JP6983063B2 - 位置測定システム、および、位置測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置測定システム、および、位置測定方法に関する。

タンクやプールなどの陸上または海上に設置されている構造物の壁面の板厚測定や溶接線の健全性検査を、内部に満たされた液体中（水中）において行う水中作業装置が存在する。プール内に堆積物などが存在する場合は、水中作業装置の移動に伴い、堆積物が舞い上がって液体が濁ってしまう。よって、濁った液体では光が遮断されてしまうため、光学カメラやレーザなどによる気中で用いられる一般的な位置計測手法を、水中でもそのまま用いることは困難である。
このような場合は、光よりも波長が長く、液体中での透過性がよい超音波による計測が有効であり、海中での港湾工事等においては超音波による作業装置の位置計測が行われている。

特許文献１には、水面上の支援船に超音波送信器を搭載し、水中作業装置に超音波受信器を搭載し、３点の位置計測を行う位置計測システムが記載されている。これにより、作業装置の位置を計測することができる。

特許文献２には、水面上の支援船の船底外板に海底に向けて超音波を送信する超音波ソナーを搭載し、水中作業装置上に反射板を設置するための指示構造物を設置し、その構造物上の２か所に反射板を設置する位置計測システムが記載されている。この反射板の形状は、上凹球面の複数の反射面を有する。反射板の径は超音波の広がり以上であり、上下方向に超音波の距離分解能以上の段差が設けられている。

特開２０１３−２３８９２号公報 特開平０７−０６２６８４号公報

水中作業装置の本体表面に反射板を設けることにより、測定信号の超音波をあまり減衰させずに、超音波ソナーの方向に適切に反射できる。これにより、反射板が存在する水中作業装置を、その他の岩などの構造物と区別して、位置を検出しやすくできる。
ここで、水中作業装置が行う各種検査では、現在どの位置に水中作業装置が存在しているかを特定するだけでは不充分なこともある。例えば、水中作業装置に付されたカメラが前面を撮影し、その撮影画像を検査員に遠隔送信するような場合では、どの位置から撮影されたか、だけでなく、どの方向に向けて撮影されたかを検査員に把握させることが重要である。

しかし、従来の技術では、水中作業装置の位置データの精度向上のための工夫は言及があるが、水中作業装置の姿勢データを高精度に検知するための工夫は考慮されていない。さらに、水中作業装置が探索する構造物の空間は、障害物などで通路が狭くなっていることもあり、水中作業装置を物理的にあまり大型化できないという制約もある。

そこで、本発明は、水中作業装置の大型化を抑えつつ、位置姿勢データを高精度に求めることを、主な課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の位置測定システムは、以下の特徴を有する。
本発明は、本体と移動手段とを有し、本体よりも所定の高さだけ高い位置に固定させた超音波を反射する反射体を、本体の位置および姿勢を認識可能となるように設けた水中作業装置と、
３次元の方位分解能を有する超音波センサが入射した超音波ビームへの反射波を受信し、前記超音波センサの高さから反射波の反射位置までの深さが、前記超音波センサの高さから、前記本体の高さと前記所定の高さとを減じた箇所に位置する前記反射体の下部までの深さから前記反射体の上部までの深さの範囲内であるときに、その反射波を前記反射体に反射したものと識別する反射体識別部と、
前記反射体識別部が前記反射体に反射したと識別した各反射波から各前記反射体の位置を求めるとともに、求められた各前記反射体の位置から前記水中作業装置の位置データおよび姿勢データを求める位置算出部と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、水中作業装置の大型化を抑えつつ、位置姿勢データを高精度に求めることができる。

本発明の一実施形態に関する水中作業装置の位置測定システムの全体構成図である。 本発明の一実施形態に関する超音波送受信機の構成図である。 本発明の一実施形態に関する位置測定システムのＸＹ平面図である。 本発明の一実施形態に関する位置測定システムの側面図である。 本発明の一実施形態に関する位置測定システムの側面図である。 本発明の一実施形態に関する超音波ビームの信号強度と、反射体の大きさとの関係を示す側面図である。 本発明の一実施形態に関する図６の側面図において、反射体近傍の拡大図である。 本発明の一実施形態に関する波形生成部が生成する波形データを示すグラフである。 本発明の一実施形態に関する反射体の姿勢検出処理を示す平面図である。 本発明の一実施形態に関する反射体の追跡処理を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、水中作業装置の位置測定システムの全体構成図である。
水中作業装置２は、プール１のプール床面８を走行しながら検査を行う。以下、３次元の俯瞰図における座標系として、水中作業装置２の進行方向をＹ軸とし、水中作業装置２の側面方向をＸ軸とし、プール１の高さ方向をＺ軸とする。

