JP2023160367A - 水中航走体 - Google Patents

Abstract

【課題】水中航走体の本体部から分離可能な分離部が、障害物等との接触により破損する可能性を低減することができる水中航走体を提供する。
【解決手段】水中航走体１は、本体部１０と、本体部から分離可能な分離部２０と、を備える。分離部は、本体部と接続されて本体部の外部との通信を中継する通信アンテナ２１を備える。本体部は、外部の音響信号を取得する音響センサ１１と、音響センサによって取得された音響信号に基づいて、外部に障害物があるか否かを判定するコントローラ４０と、コントローラによって外部に障害物があると判定された場合に、分離部を本体部に回収する回収部１５と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、水中航走体に関する。

特許文献１には、本体部と、本体部の外部に放出可能なブイと、を備える水中航走体が開示されている。当該水中航走体によれば、本体部を浮上させる場合にブイが本体部の外部に放出され、ブイが備えるセンサの検出信号に基づいて、本体部の浮上予定位置に障害物が検出された場合、本体部の浮上行動は不可であるとの判断が行われる。

特開２０２１－０４１８６６号公報

特許文献１に開示される技術によれば、本体部を浮上させる場合にブイが本体部の外部に放出される。そのため、ブイが航行する船舶とぶつかったり、ブイが航行する船舶のスクリューに巻き込まれたりして、ブイが破損するおそれがあるという問題がある。

本開示は上述の状況を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、水中航走体の本体部から分離可能な分離部が、障害物等との接触により破損する可能性を低減することができる水中航走体を提供することを目的とする。

本開示に係る水中航走体は、本体部と、上記本体部から分離可能な分離部と、を備える。上記分離部は、上記本体部と接続されて上記本体部の外部との通信を中継する通信アンテナを備える。上記本体部は、音響センサと、コントローラと、回収部と、を備える。音響センサは、上記外部の音響信号を取得する。コントローラは、上記音響センサによって取得された上記音響信号に基づいて、上記外部に障害物があるか否かを判定する。回収部は、上記コントローラによって上記外部に障害物があると判定された場合に、上記分離部を上記本体部に回収する。

上記コントローラは、上記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比が第１閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。

上記コントローラは、上記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比の単位時間当たりの増加量が第２閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。

上記コントローラは、基準となる上記音響信号の信号強度を基準信号強度として設定し、上記基準信号強度と比較して上記音響信号の信号強度の増加量が第３閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。

上記コントローラは、上記水中航走体の周囲に船舶が位置する場合の環境音を教師データとする機械学習により、上記水中航走体の周囲に船舶が存在する確率を、上記音響信号に対応づけて算出する学習モデルを生成するものであってもよい。そして、上記コントローラは、上記音響信号に基づいて、上記学習モデルが算出した上記確率が第４閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。

上記通信アンテナは、上記水中航走体の位置を決定するための測位信号を受信するものであってもよい。

上記音響センサはパッシブソナーであってもよい。

上記分離部は、上記本体部が備える固定翼であってもよい。

上記本体部と上記分離部は、ケーブルで接続されているものであってもよい。

上記本体部は自律航行可能であってもよい。

本開示によれば、水中航走体の本体部から分離可能な分離部が、障害物等との接触により破損する可能性を低減することができる。

本開示の実施形態に係る水中航走体の構成を示す模式図である。 水中航走体の使用状態の一例を示す模式図である。 水中航走体の本体部の構成を示すブロック図である。 水中航走体の処理手順を示すフローチャートである。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［水中航走体の構成］
図１は、本開示の実施形態に係る水中航走体の構成を示す模式図である。図１に示すように、水中航走体１は、本体部１０と、本体部１０から分離可能な分離部２０とを備える。

分離部２０は、本体部１０とケーブル３０を介して接続され、本体部１０の外部との通信を中継する通信アンテナ２１を備える。例えば、通信アンテナ２１は、水中航走体１の位置を決定するための測位信号を受信するものであってもよい。例えば、通信アンテナ２１は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）アンテナである。その他、通信アンテナ２１は、衛星通信アンテナ、無線通信アンテナ等であってもよい。通信アンテナ２１は、ケーブル３０の内部に設けられた信号線（図示なし）を介して、本体部１０に内蔵された各種装置と接続される。

