JP7001730B2 - 潜水艇 - Google Patents

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Description

本発明は、水底に設けられた長尺の検査対象を検査する潜水艇に関する。
水底に敷設されたパイプラインなどの長尺の設備では、潜水艇を用いることで検査を効率的に行うことができる。検査を行う潜水艇は、検査ツールと、この検査ツールを任意の位置に位置させる可動アームとを有している（特許文献１参照）。検査ツールを検査対象に沿って移動させるには、潜水艇を航行させつつ検査ツールと検査対象の位置関係を検出し、その位置関係が一定となるように可動アームを制御すればよい。
特開２０１３－６７３５８号公報
しかしながら、上記の制御方法では、検査ツールと検査対象の位置ずれが生じる前に修正が行われることはなく、位置ずれが生じた後に修正が行われるため、検査対象に対する検査ツールの追従性が必ずしも良いとは言えない。
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、水底に設けられた長尺の検査対象を検査する潜水艇であって、検査対象に対する検査ツールの追従性が良好な潜水艇を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る潜水艇は、水底に設けられた長尺の検査対象を検査する潜水艇であって、艇体と、前記艇体を推進させる推進装置と、前記艇体の前方における前記検査対象の所在地点を順に検出してゆく前方センサと、検出された前記所在地点上を前記艇体が通過するように前記推進装置を制御する制御装置と、前記艇体のアーム基準点に取り付けられた可動アームと、前記可動アームに設けられ前記検査対象を検査する検査ツールと、前記艇体の位置、姿勢、及び、速度のうち少なくとも１つを含む測位情報を取得する測位装置と、を備え、前記制御装置は、前記測位装置が取得した前記測位情報に基づいて、所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定し、当該所定時間が経過するまでに前記アーム基準点と前記検査ツールとの位置関係が、推定した通過点と前記所在地点上の目標点との位置関係になるよう前記可動アームを制御する。
この構成によれば、検査ツールが所在地点上を通過する前に検査ツールの位置を適切に調整することができるため、検査対象に対する検査ツールの追従性が向上する。
上記の構成によれば、検査対象に対する検査ツールの追従性が良好な潜水艇を提供することができる。
図１は、潜水艇の側面図である。 図２は、潜水艇の制御系のブロック図である。 図３は、航行プログラムのフロー図である。 図４は、航行プログラムが実行されたときの潜水艇の動きを説明する図である。 図５は、追従プログラムのフロー図である。 図６は、追従プログラムが実行されたときの潜水艇の動きを説明する図である。
＜全体構造＞
以下、実施形態に係る潜水艇１００について説明する。はじめに、潜水艇１００の全体構造について説明する。図１は、潜水艇１００の側面図である。本実施形態に係る潜水艇１００は、水底に設けられた長尺の検査対象１０１を検査する。一例として、検査対象１０１は、パイプラインである。
図１に示すように、潜水艇１００は、艇体１０と、推進装置２０と、前方センサ３０と、可動アーム４０と、検査ツール５０と、測位装置６０と、を備えている。艇体１０は、潜水艇１００のベース部分であり、各種の機器が取り付けられている。
推進装置２０は、艇体１０を推進させる装置である。推進装置２０は、例えば艇体１０を前方へ移動させるための主推進用スラスタ、艇体１０を上下方向に移動させるための垂直スラスタ、艇体１０を左右方向に移動させるための水平スラスタなど、複数の推進器及び艇体１０の進路を変更する舵装置を含む。ただし、推進装置２０は、上記の構成に限定されず、例えば推力を発生させる方向を変更可能な首振り式のスラスタを有していてもよい。
前方センサ３０は、艇体１０の前方における検査対象１０１の所在地点（検査対象１０１の位置）を順に検出してゆく機器である。前方センサ３０による検出は、所定のサンプリング間隔（例えば、２０ｍｓ）で行われる。前方センサ３０は艇体１０に設けられており、艇体１０の推進中に検出を行う。本実施形態の前方センサ３０は、いわゆるマルチビームソーナである。ただし、前方センサ３０は、形状把握用レーザであってもよく、マルチビームソーナと形状把握用レーザの双方であってもよい。
可動アーム４０は、検査ツール５０を任意の位置に位置させるための機器である。可動アーム４０は、基端部が艇体１０に取り付けられており、先端部には検査ツール５０が設けられている。なお、艇体１０の可動アーム４０が取り付けられている部分を「アーム基準点」と称する。アーム基準点１１の位置は特に限定されないが、本実施形態のアーム基準点１１は艇体１０の後方部分であって、前方センサ３０よりも後方に位置している。可動アーム４０を制御することで、アーム基準点１１と検査ツール５０の位置関係を調整することができる。
