する有線通信部３３２と、制御部３３３と、とを有する。制御部３３３は、潜水ロボット３３０内の各部を制御したり、各部で取得された情報・データを処理したり、外部に送信する情報・データを処理したりする。

駆動部３３１は、例えば、プロペラ及びそれを駆動するモータなどからなる単一又は複数のスラスターで構成される。駆動部３３１を駆動する電力は、ブイ３１０から水中ケーブル３２０の電力線３２２及び電力供給部３３４を介して供給される。ブイ３１０からの電力供給がない場合は、バッテリー３３５から電力供給部３３４を介して供給される。電力供給部３３４から受けた電力を用いてバッテリー３３５を充電することもできる。

また、潜水ロボット３３０は、各種の水中情報を取得する情報取得部３３６を備えている。情報取得部３３６は、例えば、光、音波、超音波又は電波を用いて、水中情報としての水中画像を撮像する撮像部３３６１である。撮像部３３６１は、潜水ロボット３３０の周囲や海底の光景（例えば、海底火山、遺跡、地形）及び周囲に位置する物体（例えば、魚群、魚礁などの生物礁、遺失物、遭難者、領海侵犯している潜水艦）の画像を撮影することができる。撮像部３３６１が光学的なカメラで水中画像を撮影する場合は、撮影対象のエリアが暗くても撮影できるように投光装置３３７を備えてもよい。情報取得部３３６は、魚群探知機などのソナー３３６２、センサ３３６３などを備えてもよい。

センサ３３６３は、例えば、潜水ロボット３３０の周辺における周辺情報（例えば、水深、水温、水圧、水流の方向及び速度などの環境情報）、潜水ロボット３３０自体の移動方向（方位）及び速度、潜水ロボット３３０からブイ３１０に向かって延びている水中ケーブル３２０の方向（水中ケーブル３２０の角度及び方位）並びに撮像部３３６１による撮影方向（方位）の少なくとも一つを測定するセンサである。センサ３３６３は、複数種類のセンサを組み合わせて構成してもよい。

情報取得部３３６で取得した水中情報は、水中ケーブル３２０を介して海面上のブイ３１０に伝送し、更にブイ３１０からＨＡＰＳ１０を介して陸上のサーバ８５及び遠隔制御装置８６、船舶６０内のサーバ６１及び遠隔制御装置６２に伝送することができる。

図６は、実施形態に係る広域水中探査システムにおけるサーバ８５の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図である。なお、船舶６０のサーバ６１も図６のサーバ８５と同様に構成することができる。また、サーバは、海洋上の飛行する飛行機に設けてもよい。

図６において、サーバ８５は、例えば単一又は複数のコンピュータ装置で構成され、通信部８５１と、データベース部８５２と、データ処理部８５３と、各部を制御する制御部８５４とを備える。通信部８５１は、移動通信網８０、ＧＷ局７０及びＨＡＰＳ１０を介して、海面上に分散配置されている複数の水中探査ユニット３０のブイ３１０と通信する。

データベース部８５２には、水中で探査される可能性がある複数種類の水中探査の対象の候補と、水中情報との関係を示す情報・データを蓄積されている。例えば、データベース部８５２には、水中探査ユニット３０が過去に探査した探査対象の名称、画像データ、画像の種別（光像、ソナー像、・・・）、並びに、その画像を取得した装置（光学カメラ、ソナー、魚群探知機、・・・）、日時、水深、水温、海洋名、ブイの位置情報（緯度、経度）などが互いに関連付けられたデータセットが多数蓄積されている。

水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０で取得された水中情報を受信すると、データ処理部８５３は、その受信した画像などの取得情報と、データベース部８５２に蓄積されている情報・データとに基づいて、画像に含まれている水中探査の対象（例えば特定の魚の魚群）を識別する水中探査の情報処理（画像認識）を行う。この水中探査の情報処理には各種のＡＩ（人工知能）エンジンを用いてもよい。

また、サーバ８５は、水中探査の精度を高めるために、潜水ロボット３３０で取得された水中情報と水中探査の対象の識別結果とに基づいて、上記データセットを追加するようにデータベース部８５２を更新する学習処理を実行してもよい。

