JP3893461B2 - 誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムに係り、特に、母船と母船に制御されながら航行する航走体とを有する系における誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中で行なう各種探査においては、基地となる母船により制御された無人の航走体が、実際の探査作業を行なうことが多い。その場合、航走体はソーナーを有しており、遠くから水中にある目標（物体）を発見することが可能である。しかし、その目標に近づくための方位制御は、ソーナースコープを見ながら、母船で手動操縦する必要があり、非常に高度な操縦技術を必要とする。更に、高速で目標に向かう場合には、度々ソーナーのレンジから目標が外れてしまい、目標を見失うことがある。
【０００３】
また、目標付近での作業では、従来はカメラ画像を見て作業を行なっていた。しかし、水中の透明度等により、目標をカメラで捕らえることは容易ではなく、作業は困難な場合がある。
【０００４】
更に、目標に近づいた時点において、操縦者は、航走体の操縦に集中する必要がある。そのため、ソーナーの俯仰角の制御、ソーナー中心角及びカメラの俯仰角を制御するチルト装置の制御を同時に行なうことは容易ではない。従って、目標の見失いや衝突の危険性を有している。また、母船は、航走体の正確な絶対位置（以下、単に「位置」ともいう）を把握している必要がある。
【０００５】
従って、航走体を目標へ容易に自動的に誘導する技術が求められている。また、航走体を目標近傍で自動的に停止させ、作業を行なわせる技術が求められている。さらに、航走体の誘導中に、航走体のソーナーを常に自動的に目標に向けさせる技術が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体における、母船での操縦を容易に行なうことが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、目標を見失うことなく、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体を制御、操縦することが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、目標物に関わる作業、処理等を容易に行なうことが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明の誘導制御装置は、探査信号を表示する画面表示手段（１１−１）を有し、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号における物体を表すエコー（２２）を画面表示手段（１１−１）上に表示し、画面表示手段（１１−１）上のエコー（２２）のある場所としての第１場所が指定された時、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出する操作表示部（１１）と、その第１相対位置に基づいて、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とするように航走体（２）を制御する誘導制御部（５）とを具備する。
【００１１】
また、本発明の誘導制御装置は、航走体（２）から出力されたその探査信号に基づいて、エコー（２２）の航走体（２）に対する相対位置としての第２相対位置を算出する探査信号処理部（１０）をさらに具備する。そして、操作表示部（１１）は、その第２相対位置に基づいて、エコー（２２）を画面表示手段（１１−１）上に表示する。
【００１２】
また、本発明の誘導制御装置は、操作表示部（１１）が、その第１相対位置とその第２相対位置が、画面表示手段（１１−１）上でずれた場合、その第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定されたとき、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出する。そして、誘導制御部（５）は、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とするように航走体（２）を制御する。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の誘導制御システムは、上記のいずれか一項に記載の誘導制御装置（４）と、誘導制御装置（４）に制御される航走体（２）とを具備する。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の誘導制御方法は、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップと、画面表示手段（１１−１）に表示された、物体を表すエコー（２２）のある場所としての第１場所を指定するステップと、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備する。
【００２１】
また、本発明の誘導制御方法は、その探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップが、その探査信号を航走体（２）から受信するステップと、受信されたその探査信号に基づいて、エコー（２２）の航走体（２）に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、その第２相対位置に基づいて、エコー（２２）を画面表示手段（１１−１）に表示するステップとを具備する。
【００２２】
また、本発明の誘導制御方法は、その第１相対位置とその第２相対位置とが、画面表示手段（１１−１）上でずれた場合、その第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定するステップと、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを更に具備する。
【００２８】
上記課題を解決するために、本発明に関わるプログラムは、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップと、画面表示手段（１１−１）に表示された、物体を表すエコー（２２）のある場所としての第１場所が指定されたとき、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備し、
前記探査信号を前記画面表示手段に表示するステップは、前記探査信号を前記航走体から受信するステップと、受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記画面表示手段に表示するステップとを有し、
さらに、その第１相対位置とその第２相対位置とが、画面表示手段（１１−１）上でずれ、その第２相対位置を示す場所としての第２場所が改めて指定されたとき、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備し、それらのステップをコンピューターに実行させる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、母船に制御され、水中探査に使用される航走体を例に示して説明する。ただし、他の母船に制御され、母船を離れて動作を行なう航走体（水中に限らない）についても適用可能である。
なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３２】
本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態の構成について説明する。
図１は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる構成を示す図である。
誘導制御装置４とＧＰＳ受信装置４１とを含む母船１、航走体制御システム１２を含む航走体２、母船１と航走体２とをつなぐケーブル４２を備える。目標３は航走体２が近接もしくは追尾すべき目標である。また、制御にはＧＰＳ用衛星群４０を使用する。
【００３３】
母船１は、航走体２を探査海域まで輸送し、探査海域において航走体２を送出し、航走体２の運行を制御する。誘導制御装置４とＧＰＳ受信装置４１とを有する。
誘導制御装置４は、母船１に属する。航走体２の母船１に対する相対位置を把握している。そして、航走体２を目標３へ誘導するために、自身が計測した情報と航走体２から得た情報とに基づいて、各種演算を行ない、航走体２を制御するための各種信号を生成し、航走体２へ送信する。航走体２とは、ケーブル４２を介して通信を行なう。ただし、海中無線装置（図示せず）で行なうことも可能である。
ＧＰＳ受信装置４１は、母船１に属し、ＧＰＳ用衛星群４０を利用して、母船１の位置としての母船位置情報を出力する。母船位置情報は、（緯度、経度）で例示される。
【００３４】
航走体２は、母船１で探査海域まで輸送され、探査海域において母船１から送出され、母船１に制御されながら水中を航行し、各種作業を行なう。母船１とは、ケーブル４２を介して通信を行なう。航走体２は、無人水中探査船で例示される。
航走体制御システム１２は、航走体２に属する。対地速度や深度のような航走体２の運行状況に関する情報、目標３に関する情報を計測、把握する。そして、母船１の誘導制御装置４へ出力する。また、母船１の誘導制御装置４から、航走体２を制御する各種信号を受信し、航走体２を制御する。
【００３５】
ケーブル４２は、母船１と航走体２とを通信可能に接続する。航走体２（の航走体制御システム１２）から出力される各種情報を母船１（の誘導制御装置４）へ伝達する。また、母船１から出力される航走体２を制御するための各種信号を航走体２へ伝達する。ケーブル４２を用いず、無線を用いて行なっても良い。
【００３６】
目標３は、海中にあり、航走体２が近づき、何らかの処理（作業）を行なう対象である。あるいは、航走体２の移動する目標地点である。目標３は、海中生物、海中の沈没船、遺跡、機雷、地点（緯度、経度、水深）等で例示される。
【００３７】
ＧＰＳ用衛星群４０は、一般に用いられるＧＰＳの運用に使用される複数の衛星である。その衛星群からの情報により、ＧＰＳ受信装置４１は、母船１の母船位置情報を出力（算出）する。
【００３８】
次に、誘導制御装置４について、更に説明する。
図２は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムが適用される実施の形態の構成を示す図である。誘導制御装置４は、誘導制御部５、水中音響装置６、記憶部７、送受信部８、入出力部９、探査信号処理部としてのソーナー信号処理部１０及び操作表示部１１を具備する。
【００３９】
誘導制御部５は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４の制御を行なう。それと共に、航走体２の制御を行なう。誘導制御部５は、ＣＰＵとメモリー及び周辺装置のような情報処理装置に例示される。また、航走体相対位置情報（後述）及び母船位置情報とに基づいて、航走体２の絶対位置を示す航走体位置情報（例示：緯度、経度、深度）を算出する。そして、航走体データ（後述：方位情報、速度情報、深度情報など）、ソーナーデータ（後述：対象相対距離情報、対象相対方位情報、対象相対ピッチ角など）、航走体位置情報及び基準値（後述：距離基準値、チルト角基準値など）に基づいて、各種演算（後述：第１及び第２アルゴリズムなど）を行ない、航走体２（及び付属機器）の動作を制御する。
【００４０】
水中音響部６は、誘導制御装置４に属する。水中音響装置（図示せず）及びその水中音響装置が発する探査信号（水中ソーナー信号）の反射波を受信する受波装置（図示せず）を有する。航走体２へ探査信号を発信し、その反射波を計測する。そして、その反射波に基づいて、航走体２の母船１に対する相対位置である航走体相対位置（例示：距離、方位）を算出し、航走体相対位置情報として出力する。水中音響部６は、ソーナーシステムに例示される。
【００４１】
記憶部７は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４の制御に用いる各種情報・データを各種情報・データに対応するテーブル（例示：計測（計算）時刻及び情報・データを関連付けたテーブル）に記憶している。また、演算に用いる演算アルゴリズムを記憶している。記憶部７は、ハードディスクに例示される。
【００４２】
送受信部８は、誘導制御装置４に属する。航走体２と母船１とがケーブル４２を用いて通信を行なう際、インターフェースとして機能する。また、ケーブル４２を用いない場合には、海中無線装置である。
