JP3686862B2 - レーザ航路表示装置及びこれを用いたシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ航路表示装置及びこれを用いたシステムに関し、特に海上に浮遊するブイに搭載されブイの傾斜角度及び目標の方位を検知し、レーザビーム方向の制御機構によりレーザビームを目標に照射するレーザ航路表示装置及びこれを用いたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年海上輸送における交通量の増加や、レジャーボートの増加などによって、海上交通路の更なる安全確保が重要な課題となっている。このための方策としてレーザビームを利用した新しい航路標識が提案され、各種実験が行われている。レーザビームを利用した航路標識にはいくつかの方式があるが、特にレーザビームを大気中に発射して、レーザビームの大気散乱光により航路を表示するレーザ航路表示装置が注目されている。
【０００３】
レーザ航路表示装置は湾や港などに設置されたレジデントブイ（送光ブイと記す）に搭載されて、相手側レジデントブイ（目標ブイと記す）に向かってレーザビームを発射しその間の航路を表示する。レーザ航路表示装置では航路を正確に表示する必要があるため、レーザビームを目標ブイに正確に当てて、目標ブイの先にレーザビームが抜け出ないように遮断する必要がある。
【０００４】
ここでレジデントブイとは、下部がユニバーサルジョイントを介して海底に固定されたブイを示す。通常の浮標に較べて動揺が極めて小さいが、それでもレジデントブイは波や風の影響で傾斜状態が常に変動しているので、搭載するレーザ航路表示装置の傾斜角度も常に変動するため、この傾斜角度変動を補正する必要がある。同様に目標ブイも常に波や風の影響で変動している。
【０００５】
このため目標ブイの照射部分の方向を検知して、常にレーザビームを照射部分に当たるように照射するために高精度の追尾機構が不可欠となる。目標ブイまでの距離は通常１ｋｍ〜数ｋｍ、照射部分の大きさは１ｍ2程度であるため、追尾の角度精度としては、０．１〜０．５ｍｒａｄという高い角度精度が要求される。
【０００６】
一般にはこうした追尾装置の例として、ＧＰＳを利用することも考えられているが、目標ブイとの通信を行う必要があり、装置が複雑化することになる。
【０００７】
また、高精度の空間安定装置が市販されているが、これは船舶に搭載してその上にカメラ設置しカメラを一定の方向に向けるための装置であり、角度精度は０．１ｍｒａｄ以下と良いが非常に高価であり、レーザ航路表示装置で要求されるような大口径の送光部を設置することは困難である。
【０００８】
このような技術の一例として、特開２００１−２４１９６７号公報記載の「レーザ航路標識装置」及び特開平１１−１６５２８７号公報記載の「姿勢検出装置および姿勢制御装置並びにロボット制御装置」が知られている。
【０００９】
「レーザ航路標識装置」の公報では、複数本のレーザビームを使用し、各々のレーザビームの広がる範囲を変えることにより、近距離でも遠距離でもほぼ一定の範囲（幅）でレーザビームを視認できるようにし、範囲外では視認できなくすることでブイ等が所定範囲内に位置することを確認する技術が記載されている。
【００１０】
また、「姿勢検出装置および姿勢制御装置並びにロボット制御装置」の公報では、傾斜センサと画像センサをともに利用した簡素なシステムで姿勢検出を迅速に行う制御装置の技術が記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のレーザ航路表示装置は、高精度の追尾を行わせるためには装置の規模が大きくかつ複雑化するという欠点を有している。
【００１２】
また、送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合に、常にレーザビームが放射されているため乗員の網膜に照射されると乗員の目を危険に曝すという欠点を有している。
【００１３】
本発明の目的は、簡易な装置構成で高精度の追尾が行え、かつ送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合レーザビームの発射を停止する安全機能を備えたレーザ航路表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ航路表示装置は、変動するブイに搭載されてレーザビームを目標に照射するレーザ航路表示装置であって、前記レーザ航路表示装置は搭載された前記ブイの傾斜角度を検知する傾斜センサと、前記目標の方位を検知する画像センサと、前記レーザビーム方向の制御機構とを備え、前記傾斜センサからの傾斜角度信号にもとづいた前記ブイの傾斜角度補正機構と前記画像センサからの誤差信号にもとづいた前記ブイ及び前記目標を合わせて追尾する追尾機構とを組み合わせることにより、常に前記目標に向かって前記レーザビームが照射でき、前記目標の追尾が不可能な場合に前記レーザビームの発射を停止することを特徴としている。
【００１５】
レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射するミラー角度を変える可動ミラーと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ミラーの角度を制御するミラー制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記ミラー制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴としている。
【００１６】
また、レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射する照射角度を変える可動ベンチと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ベンチの角度を制御する可動ベンチ制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記可動ベンチ制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴としている。
【００１７】
前記システム制御部は、前記傾斜センサから出力される前記傾斜角度データと、前記画像センサから出力される前記変位量データとをもとに、装置自体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、この算出データをもとに前記ミラー制御部に前記制御指令を送り、前記可動ミラー又は前記可動ベンチを制御して前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴としている。
【００１８】
前記システム制御部は、前記レーザ制御信号により前記レーザビームの発射及び停止を行うことを特徴としている。
【００１９】
前記ミラー制御部は、前記駆動信号により前記可動ミラーが有するステッピングモータを駆動することで、前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴としている。
【００２０】
前記送光部は、カセグレン型望遠鏡であって、前記光ファイバから入射した前記レーザビームのビーム径を拡大して出力することを特徴としている。
【００２１】
前記レーザは、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ（ネオジウム・ヤグレーザ）であることを特徴としている。
【００２２】