図７は、実施形態に係る広域水中探査システムにおける遠隔制御装置８６の基本的な機能の構成要素の一例を示すブロック図である。なお、船舶６０の遠隔制御装置６２も図７の遠隔制御装置８６と同様に構成することができる。また、遠隔制御装置は、海洋上の飛行する飛行機に設けてもよい。

図７において、遠隔制御装置８６は、例えば単一又は複数のコンピュータ装置で構成され、通信部８６１と、データベース部８６２と、制御情報生成部８６３と、各部を制御する制御部８６４とを備える。通信部８６１は、移動通信網８０、ＧＷ局７０及びＨＡＰＳ１０を介して、海面上に分散配置されている複数の水中探査ユニット３０のブイ３１０と通信する。

データベース部８６２には、管理対象の複数の水中探査ユニット３０の情報・データを蓄積されている。例えば、データベース部８６２には、複数の水中探査ユニット３０それぞれの識別情報、水中探査ユニット３０の現在及び過去の位置情報（緯度、経度）及び周辺情報、現在探査中又は過去に探査した探査対象、その探査に用いた水中情報、気象情報などの情報・データが蓄積されている。

水中探査ユニット３０のブイ３１０及び潜水ロボット３３０で取得された取得情報を受信すると、制御情報生成部８６３は、その受信した画像などの取得情報と、データベース部８６２に蓄積されている情報・データとに基づいて、水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０の移動などを制御する制御情報を生成する情報処理を行う。この制御情報の生成の情報処理には各種のＡＩ（人工知能）エンジンを用いてもよい。

また、遠隔制御装置８６は、水中探査ユニット３０の制御の精度を高めるために、各水中探査ユニット３０のブイ３１０及び潜水ロボット３３０で取得された取得情報と、実際に行った水中探査ユニット３０の制御情報とを追加するようにデータベース部８６２を更新する学習処理を実行してもよい。

なお、図６のサーバ８５及び図７の遠隔制御装置８６は単一装置として一体的に構成してもよいし、船舶６０のサーバ６１及び遠隔制御装置６２についても同様に単一装置として一体的に構成してもよい。

図８は、実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査及び潜水ロボットの位置制御の一例を示すシーケンス図である。
図８において、水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０が画像などの水中情報を取得すると（Ｓ１０１）、その取得情報が、ブイ３１０、ＨＡＰＳ１０及びＧＷ局７０を介してサーバ８５及び遠隔制御装置８６に送信される（Ｓ１０２〜Ｓ１０５，Ｓ１０５’）。ブイ３１０及びＨＡＰＳ１０で情報が取得された場合（Ｓ１０１’、Ｓ１０１’’）は、その取得情報もサーバ８５及び遠隔制御装置８６に送信される。

サーバ８５は、水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０等から画像などの取得情報（水中情報）を受信すると、ＡＩを用いた水中探査の対象（例えば特定の魚の魚群）を識別する水中探査の情報処理（画像認識）を行い、その情報処理の結果に基づいて水中探査の対象の識別結果を得る（Ｓ１０６）。その水中探査の対象の識別結果は、例えば、データベース部８５２に登録されている複数種類の水中探査の対象の候補の中から特定された一つ又は複数の対象の候補に近づいているのか否か、又は、複数種類の水中探査の対象の候補のいずれかが在るのか無いのかの判断結果である。そして、受信した水中情報と水中探査の対象の識別結果とをデータベース部８５２に追加して更新する学習処理を実行する（Ｓ１０７）。サーバ８５で得られた水中探査の探査結果は、予め決められた所定の情報配信先（例えば、探査対象が魚群の場合は、その魚群が探査された位置の近傍の出漁漁船）に送信されるととともに（Ｓ１０８）、遠隔制御装置８６に送信される（Ｓ１０９）。

遠隔制御装置８６は、サーバ８５から受信した水中探査の探査結果と、各水中探査ユニット３０の位置情報とに基づいて、各水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０の位置を制御する制御情報を生成する（Ｓ１１０）。この制御情報の生成は前述のようにＡＩを用いてもよく、また、水中探査ユニット３０の取得情報と制御情報とを追加するデータベース部８６２の更新処理（学習処理）を実行してもよい。