分離部２０の内部のうち、通信アンテナ２１の周囲は、電波透過性のある非導電性物質で充填されていてもよい。通信アンテナ２１の周囲が非導電性物質で充填されていることにより、分離部２０が水面１００に浮上した際に、通信アンテナ２１の周囲の水を排除できるものであってもよい。

なお、分離部２０は、本体部１０に設けられた固定翼であってもよい。すなわち、分離部２０が本体部１０に格納された状態において、分離部２０は、水中航走体１が備える固定翼として機能するものであってもよい。

本体部１０は、音響センサ１１とコントローラ４０と回収部１５とを備える。また、本体部１０は、本体部１０が位置する深度を計測する深度計を備えるものであってもよい。なお、本体部１０は自律航行可能である。そのため、本体部１０は、プロペラ等の推進装置および方向舵等を備えるものであってもよい。

なお、本体部１０は、水面１００を航行する船の喫水線と波高を考慮し、船底と衝突しない十分に安全な深度を保持した状態で航行するものであってもよい。その状態で、本体部１０は、後述する音響センサ１１を用いて、本体部１０及び分離部２０の近傍における船舶等の障害物の有無を確認する。

音響センサ１１は、本体部１０の外部の音響信号を取得する。例えば、音響センサ１１は、対象物が発する音波を捉えるパッシブソナーである。その他、音響センサ１１は、水中にパルス状の音波を発射し、音波が対象物に反射して戻ってくるまでの時間や強度から、対象物までの距離等を測定するアクティブソナーであってもよい。

回収部１５は、コントローラ４０によって本体部１０の外部に障害物があると判定された場合に、分離部２０を本体部１０に回収する。例えば、回収部１５は、ケーブル３０を巻き取ったり、ケーブル３０を繰り出したりするためのモータ付きのドラムである。

図２は、水中航走体の使用状態の一例を示す模式図である。図２に示すように、本体部１０から分離部２０が分離して使用される状況を想定する。この状況において、本体部１０は、図示しない深度計により、本体部１０から水面１００までの距離である深度を取得してもよい。回収部１５は、取得された深度に基づいてケーブル３０が緩む向きにドラムを回転させ、分離部２０を水面１００に配置するために必要な長さだけ、ケーブル３０を繰り出すものであってもよい。

回収部１５は、分離部２０が水面１００に到達している否かの制御信号を分離部２０より取得し、制御信号に基づいてケーブル３０を繰り出すものであってもよい。

分離部２０が水面１００に到達している否かの制御信号は、分離部２０が備える、水面１００を検知するための超音波センサの検出信号であってもよい。また、回収部１５は、分離部２０自体が備える深度計によって得られた深度の情報を制御信号として、制御信号に基づいてケーブル３０を繰り出すものであってもよい。

分離部２０が水面１００に浮上している状態で、通信アンテナ２１は、水中航走体１の位置を決定するための測位信号を受信する。その他、通信アンテナ２１は、水中航走体１の外部との通信を実施するものであってもよい。

一方、コントローラ４０によって本体部１０の外部に障害物があると判定された場合には、回収部１５は、ケーブル３０が張る向き（本体部１０と分離部２０の間に張られたケーブル３０の長さが短くなる向き）にドラムを回転させる。そして、回収部１５は、ケーブル３０を引っ張る力によって分離部２０を本体部１０に引き寄せ、最終的に分離部２０を本体部１０に設けられた格納位置に格納する。

なお、回収部１５によってケーブル３０を引っ張ることで、分離部２０が格納位置に戻るよう、分離部２０の形状が構成されていればよい。例えば、分離部２０の底部形状は、角錐形状でもよい。

コントローラ４０（制御部）は、音響センサ１１によって取得された音響信号に基づいて、本体部１０の外部に障害物があるか否かを判定する。

コントローラ４０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ、及び入出力部を備える汎用のコンピュータである。コントローラ４０には、コンピュータプログラム（判定プログラム）がインストールされている。コンピュータプログラムを実行することにより、コントローラ４０は、水中航走体１が備える複数の情報処理回路（４１、４３、４５、４７）として機能する。なお、コンピュータプログラム（判定プログラム）は、コンピュータによって読み書き可能な記憶媒体に格納されるものであってもよい。

