JP6946026B2 - 航走制御装置、航走体監視システム、水上航走体の航走制御方法、およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、航走制御装置、航走体監視システム、水上航走体の航走制御方法、およびプログラムに関する。

特許文献１には、ソナーにより水中航走体と通信をしながら、その水中航走体を自動追尾する水上航走体に関する技術が開示されている。特許文献１によれば、１台の水中航走体を２台の水上航走体が追尾する。

特開平８−２４９０６０号公報

しかしながら、監視すべき水中航走体が増加すると、これに応じて必要となる水上航走体の数も多くなり、コストが増大してしまう。そのため、水中航走体と水上航走体とを備える水中航走体監視システムを構築するにあたり、水上航走体の総数を水中航走体の総数より少なくすることが求められている。
本発明の目的は、水上航走体が水中航走体より少ない場合においても、水中航走体を適切に監視することを可能とするための航走制御装置、航走体監視システム、水上航走体の航走制御方法、およびプログラムを提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、水上航走体の航走制御装置は、水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走制御装置であって、前記水中航走体の位置を認識する位置認識部と、前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出するスコア算出部と、前記スコアに基づいて、前記水上航走体の目標位置を決定する目標位置決定部とを備える。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る航走制御装置は、前記位置認識部が認識した前記水中航走体のそれぞれの位置に基づいて、前記水中航走体の未来の位置を予測する位置予測部をさらに備え、前記位スコア算出部は、前記位置予測部が予測した前記未来の位置に基づいて、前記スコアを算出するものであってよい。

本発明の第３の態様によれば、第１または第２の態様に係る航走制御装置は、前記目標位置決定部は、所定時間内に到達可能な位置のうち、前記スコアの総和が最大となる位置を目標位置とするものであってよい。

本発明の第４の態様によれば、第１から第３の何れかの態様に係る航走制御装置は、前記スコアは、前記水中航走体の深度が深いほど高く、かつ前記水中航走体と前記水上航走体との水平距離が近いほど高くなるものであってよい。

本発明の第５の態様によれば、第１から第４の何れかの態様に係る航走制御装置は、前記スコア算出部が算出した前記スコアに、前記水中航走体の重要度が高いほど大きくなる係数を乗算することで前記スコアを修正するスコア修正部をさらに備え、前記目標位置決定部は、修正された前記スコアの総和が最大となる位置を前記目標位置に決定するものであってよい。

本発明の第６の態様によれば、第１から第５の何れかの態様に係る航走制御装置は、前記スコア算出部は、前記水中航走体ごとに、当該水中航走体を頂点とした、異なる頂角を有し、水面を底面とする複数の円錐状の境界で区切られた複数のセグメントを演算し、前記セグメントのうち前記水上航走体の位置を含むセグメントを特定し、前記セグメントの頂角が小さいほど大きくなる値を、前記水中航走体の前記スコアとして算出するものであってよい。

本発明の第７の態様によれば、第１から第５の何れかの態様に係る航走制御装置は、前記スコア算出部は、前記水上航走体を頂点とした、異なる頂角を有し、水中航走体深度の断面を底面とする複数の円錐状の境界で区切られた複数のセグメントを演算し、前記水中航走体ごとに、当該水中航走体の位置を含むセグメントを特定し、前記セグメントの頂角が小さいほど大きくなる値を、前記水中航走体の前記スコアとして算出するものであってよい。

本発明の第８の態様によれば、航走体監視システムは、水中を航走する複数の水中航走体と、前記複数の水中航走体の少なくとも２つを認識しながら水上を航走する水上航走体と、第１から第７の何れかの態様に係る航走制御装置とを備える。

本発明の第９の態様によれば、水上航走体の航走制御方法は、水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走制御方法であって、前記水中航走体の位置を認識することと、前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出することと、前記スコアに基づいて、前記水上航走体の目標位置を決定することとを有する。

本発明の第１０の態様によれば、プログラムは、水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走の制御に用いられるコンピュータに、前記水中航走体の位置を認識することと、前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出することと、前記スコアに基づいて、前記水上航走体の目標位置を決定することとを実行させる。

上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、航走制御装置は、ある水上航走体の目標位置を、水中航走体との通信のしやすさを表すスコアの総和が大きくなる位置に設定する。これにより、航走制御装置は、水上航走体が水中航走体より少ない場合においても、水中航走体を適切に監視することができる。

第１の実施形態に係る航走体監視システムの構成を示す概略図である。 水上航走体の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係るスコアの算出方法の例を示す図である。 第１の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るスコアの算出方法の例を示す図である。 第２の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る航走制御装置の構成を示す概略ブロック図である。 第３の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。 第４の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。

〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
《全体構成》
図１は、第１の実施形態に係る航走体監視システムの構成を示す概略図である。
航走体監視システム１は、基地局装置１０と、複数の水上航走体２０と、複数の水中航走体３０とを備える。
基地局装置１０は、陸上または海上の母船上に設けられ、各水上航走体２０と無線通信を行う。基地局装置１０は、水中航走体に水中を調査させるためのミッション情報を記憶しており、当該ミッション情報を水上航走体２０を介して水中航走体３０に送信する。
水上航走体２０は、水上を航走する無人船である。水上航走体２０は、基地局装置１０と無線通信を行い、水中航走体３０と音響通信を行う。これにより、水上航走体２０は、基地局装置１０と水中航走体３０との通信を中継する。水上航走体２０は、水中航走体３０の位置に基づいて自動航走する。
水中航走体３０は、水上航走体２０と音響通信を行う。水中航走体３０は、水上航走体２０を介して基地局装置１０から受信したミッション情報に従って航走する。
水上航走体２０の総数は、水中航走体３０の総数より少ない。

ここで、航走体監視システム１においてすべての水中航走体３０を監視するには、水中航走体３０の音響通信範囲内に少なくとも１台の水上航走体２０が位置する必要がある。このとき、航走体監視システム１を構成する少なくとも１台の水上航走体２０の音響通信範囲内には、複数の水中航走体３０が存在することとなる。

《水上航走体のハードウェア構成》
図２は、水上航走体の構成を示す概略ブロック図である。
水上航走体２０は、航走体本体２１と、航走装置２２と、無線通信装置２３と、音響通信装置２４と、航走制御装置２５とを備える。
航走体本体２１は、水上航走体２０の外殻をなす本体である。航走装置２２は、航走体本体２１を水上で航走させるための装置である。航走装置２２の例としては、操舵装置およびスクリューなどが挙げられる。無線通信装置２３は、基地局装置１０との無線通信を実現するための装置である。音響通信装置２４は、水中航走体３０との音響通信を実現するための装置である。航走制御装置２５は、航走装置２２を制御するための装置である。

航走制御装置２５は、ＣＰＵ２０１、主記憶装置２０２、補助記憶装置２０３、インタフェース２０４を備えるコンピュータである。補助記憶装置２０３には、水上航走体２０の航走を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵ２０１は、プログラムを補助記憶装置２０３から読み出して主記憶装置２０２に展開し、当該プログラムに従って処理を実行する。航走制御装置２５は、インタフェース２０４を介して航走装置２２、無線通信装置２３、および音響通信装置２４と接続される。

補助記憶装置２０３の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。補助記憶装置２０３は、航走制御装置２５のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース２０４または通信回線を介して航走制御装置２５に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によって航走制御装置２５に配信される場合、配信を受けた航走制御装置２５が当該プログラムを主記憶装置２０２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置２０３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

《航走制御装置のソフトウェア構成》
ＣＰＵ２０１は、補助記憶装置２０３が記憶するプログラムを実行することで、無線通信部２１１、音響通信部２１２、位置認識部２１３、監視部２１４、スコア算出部２１５、係数算出部２１６、スコア修正部２１７、目標位置決定部２１８、航走制御部２１９を備える。
また、ＣＰＵ２０１は、補助記憶装置２０３が記憶するプログラムを実行することで、主記憶装置２０２にミッション記憶部２５１、状態記憶部２５２に相当する記憶領域を確保する。

無線通信部２１１は、無線通信装置２３を介して基地局装置１０との通信を行う。具体的には、無線通信部２１１は、基地局装置１０からミッション情報を受信し、基地局装置１０に監視部２１４による水中航走体３０の監視結果を送信する。
音響通信部２１２は音響通信装置２４を介して水中航走体３０との通信を行う。具体的には、音響通信部２１２は、水中航走体３０から状態情報（異常の有無、進行方向、進行速度等の情報）を受信する。

位置認識部２１３は、音響通信部２１２の通信結果から水中航走体３０の位置、水中航走体３０が向く方角、および水中航走体３０の速度を認識する。具体的には、位置認識部２１３は、音響通信部２１２が音響信号を発してから応答信号を受信するまでの時間と、応答信号の到来方向とに基づいて、認識する。なお、他の実施形態においては、位置認識部２１３は、音響通信部２１２が発した音響信号の反射波に基づいて水中航走体３０の位置を認識してもよい。位置認識部２１３は、水中航走体３０から受信した応答信号に含まれる状態情報に基づいて水中航走体３０が向く方角および速度を認識する。なお、位置認識部２１３は、過去の水中航走体３０の位置と現在の位置とに基づいて水中航走体３０の速度を計算してもよい。
監視部２１４は、水中航走体３０が受信する状態情報に基づいて水中航走体３０の状態を監視し、各水中航走体３０の状態を状態記憶部２５２に記録する。