遠隔制御装置８６で生成した制御情報は、ＧＷ局７０、ＨＡＰＳ１０及び水中探査ユニット３０のブイ３１０を介して、潜水ロボット３３０に送信される（Ｓ１１１〜Ｓ１１４）。潜水ロボット３３０は、遠隔制御装置８６から受信した制御情報に基づいて、ブイ３１０を曳航しながら所定の位置に移動するように駆動制御する（Ｓ１１５）。

図９は、実施形態に係る広域水中探査システムにおける水中探査及び潜水ロボットの位置制御の一例を示すフローチャートである。また、図１０、図１１及び図１２はそれぞれ、実施形態に係る水中探査ユニットの位置制御の一例を示す説明図である。

図９において、実施形態に係る広域水中探査システムの遠隔制御装置８６は、上記ＡＩを用いた制御処理により、海洋の広域にわたって特定の対象を探査する広域探査モードを実行し、例えば図１０に示すように水中探査ユニット３０を分散配置するように制御する（Ｓ２０１）。この分散配置制御では、例えば互いに隣接するブイ３１０間の最低距離が所定距離（例えばＸｋｍ）以上になるように潜水ロボット３３０の位置を制御する。

図１０の例では、分散配置の管理エリア１００に位置する６台のブイ３１０（１）〜３１０（６）のうち２台のブイ３１０（３）及び３１０（４）の距離が所定のＸｋｍ未満になっているので、ブイ３１０（４）からＸｋｍ以上離れるようにブイ３１０（３）を曳航する潜水ロボット３３０の位置を制御する。

また、他の分散配置の制御では、任意の２台のブイ間の距離がＸｋｍ未満になったとき、次の（１）〜（４）のいずれかアルゴリズムにてブイを曳航する潜水ロボットの位置を制御する。
（１）２台のブイのうち東に位置するブイを東の方向にＸｋｍ以上離れるまで移動させる。
（２）２台のブイのうち西に位置するブイを西の方向にＸｋｍ以上離れるまで移動させる。
（３）２台のブイのうち南に位置するブイを南の方向にＸｋｍ以上離れるまで移動させる。
（４）２台のブイのうち北に位置するブイを北の方向にＸｋｍ以上離れるまで移動させる。

また、図１１の例のように分散配置の管理エリア１００の中央付近に６台のブイ３１０（１）〜３１０（６）が集まっている場合は、センターのブイ３１０（１）から他のブイ３１０（２）〜３１０（６）それぞれが放射状にＸｋｍ以上離れるようにブイ３１０（２）〜３１０（６）の潜水ロボットを制御する。

次に、図９において、サーバ８５は、上記分散配置の複数の水中探査ユニット３０から取得情報を収集し（Ｓ２０２）、各水中探査ユニット３０の取得情報とデータベースとに基づいて目標の対象（例えば魚群、宝物など）について探査処理（ＡＩ認識処理）を実行し（Ｓ２０３）、その対象を発見するとデータベースを更新するＡＩ学習処理を実行する（Ｓ２０４）。

上記対象を発見した後、広域水中探査システムの遠隔制御装置８６は、上記ＡＩを用いた制御処理により、対象を発見した水中探査ユニット３０の近くに周辺の水中探査ユニット３０を集めて対象のより詳細に探査する集中探査モードを実行する（Ｓ２０５）。

例えば図１２に示すように１台の水中探査ユニット３０の潜水ロボット３３０が目的の対象（例えば魚群、宝物など）を発見し、その潜水ロボット３３０に接続されているブイ（以下「発見ブイ」という。）３１０（６）が特定されると、遠隔制御装置８６は、次のＡ〜Ｅのようにブイを動かすように制御する。
Ａ．発見ブイ３１０（６）からの取得情報に基づいて、発見した対象の動きをＡＩ画像認識技術を用いて把握する。
Ｂ．対象が動いていなければ、発見ブイ３１０（６）がその場に留まるように制御する。
Ｃ．対象が動いていれば、その対象の動きに沿って発見ブイ３１０（６）が移動するように制御する。
Ｄ．発見ブイ３１０（６）の近くに位置する近傍ブイ３１０（１），３１０（５）を発見ブイ３１０（６）に近づけるように制御する。
Ｅ．近傍ブイ３１０（１），３１０（５）が目的の対象を検知すると、その後は、近傍ブイ３１０（１），３１０（５）も発見ブイとする。

