JP4421306B2

JP4421306B2 - 水中航走体の誘導装置

Info

Publication number: JP4421306B2
Application number: JP2004004177A
Authority: JP
Inventors: 浩之河口
Original assignee: Kawasaki Zosen KK
Current assignee: Kawasaki Zosen KK
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2005193854A

Description

本願発明は、自律型無人潜水機等の水中航走体を、光を用いて水中ステーション等のドッキング対象の所定位置に誘導するための誘導装置に関するものである。

従来より、水中調査や海底調査等を行うために、有索無人潜水機（ＲＯＶ：Remotely Operated Vehicle）や自律型無人潜水機（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle）等の水中航走体が利用されている。特に、自律型無人潜水機は、水中で母船からの支援を必要とせず、荒天下でも運用できるので、今後の海底調査等での多数運用が予想される。以下、自律型の水中航走体として、この自律型無人潜水機（以下、「ＡＵＶ」という。）を例に説明する。

このようなＡＵＶは、通常、音響信号や慣性航法装置等のセンサによって制御しながら無人で水中を航行させているが、その位置制御は難しく、特に、ＡＵＶへの電力供給（充電）や取得データの転送等のために水中ステーション等のドッキング対象と水中でドッキングさせる時の位置制御が難しい。

この種の従来技術として、例えば、洋上に浮遊させた複数のブイから発信した音響信号に基づく音響側位と、側位情報によるブイの絶対位置データとにより、自己の絶対位置をリアルタイムに計測するようにした水中航走体誘導装置及び方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来技術として、水中機器の前後に音波センサを設け、これらの音波センサが受信した音響信号同士の位相差を抽出して水中機器の進行方向を制御するような誘導システムもある（例えば、特許文献２参照。）。

なお、ＡＵＶを慣性航法や音響航法等で水中ステーションにドッキングさせる時に、最終的な位置誤差を機械的に吸収しょうとする自律型無人潜水機の水中ドッキング装置もある（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１０−１１１３５２号公報（第３頁、図１）特開平１１−８５２６７号公報（第２，３頁、図２）特開２０００−２７２５８３号公報（第４頁、図１）

しかしながら、前記特許文献１，２では、位置制御のために音響信号を使用しているので、音響信号を用いて水中や海底を調査するような水中航走体の場合、調査のための音響信号と位置制御のための音響信号とが干渉しないように、それぞれの音響信号の使用周波数を大きく変更しなければ正確な調査が困難になる場合がある。

一方、水中での位置制御精度を向上させるためには、音波の中でも比較的高い周波数を使用する必要があるが、ＡＵＶは内蔵する電池等によって航行するため、電源容量や機器搭載スペース等に限界があり、通常、水中航走体に必要とされる中遠距離対象の比較的低い周波数を用いた音響航法装置や慣性航法装置に加えて、更に高周波用の音響関連器材を装備することは困難である。

また、ＡＵＶをドッキングさせる対象が潜水母船の場合で、その潜水母船が音響調査を行っている場合には、水中航走体を音響信号で位置制御すると母船の調査に悪影響を及ぼすおそれがあり、安定した位置制御が困難な場合がある。

なお、前記特許文献３にはＴＶカメラによる画像認識を行うことが記述されているが、具体的な方法については記載されていない。

そこで、本願発明は、光を用いて水中航走体の安定した位置制御が行える誘導装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本願発明は、内蔵動力源によって水中を航走する自律型の水中航走体のドッキング対象に上下方向と左右方向とに所定の間隔を設けた光源を配置し、該光源に、ドッキング方向側に所定の間隔を持たせ、前記水中航走体に、前記光源の上下方向と左右方向と前後方向との間隔から、該光源に対する水中航走体の位置関係と距離とを画像認識して水中航走体の位置を判断する画像認識装置を設けるとともに、該画像認識装置で判断したドッキング対象に対する水中航走体の位置を前記内蔵動力源で正しいドッキング姿勢に制御する操縦制御装置を設けている。

さらに、この水中航走体の誘導装置において、前記上下方向と左右方向と前後方向とに所定の間隔を設けた光源を、平面視で、奥側に頂点を有し、水中航走体のドッキング方向が広がる三角状に配置してもよい。

また、この水中航走体の誘導装置において、前記光源を、上下に配置した２個の光源と左右に配置した２個の光源とで構成し、該上下に配置した２個の光源を奥側に所定の間隔を設けて配置し、該左右に配置した光源を前記奥側に配置した光源の上下方向のほぼ中間に位置させて水中航走体のドッキング方向に配置することにより、画像認識をより容易に行えるようにしてもよい。