スコア算出部２１５は、位置認識部２１３が認識した水中航走体３０の位置に基づいて水中航走体３０との通信しやすさを示すスコア（基本スコア）を算出する。
図３は、第１の実施形態に係るスコアの算出方法の例を示す図である。
具体的には、スコア算出部２１５は、水中を複数のセグメントＳｅｇに分割する。複数のセグメントＳｅｇのそれぞれは、図３に示すように、水上航走体２０の目標位置の候補Ｃを頂点とした異なる頂角を有し、音響通信装置２４による信号の発信方向を回転軸とする２つの円錐状の境界で区切られる領域である。セグメントＳｅｇの境界は下方に向かって広がる。ここで円錐の頂角とは、回転軸を通る平面で円錐を切断した時の断面に表れる二等辺三角形の頂角をいう。各セグメントＳｅｇには、スコアが割り振られており、各セグメントＳｅｇのスコアは、セグメントＳｅｇが回転軸の中心に近いほど大きい値に設定される。つまり、各セグメントＳｅｇのスコアは、セグメントＳｅｇの外側を区切る境界の頂角が小さいほど大きい値に設定される。したがって、スコアは、水中航走体３０の深度が深いほど高く、かつ水中航走体３０と水上航走体２０との水平距離が近いほど高くなる。図３に示す例では、外側を区切る境界の頂角が最も小さいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＡのスコアが７であり、外側を区切る境界の頂角が次に小さいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＢのスコアが５であり、外側を区切る境界の頂角が最も大きいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＣのスコアが３である。スコア算出部２１５は、水中航走体３０のそれぞれが位置するセグメントＳｅｇに設定されたスコアを、当該水中航走体３０のスコアとして算出する。これは、音響通信の信号が指向性を有し、通信範囲が発信方向を中心とした円錐（音響コーン）状に広がるためである。

係数算出部２１６は、水中航走体３０ごとに、その重要度に応じた係数を算出する。例えば、係数算出部２１６は、障害が発生した水中航走体３０の係数を、障害が発生していない水中航走体３０の係数より大きくする。また例えば、係数算出部２１６は、水中航走体３０に実行させるミッションの重要度が大きいほど、その水中航走体３０の係数を大きくする。
スコア修正部２１７は、スコア算出部２１５が算出したスコアに係数算出部２１６が算出した係数を乗算することで（重み付けすることで）、スコアを修正する。

目標位置決定部２１８は、水上航走体２０が位置する水面のうち、スコア修正部２１７が修正したスコアの総和が最大となる目標位置の候補を、水上航走体２０の目標位置に決定する。
航走制御部２１９は、航走体本体２１が目標位置決定部２１８が決定した目標位置に向かうように航走装置２２を制御する。

《航走制御装置の動作》
航走制御装置２５は、基地局装置１０から無線通信によりミッション情報を受信すると、当該ミッション情報をミッション記憶部２５１に記録する。ミッション情報は、水上航走体２０の動作開始タイミングに基地局装置１０から一括で送信されてもよいし、ミッションの発動時期に都度基地局装置１０から送信されてもよい。航走制御装置２５は、受信したミッション情報を、音響通信により水中航走体３０に送信する。

図４は、第１の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。
各水上航走体２０に搭載された航走制御装置２５は、一定の制御周期（例えば、１分ごと）に係るタイミングで、以下の監視処理を実行する。
まず、音響通信部２１２は、水中航走体３０から情報を収集するための情報送信指示を重畳した音響信号を送信する（ステップＳ１）。このとき、位置認識部２１３は、音響信号の送信時刻からの経過時間を計測する（ステップＳ２）。水中航走体３０は、水上航走体２０から情報送信指示を受信すると、当該水中航走体３０の状態情報（異常の有無、進行方向、進行速度を含む）を収集し、当該状態情報を重畳した音響信号（応答信号）を水上航走体２０に送信する。

音響通信部２１２が水中航走体３０から応答信号を受信すると（ステップＳ３）、監視部２１４は、受信した応答信号に含まれる状態情報を状態記憶部２５２に記録し、また無線通信部２１１は、当該状態情報を基地局装置１０に送信する（ステップＳ４）。また位置認識部２１３は、応答信号の送信時刻から受信時刻までの経過時間と応答信号の到来方向とに基づいて水中航走体３０の位置を特定する（ステップＳ５）。また位置認識部２１３は、応答信号から進行方向および進行速度を特定する（ステップＳ６）。
航走制御装置２５は、音響信号の送信時刻から所定の時間（水底の水中航走体３０からの応答信号を受信可能な時間）が経過するまで、応答信号の受信を待機し、受信するたびに上記ステップＳ３からステップＳ６の処理を実行する。

音響信号の送信時刻から所定の時間が経過すると、スコア算出部２１５は、水上航走体２０の目標位置の複数の候補Ｃを特定する（ステップＳ７）。水上航走体２０の目標位置の候補Ｃは、例えば、水中航走体３０の航走可能範囲上の位置や、一定時間以内に水上航走体２０が到達できる範囲上の位置などが挙げられる。そして、航走制御装置２５は、複数の候補Ｃを１つずつ選択し、各候補について以下のステップＳ９からステップＳ１４までの処理を実行する（ステップＳ８）。