【００４３】
入出力部９は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４での制御に必要な情報の入出力を行なう。入出力部９は、キーボード、トラックボール（型のマウス）、ジョイスティック、タッチパネル等に例示される。
【００４４】
ソーナー信号処理部１０は、誘導制御装置４に属する。航走体２の水中音響部１４で得られたソーナー３１（後述）の計測データ（後述）に基づいて、目標３の航走体２に対する相対距離としての対象相対距離、目標３の航走体２に対する水平方向の相対方位としての対象相対方位、目標３の航走体２に対する相対俯角としての対象相対ピッチ角を計算する。
【００４５】
操作表示部１１は、誘導制御装置４に属し、水中探査信号（ソーナー信号）を表示する画面表示手段としてのソーナースコープを有し、航走体２及び目標３の相対的な状況を画面表示する。それと共に、表示画面上のカーソルを操作することにより、航走体２を誘導、制御するための信号を生成する。
【００４６】
ここで、操作表示部１１について、更に説明する。
図３は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム及び誘導制御方法における操作表示部１１におけるソーナースコープの表示画面１１−１の一例を示す図である。表示画面１１−１は、航走体２が水中音響部１４の探査信号により検知している海中の様子を示す。カーソル２１、エコー２２及び目標指定シンボル２３（２３’）とを含む。
【００４７】
カーソル２１は、表示画面１１−１において、表示される画像に対して操作を行なう際、画像上の操作場所を指定する。図２の入出力部９により移動、場所指定を行なう。例えば、トラックボール（図示せず）の操作によりカーソル２１を移動し、目標指定ボタン（図示せず）を押すことにより指定する。
エコー２２は、航走体２の水中音響部１４（図４で後述）の発する探査信号が、何らかの物体に反射し戻ってきた反射波に基づいて、何らかの物体の存在すると計算される位置（及び大きさ）を示している。
目標指定シンボル２３（２３’）は、カーソル２１により画像上に指定された操作場所を表している。そして、航走体２は、この目標指定シンボル２３の表示に対応する位置へ向かい移動する。
【００４８】
表示画面１１−１では、操作表示部１１が、目標３の航走体２に対する相対位置の情報である対象相対距離情報、対象相対方位情報及び対象相対ピッチ角（後述）に基づいて、目標３をエコー２２としてソーナースコープ上に投影、表示する。その時の座標は航走体２に対する相対座標で表現される。ただし、航走体位置情報を用いることにより、対象相対距離情報、対象相対方位情報及び対象相対ピッチ角を絶対座標系に容易に変換可能であり、表示画面１１−１を絶対座標系で表示しても良い。
【００４９】
図３（ａ）では、表示画面１１−１において、エコー２２及びカーソル２１が表示されている。エコー２２は、目標３に対応する。
図３（ｂ）では、表示画面１１−１において、操縦者が、カーソル２１をトラックボールにより動かし、エコー２２に合わせ、目標指定ボタンを押すことにより、目標指定シンボル２３が表示された時点を示している。この目標指定シンボル２３で指定された位置へ航走体２が移動する（そうなるように誘導制御部５で制御する）。
図３（ｃ）では、表示画面１１−１において、航走体２の位置測定誤差の累積によりエコー２２と目標指定シンボル２３との間にずれが生じたため、カーソル２１により目標指定シンボル２３をフック（ドラック）し、正しいエコー２２の位置へ移動してドロップし、目標指定をし直した時点を表示している。なお、前記正しいエコー２２の位置はソーナー信号処理部１０により前記探査信号に基づいて算出している。
【００５０】
従って、前記母船１側の誘導制御装置４は以下のステップの方法、換言すれば以下のステップをコンピュータに順次実行させるためのプログラムによって航走体２の誘導制御を実行する。
▲１▼ 母船１から送出された航走体２の探査信号を操作表示部１１の画面表示手段としてのソーナースコープに映し出す（表示する）ステップ、
▲２▼ 前記ソーナースコープに投影、表示された、目標としての物体を表すエコーのある場所としての第１場所を指定するステップ、
▲３▼ 前記第１場所の前記航走体に対する相対位置としての第１相対位置を操作表示部１１で算出するステップ、
▲４▼ 前記航走体２の移動目標を前記第１相対位置とする制御信号を前記航走体へ送受信部８を介して送信するステップ。
【００５１】
さらに、前記▲１▼の探査信号を操作表示部１１のソーナースコープに映し出すステップは、
前記探査信号を前記航走体２から送受信部８を介して受信するステップと、
受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体２に対する相対位置としての第２相対位置をソーナー信号処理部１０により算出するステップと、
前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記操作表示部１１のソーナースコープに表示するステップとを具備する。
【００５２】
前記第１相対位置と前記第２相対位置とが、図３（ｃ）のように前記ソーナースコープ上でずれた場合、更に以下のステップを順次実行する。
▲５▼ 前記第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定するステップ、
▲６▼ 前記第２場所の前記航走体２に対する相対位置としての前記第３相対位置を操作表示部１１で算出するステップ、
▲７▼ 前記航走体の移動目標を前記第３相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップ。
【００５３】
次に、航走体制御システム１２について、更に説明する。
図４は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態において適用される航走体制御システム１２の構成を示す図である。航走体制御システム１２は、機体制御部１３、水中音響部１４、対地速度検出器１５、深度検出器１６、方位センサ１７、記憶部１８、送受信部１９及びピッチ角センサ２０を具備する。
【００５４】
機体制御部１３は、航走体制御システム１２に属する。母船１から送信されてくる航走体２を制御するための信号に基づいて、航走体２を制御する。また、航走体２から出力される信号・情報の入出力を管理する。機体制御部１３は、ＣＰＵとメモリー及び周辺装置のような情報処理装置に例示される。
【００５５】
水中音響部１４は、航走体制御システム１２に属する。水中音響装置及びその水中音響装置が発する探査信号（ソーナー信号）の反射波（エコー）を受信する受波装置を有する。目標３へ探査信号を発信し、その反射波を受信、計測する。そして、ソーナーの計測データとしての探査信号データ（発信時刻、探査信号特性など）及び反射波データ（受信時刻、反射波特性など）を、送受信部１９を介して、母船１の誘導制御装置４のソーナー信号処理部１０へ出力する。水中音響装置１４は、ソーナーに例示される。
【００５６】
対地速度検出器１５は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の（対地）速度を計測し、速度情報として出力する。対地速度検出器１５は、ドップラーソーナーに例示される。
【００５７】
深度検出器１６は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の水深を計測し、深度情報として出力する。深度検出器１６は、深度計で例示される。
【００５８】
方位センサ１７は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の進行する方位を計測し、方位情報として出力する。方位センサ１４は、方位磁石に例示される。
【００５９】
記憶部１８は、航走体制御システム１２に属し、計測した各種情報（速度情報、深度情報、方位情報、探査信号データ、反射波データなど）や航行スケジュール（例示：時刻と航走体２の位置を記したテーブル）などを記憶する。記憶部１８は、ハードディスクに例示される。
【００６０】
送受信部１９は、航走体制御システム１２に属する。航走体２と母船１とがケーブル４２を用いて通信を行なう際、インターフェースとして機能する。速度情報、深度情報、方位情報、探査信号データ、反射波データなどを、ケーブル４２を介して母船１へ送信する。また、母船１から送信されてくる航走体２を制御するための信号（電力、制御指令など）を受信し、航走体２の各部、機器へ伝達する。
【００６１】
ピッチ角センサ２０は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の航走体俯仰角を計測し、方位情報の１つとして出力する。ピッチ角センサ２０は、角度センサに例示される。
【００６２】
ここで、図５を参照して、航走体２の航走体制御システム１２における水中音響部１４について更に説明する。
図５は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる航走体２の構成の一部を示す側面図である。航走体２は、航走体制御システム１２における水中音響部１４のソーナー３１及びカメラ３２を具備する。ただし、ソーナー３１及びカメラ３２は、航走体２内部にあり、図ではわかりやすく表面上に記している。
【００６３】
ソーナー３１は、水中音響部１４に属し、水中に音響を発し、その反射波から目標３などの位置を把握する。ここでは、航走体２の先頭部分に設置される。ソーナー３１は、上下方向に首振り可能であり、それにより、チルト角を変更可能である。
カメラ３２は、水中音響部１４に属し、海中の様子を撮影する。ここでは、航走体２の先頭部分に設置される。ここで、Ｈは、水平面と平行な面を示す。そして、Ｈ面とソーナー３１の向きとが成す角をチルト角（θＴＩＬＴ＿ｄ）とし、ソーナー３１の音響の発信範囲（探査可能な範囲）をビームレンジ（θＲ）とする。
【００６４】
次に、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムに係る実施の形態の動作について、添付図面を参照して説明する。
まず、誘導制御装置、誘導制御システム及び誘導制御方法に適用されるアルゴリズムについて説明する。
【００６５】
図６は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムついての実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムに用いる座標系を示す図である。
第１アルゴリズムは、航走体２を目標３の近傍へ移動させるアルゴリズムである。本例では、航走体２の運動は、二次元平面内（水平面内）で行なう場合を想定しており、深さ（水深）方向の移動については省略している。しかし、通常の３次元への数学的拡張方法を用いれば、３次元空間における運動に応用することが可能である。
絶対座標系ｘｙを設定し、航走体２の絶対座標系における初期位置を（Ｘ０，Ｙ０）、目標３の絶対座標系における位置を（ＸＴ，ＹＴ）、航走体２の方位をψ、航走体２に対する目標３の相対方位をψＴ、航走体２に対する目標３の相対距離をＲＴとする。ただし、ｘ’軸及びｙ’軸は、（Ｘ０，Ｙ０）を通るｘ軸及びｙ軸に平行な軸である。
【００６６】
このような座標系において、第１アルゴリズムについて、図７を参照して説明する。
図７は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムについての実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムを示すフロー図である。
【００６７】
（０）航走体２は、母船１からの指令に基づいて、目標３へ向けて移動を開始している。
また、開始の段階において、以下の入力データが入力される。
・航走体データ（航走体２の運動）
方位：ψ ：方位センサ１７により測定（方位情報）
対地速度ｕ＝（ｕｇｘ，ｕｇｙ） ：対地速度検出器１５により測定（速度情報）。
・航走体位置（航走体２の絶対位置）
座標：Ｐ０＝（Ｘ０，Ｙ０） ：母船１の絶対位置（母船位置情報：ＧＰＳ受信装置４１より）と母船１に対する航走体２の相対位置（航走体相対位置情報：水中音響部６より）とから算出（航走体位置情報）。
・ソーナーデータ（目標３の航走体２に対する相対位置）
相対距離：ＲＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対距離情報）。
