JP5477096B2 - Floating body - Google Patents
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Description
本発明は、海中に投下され、目標到達深度まで沈降し、その後、海中の温度、塩分濃度などの海洋データを観測しながら海上に自己浮上できる浮沈体に関するものである。 The present invention relates to a floating body that is dropped into the sea, sinks to a target depth, and can then float on the sea while observing ocean data such as sea temperature and salinity.
海洋開発、海洋環境調査、海洋監視のために海中の温度等の海洋データを観測するには、特許文献1に示されるように、海底から立ち上げた係留索に各種センサを取り付けた係留型観測装置により観測を実施したり、特許文献2に示されるように海面に浮遊するブイに吊下ケーブルを介して接続した観測装置により観測を実施したりしていた。
To observe ocean data such as the temperature in the sea for ocean development, ocean environment survey, ocean surveillance, etc., as shown in
しかしながら、数百mを超える大水深の海域においては、係留型では装置が大掛かり(大重量、昇降機構等)となり費用も大きかった。 However, in the sea area with a depth of more than several hundred meters, the mooring type equipment is large (heavy weight, lifting mechanism, etc.) and the cost is high.
一方、浮遊型は小型軽量で安価に観測を実現できるが、ブイが潮流により漂流するため特定の海域を継続的に観測できない問題がある。また軽量小型のためセンサの吊下装置も小型となり、深深度までセンサを吊下出来ない問題がある。 On the other hand, the floating type is small and lightweight and can be observed at low cost, but there is a problem that a specific sea area cannot be continuously observed because the buoy drifts due to the tidal current. In addition, since the sensor is light and small, the sensor suspension device is also small, and there is a problem that the sensor cannot be suspended to a deep depth.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、海中データを観測する際に、目標到達点の深深度まで沈降でき、その後、自力で海上に浮上できる浮沈体を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a floating body that can sink to a depth of a target arrival point and then float on the sea by itself when observing underwater data.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、浮沈本体と、浮沈本体に設けられた海洋データの観測センサと、浮沈本体に設けられた深度計と、その観測データと深度データを送信すると共に測位を計測する通信機器とを備えた浮沈体において、浮沈本体の一部に形成され浮沈本体に浮力を付与する耐圧殻と、その耐圧殻に設けられ、その耐圧殻から出没自在に設けられた浮量調整ロッドと、その浮量調整ロッドの出没量を制御する浮量調整機構と、前記耐圧殻内に設けられた慣性航法装置及び制御装置とを備え、前記浮沈本体は縦長円筒状に形成され、その浮沈本体の中央部に前記耐圧殻が形成され、その耐圧殻の下方の浮沈本体は、海水が導入されるよう海中に開放され、前記浮量調整ロッドは、前記耐圧殻の下面からその浮沈本体内の海水中に出没するようにされ、浮沈本体の下部外側には、沈降中に目標海中到達点に向かって沈降位置を調整する可動翼が設けられると共にその翼角度を調整する沈降姿勢制御モータが設けられ、前記制御装置は、前記観測センサの観測値と深度計の深度が入力されると共に前記慣性航法装置のデータが入力され、通信機器で受信した目標とする海中到達点が入力され、現在の測位位置と海中到達位置との位置関係を把握して前記浮量調整ロッドを制御して沈降を開始すると共に、前記姿勢制御モータを制御して目標海中到達点に沈降することを特徴とする浮沈体である。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
請求項2の発明は、前記浮量調整ロッドは、耐圧殻内に設けられた浮量調整機構で可動され、その浮量調整機構は、浮量調整ロッドの出没量を調節して沈降・浮上速度を調節する請求項1に記載の浮沈体である。
According to a second aspect of the present invention, the buoyancy adjustment rod is moved by a buoyancy adjustment mechanism provided in the pressure-resistant shell, and the buoyancy adjustment mechanism adjusts the amount of protrusion and depression of the buoyancy adjustment rod to settle and float. a sink-float body according to
請求項3の発明は、前記浮沈本体の上部外側には固定翼が設けられる請求項1に記載の浮沈体である。
The invention of
請求項4の発明は、前記通信機器は、浮沈本体の上部に設けられ、浮上時にその通信機器が海上に位置するように耐圧殻の容積が設定される請求項1〜3いずれかに記載の浮沈体である。
The invention according to