また、レーザ航路表示装置を具備し、
送光ブイとしてレーザビームを発射する前記レーザ航路表示装置を設置し、第１のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第１のレジデントブイと；
目標ブイとして前記レーザビームを入射するレーザ照射部及びマーカ用のランプを設置し、第２のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第２のレジデントブイと；
を備えたレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２３】
前記送光ブイ上に設置された前記レーザ航路表示装置は、前記目標ブイの照射部分である前記レーザ照射部に向かって前記レーザビームを発射し、前記目標ブイに固定されたランプを検知して、前記レーザビームが常に前記目標ブイの前記レーザ照射部に照射されるように制御されるレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２４】
複数のレジデントブイの各々に前記レーザ航路表示装置を搭載し、第１のレジデントブイから第２のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射し、前記第２のレジデントブイから第３のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射するレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明のレーザ航路表示装置を用いたシステムの運用形態を示す図である。
【００２７】
図１に示す運用の形態は、送光ブイ１としてレーザビーム５を発射するレーザ航路表示装置２を設置し、ユニバーサルジョイント８を介して海底に固定するレジデントブイ６と、目標ブイ３としてレーザビーム５を入射するレーザ照射部４およびマーカ用のランプ１０を設置し、ユニバーサルジョイント９を介して海底に固定するレジデントブイ７とから構成されている。
【００２８】
図１を参照して動作を説明する。
【００２９】
送光ブイ１上に設置されたレーザ航路表示装置２から目標ブイ３の照射部分であるレーザ照射部４に向かってレーザビーム５を発射する。目標ブイ３にはランプ１０が固定されている。ランプ１０は夜間でも他の光と区別が容易な赤外ＬＥＤを使用している。レーザ航路表示装置２は、目標ブイ３のランプ１０を検知して、レーザビーム５が常に目標ブイ３のレーザ照射部４に照射されるように制御される。通常、レーザビーム５は特定の発射パターン（例えば２秒間に０．２５秒幅のパルス１回の発射）で発射される。
【００３０】
次に、レーザ航路表示装置２の運用形態とレジデントブイ６，７について説明する。
【００３１】
レーザ航路表示装置２を航路標識として使用する場合は、複数のレジデントブイ６，７の各々にレーザ航路表示装置２を搭載し、第１のレジデントブイ６から第２のレジデントブイ７に向かってレーザビーム５を照射し、第２のレジデントブイ７から第３のレジデントブイ（図示せず）に向かってレーザビームを照射するといった運用形態となる。
【００３２】
目標とする相手側レジデントブイ７の目標ブイ３までの距離は１ｋｍから数ｋｍ程度である。目標ブイ３に照射されたレーザビーム５は、その地点で遮断して先に抜けないようにする必要がある。したがって、照射部分としてのレーザ照射部４は目標ブイ３の側面に設定される。
【００３３】
レジデントブイ６，７は、各々がユニバーサルジョイント８，９を用いて底辺が海底に固定されているブイである。通常の浮標のように大きな変動は生じず、レジデントブイの鉛直軸に沿った回転方向の変動や上下方向の変動はほとんど無い。波や風の影響で鉛直軸に対する傾斜角度は変動するが、台風による強風等の特別な場合を除けば、傾斜角度は最大５度程度変動するだけである。
【００３４】
したがって、送光ブイ１に搭載されたレーザ航路表示装置２の傾斜角度変動も最大５度程度である。
【００３５】
レーザビーム５を照射される目標ブイ３もやはり海底に固定されているため、変動は鉛直軸に対する傾斜角度変動だけである。レジデントブイ６，７の海面下部分の長さは設置する海域の水深によって異なるが２０〜３０ｍ程度であり、海上の部分は１０ｍ程度である。レーザ航路表示装置２は海面から数ｍ〜１０ｍの位置に設置する。目標ブイ３において、海底から３０ｍの位置にレーザビームを照射するレーザ照射部４（面積は１ｍ×１ｍ程度）を設定するとして、目標ブイ３の傾きを最大５度とすると、レーザ照射部４は水平方向に最大２．６ｍ変位する。これを１ｋｍ先のレーザ航路表示装置２から見た場合、レーザ照射部４の角度変動は最大２．６ｍｒａｄと微小な角度となる。
【００３６】
レジデントブイ６，７では、送光ブイ１に搭載されるレーザ航路表示装置２は、角度精度の高い追尾機構が必要とされるものの、レーザ航路表示装置２自体の傾斜角度変動が比較的小さく（５度程度）、追尾角度範囲を狭くすることができる。
【００３７】
本発明ではこのようなレジデントブイ６，７の特徴を生かして、市販されている安価な傾斜センサと画像センサとを組み合わせた傾斜補正および追尾機構を有するレーザ航路表示装置２を提供する。
【００３８】
図２は図１のレーザ航路表示装置の実施の形態を示すブロック図である。
【００３９】
図２を参照すると、レーザ航路表示装置２は、レーザビームをレーザ制御信号２５により出射するレーザ１１と、レーザビームを伝送する光ファイバ１２と、入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部１３と、目標物を撮像し画像データ２６を出力するＣＣＤカメラ１６と、画像データ２６を入力し変位量データ２７を出力する画像センサ１５と、傾斜角度データ２４を出力する傾斜センサ１４と、送光部１３から出力したレーザビームを目標物に向けて照射するミラー角度を変える可動ミラー１８と、制御指令２３を入力し駆動信号２９を出力することにより可動ミラー１８の角度を変更するミラー制御部１７と、レーザ１１の発振停止を制御するレーザ制御信号２５を出力し、傾斜角度データ２４及び変位量データ２７を入力して装置全体の傾斜角度と目標物との変位量を算出し、制御指令２３をミラー制御部１７に出力することで装置全体の制御を行うシステム制御部１９と、各部に電力２８を供給する電源部２２と、レーザビームを透過させる窓２０と、この窓２０を固定し各部をハウジングするシェルタ２１とから構成されている。
【００４０】
次に図２を参照して動作を説明する。
【００４１】
レーザ１１は、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用している。レーザ出力は２Ｗで、レーザの発射パターン（例えば、２秒間に０．２５秒幅パルス１回の発射）はシステム制御部１９で制御される。
【００４２】
レーザ１１から出射したレーザビームは、光ファイバ１２を介して送光部１３に入る。送光部１３はカセグレン型望遠鏡で、光ファイバ１２から入射したレーザビームのビーム径を拡大して出力する。送光部１３から出力されるビーム径は約２５０ｍｍ、ビーム広がり角は０．２ｍｒａｄである。送光部１３でビーム径を拡大することにより、航路上でレーザビームが見やすくなるとともに、レーザビームを直接見た場合の目に対する安全性を増大させる。また、ビーム広がり角を低減して遠方でのビーム径を制限する。
【００４３】
なお、カセグレン型望遠鏡以外に、ビーム拡大器として例えば、通常のレンズを使用することができる。
【００４４】
