JP7431443B2 - Underwater observation system and underwater observation method - Google Patents
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Description
本発明は、水中を観測する水中観測システムに関し、特に水中基地局を中心に電力ケーブルで水中推進装置を拘束しながら観測を行う水中観測システム等に関する。 The present invention relates to an underwater observation system for observing underwater, and more particularly to an underwater observation system that performs observation while restraining an underwater propulsion device with a power cable centered around an underwater base station.
国内の排他的経済水域内には、熱水鉱床などの鉱物資源、メタンハイドレートなどのエネルギー資源、魚類などの生物資源が豊富に存在していることが知られおり、陸上資源が枯渇する中、早急な海洋資源の開発が望まれている。これらの海洋資源を持続的に利用するためには、資源の賦存量や分布を調査するだけではなく、資源生成や減少のメカニズムを正しく把握する必要があるが、いまだ解明されていない資源の方が多い。その問題の原因の一つとして、海洋資源や周辺環境の経時的な変化を時系列データで計測できていないことが挙げられる。 It is known that Japan's exclusive economic zone is rich in mineral resources such as hydrothermal mineral deposits, energy resources such as methane hydrate, and biological resources such as fish. , there is an urgent need for the development of marine resources. In order to use these marine resources sustainably, it is necessary not only to investigate the abundance and distribution of the resources, but also to correctly understand the mechanisms of resource generation and depletion. There are many. One of the causes of this problem is the inability to measure changes in marine resources and the surrounding environment over time using time-series data.
海底調査方法の1つとして、フリーフォール型無人探査機のように海底に留まり定点カメラで周囲を撮影する技術が知られている(例えば、非特許文献1を参照)。この技術を用いることで数日から数か月に渡って対象を観測することが可能となるが、観測範囲(2~3m2)が非常に狭く局所的な変化しか観測できないため資源の長期観測には不向きである。 BACKGROUND ART As one method for investigating the seabed, a technique is known in which a free-fall type unmanned probe remains on the seabed and photographs the surrounding area with a fixed-point camera (for example, see Non-Patent Document 1). Using this technology, it is possible to observe objects over a period of several days to several months, but since the observation range (2 to 3 m 2 ) is very narrow and only local changes can be observed, long-term observation of resources is not possible. It is not suitable for
一方、他の海底調査方法として自立型海中ロボット(Autonomous Underwater Vehicle: AUV)が知られている(例えば、非特許文献2、3を参照)。このAUVは、低高度(すなわち高解像度)で広範囲(音響計測で10km2,画像観測で1000m2)に渡って資源を計測することが可能である。しかしながら、自己完結型であるAUVはスペースや電力に制約があり、予期せぬトラブルによって自動航行が停止する可能性があるため、調査海域までの運搬や展開・回収には支援船が必要不可欠である。支援船を必要とする既存のAUVは調査コストが高く、AUVを用いた海底調査は頻繁に行われていないため、季節変動による環境の変化といった長期間の時系列データは不足している。そこで、長期間の観測を実現するために海底に基地局となる海底ステーションを設置し、AUVのバッテリ充電やデータ転送を実施するシステムの開発が行われている(例えば、非特許文献4を参照)。海底ステーションによりAUVを充電することで長期間の海底観測を行うことが可能となっている。 On the other hand, autonomous underwater robots (Autonomous Underwater Vehicles: AUV) are known as other methods of seabed investigation (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). This AUV is capable of measuring resources over a wide area (10 km 2 for acoustic measurement, 1000 m 2 for image observation) at low altitude (that is, high resolution). However, since AUVs are self-contained, they have space and power limitations, and unforeseen problems may cause automatic navigation to stop, so a support vessel is essential for transportation to the survey area, deployment, and recovery. be. Existing AUVs, which require support vessels, are expensive to survey, and seabed surveys using AUVs are not carried out frequently, so long-term time-series data on changes in the environment due to seasonal fluctuations is lacking. Therefore, in order to realize long-term observation, a system is being developed that installs an undersea station that serves as a base station on the ocean floor, and performs battery charging and data transfer of AUV (for example, see Non-Patent Document 4). ). By charging the AUV with an undersea station, it is possible to conduct long-term undersea observations.
また、上記に技術に関連して特許文献1、2に示すような技術も開示されている。特許文献1に示す技術は、大深度の海域を長期にわたって観測するに当たり、水中基地の小型化が可能である海底探査装置に関するものであり、海底に設置され、かつ、探査機器を装備した水中基地と、発信器及び動力源を装備した動力ステーションと、前記水中基地と前記動力ステーションの動力源とを連結するケーブルと、前記動力ステーションの動力源に動力を補給する動力補給用の自律型無人航走体とから構成するものである。 In addition, related to the above-mentioned techniques, techniques as shown in Patent Documents 1 and 2 are also disclosed. The technology disclosed in Patent Document 1 relates to an underwater exploration device that enables miniaturization of an underwater base for long-term observation of deep sea areas, and is an underwater base installed on the seabed and equipped with exploration equipment. a power station equipped with a transmitter and a power source; a cable connecting the underwater base and the power source of the power station; and an autonomous unmanned vehicle for replenishing power to the power source of the power station. It consists of a running body.