本発明によれば、潮流に左右されず浮沈本体自体を浮沈できることから、吊り下げ装置がなくても目標深深度まで沈降でき、その後、海洋の観測データを測定しながら海面まで自己浮上できると共にその観測データを送信できるという優れた効果を発揮するものである。 According to the present invention, since the main body itself can float and sink without being influenced by the tidal current, it can sink to the target depth without a suspension device, and then can self-float up to the sea surface while measuring ocean observation data. It has the excellent effect of being able to transmit observation data.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の浮沈体10の海面Sに浮かんだ状態の概略と、その海面Sから沈降・浮上する浮沈状態の概略を示したものである。
FIG. 1 shows an outline of a floating state of the floating
図1(a)において、浮沈体10は、縦長円筒状の浮沈本体11からなり、その上下中央部に浮沈本体11と一体に耐圧殻12が設けられて形成される。
In FIG. 1A, a
耐圧殻12の上部の上部浮沈本体11aの周囲には、例えば4枚の固定翼13が設けられ、その上部浮沈本体11aの上部には、観測データを衛星通信や無線LANなどで送信する送信機と浮沈体10の海面Sでの位置をGPSで測位する測位計とを備えた通信機器14が設けられ、その通信機器14の周囲に保護カバー15が設けられる。
For example, four fixed wings 13 are provided around the upper floating body 11a above the
耐圧殻12の下部の下部浮沈本体11bは、有底縦長円筒状に形成され、その外周に、浮沈体10の沈降時の姿勢を制御する2〜4枚の可動翼16が設けられ、下部浮沈本体11b内には、これら可動翼16の翼角度を調整する沈降姿勢制御モータ17が設けられる。
The lower floating body 11b at the lower part of the
また下部浮沈本体11bは、その内部に海水が導入できるように開放され、その下部浮沈本体11b内に海水の温度、塩分濃度、電気伝導度、pH等の海洋データを観測する観測センサ18が設けられると共に深度を計測する深度計19が設けられる。
The lower floatation body 11b is opened so that seawater can be introduced therein, and an
耐圧殻12は、その厚さが、数100〜数1000mの深深度の圧力に耐え得る肉厚で形成され、その内部にジャイロからなる慣性航法装置20、制御装置21、バッテリ22が収納される。
The pressure-
この耐圧殻12には、その耐圧殻12から下部浮沈本体11b内に出没自在な浮量調整ロッド23が設けられる。耐圧殻12内には、浮量調整ロッド23の出没量を調整する浮量調整機構24が設けられる。浮量調整機構24は、浮量調整ロッド23が、例えばボールネジで形成した場合にはナット、ラックで形成した場合にはピニオンで形成されると共にそのナットやピニオンを回転する浮量調整用モータで構成される。また、浮量調整ロッド23は、耐圧殻12から出没する際に耐圧殻12内に海水が浸入しないように耐圧シール25を通して出没できるようになっている。
The pressure-
耐圧殻12は、浮沈体10の通信機器14が海面S上になるように浮沈体10に浮力を付与する容積に形成されると共に、浮沈体10が海中で垂直に保つように、浮力中心Bが、浮沈体10の重心Gより上になるように浮沈本体11の上部に形成される。
The
図2は、浮沈体10に搭載された各種機器の制御システム構成図を示したものである。
FIG. 2 shows a control system configuration diagram of various devices mounted on the
制御装置21は、バッテリ22から電源供給されて、可動翼16、浮力調整機構23を駆動制御できるようにされる。この制御装置21には、観測センサ18の観測値と深度計19の深度が入力されると共に慣性航法装置20のデータが入力される。また制御装置21は、通信機器14からの測位データが、慣性航法装置20を介して或いは直接入力され、さらに観測センサ18と深度計19の観測値と深度が通信機器14から衛星通信や無線LANなどで送信できるようになっている。
The
次にこの浮沈体10による海洋観測を説明する。
Next, ocean observation by the
先ず図1(a)に示したように、浮上時にはGPSにより通信機器14で、現在位置を測位する。
First, as shown in FIG. 1A, at the time of ascent, the current position is measured by the
制御装置21は、通信機器14で受信した目標とする海中到達点が入力され、現在の測位位置と海中到達点の位置との位置関係を把握した後、沈降を開始する。
The
沈降を開始する際には、制御装置21が、浮力調整機構24を介して、浮量調整ロッド23を耐圧殻12内に引き上げることで、耐圧殻12の浮力が小さくなり、沈降を開始する。この沈降は、1.5〜3.0m/sec程度の沈降速度となるように浮量調整ロッド23を調整する。この沈降速度を利用して、制御装置21は、可動翼16を制御して、図1(b)に示すように浮沈体10が、図1(c)の目標海中到達点に沈降できるように浮沈体10の姿勢を制御して沈降位置を調整する。
When starting the sedimentation, the
この際、沈降速度を1.5〜3.0m/secとすることで、潮流に抗してその上流側にも、横断するようにも沈降させることが可能であり、これにより目標海中到達点に向かって沈降させることができる。 At this time, by setting the subsidence speed to 1.5 to 3.0 m / sec, it is possible to subsidize both upstream and crossing against the tidal current. Can be allowed to settle.