まず、スコア算出部２１５は、選択された候補Ｃの位置を頂点とした複数のセグメントＳｅｇを計算する（ステップＳ９）。次に、航走制御装置２５は、応答信号を受信した各水中航走体３０を１つずつ選択し、以下のステップＳ１１からステップＳ１３までの処理により各水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ１０）。

スコア算出部２１５は、選択された水中航走体３０が位置するセグメントＳｅｇに基づいて、当該水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ１１）。次に、係数算出部２１６は、選択された水中航走体３０に関連付けてミッション記憶部２５１が記憶するミッションの重要度、および当該水中航走体３０に関連付けて状態記憶部２５２が記憶する状態情報に基づいて、当該水中航走体３０の係数を算出する（ステップＳ１２）。スコア修正部２１７は、ステップＳ１１で算出されたスコアにステップＳ１２で算出された係数を乗算することで、ステップＳ１０で選択された水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ１３）。

応答信号を受信したすべての水中航走体３０のスコアを算出すると、目標位置決定部２１８は、すべての水中航走体３０のスコアの総和を算出する（ステップＳ１４）。

目標位置決定部２１８は、すべての候補Ｃについてスコアの総和を算出すると、スコアの総和が最も高い候補Ｃを、目標位置に決定する（ステップＳ１５）。そして、航走制御部２１９は、航走体本体２１が決定された目標位置へ向かうように航走装置２２に制御信号を出力する（ステップＳ１６）。

《作用・効果》
第１の実施形態に係る航走制御装置２５は、各水中航走体３０の位置に基づいて算出されたスコアの総和が大きくなるように、水上航走体２０の目標位置を決定する。これにより、航走制御装置２５は、複数の水上航走体２０との高品質な通信を確保できる位置へ向けて水上航走体２０を航走させることができる。なお、管理者は、各セグメントＳｅｇのスコアの配分を変更することで、水上航走体２０との通信の品質と、通信可能な水上航走体２０の数とのバランスを変更することができる。すなわち、管理者は、各セグメントＳｅｇのスコアの差を大きくすることで、水上航走体２０との通信の品質の優先度を高めることができ、各セグメントＳｅｇのスコアの差を小さくすることで、通信可能な水上航走体２０の数の優先度を高めることができる。
なお、水上航走体２０が目標位置に移動することで一部の水中航走体３０との通信ができなくなる可能性があるが、航走体監視システム１が複数の水上航走体２０を備えることで、通信できない水中航走体３０が生じる可能性を低減することができる。

ここで、水中航走体３０と水上航走体２０との品質が高い（水上航走体２０の音響信号の発信方向に伸びる線から水中航走体３０が存在する位置までの距離が短い）ということは、水中航走体３０の移動によって通信が切断される蓋然性が低い、すなわち通信の継続可能性が高いことと等しい。したがって、第１の実施形態によれば、各水上航走体２０が継続的に複数の水中航走体３０を監視可能な位置を、目標位置に決定する。これにより、航走体監視システム１は、水上航走体２０が水中航走体３０より少ない場合においても、水中航走体３０を適切に監視することができる。

また第１の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０の監視の重要度が高いほど大きくなる係数を乗算するスコアを修正する。これにより、航走制御装置２５は、重要度の高い水中航走体３０との通信が途切れないようにしつつ、複数の水上航走体２０との高品質な通信を確保できる位置へ向けて水上航走体２０を航走させることができる。つまり、水上航走体２０が目標位置に移動することで一部の水中航走体３０との通信ができなくなったとしても、当該水中航走体３０の重要性は比較的低く、その後のタイミングにおいて何れかの水上航走体２０との通信がなされれば、十分に航走体監視システム１としての精度を確保することができる。なお、他の実施形態においてはこれに限られず、係数によるスコアの修正を行わずにセグメントＳｅｇに応じたスコアにより目標位置を決定してもよい。

〈第２の実施形態〉
図５は、第２の実施形態に係るスコアの算出方法の例を示す図である。
第１の実施形態に係る航走制御装置２５は、図３に示すように、水上航走体２０の目標位置の候補Ｃを頂点とするセグメントＳｅｇに基づいて、各水中航走体３０のスコアを算出した。これに対し、第２の実施形態に係る航走制御装置２５は、図５に示すように、水中航走体３０の位置を頂点とするセグメントＳｅｇに基づいて、各水中航走体３０のスコアを算出する。