相対方位：ψＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対方位情報）。
・制御パラメータ（判断基準と判断対象）
位置判断距離：Ｒ＿ｄ ：制御に用いる基準値（予め設定）（基準距離）。
相対距離：ＲＴ ：位置判断距離Ｒ＿ｄと比較する対象（制御相対距離）。
・定数
サンプリング時間：ΔＴ ：入力データのサンプリング間隔（基準時間）。
【００６８】
（１）ステップＳ１１:目標の絶対座標計算
目標３の絶対位置（絶対座標）（ＸＴ，ＹＴ）を計算する。計算は、目標３の航走体２に対する相対位置（相対座標）（Ｘｔ，Ｙｔ）を求め、その値と、航走体２の絶対位置（絶対座標）とに基づいて、目標３の絶対位置（ＸＴ，ＹＴ）を算出する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数１】
ここで、
【数２】
【００６９】
（２）ステップＳ１２：航走体位置計算
ΔＴ時間経過後の航走体２の絶対位置（Ｘ，Ｙ）を、航走体２の対地速度を積分することにより計算する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数３】
ただし、Ｘ＿ｏｌｄ，Ｙ＿ｏｌｄは、ΔＴ時間前（直前）のＸ，Ｙである。
【００７０】
（３）ステップＳ１３：相対距離計算
ステップＳ１２で計算した航走体２の絶対位置を用いて、ΔＴ時間経過後の目標３の航走体２に対する相対位置（相対距離）ＲＴを計算する。具体的には、上記数式（２）、（３）、（６）、（７）で算出した値に基づいて、以下の式により計算される。
【数４】
【００７１】
（４）ステップＳ１４：位置判断
航走体２が、ソーナースコープで指定された目標３に対して、Ｒ＿ｄの範囲に達したかどうかの判断を行なう。具体的には、上記数式（８）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数５】
この式を満足するＲＴが得られた場合は、航走体２は目標３に十分に接近したと判断する。そして、ステップＳ１５へ進む。
この式を満足するＲＴが得られない場合は、航走体２は目標３に十分に接近していないと判断する。そして、ステップＳ１２へ戻り、次のΔＴ時間後の計算を行なう。
【００７２】
なお、Ｒ＿ｄは作業内容により、その大きさを自由に変更可能である。例えば、目標３が危険物の場合、接近し過ぎると危険なのでＲ＿ｄを大きめに取る。また、目標３に対して直接作業を行なう場合には、衝突しない程度になるべく接近したいので、Ｒ＿ｄを小さめに取る。これにより、作業時間の短縮や、安全性の向上を図ることが出来る。
【００７３】
また、航走体２の対地速度に応じて、航走体２のエンジン停止から航走体２の移動停止までの距離が異なるので、航走体２の対地速度に応じてＲ＿ｄを変化させることにより、目標３へより正確に航走体を誘導することが可能となる。その場合、航走体２の対地速度と、航走体２のエンジン停止から航走体２の移動停止までの距離との関係を示すテーブルを記憶部７に用意し、対地速度に応じてそのテーブルの値をＲ＿ｄに加え、新たにＲ＿ｄ’を生成し、その値を判断基準の式（９）に利用すれば良い。
【００７４】
（５）ステップＳ１５：処理実行
航走体２は目標３に十分に接近している。従って、航走体２は、目標３への接近を終了し、停止する。そして、予め設定された作業（あるいは、母船１から指示された作業）を実行する。なお、作業は、後に指令することにし、目標３の近傍で待機するようにすることも可能である。
【００７５】
以上のようなステップＳ１１〜ステップＳ１５により、航走体２を目標３の近傍へ移動させる第１アルゴリズムが行なわれる。この第１アルゴリズムをコンピュータープログラムとして作成してコンピューターに実行させることができる。
【００７６】
次に、第２アルゴリズムについて説明する。
図８は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムについての実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムに用いる座標系を示す図である。
第２アルゴリズムは、目標３の方向へ移動している航走体２の有するソーナー３１が、常に目標３の方向へ向くように、ソーナー３１を制御するアルゴリズムである。
絶対座標系ｘｙｚを設定し、航走体２の絶対座標系における初期位置を（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、目標３の絶対座標系における位置を（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）、航走体２の２次元平面（ｘｙ平面に平行なｘ’ｙ’平面、以下同じ）内での方位をψ、航走体２に対する目標３の２次元平面内での相対方位をψＴ、航走体２に対する目標３のＺ軸方向の相対方位をθＴ、航走体２に対する目標３の相対距離をＲＴとする。ただし、ｘ’軸、ｙ’軸及びｚ’軸は、（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を通るｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に平行な軸である。
【００７７】
このような座標系において、第２アルゴリズムについて、図９を参照して説明する。
（０）航走体２は、母船１からの指令に基づいて、目標３へ向けて移動を開始している。
また、開始の段階において、以下の入力データが入力される。
・航走体データ（航走体２の運動）
方位：ψ ：方位センサ１７により測定（方位情報）。
航走体俯仰角：θ ピッチ角センサ２０により測定（方位情報に含む）。
深度：Ｚ ：深度検出器１６により測定（深度情報）。
対地速度ｕ＝（ｕｇｘ，ｕｇｙ） ：対地速度検出器１５により測定（速度情報）。
・航走体位置（航走体２の絶対位置）
座標：Ｐ０＝（Ｘ０，Ｙ０） ：母船１の絶対位置（母船位置情報：ＧＰＳ受信装置４１より）と母船１に対する航走体２の相対位置（航走体相対位置情報：水中音響部６より）とから算出（航走体位置情報）。
・ソーナーデータ（目標３の航走体２に対する相対位置）
相対距離：ＲＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対距離情報）。
相対方位：ψＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対方位情報）。
相対ピッチ角：θＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対ピッチ角情報）。
・制御パラメータ（判断基準と判断対象）
目標チルト角：θＴＩＬＴ ：ソーナー３１の制御目標となるチルト角。
チルト角判断角：ΔθＴＩＬＴ 目標ピッチ角θＰから許容される角度範囲の基準値（予め設定）。
ただし、ΔθＴＩＬＴ＜θＲ である。
（実チルト角θＴＩＬＴ＿ｄ ：実際のソーナー３１のチルト角）。
・定数
サンプリング時間：ΔＴ ：入力データのサンプリング間隔。
【００７８】
（１）ステップＳ２１:目標の絶対座標計算
目標３の絶対位置（絶対座標）（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）を計算する。計算は、目標３の航走体２に対する相対位置（相対座標）（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を求め、その値と、航走体２の絶対位置（絶対座標）とに基づいて、目標３の絶対位置（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）を算出する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数６】
【００７９】
（２）ステップＳ２２：チルト角初期化
以降の計算に備えて、チルト角の初期値を設定する。具体的には、以下のようになる。
【数７】
【００８０】
（３）ステップＳ２３：航走体位置計算
ΔＴ時間経過後の航走体２の絶対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、航走体２の対地速度を積分することにより計算する。深度Ｚに関しては、深度検出器１６の値を用いる。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数８】
ただし、Ｘ＿ｏｌｄ，Ｙ＿ｏｌｄ，Ｚ＿ｏｌｄは、ΔＴ時間前（直前）のＸ，Ｙ，Ｚである。
【００８１】
（４）ステップＳ２４：目標ピッチ角計算
ステップＳ２３で計算した航走体２の絶対位置と深度偏差（＝ＺＴ−Ｚ）を用いて、ΔＴ時間経過後の目標３の航走体２に対するピッチ角（目標ピッチ角θＰ）を計算する。具体的には、上記数式（１２）〜（１４）、（１７）〜（１９）で算出した値に基づいて、以下の式により計算される。
【数９】
【００８２】
（５）ステップＳ２５：チルト角制御判断
（４）で計算した目標ピッチ角θＰ（ソーナースコープで指定された目標３の方向）と、ソーナー３１の目標チルト角θＴＩＬＴとの偏差により、チルト角の制御を行なうかどうかの判断を行なう。判断は、偏差が、予め設定されたΔθＴＩＬＴの範囲に入っているかどうかで行なう。具体的には、上記数式（２０）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数１０】
θＰがこの式を満足する場合は、航走体２のソーナー３１のチルト角θＴＩＬＴ＿ｄ（目標チルト角θＴＩＬＴに追従している）は、十分な角度を有しており、目標３を見失うことは無いと判断する。そして、ステップＳ２７へ進む。
θＰがこの式を満足しない場合は、航走体２のソーナー３１のチルト角θＴＩＬＴ＿ｄは、不十分な角度を有しており、目標３を見失う可能性があると判断する。そして、ステップＳ２６へ進む。
なお、ΔθＴＩＬＴは、ソーナー３１の性能により決まる値であり、例えば２０°である。
【００８３】
（６）ステップＳ２６：目標チルト角変更
（５）における判定式（２１）を満たさなかった場合には、目標ピッチ角と目標チルト角との偏差が小さくなるように、目標チルト角を計算して、その値を用いてチルト角を制御する。具体的には、上記数式（２０）で算出した値と、現在のチルト角及び目標チルト角とに基づいて、以下の式により判断する。
【数１１】
そうすることにより、ソーナー３１の範囲から目標３がはみ出ることが無く、目標３を見失う可能性が無くなる。
ステップＳ２７へ進む。
【００８４】
（７）ステップＳ２７：目標ビーム俯仰角計算
目標ピッチ角と目標チルト角の偏差を目標ビーム俯仰角とし、目標３をビーム補足する。具体的には、上記数式（２０）及び（２２）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数１２】
【００８５】
以上のようなステップＳ２１〜ステップＳ２７により、航走体２のソーナー３１の角度を目標３の方向へ常時向かせる第２アルゴリズムが行なわれる。この第２アルゴリズムをコンピュータープログラムとして作成してコンピューターに実行させることができる。
【００８６】
次に、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムが適用される実施の形態の動作の詳細について説明する。
【００８７】
まず、上記第１及び第２アルゴリズムを用いた航走体２及びソーナー３１の制御に関わる動作について説明する。
ｉ）母船１は、搭載していた航走体２を、探査海域において海中へ送出する。母船１と航走体２とは、ケーブル４２を介した通信が可能である（海中無線通信でも良い）。
ｉｉ）母船１の誘導制御装置４の誘導制御部５は、入出力部９からの航走体２への移動指令（例示：対地速度、方位、深度／緯度、経度、水深など）又は記憶部７の移動スケジュールによる移動指令に基づいて、その移動指令を送受信部８から船走体２の航走体制御システム１２へケーブル４２を介して送信する。
ｉｉｉ）航走体２は、送受信部１９を介して移動指令を受信する。そして、その移動指令に基づいて移動を行なう。
ｉｖ）母船１のＧＰＳ受信装置４１は、ＧＰＳ衛星群４０からのＧＰＳ信号に基づいて、母船１の位置を算出する。そして、その位置を母船位置情報として誘導制御装置４へ出力する。母船位置情報は、その時刻と共に記憶部７に保持される。
