JP6980255B2 - 水中観測システム及び水中観測システムの音波競合排除方法 - Google Patents

Description

本発明は、１つの水上航走体と、１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システム、及び、水中観測システムの音波競合排除方法に関するものである。

海洋資源の探査等の目的で、自律型無人潜水機（ＡＵＶ［Autonomous Underwater Vehicle］）を用いた海底調査が行われている。現在実用化されているＡＵＶは、ＡＵＶをモニタリングする母船と１対１で組み合わされているものである。

最近では、短時間で広範囲の高精度データを取得したいというニーズが高まっており、複数のＡＵＶを同時に運用できる水中観測システムの開発が盛んに行われている。そこで、例えば、特許第４４３５９３２号公報（特許文献１）に記載のシステムは、母船とは別体の自走中継器を備えており、母船と自走中継器それぞれが水中航走体と組み合わされ、複数の水中航走体を同時に運用することを提案している。母船と水中航走体、及び、自走中継器と水中航走体は、音波を利用した音響通信により通信を行っている。

特許第４４３５９３２号公報

特許第４４３５９３２号公報（特許文献１）に記載のシステムの場合、母船と自走中継器が十分に離れた位置で航行するのであれば問題ない。しかしながら、狭い範囲内で母船と自走中継器を運用しようとすると、母船と自走中継器が近付きすぎて、通信に使用している音波が競合してしまい、母船・水中航走体間、自走中継器・水中航走体間の通信が不良となる可能性がある。

本発明の目的は、１つの水上航走体と、１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムにおいて、狭い範囲内で複数の航走体グループを運用したとしても、航走体グループ間で音波競合が生じない水中観測システム、及び、水中観測システムの音波競合排除方法を提供し、複数の水中航走体の運用を可能にすることにある。

本発明の他の目的は、音波競合が生じ、水上航走体と水中航走体の音響通信状況が悪化してしまい、水上航走体が水中航走体を見失いそうな場合や見失ってしまった場合でも、水上航走体と水中航走体が再会合することが可能な水中観測システム、及び、水中観測システムの音波競合排除方法を提供し、複数の水中航走体の運用を可能にすることにある。

本発明の水中観測システムの音波競合排除方法は、１つの水上航走体と、１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムに用いるものである。水上航走体とは、水上を航走するものであり、母船、洋上中継器（ＡＳＶ［Autonomous Surface Vehicle］）等を含む。水中航走体とは、水中を航走するものであり、自律型無人潜水機（ＡＵＶ［Autonomous Underwater Vehicle］）を含む。水中観測システムは、水上航走体のうち、１つが母船であり、他の水上航走体が洋上中継器であることが想定されるが、必ずしも母船を含んでいる必要はなく、水上航走体全てが洋上中継器であり、母船の代わりを果たす、基地局とからなる構成であってもよい。基地局は、通信機能を有して、洋上中継器から離れた位置に存在する施設であり、陸上にあっても空中にあってもよい。

本発明の水中観測システムの音波競合排除方法は、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体がそれぞれ水中に放射する複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得ステップと、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得ステップと、１つの航走体グループに含まれる１以上の水中航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得ステップと、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得ステップとを備えている。

そして、重複状態判断ステップでは、音波ビーム到達範囲取得ステップで取得した複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲と、航行状態取得ステップで取得した航行状態と、深度取得ステップで取得した最深深度と、船間距離取得ステップで取得した船間距離とに基づいて、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態を判断し、回避行動判断ステップでは、重複状態判断ステップが判断した重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断し、回避行動実行ステップでは、回避行動判断ステップで、回避行動が必要と判断した場合に、回避行動を複数の航走体グループに属する複数の水上航走体の少なくとも１台が実行し、複数の水上航走体が放射する複数の音波ビーム同士の音波競合を排除する。

本発明によれば、水上航走体同士が近付きすぎて、回避行動が必要な場合には、水上航走体のうち、少なくとも１台が回避行動を実行するので、音波競合を排除することができ、水上航走体と水中航走体の音響通信を継続できる。

回避行動が必要な状況は任意に設定することができる。例えば、回避行動判断ステップでは、音波ビーム同士が重複して音波競合が発生する範囲が形成されていると判断した場合に、回避行動が必要と判断するようにしてもよい。このようにすれば、水上航走体と水中航走体の音響通信状況が悪化する前に、音波競合を排除することができる。

回避行動判断ステップでは、音波競合が発生する範囲が形成される可能性があると判断した場合に、回避行動が必要と判断するようにしてもよい。このようにすれば、音波競合が発生することを未然に防ぐことができる。

なお、１つの水上航走体と１以上の水中航走体の音響通信が、通信期間と非通信期間からなる通信周期を有しており、通信期間が、回避行動の実行に要する時間を含む競合判断期間と連続している場合、競合判断期間内に、音波競合が発生する範囲が形成される可能性がある場合に、回避行動判断ステップで、回避行動が必要と判断するようにすれば、回避行動に要する時間を確保しながら、適切に回避行動を実行することができる。