本開示では、ソフトウェアによって複数の情報処理回路（４１、４３、４５、４７）を実現する例を示す。ただし、以下に示す各情報処理を実行するための専用のハードウェアを用意して、情報処理回路（４１、４３、４５、４７）を構成することも可能である。また、複数の情報処理回路（４１、４３、４５、４７）を個別のハードウェアにより構成してもよい。

図３に示すように、コントローラ４０は、複数の情報処理回路（４１、４３、４５、４７）として、入出力部４１、判定基準設定部４３、判定部４５、データベース４７を備える。

入出力部４１には、音響センサ１１が取得した本体部１０の外部の音響信号が入力される。また、入出力部４１は、判定部４５によって行われる判定処理の結果を回収部１５に出力する。その他、入出力部４１は、データベース４７から、判定処理で用いる判定基準を設定するために必要なパラメータ等を取得する。

判定部４５は、音響センサ１１によって取得された音響信号に基づいて、本体部１０の外部に障害物があるか否かを判定する。

例えば、第１の判定方法として、判定部４５は、音響信号に基づいて算出される信号対雑音比が第１閾値以上である場合に、本体部１０の外部に障害物があると判定する。ここで、判定部４５は、音響信号に含まれる周波数成分のうち、所定周波数帯域の成分を信号をとみなして、所定周波数帯域以外の周波数帯域の成分を雑音とみなすものであってもよい。そして、判定部４５は、信号の強度の分散を雑音の強度の分散で割った値を、信号対雑音比として算出するものであってもよい。

第１閾値および所定周波数帯域は、後述するデータベース４７に格納されるものであってもよい。第１閾値および所定周波数帯域は、判定部４５によって行われる判定処理において、対象とする障害物の種別に応じて変更されるものであってもよい。

また、第２の判定方法として、判定部４５は、音響信号に基づいて算出される信号対雑音比の単位時間当たりの増加量が第２閾値以上である場合に、本体部１０の外部に障害物があると判定するものであってもよい。第２閾値は、後述するデータベース４７に格納されるものであってよく、第２閾値は、判定部４５によって行われる判定処理において、対象とする障害物の種別に応じて変更されるものであってもよい。

さらに、第３の判定方法として、判定部４５は、基準となる音響信号の信号強度を基準信号強度として設定し、基準信号強度と比較して音響信号の信号強度の増加量が第３閾値以上である場合に、本体部１０の外部に障害物があると判定するものであってもよい。

ここで、基準信号強度は、本体部１０の外部に障害物がない状態（本体部１０から所定範囲の距離に障害物がない状態）で取得した音響信号に基づいて、事前に設定されるものであってもよい。第３閾値および基準信号強度は、後述するデータベース４７に格納されるものであってよく、第３閾値および基準信号強度は、判定部４５によって行われる判定処理において、対象とする障害物の種別に応じて変更されるものであってもよい。

また、第４の判定方法として、判定部４５は、学習モデルに音響信号を入力した際に、音響信号に対応づけて学習モデルによって算出される確率が、第４閾値以上である場合に、本体部１０の外部に障害物があると判定するものであってもよい。

ここで、学習モデルは、水中航走体１の周囲に船舶が位置する場合の環境音を教師データとする機械学習により、事前に生成されたモデルである。学習モデルは、水中航走体１の周囲に船舶が存在する確率を、音響信号に対応づけて算出する。

なお、第４閾値および学習モデルは、後述するデータベース４７に格納されるものであってよく、第４閾値および学習モデルは、判定部４５によって行われる判定処理において、対象とする障害物の種別に応じて変更されるものであってもよい。

判定部４５は、上述した第１～第４の判定方法をそれぞれ単独で用いて、本体部１０の外部に障害物があると判定するものであってもよい。また、判定部４５は、上述した第１～第４の判定方法を組み合わせて、本体部１０の外部に障害物があると判定するものであってもよい。判定部４５によって本体部１０の外部に障害物があると判定する方法は、上述の例に限定されない。

データベース４７は、判定部４５によって行われる判定（例えば、上述した第１～第４の判定方法）で用いる判定基準を設定するために必要なパラメータ（閾値、所定周波数帯域、学習モデル等）を記憶する。

判定基準設定部４３は、判定部４５によって行われる判定（例えば、上述した第１～第４の判定方法）で用いる判定基準を設定する。すなわち、判定基準設定部４３は、データベース４７に記憶されたパラメータを読み出し、判定部４５で用いる判定基準を設定する。特に、判定部４５によって行われる判定の対象として、複数の種別の障害物が想定される場合、判定基準設定部４３は、障害物の種別に応じて判定基準を設定するものであってもよい。

