JP2022144860A - 無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】無人水中航走体の位置特定を容易にすることが可能な無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法を提供する。【解決手段】捜索システム1は、無人航空機10と、無人航空機10に設けられる撮影装置30と、無人水中航走体3のウェイポイントデータに基づいて、無人水中航走体3の予定到着点4及び予定到着点4に対する位置誤差の最大値を算出し、予定到着点4を中心とし位置誤差の最大値を半径とする捜索エリア5が撮影装置30によって撮影可能な位置を無人航空機10に設定し、撮影装置30による捜索エリア5の撮影によって取得された画像から無人水中航走体3を検出し、無人水中航走体3の検出を通知する制御部18とを備える。【選択図】図5
Description
本開示は無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法に関する。
水上又は水中を航行する無人機は、無人水中航走体(UUV: Unmanned Underwater Vehicle)等と称され、探査、調査、測量、撮影等の目的で使用されている。無人水中航走体は更に、自律型無人水中航走体(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)と、遠隔操作型無人水中航走体(ROV: Remotely Operated Vehicle)に分類される。以下、説明の便宜上、無人水中航走体をUUVと称する。
特許文献1は、UUVとUUVの位置情報の発信手段とを備える水中探査ユニットを、当該位置情報に基づいて操縦された無人航空機によって回収する水中探査システムを開示している。
母船がUUVを回収する場合、母船とUUVの間の不測の衝突を避ける必要がある。そのため、UUVは母船から数十m~数百m離れた場所で減速又は停止する。つまり、回収作業を始めるため、回収作業者はUUVから数十m~数百m離れた場所でUUVの位置を確認する必要がある。この位置確認は目視で行われる一方、減速又は停止したUUVは、風、波または水流等の影響で流されやすいため、捜索が難航しやすい。
UUVが母船との通信機能を有する場合、UUVの位置は母船との無線通信によって特定することができる。しかしながら、通信機器の不具合や荒天による通信遮断、通信規格による特性(例えば音響通信におけるシャドーゾーンの存在)などによって無線通信ができないこともあり得る。また、UUVに入力されたウェイポイントデータから最終到達点である回収場所を特定できる。しかしながら、慣性航法による測位にはある程度の誤差が生じるため、想定外の場所からUUVが出現する場合もある。何れの場合も、結局は目視による位置確認が必要となり、捜索が難航しやすい。
本開示はこのような事情を鑑みて成されたものであり、無人水中航走体の位置特定を容易にすることが可能な無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法の提供を目的とする。
本開示の一態様に係る捜索システムは、無人航空機と、前記無人航空機に設けられる撮影装置と、無人水中航走体のウェイポイントデータに基づいて、前記無人水中航走体の予定到着点及び前記予定到着点に対する位置誤差の最大値を算出し、前記予定到着点を中心とし前記位置誤差の前記最大値を半径とする捜索エリアが前記撮影装置によって撮影可能な位置を前記無人航空機に設定し、前記撮影装置による前記捜索エリアの撮影によって取得された画像から前記無人水中航走体を検出し、前記無人水中航走体の検出を通知する制御部とを備える。
前記制御部は、前記無人水中航走体が検出された後、前記無人水中航走体が前記撮影装置の画角内に位置することを維持するように前記無人航空機の移動を制御してもよい。前記制御部による前記検出の前記通知は、前記検出を示す信号の送信を含んでもよい。 前記制御部による前記検出の前記通知は、前記検出を示す前記無人航空機の飛行動作の制御を含んでもよい。前記無人航空機は点灯器を備えてもよく、前記制御部による前記検出の前記通知は、前記点灯器に対して前記検出を示す点灯制御を含んでもよい。前記制御部は、前記無人水中航走体の前記検出の前記通知と併せて、前記無人水中航走体の位置情報を送信してもよい。前記制御部は、前記無人航空機に搭載されてもよい。前記制御部は、前記無人航空機の遠隔操作装置として設けられてもよい。
