JP5521618B2 - 水中航走体の航走制御方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、自律航走できるようにしてある水中航走体の航走を制御するために用いる水中航走体の航走制御方法及び装置に関するものである。

海や湖沼における比較的深い領域や広範な領域の水中調査作業を行うための装置として、自律航行型の水中航走体が利用されるようになってきている。

この種の水中航走体は、地球座標上の緯度及び経度と、深度からなる該水中航走体の存在する位置を計測し、その計測された存在位置を基に、予め与えられた経路を航走するようにしてある。

この際、水中航走体が自身で地球座標上の緯度と経度を測位する方法としては、慣性航法による測位が一般的に用いられている。これは、水中航走体に、ジャイロを備えて該水中航走体のロール、ピッチ、ヨーを検出すると共に、該水中航走体に作用する加速度を検出できるようにしてある慣性航法装置を搭載して、たとえば、ＧＰＳ等の海上測位システムを用いて測定した支援船の地球座標上における緯度と経度を基に与えられる上記水中航走体の航走を開始した始点の位置情報に、上記慣性航法装置により検出される水中航走体の加速度を２階積分することで得た航走距離（移動量）の情報を足し合わせることにより、水中航走体の地球座標上における緯度と経度を、該水中航走体自身で計測するようにしてある。

ところで、上記水中航走体が自身で測位を行うための慣性航法による測位は、上述したように、水中航走体に作用する加速度を２階積分して求まる上記水中航走体の航走距離（移動量）に基づいて、該水中航走体の位置を計測するという計測原理上、上記水中航走体の加速度を検出するために用いる検出器の精度に依存して生じる加速度の検出誤差や、計算時の丸め誤差等の誤差が時間の経過と共に累積する。そのために、水中航走体の慣性航法による自律航走を長時間行うと、該慣性航法に基づいて水中航走体が自身で測位している地球座標上の緯度及び経度と、実際の水中航走体の地球座標上の緯度及び経度に、次第にずれが生じてしまう。

そのため、水中航走体には、海底（水底）付近で自身で位置の正確な特定を行うことができるようにするための手段として、音波の発信・受信を行う送受波器を備えた高精度な音響式の位置特定装置（音響検出装置）、たとえば、サイドスキャンソナー等の音響スキャンソナーを搭載して、発信した超音波が対象物に反射されて戻ってくるまでの時間から対象物までの距離を測ると共に、反射波（反射音）の到来方向から対象物の方向を測定することにより、海底（水底）の地形を識別し、その識別された海底地形を基に水中航走体自身の位置を特定させ、更に、目標物や障害物等を把握させることが、一般的に行われている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、上記水中航走体の深度の計測は、一般的に、該水中航走体に装備された深度計を用いるようにしてあり、その検出の際、積分計算を行うことはないため、時間の経過に伴って誤差が累積する虞はない。

特開２００６−３１３０８７号公報

ところが、水中航走体は、支援船等の船で運搬する必要上、その大きさに制限がある。 そのため、水中航走体ごとに上記サイドスキャンソナー等の音響スキャンソナーのような高精度な音響式の位置特定装置を装備しようとすると、他の機能を有する装置の搭載が制限され、又、水中航走体自体が大型化するというのが実状である。

更に、上記サイドスキャンソナー等の音響スキャンソナーのような高精度な音響式の位置特定装置は高価であるため、複数の水中航走体を運用する場合に、個々の水中航走体に要する装置コストが嵩んでしまう。

