JP5457317B2 - 水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び管内調査方法。 - Google Patents

Description

本発明は、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走する水中航走体と、この水中航走体を用いて水道本管等の調査を行う調査システムの小型化と制御の簡単化を図ることができる、水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び管内調査方法に関する。

水道本管や原子炉施設の排水管等の管内を調査する場合に、本管から上向きに分岐した枝管から、空気弁等を外し、この枝管側から本管にカメラ、カメラ用の照明灯、移動用のプロペラ等を装備すると共に、曳航するケーブルでデータや動力を送受信する管内調査機器（調査用水中ロボット）を挿入して、この管内調査機器によって検査を行っている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

この管内調査では、枝管に設けられた補修弁を閉弁して、枝管から空気弁等を取り外し、管内調査機器を内部に収容した挿入管を枝管に取り付ける。この挿入管を取り付けた後、補修弁を開弁して挿入管内を没水状態とした上で、管内調査機器に連結されたケーブルを挿入管外（水密区画外）から挿入管内（水密区画内）に繰り出しながら、管内調査機器を本管内に挿入し、更に、ケーブルを繰り出しながら管内調査機器を本管内の所定の部位に移動させて、本管内の調査を行う。調査を終了したら、ケーブルを引き込んで管内調査機器を本管内から挿入管に引き込む。その後、補修弁を閉弁して、挿入管を取り外し、枝管に空気弁等を取り付けてから、補修弁を調査作業前の元の状態に戻して一連の作業を終了する。

従来技術においては、この有線式水中ロボットである管内調査機器の浮力は重量とバランスして浮き沈みしないように、即ち、中性浮力になるように重量と浮力を調整され、また、管内調査機器の前後方向が本管の管軸方向と同じ方向を向くようにトリム（縦傾斜）も調整される。なお、この管内調査機器に連結したケーブルも中性浮力になるように比重を調整される。

この管内調査機器による管内の撮影に際しては、歪みの少ない、質の高い映像データを得るために、管内調査機器を管内の中央に置いて、管内調査機器の方向を本管の管軸方向に合わせて、管内調査機器の側方に配置されたカメラで管壁の直角方向から撮影することが望ましい。また、管内調査機器の姿勢を傾斜させずに管軸方向に維持することで、角度（位置）の誤差の少ない映像データを得ることができる。

その一方で、管内で損傷がある部分を発見した場合にはその部分に接近して撮影できるように、管内調査中に管内調査機器を上昇（浮上）及び下降（沈下、潜行）ができることが好ましい。また、単純な制御で管内調査機器を上昇させたり、下降させたりすることができるようになると、流れの中に置かれた管内調査機器を本管の軸心位置に沿って、より精度良く移動させることができるようになる。

この管内調査機器の上昇及び下降に際しては、従来技術における湖沼や海洋等のオープンスペースで使用される水中航走体（水中ロボット）では、上下方向に推力を発生できる姿勢制御用スラスタを装備し、この姿勢制御用スラスタで発生する推力を用いて上下方向に移動させたり、水中航走体のトリム方向の姿勢を変更させながら前進させたり、姿勢制御用スラスタ自体の方向を変更させることで、水中航走体を上昇させたり、下降させたりしている。

あるいは、水中航走体に姿勢制御用のフィンや舵を備えて、このフィンや舵の迎角を変化させることにより、フィンや舵で発生する流体力の大きさを変化させて水中航走体のトリム方向の姿勢を変更させながら前進させることで、水中航走体を上昇させたり、下降させたりしている。

しかしながら、管内調査機器の姿勢制御を姿勢制御用スラスタで行うと、姿勢制御用に必要な電力が必要になるので、電源を大きくする必要が生じる上に曳航するケーブルが太くなるという問題や、姿勢制御用スラスタの個数の増加や姿勢制御用スラスタの向きを変更するための機構を管内調査機器に設ける必要が生じて、管内調査機器が大きくなるという問題がある。そして、管内調査機器が大きくなると必要なスラスタ能力も大きくなるという問題が生じる。

また、管内調査機器の姿勢制御を姿勢制御用フィンや舵で行うと、フィンや舵の迎角を変更するための機構を管内調査機器に設ける必要が生じ、管内調査機器が大きくなるという問題がある。また、流体力を発生し易いようにするため、フィンや舵を管内調査機器の本体よりも外側に配置すると、フィンや舵が管内調査機器を挿入管に収容する際に邪魔になるという問題が生じる。

特開２００７−９１１６９号公報 特開平１０−２２１２５７号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走する水中航走体とその支援システムの小型化と制御の簡単化を図ることができる、水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び管内調査方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の水中航走体は、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走用推進器により航走する水中航走体において、前記水中ケーブルの接続点を前記航走用推進器の推進軸の軸線から上下方向に関して距離を置いて設けるとともに、前記航走用推進器が発生する推進力によって発生する前記接続点回りの第１モーメントと、該水中航走体の水中重量の沈下力又は浮上力によって発生する前記接続点回りの第２モーメントとが、前記推進力が予め設定した設定推進力であるときに等しくなるように、前記水中重量の沈下力又は浮上力を設定し、該水中航走体の上昇又は下降の制御を、前記推進力の増減によって行うように構成する。