本開示の一態様に係る無人水中航走体の捜索方法は、無人水中航走体のウェイポイントデータに基づいて、前記無人水中航走体の予定到着点を中心とし前記予定到着点に対する位置誤差の最大値を半径とする捜索エリアに向けて、無人航空機を移動させ、前記無人航空機に設けられた撮影装置を用いて前記捜索エリアを撮影し、前記撮影によって取得された画像から前記無人水中航走体を検出し、前記無人水中航走体の検出を通知する。
前記無人水中航走体が検出された後、前記無人水中航走体が前記撮影装置の画角内に位置することを維持するように前記無人航空機を移動させてもよい。前記検出の前記通知は、前記検出を示す信号の送信を含んでもよい。前記検出の前記通知は、前記検出を示す前記無人航空機の飛行動作を含んでもよい。前記検出の前記通知は、前記検出を示す光学的な通知を含んでもよい。前記無人水中航走体の前記検出の前記通知と併せて、前記無人水中航走体の位置情報を送信してもよい。
本開示によれば、無人水中航走体の位置特定を容易にすることが可能な無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法を提供することができる。
以下、本開示の幾つかの実施形態について、添付図面に基づき説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。本実施形態に係る捜索方法の捜査対象は、無人水中航走体(UUV: Unmanned Underwater Vehicle)である。以下、説明の便宜上、無人水中航走体をUUVと称する。本実施形態に係るUUV3は、自律型の無人水中航走体(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)でもよく、遠隔操作型の無人水中航走体(ROV: Remotely Operated Vehicle)でもよい。UUV3は、母船2等から水中(例えば海中)に投入され、探査、調査、測量、撮影等の活動を行う。
図1は、本実施形態に係るUUV3の捜索方法の概要を示す図である。この図に示すように、UUV3は回収されるために予定到着点(最終到着点)4に向けて移動し、予定到着点4を含む捜索エリア5内で停止する。例えば、図1に示すように、UUV3は水中を移動し、捜索エリア5内に浮上する。
一方、無人航空機10は、自動運転又は母船(遠隔操作装置)2による遠隔操作によって、母船2から捜索エリア5に向けて飛行する。無人航空機10は捜索エリア5の上空に到着した後、空中で静止し、捜索エリア5の撮影を開始する。この撮影によって捜索エリア5の画像を得る。
次に、取得された画像に対して、UUV3の有無を判定するための所定の画像処理が実行される。この画像処理によってUUV3が検出された場合、無人航空機10はUUV3の発見を母船2に通知する。この通知の際、UUV3の位置情報が無人航空機10からUUV3に送信される。このとき、位置情報を送信せず、無人航空機10の上方にUUV3が静止していてもよい。通知を受けた母船2は、UUV3の位置情報に基づき、或いは無人航空機10を目印にして、捜索エリア5で停止しているUUV3に接近する。その後、母船2は、母船2に搭載された揚重機(図示せず)等を用いて、UUV3を回収する。
なお、無人航空機10が離発着する拠点は自走設備をもつ船舶に限られない。無人航空機10の拠点は、自走設備をもたない艀等でもよく、岸壁などの港湾施設でもよい。UUV3を回収するときは作業船(図示せず)が回収場所に向かう。
本実施形態に係る捜索システム1について説明する。
図2は、捜索システム1の構成の一例を示す機能ブロック図である。図3は、無人航空機10の構成の一例を示す側面図である。図2に示すように、捜索システム1は、無人航空機10と、無人航空機10に設けられる撮影装置30とを備える。