図９において、上記水中探査ユニット３０の集中配置の後、サーバ８５は、発見した対象の近くに集中配置された水中探査ユニット３０から取得情報を収集し（Ｓ２０６）、発見した対象を詳細に分析して集中的に検知・監視する集中探査処理を行い、その結果に基づいてデータベースを更新するＡＩ学習を実行する（Ｓ２０７）。

以上、本実施形態によれば、海洋の広域にわたって複数の水中探査ユニット３０を配置し、その複数の水中探査ユニット３０で取得された取得情報を、地上や船舶（母船）のサーバ８５，６１で収集して処理することができる。これにより、地上や船舶にいながら、海洋の広域において海上、海中、海底の目標の対象を精度よく探査できる。
特に、本実施形態によれば、水中探査ユニット３０からの取得情報を、大容量伝送が可能なＨＡＰＳ１０を介して無線通信を介して収集できるため、比較的データサイズが大きな画像データを収集して探査の精度を高めることができる。また、ＨＡＰＳ１０を介した無線通信は低遅延のデータ伝送が可能であるため、海洋の広域にわたる探査をリアルタイムに行うことができる。
また、本実施形態によれば、水中探査ユニット３０のブイ３１０を、地上や船舶（母船）の遠隔制御装置８６，６２で位置制御される潜水ロボット３３０で曳航できるため、海などの広域にわたる水中探査を低コストで短時間に行うことができる。また、大容量伝送が可能なＨＡＰＳ１０を介して取得した画像データに基づいて水中探査ユニット３０を精度よく制御できるとともに、ＨＡＰＳ１０を介した無線通信は低遅延のデータ伝送が可能であるため、海洋の広域における水中探査ユニット３０のリアルタイム制御が可能になる。
また、本実施形態によれば、水中探査ユニット３０のブイ３１０は、波力発電装置などの発電装置を備え、そのブイ３１０に接続された潜水ロボット３３０に電力したり潜水ロボット３３０のバッテリーを充電できるため、海洋の広域にわたる探査及びそれに用いる水中探査ユニット３０の制御を長期間（例えば、２４時間、３６５日）にわたって実行することができる。

なお、本明細書で説明された処理工程並びに水中探査ユニットのブイ及び潜水ロボット、サーバ、遠隔制御装置、無線中継装置、通信システム、ＧＷ局、基地局及び端末装置（ユーザ装置、移動局、移動機）の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。例えば、本実施形態の基地局等の無線装置における制御・処理は、後述のハードウェアに所定のプログラムが読み込まれて実行されたり、後述のハードウェアに予め組み込まれた所定のプログラムが実行されたりすることにより、実現される。

ハードウェア実装については、実体（例えば、コンピュータ装置、各種無線通信装置、ＮｏｄｅＢ、端末、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

１０：ブイ
１１：フィーダリンク通信部
１１ａ：アンテナ
１２：サービスリンク通信部
１２ａ：アンテナ
１３：周波数変換部
１４：制御部
１７：電源部
１８：撮像部
３０：水中探査ユニット
６０：船舶
６１：サーバ
６２：遠隔制御装置
７０：ＧＷ局
８０：移動通信網
８５：サーバ
８６：遠隔制御装置
９０：海
９０ｓ：海面
９１：魚群
９５：地上
１１０：無線中継局
３１０：ブイ
３１１：アンテナ
３１２：有線通信部
３１３：無線通信部
３１４：制御部
３１５：ＧＰＳ受信部
３１６：発電装置
３１７：撮像部
３１８：センサ
３１９：投光装置
３２０：水中ケーブル
３２１：信号線
３２２：電力線
３３０：潜水ロボット
３３１：駆動部
３３２：有線通信部
３３３：制御部
３３４：電力供給部
３３５：バッテリー
３３６：情報取得部
３３７：投光装置
８５１：通信部
８５２：データベース部
８５３：データ処理部
８５４：制御部
８６１：通信部
８６２：データベース部
８６３：制御情報生成部
８６４：制御部
３３６１：撮像部
３３６２：ソナー
３３６３：センサ