傾斜センサ１４は、例えば液面静電容量型２軸傾斜計で、ＲＳ２３２Ｃインターフェスを通してシステム制御部１９に傾斜角度データ２４を出力する。角度精度は±０．２度である。
【００４５】
画像センサ１５は画像処理装置であり、望遠レンズ付きのＣＣＤカメラ１６と組み合わせて使用する。画像センサ１５は、ＣＣＤカメラ１６の画角内に写った目標物の画面上の位置を検出し、所定の位置からの変位量データ２７を出力する。目標物としての相手側のレジデントブイに設置されたマーカにはランプ１０を使用する。
【００４６】
ＣＣＤカメラ１６の画角は横２度、縦１．８度、ピクセル数は横５１２、縦４８０である。ピクセル当たりの角度（角度分解能）は約０．００４度（０．０７ｍｒａｄ）である。ＣＣＤカメラ１６の光軸は送光部１３の光軸と平行に、つまりレーザビームの照射方向がＣＣＤカメラ１６の画角中心に来るように調整されている。画像センサ１５は、ＲＳ２３２Ｃインターフェスを通してシステム制御部１９に変位量データ２７を出力する。
【００４７】
可動ミラー１８は、送光部１３から出力されたレーザビームを反射させて相手側のレジデントブイの方向にレーザビームを照射する。可動ミラー１８は、ステッピングモータによって２つの直交する軸方向に対して独立にミラーの角度を変える制御機構を有している。
【００４８】
ミラー制御部１７は駆動信号２９を出力し、可動ミラー１８のステッピングモータ（図示せず）を駆動する。
【００４９】
システム制御部１９は小型のコンピュータであり、レーザ航路表示装置２全体の制御を行う。具体的には、傾斜センサ１４から出力される傾斜角度データ２４と、画像センサ１５から出力される変位量データ２７とをもとに、レーザ航路表示装置２自体の傾斜角度と相手側レジデントブイの変位量を算出する。この算出データをもとにミラー制御部１７に制御指令２３を送り、可動ミラー１８を制御してレーザビームの照射角度を変える。
【００５０】
つまり、レーザ航路表示装置２は搭載されたレジデントブイの傾斜角度を検知する傾斜センサ１４と、相手側レジデントブイの方位を検知する画像センサ１５と、レーザビーム方向の制御機構とを備え、傾斜センサ１４からの傾斜角度データ２４にもとづいたレジデントブイの傾斜角度補正機構と画像センサ１５からの誤差信号である変位量データ２７にもとづいたレジデントブイ及び目標物である相手側レジデントブイを合わせて追尾する追尾機構とを組み合わせることにより、常に目標物に向かってレーザビームが照射でき、目標物の追尾が不可能な場合にレーザビームの発射を停止する機能を有している。
【００５１】
また、レーザ制御信号２５によりレーザ１１のレーザビーム発射及び停止を行う。
【００５２】
電源部２２は、レーザ航路表示装置２の各部に電力２８を供給する。
【００５３】
シェルタ２１は上述の装置を各部に収納する。シェルタ２１に設けられた窓２０を通してレーザビームを外部に出力する。海上に設置されるためレーザ航路表示装置２は気密構造となっている。
【００５４】
図３は図２のシステム制御部に組み込まれた制御シーケンスを示すフローチャートである。
【００５５】
次に、図１、図２および図３を参照して本実施の形態の動作をより詳細に説明する。
【００５６】
追尾開始を始めると（ステップ１：Ｓ１）、まず傾斜センサ１４によってレーザ航路表示装置２自体の傾斜角度データ２４を取得し傾斜角度を検出する（ステップ２：Ｓ２）。システム制御部１９はこの傾斜角度データ２４をもとに、ミラー制御部１７を介して可動ミラー１８にフィードバックをかけてレーザビーム照射方向を疎調することにより、レーザ航路表示装置２自体の傾斜変動によるレーザビームの角度変動を補正する（ステップ３：Ｓ３）。目標の正確な追尾（微調）は後ほど説明する画像センサ１５から得られる高精度の変位量データ２７のデータをもとに行うため、この時の補正角度の精度は０．５度程度と比較的粗い精度でよい。このため安価な傾斜センサ１４を利用できる。
【００５７】
次に画像センサ１５の高精度変位データを利用した微調を行う。まずＣＣＤカメラ１６によってマーカの画像データ２６を取得する（ステップ４：Ｓ４）。
【００５８】
マーカは目標ブイ３の側面に設置されたランプ１０である。角度分解能を上げるためにＣＣＤカメラ１６は望遠レンズを備えており、このため撮影する画角は狭くなっている。しかし、傾斜センサ１４を利用した傾斜角度補正機構が働いているため、送光ブイ１が傾斜した場合でもＣＣＤカメラ１６は画角内に常にマーカを捕らえることができる。ここで目標画像を検知したかどうかを判定し、目標画像を検知できない場合で、一定時間経過後であればステップ２に戻り、一定時間経過していない場合、再度ステップ４に戻り、また目標画像を検知した場合はビーム方向の微調を行う次のステップに進む（ステップ５：Ｓ５）。
【００５９】
画角内に捕らえられたランプ１０の位置と予め設定された照射部分であるレーザ照射部４の位置のずれが変位量データ２７としてシステム制御部１９に出力される。システム制御部１９ではこの変位量データ２７をもとに補正角度を算出する。算出データをもとにミラー制御部１７を介して可動ミラー１８にフィードバックをかけてレーザビームの照射方向を微調し、目標ブイ３の照射部分であるレーザ照射部４にレーザビームを正確に照射することになる（ステップ６：Ｓ６）。なお、レーザ照射部４とランプ１０の位置はずれていても良い。
【００６０】
次に、ビーム方向が誤差範囲内かどうかを判定し、誤差範囲内でなければステップ４に戻り、誤差範囲内であれば次のステップに進む（ステップ７：Ｓ７）。
【００６１】
レーザビームは特定の発射パターン（例えば２秒間に０．２５秒幅のパルスが１回発射される）で発射され、ステップ４に戻り動作を繰り返すことになる（ステップ８：Ｓ８）。一方、先に説明した追尾機能の応答速度は０．１秒以下である。
【００６２】
本発明のレーザ航路表示装置２では、レーザ発射を停止している間に追尾を行い、万一送光ブイ１と目標ブイ３の間に船舶等が侵入し、画像センサ１５による追尾が妨害された場合にはレーザビームを発射させない安全機能を備えている。この安全機能は、システム制御部１９によって実現される。
【００６３】
なお上述の実施の形態では、目標がレジデントブイであったが、目標がレジデントブイと比較して変動量の大きな浮標の場合でも有効である。変動量のより大きな浮標の場合でも、変動する距離は高々数１０ｍ以下である。送光ブイ１から目標までの距離は通常１ｋｍ程度以上あるため、送光ブイ１からみた目標の変位角度は２度以下である。したがって、ＣＣＤカメラ１６の画角を適当に調整すれば、通常の浮標の場合も有効である。目標が固定物であっても使用できることはもちろんである。
【００６４】
ただし、目標の大きさや距離に応じてＣＣＤカメラ１６の画角を調整する必要がある。使用するマーカは必ずしも赤外ＬＥＤ型のランプ１０である必要はなく、夜間ＣＣＤカメラ１６で正確に捕らえることが可能で、エッジ検出が容易な対象ならなんでもよい。
【００６５】
なお、レーザ安全に対する対策は、画像センサ１５による追尾ができなくなった場合にレーザ発射を行わないという機能によって実現している。より具体的には、レーザ航路表示装置２で、目標ブイ３のランプ１０の位置が検知できなくなった場合に、レーザ発射を行わないような制御フローを組み込んでいる。
【００６６】
レーザに対する安全性をより高めるために、目標ブイ３に複数のランプ１０を設置することも有効である。複数のランプ１０をレーザ照射部４の両側または周囲に配置し、複数のランプのうち一部のランプ１０が検知できなくなった場合でも、レーザビームの発射を行わないような制御フローをシステム制御部１９に組み込む。これによって、送光ブイ１と目標ブイ３の間に船舶などが侵入した場合、複数のランプ１０の一部が検知できなくなるため、より短時間でレーザ発射の禁止または停止が可能となる。