さらに、これらいずれかの水中航走体の誘導装置において、前記光源を点滅させる光源制御装置を設け、該光源制御装置で点滅させた光源の点滅パターンからドッキング対象の制御信号を認識する機能を前記画像認識装置に持たせれば、光源の点滅パターンに応じて水中航走体の行動を制御するようなこともできる。

また、これらいずれかの水中航走体の誘導装置において、前記ドッキング対象を移動体とし、該移動体に前記光源を設けることにより、光を用いて移動体に水中航走体をドッキングさせることができるようにしてもよい。

本願発明は、以上説明したような手段により、ドッキング対象に設けた光源との位置関係を画像認識により認識させることによって、光を用いて水中航走体をドッキング姿勢に制御することが可能となる。

以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態に係る水中航走体の誘導装置を示す斜視図であり、図２は同水中航走体の誘導装置を示す平面図である。なお、この実施形態では、ドッキング対象として水中ステーションを例にして説明する。

図示するように、水中ステーション１の上面には、上下方向と左右方向とに所定の間隔を設けた光源２〜５が配置されている。これらの光源２〜５は、ＡＵＶ１０のドッキング方向（矢印ｖ）から見て、左右位置に所定間隔ｗで設けられた支柱６，７と中央正面位置に設けられた支柱８との３個所に配置されている。これらの支柱６〜８は、左右位置の支柱６，７に対してＡＵＶ１０から見て中央位置の支柱８が奥側に所定間隔ｄを設けて配置されている。９は電源等のケーブルである。

左右位置に設けられた支柱６，７の光源２，３は、高さ方向のほぼ中間位置にそれぞれ１個が設けられ、中央位置に設けられた支柱８の光源４，５は高さ方向の上部と下部とに間隔ｈを設けてそれぞれ１個が配置されている。また、前記左右に設けられた光源２，３は、この中央位置に設けられた光源４，５の上下方向中間位置となるように配置されている。これらの光源２〜５は、電源供給が容易な水中ステーション１に設けられている。

しかも、この実施形態では、図２に示すように、奥側へ所定間隔ｄでオフセットした中央位置の光源４，５が頂点となり、この光源４，５に対してＡＵＶ１０のドッキング方向（矢印ｖ）に広がるように左右に設けられた光源２，３とが三角状となるように配置されている。このように、ＡＵＶ１０のドッキング方向が広がるような平面視三角状に光源２〜５を配置すれば、図示するような角度αの間でＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１で光源２〜５を認識しやすく、少ない光源２〜５の数で安定した画像認識ができる。

これら左右位置と上下位置とに配置された光源２〜５の配置関係は画像認識上重要であり、これらの光源２〜５の配置関係と実際に得られた光源の位置関係とでＡＵＶ１０と水中ステーション１との相対関係を画像認識装置で演算し、このデータからＡＵＶ１０の位置を判定することができるからである。つまり、これらの光源２〜５の配置間隔が、水中ステーション１に対する方向や距離を演算する時の基礎データとなる。

なお、この実施形態では、光源２〜５を水中ステーション１の左右及び中央正面の３個所に配置しているが、この水中ステーション１にドッキングするＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１に応じて、画像認識を行い易い配置パターンや間隔を決定すればよい。また、光源２，３に対して光源４，５を奥側に所定間隔ｄだけずらして設けているが、ＴＶカメラを含めた画像認識の性能によっては全ての光源２〜５を同一面に設けてもよい。

さらに、このように光源２〜５を水中ステーション１の左右と正面奥側に配置することにより、水中ステーション１の中央をＡＵＶ１０のドッキングや充電、データ収集等の各種器材を装備するためのスペースｓ（斜線部分）として広く開放することができる。

このように配置された光源２〜５から光を発し、その光をドッキングするＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１で認識することにより得られた光源２〜５の画像が、ＡＵＶ１０に内蔵された画像認識装置１２によって処理される。この画像認識処理としては、光の方向や角度等と予め記録されている光源２〜５の配置データとから演算処理する機能を、ＡＵＶ１０に備えられている制御装置に新たな機能として付加させることで実現できる。ＴＶカメラ１１による画像認識としては、以下の図３に示す通りとなる。なお、ＴＶカメラ１１としては、低照度でも解像度が高い高性能白黒カメラを使用することが誘導範囲拡大のためには好ましいが、カラーカメラであってもよい。

