JP4563209B2 - Position and orientation control apparatus and position and orientation control method for underwater vehicle - Google Patents

Position and orientation control apparatus and position and orientation control method for underwater vehicle Download PDF

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Description

本発明は、遠隔操作により移動する水中航走体の制御に係り、特に、原子力発電所における圧力容器内などの検査に好適な水中航走体の位置姿勢制御装置と位置姿勢制御方法に関する。   The present invention relates to control of an underwater vehicle that moves by remote operation, and more particularly to a position and orientation control apparatus and position and attitude control method for an underwater vehicle that are suitable for inspection of a pressure vessel or the like in a nuclear power plant.

原子力発電所内の構造物、例えばシュラウドなどの圧力容器内の構造物の検査に際しては、放射能による被ばくを防ぐため、従来から圧力容器内に純水が満たされている状態のままで、カメラ(テレビジョンカメラ)など検査用の機器が搭載されている水中航走体を水中に沈め、検査員がカメラ画像を監視しながら遠隔操作し、対象部位の検査や補修などを実施している。   When inspecting structures inside a nuclear power plant, such as shrouds, in order to prevent radiation exposure, the pressure vessel is still filled with pure water and the camera ( The underwater vehicle equipped with inspection equipment (such as a television camera) is submerged in water, and the inspector remotely controls the camera image while monitoring and repairing the target part.

ここで、このような水中航走体は、ＲＯＶ(遠隔操作ビークル)などとも呼ばれているものであるが、このとき、カメラで撮像した映像を安定化させるため、当該水中航走体の位置や姿勢を制御する必要があり、このため、或る従来技術では、無人潜水機の姿勢を制御するため、自動又は手動により複数のスラスタを制御する技術について開示している(例えば、特許文献１参照。)。   Here, such an underwater vehicle is also called a ROV (remote control vehicle) or the like. At this time, the position of the underwater vehicle is stabilized in order to stabilize the image captured by the camera. Therefore, in a certain conventional technique, a technique for controlling a plurality of thrusters automatically or manually in order to control the attitude of an unmanned submersible is disclosed (for example, Patent Document 1). reference.).

また、他の従来技術では、水中航走体の姿勢を変更する際、目標角度と実際の角度の差から操舵を制御する技術について開示しており(例えば、特許文献２参照。)、更に別の従来技術では、目標角度と実際の角度に有為な差がある時、サイドスラスタにより推進方向を偏向制御する技術について開示している(例えば、特許文献３参照。)。
特開平８−１６９３９８号公報 特開平６−８００９７号公報 特開平７−２２３５９９号公報 In addition, another conventional technique discloses a technique for controlling steering based on a difference between a target angle and an actual angle when changing the posture of an underwater vehicle (see, for example, Patent Document 2). The prior art discloses a technique for controlling deflection of the propulsion direction with a side thruster when there is a significant difference between the target angle and the actual angle (see, for example, Patent Document 3).
JP-A-8-169398 JP-A-6-80097 JP-A-7-223599

上記従来技術は、低速移動中又は停止中の水中航走体の位置と姿勢の制御に配慮がされておらず、水中航走体の安定化に問題があった。   The above prior art does not give consideration to the control of the position and posture of the underwater vehicle during low-speed movement or is stopped, and has a problem in stabilizing the underwater vehicle.

上記従来技術の中で、まず特許文献１に開示された従来技術は、無人潜水機の姿勢が傾いたとき水平に戻すための技術であり、且つ、操作量に応じて変化される姿勢に追従させるものではないため、低速又は停止している状態で使用することがある水中航走体の制御には適用できない。   Among the above-described conventional techniques, the conventional technique disclosed in Patent Document 1 is a technique for returning the unmanned submersible to a horizontal position when the attitude of the unmanned submersible is tilted, and follows a posture that is changed according to an operation amount. Therefore, it cannot be applied to the control of an underwater vehicle that may be used at a low speed or in a stopped state.

次に、特許文献２に開示された従来技術は、水中航走体の操舵角と実際の方位角を比較し、操舵時のオーバーシュートを抑え、前進しながらその進行方位を修正していく技術であるため、低速又は停止している状態で方位を修正するものではないので、やはり水中検査用航走体には適用できない。   Next, the prior art disclosed in Patent Document 2 compares the steering angle of the underwater vehicle with the actual azimuth, suppresses overshoot during steering, and corrects the traveling direction while moving forward. Therefore, since the heading is not corrected at a low speed or stopped, it cannot be applied to the underwater inspection vehicle.

そして、特許文献３に開示された従来技術も、上記特許文献２の場合と同様、移動しながら方位の誤差を修正していく技術であるため、これも低速又は停止している状態で使用することがある水中検査用航走体には適用できない。   The conventional technique disclosed in Patent Document 3 is also a technique for correcting an orientation error while moving, as in the case of Patent Document 2, so it is also used at a low speed or in a stopped state. Not applicable to underwater inspection vehicles.