図2は、捜索システム1の構成の一例を示す機能ブロック図である。図3は、無人航空機10の構成の一例を示す側面図である。図2に示すように、捜索システム1は、無人航空機10と、無人航空機10に設けられる撮影装置30とを備える。
無人航空機10は、回転翼機等の空中で静止可能な(即ちホバリング可能な)飛翔体である。無人航空機10は、UUV3の捜索エリア5に向けて飛行する。捜索エリア5は、UUV3のウェイポイントデータから得られる。以下、無人航空機10として回転翼機を適用した例を挙げて説明する。
図2及び図3に示すように、無人航空機10は、ロータ11、モータ12、モータ駆動部13、測位部14、センサ部15、通信部16、入出力部(I/O)17、及び制御部18を備える。無人航空機10は更にフラッシャー等の点灯器19を備えてもよい。
モータ12は、例えば、無人航空機10の胴体20又は胴体20から延伸するアーム20aに設置される。ロータ11はモータ12の出力軸に取り付けられ、出力軸と共に回転することで揚力を発生する。モータ駆動部13はモータ12の駆動回路であり、出力軸の回転に必要な電力をモータ12に供給する。出力軸の回転数は制御部18によって制御される。
測位部14は、グローバル・ポジショニング・システム (Global Positioning System)、準天頂衛星システム(Quasi-Zenith Satellite System)などの衛星測位システム(Satellite Navigation System)を備え、水平方向の位置(緯度及び経度)を測位する。また、測位部14は高度計(図示せず)を備え、鉛直方向の位置(即ち高度)を測位する。測位部14による計測結果は制御部18に入力される。
センサ部15は、無人航空機10の飛行制御に必要なセンサを含む。センサ部15は、少なくとも加速度センサとジャイロセンサによって構成され、これらは無人航空機10の姿勢制御及び方位制御に用いられる。なお、センサ部15は、使用環境に応じて、音響センサ、温度センサ又は気圧センサ等の任意のセンサを含んでもよい。測位部14とセンサ部15は無人航空機10の慣性航行を遂行するための慣性航行装置として機能する。
通信部16は、母船2との間で構築されるネットワークを介して、母船2と通信を行う。この通信は無線通信及び有線通信の何れでもよい。例えば無線通信は、無線LAN(Local Area Network)に利用されている2.4GHz帯のマイクロ波によって行われてもよい。入出力部(I/O)17は、データ、制御信号及び電源等の汎用入出力ポートであり、後述する撮影装置30等の電子機器が接続する。
撮影装置30は、CCD(Charge Coupled Device)カメラ等の周知の撮影手段で構成され、例えば図3に示すように、胴体20の底面20bに取り付けられる。撮影装置30は、鉛直方向における無人航空機10直下の水面を撮影し、その画像のデータを、入出力部(I/O)17を介して制御部18に送る。撮影装置30は、所定の画角αを有する。この画角αは、制御部18の補助記憶装置等に予め記憶されている。なお、撮影装置30は無人航空機10とは別体として胴体20等に取り付けられてもよく、無人航空機10の付属装置として無人航空機10に内蔵されていてもよい。
制御部18は、中央演算処理装置(CPU)、メモリ及び補助記憶装置等によって構成され、捜索システム1の制御部として機能する。制御部18は、メモリ又は補助記憶装置に記憶されたプログラムやデータに基づいて飛行制御などの各種の処理を実行し、モータ駆動部13、測位部14、通信部16、入出力部(I/O)17、撮影装置30等の各動作を制御する。例えば、制御部18は、通信部16を介して受信した母船2からの指令に基づき、モータ駆動部13を制御し、無人航空機10の移動及び空中での静止を実行する。また、制御部18はUUV3を捜索するための一連の処理を実行する。これらの処理は、例えば撮影位置の設定、画像処理などである(後述)。
以下、捜索システム1の動作について説明する。図4は、捜索システム1の動作の一例を示すフローチャートである。図5は、捜索エリア5の設定を説明するための図である。