［水中航走体の処理手順］
次に、本開示に係る水中航走体の処理手順を、図４を参照して説明する。図４は、水中航走体の処理手順を示すフローチャートである。図４に示されるフローチャートの処理は、本体部１０から分離部２０が分離されている間、繰り返し実行される。その他、図４に示されるフローチャートの処理は、ユーザの指示に基づいて開始又は終了されるものであってもよい。

ステップＳ１０１において、音響センサ１１は、本体部１０の外部の音響信号を取得する。

ステップＳ１０３において、判定基準設定部４３は、判定部４５によって行われる判定で用いる判定基準を設定する。なお、図４に示されるフローチャートの処理とは別に、判定部４５によって行われる判定で用いる判定基準が事前に設定されてもよい。判定基準が事前に設定される場合、ステップＳ１０３の処理は省略されてもよい。

ステップＳ１０５において、判定部４５は、音響信号に基づいて、本体部１０の外部に障害物があるか否かを判定する。本体部１０の外部に障害物がないと判定された場合（ステップＳ１０５にてＮＯの場合）、ステップＳ１０１に戻る。

一方、本体部１０の外部に障害物があると判定された場合（ステップＳ１０５にてＹＥＳの場合）、ステップＳ１０７において、回収部１５は、分離部２０を本体部１０に回収する。

なお、判定部４５によって行われる判定の対象として、複数の種別の障害物が想定される場合、ステップＳ１０３、Ｓ１０５の処理は、障害物の種別ごとに実行されるものであってもよい。

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本開示に係る水中航走体は、本体部と、上記本体部から分離可能な分離部と、を備える。上記分離部は、上記本体部と接続されて上記本体部の外部との通信を中継する通信アンテナを備える。上記本体部は、音響センサと、コントローラと、回収部と、を備える。音響センサは、上記外部の音響信号を取得する。コントローラは、上記音響センサによって取得された上記音響信号に基づいて、上記外部に障害物があるか否かを判定する。回収部は、上記コントローラによって上記外部に障害物があると判定された場合に、上記分離部を上記本体部に回収する。

これにより、水中航走体の本体部から分離可能な分離部が、障害物等との接触により破損する可能性を低減することができる。特に、本体部１０が浮上することなく音響信号を取得するため、音響信号に水面１００の波などの雑音が入り込むことが抑制される。そのため、音響センサ１１での信号対雑音比が向上し、障害物等から発せられる音を取得しやすくなる。その結果、障害物があると判定する際の判定精度を向上させることができる。

水中航走体１の外部との通信等のため、水中航走体１が浮上した場合には、音響センサ１１によって取得する音響信号に水面１００の波などの雑音が入り込みやすくなる。そのため、水面１００に存在する船舶等の障害物の検出が難しくなり、障害物等との衝突の可能性が増大する。しかしながら、本開示に係る水中航走体によれば、本体部１０を浮上させずとも、分離部２０に搭載した通信アンテナ２１を介して外部との通信が可能である。そのため、障害物等との衝突の可能性を低減することができる。

上記コントローラは、上記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比が第１閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。これにより、障害物と本体部１０の間の距離が小さくなって障害物から発せられる音が増大した状況を検知して、外部に障害物があると判定することができる。

上記コントローラは、上記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比の単位時間当たりの増加量が第２閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。これにより、本体部１０の周囲に存在する障害物から発せられる音が本体部１０に届いている状況を検知して、本体部１０の外部に障害物があると判定することができる。

上記コントローラは、基準となる上記音響信号の信号強度を基準信号強度として設定し、上記基準信号強度と比較して上記音響信号の信号強度の増加量が第３閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。これにより、これにより、障害物と本体部１０の間の距離が小さくなって障害物から発せられる音が増大した状況を検知して、外部に障害物があると判定することができる。

上記コントローラは、上記水中航走体の周囲に船舶が位置する場合の環境音を教師データとする機械学習により、上記水中航走体の周囲に船舶が存在する確率を、上記音響信号に対応づけて算出する学習モデルを生成するものであってもよい。そして、上記コントローラは、上記音響信号に基づいて、上記学習モデルが算出した上記確率が第４閾値以上である場合に、上記外部に障害物があると判定するものであってもよい。これにより、音響信号に含まれる障害物の音の特徴を反映した学習モデルに基づいて、精度よく、外部に障害物があると判定することができる。