そこで、本発明は、複数の水中航走体を運用する場合に、各水中航走体の大型化を招くことなく、該複数の水中航走体全体に対して装備すべき高精度な音響式の位置特定装置の数の削減と、別の機能を有する装置の装備数の増加を容易に実施することができるようにするための水中航走体の航走制御方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、複数の水中航走体を運用する場合に、音響式の位置特定装置を備え且つ位置表示装置を搭載して航走できる位置特定用水中航走体と、相対位置検出装置を備えて航走できる被誘導用水中航走体とを備え、上記位置特定用水中航走体を航走させて、該位置特定用水中航走体の音響式の位置特定装置により検出された特定位置に、上記位置表示装置を設置させ、次いで、上記被誘導用水中航走体を航走させるときに、上記特定位置に設置された位置表示装置に対する該被誘導用水中航走体の相対位置を、上記被誘導用水中航走体に備えた相対位置検出装置により検出させて、該相対位置の検出結果に応じて上記被誘導用水中航走体の航走を制御させるようにする水中航走体の航走制御方法とする。

又、上記構成において、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置による特定位置の位置表示装置に対する相対位置の検出は、上記相対位置検出装置に装備した送受波器より発信されたパルス波が上記位置表示装置に備えたトランスポンダに受信されると、該トランスポンダが一定のタイムラグで返信用のパルス波を返信し、更に、この返信用のパルス波を上記相対位置検出装置に装備した送受波器で受信するようにして、該送受波器よりパルス波を発信してから該送受波器で上記受信用のパルス波が受信されるまでの経過時間と、水中の音速とから、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置より上記位置表示装置までの相対距離を計測し、この相対距離の計測結果を基に行うようにする。

更に、上記構成において、被誘導用水中航走体の航走中に、一直線状の配置とならない少なくとも３個所で、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置から位置表示装置までの相対距離を計測して、その計測結果を重ね合わせることで、上記被誘導用水中航走体の上記位置表示装置に対する相対位置を検出するようにする。

又、請求項４に対応して、複数の水中航走体として、音響式の位置特定装置を備え且つ位置表示装置を搭載して航走できると共に上記音響式の位置特定装置で検出された特定位置に上記位置表示装置を設置できるようにしてある位置特定用水中航走体と、相対位置検出装置を有し且つ航走できるようにしてある被誘導用水中航走体とを備えて、上記位置特定用水中航走体を航走させて上記特定位置に位置表示装置を設置させ、該位置表示装置に対する上記被誘導用水中航走体の相対位置を、該被誘導用水中航走体の相対位置検出装置により検出し、該相対位置の検出結果に応じて上記被誘導用水中航走体の航走を制御させるようにしてなる構成を有する水中航走体の航走制御装置とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）複数の水中航走体を運用する場合に、音響式の位置特定装置を備え且つ位置表示装置を搭載して航走できる位置特定用水中航走体と、相対位置検出装置を備えて航走できる被誘導用水中航走体とを備え、上記位置特定用水中航走体を航走させて、該位置特定用水中航走体の音響式の位置特定装置により検出された特定位置に、上記位置表示装置を設置させ、次いで、上記被誘導用水中航走体を航走させるときに、上記特定位置に設置された位置表示装置に対する該被誘導用水中航走体の相対位置を、上記被誘導用水中航走体に備えた相対位置検出装置により検出させて、該相対位置の検出結果に応じて上記被誘導用水中航走体の航走を制御させるようにする水中航走体の航走制御方法、及び、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置による特定位置の位置表示装置に対する相対位置の検出は、上記相対位置検出装置に装備した送受波器より発信されたパルス波が上記位置表示装置に備えたトランスポンダに受信されると、該トランスポンダが一定のタイムラグで返信用のパルス波を返信し、更に、この返信用のパルス波を上記相対位置検出装置に装備した送受波器で受信するようにして、該送受波器よりパルス波を発信してから該送受波器で上記受信用のパルス波が受信されるまでの経過時間と、水中の音速とから、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置より上記位置表示装置までの相対距離を計測し、この相対距離の計測結果を基に行うようにしてなる構成を有する水中航走体の航走制御装置としてあるので、高精度な音響式の位置特定装置は、位置特定用水中航走体のみに装備すればよく、その他の被誘導用水中航走体については、相対位置検出装置により検出される位置表示装置との相対位置の情報を基に、該位置表示装置が設置してある特定位置を目標物として、該目標物となる特定位置に到達するように航走させたり、上記位置表示装置が設置してある特定位置を障害物として、該障害物となる特定位置を回避するように正確に航走させることができる。
（２）上記被誘導用水中航走体では、音響式の位置特定装置以外の他の機能を有する装置の搭載が容易になるため、被誘導用水中航走体を複数機運用することで、上記音響式の位置特定装置以外の他の機能を有する装置の装備数を容易に増加させることができる。又、各被誘導用水中航走体の大型化を防止することが可能になる。
（３）更に、高価な音響式の位置特定装置は、位置特定用水中航走体のみに装備すればよいため、上記各被誘導用水中航走体については、装置コストを大幅に低減させることが可能になる。