図３(a) 〜(e) は、図１に示す誘導装置における光源の位置を画像認識する場合の模式図である。なお、これらの図面では、光源２〜５の見え方を極端に示している。水中ステーション１をドッキング方向の真正面から見た光源２〜５は、図３(a) に示すように中央の上下と、左右の中間位置に配置されており、ＡＵＶ１０が左に寄り過ぎた場合には、図３(b) に示すように、左側に位置する光源２が奥側に位置する上下の光源４，５の間に重なって見える。逆に、ＡＵＶ１０が右に寄り過ぎた場合には、図３(c) に示すように、右側に位置する光源３が奥側に位置する上下の光源４，５の間に重なって見える。

また、ＡＵＶ１０が上に寄り過ぎた場合には、図３(d) に示すように、左右方向に位置する光源２，３が奥側に位置する上側の光源４の横に並ぶように見える。逆に、ＡＵＶ１０が下に寄り過ぎた場合には、図３(e) に示すように、左右方向に位置する光源２，３が奥側に位置する下側の光源５の横に並ぶように見える。これらの図ではＡＵＶ１０が上下左右の一方にずれた場合を説明したが、実際のＡＵＶ１０では、例えば、左に寄りながら上方にずれるような複合的なずれを生じる。

このようにＴＶカメラ１１で得られた画像に基づき、前記誘導装置１５の画像認識装置１２では、予め設定された光源２，３の左右方向の所定間隔ｗ、光源４，５の光源２，３からの奥側に設けられた所定間隔ｄ、光源４，５の上下方向間隔ｈと、ＴＶカメラ１１で得られたこれら光源２〜５の間の距離や角度とから、ＡＵＶ１０の水中ステーション１に対する方向や角度を演算して、ＡＵＶ１０が水中ステーション１に対してどのような方向を向いてどのような位置関係にあるのかを認識するような処理がなされる。つまり、光源２〜５の正しい配置と得られた画像とから水中ステーション１の位置と方向とを認識させている。

そして、このようにして画像認識によって得られた水中ステーション１とＡＵＶ１０との相対関係により、ＴＶカメラ１１で得られる画像が図３(a) に示すような正しい位置の画像となるように、ＡＵＶ１０に具備された操縦制御装置（画像認識装置１２の機能を備えた制御装置等）によって、内蔵動力源でスラスタや舵を駆動して自動的に姿勢制御される。これにより、ＡＵＶ１０が水中ステーション１に対して正面からドッキングできるような姿勢に制御される。

従って、この誘導装置１５によれば、電力供給（充電）や取得データ転送等の装置を備えて海底等に設置された水中ステーション１側に、ドッキングに必要な光源２〜５を位置測定可能となるように最適配置し、ＡＵＶ１０側においては、観測用として通常一般に装備されているＴＶカメラ１１をそのまま使用し、ＡＵＶ１０内にＴＶカメラ１１で得られた画像を認識する画像認識装置１２を装備するのみで、音響を使用することなく光を用いてＡＵＶ１０を水中ステーション１に安定してドッキングさせることができる。

なお、前記実施形態では、上下方向と左右方向とにそれぞれ光源２〜５を配置した４個の光源の組合わせ例を説明したが、この例は好ましい例であり、例えば、上下方向に設ける光源４，５は一方であってもよく、光源の配置は前記実施形態に限定されるものではない。

図４(a) 〜(c) は、本願発明の誘導装置によって水中航走体をドッキングさせる対象例を示す図である。これらの図では、上述した複数の光源２〜５を光源セット１４として示している。なお、上述した実施形態における構成と同一の構成には、同一符号を付して、その説明は省略する。

図４(a) に示す例は、上述した実施形態の構成例であり、水中に設けられた水中ステーション１にＡＵＶ１０をドッキングさせる例である。この例の場合、水中ステーション１に設けられた光源（光源セット１４）をＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１で捕らえて画像認識させることによって、これらの相対位置関係からＡＵＶ１０を位置制御させている。水中ステーション１は、ＡＵＶ１０への電力供給（充電）や取得データ転送等に必要な装置を備えている。このように水中ステーション１にＡＵＶ１０をドッキングさせる場合、水中ステーション１は固定物であるためケーブル９等で電源を供給することが容易に可能であり、大電力の光源（光源セット１４）を設置することができる。