具体的には、複数のセグメントＳｅｇのそれぞれは、図５に示すように、水中航走体３０の位置を頂点とした異なる頂角を有し、音響通信装置２４による応答信号の発信方向を回転軸とする２つの円錐状の境界で区切られる領域である。セグメントＳｅｇの境界は上方に向かって広がる。スコア算出部２１５は、各水中航走体３０に属するセグメントＳｅｇのうち、水上航走体２０の目標位置の候補Ｃが位置するセグメントＳｅｇに設定されたスコアを、当該水中航走体３０のスコアとして算出する。各セグメントＳｅｇには、スコアが割り振られており、各セグメントＳｅｇのスコアは、セグメントＳｅｇが回転軸の中心に近いほど大きい値に設定される。つまり、各セグメントＳｅｇのスコアは、セグメントＳｅｇの外側を区切る境界の頂角が小さいほど大きい値に設定される。図３に示す例では、外側を区切る境界の頂角が最も小さいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＡのスコアが７であり、外側を区切る境界の頂角が次に小さいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＢのスコアが５であり、外側を区切る境界の頂角が最も大きいセグメントＳｅｇであるセグメントＳｅｇＣのスコアが３である。スコア算出部２１５は、水中航走体３０のそれぞれが位置するセグメントＳｅｇに設定されたスコアを、当該水中航走体３０のスコアとして算出する。

《航走制御装置の動作》
図６は、第２の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。
まず、音響通信部２１２は、水中航走体３０から情報を収集するための情報送信指示を重畳した音響信号を送信する（ステップＳ１０１）。位置認識部２１３は、音響信号の送信時刻からの経過時間を計測する（ステップＳ１０２）。音響通信部２１２が水中航走体３０から応答信号を受信すると（ステップＳ１０３）、監視部２１４は、受信した応答信号に含まれる状態情報を状態記憶部２５２に記録し、また無線通信部２１１は、当該状態情報を基地局装置１０に送信する（ステップＳ１０４）。位置認識部２１３は、応答信号の送信時刻から受信時刻までの経過時間と応答信号の到来方向とに基づいて水中航走体３０の位置を特定する（ステップＳ１０５）。位置認識部２１３は、応答信号から進行方向および進行速度を特定する（ステップＳ１０６）。
航走制御装置２５は、音響信号の送信時刻から所定の時間が経過するまで、応答信号の受信を待機し、受信するたびに上記ステップＳ１０３からステップＳ１０６の処理を実行する。

音響信号の送信時刻から所定の時間が経過すると、スコア算出部２１５は、応答信号を受信した各水中航走体３０を１つずつ選択し、以下のステップＳ１０８からステップＳ１１０までの処理により各水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ１０７）。

スコア算出部２１５は、選択された水中航走体３０を頂点とする複数のセグメントＳｅｇを演算する（ステップＳ１０８）。次に、係数算出部２１６は、選択された水中航走体３０に関連付けてミッション記憶部２５１が記憶するミッションの重要度、および当該水中航走体３０に関連付けて状態記憶部２５２が記憶する状態情報に基づいて、当該水中航走体３０の係数を算出する（ステップＳ１０９）。スコア修正部２１７は、ステップＳ１０８で演算された各セグメントＳｅｇのスコアにステップＳ１０９で算出された係数を乗算することで、各セグメントＳｅｇのスコアを修正する（ステップＳ１１０）。

応答信号を受信したすべての水中航走体３０に係るセグメントＳｅｇおよびそのスコアを算出すると、目標位置決定部２１８は、水上航走体２０の目標位置の候補となる水平面上において、重複するセグメントＳｅｇの合計スコアが最大となる領域を特定する（ステップＳ１１１）。図５に示す例では、領域Ｒが合計スコアが最大となる領域である。目標位置決定部２１８は、特定した領域の重心となる位置を、目標位置に決定する（ステップＳ１１２）。そして、航走制御部２１９は、航走体本体２１が決定された目標位置へ向かうように航走装置２２に制御信号を出力する（ステップＳ１１３）。

《作用・効果》
第２の実施形態に係る航走制御装置２５によれば、第１の実施形態と同様に、複数の水上航走体２０との高品質な通信を確保できる位置へ向けて水上航走体２０を航走させることができる。

〈第３の実施形態〉
図７は、第３の実施形態に係る航走制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
第１、第２の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０の位置の認識に基づいて水上航走体２０の目標位置を決定する。他方、各水中航走体３０は自律航走しており、水上航走体２０が目標位置に到着する前には、各水中航走体３０の位置が変化している。そこで、第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０の位置を予測して目標位置を決定する。

第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、第１の実施形態の構成に加え、さらに位置予測部２２０を備える。位置予測部２２０は、位置認識部２１３が認識した水中航走体３０の位置、進行方向、および速度に基づいて、当該水中航走体３０の一定時間後の位置を予測する。このとき、位置予測部２２０は、水中航走体３０の位置、進行方向、および速度の履歴に基づいて水中航走体３０の軌道を推定し、当該軌道に基づいて水中航走体３０の一定時間後の位置を予測してもよい。また位置予測部２２０は、位置、進行方向、および速度に加え、ミッション記憶部２５１が記憶するミッション情報から特定される目的地に基づいて、水中航走体３０の一定時間後の位置を予測してもよい。