特許文献2に示す技術は、自律型無人航走体が容易に出入りできる水中ステーションを用いた海底探査方式に関するものであり、母船から下げた水中ステーションと、海底の第2トランスポンダと、第3トランスポンダ及び第3受波器を有する自律型無人航走体とから成り、水中ステーションは、収納部と、動力源格納部と、第1トランスポンダと、第1,第2の受波器と、複数のスラスタとを有し、第2トランスポンダの信号を航走体の第3受波器で受信して航走体を制御すると共に第1受波器で受信して水中ステーションのスラスタを制御し、航走体の第3トランスポンダの信号を水中ステーションの第2受波器により受信してスラスタの制御を補正するものである。 The technology disclosed in Patent Document 2 relates to a seabed exploration method using an underwater station from which an autonomous unmanned vehicle can easily enter and exit, and includes an underwater station lowered from a mother ship, a second transponder on the seabed, and a third transponder. and an autonomous unmanned vehicle having a third receiver, and the underwater station includes a storage section, a power source storage section, a first transponder, first and second receivers, and a plurality of transponders. The signal from the second transponder is received by the third receiver of the vehicle to control the vehicle, and the signal is received by the first receiver to control the thruster of the underwater station. The signal from the third transponder of the moving body is received by the second receiver of the underwater station to correct the control of the thruster.
上述したような従来技術においては、海底ステーションによりAUVを充電することで長期間の海底観測を行うことは可能であるが、自己位置推定、軌道計画、位置制御といった高度な処理や制御を行う必要があり、潮流などの周辺環境の変化によってドッキングに失敗したり、また海底やステーションに接触し機器を故障してしまうといったリスクが生じやすい。また、ケーブルが繋がっていない自走式のAUVは、機器の故障や電力がなくなった場合にその地点に留まることができず紛失する危険性があり、AUVによる長期間観測は非常にリスクが高い手法となってしまう。 With the conventional technology described above, it is possible to perform long-term seafloor observation by charging the AUV with a submarine station, but it is necessary to perform advanced processing and control such as self-position estimation, trajectory planning, and position control. There is a risk of docking failure due to changes in the surrounding environment such as tidal currents, or equipment failure due to contact with the seabed or station. In addition, self-propelled AUVs that are not connected to cables are unable to stay at the same location in the event of equipment failure or power outage and are at risk of being lost, making long-term observation using AUVs extremely risky. It becomes a method.
さらに、観測地点からステーションが設置された地点に帰還するためには高精度なナビゲーションが必要で、慣性航法装置(INS:Inertial Navigation System)やドップラー式対地速度計(DVL:Dopplar Velocity Log)などの数百万~数千万円の高価なセンサをAUVに搭載する必要があり開発コストが非常に高くなってしまう。 Furthermore, in order to return from the observation point to the location where the station was installed, highly accurate navigation is required, such as the Inertial Navigation System (INS) and Doppler Velocity Log (DVL). It is necessary to mount an expensive sensor costing several million to tens of millions of yen on the AUV, resulting in extremely high development costs.
本発明は、自己位置推定、軌道計画、位置制御といったAUVに必要不可欠なプロセスを行うことなく、推力の制御だけで低リスク(紛失するリスクが少なく、紛失しても開発コストの損害を最小限に抑えられる)且つ広範囲に渡り水中を長期間観測することを可能とする水中観測装置及び水中観測方法を提供する。 The present invention does not perform processes essential for AUV such as self-position estimation, trajectory planning, and position control, and only controls thrust at a low risk (low risk of loss, and even if lost, development costs are minimized). To provide an underwater observation device and an underwater observation method that enable long-term underwater observation over a wide range.
本願に係る水中観測システムは、水中を推進しながらセンサからの情報を収集する水中推進装置と、水底に固定して立設され、前記水中推進装置が駆動するための電力を供給する電力供給手段を含む水中基地局と、前記水中推進装置と前記電力供給手段とを連結する電力ケーブルとを備え、前記水中推進装置の推進方向に応じて前記水中基地局に配設されたリールに前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされるものである。 The underwater observation system according to the present application includes an underwater propulsion device that collects information from sensors while propelling the underwater propulsion device, and a power supply means that is fixed and erected on the bottom of the water and supplies electric power for driving the underwater propulsion device. and a power cable connecting the underwater propulsion device and the power supply means, the power cable being connected to a reel disposed at the underwater base station according to the propulsion direction of the underwater propulsion device. is wrapped around or unwound.