水中作業装置２は、地上部の制御装置（図示省略）から有線通信または無線通信により、遠隔制御される。水中作業装置２の検査手段は、例えば、タンクやプール１の壁面の板厚測定や溶接線の健全性を検査するための図示しない超音波センサや渦電流センサである。水中作業装置２の移動手段は、例えば、モータにより駆動される左右１対の走行車輪を装置の前後備える手段、または、左右１対のクローラであるが、特に限定されるものではない。

水中作業装置２の本体よりも所定の高さだけ高い位置には、本体の位置および姿勢を認識可能となるように、超音波を反射する反射体９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ）が設置されている。任意の方向からの入射波を確実に反射できるようにするため、反射体９の形状は球体とすることが望ましい。
なお、各反射体９は本体の位置および姿勢を認識可能となるように構成すればよく、例えば、反射体９の個数は、ＸＹ平面上の互いに異なる位置に少なくとも３個設置することが望ましい。また、各反射体９の位置を互いに距離を大きく空けておくことにより、水中作業装置２の姿勢検出の精度が高まる。

超音波センサ３は、入射した超音波ビームを反射体９に反射させることで（図示の破線矢印）、各反射体９の位置を測定する。超音波センサ３には、振動子を２次元に配列したマトリクスアレイや１次元アレイを２個直交させた十字またはＴ字型のアレイセンサを使用する。この超音波センサ３は、図２で後記するセンサ送信部１２からの信号に基づいて超音波ビームを送信し、受信した反射波に基づく信号を後記するセンサ受信部１４に送信する。
超音波センサ３は３次元の方位分解能を有するので、各反射体９の３次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）位置を測定することができる。なお、超音波センサ３の設置位置について、図１ではプール１の上部に例示したが、水面による反射を抑制してプール１内の水中の物体を探るために、一般的にはプール１の内部（水中）に設置される。

超音波センサ駆動部４には、超音波センサ３が取り付けられている。超音波センサ３と超音波センサ駆動部４とは、ケーブル５を介して超音波送受信機６に接続されている。
モニタ７は、水中作業装置２の検査手段による波形データなどの検査結果データや、測定された各反射体９の位置をもとにした水中作業装置２の位置姿勢データなどを表示する。

図２は、超音波送受信機６の構成図である。超音波送受信機６は、駆動信号生成部１１と、センサ送信部１２と、送信信号生成部１３と、センサ受信部１４と、波形生成部１５と、センサ位置算出部１６と、反射体識別部１７と、位置算出部１８と、位置記憶部１８とを有する。
超音波送受信機６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、ハードディスクなどの記憶手段（記憶部）と、ネットワークインタフェースとを有するコンピュータとして構成される。
このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラム（アプリケーションや、その略のアプリとも呼ばれる）を実行することにより、各処理部により構成される制御部（制御手段）を動作させる。

駆動信号生成部１１は、超音波センサ駆動部４の指令信号を送信する。センサ送信部１２は、超音波センサ３の各振動子にパルス信号を送信することで、振動子を振動させて超音波ビームを送信する。
送信信号生成部１３は、超音波ビームの送信パターンを決定する。センサ受信部１４は、超音波センサ３の各振動子が受信した信号（振動子の振動に基づくアナログの電気信号）を、デジタル信号に変換する。
波形生成部１５は、センサ受信部１４からのデジタル信号と、送信信号生成部１３からの送信パターンとをもとに、波形データを生成する。つまり、生成される波形データには、送信信号生成部１３からの送信パターンが加算されている。

センサ位置算出部１６は、超音波センサ３の設定情報として、超音波センサ３の配置に基づく図４の高さＺｃ、俯角θｖなどを算出したりまたは入力を受け付けたりする。
反射体識別部１７は、波形生成部１５の波形データから超音波センサ３の反射波の反射位置を測定することで、反射体９からの反射波と、その他の物体からの反射波とを識別する。
位置算出部１８は、反射体識別部１７が抽出した反射体９の反射波をもとに、反射体９の位置を算出する。そして、位置算出部１８は、算出した各反射体９の位置から、水中作業装置２の位置姿勢データを算出する。算出した位置姿勢データは、モニタ７を介して表示される。
位置記憶部１９は、位置算出部１８の算出結果を記憶する。