本発明の水中航走体の航走制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、位置特定用水中航走体により特定位置を検出した状態を示す概略側面図である。 本発明の水中航走体の航走制御方法における図１に続く手順を示すもので、位置特定用水中航走体により、検出した特定位置に位置表示装置を設置した状態を示す概略側面図である。 本発明の水中航走体の航走制御方法で用いる装置構成を示す概要図である。 被誘導用水中航走体による位置表示装置の検出原理の概要を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図４は本発明の水中航走体の航走制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。

すなわち、本発明の水中航走体の航走制御方法の実施に用いる本発明の水中航走体の航走制御装置は、位置特定用水中航走体１と、該位置特定用水中航走体１により水底としての海底４の特定位置４ａに設置するための単数又は複数の位置表示装置２と、単数又は複数機の被誘導用水中航走体３とを備えた構成とする。

上記位置特定用水中航走体１は、図３に示すように、慣性航法装置５と、高精度な音響式の位置特定装置としてのサイドスキャンソナー等の音響スキャンソナー６とを備えてなる構成として、上記慣性航法装置５による慣性航法に基づく位置特定用水中航走体１自身の位置検出に加えて、上記音響スキャンソナー６により海底（水底）４の地形を識別して、その識別された海底４の地形を基に、該位置特定用水中航走体１自身の位置を正確に特定させると共に、目標物や障害物等の海底４の特定位置４ａを把握できるようにする。

更に、上記位置特定用水中航走体１には、上記単数又は複数基の位置表示装置２を取り出し可能に格納するための格納室７を設ける（図では１基の位置表示装置２を格納した状態が示してある）と共に、該格納室７内に格納されている位置表示装置２を取り出して上記音響スキャンソナー６により把握された海底４の特定位置４ａに設置するための図示しない位置表示装置設置機構を備えてなる構成とする。

上記被誘導用水中航走体３は、慣性航法装置５ａを備えてなる構成として、慣性航法に基づいて該被誘導用水中航走体３自身の位置検出を行うことができるようにしてある。

更に、上記被誘導用水中航走体３には、上記位置特定用水中航走体１により海底４の特定位置４ａに設置された位置表示装置２との間で音響信号の送受信を行うことにより該被誘導用水中航走体３自身の上記位置表示装置２に対する相対的な位置を検出するための相対位置検出装置８を装備し、更に、該相対位置検出装置８で検出された上記位置表示装置２に対する上記被誘導用水中航走体３の相対位置に応じて、スラスター等の推進装置や操舵装置等の制御を介し該被誘導用水中航走体３の航走を制御するための水中航走体制御装置９を備えた構成とする。

具体的には、たとえば、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８を、パルス波を発信、受信可能な送受波器（図示せず）を備えてなる構成とする。