なお、ここで用いている「水中」とは「水中」「海中」その他の「液体の中」を含み、ここで用いている「水中航走体」も、湖沼や河川等の水域や、沿岸や遠洋等の海域や、水道管や原子力施設の危険区域の管や狭水路等を航走する水中航走体、海中航走体、特殊な液体中を航走する液中航走体等を含んでいる。

従来技術における水中航走体は、浮力と重力が等しくなる中性浮力に調整されるが、この構成では、中性浮力よりも重くして静止状態では沈下するように、又は、中性浮力よりも軽くして静止状態では浮上するように、水中航走体の水中重量の沈下力又は浮上力を設定すると共に、更に、この沈下力又は浮上力が発生する接続点回りの第２モーメントが、航走用推進器が発生する推進力が予め設定した設定推進力を発生しているときの接続点回りの第１モーメントと同じになるように設定する。

この設定により、航走用推進器が発生する推進力を設定推進力より大きくすると、推進力による接続点回りの第１モーメントが第２モーメントよりも大きくなるので、水中航走体の前方を、中性浮力よりも重い場合には上方に向けるモーメントが発生し、中性浮力より軽い場合には下方に向けるモーメントが発生する。また、航走用推進器が発生する推進力を設定推進力より小さくすると、この推進力による接続点回りの第１モーメントが第２モーメントよりも小さくなるので、水中航走体の前方を、中性浮力よりも重い場合には下方に向けるモーメントが発生し、中性浮力より軽い場合には上方に向けるモーメントが発生する。

このモーメントにより、水中航走体の前方が上方を向くように姿勢が変わることにより、結果として、水中航走体は上昇し、水中航走体の前方が下方を向くように姿勢が変わることにより、結果として、水中航走体は下降する。従って、水中航走体のトリム方向の姿勢制御及び上昇と下降の制御を、航走用推進器の推進力の増減によるという非常に簡単な制御で行うことができるようになる。

また、上記の目的を達成するための管内調査システムは、水中ケーブルを曳航しながら管内を調査する管内調査機器と、この管内調査機器を枝管側と本管の間を移動させるための挿入回収装置と、前記管内調査機器と前記挿入回収装置を制御すると共に調査データをモニターするための制御及び監視装置とを備えて、前記挿入回収装置を使用して枝管側から本管に前記管内調査機器を挿入して本管内部を調査し、調査後に、前記挿入回収装置を使用して本管から枝管側に前記管内調査機器を回収する管内調査システムにおいて、前記管内調査機器に、上記の水中航走体を用いるように構成される。

ここでいう水道本管とは、水の供給元（浄水場等）と利用先の間にある配管のことをいい、枝管とは、本管から上方に分岐する管で、上方に空気弁、消化栓などを取り付ける管のことをいう。

この管内調査システムによれば、管内調査機器のトリムの姿勢制御と上昇・下降の制御を、航走用推進力の増減で行うので、管内調査機器としての水中航走体に、姿勢制御用のスラスタ（推力発生装置）や姿勢制御用のフィン等を設けることが不要になるため、その分の機器の重量と、駆動のための電力が不要になり、管内調査機器を小型化及び軽量化できる。

また、管内調査機器側における消費電力が少なくなるので、その分、管内調査機器が曳航する水中ケーブルを細くすることができる。また、水中ケーブルの細線化により、管内調査機器の姿勢、上昇移動及び下降移動への水中ケーブルの影響を小さくできる。

上記の目的を達成するための水中航走体の上昇及び下降制御方法は、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走用推進器により航走する水中航走体の上昇及び下降制御方法において、前記水中ケーブルの接続点を前記航走用推進器の推進軸の軸線から上下方向に関して距離を置いて設けるとともに、前記航走用推進器が発生する推進力によって発生する前記接続点回りの第１モーメントと、該水中航走体の水中重量の沈下力又は浮上力によって発生する前記接続点回りの第２モーメントとが、前記推進力が予め設定した設定推進力であるときに等しくなるように、前記水中重量の沈下力又は浮上力を設定し、該水中航走体の上昇又は下降の制御を、前記推進力の増減によって行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、航走用推進器が発生する推進力を設定推進力より大きくすると、推進力による接続点回りの第１モーメントが第２モーメントよりも大きくなるので、水中航走体の前方を、水中重量を重くした場合には上方に向けるモーメントが発生し、軽くした場合には下方に向けるモーメントが発生する。また、航走用推進器が発生する推進力を設定推進力より小さくすると、逆方向に向けるモーメントを発生させることができる。また、このモーメントにより、水中航走体の前方が上方を向くように姿勢が変わることにより、結果として、水中航走体は上昇し、水中航走体の前方が下方を向くように姿勢が変わることにより、結果として、水中航走体は下降する。従って、水中航走体のトリム方向の姿勢制御及び上昇と下降の制御を、航走用推進器の推進力の増減によるという非常に簡単な制御で行うことができるようになる。

そして、上記の目的を達成するための管内調査方法は、水中ケーブルを曳航しながら管内を調査する管内調査機器と、この管内調査機器を枝管側と本管の間を移動させるための挿入回収装置と、前記管内調査機器と前記挿入回収装置を制御すると共に調査データをモニターするための制御及び監視装置とを備えた管内調査システムで、前記挿入回収装置を使用して枝管側から本管に前記管内調査機器を挿入して本管内部を調査し、調査後に、前記挿入回収装置を使用して本管から枝管側に前記管内調査機器を回収する管内調査方法において、前記管内調査機器の上昇又は下降の制御に、上記の水中航走体の上昇及び下降制御方法を用いることを特徴とする方法である。