可動アーム４０は、平行リンク４１と、平行リンク４１と艇体１０の間に位置する第１関節４２と、平行リンク４１と検査ツール５０の間に位置する第２関節４３とを有している。ただし、可動アーム４０は、上記の構成に限定されず、例えば複数の平行リンクを有していてもよい。また、可動アーム４０は、平行リンク４１に代えて、艇体１０や検査ツール５０との位置関係が制限されない連結部材を有していてもよい。
検査ツール５０は、検査対象１０１を検査するための機器である。本実施形態の検査ツール５０は、検査対象１０１を撮像する撮像用カメラ（例えばテレビカメラ）である。ただし、検査ツール５０は、撮像用カメラの代わりに又は撮像用カメラに加えて、例えばパイプラインの全長に亘って防食処置（例えば防食塗装）の劣化の程度を検査する防食検査器、及び、腐食の程度や損傷の有無を検査するためにパイプラインの肉厚を検査する肉厚検査器の一方又は双方を含んでもよい。
測位装置６０は、艇体１０の位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向位置）、姿勢（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りの角度）、及び、速度（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向速度、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸周りの角速度）を含む測位情報を取得する機器である。本実施形態の測位装置６０は、慣性航法装置（Inertial Navigation System；ＩＮＳ）であり、加速度センサとジャイロセンサを用いて測位情報を取得する。ただし、測位装置６０は、慣性航法装置以外の装置であってもよい。また、測位情報には、艇体１０の位置、姿勢、及び、速度のうち少なくとも１つが含まれていればよい。
＜制御系の構成＞
続いて、潜水艇１００の制御系の構成について説明する。図２は、潜水艇１００の制御系のブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係る潜水艇１００は制御装置７０を備えている。制御装置７０は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、及び、Ｉ／Ｏインターフェース等を有している。制御装置７０の不揮発性メモリには、後述する航行プログラム、追従プログラム、及び、各種データが保存されており、プロセッサが各プログラムに基づき揮発性メモリを用いて演算処理を行う。
制御装置７０は、前方センサ３０及び測位装置６０と電気的に接続されている。制御装置７０は、前方センサ３０から検査対象１０１の所在地点を取得することができ、測位装置６０から測位情報を取得することができる。さらに、制御装置７０は、推進装置２０及び可動アーム４０と電気的に接続されており、これらの機器に制御信号を送信して各機器を制御することができる。なお、本実施形態では、制御装置７０による検査対象１０１の所在地点及び測位情報を取得する時間間隔（以下、「更新間隔」と称する）は２０ｍｓであり、可動アーム４０に制御信号を出力する時間間隔（以下、「指令間隔」と称する）は２０ｍｓである。
＜航行プログラム＞
次に、制御装置７０が実行する航行プログラムについて説明する。航行プログラムは、艇体１０を検査対象１０１に沿って航行させるためのプログラムである。図３は、航行プログラムのフロー図である。図３に示すように、航行プログラムが開始されると、まず制御装置７０は検査対象１０１の所在地点を取得する（ステップＳ１）。所在地点は、前方センサ３０から取得することができる。図４は、航行プログラムが実行されたときの潜水艇１００の動きを説明する図である。ステップＳ１では、制御装置７０は、例えば、図４における符号Aで示す位置を所在地点として取得する（ここでは、所在地点を１つのみ取得する）。
続いて、制御装置７０は、艇体１０が所在地点上を通過するように推進装置２０を制御する（ステップＳ２）。本実施形態では、制御装置７０が取得した所在地点上に向かって艇体１０を推進させる。ステップＳ２では、制御装置７０は、例えば、図４における所在地点である符号Aで示す位置上に向かって艇体１０を推進させる（図４の白抜き矢印参照）。ステップＳ２を経た後は、ステップＳ１に戻って各ステップを繰り返す。これにより、艇体１０は、検査対象１０１に沿って移動することができる。
＜追従プログラム＞
次に、制御装置７０が実行する追従プログラムについて説明する。追従プログラムは、検査ツール５０を検査対象１０１に追従させるためのプログラムである。図５は、追従プログラムのフロー図である。追従プログラムは、上述した航行プログラムと並行して実行される。図５に示すように、追従プログラムが開始されると、まず、制御装置７０は測位情報（艇体１０の位置、姿勢、速度）を取得する（ステップＳ１１）。測位情報は、測位装置６０から取得することができる。