ｉｖ）母船１では、適当な時間（例示：ΔＴ）毎に、誘導制御装置４の誘導制御部５からの指令により、水中音響部６が、船外へ母船探査信号としての探査信号を発信する。それと共に、母船探査信号の反射波としての母船反射波を受信する。この場合の反射波は、航走体２から反射したものである。そして、母船探査信号及び母船反射波とに基づいて、航走体２の母船１に対する相対位置を示す航走体相対位置情報を算出する。更に、母船位置情報と航走体相対位置情報とに基づいて、航走体２の絶対位置を示す航走体位置情報を算出する。それらの情報を記憶部７に記憶する。なお、水中音響部６がその探査信号により航走体相対位置情報を得る方法は、従来のソーナーで知られている方法を用いることが出来る。
ただし、航走体相対位置情報を算出する方法は、上記方法に限定されない。
ｖ）航走体２では、航走体制御システム１２の船体制御部１６からの指令により、対地速度検出器１５が、対地速度を計測している。また、深度検出器１６が、水深（深度）を計測している。更に、方位センサ１７が、進行方向の方位を計測している。それら計測された値は、計測時刻と共に記憶部１８に記憶されている。
ｖｉｉ）航走体２では、適当な時間（例示：ΔＴ）毎に、航走体制御システム１２の機体制御部１３からの指令により、水中音響部１４が、船外へ探査信号（ソーナー信号）を発信する。それと共に、探査信号の反射波（エコー）を受信する。そして、探査信号データ（発信時刻、探査信号特性など）及び反射波データ（受信時刻、反射波特性など）、発信時刻あるいは受信時刻に最も近い時刻での速度情報（対地速度）、深度情報（水深）及び方位情報（進行方向の方位）を、送受信部１９から母船１の誘導制御装置４へケーブル４２を介して送信する。
ｖｉｉｉ）母船１の誘導制御装置４は、送受信部８にて、計測データ（探査信号データ及び反射波データ）、速度情報（対地速度）、深度情報（水深）及び方位情報（進行方向の方位）を、ケーブル４２を介して受信する。そして、それらの情報を一旦記憶部７に記憶する。
ｉｘ）母船１の誘導制御装置４は、ソーナー信号処理部１０において、計測データ（探査信号データ及び反射波データ）に基づいて、目標３の航走体２に対する相対位置を示す対象相対位置情報（相対距離としての対象相対距離、目標３の航走体２に対する水平方向の相対方位としての対象相対方位、目標３の航走体２に対する相対俯角としての対象相対ピッチ角）を計算する。計算結果は、記憶部７に保持される。なお、ソーナー信号処理部１０が、探査信号により対象相対位置情報を得る方法は、従来のソーナーで知られている方法を用いることが出来る。
ｘ）母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、深度情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、対象相対ピッチ角）に基づいて、目標３へ向かう制御信号を生成し、ケーブル３を介して航走体２へ出力することにより、その動作を制御する。
ｘｉ）それと同時に、母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、深度情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、対象相対ピッチ角）、制御パラメータ（目標チルト角、チルト角判断角等）を用いて、第２アルゴリズムにより、航走体２が目標３を見失わないように、航走体２のソーナー３１のチルト角を監視、制御している。
ｘｉｉ）それに加えて、母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、制御パラメータ（位置判断距離等）を用いて、第１アルゴリズムにより、航走体２と目標３との距離ＲＴが、Ｒ＿ｄ以下かどうかを監視する。
ｘｉｉｉ）適宜（ｉｉ）〜（ｘｉｉ）を繰り返す。
ｘｉｖ）母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体２と目標３との距離ＲＴが、Ｒ＿ｄ以下になったら、航走体２へ停止信号を出力すると共に、予め設定された作業を行なうための指令を示す信号（処理実行信号）を出力する。
ｘｖ）航走体２の機体制御部１３は、誘導制御装置４からの停止信号及び処理実行信号とに基づいて、停止し、予め設定された作業を実行する。
【００８８】
以上の動作により、誘導制御方法及び誘導制御装置、誘導制御システム、並びに当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを使用して、航走体２を目標３の近傍において停止させ、目標３において作業を行なうことが可能となる。
【００８９】
また、ソーナー３１のチルト角及び俯仰角を自動で制御することが可能となる。そして、航走体２の操縦者が、操縦以外の動作（チルト角及び俯仰角の制御）に費やす時間を著しく減少することができ、操縦者の負担を大きく軽減することが可能となる。
【００９０】
第１アルゴリズムの（４）の位置判断をより正確に行なう（ΔＴを小さくする）ことにより、航走体２の停止位置をより厳密に制御することが可能となる。
【００９１】
次に、図３に示す表示画面１１−１上で、航走体２の進路を目標３へ設定する動作について説明する。
Ａ）図３（ａ）
表示画面１１−１では、航走体２のソーナー３１の探査信号による計測範囲内の状況が表示される。ここで、目標３が存在した場合、そこからの反射波が発生する。航走体２は、それらの計測データ（探査信号データ及び反射波データ）を母船１の誘導制御装置４へ送信する。
誘導制御装置４では、ソーナー信号処理部１０は、計測データに基づいて、目標３の航走体２に対する相対位置の情報である第２相対位置情報（相対距離としての対象相対距離、相対方位としての対象相対方位、相対俯角としての対象相対ピッチ角）を計算する。そして、誘導制御部５は、その第２相対位置情報に基づいて、操作表示部１１において、表示画面１１−１上にソーナー３１の計測範囲を展開させる。そして、操作表示部１１は、目標３の画像（エコー２２）を映し出す。
ただし、表示画面１１−１の中心方向は、チルト角の方向であり、表示画面１１−１の範囲は、ビームレンジの範囲である。
【００９２】
Ｂ）図３（ｂ）
航走体２の操縦者は、航走体２を目標３（エコー２２）へ向かわせるために、以下の動作を行なう。すなわち、表示画面１１−１において、カーソル２１をトラックボールにより動かし、エコー２２に合わせ、目標指定ボタンを押す。その動作により、カーソル２１は、目標指定シンボル２３に変わり、航走体２の目標として、新たにエコー２２のある場所としての第１場所が入力されたことになる。
目標指定シンボル２３の表示画面１１−１上の位置は、操作表示部１１により、航走体２に対する新たな移動方向として計算される。そして、計算された相対位置（相対距離、相対方向、相対ピッチ角）は、第１相対位置情報（シンボル相対距離情報、シンボル相対方向情報、シンボル相対ピッチ角情報）として誘導制御部５へ出力される。誘導制御部５は、航走体２の移動目標としての第１相対位置情報を航走体２へ出力する。航走体２は、受信した上記各情報で指定された位置へ移動して行く。
【００９３】
その後、航走体２の運動に応じて、航走体２から目標指定シンボル２３の位置の変化が定周期に返信される。その情報に基づいて、誘導制御部５は、目標指定シンボル２３の位置の移動を操作表示部１１へ出力する。それにより、表示画面１１−１上の目標指定シンボル２３の位置が移動する。
一方、エコー２２（目標３）の位置（第２相対位置情報に示される）は、航走体２の認識する位置とは独立に、ソーナー３１による計測データから算出している。従って、航走体２の運動に応じてエコー２２も位置が変化するが、目標指定シンボル２３の位置とは別に変化する。
【００９４】
Ｃ）図３（ｃ）
表示画面１１−１において、航走体２の位置測定誤差の累積によりエコー２２（第２相対位置情報）と目標指定シンボル２３（第１相対位置情報）との間にずれが生じる場合がある。その場合、カーソル２１により目標指定シンボル２３をフック（ドラック）し、移動して、ソーナースコープ上の正しいエコー２２の位置に合わせ、位置調整ボタンを押して、位置補正する。それにより、新たなエコーのある場所としての第２場所が入力される。
位置補正された目標指定シンボル２３の表示画面１１−１上の位置は、操作表示部１１により、航走体２に対する新たな移動方向として計算される。そして、計算された相対位置（相対距離、相対方向、相対ピッチ角）は、第３相対位置情報として誘導制御部５へ出力される。誘導制御部５は、航走体２の移動目標としての第３相対位置情報を航走体２へ出力する。航走体２は、受信した上記各情報で指定された位置へ移動して行く。
【００９５】
目標に到達するまで、必要に応じて、（Ｂ）、（Ｃ）の行程をくり返す。
そして、上記プロセスを行なうことにより、表示画面上で指定した位置（目標）へ航走体の進路を容易に設定することが可能となる。また、途中の段階で目標から外れてくる場合でも、容易に進路の修正を行なうことが可能となる。
【００９６】
上記プロセスは、母船と海洋探査船のような水中における探査活動を行なう潜航艇とを例に説明している。
【００９７】
【発明の効果】
本発明により、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体の母船での操作を、目標を見失うことなく容易に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる構成を示す説明図である。
【図２】前記実施の形態において適用される母船側の誘導制御の構成を示すブロック図である。
【図３】前記実施の形態における操作表示部の表示画面の一例を示す説明図である。
【図４】前記実施の形態において適用される航走体制御システムの構成を示すブロック図である。
【図５】前記実施の形態に関わる航走体の構成の一部を示す側面図である。
【図６】前記実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムに用いる座標系を示す説明図である。
【図７】前記実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムを示すフロー図である。
【図８】前記実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムに用いる座標系を示す説明図である。
【図９】前記実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムを示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 母船
２ 航走体
３ 目標
４ 誘導制御装置
５ 誘導制御部
６ 水中音響部
７ 記憶部
８ 送受信部
９ 入出力部
１０ ソーナー信号処理部
１１ 操作表示部
１１−１ 表示画面
１２ 航走体制御システム
１３ 機体制御部
１４ 水中音響部
１５ 対地速度検出器
１６ 深度検出部
１７ 方位センサ
１８ 記憶部
１９ 送受信部
２１ カーソル
２２ エコー
２３ 目標指定シンボル
３１ ソーナー
３２ カメラ
４０ ＧＰＳ衛星群
４１ ＧＰＳ受信装置
４２ ケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムに係り、特に、母船と母船に制御されながら航行する航走体とを有する系における誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水中で行なう各種探査においては、基地となる母船により制御された無人の航走体が、実際の探査作業を行なうことが多い。その場合、航走体はソーナーを有しており、遠くから水中にある目標（物体）を発見することが可能である。しかし、その目標に近づくための方位制御は、ソーナースコープを見ながら、母船で手動操縦する必要があり、非常に高度な操縦技術を必要とする。更に、高速で目標に向かう場合には、度々ソーナーのレンジから目標が外れてしまい、目標を見失うことがある。
【０００３】
また、目標付近での作業では、従来はカメラ画像を見て作業を行なっていた。しかし、水中の透明度等により、目標をカメラで捕らえることは容易ではなく、作業は困難な場合がある。
【０００４】
更に、目標に近づいた時点において、操縦者は、航走体の操縦に集中する必要がある。そのため、ソーナーの俯仰角の制御、ソーナー中心角及びカメラの俯仰角を制御するチルト装置の制御を同時に行なうことは容易ではない。従って、目標の見失いや衝突の危険性を有している。また、母船は、航走体の正確な絶対位置（以下、単に「位置」ともいう）を把握している必要がある。
【０００５】