UUV3が採用する慣性航法では、測位誤差によって通過点(到着点)に対する位置誤差が発生する。位置誤差は、予定到着点4とUUV3が実際に出現(到着)する可能性のある場所との間のずれ(距離)である。位置誤差は、GPS等による座標校正を行わない限り、航走距離に応じて増加する。従って、UUV3は、回収場所である予定到着点4から位置誤差だけ離れた場所に出現する可能性がある。
上述の通り、母船等がUUV3を回収する場合、UUV3は母船等から数十m~数百m離れた場所でUUV3の位置を確認されることになる。しかしながら、航走中に蓄積された位置誤差によって、UUV3は必ずしも予定到着点4に出現するとは限らない。
そこで本実施形態に係る制御部18は、UUV3のウェイポイントデータから予定到着点4を特定する(ステップS10)。UUV3のウェイポイントデータは、無人航空機10の制御部18に予め記憶されている。更に、制御部18は、このウェイポイントデータから航走距離を考慮した位置誤差の最大値を算出する(ステップS11)。算出される位置誤差は、例えば経験的に得られた標準偏差に基づく標準誤差である。なお、標準誤差に対して、UUV3が投入される自然環境、すなわち水流や海流、風速に応じた表面流や波を考慮した重みを乗じてもよい。この場合も、制御部18は位置誤差の最大値を算出する。
特定した予定到着点4と算出された位置誤差の最大値とから、捜索エリア5が定義される。捜索エリア5は、UUV3が最終的に出現(到着)する確率の高い位置の集合であり、予定到着点4を中心とし、予定到着点4に対する位置誤差の最大値を半径とする円形の領域として定義される。
制御部18は撮影装置30の画角αを記憶している。制御部18は、この画角α内に捜索エリア5の全域が納まるように無人航空機10の高度Aを算出し、捜索エリア5の全域が撮影可能な位置(以下、撮影位置という。)6を設定する(ステップS12)。例えば図5に示すように、撮影装置30が予定到着点4を真上から撮影している場合、換言すれば、鉛直方向に延びる撮影装置30の光軸7上に予定到着点4が位置している場合、画角α及び位置誤差の最大値rmaxに対する高度Aは次の式:A=rmax/tan(α/2)で表される。なお、撮影位置6は、無人航空機10の撮影(検出)が可能な捜索エリア5の近傍である限り、予定到着点4の真上の位置に限られない。
次に、制御部18はモータ駆動部13等を制御して、撮影位置6に無人航空機10を移動させる(ステップS13)。その後、撮影装置30は捜索エリア5の全域の撮影を開始する(ステップS14)。得られた画像は制御部18に送られる。
捜索エリア5では浮上したUUV3が停止している。従って、撮影装置30によって取得された画像内にUUV3が写っているはずである。制御部18は、この画像からUUV3を検出する。具体的には、画像に対してUUV3を検出するための所定の画像処理を行う(ステップS15)。所定の画像処理とは、例えば、UUV3の塗装色に基づく色識別(カラートラッキング)、UUV3の形状に基づくテンプレートマッチング、又はエッジ処理によりUUV3の輪郭抽出などの周知の画像処理である。
次に、制御部18は、画像からUUV3が検出されたか否かを判断する(ステップS16)。画像からUUV3が検出されない場合(ステップS16おいてNO)、ステップS14の撮影とステップS15の画像処理を繰り返す。一方、画像からUUV3が検出された場合(ステップS16おいてNO)、制御部18はUUV3の検出を通知する(ステップS17)。
UUV3の検出の通知(以下、検出通知という。)は、例えば、制御部18から母船2へのUUV3の検出を示す信号の送信である。母船2はこの通知を受け、無人航空機10の位置を(例えば目視で)確認する。
UUV3の検出後、UUV3が停止した位置に留まっている場合(ステップS18においてNO)、母船2は無人航空機10の位置を頼りにUUV3に接近する。回収作業を開始できる距離まで母船2がUUV3に接近した場合、母船2はUUV3の捜索終了を示す信号を無人航空機10に送信し、捜索は終了する(ステップS20においてYES)。その後、母船2はUUV3の回収作業を開始する。捜索終了を示す信号が送信されるまで(ステップS20においてNO)、検出通知は継続される。ただし、UUV3に移動の懸念が無い場合、検出通知は省略してもよい。