図３は、位置測定システムのＸＹ平面図である。
超音波センサ３から反射体９Ａに向かう入射波３０Ａは、Ｙ軸に対して左周り側に方位角θｈ１で送信される。
超音波センサ３から反射体９Ｂに向かう入射波３０Ｂは、Ｙ軸に対して右周り側に方位角θｈ２で送信される。
超音波センサ３から反射体９Ｃに向かう入射波３０Ｃは、Ｙ軸に対して右周り側に方位角θｈ３で送信される。

図４は、位置測定システムの側面図である。この側面図は、反射体９Ｃを通過する入射波３０Ｃの方位角（図３のθｈ３）を横軸とし、高さ方向のＺ軸を縦軸とする。
俯角θｖは、超音波センサ３が水中作業装置２の位置を走査するために、プール床面８に向けて超音波ビームを入射する設定角度である。
監視位置の高さＺｃは、プール床面８から超音波センサ３の表面中心からまでのＺ軸距離である。センサ位置算出部１６は、超音波センサ３の俯角θｖを鉛直下向きに設定してから超音波ビームをプール床面８に当てることで、高さＺｃを求める。

以下、超音波センサ３からの超音波ビームが様々な送信角θｖ１〜θｖ３により、様々な物体に反射する旨を説明する。
まず、送信角θｖ３の入射波３１Ｃは反射体９Ｃに当たるので、反射波は超音波センサ３に向かって帰ってくる。よって、その反射波を超音波センサ３が受信することで、反射体９Ｃの位置を求めることができる。
一方、送信角θｖ２の入射波３２Ｃは水中作業装置２の筐体に当たるので、その反射波は反射体９の位置を求めるときにはノイズとなる。送信角θｖ１の入射波３３Ｃはプール床面８に当たるので、その反射波も反射体９の位置を求めるときにはノイズとなる。

なお、以下の説明のために、水中作業装置２筐体の高さをｈとし、その筐体上部から反射体９下部までの反射体支持部の長さｇとする。ここで、反射体支持部とは、例えば、反射体９を下方から支える棒状の部材であり、反射体支持部自体は超音波ビームをなるべく反射しないように、体積を小さくしたり、反射しづらい素材で構成したりすることが望ましい。

図５は、位置測定システムの側面図である。
反射体識別部１７は、以下の式により、超音波センサ３の反射波の反射位置のＺ軸高さを測定することができる。
（反射波の反射位置のＺ軸高さ）＝（反射波の伝搬時間）×（液体の音速）×ｃｏｓ（超音波ビームの送受信方位θｖ２）
この反射位置のＺ軸高さが、反射体９が存在する深さＺｄ〜深さＺｕまでの範囲内であるときには、その反射波は反射体９からの反射であるとみなすことができる。
超音波センサ３からプール床面８までの高さ（深さ）Ｚｃは、前記したように、センサ位置算出部１６によって取得される。
超音波センサ３から反射体９下部までの深さＺｄは、（深さＺｃ）−（水中作業装置２筐体の高さｈ）−（反射体支持部の長さｇ）である。
超音波センサ３から反射体９上部までの深さＺｕは、（深さＺｃ）−（水中作業装置２筐体の高さｈ）−（反射体支持部の長さｇ）−（反射体９の直径φ）である。

まず、位置Ｒ１のように、反射波の反射位置が深さＺｄよりも深い（プール床面８から低い）場合には、その反射波は水中作業装置２の筐体やプール床面８からの反射であるとみなすことができるので、反射体識別部１７は、その反射波を不採用とする。
次に、位置Ｒ２のように、反射波の反射位置が、深さＺｄ〜深さＺｕまでの範囲内であるときには、反射体識別部１７は、水中作業装置２の位置姿勢の特定用データとして採用する。
さらに、位置Ｒ３のように、反射波の反射位置が深さＺｕよりも浅い（プール床面８から高い）場合には、その反射波は構造物の配管などからの反射であるとみなすことができるので、反射体識別部１７は、その反射波を不採用とする。

図６は、超音波ビームの信号強度と、反射体９の大きさとの関係を示す側面図である。
反射体９に向けて送信される超音波ビームは、その信号強度が最も強い中心音軸４２から遠ざかるほど、信号強度が減衰していく。図６では、中心音軸４２の信号強度（基準強度）に対して１／２倍の信号強度となる周辺音軸４１，４３を併記している。