【００６７】
図４はレーザ航路表示装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【００６８】
なお、図４において図２に示す構成要素に対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その説明を省略する。
【００６９】
図４を参照すると、レーザ航路表示装置３０は、レーザビームをレーザ制御信号２５により出射するレーザ１１と、レーザビームを伝送する光ファイバ１２と、入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部１３と、目標物を撮像し画像データ２６を出力するＣＣＤカメラ１６と、画像データ２６を入力し変位量データ２７を出力する画像センサ１５と、傾斜角度データ２４を出力する傾斜センサ１４と、送光部１３から出力したレーザビームを目標物に向けて照射する照射角度を変える可動ベンチ３３と、制御指令２３を入力し駆動信号３４を出力することにより可動ベンチ３３の角度を変更する可動ベンチ制御部３２と、レーザ１１の発振停止を制御するレーザ制御信号２５を出力し、傾斜角度データ２４及び変位量データ２７を入力して装置全体の傾斜角度と目標物との変位量を算出し、制御指令２３を可動ベンチ制御部３２に出力することで装置全体の制御を行うシステム制御部１９と、各部に電力２８を供給する電源部２２と、レーザビームを透過させる窓２０と、この窓２０を固定し各部をハウジングするシェルタ３１とから構成されている。
【００７０】
図２との違いは、レーザ航路表示装置２のミラー制御部１７と可動ミラー１８の代わりに、可動ベンチ制御部３２と可動ベンチ３３を使用している点である。
【００７１】
つまり、送光部１３とＣＣＤカメラ１６を可動ベンチ３３の上に設置して、送光部１３とＣＣＤカメラ１６全体を動かしている。可動ベンチ３３も可動ミラー１８と同様に２軸のステッピングモータを用いて傾きを変化させる機構を有している。可動ベンチ３３のステッピングモータは可動ベンチ制御部３２からの駆動信号３４の制御によって制御される。傾斜補正および追尾機構に傾斜センサ１４と画像センサ１５および目標ブイ３に設置されたランプ１０を利用する点は図２と同じである。
【００７２】
上述した通り、レジデントブイ（下部がユニバーサルジョイントを介して海底に固定されたブイで、通常の浮標に較べて動揺が極めて小さい）に設置され、目標とする相手側のレジデントブイ（目標ブイと記す）までの航路をレーザビームにより表示するレーザ航路表示装置である。傾斜センサと画像センサを組み合わせて、レーザ航路表示装置が搭載された当該レジデントブイ（送光ブイと記す）の傾斜と目標ブイの変位を補正し、常に目標ブイの所定部分を正確にレーザビームを照射するための簡便な角度補正および追尾機構を備えている。
【００７３】
また本装置は、万一送光ブイと目標ブイの間に船舶等が侵入し、画像センサによる追尾が妨害された場合にはレーザビームを発射しない安全機能を備えている。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ航路表示装置は、傾斜角度が常に変動しているレジデントブイに搭載が可能で、数ｋｍ先の変動する目標に向かってレーザビームを照射できるので、簡易な装置構成で高精度の追尾が行え、かつ送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合にレーザビームの発射を停止する安全機能を備えたレーザ航路表示装置が実現できるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ航路表示装置を用いたシステムの運用形態を示す図である。
【図２】図１のレーザ航路表示装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】図２のシステム制御部に組み込まれた制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図４】レーザ航路表示装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 送光ブイ
２ レーザ航路表示装置
３ 目標ブイ
４ レーザ照射部
５ レーザビーム
６，７ レジデントブイ
８，９ ユニバーサルジョイント
１０ ランプ
１１ レーザ
１２ 光ファイバ
１３ 送光部
１４ 傾斜センサ
１５ 画像センサ
１６ ＣＣＤカメラ
１７ ミラー制御部
１８ 可動ミラー
１９ システム制御部
２０ 窓
２１ シェルタ
２２ 電源部
２３ 制御指令
２４ 傾斜角度データ
２５ レーザ制御信号
２６ 画像データ
２７ 変位量データ
２８ 電力
２９ 駆動信号
３０ レーザ航路表示装置
３１ シェルタ
３２ 可動ベンチ制御部
３３ 可動ベンチ
３４ 駆動信号
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ航路表示装置及びこれを用いたシステムに関し、特に海上に浮遊するブイに搭載されブイの傾斜角度及び目標の方位を検知し、レーザビーム方向の制御機構によりレーザビームを目標に照射するレーザ航路表示装置及びこれを用いたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年海上輸送における交通量の増加や、レジャーボートの増加などによって、海上交通路の更なる安全確保が重要な課題となっている。このための方策としてレーザビームを利用した新しい航路標識が提案され、各種実験が行われている。レーザビームを利用した航路標識にはいくつかの方式があるが、特にレーザビームを大気中に発射して、レーザビームの大気散乱光により航路を表示するレーザ航路表示装置が注目されている。
【０００３】
レーザ航路表示装置は湾や港などに設置されたレジデントブイ（送光ブイと記す）に搭載されて、相手側レジデントブイ（目標ブイと記す）に向かってレーザビームを発射しその間の航路を表示する。レーザ航路表示装置では航路を正確に表示する必要があるため、レーザビームを目標ブイに正確に当てて、目標ブイの先にレーザビームが抜け出ないように遮断する必要がある。
【０００４】
ここでレジデントブイとは、下部がユニバーサルジョイントを介して海底に固定されたブイを示す。通常の浮標に較べて動揺が極めて小さいが、それでもレジデントブイは波や風の影響で傾斜状態が常に変動しているので、搭載するレーザ航路表示装置の傾斜角度も常に変動するため、この傾斜角度変動を補正する必要がある。同様に目標ブイも常に波や風の影響で変動している。
【０００５】
このため目標ブイの照射部分の方向を検知して、常にレーザビームを照射部分に当たるように照射するために高精度の追尾機構が不可欠となる。目標ブイまでの距離は通常１ｋｍ〜数ｋｍ、照射部分の大きさは１ｍ2程度であるため、追尾の角度精度としては、０．１〜０．５ｍｒａｄという高い角度精度が要求される。
【０００６】
一般にはこうした追尾装置の例として、ＧＰＳを利用することも考えられているが、目標ブイとの通信を行う必要があり、装置が複雑化することになる。
【０００７】
また、高精度の空間安定装置が市販されているが、これは船舶に搭載してその上にカメラ設置しカメラを一定の方向に向けるための装置であり、角度精度は０．１ｍｒａｄ以下と良いが非常に高価であり、レーザ航路表示装置で要求されるような大口径の送光部を設置することは困難である。
【０００８】