本発明は、上記の問題を解決し、低速移動中又は停止中も搭載したカメラにより対象領域の検査を行う必要がある水中航走体を対象としてなされたものであり、その目的は、低速移動中と停止中も含め、常に水中航走体の位置及び姿勢を操作者が所望した位置及び姿勢に安定的に追従させることができるようにした水中航走体の位置姿勢制御装置及び位置姿勢制御方法を提供することにある。   The present invention has been made for an underwater vehicle that solves the above-mentioned problems and needs to inspect a target area with a camera mounted during low-speed movement or when stopped, and its purpose is low-speed movement Position and attitude control device and position and attitude control of the underwater vehicle so that the position and attitude of the underwater vehicle can always follow the position and attitude desired by the operator stably, including during and when the vehicle is stopped It is to provide a method.

上記目的は、水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御装置において、前記水中航走体の位置と姿勢を検出する慣性センサと、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を前記慣性センサにより検出した位置と姿勢と比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて前記スラスタの各々による推力を調整するスラスタ回転量調整手段とが設けられていることにより達成される。
The object is to provide a forward thruster composed of a thruster disposed in front of the underwater vehicle, a reverse thruster composed of a thruster disposed behind the underwater vehicle, A lateral movement thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the lateral direction and a function of rotating in the opposite direction and turning by being arranged side by side before and after the middle traveling body. An underwater vehicle position and orientation control apparatus that moves in response to an operation command supplied from the outside , an inertial sensor that detects a position and posture of the underwater vehicle, and an underwater vehicle that is given by the operation command Sula adjusting comparing means the position and orientation of Hashikarada compared with the position and the posture detected by the inertial sensor, the thrust due to each of the thrusters on the basis of a comparison result by the comparing means It is achieved by the other rotation amount adjusting means is provided.

このとき、前記慣性センサが、直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサと、直交する３軸周りの角加速度を検出するジャイロで構成されているようにしても、上記目的が達成される。
At this time, even if the inertial sensor is composed of a triaxial acceleration sensor having sensitivity in three orthogonal directions and a gyro for detecting angular acceleration around the three orthogonal axes , the above object is achieved. .

また、上記目的は、水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較した結果から水中航走体の横加速度の絶対値を評価し、当該横加速度の絶対値が予め設定してある閾値を越えたとき、当該水中航走体の移動方向を判定し、判定した移動方向が前方であれば前記前進方向用スラスタを停止させ、後方であれば前記後進方向用スラスタを停止させるようにしても達成される。
In addition, the above object has a thrust in the forward direction composed of a thruster disposed in front of the underwater vehicle, a thruster in the backward direction composed of a thruster disposed in the rear of the underwater vehicle, and a right and left propulsive force. A lateral movement thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the lateral direction and a function of rotating in the opposite direction and turning by being arranged side by side before and after the underwater vehicle. In a position and orientation control method for an underwater vehicle that moves in response to an operation command supplied from the outside, a position in which the position and orientation of the underwater vehicle provided by the operation command are detected by an inertial sensor The absolute value of the lateral acceleration of the underwater vehicle is evaluated from the comparison result, and the movement of the underwater vehicle is detected when the absolute value of the lateral acceleration exceeds a preset threshold value. Direction And, the determined direction of movement to stop the forward thrusters if the front, even if the backward thrusters if backward is stopped is achieved.

同じく、上記目的は、水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較した結果から水中航走体の方位の変化量を評価し、当該方位の変化量が予め設定してある閾値を越えたとき、前記横移動用スラスタによる旋回機能を用いて方位誤差を低減させるようにしても達成される。
Similarly, the above object has a thrust in the forward direction composed of a thruster disposed in front of the underwater vehicle, a thruster in the reverse direction composed of a thruster disposed in the rear of the underwater vehicle, and has a right and left propulsive force. A lateral movement thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the lateral direction and a function of rotating in the opposite direction and turning by being arranged side by side before and after the underwater vehicle. In a position and orientation control method for an underwater vehicle that moves in response to an operation command supplied from the outside, a position in which the position and orientation of the underwater vehicle provided by the operation command are detected by an inertial sensor and compared with the attitude, to evaluate the amount of change in orientation of the underwater vehicle from the result obtained by the comparison, when the change amount of the orientation exceeds a threshold value set in advance, turning function by the lateral movement thrusters It is also accomplished as to reduce the azimuth error using.

同じく、上記目的は、水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較した結果から水中航走体の横移動量を評価し、当該横移動量が予め設定してある閾値を越えたとき、当該水中航走体の横移動方向を判定し、前記横移動用スラスタによる横方向移動機能を用い、前記判定した移動方向に応じて前記横移動用スラスタを制御することにより当該水中航走体の横方向の移動量を低減させるようにしても達成される。 Similarly, the above object has a thrust in the forward direction composed of a thruster disposed in front of the underwater vehicle, a thruster in the reverse direction composed of a thruster disposed in the rear of the underwater vehicle, and has a right and left propulsive force. A lateral movement thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the lateral direction and a function of rotating in the opposite direction and turning by being arranged side by side before and after the underwater vehicle. In a position and orientation control method for an underwater vehicle that moves in response to an operation command supplied from the outside, a position in which the position and orientation of the underwater vehicle provided by the operation command are detected by an inertial sensor And the posture, and the lateral movement amount of the underwater vehicle is evaluated from the comparison result, and when the lateral movement amount exceeds a preset threshold, the lateral movement direction of the underwater vehicle is determined. And the side With lateral movement function of the dynamic thrusters, it is also accomplished as to reduce the movement amount in the lateral direction of the underwater vehicle by controlling the lateral movement thruster according to the moving direction which is the determination.