この管内調査方法によれば、管内調査機器の上昇・下降（浮沈）の制御を、スラスタやフィンや舵を使用せずに、航走用推進力の増減のみで行うので、管内調査機器としての水中航走体は、スラスタ等が不要になるため、その分の機器の重量と、駆動のための電力が不要になり、管内調査機器を小型化及び軽量化できる。

また、消費電力が少なくなるので、その分、水中ケーブルを細くすることができる。また、水中ケーブルの細線化により、管内調査機器の姿勢、上昇移動及び下降移動への影響を小さくできる。

本発明の、水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び、管内調査方法によれば、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走する水中航走体、及び、この水中航走体の支援システムの小型化と軽量化と制御の簡略化を図ることができる。

水中航走体（管内調査機器）の平面図である。 水中航走体（管内調査機器）の側断面図である。 水中航走体（管内調査機器）の正面図である。 水中航走体（管内調査機器）の背面図である。 第１の実施の形態の水中航走体のモーメントバランスと水平姿勢を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 図５の水中航走体のモーメントバランスと前方上向き姿勢の関係を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 図５の水中航走体のモーメントバランスと前方下向き姿勢の関係を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 第２の実施の形態の水中航走体のモーメントバランスと水平姿勢の関係を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 図８の水中航走体のモーメントバランスと前方上向き姿勢の関係を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 図８の水中航走体のモーメントバランスと前方下向き姿勢の関係を説明するための模式的な水中航走体（管内調査機器）の側面図である。 水中航走体の上昇を説明するための図である。 水中航走体の下降を説明するための図である。 本発明の実施の形態における水道管内調査システムの構成を示す図である。 管内調査機器へのケーブル繰り出し機構を示す挿入回収装置の構成を示す正面断面図である。 管内調査機器へのケーブル繰り出し機構を示す挿入回収装置の構成を示す側断面図である。 格納部材が挿入管内にある状態での格納部材の後部及び挿入ロッド先端部を示す図である。 格納部材が水道本管内にある状態での格納部材の後部及び挿入ロッド先端部を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び、管内調査方法の実施の形態について説明する。ここでは、水道本管を調査する管内調査システムとこの管内調査システムで使用する水中航走体を例にして説明する。

しかしながら、本発明はこの説明に用いた水中航走体や管内調査システムに限定されず、原子炉関連や化学工場関連等における、ケーブルを曳航しながら管内調査機器が管内を調査する場合の管内調査システム及び管内調査方法に適用できる。また、水中航走体及び水中航走体の姿勢制御方法は、管内のみならず、原子力施設の危険区域の狭水路等のクローズドエリア（閉鎖領域）、更には、湖沼や河川等の水域や、沿岸や遠洋等の海域等のオープンエリア（解放領域）を航走する水中航走体、海中航走体等にも適用できる。

図１〜図４に示すように、本発明に係る水中航走体は、水中点検ロボット等と呼ばれる管内調査機器として使用される水中航走体２０であり、本体２１の後部に航走用推進器（スラスタ）２２を備え、本体２１の前部に４つの姿勢安定用フィン（固定フィン）２３を備えている。

また、側方を向いた側方カメラ（観察用のテレビカメラ）２４とカメラ用の側方照明灯（ＬＥＤ照明灯）２５を透明のアクリル容器内に備えている。この側方カメラ２４は、側方カメラフォーカス機構２４ａと側方カメラ旋回装置２４ｂにより、焦点と視野を変更できる。また、側方カメラ２４に関係する機器の制御や航走用推進器２２を駆動するモーター２６の制御等のための制御基板２７を備えている。

この管内調査機器２０の航走用推進器２２の駆動源であるモーター２６、側方カメラフォーカス機構２４ａや側方カメラ旋回装置２４ｂ等の駆動用の動力、これらの操縦用の信号、及び、側方カメラ２４で得られた映像データの信号は、本体２１の後部に連結されている第１水中ケーブル４２経由で送受信する。

そして、本発明の第１の実施の形態の水中航走体２０においては、図５に示すように、水中ケーブル４２の接続点Ｐを航走用推進器２２の推進軸の軸線Ｃから上方向に距離Ｈを置いて設ける。それとともに、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔが予め設定した設定推進力Ｔ０を発生しているときに、この設定推進力Ｔ０によって発生する接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１と、重量Ｗと浮力Ｆの差である水中重量Ｗｔの沈下力Ｗｔによって発生する接続点Ｐ回りの第２モーメントＭ２とが等しくなるように、水中航走体２０の水中重量Ｗｔを設定する。

つまり、従来技術における水中航走体では、浮力Ｆと重力Ｗが等しくなる中性浮力Ｗｔ＝Ｗ−Ｆ＝０）になるように調整されるが、この第１の実施の形態の水中航走体２０の構成では、中性浮力よりも重くして静止状態では沈下力Ｗｔが作用するように、即ち、Ｗｔ＝Ｗ−Ｆ＞０になるように、水中航走体２０の重量Ｗと浮力Ｆ、即ち、水中重量Ｗｔを設定する。