このような技術の一例として、特開２００１−２４１９６７号公報記載の「レーザ航路標識装置」及び特開平１１−１６５２８７号公報記載の「姿勢検出装置および姿勢制御装置並びにロボット制御装置」が知られている。
【０００９】
「レーザ航路標識装置」の公報では、複数本のレーザビームを使用し、各々のレーザビームの広がる範囲を変えることにより、近距離でも遠距離でもほぼ一定の範囲（幅）でレーザビームを視認できるようにし、範囲外では視認できなくすることでブイ等が所定範囲内に位置することを確認する技術が記載されている。
【００１０】
また、「姿勢検出装置および姿勢制御装置並びにロボット制御装置」の公報では、傾斜センサと画像センサをともに利用した簡素なシステムで姿勢検出を迅速に行う制御装置の技術が記載されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のレーザ航路表示装置は、高精度の追尾を行わせるためには装置の規模が大きくかつ複雑化するという欠点を有している。
【００１２】
また、送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合に、常にレーザビームが放射されているため乗員の網膜に照射されると乗員の目を危険に曝すという欠点を有している。
【００１３】
本発明の目的は、簡易な装置構成で高精度の追尾が行え、かつ送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合レーザビームの発射を停止する安全機能を備えたレーザ航路表示装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ航路表示装置は、変動するブイに搭載されてレーザビームを目標に照射するレーザ航路表示装置であって、前記レーザ航路表示装置は搭載された前記ブイの傾斜角度を検知する傾斜センサと、前記目標の方位を検知する画像センサと、前記レーザビーム方向の制御機構とを備え、前記傾斜センサからの傾斜角度信号にもとづいた前記ブイの傾斜角度補正機構と前記画像センサからの誤差信号にもとづいた前記ブイ及び前記目標を合わせて追尾する追尾機構とを組み合わせることにより、常に前記目標に向かって前記レーザビームが照射でき、前記目標の追尾が不可能な場合に前記レーザビームの発射を停止することを特徴としている。
【００１５】
レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射するミラー角度を変える可動ミラーと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ミラーの角度を制御するミラー制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記ミラー制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴としている。
【００１６】
また、レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射する照射角度を変える可動ベンチと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ベンチの角度を制御する可動ベンチ制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記可動ベンチ制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴としている。
【００１７】
前記システム制御部は、前記傾斜センサから出力される前記傾斜角度データと、前記画像センサから出力される前記変位量データとをもとに、装置自体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、この算出データをもとに前記ミラー制御部に前記制御指令を送り、前記可動ミラー又は前記可動ベンチを制御して前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴としている。
【００１８】
前記システム制御部は、前記レーザ制御信号により前記レーザビームの発射及び停止を行うことを特徴としている。
【００１９】
前記ミラー制御部は、前記駆動信号により前記可動ミラーが有するステッピングモータを駆動することで、前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴としている。
【００２０】
前記送光部は、カセグレン型望遠鏡であって、前記光ファイバから入射した前記レーザビームのビーム径を拡大して出力することを特徴としている。
【００２１】
前記レーザは、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ（ネオジウム・ヤグレーザ）であることを特徴としている。
【００２２】
また、レーザ航路表示装置を具備し、
送光ブイとしてレーザビームを発射する前記レーザ航路表示装置を設置し、第１のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第１のレジデントブイと；
目標ブイとして前記レーザビームを入射するレーザ照射部及びマーカ用のランプを設置し、第２のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第２のレジデントブイと；
を備えたレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２３】
前記送光ブイ上に設置された前記レーザ航路表示装置は、前記目標ブイの照射部分である前記レーザ照射部に向かって前記レーザビームを発射し、前記目標ブイに固定されたランプを検知して、前記レーザビームが常に前記目標ブイの前記レーザ照射部に照射されるように制御されるレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２４】
複数のレジデントブイの各々に前記レーザ航路表示装置を搭載し、第１のレジデントブイから第２のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射し、前記第２のレジデントブイから第３のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射するレーザ航路表示システムを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明のレーザ航路表示装置を用いたシステムの運用形態を示す図である。
【００２７】
図１に示す運用の形態は、送光ブイ１としてレーザビーム５を発射するレーザ航路表示装置２を設置し、ユニバーサルジョイント８を介して海底に固定するレジデントブイ６と、目標ブイ３としてレーザビーム５を入射するレーザ照射部４およびマーカ用のランプ１０を設置し、ユニバーサルジョイント９を介して海底に固定するレジデントブイ７とから構成されている。
【００２８】
図１を参照して動作を説明する。
【００２９】
送光ブイ１上に設置されたレーザ航路表示装置２から目標ブイ３の照射部分であるレーザ照射部４に向かってレーザビーム５を発射する。目標ブイ３にはランプ１０が固定されている。ランプ１０は夜間でも他の光と区別が容易な赤外ＬＥＤを使用している。レーザ航路表示装置２は、目標ブイ３のランプ１０を検知して、レーザビーム５が常に目標ブイ３のレーザ照射部４に照射されるように制御される。通常、レーザビーム５は特定の発射パターン（例えば２秒間に０．２５秒幅のパルス１回の発射）で発射される。