《航走制御装置の動作》
図８は、第３の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。
各水上航走体２０に搭載された航走制御装置２５は、一定の制御周期に係るタイミングで、以下の監視処理を実行する。
まず、音響通信部２１２は、水中航走体３０から情報を収集するための情報送信指示を重畳した音響信号を送信する（ステップＳ２０１）。このとき、位置認識部２１３は、音響信号の送信時刻からの経過時間を計測する（ステップＳ２０２）。音響通信部２１２が水中航走体３０から応答信号を受信すると（ステップＳ２０３）、監視部２１４は、受信した応答信号に含まれる状態情報を状態記憶部２５２に記録し、また無線通信部２１１は、当該状態情報を基地局装置１０に送信する（ステップＳ２０４）。また位置認識部２１３は、応答信号の送信時刻から受信時刻までの経過時間と応答信号の到来方向とに基づいて水中航走体３０の位置を特定する（ステップＳ２０５）。また位置認識部２１３は、応答信号から進行方向および進行速度を特定する（ステップＳ２０６）。次に、位置予測部２２０は、特定した位置、進行方向および進行速度に基づいて、一定時間後（例えば、１０分後）の各水中航走体３０の位置を予測する（ステップＳ２０７）。

航走制御装置２５は、音響信号の送信時刻から所定の時間が経過するまで、応答信号の受信を待機し、受信するたびに上記ステップＳ２０３からステップＳ２０７の処理を実行する。

音響信号の送信時刻から所定の時間が経過すると、スコア算出部２１５は、一定時間後の水上航走体２０の到達可能な複数の地点を、目標位置の候補Ｃとして特定する（ステップＳ２０８）。つまり、候補Ｃは、位置予測部２２０が予測した位置に水中航走体３０が位置するときに、水上航走体２０が存在可能な地点である。航走制御装置２５は、複数の候補Ｃを１つずつ選択し、各候補について以下のステップＳ２１０からステップＳ２１５までの処理を実行する（ステップＳ２０９）。

まず、スコア算出部２１５は、選択された候補Ｃの位置を頂点とした複数のセグメントＳｅｇを計算する（ステップＳ２１０）。次に、航走制御装置２５は、応答信号を受信した各水中航走体３０を１つずつ選択し、以下のステップＳ２１２からステップＳ２１４までの処理により各水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ２１１）。

スコア算出部２１５は、選択された水中航走体３０について予測された一定時間後の位置を含むセグメントＳｅｇに基づいて、当該水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ２１２）。次に、係数算出部２１６は、選択された水中航走体３０に関連付けてミッション記憶部２５１が記憶するミッションの重要度、および当該水中航走体３０に関連付けて状態記憶部２５２が記憶する状態情報に基づいて、当該水中航走体３０の係数を算出する（ステップＳ２１３）。スコア修正部２１７は、ステップＳ２１２で算出されたスコアにステップＳ２１３で算出された係数を乗算することで、ステップＳ２１１で選択された水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ２１４）。

応答信号を受信したすべての水中航走体３０のスコアを算出すると、目標位置決定部２１８は、すべての水中航走体３０のスコアの総和を算出する（ステップＳ２１５）。

目標位置決定部２１８は、すべての候補Ｃについてスコアの総和を算出すると、スコアの総和が最も高い候補Ｃを、目標位置に決定する（ステップＳ２１６）。そして、航走制御部２１９は、航走体本体２１が決定された目標位置へ向かうように航走装置２２に制御信号を出力する（ステップＳ２１７）。

《作用・効果》
第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０のそれぞれの位置に基づいて、当該水中航走体３０の未来の位置を予測し、予測された位置に基づいてスコアを算出する。これにより、第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０の移動を鑑みて、適切な目標位置を設定することができる。

なお、第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、第１の実施形態と同様に、水上航走体２０の目標位置の候補Ｃを頂点とするセグメントＳｅｇに基づいて各水中航走体３０のスコアを算出するが、これに限られない。つまり、他の実施形態に係る航走制御装置２５は、第２の実施形態のように、水中航走体３０の位置を頂点とするセグメントＳｅｇに基づいてスコアを算出してもよい。

〈第４の実施形態〉
第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、一定時間後の水中航走体３０の位置に基づいて目標位置を決定する。これに対し、第４の実施形態に係る航走制御装置２５は、複数の時刻について水中航走体３０の位置を予測し、これに基づいて目標位置を決定する。具体的には、第３の実施形態に係る航走制御装置２５は、１０分後の水中航走体３０の位置に基づいて目標位置を決定するが、第４の実施形態に係る航走制御装置２５は、１分刻みで１０分後までの水中航走体３０の位置をそれぞれ予測し、これに基づいて目標位置を決定する。