図７は、図６の側面図において、反射体９近傍の拡大図である。
基準強度に対して１／２倍以上の信号強度である周辺音軸４１，４３間の幅を「音波到達幅ｗ」とする。つまり、音波到達幅ｗの範囲内に反射体９が存在していると、反射体９からの反射波の信号強度も充分に強いので、その反射波を超音波センサ３が検知できる。

ここで、図５で説明したように、反射体支持部の長さｇや反射体９の直径φは、水中作業装置２と反射体９とを区別する精度を決定する重要なパラメータであるので、以下の範囲になるようにすることが望ましい。
・反射体支持部の長さｇ（所定の高さ）の下限は、音波到達幅ｗとすることが望ましい。これにより、水中作業装置２と反射体９とが接近しすぎて、水中作業装置２本体からの反射波と、反射体９からの反射波とを超音波センサ３が混同することを抑制できる。
・反射体支持部の長さｇの上限は、反射体９の直径φの３倍とすることが望ましい。これにより、水中作業装置２と反射体９とが離れすぎることで、堆積物などが存在する構造物の内部が狭い空間を走行中に反射体９が障害物に衝突することを抑制できる。つまり、水中作業装置２と反射体９とを一体とみなしたときの大きさを小型化できる。
・反射体９の直径φの下限は、音波到達幅ｗとすることが望ましい。これにより、反射体９自体が小さすぎることで、入射波を反射できる範囲が狭くなりすぎることを抑制し、入射波を適切に反射できる。

図８は、波形生成部１５が生成する送信角度θｖ２における波形データを示すグラフである。横軸は超音波を送信してから受信するまでの時間、縦軸は信号強度である。反射体識別部１７は、信号強度が設定したしきい値（at）以上の場合に、反射波と判定する。

図９は、反射体９の姿勢検出処理を示す平面図である。
位置算出部１８は、反射体識別部１７が抽出した反射体９の反射波をもとに、超音波ビームの送信角度（図３のθh１〜θh３，図４のθv１〜θv３）を用いて、反射体９の位置を算出する。
例えば、水中作業装置２の本体が同じ位置に存在していたとしても、符号１０１のように下向きの位置姿勢であることもあるし、符号１０２のように左向きの位置姿勢であることもある。よって、位置算出部１８は、例えば、「反射体９Ａ，９Ｂを結ぶ線分が水中作業装置２の本体前面で、反射体９Ｂ，９Ｃを結ぶ線分が水中作業装置２の本体左側面である」などの本体に対応する各反射体９の位置関係をあらかじめ記憶しておく。そして、位置算出部１８は、記憶された位置関係を参照して、超音波ビームで検出された少なくとも３つの反射体９の位置データから、水中作業装置２のプール床面８に対する位置姿勢を特定する。

図１０は、反射体９の追跡処理を示す平面図である。
例えば、１秒前の反射体９Ａ１の位置が、現在は反射体９Ａ２の位置に移動したとする。同様に、反射体９Ｂ１→９Ｂ２に移動し、反射体９Ｃ１→９Ｃ２に移動したとする。
位置算出部１８は、初期設定時に識別した各反射体９の位置を移動時に逐次追跡してもよい。この追跡処理の結果は、例えば、モニタ７に表示する水中作業装置２の位置に、移動軌跡線として表示してもよい。
または、追跡処理の結果は、受信した反射波の集合から反射体識別部１７が反射体９の反射波を絞り込むときに活用してもよい。例えば、１秒前の（直前の）位置から現在の位置までの移動量が所定距離（例えば１００ｍ以上）以上長くなるような現在の位置情報を、位置算出部１８はノイズとみなしてもよい。

以上説明した本実施形態では、超音波センサ３を用いる検出対象の装置として、水中作業装置２の本体から長さｇの反射体支持部により距離を空けて反射体９を固定するように構成した。
これにより、超音波センサ３は、水中作業装置２の本体からの反射波と、反射体９からの反射波とを、反射位置の高さの違いにより容易に区別することができる。よって、水中作業装置２の本体位置だけを大まかに検出するだけでは不充分で、その本体位置からの姿勢データも高精度に検出する必要があるような検査作業においても、超音波送受信機６は、適切に水中作業装置２の位置姿勢データを求めることができる。