Claims (17)

1. 水中探査を行うシステムであって、
   水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、上空滞在型の無線中継装置と無線通信する無線通信部とを有する複数のブイと、
   前記複数のブイのそれぞれに前記水中ケーブルを介して連結され、自律制御又は外部からの制御により水中を潜水して移動するための駆動部と、前記水中ケーブルを介して通信する有線通信部と、水中情報を取得する情報取得部とを有する複数の水中移動体と、
   前記複数のブイと無線通信可能な上空滞在型の無線中継装置と、を備えることを特徴とするシステム。
2. 請求項１のシステムにおいて、
   前記ブイを介して前記水中移動体と通信することにより前記水中移動体の位置を制御する制御装置を更に備えることを特徴とするシステム。
3. 請求項２のシステムにおいて、
   前記制御装置は、地上、船舶又は飛行体に設けられた遠隔制御装置であることを特徴とするシステム。
4. 請求項２のシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記無線中継装置に設けられた遠隔制御装置であることを特徴とするシステム。
5. 請求項２のシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記複数のブイのいずれか一つのブイ又はそのブイに連結された水中移動体に設けられていることを特徴とするシステム。
6. 請求項２乃至５のいずれかのシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記複数のブイの互いに隣接するブイ間の最低距離が所定距離以上になるように前記水中移動体の位置を制御することを特徴とするシステム。
7. 請求項２乃至５のいずれかのシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記水中移動体が探査対象を発見したとき、その探査対象の動きに追従するように前記水中移動体の位置を制御することを特徴とするシステム。
8. 請求項２乃至５のいずれかのシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記水中移動体が探査対象を発見したとき、他の周辺の水中移動体を前記探査対象の発見位置に移動させるように前記周辺の水中移動体の位置を制御することを特徴とするシステム。
9. 請求項２乃至８のいずれかのシステムにおいて、
   前記上空滞在型の無線中継装置は、水面に位置している前記複数のブイを俯瞰して撮像する撮像部を備え、
   前記制御装置は、前記水中移動体の位置の制御に、前記複数のブイを俯瞰して撮像した画像を用いることを特徴とするシステム。
10. 請求項１乃至９のいずれかのシステムにおいて、
    前記水中移動体の情報取得部は、光、音波、超音波又は電波を用いて水中を撮像する撮像部を含み、
    前記水中情報は、水中の画像情報を含むことを特徴とするシステム。
11. 請求項１乃至１０のいずれかのシステムにおいて、
    前記複数の水中移動体で取得された水中情報に基づいて水中探査の情報処理を行う情報処理装置を更に備えることを特徴とするシステム。
12. 請求項１１のシステムにおいて、
    前記ブイは、そのブイの周辺における周辺情報を取得する情報取得部を有し、
    前記情報処理装置は、前記複数の水中移動体で取得された前記複数の水中情報と前記複数のブイで取得された周辺情報とに基づいて水中探査の情報処理を行うことを特徴とするシステム。
13. 請求項１２のシステムにおいて、
    前記ブイの情報取得部は、そのブイの周辺を撮像する撮像部を含み、
    前記周辺情報は、前記ブイの周辺の画像情報を含むことを特徴とするシステム。
14. 請求項１２又は１３のシステムにおいて、
    前記周辺情報は、前記ブイの位置情報及び前記水中移動体の位置情報の少なくとも一方を含むことを特徴とするシステム。
15. 請求項１乃至１４のいずれかのシステムにおいて、
    前記水中探査の対象は、水中の魚群、生物、生物礁、宝物、遺失物、遭難者、海底火山、遺跡、資源、環境及び地形の少なくとも一つであることを特徴とするシステム。
16. 請求項１乃至１５のいずれかのシステムにおいて、
    前記水中移動体はバッテリを備え、
    前記ブイは発電装置を備え、前記水中ケーブルを介して前記水中移動体に電力を供給して前記バッテリを充電することを特徴とするシステム。
17. 請求項１６のシステムにおいて、
    前記ブイの発電装置は、波のエネルギーを利用して発電する波力発電装置であることを特徴とするシステム。

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