それと共に、更に、この沈下力Ｗｔによって発生する接続点Ｐ回りの第２モーメントＭ２が、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔが予め設定した設定推進力Ｔ０を発生しているときの接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１と同じ（Ｍ１＝Ｔ０×Ｈ＝Ｗｔ×Ｌ＝Ｍ２）になるように設定する。ここでＬは、水中重量Ｗｔの中心と接続点Ｐとの水平方向の距離である。これにより、設定推進力Ｔ０を発生しているときには、両モーメントが釣り合い、水中航走体２０のトリム姿勢を変化させるモーメント（トリムモーメント）は発生しない。

この設定により、図６に示すように、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０より大きくすると（Ｔ＞Ｔ０）、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２よりも大きくなるので（Ｍ１＞Ｍ２）、水中航走体２０の前方を上方に向けるモーメントが発生し、水中航走体２２の前方を上方に向ける（傾斜角α）。その結果、図１１に示すように、水中航走体２０は上昇する。

また、図７に示すように、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを予め設定した設定推進力Ｔ０より小さくすると（Ｔ＜Ｔ０）、この推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２よりも小さくなるので（Ｍ１＜Ｍ２）、水中航走体２２の前方を下方に向けるモーメントが発生し、水中航走体２２の前方を下方に向ける（傾斜角β）。その結果、図１２に示すように、水中航走体２０は下降する。

そして、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０にすると（Ｔ＝Ｔ０）、この推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２と等しくなるので（Ｍ１＝Ｍ２）、水中航走体２０のトリムモーメントはゼロとなる。図５に示すように水中航走体２０を水平姿勢にしてトリムモーメントゼロの状態で航走用推進器２２の推進力Ｔにより前進すると、水中航走体２０は上昇も下降もせずに、水平方向に前進する。

従って、水中航走体２０の上昇・下降の制御を、航走用推進器２２の推進力Ｔの増減によるという非常に簡単な制御で行うことができるようになる。

次に、本発明の第２の実施の形態の水中航走体２０においては、図８に示すように、水中ケーブル４２の接続点Ｐを航走用推進器２２の推進軸の軸線Ｃから下方向に距離Ｈ置いて設ける。それとともに、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔが予め設定した設定推進力Ｔ０を発生しているときに、この設定推進力Ｔ０によって発生する接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１と、浮力（Ｆ）と重量（Ｗ）の差である水中重量Ｗｔ（＝Ｗ−Ｆ＜０）の浮上力（Ｆｔ＝Ｆ−Ｗ＝−Ｗｔ＞０）によって発生する接続点Ｐ回りの第２モーメントＭ２とが等しくなるように、水中航走体２０の浮上力Ｆｔを設定する。

つまり、従来技術における水中航走体では、浮力Ｆと重力Ｗが等しくなる中性浮力Ｗｔ＝Ｗ−Ｆ＝０に調整されるが、この第２の実施の形態の水中航走体２０の構成では、中性浮力よりも軽くして静止状態では浮上るように、即ち、浮上力（Ｆｔ＝Ｆ−Ｗ＞０）があるように水中航走体２０の重量Ｗと浮力Ｆを設定する。

それと共に、更に、この浮上力Ｆｔが発生する接続点Ｐ回りの第２モーメントＭ２が、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔが設定推進力Ｔ０を発生しているときの接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１と同じ（Ｍ１＝Ｔ０×Ｈ＝Ｆｔ×Ｌ＝Ｍ２）になるように設定する。ここでＬは水中における浮上力Ｆｔの中心と接続点Ｐとの水平方向の距離である。これにより、設定推進力Ｔ０を発生しているときには、両モーメントが釣り合い、水中航走体２０のトリム姿勢を変化させるモーメント（トリムモーメント）は作用しない。

この設定により、図９に示すように、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０より大きくすると（Ｔ＞Ｔ０）、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２よりも大きくなるので（Ｍ１＞Ｍ２）、水中航走体２０の前方を下方に向けるモーメントが発生し、水中航走体２０の前方を下方に向ける（傾斜角β）。その結果、図１２に示すように、水中航走体２０は下降する。

また、図１０に示すように、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを予め設定した設定推進力Ｔ０より小さくすると（Ｔ＜Ｔ０）、この推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２よりも小さくなるので（Ｍ１＜Ｍ２）、水中航走体２０の前方を上方に向けるモーメントが発生し、水中航走体２０の前方を上方に向ける（傾斜角α）。その結果、図１０に示すように、水中航走体２０は上昇する。

そして、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０にすると（Ｔ＝Ｔ０）、この推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１が第２モーメントＭ２と等しくなるので（Ｍ１＝Ｍ２）、図８に示すように水中航走体２０のトリムモーメントはゼロとなる。この水中航走体２０を水平姿勢にしてトリムモーメントゼロの状態で航走用推進器２２の推進力Ｔにより前進すると、水中航走体２０は上昇も下降もせずに、水平方向に前進する。

従って、水中航走体２０の上昇・下降の制御を、航走用推進器２２の推進力Ｔの増減によるという非常に簡単な制御で行うことができるようになる。

上記の第１及び第２の実施の形態の水中航走体２０によれば、水中航走体２０の上昇・下降の制御を、航走用推進器２２の推進力Ｔの増減によるという非常に簡単な制御で行うことができるようになる。