回避行動は、音波競合を回避できればどのような行動でもよい。例えば、回避行動判断ステップは、音波競合を排除するために必要な、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体同士の限界船間距離を演算する船間距離演算ステップを含み、回避行動実行ステップは、船間距離が限界船間距離より長くなるように回避行動をすることを含むようにすればよい。

具体的には、音波競合が発生する２つの航走体グループに属する２台の水上航走体のうち一方の水上航走体の送波器の指向角をθ₁、他方の水上航走体の送波器の指向角をθ₂、一方の水上航走体と組になる１以上の水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₁、他方の水上航走体と組になる１以上の水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₂とすると、
Ｄ₁＝Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
の式で求まり、
Ｄ₁＞Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
の式で求まり、
Ｄ₁＜Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₂・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
の式で求まる限界船間距離Ｓ_Lよりも船間距離が長くなるようにすればよい。

また、回避行動実行ステップは、音波競合が発生する２つの航走体グループに属する２台の水上航走体の少なくとも一方の音波ビームを送波する送波器の指向角を小さくすることを含んでいてもよい。

回避行動実行ステップは、音波競合が発生する２つの航走体グループに属する２台の水上航走体の少なくとも一方の音波ビームを送波する送波器の出力を小さくすることを含んでいてもよい。

さらに、回避行動実行ステップは、音波競合が発生する２つの航走体グループに属する２台の水上航走体の少なくとも一方の音波ビームを送波する送波器の送波方向を変更することを含んでいてもよい。

上述のように、本発明の水中観測システムの音波競合排除方法によれば、音波競合を排除することができるが、回避行動を実行しても、急な潮流の変化等によって、意図せず音波競合が生じ、水上航走体と水中航走体の音響通信状況が悪化してしまう可能性がある。このため、本発明では、回避行動実行ステップでは、水上航走体が、組になる水中航走体との音響通信が所定の試行回数を超えた場合に、予め定めておいた再会合ポイントへ移動し、再び水中航走体を捕捉するまで再会合ポイントで待機するようにしている。このようにすれば、水上航走体が水中航走体を見失ってしまった場合でも、再会合が可能であり、水中航走体を失うことがない。

本発明の水中観測システムの音波競合排除方法は、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のそれぞれが、音波ビーム到達範囲取得ステップ、航行状態取得ステップ、深度取得ステップ、船間距離取得ステップ、重複状態判断ステップ、及び、回避行動判断ステップを実行し、回避行動判断ステップで、回避行動が必要と判断した場合に、回避行動実行ステップを実行するように構成されていてもよい。

また、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のうち１つ、または、基地局がマスター機として設定され、他の複数の水上航走体はマスター機からの指示を受けるスレーブ機として設定されており、マスター機が、音波ビーム到達範囲取得ステップ、航行状態取得ステップ、深度取得ステップ、船間距離取得ステップ、重複状態判断ステップ、及び、回避行動判断ステップを実行し、回避行動判断ステップで、回避行動が必要と判断した場合に、該水中航走体と組になるスレーブ機に回避行動実行ステップを実行させる指令を出力するように構成されていてもよい。

本発明は、水中観測システムとしても把握する（または表現する）ことができる。１つの水上航走体と、１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムでは、水上航走体のそれぞれは、自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する演算部と、演算部が、回避行動が必要と判断した場合に、回避行動を実行する回避行動実行部とを備えている。

この場合、演算部は、水上航走体自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビームの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得部と、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得部と、水上航走体自らが属する航走体グループに含まれる１以上の水中航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得部と、水上航走体自らと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得部と、音波ビーム到達範囲取得部で取得した音波ビームのそれぞれの到達範囲と、航行状態取得部で取得した航行状態と、深度取得部で取得した最深深度と、船間距離取得部で取得した船間距離とに基づいて、水上航走体自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態を判断する重複状態判断部と、重複状態判断部が判断した重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する回避行動判断部とを備えていてもよい。

本発明は、他の水中観測システムとしても把握する（または表現する）ことができる。１つの水上航走体と、１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムでは、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のうち１つ、または、基地局がマスター機として設定され、他の複数の水上航走体はマスター機からの指示を受けるスレーブ機として設定されており、マスター機は、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する演算部と、演算部が、回避行動が必要と判断した場合に、回避行動を実行するようにスレーブ機に指示を行う回避行動実行部とを備えている。

この場合、演算部は、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体がそれぞれ水中に放射する複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得部と、複数の航走体グループに属する複数の水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得部と、１つの航走体グループに含まれる１以上の水中航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得部と、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体と、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得部と、音波ビーム到達範囲取得部で取得した複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲と、航行状態取得部で取得した航行状態と、深度取得部で取得した最深深度と、船間距離取得部で取得した船間距離とに基づいて、１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態を判断する重複状態判断部と、重複状態判断部が判断した重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する回避行動判断部とを備えていてもよい。

複数の航走体グループに属する複数の水上航走体には、予め優先順位が付けられており、回避行動実行部は、同時期に複数のスレーブ機に回避行動を実行させる必要がある場合に、優先順位の順に回避行動を実行するように複数のスレーブ機に指示を行う調停機能を有する。このような調停機能を有すれば、スレーブ機が複数存在する場合に、優先順位を考慮した回避行動を実行することができる。