以下、従来技術との比較を行う。従来技術では、水中作業装置そのものを大型化して位置検出を行うような構成であるため、堆積物などが存在する構造物の内部が狭い空間を検査するような本実施形態の目的には適合しない。
例えば、特許文献１の構成では、水中作業装置に対して、壁面の板厚測定や溶接線の健全性検査などの水中作業の目的とは異なる超音波受信器を搭載してしまうことで、水中作業装置が大型化してしまう。
特許文献２の構成では、水中作業装置が大型化してしまい、絶えず超音波ソナーと作業装置が上下に配置される必要があるため、構造物の内部が狭い空間である場合は水中移動が困難になってしまう。
一方、本実施形態では、反射体支持部を介して水中作業装置２と反射体９との距離を空けることで、反射体９の検出精度を向上させつつ、水中作業装置２の大型化を抑制できる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線ＬＡＮに限定せず、有線ＬＡＮやその他の通信手段に変更してもよい。
また、プール１は陸上でも海上でも設置される場所は問わない。さらに、超音波センサ３や超音波センサ駆動部４を制御する装置である超音波送受信機６の設置場所も問わない。

１ プール
２ 水中作業装置
３ 超音波センサ
４ 超音波センサ駆動部
５ ケーブル
６ 超音波送受信機
７ モニタ
８ プール床面
９ 反射体
１１ 駆動信号生成部
１２ センサ送信部
１３ 送信信号生成部
１４ センサ受信部
１５ 波形生成部
１６ センサ位置算出部
１７ 反射体識別部
１８ 位置算出部
１９ 位置記憶部

Claims (7)

1. 本体と移動手段とを有し、本体よりも所定の高さだけ高い位置に固定させた超音波を反射する反射体を、本体の位置および姿勢を認識可能となるように設けた水中作業装置と、
   ３次元の方位分解能を有する超音波センサが入射した超音波ビームへの反射波を受信し、前記超音波センサの高さから反射波の反射位置までの深さが、前記超音波センサの高さから、前記本体の高さと前記所定の高さとを減じた箇所に位置する前記反射体の下部までの深さから前記反射体の上部までの深さの範囲内であるときに、その反射波を前記反射体に反射したものと識別する反射体識別部と、
   前記反射体識別部が前記反射体に反射したと識別した各反射波から各前記反射体の位置を求めるとともに、求められた各前記反射体の位置から前記水中作業装置の位置データおよび姿勢データを求める位置算出部と、を有することを特徴とする
   位置測定システム。
2. 前記水中作業装置の本体の位置および姿勢を認識可能となるように設けた反射体は、ＸＹ平面上の互いに異なる３箇所以上に設けた球体であることを特徴とする
   請求項１に記載の位置測定システム。
3. 前記水中作業装置は、前記所定の高さとして、前記入射した超音波ビームの中心音軸における信号強度に対して、１／２倍の信号強度に減衰する周辺音軸間の幅よりも長く設けることを特徴とする
   請求項１に記載の位置測定システム。
4. 前記水中作業装置は、前記所定の高さとして、前記反射体の直径の３倍の長さよりも短く設けることを特徴とする
   請求項１に記載の位置測定システム。
5. 前記水中作業装置は、前記反射体の直径として、前記入射した超音波ビームの中心音軸における信号強度に対して、１／２倍の信号強度に減衰する周辺音軸間の幅よりも長く設けることを特徴とする
   請求項１に記載の位置測定システム。
6. 位置測定システムは、移動手段を有する水中作業装置と、反射体識別部と、位置算出部と、を有しており、
   前記水中作業装置には、本体よりも所定の高さだけ高い位置に固定させた超音波を反射する反射体が、本体の位置および姿勢を認識可能となるように設けられており、
   前記反射体識別部は、３次元の方位分解能を有する超音波センサが入射した超音波ビームへの反射波を受信し、前記超音波センサの高さから反射波の反射位置までの深さが、前記超音波センサの高さから、前記本体の高さと前記所定の高さとを減じた箇所に位置する前記反射体の下部までの深さから前記反射体の上部までの深さの範囲内であるときに、その反射波を前記反射体に反射したものと識別し、
   前記位置算出部は、前記反射体識別部が前記反射体に反射したと識別した各反射波から各前記反射体の位置を求めるとともに、求められた各前記反射体の位置から前記水中作業装置の位置データおよび姿勢データを求めることを特徴とする
   位置測定方法。
7. 前記水中作業装置の本体の位置および姿勢を認識可能となるように設けた反射体は、ＸＹ平面上の互いに異なる３箇所以上に設けた球体であることを特徴とする
   請求項６に記載の位置測定方法。

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