本発明によれば、低速移動中の水中航走体の位置と姿勢が、停止時も含めて安定化されるので、低速移動中の水中航走体の位置と姿勢を操作者が所望した通りに常に安定的に追従させることができる。   According to the present invention, since the position and posture of the underwater vehicle during low-speed movement are stabilized, including when stopped, the position and posture of the underwater vehicle during low-speed movement are as desired by the operator. Can always be followed stably.

以下、本発明による水中航走体の位置姿勢制御装置及び位置姿勢制御方法について、図示の実施形態により詳細に説明する。このとき、本発明の実施形態では、水中航走体の、特に前後進移動に際して、進行方位のずれや、横方向の位置のずれを検知し、前後進用のスラスタと横方向修正用のスラスタの制御量を調整するものであり、操作者の所望の操作量に従った水中航走体の位置及び姿勢の制御が実現されるようにしたものである。   Hereinafter, the position and orientation control apparatus and position and orientation control method of an underwater vehicle according to the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. At this time, according to the embodiment of the present invention, when the underwater vehicle is moving forward and backward, a shift in the heading direction and a shift in the lateral direction are detected, and the thruster for forward and backward movement and the thruster for lateral correction are detected. The control amount of the underwater vehicle is controlled according to the operation amount desired by the operator.

図１は、本発明の一実施形態で、ここに示されている水中航走体１には６基のスラスタ２〜７が設置してあり、各スラスタ２〜７には夫々モータ８〜１３が設けてあり、これにより上下左右と前後の３方向に移動できるように構成してある。   FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. An underwater vehicle 1 shown here is provided with six thrusters 2 to 7, and each thruster 2 to 7 has a motor 8 to 13, respectively. Thus, it is configured to be movable in three directions, up and down, left and right, and front and rear.

このときスラスタ２、３は上下移動用推力の発生手段で、スラスタ４、５は前後移動用推力の発生手段であり、これらはダクトとして働くスラスタガード２Ｇ〜５Ｇを備え、これにより水流の安定化を図り、スラスト(推力)が効率的に得られるようにしている。   At this time, the thrusters 2 and 3 are the means for generating the vertical movement thrust, and the thrusters 4 and 5 are the thrust generation means for the forward and backward movement, and these are provided with the thruster guards 2G to 5G that act as ducts, thereby stabilizing the water flow. The thrust (thrust) is obtained efficiently.

一方、スラスタ６、７は左右移動用推力の発生手段で、水中航走体１の本体を横方向に貫通しているダクト６Ｄ、７Ｄの中に設置してあり、同様に水流の安定化と効率的なスラストの発生が図られている。   On the other hand, the thrusters 6 and 7 are means for generating lateral movement thrust, and are installed in ducts 6D and 7D penetrating the main body of the underwater vehicle 1 in the lateral direction. Efficient thrust is generated.

この水中航走体１は、マイコンからなる操作用制御部１１により遠隔操作され、これにより、例えば原子力発電所の原子炉における圧力容器の中の水中において、操作者(操縦者ともいう)の意図に従って任意に操縦することができるようにしてある。   The underwater vehicle 1 is remotely operated by an operation control unit 11 composed of a microcomputer, whereby the operator (also referred to as a pilot) intends in the water in a pressure vessel in a nuclear power plant reactor, for example. You can steer arbitrarily according to.

このため、操作用制御部１４は、制御側通信部１５と通信線１６を介して水中航走体１に接続され、更に本体側通信部１７を介してＣＰＵからなる本体側制御部１８に接続されている。そして、これにより、操作用制御部１４から本体側制御部１８に、制御に必要な信号が伝送されるようになっている。   For this reason, the operation control unit 14 is connected to the underwater vehicle 1 via the control side communication unit 15 and the communication line 16, and further connected to the main body side control unit 18 including a CPU via the main body side communication unit 17. Has been. As a result, a signal necessary for control is transmitted from the operation control unit 14 to the main body side control unit 18.

また、この水中航走体１にはカメラ(テレビジョンカメラ)１９が設置してあり、このカメラ１９により撮像した映像信号が、カメラ制御部２０と本体側通信部１７を介して操作用制御部１４に伝送できるようになっている。そして、このときのカメラ１９による撮像方向Ｘが、この水中航走体１の前進方向となる。   The underwater vehicle 1 is provided with a camera (television camera) 19, and an image signal captured by the camera 19 is transmitted via the camera control unit 20 and the main body side communication unit 17. 14 can be transmitted. The imaging direction X by the camera 19 at this time is the forward direction of the underwater vehicle 1.