UUV3の検出後、水流(海流)や波等によってUUV3が停止した位置から移動している場合(ステップS18においてYES)、制御部18は、UUV3が撮影装置30の画角α内に位置することを維持するように無人航空機10を移動させる(ステップS19)。即ち、無人航空機10はUUV3を追跡する。無人航空機10による追跡は、UUV3の捜索終了を示す信号を無人航空機10が送信されるまで継続される(ステップS20においてNO)。ただし、追跡の間、検出通知は継続していてもよく、終了していてもよい。これらの何れを選択するかは、例えば捜索エリア5の広さ(即ちUUV3の発見の容易さ)等を考慮して決定される。
無人航空機10がUUV3を追跡している間も、母船2はUUV3に接近する。そして、回収作業を開始できる距離まで母船2がUUV3に接近した場合、母船2はUUV3の捜索終了を示す信号を無人航空機10に送信し、捜索は終了する(ステップS20においてYES)。その後、母船2はUUV3の回収作業を開始する。
制御部18は、UUV3の検出の通知と併せて、UUV3の位置情報を送信してもよい。無人航空機10は測位部14から得られる情報から自己の位置を把握している。従って、制御部18は、無人航空機10(撮影装置30)に対するUUV3の相対位置を算出でき、これによりUUV3の位置を特定できる。母船2は、UUV3の位置情報を得るので、UUV3の位置や認識等を考慮することなく、UUV3に接近することができる。
なお、UUV3の検出通知は、UUV3の検出を示す無人航空機10の飛行動作を含んでもよい。この飛行動作とは、例えばUUV3の所定の方向に沿った往復飛行又は旋回飛行であり、制御部18の飛行制御によって実行される。UUV3は、撮影のためにホバリングしている。従って、ホバリング中の飛行動作と異なる飛行動作を実行することによって、無人航空機10の操作者にUUV3の発見を認識させることができる。
UUV3の検出通知は、UUV3の検出を示す光学的な通知を含んでもよい。即ち、無人航空機10が点灯器19を備えている場合、制御部18の制御によって、点灯器19は検出を示す点滅等の動作を実行してもよい。
UUV3の検出を示す飛行動作及び光学的な通知の何れもが、母船2と無人航空機10の間の通信を必要としない。従って、母船2と無人航空機10の間の通信が、不測の事態により遮断されたとしても、母船2は無人航空機10の位置を頼りにUUV3に接近し、回収することができる。
なお、ステップS10からS20までの処理は、母船2内で操作される無人航空機10の遠隔操作装置(図1参照)が、捜索システム1の制御部として実行してもよい。遠隔操作装置は、中央演算処理装置(CPU)、メモリ、補助記憶装置、表示装置、及びキーボード等の入力装置等によって構成される所謂コンピュータであり、無人航空機10の通信部16と通信する機能を有する。この場合、遠隔操作装置は、ステップS10からS20までの処理のうちの演算処理を行い、無人航空機10の制御部18は、主に遠隔操作装置からの指令に基づく無人航空機10の飛行制御及び点灯制御を行うことになる。
本実施形態では、UUV3のウェイポイントデータに基づいて捜索エリアを設定し、その捜索エリアを含む領域を無人航空機10が撮影することによってUUV3を検出する。捜索エリアは、予定到着点を中心とし、当該予定到着点に対する位置誤差の最大値を半径とする円形の領域である。統計的に捜索エリア以外の領域にUUV3が出現する可能性は低くなるため、UUV3の捜索は捜索エリア内で行えばよいことになる。つまり、UUV3の位置特定を容易にすることができる。また、UUV3と母船2の間の通信によるUUV3の位置確認を経ることなく、UUV3の位置を特定することができる。従って、UUV3と母船2の間の通信による位置確認を行う構成であっても、本実施形態の捜索システムを導入することで、通信が不調になった状態でもUUV3の位置を特定することができる。
なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
1…捜索システム、2…母船、3…UUV(無人水中航走体)、4…予定到着点、5…捜索エリア、6…撮影位置、7…光軸、10…無人航空機、11…ロータ、12…モータ、13…モータ駆動部、14…測位部、15…センサ部、16…通信部、17…入出力部(I/O)、18…制御部、19…点灯器、20…胴体、20a…アーム、20b…底面、30…撮影装置