この第１及び第２の実施の形態の水中航走体２０では、スラスタ（推力発生装置）やフィン等が不要になるため、その分の機器の重量と、駆動のための電力が不要になり、小型化及び軽量化できる。また、水中航走体２０側における消費電力が少なくなるので、その分、曳航する水中ケーブル４２を細くすることができる。また、この水中ケーブル４２の細線化により、水中航走体２０の上昇移動及び下降移動への水中ケーブル４２の影響を小さくすることができる。

次に、上記の第１及び第２の実施の形態の水中航走体２０を管内調査機器に用いた、本発明に係る水道管内調査システム（以下、管内調査システムという）について説明する。図１３〜図１５に示すように、この管内調査システム１は、水道本管１０を断水させずに、３００ｍ〜１０００ｍ程度の長い距離にわたって、水中航走体（以下、管内調査機器という）２０を使用して、水道本管１０の内部の状況や腐食の状況や継ぎ手１１部分のずれ等を調査するシステムである。

この管内調査システム１は、第１水中ケーブル（水中ケーブル）４２を曳航しながら水道本管１０内（管内）を調査する管内調査機器２０と、この管内調査機器２０を枝管側と本管１０の間を移動させるための挿入回収装置３０と、管内調査機器２０と挿入回収装置３０を制御すると共に調査データをモニターするための制御及び監視装置５０とを備えて、挿入回収装置３０を使用して枝管側から本管１０に管内調査機器２０を挿入して本管１０内部を調査し、調査後に、挿入回収装置３０を使用して本管１０から枝管側に管内調査機器２０を回収する調査システム１である。

管内調査機器２０と制御及び監視装置５０の間の操縦及び制御用信号、動力、データ等の送受信は第１接続ケーブル４１と第１水中ケーブル４２を介して行い、挿入回収装置３０と制御及び監視装置５０の間の操縦及び制御信号、動力の送受信は第２接続ケーブル４３と第２水中ケーブル４４を介して行う。これらのケーブル４１、４２、４３、４４は、電気信号と電力の複合ケーブルで形成される。

図１３〜図１５に示すように、挿入回収装置３０は、水道を止めない状態、即ち、断水しない状態（不断水状態）のままで、管内調査機器２０を水道本管１０の内部に挿入して送り出しを行い、調査後に、管内調査機器２０を回収するための装置である。この挿入回収装置３０は、挿入管３１とその上部に接続する巻き取り装置格納部材３２とから構成され、挿入管３１の下部は、水道本管１０の分岐部位の補修弁１４の上に着脱できるように下部フランジ３１ａを有し、上部は巻き取り装置格納部材３２に接続する上部フランジ３１ｂを有して形成される。また、挿入管３１の下部側に水抜き用のコック３１ｃと覗き窓３１ｄ（透明アクリル板）を設けてある。

巻き取り装置格納部材３２は、水道本管１０の水圧に耐えることができる水密（液密）区画の第１ケース３２ａと非水密区画の第２ケース３２ｂを有して構成され、更に、第１ケース３２ａの上部には、挿入ロッド３６が出入りするロッド挿入部３２ｃと第２接続ケーブル４３と第２水中ケーブル４４の接続部となる第２防水コネクタ３２ｄが設けられ、第１ケース３２ａの下部には、第１水中ケーブル４２を案内するガイドローラー３２ｅが設けられる。

この挿入ロッド３６は、格納部材３４を挿入管３１から水道本管１０内に移動させ、また、逆に水道本管１０内から挿入管３１に移動させるために、格納部材３４を上下させるためのロッドであり、上部にレバー３６ａを有している。このレバー３６ａを手動で上下移動操作することにより挿入ロッド３６を上下移動する。

更に、巻き取り装置格納部材３２には、第１水中ケーブル４２の繰り出しと巻き取りを行う巻き取り装置３３が設けられる。この巻き取り装置３３は、非水密区画の第２ケース３２ｂ内部の巻上げ用モーター３３ｂによる回転軸３３ｃの回転により、第１ケース３２ａ内のケーブルドラム３３ａの回転と、この回転に同期したケーブルシフター３３ｄのガイドローラー３３ｅの横移動を行いながら、第１水中ケーブル４２を巻き取る。また、ケーブルドラム３３ａの回転をフリーにすることにより、第１水中ケーブル４２を、格納部材３４の後部に設けた繰り出しローラー３４ａの繰り出しと管内調査機器２０の移動に従って繰り出す。

また、回転メータ３３ｆによりケーブルドラム３３ａの回転を検出して制御に使用する。第１水中ケーブル４２からの電気信号と動力はスリップリング３３ｇを経由して第１コネクタ３３ｈに導かれる。水密区画の第１ケース３２ａは、ケーブルドラム３３ａの回転軸部分３３ｃで水密にされ、水密区画となる。なお、第２ケース３２ｂは非水密区画である。

そして、挿入回収装置３０の挿入管３１に、管内調査機器２０を格納する格納部材３４を配置し、この格納部材３４の後方に、管内調査機器２０に連結する第１水中ケーブル４２を繰り出すための繰り出しローラー（繰り出し装置）３４ａを設けて構成する。この繰り出しローラー３４ａは、このローラーの少なくとも一方の回転により間に挟み込んだケーブルを移動させて繰り出す。この繰り出しローラー３４ａは、挿入ロッド先端部３５に設けられた繰り出しローラー用モーター（駆動装置）３５ａからフレキシブルジョイントを有する回転軸やフレキシブルな回転軸３５ｂ等によって回転を伝達されて駆動される。