従って、航走体を目標へ容易に自動的に誘導する技術が求められている。また、航走体を目標近傍で自動的に停止させ、作業を行なわせる技術が求められている。さらに、航走体の誘導中に、航走体のソーナーを常に自動的に目標に向けさせる技術が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体における、母船での操縦を容易に行なうことが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、目標を見失うことなく、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体を制御、操縦することが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、目標物に関わる作業、処理等を容易に行なうことが可能な誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
従って、上記課題を解決するために、本発明の誘導制御装置は、探査信号を表示する画面表示手段（１１−１）を有し、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号における物体を表すエコー（２２）を画面表示手段（１１−１）上に表示し、画面表示手段（１１−１）上のエコー（２２）のある場所としての第１場所が指定された時、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出する操作表示部（１１）と、その第１相対位置に基づいて、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とするように航走体（２）を制御する誘導制御部（５）とを具備する。
【００１１】
また、本発明の誘導制御装置は、航走体（２）から出力されたその探査信号に基づいて、エコー（２２）の航走体（２）に対する相対位置としての第２相対位置を算出する探査信号処理部（１０）をさらに具備する。そして、操作表示部（１１）は、その第２相対位置に基づいて、エコー（２２）を画面表示手段（１１−１）上に表示する。
【００１２】
また、本発明の誘導制御装置は、操作表示部（１１）が、その第１相対位置とその第２相対位置が、画面表示手段（１１−１）上でずれた場合、その第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定されたとき、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出する。そして、誘導制御部（５）は、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とするように航走体（２）を制御する。
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の誘導制御システムは、上記のいずれか一項に記載の誘導制御装置（４）と、誘導制御装置（４）に制御される航走体（２）とを具備する。
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の誘導制御方法は、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップと、画面表示手段（１１−１）に表示された、物体を表すエコー（２２）のある場所としての第１場所を指定するステップと、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備する。
【００２１】
また、本発明の誘導制御方法は、その探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップが、その探査信号を航走体（２）から受信するステップと、受信されたその探査信号に基づいて、エコー（２２）の航走体（２）に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、その第２相対位置に基づいて、エコー（２２）を画面表示手段（１１−１）に表示するステップとを具備する。
【００２２】
また、本発明の誘導制御方法は、その第１相対位置とその第２相対位置とが、画面表示手段（１１−１）上でずれた場合、その第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定するステップと、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを更に具備する。
【００２８】
上記課題を解決するために、本発明に関わるプログラムは、母船（１）から送出された航走体（２）の探査信号を画面表示手段（１１−１）に表示するステップと、画面表示手段（１１−１）に表示された、物体を表すエコー（２２）のある場所としての第１場所が指定されたとき、その第１場所の航走体（２）に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第１相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備し、
前記探査信号を前記画面表示手段に表示するステップは、前記探査信号を前記航走体から受信するステップと、受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記画面表示手段に表示するステップとを有し、
さらに、その第１相対位置とその第２相対位置とが、画面表示手段（１１−１）上でずれ、その第２相対位置を示す場所としての第２場所が改めて指定されたとき、その第２場所の航走体（２）に対する相対位置としてのその第３相対位置を算出するステップと、航走体（２）の移動目標をその第３相対位置とする制御信号を航走体（２）へ送信するステップとを具備し、それらのステップをコンピューターに実行させる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及び当該方法をコンピューターに実行させるプログラムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、母船に制御され、水中探査に使用される航走体を例に示して説明する。ただし、他の母船に制御され、母船を離れて動作を行なう航走体（水中に限らない）についても適用可能である。
なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３２】
本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態の構成について説明する。
図１は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる構成を示す図である。
誘導制御装置４とＧＰＳ受信装置４１とを含む母船１、航走体制御システム１２を含む航走体２、母船１と航走体２とをつなぐケーブル４２を備える。目標３は航走体２が近接もしくは追尾すべき目標である。また、制御にはＧＰＳ用衛星群４０を使用する。
【００３３】
母船１は、航走体２を探査海域まで輸送し、探査海域において航走体２を送出し、航走体２の運行を制御する。誘導制御装置４とＧＰＳ受信装置４１とを有する。
誘導制御装置４は、母船１に属する。航走体２の母船１に対する相対位置を把握している。そして、航走体２を目標３へ誘導するために、自身が計測した情報と航走体２から得た情報とに基づいて、各種演算を行ない、航走体２を制御するための各種信号を生成し、航走体２へ送信する。航走体２とは、ケーブル４２を介して通信を行なう。ただし、海中無線装置（図示せず）で行なうことも可能である。
ＧＰＳ受信装置４１は、母船１に属し、ＧＰＳ用衛星群４０を利用して、母船１の位置としての母船位置情報を出力する。母船位置情報は、（緯度、経度）で例示される。
【００３４】
航走体２は、母船１で探査海域まで輸送され、探査海域において母船１から送出され、母船１に制御されながら水中を航行し、各種作業を行なう。母船１とは、ケーブル４２を介して通信を行なう。航走体２は、無人水中探査船で例示される。
航走体制御システム１２は、航走体２に属する。対地速度や深度のような航走体２の運行状況に関する情報、目標３に関する情報を計測、把握する。そして、母船１の誘導制御装置４へ出力する。また、母船１の誘導制御装置４から、航走体２を制御する各種信号を受信し、航走体２を制御する。
【００３５】
ケーブル４２は、母船１と航走体２とを通信可能に接続する。航走体２（の航走体制御システム１２）から出力される各種情報を母船１（の誘導制御装置４）へ伝達する。また、母船１から出力される航走体２を制御するための各種信号を航走体２へ伝達する。ケーブル４２を用いず、無線を用いて行なっても良い。
【００３６】
目標３は、海中にあり、航走体２が近づき、何らかの処理（作業）を行なう対象である。あるいは、航走体２の移動する目標地点である。目標３は、海中生物、海中の沈没船、遺跡、機雷、地点（緯度、経度、水深）等で例示される。
【００３７】
ＧＰＳ用衛星群４０は、一般に用いられるＧＰＳの運用に使用される複数の衛星である。その衛星群からの情報により、ＧＰＳ受信装置４１は、母船１の母船位置情報を出力（算出）する。
【００３８】
次に、誘導制御装置４について、更に説明する。
図２は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムが適用される実施の形態の構成を示す図である。誘導制御装置４は、誘導制御部５、水中音響装置６、記憶部７、送受信部８、入出力部９、探査信号処理部としてのソーナー信号処理部１０及び操作表示部１１を具備する。
【００３９】
誘導制御部５は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４の制御を行なう。それと共に、航走体２の制御を行なう。誘導制御部５は、ＣＰＵとメモリー及び周辺装置のような情報処理装置に例示される。また、航走体相対位置情報（後述）及び母船位置情報とに基づいて、航走体２の絶対位置を示す航走体位置情報（例示：緯度、経度、深度）を算出する。そして、航走体データ（後述：方位情報、速度情報、深度情報など）、ソーナーデータ（後述：対象相対距離情報、対象相対方位情報、対象相対ピッチ角など）、航走体位置情報及び基準値（後述：距離基準値、チルト角基準値など）に基づいて、各種演算（後述：第１及び第２アルゴリズムなど）を行ない、航走体２（及び付属機器）の動作を制御する。
【００４０】
水中音響部６は、誘導制御装置４に属する。水中音響装置（図示せず）及びその水中音響装置が発する探査信号（水中ソーナー信号）の反射波を受信する受波装置（図示せず）を有する。航走体２へ探査信号を発信し、その反射波を計測する。そして、その反射波に基づいて、航走体２の母船１に対する相対位置である航走体相対位置（例示：距離、方位）を算出し、航走体相対位置情報として出力する。水中音響部６は、ソーナーシステムに例示される。
【００４１】
記憶部７は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４の制御に用いる各種情報・データを各種情報・データに対応するテーブル（例示：計測（計算）時刻及び情報・データを関連付けたテーブル）に記憶している。また、演算に用いる演算アルゴリズムを記憶している。記憶部７は、ハードディスクに例示される。
【００４２】
送受信部８は、誘導制御装置４に属する。航走体２と母船１とがケーブル４２を用いて通信を行なう際、インターフェースとして機能する。また、ケーブル４２を用いない場合には、海中無線装置である。
【００４３】
入出力部９は、誘導制御装置４に属する。誘導制御装置４での制御に必要な情報の入出力を行なう。入出力部９は、キーボード、トラックボール（型のマウス）、ジョイスティック、タッチパネル等に例示される。
【００４４】
ソーナー信号処理部１０は、誘導制御装置４に属する。航走体２の水中音響部１４で得られたソーナー３１（後述）の計測データ（後述）に基づいて、目標３の航走体２に対する相対距離としての対象相対距離、目標３の航走体２に対する水平方向の相対方位としての対象相対方位、目標３の航走体２に対する相対俯角としての対象相対ピッチ角を計算する。
【００４５】
操作表示部１１は、誘導制御装置４に属し、水中探査信号（ソーナー信号）を表示する画面表示手段としてのソーナースコープを有し、航走体２及び目標３の相対的な状況を画面表示する。それと共に、表示画面上のカーソルを操作することにより、航走体２を誘導、制御するための信号を生成する。
【００４６】
ここで、操作表示部１１について、更に説明する。
図３は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム及び誘導制御方法における操作表示部１１におけるソーナースコープの表示画面１１−１の一例を示す図である。表示画面１１−１は、航走体２が水中音響部１４の探査信号により検知している海中の様子を示す。カーソル２１、エコー２２及び目標指定シンボル２３（２３’）とを含む。