一方、上記位置表示装置２を、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器より発信されたパルス波を受信すると、或る一定のタイムラグで返信用のパルス波を返信するようにしてあるトランスポンダ（図示せず）を備えてなる構成とし、このトランスポンダにより返信される返信用のパルス波を、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器で受信できるようにしてある。これにより、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器よりパルス波を発信してから、上記返信用のパルス波が該送受波器で検出されるようになるまでの経過時間と、上記位置表示装置２のトランスポンダが上記送受波器より発信されたパルス波を受信してから返信用のパルス波を返信するまでのタイムラグと、水中の音速に関する情報（データ）とを基に、上記被誘導用水中航走体３から、上記位置表示装置２までの距離を測定することができるようにしてある。

更に、上記相対位置検出装置８では、図４に示すように、上記被誘導用水中航走体３の進行方向を多少変化させた状態で航走させながら、一直線上の配置とならないで少なくとも３個所、すなわち、上記航走する被誘導用水中航走体３が時間経過に伴って、たとえば、図４におけるＡ点、Ｂ点、Ｃ点にそれぞれ位置しているときに、上記相対位置検出装置８の送受波器から発信するパルス波による上記位置表示装置２までの距離の測定を繰り返し実施して、上記Ａ点に位置している被誘導用水中航走体３から上記位置表示装置２までの距離Ｌａの測定結果と、上記Ｂ点に位置している被誘導用水中航走体３から上記位置表示装置２までの距離Ｌｂの測定結果と、上記Ｃ点に位置している被誘導用水中航走体３から上記位置表示装置２までの距離Ｌｃの測定結果とを重ね合わせることで、上記被誘導用水中航走体３の位置を基準とする上記位置表示装置２の相対的な位置を検出することができるようにしてある。

なお、図３では、位置特定用水中航走体１における水中航走体制御装置の記載は省略してある。

以上の構成としてある本発明の水中航走体の航走制御装置を使用する場合は、図１に示すように、先ず、上記位置特定用水中航走体１を航走させて、慣性航法装置５による該位置特定用水中航走体１自身による位置検出と共に、音響スキャンソナー６による海底４の地形の識別に基づく該位置特定用水中航走体１自身の正確な位置の特定を行わせる。

その後、上記位置特定用水中航走体１が、該位置特定用水中航走体１自身の正確な位置の特定に基づいて、たとえば、図４に示すように、他の被誘導用水中航走体３の航走の目標物となる海底４の特定位置４ａを検出して、該特定位置４ａの上方に到達すると、上記位置特定用水中航走体１に装備してある図示しない位置表示装置設置機構により、該位置特定用水中航走体１の格納室７（図３参照）に搭載してある位置表示装置２を取り出して上記特定位置４ａに設置する。

次いで、図２に示すように、被誘導用水中航走体３を、慣性航法装置５による該被誘導用水中航走体３自身で検出させる位置情報を基に航走させて、該被誘導用水中航走体３に装備した相対位置検出装置８の送受波器と、上記海底４の特定位置４ａに設置された位置表示装置２のトランスポンダとのパルス波の送受信が可能になる領域まで到達させる。

上記のようにして被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器と、上記海底４の特定位置４ａに設置された位置表示装置２のトランスポンダとのパルス波の送受信が可能になると、上記相対位置検出装置８により、上記図４に示した手法に基づいて、被誘導用水中航走体３の位置を基準とする上記位置表示装置２の相対位置の検出を行い、検出された上記位置表示装置２の方向へ向かうように、被誘導用水中航走体３の水中航走体制御装置９によるスラスター等の推進装置や操舵装置等の制御を介した被誘導用水中航走体３の航走の制御を行わせるようにする。これにより、上記被誘導用水中航走体３は、上記位置表示装置２へ向けて航走するようになるため、該被誘導用水中航走体３を、その目標物となる海底４の特定位置４ａまで正確に航走させることができるようになる。