このように、本発明に係る水中観測システムにおいては、水中を推進しながらセンサからの情報を収集する水中推進装置と、水底に固定して立設され、前記水中推進装置が駆動するための電力を供給する電力供給手段を含む水中基地局と、前記水中推進装置と前記電力供給手段とを連結する電力ケーブルとを備え、前記水中推進装置の推進方向に応じて前記水中基地局に配設されたリールに前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされるため、水中推進装置が電力ケーブルに拘束されることとなり、自己位置推定、軌道計画、位置制御といった高度な制御を行うことなく、推力の制御だけで低リスク且つ広範囲に渡り水中を長期間観測することができるという効果を奏する。 As described above, the underwater observation system according to the present invention includes an underwater propulsion device that collects information from sensors while being propelled underwater, and an electric power source that is fixed and erected on the bottom of the water to drive the underwater propulsion device. an underwater base station including a power supply means for supplying power, and a power cable connecting the underwater propulsion device and the power supply means, the power cable being arranged at the underwater base station according to the propulsion direction of the underwater propulsion device. Since the power cable is wound or unwound around the reel, the underwater propulsion device is tied to the power cable, and only thrust control is possible without performing advanced controls such as self-position estimation, trajectory planning, and position control. This has the effect of making it possible to observe underwater over a wide area for a long period of time with low risk.
本願に係る水中観測システムは、前記リールが前記水中基地局の立設方向を軸として固定されており、前記水中推進装置が前記リールの軸を中心とした円の遠心力方向に推進を発生すると共に、円の接線方向に推進を発生するものである。 In the underwater observation system according to the present application, the reel is fixed with the direction in which the underwater base station is installed as an axis, and the underwater propulsion device generates propulsion in the direction of centrifugal force in a circle centered on the axis of the reel. At the same time, it generates propulsion in the tangential direction of the circle.
このように、本発明に係る水中観測システムにおいては、前記リールが前記水中基地局の立設方向を軸として固定されており、前記水中推進装置が前記リールの軸を中心とした円の遠心力方向に推進を発生すると共に、円の接線方向に推進を発生するため、水中推進装置は2方向の推進力を発生させるだけで電力ケーブルの拘束を利用して毎回同じ軌道を航行可能になるという効果を奏する。 In this way, in the underwater observation system according to the present invention, the reel is fixed with the direction in which the underwater base station is erected as an axis, and the underwater propulsion device generates a circular centrifugal force centered on the axis of the reel. Since the underwater propulsion device generates propulsion in both directions and in the tangential direction of the circle, it is possible to navigate the same trajectory every time by using power cable restraints by only generating propulsion in two directions. be effective.
本願に係る水中観測システムは、前記水中推進装置が方位及び姿勢角を制御すると共に、高度を制御する制御手段を備え、前記制御手段の制御により前記リールと同じ高さを維持した状態で当該リールの軸を中心に周回運動がなされるものである。 In the underwater observation system according to the present application, the underwater propulsion device is provided with a control means for controlling the azimuth and attitude angle as well as the altitude, and the reel is maintained at the same height as the reel under the control of the control means. A circular movement is made around the axis of.
このように、本発明に係る水中観測システムにおいては、前記水中推進装置が方位及び姿勢角を制御すると共に、高度を制御する制御手段を備え、前記制御手段の制御により前記リールと同じ高さを維持した状態で当該リールの軸を中心に周回運動がなされるため、リールが配置された高さにおける二次元平面上で順回転と逆回転のインボリュート曲線の軌道を描きながら安定した同軌道で観測を行うことが可能となり、同じ位置を広範囲に渡って長期に観測することができるという効果を奏する。 As described above, in the underwater observation system according to the present invention, the underwater propulsion device is provided with a control means for controlling the azimuth and attitude angle, and also controls the altitude, and the underwater propulsion device is provided with a control means for controlling the altitude, and the underwater propulsion device is provided with a control means for controlling the altitude. Since the reel rotates around the axis while being maintained, the reel is observed in the same stable orbit while drawing an involute curve trajectory of forward and reverse rotation on a two-dimensional plane at the height where the reel is placed. This makes it possible to observe the same location over a wide area over a long period of time.
本願に係る水中観測システムは、前記制御手段が、観測領域に応じて前記水中推進装置の高度を変化させるものである。 In the underwater observation system according to the present application, the control means changes the altitude of the underwater propulsion device depending on the observation area.