更に、この水中航走体１には慣性センサ２１が備えられている。そして、これには、図３に示すように、前後方向(Ｘ軸)と左右方向(Ｙ軸)、それに上下方向(Ｚ軸)の直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサ２１１と、Ｘ軸周りの角加速度(ローリングレート)とＹ軸周りの角加速度(ピッチングレート)、それにＺ軸周りの角加速度(ヨーイングレート)の３軸方向の角加速度を検出する３個のジャイロ２１２、２１３、２１４が設けてある。   Furthermore, the underwater vehicle 1 is provided with an inertial sensor 21. As shown in FIG. 3, this includes a three-axis acceleration sensor 211 having sensitivity in three directions orthogonal to the front-rear direction (X-axis), the left-right direction (Y-axis), and the vertical direction (Z-axis); Three gyros 212 and 213 that detect angular accelerations in the three axial directions of angular acceleration (rolling rate) around the X axis, angular acceleration (pitching rate) around the Y axis, and angular acceleration (yawing rate) around the Z axis. , 214 are provided.

そして、まず、３軸加速度センサ２１１では、直交する３軸に平行な方向での加速度を検出し、次に、ジャイロ２１２、２１３、２１４では、夫々ロール角、ピッチ角、ヨー角の各軸周りの角速度を検出する。なお、このため、図示のように、各ジャイロ２１２、２１３、２１４は、夫々Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸に沿って配置されている。   First, the triaxial acceleration sensor 211 detects acceleration in a direction parallel to the three orthogonal axes, and the gyro 212, 213, and 214 then rotate around the roll angle, pitch angle, and yaw angle axes, respectively. Detect the angular velocity of. For this reason, as shown in the figure, the gyros 212, 213, and 214 are disposed along the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively.

次に、この実施形態における制御フローについて、図２により説明すると、このときの水中航走体１の位置姿勢制御は、操作者が前後方向の操作量を前後オペレータ１０１に入力することにより開始される。そして、本体側制御部１８において各スラスタ用モータの制御量を決定し、夫々のスラスタ４〜７が各々のモータ１０〜１３により駆動されるようになる。   Next, the control flow in this embodiment will be described with reference to FIG. 2. The position and orientation control of the underwater vehicle 1 at this time is started when the operator inputs the operation amount in the front-rear direction to the front-rear operator 101. The Then, the control amount of each thruster motor is determined in the main body side control unit 18, and the respective thrusters 4 to 7 are driven by the respective motors 10 to 13.

なお、この実施形態では、水中航走体１を動かすスラスタとして、前方スラスタ４と後方スラスタ５、横用(前部)スラスタ６、それに横用(後部)スラスタ７を主として用い、３軸加速度センサ２１１により検出したＹ軸加速度情報と、ジャイロ２１４により検出したＺ軸周り(ヨー軸)の角速度情報を主に使用するようになっている。従って、図１に示されているスラスタ２、３の制御についての説明は割愛してある。   In this embodiment, as a thruster for moving the underwater vehicle 1, a forward thruster 4, a rear thruster 5, a lateral (front) thruster 6, and a lateral (rear) thruster 7 are mainly used as a three-axis acceleration sensor. The Y-axis acceleration information detected by 211 and the angular velocity information around the Z-axis (yaw axis) detected by the gyro 214 are mainly used. Therefore, the description of the control of the thrusters 2 and 3 shown in FIG. 1 is omitted.

本体側制御部１８では、モータ４〜７の制御量を決定するため、前後オペレータ１０１から入力された指令値と、慣性センサ２１で検出した水中航走体１の位置及び姿勢を比較部１８１で比較し、スラスタ回転量調整部１８２において夫々のスラスタの制御量を決定する。   In the main body side control unit 18, in order to determine the control amounts of the motors 4 to 7, the command value input from the front and rear operators 101 and the position and posture of the underwater vehicle 1 detected by the inertial sensor 21 are compared by the comparison unit 181. In comparison, the thruster rotation amount adjusting unit 182 determines the control amount of each thruster.

そして、この結果を各ドライバ１８３〜１８６により電圧に変換し、夫々のモータ１０〜１３に駆動電流を供給し、スラスタ４〜７を働かせる。これにより水中航走体１は、水中で浮遊しながら操作者の意図に応じで移動し、任意の場所に到達して任意の姿勢をとることができるようになる。   Then, the result is converted into a voltage by each of the drivers 183 to 186, a driving current is supplied to each of the motors 10 to 13, and the thrusters 4 to 7 are operated. As a result, the underwater vehicle 1 moves in accordance with the operator's intention while floating in the water, and can reach an arbitrary location and take an arbitrary posture.

このとき慣性センサ２１では、３軸加速度センサ２１１により検出したＹ軸加速度情報から、横速度算出部２１５により水中航走体１の横方向の移動速度を算出し、この算出結果から横移動量算出部２１６により横方向の移動量(ずれ)を算出している。また、ジャイロ２１４により検出した上下方向軸周りの角加速度(ヨーレート)を用い、これから方位算出部２１７により水中航走体１の方位を算出している。   At this time, the inertial sensor 21 calculates the lateral movement speed of the underwater vehicle 1 from the Y-axis acceleration information detected by the three-axis acceleration sensor 211, and calculates the lateral movement amount from the calculation result. The movement amount (deviation) in the horizontal direction is calculated by the unit 216. In addition, using the angular acceleration (yaw rate) around the vertical axis detected by the gyro 214, the azimuth calculating unit 217 calculates the azimuth of the underwater vehicle 1 from this.