【００４７】
カーソル２１は、表示画面１１−１において、表示される画像に対して操作を行なう際、画像上の操作場所を指定する。図２の入出力部９により移動、場所指定を行なう。例えば、トラックボール（図示せず）の操作によりカーソル２１を移動し、目標指定ボタン（図示せず）を押すことにより指定する。
エコー２２は、航走体２の水中音響部１４（図４で後述）の発する探査信号が、何らかの物体に反射し戻ってきた反射波に基づいて、何らかの物体の存在すると計算される位置（及び大きさ）を示している。
目標指定シンボル２３（２３’）は、カーソル２１により画像上に指定された操作場所を表している。そして、航走体２は、この目標指定シンボル２３の表示に対応する位置へ向かい移動する。
【００４８】
表示画面１１−１では、操作表示部１１が、目標３の航走体２に対する相対位置の情報である対象相対距離情報、対象相対方位情報及び対象相対ピッチ角（後述）に基づいて、目標３をエコー２２としてソーナースコープ上に投影、表示する。その時の座標は航走体２に対する相対座標で表現される。ただし、航走体位置情報を用いることにより、対象相対距離情報、対象相対方位情報及び対象相対ピッチ角を絶対座標系に容易に変換可能であり、表示画面１１−１を絶対座標系で表示しても良い。
【００４９】
図３（ａ）では、表示画面１１−１において、エコー２２及びカーソル２１が表示されている。エコー２２は、目標３に対応する。
図３（ｂ）では、表示画面１１−１において、操縦者が、カーソル２１をトラックボールにより動かし、エコー２２に合わせ、目標指定ボタンを押すことにより、目標指定シンボル２３が表示された時点を示している。この目標指定シンボル２３で指定された位置へ航走体２が移動する（そうなるように誘導制御部５で制御する）。
図３（ｃ）では、表示画面１１−１において、航走体２の位置測定誤差の累積によりエコー２２と目標指定シンボル２３との間にずれが生じたため、カーソル２１により目標指定シンボル２３をフック（ドラック）し、正しいエコー２２の位置へ移動してドロップし、目標指定をし直した時点を表示している。なお、前記正しいエコー２２の位置はソーナー信号処理部１０により前記探査信号に基づいて算出している。
【００５０】
従って、前記母船１側の誘導制御装置４は以下のステップの方法、換言すれば以下のステップをコンピュータに順次実行させるためのプログラムによって航走体２の誘導制御を実行する。
▲１▼ 母船１から送出された航走体２の探査信号を操作表示部１１の画面表示手段としてのソーナースコープに映し出す（表示する）ステップ、
▲２▼ 前記ソーナースコープに投影、表示された、目標としての物体を表すエコーのある場所としての第１場所を指定するステップ、
▲３▼ 前記第１場所の前記航走体に対する相対位置としての第１相対位置を操作表示部１１で算出するステップ、
▲４▼ 前記航走体２の移動目標を前記第１相対位置とする制御信号を前記航走体へ送受信部８を介して送信するステップ。
【００５１】
さらに、前記▲１▼の探査信号を操作表示部１１のソーナースコープに映し出すステップは、
前記探査信号を前記航走体２から送受信部８を介して受信するステップと、
受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体２に対する相対位置としての第２相対位置をソーナー信号処理部１０により算出するステップと、
前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記操作表示部１１のソーナースコープに表示するステップとを具備する。
【００５２】
前記第１相対位置と前記第２相対位置とが、図３（ｃ）のように前記ソーナースコープ上でずれた場合、更に以下のステップを順次実行する。
▲５▼ 前記第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定するステップ、
▲６▼ 前記第２場所の前記航走体２に対する相対位置としての前記第３相対位置を操作表示部１１で算出するステップ、
▲７▼ 前記航走体の移動目標を前記第３相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップ。
【００５３】
次に、航走体制御システム１２について、更に説明する。
図４は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態において適用される航走体制御システム１２の構成を示す図である。航走体制御システム１２は、機体制御部１３、水中音響部１４、対地速度検出器１５、深度検出器１６、方位センサ１７、記憶部１８、送受信部１９及びピッチ角センサ２０を具備する。
【００５４】
機体制御部１３は、航走体制御システム１２に属する。母船１から送信されてくる航走体２を制御するための信号に基づいて、航走体２を制御する。また、航走体２から出力される信号・情報の入出力を管理する。機体制御部１３は、ＣＰＵとメモリー及び周辺装置のような情報処理装置に例示される。
【００５５】
水中音響部１４は、航走体制御システム１２に属する。水中音響装置及びその水中音響装置が発する探査信号（ソーナー信号）の反射波（エコー）を受信する受波装置を有する。目標３へ探査信号を発信し、その反射波を受信、計測する。そして、ソーナーの計測データとしての探査信号データ（発信時刻、探査信号特性など）及び反射波データ（受信時刻、反射波特性など）を、送受信部１９を介して、母船１の誘導制御装置４のソーナー信号処理部１０へ出力する。水中音響装置１４は、ソーナーに例示される。
【００５６】
対地速度検出器１５は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の（対地）速度を計測し、速度情報として出力する。対地速度検出器１５は、ドップラーソーナーに例示される。
【００５７】
深度検出器１６は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の水深を計測し、深度情報として出力する。深度検出器１６は、深度計で例示される。
【００５８】
方位センサ１７は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の進行する方位を計測し、方位情報として出力する。方位センサ１４は、方位磁石に例示される。
【００５９】
記憶部１８は、航走体制御システム１２に属し、計測した各種情報（速度情報、深度情報、方位情報、探査信号データ、反射波データなど）や航行スケジュール（例示：時刻と航走体２の位置を記したテーブル）などを記憶する。記憶部１８は、ハードディスクに例示される。
【００６０】
送受信部１９は、航走体制御システム１２に属する。航走体２と母船１とがケーブル４２を用いて通信を行なう際、インターフェースとして機能する。速度情報、深度情報、方位情報、探査信号データ、反射波データなどを、ケーブル４２を介して母船１へ送信する。また、母船１から送信されてくる航走体２を制御するための信号（電力、制御指令など）を受信し、航走体２の各部、機器へ伝達する。
【００６１】
ピッチ角センサ２０は、航走体制御システム１２に属し、航走体２の航走体俯仰角を計測し、方位情報の１つとして出力する。ピッチ角センサ２０は、角度センサに例示される。
【００６２】
ここで、図５を参照して、航走体２の航走体制御システム１２における水中音響部１４について更に説明する。
図５は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる航走体２の構成の一部を示す側面図である。航走体２は、航走体制御システム１２における水中音響部１４のソーナー３１及びカメラ３２を具備する。ただし、ソーナー３１及びカメラ３２は、航走体２内部にあり、図ではわかりやすく表面上に記している。
【００６３】
ソーナー３１は、水中音響部１４に属し、水中に音響を発し、その反射波から目標３などの位置を把握する。ここでは、航走体２の先頭部分に設置される。ソーナー３１は、上下方向に首振り可能であり、それにより、チルト角を変更可能である。
カメラ３２は、水中音響部１４に属し、海中の様子を撮影する。ここでは、航走体２の先頭部分に設置される。ここで、Ｈは、水平面と平行な面を示す。そして、Ｈ面とソーナー３１の向きとが成す角をチルト角（θＴＩＬＴ＿ｄ）とし、ソーナー３１の音響の発信範囲（探査可能な範囲）をビームレンジ（θＲ）とする。
【００６４】
次に、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムに係る実施の形態の動作について、添付図面を参照して説明する。
まず、誘導制御装置、誘導制御システム及び誘導制御方法に適用されるアルゴリズムについて説明する。
【００６５】
図６は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムついての実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムに用いる座標系を示す図である。
第１アルゴリズムは、航走体２を目標３の近傍へ移動させるアルゴリズムである。本例では、航走体２の運動は、二次元平面内（水平面内）で行なう場合を想定しており、深さ（水深）方向の移動については省略している。しかし、通常の３次元への数学的拡張方法を用いれば、３次元空間における運動に応用することが可能である。
絶対座標系ｘｙを設定し、航走体２の絶対座標系における初期位置を（Ｘ０，Ｙ０）、目標３の絶対座標系における位置を（ＸＴ，ＹＴ）、航走体２の方位をψ、航走体２に対する目標３の相対方位をψＴ、航走体２に対する目標３の相対距離をＲＴとする。ただし、ｘ’軸及びｙ’軸は、（Ｘ０，Ｙ０）を通るｘ軸及びｙ軸に平行な軸である。
【００６６】
このような座標系において、第１アルゴリズムについて、図７を参照して説明する。
図７は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムについての実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムを示すフロー図である。
【００６７】
（０）航走体２は、母船１からの指令に基づいて、目標３へ向けて移動を開始している。
また、開始の段階において、以下の入力データが入力される。
・航走体データ（航走体２の運動）
方位：ψ ：方位センサ１７により測定（方位情報）
対地速度ｕ＝（ｕｇｘ，ｕｇｙ） ：対地速度検出器１５により測定（速度情報）。
・航走体位置（航走体２の絶対位置）
座標：Ｐ０＝（Ｘ０，Ｙ０） ：母船１の絶対位置（母船位置情報：ＧＰＳ受信装置４１より）と母船１に対する航走体２の相対位置（航走体相対位置情報：水中音響部６より）とから算出（航走体位置情報）。
・ソーナーデータ（目標３の航走体２に対する相対位置）
相対距離：ＲＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対距離情報）。
相対方位：ψＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対方位情報）。
・制御パラメータ（判断基準と判断対象）
位置判断距離：Ｒ＿ｄ ：制御に用いる基準値（予め設定）（基準距離）。
相対距離：ＲＴ ：位置判断距離Ｒ＿ｄと比較する対象（制御相対距離）。
・定数
サンプリング時間：ΔＴ ：入力データのサンプリング間隔（基準時間）。
【００６８】
（１）ステップＳ１１:目標の絶対座標計算
目標３の絶対位置（絶対座標）（ＸＴ，ＹＴ）を計算する。計算は、目標３の航走体２に対する相対位置（相対座標）（Ｘｔ，Ｙｔ）を求め、その値と、航走体２の絶対位置（絶対座標）とに基づいて、目標３の絶対位置（ＸＴ，ＹＴ）を算出する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数１】
【数２】
（２）ステップＳ１２：航走体位置計算
ΔＴ時間経過後の航走体２の絶対位置（Ｘ，Ｙ）を、航走体２の対地速度を積分することにより計算する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数３】
【００７０】
（３）ステップＳ１３：相対距離計算
ステップＳ１２で計算した航走体２の絶対位置を用いて、ΔＴ時間経過後の目標３の航走体２に対する相対位置（相対距離）ＲＴを計算する。具体的には、上記数式（２）、（３）、（６）、（７）で算出した値に基づいて、以下の式により計算される。