図1(c)に示した目標深度と位置に到達すると、制御装置21は、可動翼16により減速し、浮量調整ロッド23の浮力調整により沈降を停止する。
When the target depth and position shown in FIG. 1C are reached, the
次に、制御装置21は、正浮量状態で、図1(d)に示すように目標海中到達点の直上海面に向かって、かつ慣性航法装置20で検出したデータを基に可動翼16を制御して垂直を保ちながら浮上する。この浮上中に、制御装置21は、観測センサ18と深度計19により計測される深度に応じた海中の科学諸量を記憶し、図1(e)に示すように海面Sに浮上後、GPSにより位置を確認し、通信により位置情報及び記憶した計測結果を伝送する。
Next, the
この図1(a)と図1(e)の測位位置の結果から、潮流の方向とその速さも認識でき、潮流の影響による目標海中到達点の正確な位置も決定することができる。 From the results of the positioning positions in FIGS. 1 (a) and 1 (e), the direction and speed of the tidal current can be recognized, and the precise position of the target underwater arrival point due to the influence of the tidal current can be determined.
その後、浮沈体10は、点線の矢印で示したように潮流に流され、再度その位置を測位し、再度沈降と浮上を上述のように自律的に繰り返して海洋観測を行う。
After that, the
この沈降・浮上は例えば4時間を1サイクルとして、1日当たり4,5回の観測を行う。 This settling / floating is observed 4 to 5 times per day, for example, with 4 hours as one cycle.
この浮沈体10の沈降速度の制御は、目標海中到達点に到達させるために重要なファクターである。そこで、この沈降速度uを説明する。
Control of the sinking speed of the
図3に示すように、浮沈体の質量をM、耐圧殻の容積をV、断面積をAとし、浮沈体の浮力をB、沈降力をW、沈降の際の抗力をDとし、重力加速度をgとすると、
浮沈体の沈降力Wは、
W=Mg
また浮沈体の浮力Bは、海水の密度をρとすると、
B=ρVg
次に、沈降時に浮沈体が受ける抗力Dは、抗力係数をCDとし、沈降速度をuとすると、
D=CD×1/2×ρu2A
となる。
As shown in FIG. 3, the mass of the floating body is M, the volume of the pressure-resistant shell is V, the cross-sectional area is A, the buoyancy of the floating body is B, the settling force is W, the drag force during settling is D, and the gravitational acceleration Is g,
The settling force W of the floating body is
W = Mg
In addition, the buoyancy B of the floating body is expressed as follows:
B = ρVg
Next, the drag D received by the floating body at the time of sedimentation is represented by a drag coefficient C D and a sedimentation velocity u.
D = C D × 1/2 × ρu 2 A
It becomes.
よって、力のつり合いFは、次式(数1) Therefore, the force balance F is given by the following equation (Equation 1).
となる。 It becomes.
いま、沈降力Wが浮力Bより大きい場合、浮沈体は沈降するが、沈降速度が上昇するに従い抗力D(圧力抵抗、等)が発生し、沈降速度は一定に収束する。 Now, when the settling force W is greater than the buoyancy B, the floated body sinks, but as the settling speed increases, a drag D (pressure resistance, etc.) is generated, and the settling speed converges at a constant level.
この時、沈降力、浮力と抗力がつりあっており、F=0であり、上式では括弧内が0となる。 At this time, the settling force, buoyancy, and drag are balanced, F = 0, and the value in parentheses is 0 in the above equation.
この時の沈降速度uは、次式(数2)を満たす。 The sedimentation velocity u at this time satisfies the following equation (Equation 2).