本実施の形態の水中観測システムの概要を示す図である。 洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶを図示した平面図である。 母船ＭＳと自律型無人潜水機ＡＵＶ１、及び、洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶ２による音響通信の様子を図示した概略図である。 音波競合が生じている状況を示す図である。 洋上中継器ＡＳＶの構成を示すブロック図である。 音波競合を排除するまでのフローチャートである。 音響通信の通信周期を示すタイムチャートである。 回避行動を実行した結果を示す図である。 試行回数が多くなった場合の再会合を示す図である。 他の音波競合回避のフローチャートである。 回避行動を実行した結果を示す図である。 他の音波競合回避のフローチャートである。 回避行動を実行した結果を示す図である。 他の音波競合回避のフローチャートである。 回避行動を実行した結果を示す図である。 第２の実施の形態の水中観測システムに含まれる母船ＭＳのブロック図を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の水中観測システム及び水中観測システムの音波競合排除方法の実施の形態について説明する。

＜水中観測システムの概要＞
図１は、海洋に展開されている本実施の形態の水中観測システム１の概要図である（ただし、説明の便宜上、海洋部分は図示していない）。図１に示すように、水中観測システム１は、水上航走体である母船ＭＳと、母船ＭＳと音響通信により通信可能な２機の自律型無人潜水機ＡＵＶ１−１，１−２からなる航走体グループＧ１と、水上航走体である洋上中継器ＡＳＶ１と、洋上中継器ＡＳＶ１と音響通信により通信可能な２機の自律型無人潜水機ＡＵＶ２−１，２−２からなる航走体グループＧ２と、水上航走体である洋上中継器ＡＳＶ２と、洋上中継器ＡＳＶ２と音響通信により通信可能な２機の自律型無人潜水機ＡＵＶ３−１，３−２からなる航走体グループＧ３とからなる。航走体グループ内の通信は、時間分割信号処理等の多重通信技術によって実現されている。母船ＭＳと、洋上中継器ＡＳＶ１，２は、近距離においては電波を用いた無線通信を用いて、電波が到達しない遠距離においては、通信衛星ＣＳを利用した衛星通信回線を用いて、相互に通信を行う。

なお、以下の説明では、説明の便宜上、各航走体グループＧ１〜Ｇ３に含まれている自律型無人潜水機は、１機として説明を行うことがある。また、洋上中継器と自律型無人潜水機について、特に区別することなく説明を行う場合には、洋上中継器を洋上中継器ＡＳＶ、自律型無人潜水機を自律型無人潜水機ＡＵＶとして言及する。

＜ＡＳＶとＡＵＶによる観測＞
図２は、水深を無視して洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶを図示した平面図であり、洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶからなる航走体グループによる海底観測の様子を示す概要図である。自律型無人潜水機ＡＵＶには、予め海底のＡＵＶ観測シナリオが設定されており、洋上中継器ＡＳＶは、自律型無人潜水機ＡＵＶの観測シナリオに基づいてＡＳＶ観測シナリオを作成する。図２には、ＡＵＶ観測シナリオＯＳによる航路（測線）が実線（一部省略）により描かれている。洋上中継器ＡＳＶ及び自律型無人潜水機ＡＵＶには、予め、緯度・経度で定義された会合ポイントＭＰが設定されており、観測範囲に到着すると、洋上中継器ＡＳＶは会合ポイントＭＰで待機し（図２（１））、自律型無人潜水機ＡＵＶは、着水後潜航しながら会合ポイントＭＰへと向かうようになっている（図２（２））。会合後、自律型無人潜水機ＡＵＶはＡＵＶ観測シナリオに基づいて海底観測を開始し、洋上中継器ＡＳＶは自律型無人潜水機ＡＵＶを追尾する（図２（３））。観測が終了すると、洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶは、終了地点で、旋回待機を行う（図２（４））。

＜ＡＳＶとＡＵＶによる音響通信の概要＞
図３は、母船ＭＳと自律型無人潜水機ＡＵＶ１、及び、洋上中継器ＡＳＶと自律型無人潜水機ＡＵＶ２による音響通信の様子を図示した概略図である。図３は、紙面上部を海面側、紙面下部を海底側にした側方から見た図である。母船ＭＳと洋上中継器ＡＳＶは船間距離Ｓをあけて洋上（海面ＳＳ）を航行しており、自律型無人潜水機ＡＵＶ１，２は海中を航行している。本実施の形態は、特に、母船ＭＳ及び洋上中継器ＡＳＶから、自律型無人潜水機ＡＵＶ１，２へ送信する音響通信が対象である。