又、上記被誘導用水中航走体３を複数機運用する場合は、各被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器を、それぞれ異なる波長のパルス波を発信するように設定すると共に、上記位置表示装置２のトランスポンダを、受信する波長の異なるパルス波に対し、それぞれ異なる波長の返信用のパルス波を返信する機能を備えるようにした構成として、上記各被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器で、該各送受波器ごとに予め設定された波長の返信用のパルス波が検出されたときの時間データのみを、それぞれの被誘導用水中航走体３と上記位置表示装置２との距離の測定に用いるようにすればよい。これにより、上記複数機の被誘導用水中航走体３を同時運用することができる。

このように、本発明の水中航走体の航走制御方法及び装置によれば、高精度な音響式の位置特定装置であるサイドスキャンソナー等の音響スキャンソナー６は、位置特定用水中航走体１のみに装備すればよく、その他の被誘導用水中航走体３については、慣性航法装置５ａと、位置表示装置２との音響信号の送受信を行う送受波器を具備した相対位置検出装置８のみしか搭載していなくても、位置表示装置２が設置してある海底４の特定位置４ａを目標物として、該特定位置４ａまで正確に航走させることができるようになる。

更に、上記音響スキャンソナー６を装備しない上記被誘導用水中航走体３では、音響スキャンソナー６以外の他の機能を有する装置の搭載が容易になるため、被誘導用水中航走体３を複数機運用することで、上記音響スキャンソナー６以外の他の機能を有する装置の装備数を容易に増加させることができ、又、該各被誘導用水中航走体３の大型化を防止することが可能になる。

更に、位置特定用水中航走体１と、複数機の被誘導用水中航走体３を運用する場合であっても、高価な音響式の位置特定装置である上記音響スキャンソナー６は、上記位置特定用水中航走体１に装備するのみでよいため、上記位置特定用水中航走体１以外の各被誘導用水中航走体３については、装置コストを大幅に低減させることが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、被誘導用水中航走体３に装備する相対位置検出装置８の送受波器を小型化して、被誘導用水中航走体３において音響スキャンソナー６以外の他の機能を有する装置を装備するためのスペースを多く確保するという効果を得る観点からすると、上記相対位置検出装置８の送受波器は、位置表示装置２より返信される返信用のパルス波を単に受波する機能を有するものとすることが好ましいが、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８にアレイ式の送受波器を備えて、該送受波器により、上記位置表示装置２より返信される返信用のパルス波の到来する方向を検出できるようにした構成としてもよい。このようにすれば、被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８にて海底４の特定位置４ａに設置された位置表示装置２の相対位置を検出する際に、アレイの配置にもよるが、被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器と上記位置表示装置２のトランスポンダとの間で図４に示すようにパルス波の送受信を３回繰り返すことなく、２回あるいは１回のパルス波の送受信で上記位置表示装置２の相対位置を正確に検出することが可能になる。

位置表示装置２は、被誘導用水中航走体３の目標物となる海底４の特定位置４ａではなく、位置特定用水中航走体１で特定した被誘導水中航走体３の航走コース上における障害物が存在する位置に設置するようにしてもよい。この場合は、被誘導用水中航走体３により上記位置表示装置２の相対的な位置が測定された時点で、上記被誘導用水中航走体３の水中航走体制御装置９により該被誘導用水中航走体３を上記位置表示装置２の設置個所を回避するような航走を行わせるようにすればよい。

被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置による位置表示装置２の相対位置の検出を、単純な検出原理で行えるようにして、上記相対位置検出装置８の構成をシンプルなものとして小型化できるようにする効果を得る観点からすると、上記位置表示装置２は、上記被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８の送受波器との間でパルス波の送受信を行うためのトランスポンダを備えた形式のものとすることが好ましいが、被誘導用水中航走体３の相対位置検出装置８による位置表示装置２の相対的な位置の検出を所要の精度で実施できるようにしてあれば、位置表示装置２の設置位置に関する情報を音響信号に載せて被誘導用水中航走体３へ与えるようにしたり、位置表示装置２よりビーム状に音響信号を発信させ、このビーム状の音響信号を受けることができるか否かで被誘導用水中航走体３にて上記位置表示装置２の相対的な位置を測定させる等、いかなる形式の測定原理を採用した位置表示装置２を用いるようにしてもよい。この場合、被誘導用水中航走体３に備える相対位置検出装置８は、上記位置表示装置２の発する音響信号に対応して該位置表示装置２までの相対位置を計測する機能を備えるものを適宜選定して用いるようにすればよい。