よって沈降速度uは次式(数3)で求められる。 Therefore, the sedimentation velocity u is obtained by the following equation (Equation 3).
上式より、浮沈体10の質量M、耐圧殻の断面積Aは一定であり、海水密度ρも略一定とみなすことができるため、浮沈体10の形状に基づく抗力係数CDを予め決定しておけば、耐圧殻の容積Vを変えることで沈降速度uを求めることができる。
From the above equation, the mass M, the cross-sectional area A of the pressure hull of the floating and sinking
そこで、制御装置21で、浮量調整ロッド23の出没量による耐圧殻10内の容積Vの変化を入力し、また海面Sから目標深度に達するまでの時間を測定すれば、沈降速度uは決定でき、これにより抗力係数CDも決定することができる。
Therefore, if the
よって、制御装置21は、潮流や到達目標深度に応じて沈降速度uを自在に設定することが可能となり、浮上している位置と目標到達点の位置と深度に応じて、可動翼16の調整で、目標到達点に沈降できる最適な沈降速度uも決定できる。
Therefore, the
このように、本発明は、浮量調整機構24を設けることで浮沈体10を浮沈できることから、吊下装置が無くても深深度に観測センサ18を移動できるようになる。また、浮遊型であり潮流に流されるが、可動翼16を制御し、沈降時の沈降速度uを制御し、また浮上時の浮上速度を利用し、潮流の上流方向に浮沈体10を移動させることが可能であり、浮沈体10を目標到達地点の位置に到達させることが可能となる。
As described above, according to the present invention, since the floating
なお、上述の実施の形態では目標到達点に達した後、海面に浮上する間に海洋観測する例で説明したが、沈降中に海洋観測するようにしても、沈降と浮上の両方で観測するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the example of observing the ocean while reaching the target level and then ascending to the sea surface has been described. However, even if the ocean is observed during the subsidence, the observation is performed both at the subsidence and the ascent. You may do it.
10 浮沈体
11 浮沈本体
12 耐圧殻
14 通信機器
18 観測センサ
19 深度計
23 浮量調整ロッド
24 浮量調整機構
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記浮沈本体は縦長円筒状に形成され、その浮沈本体の中央部に前記耐圧殻が形成され、その耐圧殻の下方の浮沈本体は、海水が導入されるよう海中に開放され、前記浮量調整ロッドは、前記耐圧殻の下面からその浮沈本体内の海水中に出没するようにされ、
浮沈本体の下部外側には、沈降中に目標海中到達点に向かって沈降位置を調整する可動翼が設けられると共にその翼角度を調整する沈降姿勢制御モータが設けられ、
前記制御装置は、前記観測センサの観測値と深度計の深度が入力されると共に前記慣性航法装置のデータが入力され、通信機器で受信した目標とする海中到達点が入力され、現在の測位位置と海中到達位置との位置関係を把握して前記浮量調整ロッドを制御して沈降を開始すると共に、前記姿勢制御モータを制御して目標海中到達点に沈降することを特徴とする浮沈体。 In a floating body including a floating body, an observation sensor for ocean data provided in the floating body, a depth meter provided in the floating body, and a communication device that transmits the observation data and depth data and measures the positioning A pressure-resistant shell that is formed on a part of the main body and that provides buoyancy to the main body, a buoyancy adjustment rod that is provided on the pressure-shell and can be moved in and out of the pressure shell, and the buoyancy of the buoyancy adjustment rod A buoyancy adjustment mechanism for controlling the amount, an inertial navigation device and a control device provided in the pressure-resistant shell ,
The floating body is formed in a vertically long cylindrical shape, the pressure shell is formed in the center of the floating body, and the floating body below the pressure shell is opened to the sea so that seawater is introduced, and the floating amount adjustment is performed. The rod is made to appear in the seawater in the floating body from the lower surface of the pressure shell,
A movable wing that adjusts the sinking position toward the target underwater arrival point during subsidence is provided on the lower outside of the main body, and a sinking attitude control motor that adjusts the blade angle is provided.
The control device receives the observation value of the observation sensor and the depth of the depth meter as well as the data of the inertial navigation device, the target undersea arrival point received by the communication device, and the current positioning position A floating body that grasps a positional relationship between the position and the underwater arrival position and controls the buoyancy adjustment rod to start subsidence, and also controls the attitude control motor to sink to a target underwater arrival point .
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