母船ＭＳ及び洋上中継器ＡＳＶは、底部に圧電セラミック振動素子をアレイ構成にした送受波器ＴＲ１（ＴＲ１−１，ＴＲ１−２）を備えており、海底方向に向かって信号を載せた音波ビームを放射する。本明細書においては、母船ＭＳ及び洋上中継器ＡＳＶの送受波器ＴＲ１の送波に着目して、説明の便宜上、送波器と呼ぶことがある。音響通信は、通信期間と非通信期間からなる通信周期を有している。自律型無人潜水機ＡＵＶ１，２は、上部に送受波器ＴＲ２（ＴＲ２−１，ＴＲ２−２）を備えており、音波ビームを受波し、信号を受信する。本明細書においては、ＡＵＶ側の送受波器ＴＲ２の受波に着目して、説明の便宜上、受波器と呼ぶことがある。

音波ビームは、送受波器ＴＲ１の出力Ｖ（Ｖ₁，Ｖ₂）、指向角θ（θ₁，θ₂）、送波方向Ｄｉ（Ｄｉ₁，Ｄｉ₂）、及び、受波感度ＲＧ（ＲＧ₁，ＲＧ₂）によって決定される円錐形状であるとみなすことができ、図３には、音波ビームの到達範囲の仮想範囲を破線で示してある（側方から見ているため、図３では三角形として示してある）。ただし、音響通信を考える場合には、音波ビームの底面（図３では底辺）は、自律型無人潜水機ＡＵＶ（正確には、送受波器ＴＲ２）の位置となるため、音波ビームは、図３に実線で示した円錐（側方から見ているため図３では三角形）である。以下では、特に、音波ビームの到達範囲（破線）に言及する場合には、「到達音波ビーム」と呼び、音響通信の音波ビームの範囲（実線）に言及する場合には、「有効音波ビーム」と呼ぶ場合がある。

＜音波競合の概要＞
図３及び図４を用いて、音波競合について説明する。図３は音波競合が生じていない状況であり、図４は音波競合が生じている状況である。図３に示す母船ＭＳ及び自律型無人潜水機ＡＵＶ１からなる航走体グループＧ１と、洋上中継器ＡＳＶ及び自律型無人潜水機ＡＵＶ２からなる航走体グループＧ２で、自律型無人潜水機ＡＵＶの深度Ｄ₁，Ｄ₂を比較すると、自律型無人潜水機ＡＵＶ２の方が深度が深い。そこで、航走体グループＧ１と航走体グループＧ２のいずれも、自律型無人潜水機ＡＵＶ２の深度Ｄ₂に合わせて音波ビームの円錐の底面を定義する。すなわち、航走体グループＧ２の場合には、有効音波ビームの底面を底面ＢＳとし、航走体グループＧ１の場合には、有効音波ビームよりも下方に仮想底面ＩＢＳがあると仮定する。母船ＭＳと洋上中継器ＡＳＶが近づき、図４のように、底面ＢＳと仮想底面ＩＢＳが交差した状態となり、音波競合範囲ＣＲが形成されると、音波競合状態となる。この状態で直ちに音響通信ができなくなるわけではないが、音波競合範囲ＣＲに自律型無人潜水機ＡＵＶ１，２が進入すると、音響通信ができなくなるため、音波競合状態を排除することで、未然に音響通信ができなくなることを防ぐことが本実施の形態の目的の１つである。

＜ＡＳＶ（自己判断型）の構成＞
図５は、洋上中継器ＡＳＶの構成を示すブロック図である。本実施の形態の洋上中継器ＡＳＶは、自身で情報を収集し、母船ＭＳや他の洋上中継器ＡＳＶとの音波競合を排除するものである。図５には、回避行動に必要なブロックのみ図示してあり、自律航行に必要な部材、観測に必要な部材、ＡＵＶとの音響通信に必要な部材等の他の部材は図示を省略してある。なお、母船ＭＳも同様の構成を有するものとすることもできる。

洋上中継器ＡＳＶは、データ等を取得・保存するデータ部３と、回避行動の必要性を判断する演算部５と、回避行動を実行する回避行動実行部７とを備えている。

データ部３は、母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶと無線通信及び／または衛星通信を行う通信部９と、ＧＰＳ衛星からＧＰＳ信号を受信して絶対位置を取得するＧＰＳ信号受信部１１と、自律型無人潜水機ＡＵＶの相対位置を測位する測位部１３と、音響通信の設定情報や、観測シナリオ等を記憶した設定情報記憶部１５を備えている。

演算部５は、音波ビーム到達範囲取得部１７と、航行状態取得部１９と、深度取得部２１と、船間距離取得部２３と、重複状態判断部２５と、回避行動判断部２７とを備えている。音波ビーム到達範囲取得部１７は、洋上中継器ＡＳＶ自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶが放射する音波ビームの到達範囲を取得する。航行状態取得部１９は、複数の航走体グループに属する母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶのそれぞれの航行状態を取得する。本実施の形態において、航行状態とは、速度及び航行方向である。深度取得部２１は、洋上中継器ＡＳＶ自らが属する航走体グループに含まれる自律型無人潜水機ＡＵＶと、他の１つの航走体グループに含まれる自律型無人潜水機ＡＵＶのうち、最も深い深度にある自律型無人潜水機ＡＵＶの深度を最深深度として取得する。船間距離取得部２３は、洋上中継器ＡＳＶ自らと、他の１つの航走体グループに含まれる母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶ同士の船間距離を取得する。