続いて、制御装置７０は、測位情報に基づいて、所定時間後（ここでは、２０ｍｓ後であるが、これに限定されない）におけるアーム基準点１１の通過点を推定する（ステップＳ１２）。図６は、追従プログラムが実行されたときの潜水艇１００の動きを説明する図である。ステップＳ１２では、制御装置７０は、例えば、図６における符号Ｂで示す位置を、所定時間後におけるアーム基準点１１の通過点として推定する。なお、図６における破線で示す潜水艇１００は、所定時間後における潜水艇１００の推定位置である。
ステップＳ１２において、所定時間後におけるアーム基準点１１の通過点は、艇体１０が最新の状態を維持したと仮定して推定する。つまり、測位装置６０が取得した艇体１０の位置、姿勢、及び、速度の最も新しいものを、それぞれ「最新の位置」、「最新の姿勢」、「最新の速度」とすると、艇体１０が最新の姿勢のままで最新の位置から最新の速度と同じ速度で所定時間移動すると仮定して所定時間後におけるアーム基準点１１の通過点を推定する。ただし、所定時間後におけるアーム基準点１１の通過点は、別の方法で推定してもよい。例えば、艇体１０の角速度を考慮せず、所定時間後におけるアーム基準点１１の通過点を推定してもよい。
続いて、制御装置７０は、検査対象１０１の所在地点を取得する（ステップＳ１３）。前述のとおり、検査対象１０１の所在地点は、前方センサ３０から取得することができる。ステップＳ１３では、制御装置７０は、例えば、図６における符号Ａで示した位置を所在地点として取得する。
続いて、制御装置７０は、前述の所定時間（２０ｍｓ）が経過するまでにアーム基準点１１と検査ツール５０との位置関係が、推定した通過点（Ｂ）と所在地点（Ａ）上の目標点との位置関係になるよう可動アーム４０を制御する（ステップＳ１４）。これにより、前述の所定時間が経過した時点において、検査ツール５０を所在地点上の目標点に位置させることができる。
なお、目標点は、検査対象１０１の上面に設定してもよく、検査対象１０１の上面から上方に所定距離離れた位置に設定してもよい。また、ステップＳ１４における所在地点は、制御装置７０が取得した最新の所在地点であってもよく、最新の所在地点以外の所在地点であってもよい。いずれの所在地点を選択するかは、所在地点の更新間隔、艇体１０の寸法、艇体１０の速度等による。
ステップＳ１４を経た後は、ステップＳ１１に戻って各ステップを繰り返す。これにより、検査ツール５０は、検査対象１０１上を移動することができる。しかも、本実施形態によれば、予め検査ツール５０を適切な位置に位置させることができるため、検査対象１０１に対する検査ツール５０の追従性が向上する。
＜変形例＞
以上では、検査対象１０１の所在地点の更新間隔、測位情報の更新間隔、可動アーム４０の指令間隔がいずれも同じであり（いずれも２０ｍｓ）、このときの追従プログラムについて説明した。ただし、測位情報の更新間隔及び可動アーム４０の指令間隔が、検査対象１０１の所在地点の更新間隔よりも短い場合には、後述する「仮想」所在地点を設定することで、検査対象１０１に対する検査ツール５０の追従性を向上させることができる。具体的には以下の通りである。
ここで、検査対象１０１の所在地点の更新間隔が２０ｍｓであり、測位情報の更新間隔及び可動アーム４０の指令間隔が５ｍｓであるとする。この場合、制御装置７０は、隣接する所在地点の間に３つの仮想所在地点を設定する。仮想所在地点は、隣接する２つの所在地点をつなぐ直線上に設定することができる。ただし、別の方法で仮想所在地点を設定してもよい。
続いて、制御装置７０は、測位情報を取得し、取得した測位情報に基づいて、所定時間後（ここでは、５ｍｓ後であるが、これに限定されない）におけるアーム基準点１１の通過点を推定する。さらに、制御装置７０は、上記の所定時間が経過するまでにアーム基準点１１と検査ツール５０との位置関係が、推定した通過点と仮想所在地点上（又は所在地点上）の目標点との位置関係になるよう可動アーム４０を制御する。以上のステップを繰り返せば、検査ツール５０は、検査対象１０１上を移動することができる。この制御方法によれば、検査ツール５０の位置をより細かく調整することができる結果、検査対象１０１に対する検査ツール５０の追従性が向上する。
＜作用効果＞
本実施形態に係る潜水艇は、水底に設けられた長尺の検査対象を検査する潜水艇であって、艇体と、前記艇体を推進させる推進装置と、前記艇体の前方における前記検査対象の所在地点を順に検出してゆく前方センサと、検出された前記所在地点上を前記艇体が通過するように前記推進装置を制御する制御装置と、前記艇体のアーム基準点に取り付けられた可動アームと、前記可動アームに設けられ前記検査対象を検査する検査ツールと、前記艇体の位置、姿勢、及び、速度のうち少なくとも１つを含む測位情報を取得する測位装置と、を備え、前記制御装置は、前記測位装置が取得した前記測位情報に基づいて、所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定し、当該所定時間が経過するまでに前記アーム基準点と前記検査ツールとの位置関係が、推定した通過点と前記所在地点上の目標点との位置関係になるよう前記可動アームを制御する。