【数４】
（４）ステップＳ１４：位置判断
航走体２が、ソーナースコープで指定された目標３に対して、Ｒ＿ｄの範囲に達したかどうかの判断を行なう。具体的には、上記数式（８）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数５】
この式を満足するＲＴが得られない場合は、航走体２は目標３に十分に接近していないと判断する。そして、ステップＳ１２へ戻り、次のΔＴ時間後の計算を行なう。
【００７２】
なお、Ｒ＿ｄは作業内容により、その大きさを自由に変更可能である。例えば、目標３が危険物の場合、接近し過ぎると危険なのでＲ＿ｄを大きめに取る。また、目標３に対して直接作業を行なう場合には、衝突しない程度になるべく接近したいので、Ｒ＿ｄを小さめに取る。これにより、作業時間の短縮や、安全性の向上を図ることが出来る。
【００７３】
また、航走体２の対地速度に応じて、航走体２のエンジン停止から航走体２の移動停止までの距離が異なるので、航走体２の対地速度に応じてＲ＿ｄを変化させることにより、目標３へより正確に航走体を誘導することが可能となる。その場合、航走体２の対地速度と、航走体２のエンジン停止から航走体２の移動停止までの距離との関係を示すテーブルを記憶部７に用意し、対地速度に応じてそのテーブルの値をＲ＿ｄに加え、新たにＲ＿ｄ’を生成し、その値を判断基準の式（９）に利用すれば良い。
【００７４】
（５）ステップＳ１５：処理実行
航走体２は目標３に十分に接近している。従って、航走体２は、目標３への接近を終了し、停止する。そして、予め設定された作業（あるいは、母船１から指示された作業）を実行する。なお、作業は、後に指令することにし、目標３の近傍で待機するようにすることも可能である。
【００７５】
以上のようなステップＳ１１〜ステップＳ１５により、航走体２を目標３の近傍へ移動させる第１アルゴリズムが行なわれる。この第１アルゴリズムをコンピュータープログラムとして作成してコンピューターに実行させることができる。
【００７６】
次に、第２アルゴリズムについて説明する。
図８は、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムについての実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムに用いる座標系を示す図である。
第２アルゴリズムは、目標３の方向へ移動している航走体２の有するソーナー３１が、常に目標３の方向へ向くように、ソーナー３１を制御するアルゴリズムである。
絶対座標系ｘｙｚを設定し、航走体２の絶対座標系における初期位置を（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）、目標３の絶対座標系における位置を（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）、航走体２の２次元平面（ｘｙ平面に平行なｘ’ｙ’平面、以下同じ）内での方位をψ、航走体２に対する目標３の２次元平面内での相対方位をψＴ、航走体２に対する目標３のＺ軸方向の相対方位をθＴ、航走体２に対する目標３の相対距離をＲＴとする。ただし、ｘ’軸、ｙ’軸及びｚ’軸は、（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を通るｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に平行な軸である。
【００７７】
このような座標系において、第２アルゴリズムについて、図９を参照して説明する。
（０）航走体２は、母船１からの指令に基づいて、目標３へ向けて移動を開始している。
また、開始の段階において、以下の入力データが入力される。
・航走体データ（航走体２の運動）
方位：ψ ：方位センサ１７により測定（方位情報）。
航走体俯仰角：θ ピッチ角センサ２０により測定（方位情報に含む）。
深度：Ｚ ：深度検出器１６により測定（深度情報）。
対地速度ｕ＝（ｕｇｘ，ｕｇｙ） ：対地速度検出器１５により測定（速度情報）。
・航走体位置（航走体２の絶対位置）
座標：Ｐ０＝（Ｘ０，Ｙ０） ：母船１の絶対位置（母船位置情報：ＧＰＳ受信装置４１より）と母船１に対する航走体２の相対位置（航走体相対位置情報：水中音響部６より）とから算出（航走体位置情報）。
・ソーナーデータ（目標３の航走体２に対する相対位置）
相対距離：ＲＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対距離情報）。
相対方位：ψＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対方位情報）。
相対ピッチ角：θＴ ：水中音響部１４により測定（対象相対ピッチ角情報）。
・制御パラメータ（判断基準と判断対象）
目標チルト角：θＴＩＬＴ ：ソーナー３１の制御目標となるチルト角。
チルト角判断角：ΔθＴＩＬＴ 目標ピッチ角θＰから許容される角度範囲の基準値（予め設定）。
ただし、ΔθＴＩＬＴ＜θＲ である。
（実チルト角θＴＩＬＴ＿ｄ ：実際のソーナー３１のチルト角）。
・定数
サンプリング時間：ΔＴ ：入力データのサンプリング間隔。
【００７８】
（１）ステップＳ２１:目標の絶対座標計算
目標３の絶対位置（絶対座標）（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）を計算する。計算は、目標３の航走体２に対する相対位置（相対座標）（Ｘｔ，Ｙｔ，Ｚｔ）を求め、その値と、航走体２の絶対位置（絶対座標）とに基づいて、目標３の絶対位置（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）を算出する。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数６】
（２）ステップＳ２２：チルト角初期化
以降の計算に備えて、チルト角の初期値を設定する。具体的には、以下のようになる。
【数７】
（３）ステップＳ２３：航走体位置計算
ΔＴ時間経過後の航走体２の絶対位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を、航走体２の対地速度を積分することにより計算する。深度Ｚに関しては、深度検出器１６の値を用いる。具体的には、上記入力データに基づいて、以下の式により計算される。
【数８】
【００８１】
（４）ステップＳ２４：目標ピッチ角計算
ステップＳ２３で計算した航走体２の絶対位置と深度偏差（＝ＺＴ−Ｚ）を用いて、ΔＴ時間経過後の目標３の航走体２に対するピッチ角（目標ピッチ角θＰ）を計算する。具体的には、上記数式（１２）〜（１４）、（１７）〜（１９）で算出した値に基づいて、以下の式により計算される。
【数９】
（５）ステップＳ２５：チルト角制御判断
（４）で計算した目標ピッチ角θＰ（ソーナースコープで指定された目標３の方向）と、ソーナー３１の目標チルト角θＴＩＬＴとの偏差により、チルト角の制御を行なうかどうかの判断を行なう。判断は、偏差が、予め設定されたΔθＴＩＬＴの範囲に入っているかどうかで行なう。具体的には、上記数式（２０）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数１０】
θＰがこの式を満足しない場合は、航走体２のソーナー３１のチルト角θＴＩＬＴ＿ｄは、不十分な角度を有しており、目標３を見失う可能性があると判断する。そして、ステップＳ２６へ進む。
なお、ΔθＴＩＬＴは、ソーナー３１の性能により決まる値であり、例えば２０°である。
【００８３】
（６）ステップＳ２６：目標チルト角変更
（５）における判定式（２１）を満たさなかった場合には、目標ピッチ角と目標チルト角との偏差が小さくなるように、目標チルト角を計算して、その値を用いてチルト角を制御する。具体的には、上記数式（２０）で算出した値と、現在のチルト角及び目標チルト角とに基づいて、以下の式により判断する。
【数１１】
ステップＳ２７へ進む。
【００８４】
（７）ステップＳ２７：目標ビーム俯仰角計算
目標ピッチ角と目標チルト角の偏差を目標ビーム俯仰角とし、目標３をビーム補足する。具体的には、上記数式（２０）及び（２２）で算出した値に基づいて、以下の式により判断する。
【数１２】
以上のようなステップＳ２１〜ステップＳ２７により、航走体２のソーナー３１の角度を目標３の方向へ常時向かせる第２アルゴリズムが行なわれる。この第２アルゴリズムをコンピュータープログラムとして作成してコンピューターに実行させることができる。
【００８６】
次に、本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムが適用される実施の形態の動作の詳細について説明する。
【００８７】
まず、上記第１及び第２アルゴリズムを用いた航走体２及びソーナー３１の制御に関わる動作について説明する。
ｉ）母船１は、搭載していた航走体２を、探査海域において海中へ送出する。母船１と航走体２とは、ケーブル４２を介した通信が可能である（海中無線通信でも良い）。
ｉｉ）母船１の誘導制御装置４の誘導制御部５は、入出力部９からの航走体２への移動指令（例示：対地速度、方位、深度／緯度、経度、水深など）又は記憶部７の移動スケジュールによる移動指令に基づいて、その移動指令を送受信部８から船走体２の航走体制御システム１２へケーブル４２を介して送信する。
ｉｉｉ）航走体２は、送受信部１９を介して移動指令を受信する。そして、その移動指令に基づいて移動を行なう。
ｉｖ）母船１のＧＰＳ受信装置４１は、ＧＰＳ衛星群４０からのＧＰＳ信号に基づいて、母船１の位置を算出する。そして、その位置を母船位置情報として誘導制御装置４へ出力する。母船位置情報は、その時刻と共に記憶部７に保持される。
ｉｖ）母船１では、適当な時間（例示：ΔＴ）毎に、誘導制御装置４の誘導制御部５からの指令により、水中音響部６が、船外へ母船探査信号としての探査信号を発信する。それと共に、母船探査信号の反射波としての母船反射波を受信する。この場合の反射波は、航走体２から反射したものである。そして、母船探査信号及び母船反射波とに基づいて、航走体２の母船１に対する相対位置を示す航走体相対位置情報を算出する。更に、母船位置情報と航走体相対位置情報とに基づいて、航走体２の絶対位置を示す航走体位置情報を算出する。それらの情報を記憶部７に記憶する。なお、水中音響部６がその探査信号により航走体相対位置情報を得る方法は、従来のソーナーで知られている方法を用いることが出来る。
ただし、航走体相対位置情報を算出する方法は、上記方法に限定されない。
ｖ）航走体２では、航走体制御システム１２の船体制御部１６からの指令により、対地速度検出器１５が、対地速度を計測している。また、深度検出器１６が、水深（深度）を計測している。更に、方位センサ１７が、進行方向の方位を計測している。それら計測された値は、計測時刻と共に記憶部１８に記憶されている。
ｖｉｉ）航走体２では、適当な時間（例示：ΔＴ）毎に、航走体制御システム１２の機体制御部１３からの指令により、水中音響部１４が、船外へ探査信号（ソーナー信号）を発信する。それと共に、探査信号の反射波（エコー）を受信する。そして、探査信号データ（発信時刻、探査信号特性など）及び反射波データ（受信時刻、反射波特性など）、発信時刻あるいは受信時刻に最も近い時刻での速度情報（対地速度）、深度情報（水深）及び方位情報（進行方向の方位）を、送受信部１９から母船１の誘導制御装置４へケーブル４２を介して送信する。
ｖｉｉｉ）母船１の誘導制御装置４は、送受信部８にて、計測データ（探査信号データ及び反射波データ）、速度情報（対地速度）、深度情報（水深）及び方位情報（進行方向の方位）を、ケーブル４２を介して受信する。そして、それらの情報を一旦記憶部７に記憶する。
ｉｘ）母船１の誘導制御装置４は、ソーナー信号処理部１０において、計測データ（探査信号データ及び反射波データ）に基づいて、目標３の航走体２に対する相対位置を示す対象相対位置情報（相対距離としての対象相対距離、目標３の航走体２に対する水平方向の相対方位としての対象相対方位、目標３の航走体２に対する相対俯角としての対象相対ピッチ角）を計算する。計算結果は、記憶部７に保持される。なお、ソーナー信号処理部１０が、探査信号により対象相対位置情報を得る方法は、従来のソーナーで知られている方法を用いることが出来る。
ｘ）母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、深度情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、対象相対ピッチ角）に基づいて、目標３へ向かう制御信号を生成し、ケーブル３を介して航走体２へ出力することにより、その動作を制御する。