【００３０】
次に、レーザ航路表示装置２の運用形態とレジデントブイ６，７について説明する。
【００３１】
レーザ航路表示装置２を航路標識として使用する場合は、複数のレジデントブイ６，７の各々にレーザ航路表示装置２を搭載し、第１のレジデントブイ６から第２のレジデントブイ７に向かってレーザビーム５を照射し、第２のレジデントブイ７から第３のレジデントブイ（図示せず）に向かってレーザビームを照射するといった運用形態となる。
【００３２】
目標とする相手側レジデントブイ７の目標ブイ３までの距離は１ｋｍから数ｋｍ程度である。目標ブイ３に照射されたレーザビーム５は、その地点で遮断して先に抜けないようにする必要がある。したがって、照射部分としてのレーザ照射部４は目標ブイ３の側面に設定される。
【００３３】
レジデントブイ６，７は、各々がユニバーサルジョイント８，９を用いて底辺が海底に固定されているブイである。通常の浮標のように大きな変動は生じず、レジデントブイの鉛直軸に沿った回転方向の変動や上下方向の変動はほとんど無い。波や風の影響で鉛直軸に対する傾斜角度は変動するが、台風による強風等の特別な場合を除けば、傾斜角度は最大５度程度変動するだけである。
【００３４】
したがって、送光ブイ１に搭載されたレーザ航路表示装置２の傾斜角度変動も最大５度程度である。
【００３５】
レーザビーム５を照射される目標ブイ３もやはり海底に固定されているため、変動は鉛直軸に対する傾斜角度変動だけである。レジデントブイ６，７の海面下部分の長さは設置する海域の水深によって異なるが２０〜３０ｍ程度であり、海上の部分は１０ｍ程度である。レーザ航路表示装置２は海面から数ｍ〜１０ｍの位置に設置する。目標ブイ３において、海底から３０ｍの位置にレーザビームを照射するレーザ照射部４（面積は１ｍ×１ｍ程度）を設定するとして、目標ブイ３の傾きを最大５度とすると、レーザ照射部４は水平方向に最大２．６ｍ変位する。これを１ｋｍ先のレーザ航路表示装置２から見た場合、レーザ照射部４の角度変動は最大２．６ｍｒａｄと微小な角度となる。
【００３６】
レジデントブイ６，７では、送光ブイ１に搭載されるレーザ航路表示装置２は、角度精度の高い追尾機構が必要とされるものの、レーザ航路表示装置２自体の傾斜角度変動が比較的小さく（５度程度）、追尾角度範囲を狭くすることができる。
【００３７】
本発明ではこのようなレジデントブイ６，７の特徴を生かして、市販されている安価な傾斜センサと画像センサとを組み合わせた傾斜補正および追尾機構を有するレーザ航路表示装置２を提供する。
【００３８】
図２は図１のレーザ航路表示装置の実施の形態を示すブロック図である。
【００３９】
図２を参照すると、レーザ航路表示装置２は、レーザビームをレーザ制御信号２５により出射するレーザ１１と、レーザビームを伝送する光ファイバ１２と、入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部１３と、目標物を撮像し画像データ２６を出力するＣＣＤカメラ１６と、画像データ２６を入力し変位量データ２７を出力する画像センサ１５と、傾斜角度データ２４を出力する傾斜センサ１４と、送光部１３から出力したレーザビームを目標物に向けて照射するミラー角度を変える可動ミラー１８と、制御指令２３を入力し駆動信号２９を出力することにより可動ミラー１８の角度を変更するミラー制御部１７と、レーザ１１の発振停止を制御するレーザ制御信号２５を出力し、傾斜角度データ２４及び変位量データ２７を入力して装置全体の傾斜角度と目標物との変位量を算出し、制御指令２３をミラー制御部１７に出力することで装置全体の制御を行うシステム制御部１９と、各部に電力２８を供給する電源部２２と、レーザビームを透過させる窓２０と、この窓２０を固定し各部をハウジングするシェルタ２１とから構成されている。
【００４０】
次に図２を参照して動作を説明する。
【００４１】
レーザ１１は、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザを使用している。レーザ出力は２Ｗで、レーザの発射パターン（例えば、２秒間に０．２５秒幅パルス１回の発射）はシステム制御部１９で制御される。
【００４２】
レーザ１１から出射したレーザビームは、光ファイバ１２を介して送光部１３に入る。送光部１３はカセグレン型望遠鏡で、光ファイバ１２から入射したレーザビームのビーム径を拡大して出力する。送光部１３から出力されるビーム径は約２５０ｍｍ、ビーム広がり角は０．２ｍｒａｄである。送光部１３でビーム径を拡大することにより、航路上でレーザビームが見やすくなるとともに、レーザビームを直接見た場合の目に対する安全性を増大させる。また、ビーム広がり角を低減して遠方でのビーム径を制限する。
【００４３】
なお、カセグレン型望遠鏡以外に、ビーム拡大器として例えば、通常のレンズを使用することができる。
【００４４】
傾斜センサ１４は、例えば液面静電容量型２軸傾斜計で、ＲＳ２３２Ｃインターフェスを通してシステム制御部１９に傾斜角度データ２４を出力する。角度精度は±０．２度である。
【００４５】
画像センサ１５は画像処理装置であり、望遠レンズ付きのＣＣＤカメラ１６と組み合わせて使用する。画像センサ１５は、ＣＣＤカメラ１６の画角内に写った目標物の画面上の位置を検出し、所定の位置からの変位量データ２７を出力する。目標物としての相手側のレジデントブイに設置されたマーカにはランプ１０を使用する。
【００４６】
ＣＣＤカメラ１６の画角は横２度、縦１．８度、ピクセル数は横５１２、縦４８０である。ピクセル当たりの角度（角度分解能）は約０．００４度（０．０７ｍｒａｄ）である。ＣＣＤカメラ１６の光軸は送光部１３の光軸と平行に、つまりレーザビームの照射方向がＣＣＤカメラ１６の画角中心に来るように調整されている。画像センサ１５は、ＲＳ２３２Ｃインターフェスを通してシステム制御部１９に変位量データ２７を出力する。
【００４７】
可動ミラー１８は、送光部１３から出力されたレーザビームを反射させて相手側のレジデントブイの方向にレーザビームを照射する。可動ミラー１８は、ステッピングモータによって２つの直交する軸方向に対して独立にミラーの角度を変える制御機構を有している。
【００４８】
ミラー制御部１７は駆動信号２９を出力し、可動ミラー１８のステッピングモータ（図示せず）を駆動する。
【００４９】
システム制御部１９は小型のコンピュータであり、レーザ航路表示装置２全体の制御を行う。具体的には、傾斜センサ１４から出力される傾斜角度データ２４と、画像センサ１５から出力される変位量データ２７とをもとに、レーザ航路表示装置２自体の傾斜角度と相手側レジデントブイの変位量を算出する。この算出データをもとにミラー制御部１７に制御指令２３を送り、可動ミラー１８を制御してレーザビームの照射角度を変える。
【００５０】
つまり、レーザ航路表示装置２は搭載されたレジデントブイの傾斜角度を検知する傾斜センサ１４と、相手側レジデントブイの方位を検知する画像センサ１５と、レーザビーム方向の制御機構とを備え、傾斜センサ１４からの傾斜角度データ２４にもとづいたレジデントブイの傾斜角度補正機構と画像センサ１５からの誤差信号である変位量データ２７にもとづいたレジデントブイ及び目標物である相手側レジデントブイを合わせて追尾する追尾機構とを組み合わせることにより、常に目標物に向かってレーザビームが照射でき、目標物の追尾が不可能な場合にレーザビームの発射を停止する機能を有している。
【００５１】
また、レーザ制御信号２５によりレーザ１１のレーザビーム発射及び停止を行う。
【００５２】
電源部２２は、レーザ航路表示装置２の各部に電力２８を供給する。