重複状態判断部２５は、音波ビーム到達範囲取得部１７で取得した音波ビームのそれぞれの到達範囲と、航行状態取得部１９で取得した航行状態と、深度取得部２１で取得した最深深度と、船間距離取得部２３で取得した船間距離とに基づいて、洋上中継器ＡＳＶ自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶが放射する音波ビーム同士の重複状態を判断する。回避行動判断部２７は、重複状態判断部２５が判断した重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する。

回避行動実行部７は、回避行動判断部２７が回避行動が必要と判断した場合に、回避行動を実行する。回避行動実行部７には、洋上中継器ＡＳＶの推進機、操舵装置、送波器が含まれる。

＜音波競合回避＞
本実施の形態では、図６のフローチャートに沿って、音波競合を排除する。以下では、図３の例をもとに、音波競合の回避を説明する。

洋上中継器ＡＳＶは、自律型無人潜水機ＡＵＶとの音響通信を行う度に、音響通信に先立って、各種データを取得する（ステップＳＴ１）。すなわち、以下のデータを取得する。

・ＧＰＳ信号受信部１１により、洋上中継器ＡＳＶ自身の絶対位置を取得する
・測位部１３により、自律型無人潜水機ＡＵＶの相対位置及び深度を取得する
・洋上中継器ＡＳＶの絶対位置と自律型無人潜水機ＡＵＶの相対位置から、自律型無人潜水機ＡＵＶの絶対位置を演算する
・設定情報記憶部１５から音波ビームの設定情報（送波器ＴＲ１の出力Ｖ、指向角θ、送波方向Ｄｉ、受波感度ＲＧ）、及び、洋上中継器ＡＳＶ自身の航行状態を読み出す
・通信部９により、母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶと通信を行い、母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶの絶対位置、航行状態、音波ビームの設定情報、自律型無人潜水機ＡＵＶの絶対位置を取得する
・深度取得部２１は、図３の例では、自律型無人潜水機ＡＵＶ２の深度を最深深度として取得する
・船間距離取得部２３は、洋上中継器ＡＳＶ自身の絶対位置と、母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶの絶対位置に基づいて、船間距離Ｓを取得する。

重複状態判断部２５は、ステップＳＴ１で得られた各種データに基づいて、洋上中継器ＡＳＶ自らが放射する音波ビームと、他の１つの航走体グループに含まれる母船ＭＳ及び／または他の洋上中継器ＡＳＶが放射する音波ビーム同士の音波競合の範囲を演算し、音波ビームの重複状態を判断する（ステップＳＴ２）。

回避行動判断部２７は、ステップＳＴ２の判断した重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する（ステップＳＴ３）。本実施の形態では、音波ビーム同士が重複して音波競合が発生する範囲が形成されている、または、音波競合が発生する範囲が形成される可能性があると判断した場合に、回避行動が必要と判断するように構成されている。

なお、「音波競合が発生する範囲が形成される可能性がある場合」とは、本実施の形態では、母船ＭＳ及び／または洋上中継器ＡＳＶの航行状態から判断して、音響通信の通信周期の通信期間に音波競合が生じる可能性がある状態をいう。上述のように、音響通信は、図７に示すように、通信期間と非通信期間からなる通信周期を有しているが、本実施の形態では、図７に示すように、通信期間の前に、回避行動の実行に要する時間を含む期間を競合判断期間として設定し、競合判断期間内に、音波競合が発生する範囲が形成される可能性がある場合に、音波競合が発生する範囲が形成される可能性がある場合として、回避行動が必要と判断するようにしている。

ステップＳＴ３で回避行動は不要と判断すると、洋上中継器ＡＳＶは、そのまま自律型無人潜水機ＡＵＶの追尾を継続する（ステップＳＴ４）。回避行動が必要と判断すると、回避行動判断部２７は、音波競合を排除するために必要な、水上航走体同士の限界船間距離Ｓ_Lを演算する（ステップＳＴ５）。限界船間距離Ｓ_Lは、次の式により求まる。

音波競合が発生する２つの航走体グループに属する２台の水上航走体のうち一方の水上航走体の送波器の指向角をθ₁、他方の水上航走体の送波器の指向角をθ₂、一方の水上航走体と組になる１以上の水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₁、他方の水上航走体と組になる１以上水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₂とすると、
Ｄ₁＝Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））・・・式（１）
の式で求まり、
Ｄ₁＞Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））・・・式（２）
の式で求まり、
Ｄ₁＜Ｄ₂の場合、限界船間距離Ｓ_Lは、
Ｓ_L＝Ｄ₂・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））・・・式（３）
の式で求まる。図３の例の場合には、Ｄ₁＜Ｄ₂の場合なので、限界船間距離Ｓ_Lは、式（３）により求まる。