図１乃至図４に示した各水中航走体１，３、及び、位置表示装置２のサイズや形状は、図示するための便宜上のものであり、各水中航走体１，３、及び、位置表示装置２のサイズや形状は任意に設定してよい。上記位置特定用水中航走体１と被誘導用水中航走体３は、形状やサイズが相違していてもよい。

位置特定用水中航走体１を航走させるときに複数の位置表示装置２を搭載しておき、該位置特定用水中航走体１の１回の航走で、目標物や障害物となる海底４の複数の特定位置４ａに近接用の音響信号や回避用の音響信号を発する位置表示装置２をそれぞれ設置させるようにしてもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 位置特定用水中航走体
２ 位置表示装置
３ 被誘導用水中航走体
４ 海底（水底）
４ａ 特定位置
６ 音響スキャンソナー（音響式の位置特定装置）
８ 相対位置検出装置

Claims (4)

1. 複数の水中航走体を運用する場合に、音響式の位置特定装置を備え且つ位置表示装置を搭載して航走できる位置特定用水中航走体と、相対位置検出装置を備えて航走できる被誘導用水中航走体とを備え、上記位置特定用水中航走体を航走させて、該位置特定用水中航走体の音響式の位置特定装置により検出された特定位置に、上記位置表示装置を設置させ、次いで、上記被誘導用水中航走体を航走させるときに、上記特定位置に設置された位置表示装置に対する該被誘導用水中航走体の相対位置を、上記被誘導用水中航走体に備えた相対位置検出装置により検出させて、該相対位置の検出結果に応じて上記被誘導用水中航走体の航走を制御させるようにすることを特徴とする水中航走体の航走制御方法。
2. 被誘導用水中航走体の相対位置検出装置による特定位置の位置表示装置に対する相対位置の検出は、上記相対位置検出装置に装備した送受波器より発信されたパルス波が上記位置表示装置に備えたトランスポンダに受信されると、該トランスポンダが一定のタイムラグで返信用のパルス波を返信し、更に、この返信用のパルス波を上記相対位置検出装置に装備した送受波器で受信するようにして、該送受波器よりパルス波を発信してから該送受波器で上記受信用のパルス波が受信されるまでの経過時間と、水中の音速とから、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置より上記位置表示装置までの相対距離を計測し、この相対距離の計測結果を基に行うようにする請求項１記載の水中航走体の航走制御方法。
3. 被誘導用水中航走体の航走中に、一直線状の配置とならない少なくとも３個所で、被誘導用水中航走体の相対位置検出装置から位置表示装置までの相対距離を計測して、その計測結果を重ね合わせることで、上記被誘導用水中航走体の上記位置表示装置に対する相対位置を検出するようにする請求項２記載の水中航走体の航走制御方法。
4. 複数の水中航走体として、音響式の位置特定装置を備え且つ位置表示装置を搭載して航走できると共に上記音響式の位置特定装置で検出された特定位置に上記位置表示装置を設置できるようにしてある位置特定用水中航走体と、相対位置検出装置を有し且つ航走できるようにしてある被誘導用水中航走体とを備えて、上記位置特定用水中航走体を航走させて上記特定位置に位置表示装置を設置させ、該位置表示装置に対する上記被誘導用水中航走体の相対位置を、該被誘導用水中航走体の相対位置検出装置により検出し、該相対位置の検出結果に応じて上記被誘導用水中航走体の航走を制御させるようにしてなる構成を有することを特徴とする水中航走体の航走制御装置。

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