《航走制御装置の動作》
図９は、第４の実施形態に係る航走制御装置の動作を示すフローチャートである。
各水上航走体２０に搭載された航走制御装置２５は、一定の制御周期に係るタイミングで、以下の監視処理を実行する。
まず、音響通信部２１２は、水中航走体３０から情報を収集するための情報送信指示を重畳した音響信号を送信する（ステップＳ３０１）。このとき、位置認識部２１３は、音響信号の送信時刻からの経過時間を計測する（ステップＳ３０２）。音響通信部２１２が水中航走体３０から応答信号を受信すると（ステップＳ３０３）、監視部２１４は、受信した応答信号に含まれる状態情報を状態記憶部２５２に記録し、また無線通信部２１１は、当該状態情報を基地局装置１０に送信する（ステップＳ３０４）。また位置認識部２１３は、応答信号の送信時刻から受信時刻までの経過時間と応答信号の到来方向とに基づいて水中航走体３０の位置を特定する（ステップＳ３０５）。また位置認識部２１３は、応答信号から進行方向および進行速度を特定する（ステップＳ３０６）。航走制御装置２５は、音響信号の送信時刻から所定の時間が経過するまで、応答信号の受信を待機し、受信するたびに上記ステップＳ３０３からステップＳ３０６の処理を実行する。

音響信号の送信時刻から所定の時間が経過すると、航走制御装置２５は、現在時刻から未来の所定時刻までの時間を単位時間ごとに区切り、各単位時間について、以下のステップＳ３０８からステップＳ３１６の処理を実行する（ステップＳ３０７）。

まず、位置予測部２２０は、特定した位置、進行方向および進行速度に基づいて、単位時間後の各水中航走体３０の位置を予測する（ステップＳ３０８）。次に、スコア算出部２１５は、一定時間後の水上航走体２０の到達可能な複数の地点を、目標位置の候補Ｃとして特定する（ステップＳ３０９）。つまり、候補Ｃは、位置予測部２２０が予測した位置に水中航走体３０が位置するときに、水上航走体２０が存在可能な地点である。航走制御装置２５は、複数の候補Ｃを１つずつ選択し、各候補について以下のステップＳ３１１からステップＳ３１６までの処理を実行する（ステップＳ３１０）。

まず、スコア算出部２１５は、選択された候補Ｃの位置を頂点とした複数のセグメントＳｅｇを計算する（ステップＳ３１１）。次に、航走制御装置２５は、応答信号を受信した各水中航走体３０を１つずつ選択し、以下のステップＳ３１３からステップＳ３１５までの処理により各水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ３１２）。

スコア算出部２１５は、選択された水中航走体３０について予測された一定時間後の位置を含むセグメントＳｅｇに基づいて、当該水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ３１３）。次に、係数算出部２１６は、選択された水中航走体３０に関連付けてミッション記憶部２５１が記憶するミッションの重要度、および当該水中航走体３０に関連付けて状態記憶部２５２が記憶する状態情報に基づいて、当該水中航走体３０の係数を算出する（ステップＳ３１４）。スコア修正部２１７は、ステップＳ３１３で算出されたスコアにステップＳ３１４で算出された係数を乗算することで、ステップＳ３１２で選択された水中航走体３０のスコアを算出する（ステップＳ３１５）。

応答信号を受信したすべての水中航走体３０のスコアを算出すると、目標位置決定部２１８は、すべての水中航走体３０のスコアの総和を算出する（ステップＳ３１６）。

目標位置決定部２１８は、すべての候補Ｃについて、かつ一定時間後までの各単位時間について、スコアの総和を算出すると、各単位時間におけるスコアの総和に基づいて目標位置を決定する（ステップＳ３１７）。例えば、目標位置決定部２１８は、すべての時間におけるすべての候補Ｃのうち、スコアの総和が最も高いものを、目標位置に決定する。また例えば、目標位置決定部２１８は、水上航走体２０が走行可能なルートを複数特定し、当該ルートのうち、単位時間ごとに経由する地点のスコアの総和の合計値が最も高いルート上の候補Ｃを、単位時間毎の目標位置に決定する。
そして、航走制御部２１９は、航走体本体２１が決定された目標位置へ向かうように航走装置２２に制御信号を出力する（ステップＳ３１８）。

《作用・効果》
第４の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０のそれぞれの位置に基づいて、当該水中航走体３０の単位時間毎の位置、すなわち航走ルートを予測し、単位時間毎のスコアを算出する。これにより、第４の実施形態に係る航走制御装置２５は、水中航走体３０の移動を鑑みて、適切な目標位置を設定することができる。

なお、第４の実施形態に係る航走制御装置２５は、第１の実施形態と同様に、水上航走体２０の目標位置の候補Ｃを頂点とするセグメントＳｅｇに基づいて各水中航走体３０のスコアを算出するが、これに限られない。つまり、他の実施形態に係る航走制御装置２５は、第２の実施形態のように、水中航走体３０の位置を頂点とするセグメントＳｅｇに基づいてスコアを算出してもよい。

以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述した実施形態に係る航走制御装置２５は各水上航走体２０に備えられるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る航走制御装置２５は基地局装置１０に備えられ、基地局装置１０が各水上航走体２０に無線通信により航走制御信号を送信してもよい。