限界船間距離Ｓ_Lが求まると、回避行動実行部７は、船間距離Ｓが限界船間距離Ｓ_Lよりも長くなるように、回避行動を実行し（ステップＳＴ６）、回避行動の結果、船間距離Ｓ＞限界船間距離Ｓ_Lとなったか否かの確認を行う（ステップＳＴ７）。図８は、回避行動の結果、船間距離Ｓ＞限界船間距離Ｓ_Lとなった状態を示す図である。この状態であれば、底面ＢＳと仮想底面ＩＢＳが交差しておらず、音波競合範囲ＣＲが形成されていないため、ステップＳＴ４に進んで、洋上中継器ＡＳＶは自律型無人潜水機ＡＵＶの追尾を継続する。

回避行動を実行しても、急な潮流の変化等によって船間距離Ｓ＞限界船間距離Ｓ_Lとならないケースがあり得る。この場合には、さらに、音響通信の通信状況を確認し、試行回数が多くなっていないか、すなわち、音波競合による通信障害が生じていないかを確認する（ステップＳＴ８）。試行回数が多くなっていない場合には、改めてステップＳＴ５に戻り、再度、回避行動を実行する（ステップＳＴ５〜ステップＳＴ８）。試行回数が多くなっている場合には、音響通信が困難になってきている状態であるため、洋上中継器ＡＳＶが自律型無人潜水機ＡＵＶを見失う可能性がある、または、見失ってしまった状態である。そこで、図９に示すように、洋上中継器ＡＳＶは、自律型無人潜水機ＡＵＶの追尾を中断し、予め設定しておいた再会合ポイントへと移動し（ステップＳＴ９）、再会合ポイントで、自律型無人潜水機ＡＵＶを再捕捉するまで待機する（ステップＳＴ１０，ＳＴ１１）。再会合ポイントで、自律型無人潜水機ＡＵＶを再捕捉したら、自律型無人潜水機ＡＵＶの追尾を再開する。

＜他の音波競合回避＞
図１０乃至図１５は、他の音波競合回避のフローチャート及び回避行動の結果を示す図である。図１０、図１２、図１４のフローチャートは、回避行動ステップ（ステップＳＴ５乃至ステップＳＴ７）以外は、図６のフローチャートと共通なので、相違点のみを説明し、他の説明は省略する。

図１０及び図１１に示す回避行動の場合には、回避行動判断部２７は、音波競合を排除するために必要な送波器の指向角θ_Lを演算する（ステップＳＴ５）。本例の場合には、送波器ＴＲ１−２の指向角θ₂がθ_Lよりも小さくなるように変更し（ステップＳＴ６）、回避行動の結果、指向角θ_L＞θ₂になったか否かの確認を行う（ステップＳＴ７）。図１１は、回避行動の結果、指向角θ₂がθ_Lよりも小さくなった状態を示す図である。

図１２及び図１３に示す回避行動の場合には、回避行動を実行するのは、母船ＭＳ側である。母船ＭＳの回避行動判断部２７は、音波競合を排除するために必要な送波器の出力Ｖ_Lを演算する（ステップＳＴ５）。そして、母船ＭＳの送波器ＴＲ１−１の出力Ｖ₁がＶ_Lよりも小さくなるように変更し（ステップＳＴ６）、回避行動の結果、出力Ｖ_L＞Ｖ₁になったか否かの確認を行う（ステップＳＴ７）。図１３は、回避行動の結果、送波器ＴＲ１−１の出力Ｖ₁がＶ_Lよりも小さくなった状態を示す図である。すなわち、この例では、到達音波ビームが有効音波ビームと一致する程度に送波器ＴＲ１−１の出力Ｖ₁が小さくなることで、音波競合が排除される。

図１４及び図１５に示す回避行動の場合には、回避行動判断部２７は、音波競合を排除するために必要な送波器の送波方向Ｄｉ_Lを演算する（ステップＳＴ５）。本例の場合には、送波器ＴＲ１−２の送波方向Ｄｉ₂がＤｉ_Lになるように変更し（ステップＳＴ６）、回避行動の結果、音波競合を排除できたか否かの確認を行う（ステップＳＴ７）。図１５は、回避行動の結果、送波方向Ｄｉ₂を変更した状態を示す図である。

＜第２の実施の形態＞
図１６は、第２の実施の形態の水中観測システムに含まれる母船ＭＳのブロック図を示す図である。図１６には、図５に示した実施の形態の部材と同じ部材には、図５に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付して説明を省略する。

第２の実施の形態では、母船ＭＳがマスター機として設定され、洋上中継器ＡＳＶ１，２は、スレーブ機として設定されている。マスター機である母船ＭＳが洋上中継器ＡＳＶ１，２を介して各種データを収集し、母船ＭＳの回避行動判断部１２７が音波ビームの重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する。そして、可否行動が必要と判断した場合に、回避行動実行部１０７は、スレーブ機である洋上中継器ＡＳＶ１，２に対して、回避行動を実行するように構成されている。

なお、洋上中継器ＡＳＶ１，２には、順に優先順位が付けられており、同時期に洋上中継器ＡＳＶ１，２に回避行動を実行させる必要がある場合には、優先順位の順に回避行動を実行するように指示を行う調停機能を有している。