この構成では、検査ツールが所在地点上を通過する前に検査ツールの位置を適切に調整することができるため、検査対象に対する検査ツールの追従性が向上する。
また、本実施形態に係る潜水艇では、前記制御装置は、前記測位装置から前記艇体の最新の位置、最新の姿勢、及び、最新の速度を取得し、前記艇体が最新の姿勢のままで最新の位置から最新の速度と同じ速度で所定時間移動すると仮定して所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定する。
この構成によれば、所定時間後におけるアーム基準点の通過点を容易に推定することができる。
また、本実施形態の変形例に係る潜水艇では、前記制御装置は、隣接する２つの所在地点の間に仮想所在地点を設定し、前記測位装置が取得した前記測位情報に基づいて、所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定し、当該所定時間が経過するまでに前記アーム基準点と前記検査ツールとの位置関係が、推定した通過点と前記仮想所在地点上の目標点との位置関係になるよう前記可動アームを制御する。
この構成によれば、測位情報の更新間隔及び可動アームの指令間隔が、検査対象の所在地点の更新間隔よりも短い場合、検査対象に対する検査ツールの追従性を向上させることができる。
また、本実施形態の変形例に係る潜水艇では、前記制御装置は、隣接する２つの所在地点をつなぐ直線上に前記仮想所在地点を設定する。
この構成によれば、仮想所在地点を容易に設定することができる。
１０ 艇体
２０ 推進装置
３０ 前方センサ
４０ 可動アーム
５０ 検査ツール
６０ 測位装置
７０ 制御装置
１００ 潜水艇
１０１ 検査対象

Claims (4)

  1. 水底に設けられた長尺の検査対象を検査する潜水艇であって、
    艇体と、
    前記艇体を推進させる推進装置と、
    前記艇体の前方における前記検査対象の所在地点を順に検出してゆく前方センサと、
    検出された前記所在地点上を前記艇体が通過するように前記推進装置を制御する制御装置と、
    前記艇体のアーム基準点に取り付けられた可動アームと、
    前記可動アームに設けられ前記検査対象を検査する検査ツールと、
    前記艇体の前記アーム基準点とは異なる位置に設けられ、前記艇体の位置、姿勢、及び、速度のうち少なくとも１つを含む測位情報を取得する測位装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記測位装置が取得した前記測位情報に基づいて、所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定し、当該所定時間が経過するまでに前記アーム基準点と前記検査ツールとの位置関係が、推定した通過点と前記所在地点上の目標点との位置関係になるよう前記可動アームを制御する、潜水艇。
  2. 前記制御装置は、前記測位装置から前記艇体の最新の位置、最新の姿勢、及び、最新の速度を取得し、前記艇体が最新の姿勢のままで最新の位置から最新の速度と同じ速度で所定時間移動すると仮定して所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定する、請求項１に記載の潜水艇。
  3. 前記制御装置は、隣接する２つの所在地点の間に仮想所在地点を設定し、前記測位装置が取得した前記測位情報に基づいて、所定時間後における前記アーム基準点の通過点を推定し、当該所定時間が経過するまでに前記アーム基準点と前記検査ツールとの位置関係が、推定した通過点と前記仮想所在地点上の目標点との位置関係になるよう前記可動アームを制御する、請求項１又は２に記載の潜水艇。
  4. 前記制御装置は、隣接する２つの所在地点をつなぐ直線上に前記仮想所在地点を設定する、請求項３に記載の潜水艇。
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INZARTSEV, Alexander et al.，Underwater pipeline inspection method for AUV based on laser line recognition: simulation results，2019 IEEE Underwater Technology (UT)，米国，IEEE，2019年04月16日，DOI:10.1109/UT.2019.8734387，ISBN 978-1-5386-4188-0(Electronic), 978-1-5386-4189-7(PoD), ISSN 2573-3796(Electronic), 2573-3788(Po

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