図４(b) に示す例は、水中を移動する潜水母船１６にＡＵＶ１０をドッキングさせる例であり、移動物体同志のドッキングに適用した例である。この例の場合、水中で移動する潜水母船１６に設けられた光源（光源セット１４）をＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１で捕らえて画像認識させることによって、これらの相対位置関係からＡＵＶ１０を位置制御させている。この例の場合、特に音響探査を行うような潜水母船へのドッキングに好適であり、音響探査に悪影響を及ぼす可能性のある音響的手段を使用せずに光を用いて安定したドッキングを行うことが可能となる。この構成の場合、潜水母船１６がＡＵＶ１０への電力供給（充電）や取得データ転送等に必要な装置を備えている。また、潜水母船１６はＡＵＶ１０よりも電力に余裕があるため大電力の光源（光源セット１４）を設置することが可能である。

図４(c) に示す例は、水上母船１７から水面下に下降させられた水中昇降架台１８にＡＵＶ１０をドッキングさせる例である。この例の場合、水中昇降架台１８に設けられた光源（光源セット１４）をＡＵＶ１０のＴＶカメラ１１で捕らえて画像認識させることによって、これらの相対位置関係からＡＵＶ１０を位置制御させている。このような水中昇降架台１８にＡＵＶ１０をドッキングさせるように構成すれば、図４(a) 並びに(b) の場合と同様に、ＡＵＶ１０が水面に浮上するためのバラストタンクヘの注排水等の手順が不要となり、ＡＵＶ１０を水中に留まらせたままで連続的に運用することが可能である。この構成の場合、水中昇降架台１８がＡＵＶ１０への電力供給（充電）や取得データ転送等に必要な装置を備えている。また、水中昇降架台１８へは水上母船１７から電力等を供給することが容易に可能であるため、水中昇降架台１８に設ける光源（光源セット１４）の電源を容易に確保することができる。

なお、上述した光源２〜５としては通常の発光体が使用されるが、光の場合には水中での減衰や海水汚濁によって水中到達距離が短くなるので、この光を用いた誘導装置１５では、音響誘導や慣性航法誘導等によって水中ステーション１、潜水母船１６、水中昇降架台１８への最終ドッキングコースに入る所定の範囲まで近づき、その位置から機械的にドッキングさせるまでの、最終ドッキングコースでの限られた範囲での精密誘導に好適である。最終的なドッキングは、水中ステーション１、潜水母船１６、水中昇降架台１８等に設けられた機械的なドッキング装置によって行われる。

さらに、上述した実施形態では、光源２〜５から発した光の位置をＴＶカメラ１１で捕らえて画像処理するものであったが、光源２〜５から発する光を所定の点滅パターンで点灯させる光源制御装置１３をドッキング対象側に設けてもよい。この場合、光源制御装置１３は、光源２〜５を所定の点滅パターンで点滅させるような制御回路を備えており、予め設定された点滅パターンとその制御信号の意味とが、ドッキング対象とＡＵＶ１０との制御装置に登録される。また、ＡＵＶ１０に設けられた画像認識装置１２も、その光源２〜５の点滅パターンを画像認識して、その制御信号の意味に沿って動作するように構成される。例えば、水中ステーション１や潜水母船１６、水中昇降架台１８等に異常やドッキング不可能な事態が発生した場合、所定の点滅パターンで光源２〜５を点滅させて制御信号として送ることにより、その光源２〜５の点滅パターンをＡＵＶ１０側で画像認識して、ＡＵＶ１０がドッキングしないように行動させる。

また、この光源２〜５の点滅パターンを工夫することによって、ＡＵＶ１０に次の行動指令（移動場所指示）等の情報を伝達することも可能である。この場合、ＡＵＶ１０を制御信号によって自動動作させることもできる。従って、これにより、水中ステーション１や潜水母船１６、水中昇降架台１８等に、誘導機能を持たせることができる。

このような制御信号としての使用を想定して光源２〜５を点滅させる場合、点滅間隔や点滅パターン等は、ＡＵＶ１０の画像認識装置１２の処理速度で認識可能な速度以下で点滅させるように決定され、発光側の光源制御装置１３と受信処理側の画像認識装置１２との双方の仕様を決定すればよい。

以上のように、この実施形態の誘導装置１５によれば、ＡＵＶ１０への電力供給（充電）や取得データの転送目的等で実施されるドッキング対象（水中ステーション１、潜水母船１６、水中昇降架台１８等）へのドッキングに対して、光源２〜５から発した光を用いて画像認識装置１２でドッキング対象に対するＡＵＶ１０の位置を把握して精密な位置制御をすることができるので、音響信号を用いることなくＡＵＶ１０を安定して位置制御することができる。