ｘｉ）それと同時に、母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、深度情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、対象相対ピッチ角）、制御パラメータ（目標チルト角、チルト角判断角等）を用いて、第２アルゴリズムにより、航走体２が目標３を見失わないように、航走体２のソーナー３１のチルト角を監視、制御している。
ｘｉｉ）それに加えて、母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体データ（方位情報、速度情報）、航走体位置（航走体位置情報）、ソーナーデータ（対象相対距離、対象相対方位、制御パラメータ（位置判断距離等）を用いて、第１アルゴリズムにより、航走体２と目標３との距離ＲＴが、Ｒ＿ｄ以下かどうかを監視する。
ｘｉｉｉ）適宜（ｉｉ）〜（ｘｉｉ）を繰り返す。
ｘｉｖ）母船１の誘導制御装置４は、誘導制御部５において、航走体２と目標３との距離ＲＴが、Ｒ＿ｄ以下になったら、航走体２へ停止信号を出力すると共に、予め設定された作業を行なうための指令を示す信号（処理実行信号）を出力する。
ｘｖ）航走体２の機体制御部１３は、誘導制御装置４からの停止信号及び処理実行信号とに基づいて、停止し、予め設定された作業を実行する。
【００８８】
以上の動作により、誘導制御方法及び誘導制御装置、誘導制御システム、並びに当該方法をコンピューターに実行させるプログラムを使用して、航走体２を目標３の近傍において停止させ、目標３において作業を行なうことが可能となる。
【００８９】
また、ソーナー３１のチルト角及び俯仰角を自動で制御することが可能となる。そして、航走体２の操縦者が、操縦以外の動作（チルト角及び俯仰角の制御）に費やす時間を著しく減少することができ、操縦者の負担を大きく軽減することが可能となる。
【００９０】
第１アルゴリズムの（４）の位置判断をより正確に行なう（ΔＴを小さくする）ことにより、航走体２の停止位置をより厳密に制御することが可能となる。
【００９１】
次に、図３に示す表示画面１１−１上で、航走体２の進路を目標３へ設定する動作について説明する。
Ａ）図３（ａ）
表示画面１１−１では、航走体２のソーナー３１の探査信号による計測範囲内の状況が表示される。ここで、目標３が存在した場合、そこからの反射波が発生する。航走体２は、それらの計測データ（探査信号データ及び反射波データ）を母船１の誘導制御装置４へ送信する。
誘導制御装置４では、ソーナー信号処理部１０は、計測データに基づいて、目標３の航走体２に対する相対位置の情報である第２相対位置情報（相対距離としての対象相対距離、相対方位としての対象相対方位、相対俯角としての対象相対ピッチ角）を計算する。そして、誘導制御部５は、その第２相対位置情報に基づいて、操作表示部１１において、表示画面１１−１上にソーナー３１の計測範囲を展開させる。そして、操作表示部１１は、目標３の画像（エコー２２）を映し出す。
ただし、表示画面１１−１の中心方向は、チルト角の方向であり、表示画面１１−１の範囲は、ビームレンジの範囲である。
【００９２】
Ｂ）図３（ｂ）
航走体２の操縦者は、航走体２を目標３（エコー２２）へ向かわせるために、以下の動作を行なう。すなわち、表示画面１１−１において、カーソル２１をトラックボールにより動かし、エコー２２に合わせ、目標指定ボタンを押す。その動作により、カーソル２１は、目標指定シンボル２３に変わり、航走体２の目標として、新たにエコー２２のある場所としての第１場所が入力されたことになる。
目標指定シンボル２３の表示画面１１−１上の位置は、操作表示部１１により、航走体２に対する新たな移動方向として計算される。そして、計算された相対位置（相対距離、相対方向、相対ピッチ角）は、第１相対位置情報（シンボル相対距離情報、シンボル相対方向情報、シンボル相対ピッチ角情報）として誘導制御部５へ出力される。誘導制御部５は、航走体２の移動目標としての第１相対位置情報を航走体２へ出力する。航走体２は、受信した上記各情報で指定された位置へ移動して行く。
【００９３】
その後、航走体２の運動に応じて、航走体２から目標指定シンボル２３の位置の変化が定周期に返信される。その情報に基づいて、誘導制御部５は、目標指定シンボル２３の位置の移動を操作表示部１１へ出力する。それにより、表示画面１１−１上の目標指定シンボル２３の位置が移動する。
一方、エコー２２（目標３）の位置（第２相対位置情報に示される）は、航走体２の認識する位置とは独立に、ソーナー３１による計測データから算出している。従って、航走体２の運動に応じてエコー２２も位置が変化するが、目標指定シンボル２３の位置とは別に変化する。
【００９４】
Ｃ）図３（ｃ）
表示画面１１−１において、航走体２の位置測定誤差の累積によりエコー２２（第２相対位置情報）と目標指定シンボル２３（第１相対位置情報）との間にずれが生じる場合がある。その場合、カーソル２１により目標指定シンボル２３をフック（ドラック）し、移動して、ソーナースコープ上の正しいエコー２２の位置に合わせ、位置調整ボタンを押して、位置補正する。それにより、新たなエコーのある場所としての第２場所が入力される。
位置補正された目標指定シンボル２３の表示画面１１−１上の位置は、操作表示部１１により、航走体２に対する新たな移動方向として計算される。そして、計算された相対位置（相対距離、相対方向、相対ピッチ角）は、第３相対位置情報として誘導制御部５へ出力される。誘導制御部５は、航走体２の移動目標としての第３相対位置情報を航走体２へ出力する。航走体２は、受信した上記各情報で指定された位置へ移動して行く。
【００９５】
目標に到達するまで、必要に応じて、（Ｂ）、（Ｃ）の行程をくり返す。
そして、上記プロセスを行なうことにより、表示画面上で指定した位置（目標）へ航走体の進路を容易に設定することが可能となる。また、途中の段階で目標から外れてくる場合でも、容易に進路の修正を行なうことが可能となる。
【００９６】
上記プロセスは、母船と海洋探査船のような水中における探査活動を行なう潜航艇とを例に説明している。
【００９７】
【発明の効果】
本発明により、母船から制御され目標へ向かって運行する航走体の母船での操作を、目標を見失うことなく容易に行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明である誘導制御装置、誘導制御システム、誘導制御方法及びプログラムの実施の形態に関わる構成を示す説明図である。
【図２】前記実施の形態において適用される母船側の誘導制御の構成を示すブロック図である。
【図３】前記実施の形態における操作表示部の表示画面の一例を示す説明図である。
【図４】前記実施の形態において適用される航走体制御システムの構成を示すブロック図である。
【図５】前記実施の形態に関わる航走体の構成の一部を示す側面図である。
【図６】前記実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムに用いる座標系を示す説明図である。
【図７】前記実施の形態の動作に関わる第１アルゴリズムを示すフロー図である。
【図８】前記実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムに用いる座標系を示す説明図である。
【図９】前記実施の形態の動作に関わる第２アルゴリズムを示すフロー図である。
【符号の説明】
１ 母船
２ 航走体
３ 目標
４ 誘導制御装置
５ 誘導制御部
６ 水中音響部
７ 記憶部
８ 送受信部
９ 入出力部
１０ ソーナー信号処理部
１１ 操作表示部
１１−１ 表示画面
１２ 航走体制御システム
１３ 機体制御部
１４ 水中音響部
１５ 対地速度検出器
１６ 深度検出部
１７ 方位センサ
１８ 記憶部
１９ 送受信部
２１ カーソル
２２ エコー
２３ 目標指定シンボル
３１ ソーナー
３２ カメラ
４０ ＧＰＳ衛星群
４１ ＧＰＳ受信装置
４２ ケーブル
Claims (8)
- 探査信号を表示する画面表示手段を有し、母船から送出された航走体の探査信号における物体を表すエコーを前記画面表示手段上に表示し、前記画面表示手段上の前記エコーのある場所としての第１場所が指定された時、前記第１場所の前記航走体に対する相対位置としての第１相対位置を算出する操作表示部と、
前記第１相対位置に基づいて、前記航走体の移動目標を前記第１相対位置とするように前記航走体を制御する誘導制御部とを具備することを特徴とする誘導制御装置。 - 前記航走体から出力された前記探査信号に基づいて、前記エコーの航走体に対する相対位置としての第２相対位置を算出する探査信号処理部をさらに具備し、
前記操作表示部は、前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記画面表示手段上に表示する請求項１記載の誘導制御装置。 - 前記操作表示部は、前記第１相対位置と前記第２相対位置が、前記画面表示手段上でずれた場合、前記第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定されたとき、前記第２場所の前記航走体に対する相対位置としての前記第３相対位置を算出し、
前記誘導制御部は、前記航走体の移動目標を前記第３相対位置とするように前記航走体を制御する請求項１又は２記載の誘導制御装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の前記誘導制御装置と、前記誘導制御装置に制御される前記航走体とを具備することを特徴とする誘導制御システム。
- 母船から送出された航走体の探査信号を画面表示手段に表示するステップと、
前記画面表示手段に表示された、物体を表すエコーのある場所としての第１場所を指定するステップと、
前記第１場所の前記航走体に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、
前記航走体の移動目標を前記第１相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップとを具備することを特徴とする誘導制御方法。 - 前記探査信号を前記画面表示手段に表示するステップは、
前記探査信号を前記航走体から受信するステップと、
受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、
前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記画面表示手段に表示するステップとを具備する請求項５記載の誘導制御方法。 - 前記第１相対位置と前記第２相対位置とが、前記画面表示手段上でずれた場合、前記第２相対位置を示す場所としての第２場所を改めて指定するステップと、
前記第２場所の前記航走体に対する相対位置としての前記第３相対位置を算出するステップと、
前記航走体の移動目標を前記第３相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップとを更に具備する請求項６記載の誘導制御方法。 - 母船から送出された航走体の探査信号を画面表示手段に表示するステップと、
前記画面表示手段に表示された、物体を表すエコーのある場所としての第１場所が指定されたとき、前記第１場所の前記航走体に対する相対位置としての第１相対位置を算出するステップと、
前記航走体の移動目標を前記第１相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップとを具備し、
前記探査信号を前記画面表示手段に表示するステップは、前記探査信号を前記航走体から受信するステップと、受信された前記探査信号に基づいて、前記エコーの前記航走体に対する相対位置としての第２相対位置を算出するステップと、前記第２相対位置に基づいて、前記エコーを前記画面表示手段に表示するステップとを有し、
さらに、前記第１相対位置と前記第２相対位置とが、前記画面表示手段上でずれ、前記第２相対位置を示す場所としての第２場所が改めて指定されたとき、前記第２場所の前記航走体に対する相対位置としての前記第３相対位置を算出するステップと、
前記航走体の移動目標を前記第３相対位置とする制御信号を前記航走体へ送信するステップとを具備し、それらのステップをコンピューターに実行させるためのプログラム。
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