この繰り出しローラー用モーター３５ａへの制御信号と動力の伝達のために、第２水中ケーブル４４が設けられ、この第２水中ケーブル４４で、第２防水コネクタ３２ｄと繰り出しローラー用モーター３５ａを連結する。この第２水中ケーブル４４は、挿入ロッド先端部３５の上下動にしたがって伸縮するように、カールコード等で形成される。

また、繰り出しローラー３４ａは、格納部材３４が水道本管１０に入って、水道本管１０の管軸に略平行な状態になったときに、繰り出しローラー３４aの軸方向が上下方向になるように配置すると、第１水中ケーブル４２の上側にローラーを配置する必要が無くなり、小型化できるので、格納部材３４と管内調査機器２０のレイアウト上好ましい。また、回転伝動部であるフレキシブルな回転軸３５ｂは屈曲部材３４ｂの曲げに関して外側になるように設けて、屈曲部材３４ｂの曲げのための機構や第１水中ケーブル４２の通しに支障が生じないようにすることが好ましい。

この構成によれば、水道本管１０の調査において、水道本管１０に挿入される管内調査機器２０に連結された第１水中ケーブル４２を繰り出す際に、この繰り出しローラー３４ａにより挿入管３１内の第１水中ケーブル４２を引っ張るので、挿入管３１内の第１水中ケーブル４２に張力を加えた状態で繰り出すことができ、挿入管３１内における第１水中ケーブル４２の蛇行を防止することができる。

また、格納部材３４はその後部が、屈曲部材（ケーブルベア（登録商標））３４ｂで挿入ロッド先端部３５に接続し、この挿入ロッド先端部３５は、挿入ロッド３６の下端に固定されて、挿入ロッド３６の上下動と共に、挿入管３１の内部を上下動する。挿入ロッド３６が上端にあるときは、図１４及び図１５に示すように、格納部材３４は管内調査機器２０を内部に格納した状態で、挿入管３１の下端側の内部にあり、挿入ロッド先端部３５もその上にある。一方、挿入ロッド３６が下端にあるときは、図１３に示すように、格納部材３４は挿入管３１から押し出されて水道本管１０の中にあり、挿入ロッド先端部３５は挿入管３１の下端側の内部にある。

図１６及び図１７に示すように、この挿入ロッド先端部３５と格納部材３４を連結する屈曲部材３４ｂは、格納部材３４が挿入管３１の管軸方向と水道本管１０の管軸方向の両方を向くことができるようにする部分であり、複数の関節を有して構成される。この関節は、両側の関節要素部材をピン結合部で連結し、隣接する関節要素部材が相対的にピン結合部回りに所定の角度θ分だけ回動できるように構成する。
この屈曲部材３４ｂを関節で形成することにより、曲がり方向や曲がりの前後の形状を固定することができるので、格納部材３４を移動させる時に揺れや振動が少なくなる。また、関節を複数にすることにより、屈曲部材３４ｂの曲がりを滑らかにすることができ、水道本管１０内の流れが大きい場合でも曲がり易く、また、直線状態に戻り易くなる。

制御及び監視装置５０は、図１３に示すように、管内調査機器２０や挿入回収装置３０の操縦及び制御を行う操縦装置５１、ＴＶモニター５２、映像記録装置５３、電源制御装置５４等を制御装置ラック５５に設けて構成される。なお、この操縦装置５１は有線又は無線で操作員の手元で操作できるように構成される。

第１接続ケーブル４１で、制御及び監視装置５０と挿入回収装置３０の巻き取り装置の信号取り出し部である第１コネクタ３３ｈとの間の大気中部分を接続し、第１水中ケーブル４２で、第１コネクタ３３ｈと管内調査機器２０との間を接続して、制御信号、動力、映像データ等を伝達する。また、第２接続ケーブル４３で、水中制御及び監視装置５０と挿入回収装置３０の第２防水コネクタ３２ｄとを接続し、第２水中ケーブル４４で、第２防水コネクタ３２ｄと繰り出しローラー用モーター３５ａとの間を接続して、制御信号と動力を伝達する。

次に、上記の水道管内調査システム１の管内調査方法について説明する。図１３に示すように、水道本管１０の調査にあたっては、マンホールの蓋１３を外して、補修弁１４を外した後、マンホール１２に設定されている消火栓または空気弁（図示しない）を取り外す。そして、補修弁１４の上に挿入回収装置３０を取り付けて、補修弁１４を開く。

その後、挿入ロッド３６を下側に押し下げて、挿入回収装置３０の挿入管３１から管内調査機器２０を水道本管１０内に送り出す。この送り出しは、挿入管３１に挿入されていた格納部材３４を、管内調査機器２０を内部に格納した状態で、水道本管１０内に挿入すると、格納部材３４は、水道本管１０内の水流によって水道本管１０の管軸方向に向けられて水流と略平行の状態となる。この状態では、格納部材３４と挿入ロッド先端部３５との間を連結する屈曲部材３４ｂは略直角に曲がっている。なお、水流が無い時は、屈曲部材３４ｂを強制的に曲げる。