しかも、このように光を用いてＡＵＶ１０を位置制御する方法を、既存のＡＵＶへの搭載機器として多用されるＴＶカメラ１１を使用し、このＴＶカメラ１１で認識した光源２〜５の位置関係からＡＵＶ１０の方向や距離等を求めることができる画像認識装置１２を追加搭載すればよいため、予め搭載されている制御装置に新たな機能として画像認識装置１２の機能を付加することで対応することができ、設置スペースの増加を招くこともなく容易に設けることができる。また、比較的安価に構成することもできる。

その上、ＡＵＶ１０への電力供給（充電）や取得データの転送目的で設置される水中ステーション１や潜水母船１６、水中昇降架台１８側に電力やスペース等を必要とする光源２〜５を設けるので、光源２〜５に関する器材を設置するための制限は比較的少なく、光を用いた水中ドッキングに関する高精度な位置制御が可能な配置を容易に実現することができる。

また、ＡＵＶ１０のドッキング対象が水中ステーション１ではなく潜水調査船等の潜水母船１６の場合には、音響信号を使用せずに光学的な手段で位置制御を行うので、音響信号によって音響探査等の調査結果に悪影響を及ぼすことがない誘導装置を実現できる。

さらに、光源２〜５を点滅させることによって制御信号を送り、これをＡＵＶ１０側で画像認識させることで誘導機能として利用することができ、水中ステーション１や潜水母船１６、水中昇降架台１８等側に異常やドッキング不可能な事象が発生した場合にＡＵＶ１０に対する情報伝達が可能となる。

なお、前記光源２〜５としては白色系や黄色系が使用されるが、この光源２〜５として水中での減衰が比較的少ない緑系統のものを使用したり、ＴＶカメラ側を低照度対応型とすることで、水中到達距離をある程度延ばすこともできる。この光源２〜５の選択は、ＡＵＶ１０の保有する位置測定装置（主として中遠距離誘導に使用される音響航法装置や慣性航法装置）の性能やコスト等を勘案し、誘導装置１５に求められる誘導可能範囲を考慮して決定すればよい。

また、上述した実施形態は最良の実施形態の一例を示しており、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本願発明に係る水中航走体の誘導装置は、水中航走体を水中ステーション等のドッキング対象にドッキングさせる時の位置制御を行うための誘導装置として有用であり、特に光を用いて位置制御を行いたい水中航走体の位置制御に好適である。

本願発明の一実施形態に係る水中航走体の誘導装置を示す斜視図である。図１に示す水中航走体の誘導装置を示す平面図である。 (a) 〜(e) は、図１に示す誘導装置における光源の位置を画像認識する場合の模式図である。 (a) 〜(c) は、本願発明の誘導装置によって水中航走体をドッキングさせる対象例を示す図である。

符号の説明

１…水中ステーション
２〜５…光源
６〜８…支柱
９…ケーブル
１０…ＡＵＶ
１１…ＴＶカメラ
１２…画像認識装置
１３…光源制御装置
１４…光源セット
１５…誘導装置
１６…潜水母船
１７…水上母船
１８…水中昇降架台
ｄ…間隔
ｈ…間隔
ｗ…間隔
ｓ…器材装備スペース

Claims

内蔵動力源によって水中を航走する自律型の水中航走体のドッキング対象に上下方向と左右方向とに所定の間隔を設けた光源を配置し、該光源に、ドッキング方向側に所定の間隔を持たせ、
前記水中航走体に、前記光源の上下方向と左右方向と前後方向との間隔から、該光源に対する水中航走体の位置関係と距離とを画像認識して水中航走体の位置を判断する画像認識装置を設けるとともに、
該画像認識装置で判断したドッキング対象に対する水中航走体の位置を前記内蔵動力源で正しいドッキング姿勢に制御する操縦制御装置を設けた水中航走体の誘導装置。
前記上下方向と左右方向と前後方向とに所定の間隔を設けた光源を、平面視で、奥側に頂点を有し、水中航走体のドッキング方向が広がる三角状に配置した請求項１記載の水中航走体の誘導装置。
前記光源を、上下に配置した２個の光源と左右に配置した２個の光源とで構成し、該上下に配置した２個の光源を奥側に所定の間隔を設けて配置し、該左右に配置した光源を前記奥側に配置した光源の上下方向のほぼ中間に位置させて水中航走体のドッキング方向に配置した請求項１記載の水中航走体の誘導装置。
前記光源を点滅させる光源制御装置を設け、該光源制御装置で点滅させた光源の点滅パターンからドッキング対象の制御信号を認識する機能を前記画像認識装置に持たせた請求項１〜３のいずれか１項に記載の水中航走体の誘導装置。
前記ドッキング対象を移動体とし、該移動体に前記光源を設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の水中航走体の誘導装置。