上記実施の形態は、一例として記載したものであり、その要旨を逸脱しない限り、本実施例に限定されるものではない。例えば、上記例では、航走体グループ内の自律型無人潜水機ＡＵＶは２機であるが、１機でもよいし、３機以上でもよいのはもちろんである。また、上述のように、水中観測システムは、必ずしも母船を含んでいる必要はなく、水上航走体全てが洋上中継器であり、母船の代わりを果たす、基地局とからなる構成であってもよい。

本発明の水中観測システム及び水中観測システムの音波競合排除方法によれば、狭い範囲内で複数の航走体グループを運用したとしても、航走体グループ間で音波競合が生じることがない。また、急な潮流の変化等によって水上航走体が水中航走体を見失いそうな場合や見失ってしまった場合でも、水上航走体と水中航走体が再会合することが可能である。

Ｇ１〜Ｇ３ 航走体グループ
ＭＳ 母船
ＡＳＶ１，２ 洋上中継器
ＡＵＶ１−１〜３−２ 自律型無人潜水機
１ 水中観測システム
３ データ部
５ 演算部
７ 回避行動実行部
９ 通信部
１１ ＧＰＳ信号受信部
１３ 測位部
１５ 設定情報記憶部
１７ 音波ビーム到達範囲取得部
１９ 航行状態取得部
２１ 深度取得部
２３ 船間距離取得部
２５ 重複状態判断部
２７ 回避行動判断部

Claims (15)