上記通信アンテナは、上記水中航走体の位置を決定するための測位信号を受信するものであってもよい。これにより、水中航走体１の位置を測定することができる。さらに、測定した水中航走体１の位置に基づいて、水中航走体１が行う慣性航法によって推定した自己位置を補正してもよい。測定した水中航走体１の位置、及び、慣性航法によって推定した自己位置は、水中航走体１の航行のために用いることができる。

上記音響センサはパッシブソナーであってもよい。これにより、本体部１０の周囲に存在する障害物から発せられる音を取得することができる。また、障害物の検知のために自ら音を発生させる必要がないため、水中航走体１の航行の際の隠密性を高めることができる。

上記分離部は、上記本体部が備える固定翼であってもよい。これにより、水中航走体１の固定翼と分離部２０を共通の部材とすることができ、水中航走体１の部品点数が増大することが抑制される。その結果、水中航走体１の製造コストが増加することを抑制できる。

上記本体部と上記分離部は、ケーブルで接続されているものであってもよい。これにより、分離部２０を回収する際に、ケーブル３０を引っ張る力によって分離部２０を本体部１０に引き寄せ、最終的に分離部２０を本体部１０に設けられた格納位置に格納することができる。

上記本体部は自律航行可能であってもよい。これにより、水中航走体１は、外部からの指示を受けることなく水中を航行することができる。

上述の実施形態で示した各機能は、１又は複数の処理回路によって実装されうる。処理回路には、プログラムされたプロセッサ、電気回路等が含まれ、さらには、特定用途向けの集積回路（ＡＳＩＣ）のような装置、又は、記載された機能を実行するよう配置された回路構成要素等も含まれる。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

１ 水中航走体
１０ 本体部
１１ 音響センサ
１５ 回収部
２０ 分離部
２１ 通信アンテナ
３０ ケーブル
４０ コントローラ
４１ 入出力部
４３ 判定基準設定部
４５ 判定部
４７ データベース

Claims (10)

1. 本体部と、前記本体部から分離可能な分離部と、を備える水中航走体であって、
   前記分離部は、前記本体部と接続されて前記本体部の外部との通信を中継する通信アンテナを備え、
   前記本体部は、
   前記外部の音響信号を取得する音響センサと、
   前記音響センサによって取得された前記音響信号に基づいて、前記外部に障害物があるか否かを判定するコントローラと、
   前記コントローラによって前記外部に障害物があると判定された場合に、前記分離部を前記本体部に回収する回収部と、
   を備える、水中航走体。
2. 前記コントローラは、前記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比が第１閾値以上である場合に、前記外部に障害物があると判定する、請求項１に記載の水中航走体。
3. 前記コントローラは、前記音響信号に基づいて算出される信号対雑音比の単位時間当たりの増加量が第２閾値以上である場合に、前記外部に障害物があると判定する、請求項１又は２に記載の水中航走体。
4. 前記コントローラは、基準となる前記音響信号の信号強度を基準信号強度として設定し、前記基準信号強度と比較して前記音響信号の信号強度の増加量が第３閾値以上である場合に、前記外部に障害物があると判定する、請求項１又は２に記載の水中航走体。
5. 前記コントローラは、
   前記水中航走体の周囲に船舶が位置する場合の環境音を教師データとする機械学習により、前記水中航走体の周囲に船舶が存在する確率を、前記音響信号に対応づけて算出する学習モデルを生成し、
   前記音響信号に基づいて、前記学習モデルが算出した前記確率が第４閾値以上である場合に、前記外部に障害物があると判定する、請求項１又は２に記載の水中航走体。
6. 前記通信アンテナは、前記水中航走体の位置を決定するための測位信号を受信する、請求項１又は２に記載の水中航走体。
7. 前記音響センサはパッシブソナーである、請求項１又は２に記載の水中航走体。
8. 前記分離部は、前記本体部が備える固定翼である、請求項１又は２に記載の水中航走体。
9. 前記本体部と前記分離部は、ケーブルで接続されている、請求項１又は２に記載の水中航走体。
10. 前記本体部は自律航行可能である、請求項１又は２に記載の水中航走体。

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