次に、この実施形態による制御の流れについて、図４の処理フローにより説明する。なお、ここでの処理は、水中航走体１の操作開始後(ステップ４０１)、操作中(ステップ４０２)はステップ４０３からステップ４１６までの処理を実行する。そして、これらの処理は操作終了(ステップ４１７)まで繰り返し実行される。   Next, the flow of control according to this embodiment will be described with reference to the processing flow of FIG. In this process, after the operation of the underwater vehicle 1 is started (step 401), the process from step 403 to step 416 is executed during the operation (step 402). These processes are repeated until the operation ends (step 417).

そこで、操作中(ステップ４０２)になったら、まず、停止の信号の有無を判定する(ステップ４０３)。そして、停止していなければ、前後進用スラスタ４、５(図１)を動作させる(ステップ４０４)。次に、横加速度の絶対値を評価する(ステップ４０５)。そして、これが予め設定してある所定の閾値Ａｓ以上であれば横方向に移動していると判定し、このときは、ステップ４０６からステップ４０８までの修正動作を起動するのである。   Therefore, when the operation is in progress (step 402), it is first determined whether or not there is a stop signal (step 403). If not stopped, the forward / backward thrusters 4, 5 (FIG. 1) are operated (step 404). Next, the absolute value of the lateral acceleration is evaluated (step 405). If this is equal to or greater than a predetermined threshold value As set in advance, it is determined that the movement is in the horizontal direction, and at this time, the correction operation from step 406 to step 408 is started.

そこで、このときの修正動作、つまりステップ４０６からステップ４０８の処理による動作について、図５により説明すると、この図は、水中航走体１を前方５０に向かうように操縦しているとき、前方スラスタ４により発生した水流が、水中航走体１自身や外部の構造物(図示してない)に当たって横方向の流れ５１を誘発してしまい、水中航走体１に斜め方向の加速度５２が現われてしまうという状況を示したものである。   Therefore, the correction operation at this time, that is, the operation by the processing from step 406 to step 408 will be described with reference to FIG. 5. This figure shows the forward thruster when maneuvering the underwater vehicle 1 toward the front 50. The water flow generated by 4 hits the underwater vehicle 1 itself or an external structure (not shown) to induce a lateral flow 51, and an oblique acceleration 52 appears on the underwater vehicle 1. It shows the situation of end.

そこで、この場合、まず、水中航走体１の移動方向を判定し(ステップ４０６)、移動方向が前方であれば前方スラスタ４を停止させ(ステップ４０７)、後方であれば後方スラスタ５を停止させるのである(ステップ４０８)。これにより、横方向の水流が低減され、水中航走体１を安定して前方に進行できるようになる。   Therefore, in this case, first, the moving direction of the underwater vehicle 1 is determined (step 406). If the moving direction is forward, the forward thruster 4 is stopped (step 407), and if it is backward, the rear thruster 5 is stopped. (Step 408). Thereby, the water flow in the lateral direction is reduced, and the underwater vehicle 1 can be moved forward stably.

次に、方位の変化量を評価する(ステップ４０９)。そして、この変化量が予め設定している所定の閾値φｓ以上であったときは針路に変化が生じたと判定し、ステップ４１０からステップ４１２までの修正動作を起動する。   Next, the amount of change in orientation is evaluated (step 409). When the amount of change is equal to or greater than a predetermined threshold value φs set in advance, it is determined that a change has occurred in the course, and the correction operation from step 410 to step 412 is started.

そこで、このときのステップ４１０からステップ４１２までの処理による修正動作について、図６を用いて説明すると、この図は、水中航走体１の進行方位を方向６０に定めて操縦しているとき、方位に右回り角度θの誤差が生じ、進行方位が方向６１になってしまったという状況を示したものである。   Therefore, the correction operation by the processing from step 410 to step 412 at this time will be described with reference to FIG. 6. This figure shows that when the advancing direction of the underwater vehicle 1 is set to the direction 60, This shows a situation where an error of the clockwise angle θ occurs in the azimuth and the traveling azimuth has become the direction 61.

そこで、この場合は、ステップ４１０での回転判定が右になるので、水中航走体１が左旋回し(ステップ４１１)、方位が指示した方位６０に向くように制御する。すなわち、前部の横スラスタ６を、矢印６２で示す方向の水流を発生するように駆動し、後部の横スラスタ７には矢印６３で示す方向の水流を発生するように駆動するのである。   Therefore, in this case, since the rotation determination at step 410 is on the right, the underwater vehicle 1 is turned left (step 411) and is controlled so that the direction is directed to the designated direction 60. That is, the front horizontal thruster 6 is driven to generate a water flow in the direction indicated by the arrow 62, and the rear horizontal thruster 7 is driven to generate a water flow in the direction indicated by the arrow 63.