格納部材３４が水道本管１０の管軸方向と略平行な状態になったら、ケーブルドラム３３ａの回転をフリーにして、繰り出しローラー３４ａを回転駆動して、第１水中ケーブル４２を繰り出す。水流が大きい時は、管内調査機器２０は流されて、第１水中ケーブル４２の繰り出し量に応じた位置に到達し、水流が小さいときは管内調査機器２０に設けられているモーター２７で航走用推進器２２を回転して推進力を発生し、この推進力により、第１水中ケーブル４２の繰り出し量に応じた位置に到達する。

この第１水中ケーブル４２を繰り出す際に、格納部材３４の後部に設けた繰り出しローラー３４ａにより、管内調査機器２０に連結する第１水中ケーブル４２を繰り出すことができ、挿入管３１内の第１水中ケーブル４２を引張力（テンション）を掛けた状態で繰り出すことができる。

この第１水中ケーブル４２の繰り出し量により、管内調査機器２０を水道本管１０の任意の調査位置に移動させて、水道本管１０の内壁や継ぎ手１１等を、カメラフォーカス機構２４ａとカメラ旋回装置２４ｂの制御で側方カメラ２５焦点の調整と視野の変更を行いながら、側方照明灯２６の照明のもとで、側方カメラ２５で撮影する。地上では、操作員が地上に設置した制御及び監視装置５０のＴＶモニター５２で、水道本管１０内の映像を見て、管内調査機器２０を操縦しながら、観察し、映像を記録する。

この水道本管１０内の観察及び映像の記録の最中は、航走用推進器２２を常時作動状態にして推進力Ｔを発生させ、曳航している水中ケーブル４２に張力が常に作用している状態とし、前進移動する際は水中ケーブル４２を繰り出し、後退する際は水中ケーブル４２を引き戻す。この観察及び映像の記録の最中に、管内調査機器２０を上昇又は下降させる場合には、航走用推進器２２の推進力Ｔの増減により、管内調査機器２０の上昇と下降の制御を行う。

つまり、水中重量を重くし、沈下力が発生する第１の実施の形態の管内調査機器２０を上昇させたいときは、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを予め設定した設定推進力Ｔ０より大きくする。これにより、図６に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２よりも大きくして、管内調査機器２０の前方を上方に向ける。その結果、図１１に示すように、管内調査機器２０は上昇する。

また、下降させたいときは、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０より小さくする。これにより、図７に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２よりも小さくして、管内調査機器２０の前方を下方に向ける。その結果、図１２に示すように、管内調査機器２０は下降する。

また、水平移動させたい場合には、管内調査機器２０の姿勢を水平状態にした後に、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０とする。これにより、図５に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２と同じにして、管内調査機器２０を水平に維持する。この状態で前進させると、管内調査機器２０は水平方向に移動する。

また、水中重量を軽くし、浮上力が発生する第２の実施の形態の管内調査機器２０を上昇させたいときは、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを予め設定した設定推進力Ｔ０より小さくする。これにより、図１０に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２よりも小さくして、管内調査機器２０の前方を上方に向ける。その結果、図１１に示すように、管内調査機器２０は上昇する。

また、下降させたいときは、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０より大きくする。これにより、図９に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２よりも大きくして、管内調査機器２０の前方を下方に向ける。その結果、図１２に示すように、管内調査機器２０は下降する。

また、水平移動させたい場合には、管内調査機器２０の姿勢を水平状態にした後に、航走用推進器２２が発生する推進力Ｔを設定推進力Ｔ０とする。これにより、図８に示すように、推進力Ｔによる接続点Ｐ回りの第１モーメントＭ１を第２モーメントＭ２と同じにして、管内調査機器２０を水平に維持する。この状態で前進させると、管内調査機器２０は水平方向に移動する。

この推進力Ｔの増減はＴＶモニター５２を見ている操作員が側方カメラ２５からの映像を見ながら、管内調査機器２０の移動方向を目視しながら操縦装置５１を操作して行ってもよいが、上昇と水平と下降の指示により、操縦装置５１が推進力Ｔの増減を行うようにしてもよく、傾斜センサの出力を用いてフィードバック制御するようにしたり、あるいは、上昇量と下降量を入力することで、操縦装置５１が、それに見合った推進力Ｔの増減を自動的に行ったり、深度計の出力を用いてフィードバック制御するようにしたりしてもよい。

調査が終了すると、繰り出しローラー３４ａをフリーにして、ケーブルドラム３３ａを回転して第１水中ケーブル４２を巻き取る。この巻き取りにより第１水中ケーブル４２の先端に接続している管内調査機器２０を引っ張り込んで格納部材３４内に格納する。この格納時点でケーブルドラム３３ａの回転を停止する。この後、ケーブルドラム３３ａを回転しながら、挿入ロッド３６を上昇させて、管内調査機器２０を格納した格納部材３４を、挿入管３１に引き込む。このとき、屈曲部材３４ｂは曲がっていた状態から真直ぐになって、挿入管３１内に引き込まれる。

挿入ロッド３６が上端に達した状態では、格納部材３４は、完全に挿入管３１内に入るので、補修弁１４を閉じて、水抜き用のコック３１ｃを開けて、挿入回収装置３０内の水を抜いた後に、挿入回収装置３０を取り外す。その後、消火栓または空気弁（図示しない）を元通りに設置してから、補修弁１４の開閉状態を調査開始前の元通りにする。その後、マンホールの蓋１３を閉めて調査を終了する。