【００５３】
シェルタ２１は上述の装置を各部に収納する。シェルタ２１に設けられた窓２０を通してレーザビームを外部に出力する。海上に設置されるためレーザ航路表示装置２は気密構造となっている。
【００５４】
図３は図２のシステム制御部に組み込まれた制御シーケンスを示すフローチャートである。
【００５５】
次に、図１、図２および図３を参照して本実施の形態の動作をより詳細に説明する。
【００５６】
追尾開始を始めると（ステップ１：Ｓ１）、まず傾斜センサ１４によってレーザ航路表示装置２自体の傾斜角度データ２４を取得し傾斜角度を検出する（ステップ２：Ｓ２）。システム制御部１９はこの傾斜角度データ２４をもとに、ミラー制御部１７を介して可動ミラー１８にフィードバックをかけてレーザビーム照射方向を疎調することにより、レーザ航路表示装置２自体の傾斜変動によるレーザビームの角度変動を補正する（ステップ３：Ｓ３）。目標の正確な追尾（微調）は後ほど説明する画像センサ１５から得られる高精度の変位量データ２７のデータをもとに行うため、この時の補正角度の精度は０．５度程度と比較的粗い精度でよい。このため安価な傾斜センサ１４を利用できる。
【００５７】
次に画像センサ１５の高精度変位データを利用した微調を行う。まずＣＣＤカメラ１６によってマーカの画像データ２６を取得する（ステップ４：Ｓ４）。
【００５８】
マーカは目標ブイ３の側面に設置されたランプ１０である。角度分解能を上げるためにＣＣＤカメラ１６は望遠レンズを備えており、このため撮影する画角は狭くなっている。しかし、傾斜センサ１４を利用した傾斜角度補正機構が働いているため、送光ブイ１が傾斜した場合でもＣＣＤカメラ１６は画角内に常にマーカを捕らえることができる。ここで目標画像を検知したかどうかを判定し、目標画像を検知できない場合で、一定時間経過後であればステップ２に戻り、一定時間経過していない場合、再度ステップ４に戻り、また目標画像を検知した場合はビーム方向の微調を行う次のステップに進む（ステップ５：Ｓ５）。
【００５９】
画角内に捕らえられたランプ１０の位置と予め設定された照射部分であるレーザ照射部４の位置のずれが変位量データ２７としてシステム制御部１９に出力される。システム制御部１９ではこの変位量データ２７をもとに補正角度を算出する。算出データをもとにミラー制御部１７を介して可動ミラー１８にフィードバックをかけてレーザビームの照射方向を微調し、目標ブイ３の照射部分であるレーザ照射部４にレーザビームを正確に照射することになる（ステップ６：Ｓ６）。なお、レーザ照射部４とランプ１０の位置はずれていても良い。
【００６０】
次に、ビーム方向が誤差範囲内かどうかを判定し、誤差範囲内でなければステップ４に戻り、誤差範囲内であれば次のステップに進む（ステップ７：Ｓ７）。
【００６１】
レーザビームは特定の発射パターン（例えば２秒間に０．２５秒幅のパルスが１回発射される）で発射され、ステップ４に戻り動作を繰り返すことになる（ステップ８：Ｓ８）。一方、先に説明した追尾機能の応答速度は０．１秒以下である。
【００６２】
本発明のレーザ航路表示装置２では、レーザ発射を停止している間に追尾を行い、万一送光ブイ１と目標ブイ３の間に船舶等が侵入し、画像センサ１５による追尾が妨害された場合にはレーザビームを発射させない安全機能を備えている。この安全機能は、システム制御部１９によって実現される。
【００６３】
なお上述の実施の形態では、目標がレジデントブイであったが、目標がレジデントブイと比較して変動量の大きな浮標の場合でも有効である。変動量のより大きな浮標の場合でも、変動する距離は高々数１０ｍ以下である。送光ブイ１から目標までの距離は通常１ｋｍ程度以上あるため、送光ブイ１からみた目標の変位角度は２度以下である。したがって、ＣＣＤカメラ１６の画角を適当に調整すれば、通常の浮標の場合も有効である。目標が固定物であっても使用できることはもちろんである。
【００６４】
ただし、目標の大きさや距離に応じてＣＣＤカメラ１６の画角を調整する必要がある。使用するマーカは必ずしも赤外ＬＥＤ型のランプ１０である必要はなく、夜間ＣＣＤカメラ１６で正確に捕らえることが可能で、エッジ検出が容易な対象ならなんでもよい。
【００６５】
なお、レーザ安全に対する対策は、画像センサ１５による追尾ができなくなった場合にレーザ発射を行わないという機能によって実現している。より具体的には、レーザ航路表示装置２で、目標ブイ３のランプ１０の位置が検知できなくなった場合に、レーザ発射を行わないような制御フローを組み込んでいる。
【００６６】
レーザに対する安全性をより高めるために、目標ブイ３に複数のランプ１０を設置することも有効である。複数のランプ１０をレーザ照射部４の両側または周囲に配置し、複数のランプのうち一部のランプ１０が検知できなくなった場合でも、レーザビームの発射を行わないような制御フローをシステム制御部１９に組み込む。これによって、送光ブイ１と目標ブイ３の間に船舶などが侵入した場合、複数のランプ１０の一部が検知できなくなるため、より短時間でレーザ発射の禁止または停止が可能となる。
【００６７】
図４はレーザ航路表示装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【００６８】
なお、図４において図２に示す構成要素に対応するものは同一の参照数字または符号を付し、その説明を省略する。
【００６９】
図４を参照すると、レーザ航路表示装置３０は、レーザビームをレーザ制御信号２５により出射するレーザ１１と、レーザビームを伝送する光ファイバ１２と、入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部１３と、目標物を撮像し画像データ２６を出力するＣＣＤカメラ１６と、画像データ２６を入力し変位量データ２７を出力する画像センサ１５と、傾斜角度データ２４を出力する傾斜センサ１４と、送光部１３から出力したレーザビームを目標物に向けて照射する照射角度を変える可動ベンチ３３と、制御指令２３を入力し駆動信号３４を出力することにより可動ベンチ３３の角度を変更する可動ベンチ制御部３２と、レーザ１１の発振停止を制御するレーザ制御信号２５を出力し、傾斜角度データ２４及び変位量データ２７を入力して装置全体の傾斜角度と目標物との変位量を算出し、制御指令２３を可動ベンチ制御部３２に出力することで装置全体の制御を行うシステム制御部１９と、各部に電力２８を供給する電源部２２と、レーザビームを透過させる窓２０と、この窓２０を固定し各部をハウジングするシェルタ３１とから構成されている。
【００７０】
図２との違いは、レーザ航路表示装置２のミラー制御部１７と可動ミラー１８の代わりに、可動ベンチ制御部３２と可動ベンチ３３を使用している点である。
【００７１】
つまり、送光部１３とＣＣＤカメラ１６を可動ベンチ３３の上に設置して、送光部１３とＣＣＤカメラ１６全体を動かしている。可動ベンチ３３も可動ミラー１８と同様に２軸のステッピングモータを用いて傾きを変化させる機構を有している。可動ベンチ３３のステッピングモータは可動ベンチ制御部３２からの駆動信号３４の制御によって制御される。傾斜補正および追尾機構に傾斜センサ１４と画像センサ１５および目標ブイ３に設置されたランプ１０を利用する点は図２と同じである。
【００７２】
上述した通り、レジデントブイ（下部がユニバーサルジョイントを介して海底に固定されたブイで、通常の浮標に較べて動揺が極めて小さい）に設置され、目標とする相手側のレジデントブイ（目標ブイと記す）までの航路をレーザビームにより表示するレーザ航路表示装置である。傾斜センサと画像センサを組み合わせて、レーザ航路表示装置が搭載された当該レジデントブイ（送光ブイと記す）の傾斜と目標ブイの変位を補正し、常に目標ブイの所定部分を正確にレーザビームを照射するための簡便な角度補正および追尾機構を備えている。