一方、ステップ４１０での回転判定が左になったときは、水中航走体１を右旋回させる(ステップ４１２)。すなわち、今度は、前部の横スラスタ６を、矢印６２と反対方向の水流を発生するように駆動し、後部の横スラスタ７も矢印６３と反対の方向の水流を発生するように駆動するのであり、従って、これにより針路を安定した状態に保ちながら水中航走体１を移動させる制御が可能になる。   On the other hand, when the rotation determination at step 410 is to the left, the underwater vehicle 1 is turned to the right (step 412). That is, this time, the front lateral thruster 6 is driven to generate a water flow in the direction opposite to the arrow 62, and the rear lateral thruster 7 is also driven to generate a water flow in the direction opposite to the arrow 63. Therefore, this makes it possible to control the underwater vehicle 1 to move while keeping the course stable.

次に、横移動量を評価する(ステップ４１３)。そして、これが予め設定してある所定の閾値Ｐｓ以上になったときは意図していない横方向の移動が現われたものと判定し、ステップ４１４からステップ４１６までの修正動作を起動する。   Next, the lateral movement amount is evaluated (step 413). When this exceeds a predetermined threshold value Ps set in advance, it is determined that an unintended lateral movement has occurred, and the correction operation from step 414 to step 416 is started.

このときの修正動作、つまりステップ４１４からステップ４１６までの処理による修正動作について、図７を用いて説明すと、この図は、水中航走体１を位置７０(1)に移動させる操作をしたにも関らず、それが前方に向かって右側の位置７１(1)に移動してしまったという状況を示したものである。   The correction operation at this time, that is, the correction operation by the processing from step 414 to step 416 will be described with reference to FIG. 7. In this figure, an operation of moving the underwater vehicle 1 to the position 70 (1) is performed. Nevertheless, it shows a situation where it has moved forward to the right position 71 (1).

そこで、このときは、ステップ４１４での移動方向の判定が右になるので、水中航走体１を左移動し(ステップ４１５)、位置７１(1)から位置７０(1)に戻すようにスラスタを駆動する。すなわち、前部の横スラスタ６と後部の横スラスタ７の２基のスラスタを、何れも矢印７２、７３で示すように、同じく右側に向う水流を発生するように駆動するのである。   Therefore, at this time, since the determination of the moving direction in step 414 is on the right, the underwater vehicle 1 is moved left (step 415), and the thruster is returned from the position 71 (1) to the position 70 (1). Drive. That is, the two thrusters, the front horizontal thruster 6 and the rear horizontal thruster 7, are driven so as to generate a water flow toward the right side, as indicated by arrows 72 and 73.

反対に、ステップ４１４での移動方向の判定が左になったときは、水中航走体１を右移動し(ステップ４１６)、同じく位置７０(1)に戻すようにスラスタを駆動する。すなわち、前部の横スラスタ６と後部の横スラスタ７の２基のスラスタを、今度は矢印７２、７３とは反対の左側に向う水流を発生するように駆動するのであり、これにより、水中航走体１が所望の位置から横に移動した場合でも、自動的に修正することが可能になる。   On the other hand, when the determination of the moving direction in step 414 is to the left, the underwater vehicle 1 is moved to the right (step 416), and the thruster is driven so as to return to the position 70 (1). That is, the two thrusters, the front horizontal thruster 6 and the rear horizontal thruster 7 are driven so as to generate a water flow toward the left side opposite to the arrows 72 and 73. Even when the running body 1 moves sideways from a desired position, it is possible to automatically correct it.

ここで、この図４の処理において使用されている横加速度、横移動量、方位角の算出について説明すると、これは、慣性センサ２１の信号処理により与えられるようになっている。そこで、次に慣性センサ２１による横加速度、横移動量、方位角の算出処理ついて、図８の処理フローにより説明する。   Here, calculation of the lateral acceleration, the lateral movement amount, and the azimuth angle used in the processing of FIG. 4 will be described. This is given by the signal processing of the inertial sensor 21. Then, the calculation processing of the lateral acceleration, the lateral movement amount, and the azimuth angle by the inertial sensor 21 will be described with reference to the processing flow of FIG.

いま、この図８による信号処理が開始されたとすると(ステップ８０１)、初めは横加速度値と横移動量を算出する処理に移行する(ステップ８０２)。そして、この場合、まず、３軸加速度センサ２１１から横加速度信号を入力する(ステップ８０３)。次に、高域通過フィルタ(ＨＰＦ)により重力加速度成分を除去し(ステップ８０４)、続いて、低域通過フィルタ(ＬＰＦ)によりノイズ成分を除去する(ステップ８０５)。このときのカットオフ周波数は、通常、１Ｈｚから１０Ｈｚ程度に選定してやれば良い。   Now, assuming that the signal processing according to FIG. 8 is started (step 801), first, the process proceeds to processing for calculating a lateral acceleration value and a lateral movement amount (step 802). In this case, first, a lateral acceleration signal is input from the triaxial acceleration sensor 211 (step 803). Next, the gravitational acceleration component is removed by the high-pass filter (HPF) (step 804), and then the noise component is removed by the low-pass filter (LPF) (step 805). The cut-off frequency at this time is usually selected from about 1 Hz to about 10 Hz.

次に、３軸加速度センサ２１１に固有のゲインを補正した後(ステップ８０６)、横方向の加速度を出力し(ステップ８０７)、次いで、この横方向の加速度を重積分することにより横方向の移動量を算出し(ステップ８０８)、横方向の移動量を出力する(ステップ８０９)。   Next, after correcting the gain inherent to the three-axis acceleration sensor 211 (step 806), the lateral acceleration is output (step 807), and then the lateral movement is performed by multiply integrating the lateral acceleration. The amount is calculated (step 808), and the lateral movement amount is output (step 809).