Claims (14)
- 無人航空機と、
前記無人航空機に設けられる撮影装置と、
無人水中航走体のウェイポイントデータに基づいて、前記無人水中航走体の予定到着点及び前記予定到着点に対する位置誤差の最大値を算出し、
前記予定到着点を中心とし前記位置誤差の前記最大値を半径とする捜索エリアが前記撮影装置によって撮影可能な位置を前記無人航空機に設定し、
前記撮影装置による前記捜索エリアの撮影によって取得された画像から前記無人水中航走体を検出し、
前記無人水中航走体の検出を通知する制御部と
を備える
捜索システム。 - 前記制御部は、前記無人水中航走体が検出された後、前記無人水中航走体が前記撮影装置の画角内に位置することを維持するように前記無人航空機の移動を制御する
請求項1に記載の捜索システム。 - 前記制御部による前記検出の前記通知は、前記検出を示す信号の送信を含む
請求項1又は2に記載の捜索システム。 - 前記制御部による前記検出の前記通知は、前記検出を示す前記無人航空機の飛行動作の制御を含む
請求項1又は2に記載の捜索システム。 - 前記無人航空機は点灯器を備え、
前記制御部による前記検出の前記通知は、前記点灯器に対して前記検出を示す点灯制御を含む
請求項1又は2に記載の捜索システム。 - 前記制御部は、前記無人水中航走体の前記検出の前記通知と併せて、前記無人水中航走体の位置情報を送信する
請求項1~5のうちの何れか一項に記載の捜索システム。 - 前記制御部は、前記無人航空機に搭載されている
請求項1~6のうちの何れか一項に記載の捜索システム。 - 前記制御部は、前記無人航空機の遠隔操作装置として設けられている
請求項1~6のうちの何れか一項に記載の捜索システム。 - 無人水中航走体のウェイポイントデータに基づいて、前記無人水中航走体の予定到着点を中心とし前記予定到着点に対する位置誤差の最大値を半径とする捜索エリアが撮影可能な位置に無人航空機を移動させ、
前記無人航空機に設けられた撮影装置を用いて前記捜索エリアを撮影し、
前記撮影によって取得された画像から前記無人水中航走体を検出し、
前記無人水中航走体の検出を通知する
無人水中航走体の捜索方法。 - 前記無人水中航走体が検出された後、前記無人水中航走体が前記撮影装置の画角内に位置することを維持するように前記無人航空機を移動させる
請求項9に記載の捜索方法。 - 前記検出の前記通知は、前記検出を示す信号の送信を含む
請求項9又は10に記載の捜索方法。 - 前記検出の前記通知は、前記検出を示す前記無人航空機の飛行動作を含む
請求項9又は10に記載の捜索方法。 - 前記検出の前記通知は、前記検出を示す光学的な通知を含む
請求項9又は10に記載の捜索方法。 - 前記無人水中航走体の前記検出の前記通知と併せて、前記無人水中航走体の位置情報を送信する
請求項9~13のうちの何れか一項に記載の捜索方法。
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JP2021046048A Pending JP2022144860A (ja) | 2021-03-19 | 2021-03-19 | 無人水中航走体の捜索システム及び捜索方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2022144860A (ja) |
-
2021
- 2021-03-19 JP JP2021046048A patent/JP2022144860A/ja active Pending
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Legal Events
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A621 | Written request for application examination |
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