【００７３】
また本装置は、万一送光ブイと目標ブイの間に船舶等が侵入し、画像センサによる追尾が妨害された場合にはレーザビームを発射しない安全機能を備えている。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ航路表示装置は、傾斜角度が常に変動しているレジデントブイに搭載が可能で、数ｋｍ先の変動する目標に向かってレーザビームを照射できるので、簡易な装置構成で高精度の追尾が行え、かつ送光ブイと目標ブイとの間に船舶等が侵入した場合にレーザビームの発射を停止する安全機能を備えたレーザ航路表示装置が実現できるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ航路表示装置を用いたシステムの運用形態を示す図である。
【図２】図１のレーザ航路表示装置の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】図２のシステム制御部に組み込まれた制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図４】レーザ航路表示装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 送光ブイ
２ レーザ航路表示装置
３ 目標ブイ
４ レーザ照射部
５ レーザビーム
６，７ レジデントブイ
８，９ ユニバーサルジョイント
１０ ランプ
１１ レーザ
１２ 光ファイバ
１３ 送光部
１４ 傾斜センサ
１５ 画像センサ
１６ ＣＣＤカメラ
１７ ミラー制御部
１８ 可動ミラー
１９ システム制御部
２０ 窓
２１ シェルタ
２２ 電源部
２３ 制御指令
２４ 傾斜角度データ
２５ レーザ制御信号
２６ 画像データ
２７ 変位量データ
２８ 電力
２９ 駆動信号
３０ レーザ航路表示装置
３１ シェルタ
３２ 可動ベンチ制御部
３３ 可動ベンチ
３４ 駆動信号
Claims (11)
- 変動するブイに搭載されてレーザビームを目標に照射するレーザ航路表示装置であって、前記レーザ航路表示装置は搭載された前記ブイの傾斜角度を検知する傾斜センサと、前記目標の方位を検知する画像センサと、前記レーザビーム方向の制御機構とを備え、前記傾斜センサからの傾斜角度信号にもとづいた前記ブイの傾斜角度補正機構と前記画像センサからの誤差信号にもとづいた前記ブイ及び前記目標を合わせて追尾する追尾機構とを組み合わせることにより、常に前記目標に向かって前記レーザビームが照射でき、前記目標の追尾が不可能な場合に前記レーザビームの発射を停止することを特徴とするレーザ航路表示装置。
- レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射するミラー角度を変える可動ミラーと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ミラーの角度を制御するミラー制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記ミラー制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴とするレーザ航路表示装置。 - レーザビームをレーザ制御信号により出力するレーザと；
前記レーザビームを伝送する光ファイバと；
この光ファイバより入射したレーザビーム径を拡大して出力する送光部と；
目標物を撮像し、画像データを出力するＣＣＤカメラと；
前記画像データを入力し、変位量データを出力する画像センサと；
傾斜角度データを出力する傾斜センサと；
前記送光部から出力した前記レーザビームを、前記目標物に向けて照射する照射角度を変える可動ベンチと；
制御指令を入力し、駆動信号を出力することにより前記可動ベンチの角度を制御する可動ベンチ制御部と；
前記レーザの発射及び停止を制御する前記レーザ制御信号を出力し、前記傾斜角度データ及び前記変位量データを入力して装置全体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、前記制御指令を前記可動ベンチ制御部に出力するシステム制御部と；
各部に電力を供給する電源部と；
前記レーザビームを透過させる窓と；
この窓を固定し各部をハウジングするシェルタと；
を備えたことを特徴とするレーザ航路表示装置。 - 前記システム制御部は、前記傾斜センサから出力される前記傾斜角度データと、前記画像センサから出力される前記変位量データとをもとに、装置自体の傾斜角度と前記目標物との変位量を算出し、この算出データをもとに前記ミラー制御部に前記制御指令を送り、前記可動ミラー又は前記可動ベンチを制御して前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のレーザ航路表示装置。
- 前記システム制御部は、前記レーザ制御信号により前記レーザビームの発射及び停止を行うことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のレーザ航路表示装置。
- 前記ミラー制御部は、前記駆動信号により前記可動ミラーが有するステッピングモータを駆動することで、前記レーザビームの照射角度を変えることを特徴とする請求項２記載のレーザ航路表示装置。
- 前記送光部は、カセグレン型望遠鏡であって、前記光ファイバから入射した前記レーザビームのビーム径を拡大して出力することを特徴とする請求項２、３，４，５又は６記載のレーザ航路表示装置。
- 前記レーザは、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ（ネオジウム・ヤグレーザ）であることを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７記載のレーザ航路表示装置。
- 請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ航路表示装置を具備し、
送光ブイとしてレーザビームを発射する前記レーザ航路表示装置を設置し、第１のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第１のレジデントブイと；
目標ブイとして前記レーザビームを入射するレーザ照射部及びマーカ用のランプを設置し、第２のユニバーサルジョイントを介して海底に固定する第２のレジデントブイと；
を備えたことを特徴とするレーザ航路表示システム。 - 前記送光ブイ上に設置された前記レーザ航路表示装置は、前記目標ブイの照射部分である前記レーザ照射部に向かって前記レーザビームを発射し、前記目標ブイに固定されたランプを検知して、前記レーザビームが常に前記目標ブイの前記レーザ照射部に照射されるように制御されることを特徴とする請求項９記載のレーザ航路表示システム。
- 複数のレジデントブイの各々に前記レーザ航路表示装置を搭載し、第１のレジデントブイから第２のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射し、前記第２のレジデントブイから第３のレジデントブイに向かって前記レーザビームを照射することを特徴とする請求項９又は請求項１０記載のレーザ航路表示システム。
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