そこで、次に、方位角を算出する処理に移行する(ステップ８１０)。ここでは、上下方向軸周りの角加速度(ヨーイングレート)から方位角を算出する。そして、まず、初めに、ジャイロ２１４の出力であるヨーイング信号を入力し(ステップ８１１)、次に、ジャイロ信号の基準電圧を更新するか否かを判定する。   Therefore, next, the processing shifts to processing for calculating the azimuth angle (step 810). Here, the azimuth angle is calculated from the angular acceleration (yawing rate) around the vertical axis. First, a yawing signal that is the output of the gyro 214 is input (step 811), and then it is determined whether or not the reference voltage of the gyro signal is updated.

このときの判定方法は、区間推定により行う。すなわち、現在時刻から遡って一定時間(１秒から３秒程度)の信号の分散を評価し、その値が予め設定した値以内にある場合に、回転していないと判断し、このときのヨーイング信号を基準電圧として更新するのである(ステップ８１２)。   The determination method at this time is performed by section estimation. That is, the variance of the signal for a certain time (about 1 to 3 seconds) is evaluated retroactively from the current time, and if the value is within a preset value, it is determined that the motor is not rotating, and yawing at this time The signal is updated as a reference voltage (step 812).

次に、ヨーイング信号から基準電圧を減じ、ヨーイングレートを算出する(ステップ８１３)。最後に、使用するジャイロ(ジャイロ２１４)に固有のゲインを補正し(ステップ８１７)、その値を積算して方位角として出力する(ステップ８１８)のである。   Next, the yaw rate is calculated by subtracting the reference voltage from the yawing signal (step 813). Finally, the gain specific to the gyro to be used (gyro 214) is corrected (step 817), and the values are integrated and output as an azimuth angle (step 818).

従って、以上の実施形態によれば、操作者が実際に操縦した通りの動作に一致するように水中航走体の動作制御が可能になり、この結果、操縦性のより一層の向上が図られることになる。   Therefore, according to the above embodiment, it is possible to control the operation of the underwater vehicle so that it matches the operation that the operator actually steers, and as a result, the maneuverability can be further improved. It will be.

水中航走体の位置姿勢制御に広く適用が可能で、特に低速で使用され、流れや周囲の構造物など、外的要因により位置や姿勢に変化を受け易い環境での使用に適している。   It can be widely applied to the position and orientation control of underwater vehicles, and is particularly suitable for use in environments where the position and orientation are susceptible to changes due to external factors such as flow and surrounding structures.

本発明による水中航走体の位置姿勢制御装置の一実施形態を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows one Embodiment of the position-and-orientation control apparatus of the underwater vehicle by this invention. 本発明の一実施形態における処理の流れを説明するためのブロック構成図である。It is a block block diagram for demonstrating the flow of the process in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における慣性センサの配置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the inertial sensor in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による動作を説明するための処理フロー図である。It is a processing flow figure for explaining operation by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における横向き加速度修正動作の説明図である。It is explanatory drawing of the lateral acceleration correction operation | movement in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における進行方位修正動作の説明図である。It is explanatory drawing of the advancing direction correction operation | movement in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における横向き移動修正動作の説明図である。It is explanatory drawing of the horizontal movement correction operation | movement in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における慣性センサの信号処理を説明するための処理フロー図である。It is a processing flowchart for demonstrating the signal processing of the inertial sensor in one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１：水中航走体
２、３：スラスタ(上下移動用)
４、５：スラスタ(前後移動用)
２Ｇ〜５Ｇ：スラスタガード
６、７：スラスタ(左右移動用)
６Ｄ、７Ｄ：ダクト(水中航走体１の本体を横方向に貫通しているダクト)
８〜１３：モータ(スラスタ駆動用)
１４：操作用制御部(ＣＰＵ)
１５：制御側通信部
１６：通信線
１７：本体側通信部
１８：本体側制御部(ＣＰＵ)
１９ ：カメラ(テレビジョンカメラ)
２０：カメラ制御部
２１：慣性センサ
２１１：３軸加速度センサ
２１２：ジャイロ(ロール角検出用)
２１３：ジャイロ(ピッチ角検出用)
２１４：ジャイロ(ヨー角検出用) 1: Underwater vehicle 2, 3: Thruster (for vertical movement)
4, 5: Thruster (for forward / backward movement)
2G-5G: Thruster guard 6, 7: Thruster (for left / right movement)
6D, 7D: Duct (duct that penetrates the main body of the underwater vehicle 1 laterally)
8-13: Motor (for thruster drive)
14: Operation control unit (CPU)
15: Control side communication unit 16: Communication line 17: Main unit side communication unit 18: Main unit side control unit (CPU)
19: Camera (television camera)
20: Camera control unit 21: Inertial sensor 211: 3-axis acceleration sensor 212: Gyro (for roll angle detection)
213: Gyro (for pitch angle detection)
214: Gyro (for yaw angle detection)

Claims (5)