1. １つの水上航走体と、前記１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムの音波競合排除方法であって、
   前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体がそれぞれ水中に放射する複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得ステップと、
   前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得ステップと、
   １つの前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得ステップと、
   １つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得ステップと、
   前記音波ビーム到達範囲取得ステップで取得した前記複数の音波ビームのそれぞれの前記到達範囲と、前記航行状態取得ステップで取得した前記航行状態と、前記深度取得ステップで取得した前記最深深度と、前記船間距離取得ステップで取得した前記船間距離とに基づいて、１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する前記音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する前記音波ビーム同士の重複状態を判断する重複状態判断ステップと、
   前記重複状態判断ステップが判断した前記重複状態に基づいて、前記音波ビーム同士が重複して音波競合が発生する音波競合範囲が形成されている、または、前記音波競合範囲が形成される可能性があると判断した場合に、前記音波競合を排除するために、前記音波競合範囲を形成しないための回避行動の必要性を判断する回避行動判断ステップと、
   前記回避行動判断ステップで、前記回避行動が必要と判断した場合に、前記回避行動を前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体の少なくとも１台が実行する回避行動実行ステップとからなり、前記複数の水上航走体が放射する前記複数の音波ビーム同士の音波競合を排除する水中観測システムの音波競合排除方法。
2. 前記１つの水上航走体と前記１以上の水中航走体の音響通信は、通信期間と非通信期間からなる通信周期を有しており、
   前記通信期間は、前記回避行動の実行に要する時間を含む競合判断期間と連続しており、
   前記回避行動判断ステップは、前記競合判断期間内に、前記音波競合が発生する範囲が形成される可能性がある場合に、前記回避行動が必要と判断する請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
3. 前記回避行動判断ステップは、前記音波競合を排除するために必要な、１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体同士の限界船間距離を演算する船間距離演算ステップを含み、
   前記回避行動実行ステップは、前記船間距離が前記限界船間距離より長くなるように前記回避行動をすることを含む請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
4. 前記音波競合が発生する２つの前記航走体グループに属する２台の前記水上航走体のうち一方の前記水上航走体の送波器の指向角をθ₁、他方の前記水上航走体の送波器の指向角をθ₂、前記一方の水上航走体と組になる前記１以上の水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₁、前記他方の水上航走体と組になる前記１以上の水中航走体のうち最も深度が深いものの深度をＤ₂とすると、
   Ｄ₁＝Ｄ₂の場合、前記限界船間距離Ｓ_Lは、
   Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
   の式で求まり、
   Ｄ₁＞Ｄ₂の場合、前記限界船間距離Ｓ_Lは、
   Ｓ_L＝Ｄ₁・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
   の式で求まり、
   Ｄ₁＜Ｄ₂の場合、前記限界船間距離Ｓ_Lは、
   Ｓ_L＝Ｄ₂・（ｔａｎ（θ₁／２）＋ｔａｎ（θ₂／２））
   の式で求まる請求項３に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
5. 前記回避行動実行ステップは、前記音波競合が発生する２つの前記航走体グループに属する２台の前記水上航走体の少なくとも一方の前記音波ビームを送波する送波器の指向角を小さくすることを含む請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
6. 前記回避行動実行ステップは、前記音波競合が発生する２つの前記航走体グループに属する２台の前記水上航走体の少なくとも一方の前記音波ビームを送波する送波器の出力を小さくすることを含む請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
7. 前記回避行動実行ステップは、前記音波競合が発生する２つの前記航走体グループに属する２台の前記水上航走体の少なくとも一方の前記音波ビームを送波する送波器の送波方向を変更することを含む請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
8. 前記回避行動実行ステップでは、前記水上航走体が、組になる前記水中航走体との前記音響通信が所定の試行回数を超えた場合に、予め定めておいた再会合ポイントへ移動し、再び前記水中航走体を捕捉するまで前記再会合ポイントで待機する請求項１に記載の水中観測システムの音波競合排除方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の音波競合排除方法を実行する水中観測システムであって、
   前記複数の航走体グループに属する前記複数の水上航走体のそれぞれが、前記音波ビーム到達範囲取得ステップ、前記航行状態取得ステップ、前記深度取得ステップ、前記船間距離取得ステップ、前記重複状態判断ステップ、及び、前記回避行動判断ステップを実行し、前記回避行動判断ステップで、前記回避行動が必要と判断した場合に、前記回避行動実行ステップを実行するように構成されている水中観測システム。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の音波競合排除方法を実行する水中観測システムであって、
    前記複数の航走体グループに属する前記複数の水上航走体のうち１つ、または、基地局がマスター機として設定され、他の前記複数の水上航走体は前記マスター機からの指示を受けるスレーブ機として設定されており、
    前記マスター機が、前記音波ビーム到達範囲取得ステップ、前記航行状態取得ステップ、前記深度取得ステップ、前記船間距離取得ステップ、前記重複状態判断ステップ、及び、前記回避行動判断ステップを実行し、前記回避行動判断ステップで、前記回避行動が必要と判断した場合に、該水中航走体と組になる前記スレーブ機に前記回避行動実行ステップを実行させる指令を出力するように構成されている水中観測システム。
11. １つの水上航走体と、前記１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムであって、
    前記水上航走体のそれぞれは、
    自らが放射する音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態に基づいて、前記音波ビーム同士が重複して音波競合が発生する音波競合範囲が形成されている、または、前記音波競合範囲が形成される可能性があると判断した場合に、前記音波競合を排除するために、前記音波競合範囲を形成しないための回避行動の必要性を判断する演算部と、
    前記演算部が、前記回避行動が必要と判断した場合に、前記回避行動を実行する回避行動実行部とを備えていることを特徴とする水中観測システム。
12. 前記演算部は、
    前記水上航走体自らが放射する音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビームの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得部と、
    前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得部と、
    前記水上航走体自らが属する前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得部と、
    前記水上航走体自らと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得部と、
    前記音波ビーム到達範囲取得部で取得した前記音波ビームのそれぞれの前記到達範囲と、前記航行状態取得部で取得した前記航行状態と、前記深度取得部で取得した前記最深深度と、前記船間距離取得部で取得した前記船間距離とに基づいて、前記水上航走体自らが放射する音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態を判断する重複状態判断部と、
    前記重複状態判断部が判断した前記重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する回避行動判断部と、
    を備えている請求項１１に記載の水中観測システム。
13. １つの水上航走体と、前記１つの水上航走体と音響通信により通信可能であり、水中を自律航行する１以上の水中航走体とからなる複数の航走体グループを備えた水中観測システムであって、
    前記複数の航走体グループに属する前記複数の水上航走体のうち１つ、または、基地局がマスター機として設定され、他の前記複数の水上航走体は前記マスター機からの指示を受けるスレーブ機として設定されており、
    前記マスター機は、
    １つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態に基づいて、前記音波ビーム同士が重複して音波競合が発生する音波競合範囲が形成されている、または、前記音波競合範囲が形成される可能性があると判断した場合に、前記音波競合を排除するために、前記音波競合範囲を形成しないための回避行動の必要性を判断する演算部と、
    前記演算部が、前記回避行動が必要と判断した場合に、前記回避行動を実行するように前記スレーブ機に指示を行う回避行動実行部と、
    を備えていることを特徴とする水中観測システム。
14. 前記演算部は、
    前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体がそれぞれ水中に放射する複数の音波ビームのそれぞれの到達範囲を取得する音波ビーム到達範囲取得部と、
    前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体のそれぞれの航行状態を取得する航行状態取得部と、
    １つの前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１以上の水中航走体のうち、最も深い深度にある水中航走体の深度を最深深度として取得する深度取得部と、
    １つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体と、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体同士の船間距離を取得する船間距離取得部と、
    前記音波ビーム到達範囲取得部で取得した前記複数の音波ビームのそれぞれの前記到達範囲と、前記航行状態取得部で取得した前記航行状態と、前記深度取得部で取得した前記最深深度と、前記船間距離取得部で取得した前記船間距離とに基づいて、１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビームと、他の１つの前記航走体グループに含まれる前記１つの水上航走体が放射する音波ビーム同士の重複状態を判断する重複状態判断部と、
    前記重複状態判断部が判断した前記重複状態に基づいて、音波競合を排除するための回避行動の必要性を判断する回避行動判断部と、
    を備えている請求項１３に記載の水中観測システム。
15. 前記複数の航走体グループに属する複数の前記水上航走体には、予め優先順位が付けられており、
    前記回避行動実行部は、同時期に複数の前記スレーブ機に前記回避行動を実行させる必要がある場合に、前記優先順位の順に前記回避行動を実行するように前記複数のスレーブ機に前記指示を行う調停機能を有する請求項１３または１４に記載の水中観測システム。
    

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