上記の水道本管調査システム（管内調査システム）１及び管内調査方法によれば、管内調査機器２０の上昇及び下降制御を、航走用推進力Ｔの増減で行い、スラスタやフィンを使用せずに行うので、管内調査機器２０に姿勢制御用の推力発生装置や姿勢制御用のフィン等が不要になるため、その分の機器の重量と、駆動のための電力が不要になり、管内調査機器２０を小型化及び軽量化できる。

また、管内調査機器２０側における消費電力が少なくなるので、その分、水中ケーブル４２を細くすることができる。また、水中ケーブル４２の細線化により、管内調査機器２０の姿勢、上昇移動及び下降移動への水中ケーブル４２の影響を小さくできる。従って、水道管内調査システムの小型化と軽量化と制御の簡略化を図ることができる。

また、水道本管１０に投入され、第１水中ケーブル４２を曳航しながら水道本管１０内の調査を行う管内調査機器２０において、容易に上昇及び降下の制御を行うことができるので、管内調査機器２０の撮影に際して、管内調査機器２０を水道本管１０内の中央に置いて、管内調査機器２０の方向を水道本管１０の管軸方向に合わせて直角方向から撮影することが容易にできるようになる。その結果、歪みの少ない映像データを得ることができる。また、管内調査機器２０の姿勢を水平状態に維持することも容易にできるようになるので、角度（位置）の誤差の少ない映像データを得ることができる。

本発明の水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び、管内調査方法は、上記のように、水中航走体とこの水中航走体の支援システムの小型化と制御の簡単化を図ることができるので、水中ケーブルを曳航しながら水中を航走する水中航走体、管内調査システム、水中航走体の上昇及び下降制御方法、及び、管内調査方法として利用できる。

１ 水道管内調査システム
１０ 水道本管
１４ 補修弁
２０ 管内調査機器
２１ 本体
２２ 航走用推進器（スラスタ）
２３ 安定フィン(固定フィン）
２４ 側方カメラ
３０ 挿入回収装置
３１ 挿入管
３２ 巻き取り装置格納部材
３３ 巻き取り装置
３４ 格納部材
４１ 第１接続ケーブル
４２ 第１水中ケーブル（水中ケーブル）
４３ 第２接続ケーブル
４４ 第２水中ケーブル
５０ 制御及び監視装置
５１ 操縦装置
Ｆ 浮力
Ｆｔ 浮上力
Ｈ 上下方向の距離
Ｌ 水中重量の沈下力又は浮上力の中心と接続点との水平距離
Ｍ１ 第１モーメント
Ｍ２ 第２モーメント
Ｐ ケーブルの接続点
Ｔ 推進力
Ｔ０ 設定推進力
Ｗ 重量
Ｗｔ 水中重量

Claims (4)

1. 水中ケーブルを曳航しながら水中を航走用推進器により航走する水中航走体において、 前記水中ケーブルの接続点を前記航走用推進器の推進軸の軸線から上下方向に関して距離を置いて設けるとともに、
   前記航走用推進器が発生する推進力によって発生する前記接続点回りの第１モーメントと、該水中航走体の水中重量の沈下力又は浮上力によって発生する前記接続点回りの第２モーメントとが、前記推進力が予め設定した設定推進力であるときに等しくなるように、前記水中重量の沈下力又は浮上力を設定し、
   該水中航走体の上昇又は下降の制御を、前記推進力の増減によって行うことを特徴とする水中航走体。
2. 水中ケーブルを曳航しながら管内を調査する管内調査機器と、この管内調査機器を枝管側と本管の間を移動させるための挿入回収装置と、前記管内調査機器と前記挿入回収装置を制御すると共に調査データをモニターするための制御及び監視装置とを備えて、前記挿入回収装置を使用して枝管側から本管に前記管内調査機器を挿入して本管内部を調査し、調査後に、前記挿入回収装置を使用して本管から枝管側に前記管内調査機器を回収する管内調査システムにおいて、前記管内調査機器に、請求項１記載の水中航走体を用いることを特徴とする管内調査システム。
3. 水中ケーブルを曳航しながら水中を航走用推進器により航走する水中航走体の上昇及び下降制御方法において、
   前記水中ケーブルの接続点を前記航走用推進器の推進軸の軸線から上下方向に関して距離を置いて設けるとともに、
   前記航走用推進器が発生する推進力によって発生する前記接続点回りの第１モーメントと、該水中航走体の水中重量の沈下力又は浮上力によって発生する前記接続点回りの第２モーメントとが、前記推進力が予め設定した設定推進力であるときに等しくなるように、前記水中重量の沈下力又は浮上力を設定し、
   該水中航走体の上昇又は下降の制御を、前記推進力の増減によって行うことを特徴とする水中航走体の上昇及び下降制御方法。
4. 水中ケーブルを曳航しながら管内を調査する管内調査機器と、この管内調査機器を枝管側と本管の間を移動させるための挿入回収装置と、前記管内調査機器と前記挿入回収装置を制御すると共に調査データをモニターするための制御及び監視装置とを備えた管内調査システムで、前記挿入回収装置を使用して枝管側から本管に前記管内調査機器を挿入して本管内部を調査し、調査後に、前記挿入回収装置を使用して本管から枝管側に前記管内調査機器を回収する管内調査方法において、
   前記管内調査機器の姿勢制御に、請求項３記載の水中航走体の上昇及び下降制御方法を用いることを特徴とする管内調査方法。

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