水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御装置において、
前記水中航走体の位置と姿勢を検出する慣性センサと、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を前記慣性センサにより検出した位置と姿勢と比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づいて前記スラスタの各々による推力を調整するスラスタ回転量調整手段とが設けられていることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御装置。 A forward thruster comprising a thruster disposed in front of an underwater vehicle, a reverse thruster comprising a thruster disposed behind the underwater vehicle, and a propulsive force to the left and right of the underwater vehicle. By being arranged side by side, it has a laterally moving thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the horizontal direction and a function of rotating in the opposite direction and turning. In the position and orientation control device of the underwater vehicle that moves according to the operation command supplied from
An inertial sensor for detecting the position and posture of the underwater vehicle,
Comparison means for comparing the position and posture of the underwater vehicle given by the operation command with the position and posture detected by the inertial sensor;
A position / attitude control device for an underwater vehicle, comprising thruster rotation amount adjusting means for adjusting thrust by each of the thrusters based on a comparison result by the comparing means. 請求項１に記載の水中航走体の位置姿勢制御装置において、
前記慣性センサが、直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサと、直交する３軸周りの角加速度を検出するジャイロで構成されていることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御装置。 In the position and orientation control device for an underwater vehicle according to claim 1,
A position and orientation control device for an underwater vehicle, wherein the inertial sensor is composed of a three-axis acceleration sensor having sensitivity in three orthogonal directions and a gyro for detecting angular acceleration around three orthogonal axes. . 水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較した結果から水中航走体の横加速度の絶対値を評価し、当該横加速度の絶対値が予め設定してある閾値を越えたとき、当該水中航走体の移動方向を判定し、判定した移動方向が前方であれば前記前進方向用スラスタを停止させ、後方であれば前記後進方向用スラスタを停止させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。 A forward thruster comprising a thruster disposed in front of an underwater vehicle, a reverse thruster comprising a thruster disposed behind the underwater vehicle, and a propulsive force to the left and right of the underwater vehicle. By being arranged side by side, it has a laterally moving thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the horizontal direction and a function of rotating in the opposite direction and turning. In the position and orientation control method of the underwater vehicle that moves according to the operation command supplied from
Comparing the position and posture of the underwater vehicle given by the operation command with the position and posture detected by the inertial sensor;
From the result of the comparison, the absolute value of the lateral acceleration of the underwater vehicle is evaluated, and when the absolute value of the lateral acceleration exceeds a preset threshold value, the moving direction of the underwater vehicle is determined and determined. the moving direction stops the forward thrusters if the forward position and orientation control method for underwater vehicle, characterized in that stopping the backward thrusters if backward. 水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較した結果から水中航走体の方位の変化量を評価し、当該方位の変化量が予め設定してある閾値を越えたとき、前記横移動用スラスタによる旋回機能を用いて方位誤差を低減させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。 A forward thruster comprising a thruster disposed in front of an underwater vehicle, a reverse thruster comprising a thruster disposed behind the underwater vehicle, and a propulsive force to the left and right of the underwater vehicle. By being arranged side by side, it has a laterally moving thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the horizontal direction and a function of rotating in the opposite direction and turning. In the position and orientation control method of the underwater vehicle that moves according to the operation command supplied from
Comparing the position and posture of the underwater vehicle given by the operation command with the position and posture detected by the inertial sensor;
Based on the comparison result, the amount of change in the direction of the underwater vehicle is evaluated, and when the amount of change in the direction exceeds a preset threshold, the turning function by the lateral movement thruster is used to reduce the direction error. A method for controlling the position and orientation of an underwater vehicle. 水中航走体の前方に配置したスラスタからなる前進方向用スラスタと、前記水中航走体の後方に配置したスラスタからなる後進方向用スラスタと、左右に推進力を有し前記水中航走体の前後に並べて配置されることにより、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と反対方向に回転させて旋回する機能とを有する２台のスラスタからなる横移動用スラスタとを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較した結果から水中航走体の横移動量を評価し、当該横移動量が予め設定してある閾値を越えたとき、当該水中航走体の横移動方向を判定し、前記横移動用スラスタによる横方向移動機能を用い、前記判定した移動方向に応じて前記横移動用スラスタを制御することにより当該水中航走体の横方向の移動量を低減させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。 A forward thruster comprising a thruster disposed in front of an underwater vehicle, a reverse thruster comprising a thruster disposed behind the underwater vehicle, and a propulsive force to the left and right of the underwater vehicle. By being arranged side by side, it has a laterally moving thruster comprising two thrusters having a function of rotating in the same direction and moving in the horizontal direction and a function of rotating in the opposite direction and turning. In the position and orientation control method of the underwater vehicle that moves according to the operation command supplied from
Comparing the position and posture of the underwater vehicle given by the operation command with the position and posture detected by the inertial sensor;
The lateral movement amount of the underwater vehicle is evaluated from the comparison result, and when the lateral movement amount exceeds a preset threshold value, the lateral movement direction of the underwater vehicle is determined, and the lateral movement An underwater vehicle that reduces a lateral movement amount of the underwater vehicle by controlling the lateral movement thruster according to the determined movement direction using a lateral movement function by a thruster. Position and orientation control method.
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