また、上述した実施形態に係る航走制御装置２５は自装置が認識した水中航走体３０の位置に基づいて目標位置を決定するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る航走体監視システム１においては、基地局装置１０が各航走制御装置２５から水中航走体３０の位置情報を受信し、これらをまとめて各航走制御装置２５に送信してもよい。この場合、各航走制御装置２５は、自装置で認識できなかった水中航走体３０の位置を取得することができ、これに基づいて目標位置を決定することができる。

また、上述した実施形態に係る航走制御装置２５は、セグメントの頂角に応じたスコアに基づいて目標位置を決定するがこれに限られない。例えば、他の実施形態に係る航走制御装置２５は、応答信号の受信強度に基づいてスコアを算出してもよい。受信強度が大きいほど、その応答信号を発した水中航走体３０との通信がしやすい。このとき、受信強度のみに基づいてスコアを算出すると、水中航走体３０の深度が深いほどスコアが小さくなってしまうため、受信強度に水中航走体３０の深度に応じた係数を乗算することができる。

また、上述した実施形態に係る航走体監視システム１において、水上航走体２０の総数が水中航走体３０の総数より少ないが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、水上航走体２０の総数と水中航走体３０の総数とが同じであってもよいし、水中航走体３０の総数が水上航走体２０の総数より少なくてもよい。なお、水上航走体２０の総数と水中航走体３０の総数がいかなるものであっても、航走制御装置２５が、水上航走体２０が水中航走体３０より少ない場合においても水中航走体３０を適切に監視することを可能とする、という効果を奏することに変わりはない。

１ 航走体監視システム
２０ 水上航走体
２５ 航走制御装置
２１１ 無線通信部
２１２ 音響通信部
２１３ 位置認識部
２１４ 監視部
２１５ スコア算出部
２１６ 係数算出部
２１７ スコア修正部
２１８ 目標位置決定部
２１９ 航走制御部
２２０ 位置予測部
２５１ ミッション記憶部
２５２ 状態記憶部
３０ 水中航走体

Claims (10)

1. 水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走制御装置であって、
   前記水中航走体の位置を認識する位置認識部と、
   前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出するスコア算出部と、
   前記スコアの総和が大きくなるように、前記水上航走体の目標位置を決定する目標位置決定部と
   を備える水上航走体の航走制御装置。
2. 前記位置認識部が認識した前記水中航走体のそれぞれの位置に基づいて、前記水中航走体の未来の位置を予測する位置予測部をさらに備え、
   前記スコア算出部は、前記位置予測部が予測した前記未来の位置に基づいて、前記スコアを算出する
   請求項１に記載の航走制御装置。
3. 前記目標位置決定部は、所定時間内に到達可能な位置のうち、前記スコアの総和が最大となる位置を目標位置とする請求項１または請求項２に記載の航走制御装置。
4. 前記スコアは、前記水中航走体の深度が深いほど高く、かつ前記水中航走体と前記水上航走体との水平距離が近いほど高くなる
   請求項１から請求項３の何れか１項に記載の航走制御装置。
5. 前記スコア算出部が算出した前記スコアに、前記水中航走体の重要度が高いほど大きくなる係数を乗算することで前記スコアを修正するスコア修正部をさらに備え、
   前記目標位置決定部は、修正された前記スコアの総和が最大となる位置を前記目標位置に決定する
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載の航走制御装置。
6. 前記スコア算出部は、前記水中航走体ごとに、当該水中航走体を頂点とした、異なる頂角を有し、上方に向かって広がる複数の円錐状の境界で区切られた複数のセグメントを演算し、前記セグメントのうち前記水上航走体の位置を含むセグメントを特定し、前記セグメントの外側を区切る前記境界の頂角が小さいほど大きくなる値を、前記水中航走体の前記スコアとして算出する
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の航走制御装置。
7. 前記スコア算出部は、前記水上航走体を頂点とした、異なる頂角を有し、下方へ向かって広がる複数の円錐状の境界で区切られた複数のセグメントを演算し、前記水中航走体ごとに、当該水中航走体の位置を含むセグメントを特定し、前記セグメントの外側を区切る前記境界の頂角が小さいほど大きくなる値を、前記水中航走体の前記スコアとして算出する
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の航走制御装置。
8. 水中を航走する複数の水中航走体と、
   前記複数の水中航走体の少なくとも２つを認識しながら水上を航走する水上航走体と、 請求項１から請求項７の何れか１項に記載の航走制御装置と
   を備える航走体監視システム。
9. 水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走制御方法であって、
   前記水中航走体の位置を認識することと、
   前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出することと、
   前記スコアの総和が大きくなるように、前記水上航走体の目標位置を決定することと
   を有する水上航走体の航走制御方法。
10. 水中を航走する複数の水中航走体を認識しながら水上を航走する水上航走体の航走の制御に用いられるコンピュータに、
    前記水中航走体の位置を認識することと、
    前記水中航走体のそれぞれについて、前記位置に基づいて前記水上航走体と当該水中航走体との通信しやすさを示すスコアを算出することと、
    前記スコアの総和が大きくなるように、前記水上航走体の目標位置を決定することと
    を実行させるためのプログラム。

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