このように、本発明に係る水中観測システムにおいては、前記制御手段が、観測領域に応じて前記水中推進装置の高度を変化させるため、例えば水中推進装置の底部に設置されたカメラで撮像できる範囲等を高度変化で調整し、必要としている情報をより適正に取得することが可能になるという効果を奏する。 In this way, in the underwater observation system according to the present invention, the control means changes the altitude of the underwater propulsion device according to the observation area, so that, for example, the range that can be imaged by the camera installed at the bottom of the underwater propulsion device is controlled. This has the effect of making it possible to more appropriately acquire the necessary information by adjusting the altitude changes.
本願に係る水中観測システムは、前記リールが前記水中基地局に異なる高さで複数配設されており、各リールごとに複数の水中推進装置が当該リールの軸を中心に周回運動がなされているものである。 In the underwater observation system according to the present application, a plurality of the reels are arranged at different heights at the underwater base station, and a plurality of underwater propulsion devices for each reel are rotated around the axis of the reel. It is something.
このように、本発明に係る水中観測システムにおいては、前記リールが前記水中基地局に異なる高さで複数配設されており、各リールごとに複数の水中推進装置が当該リールの軸を中心に周回運動がなされているため、複数の異なる高さからの情報を収集することが可能となり、多角的な情報を取得することができるという効果を奏する。 As described above, in the underwater observation system according to the present invention, a plurality of the reels are arranged at different heights at the underwater base station, and a plurality of underwater propulsion devices for each reel are arranged around the axis of the reel. Because of the orbiting motion, it is possible to collect information from multiple different heights, resulting in the ability to obtain multifaceted information.
(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る水中観測システムについて、図1ないし図7を用いて説明する。本実施形態に係る水中観測システムは、水中の状態を観測して調査する場合に用いられるものであり、特に海中における鉱物資源、エネルギー資源、生物資源などの海洋鉱物資源の調査を行うのに適したものである。本実施形態に係る水中観測システムは、海、湖、池、河川、水処理施設等における水中の観測に用いることが可能であるが、以下の説明においては海中の観測について説明する。具体的には例えば、浅海域においては藻場やサンゴ礁の海域に本システムを展開して海洋植物やサンゴの育成状況などのデータを計測し、深海域においては熱水地帯、熱水鉱床地帯、メタンハイドレート地帯、マンガン団塊などに本システムを展開して資源の蓄積や減少などの時系列変動を計測することが可能である。
(First embodiment of the present invention)
The underwater observation system according to this embodiment will be explained using FIGS. 1 to 7. The underwater observation system according to this embodiment is used to observe and investigate underwater conditions, and is particularly suitable for investigating marine mineral resources such as mineral resources, energy resources, and biological resources under the sea. It is something that The underwater observation system according to this embodiment can be used for underwater observation in the sea, lake, pond, river, water treatment facility, etc., but in the following description, underwater observation will be explained. Specifically, for example, in shallow waters, this system can be deployed in areas with seaweed beds and coral reefs to measure data such as the growth status of marine plants and corals, while in deep waters, it can be deployed in areas with hydrothermal areas, hydrothermal mineral deposits, etc. This system can be deployed in areas such as methane hydrate areas and manganese nodules to measure time-series changes such as resource accumulation and decline.
図1は、本実施形態に係る水中観測システムの概略図である。本実施形態に係る水中観測システム1は、観測対象となる領域の海底に固定して立設される基地局2と、航行しながら海底を観測する水中推進装置3(以下、CUV3(Cable restraining Underwater Vehicle)という)と、基地局2とCUV3とを連結する電力ケーブル4とを備える。基地局2は水中重量を非常に大きく且つ重心を低くすることで海流などの外力により傾いたり移動したりしない構造となっている。詳細は後述するが、例えば重心を低くするために基地局2の下方に大容量バッテリなどを搭載するようにしてもよい。基地局2の上方は電力ケーブル4を巻回するためのドラム型リール5が配設されており、基地局2の立設方向を中心軸として固定されている。すなわち、電力ケーブル4は水平方向にドラム型リール5の中心軸に巻き付き、巻き出しがなされる。 FIG. 1 is a schematic diagram of an underwater observation system according to this embodiment. The underwater observation system 1 according to the present embodiment includes a base station 2 that is fixedly installed on the seabed in an area to be observed, and an underwater propulsion device 3 (hereinafter referred to as CUV3) that observes the seabed while navigating. CUV 3) and a power cable 4 that connects the base station 2 and the CUV 3. The base station 2 has a very large underwater weight and a low center of gravity so that it does not tilt or move due to external forces such as ocean currents. Although details will be described later, for example, a large capacity battery or the like may be mounted below the base station 2 in order to lower the center of gravity. A drum-shaped reel 5 for winding the power cable 4 is disposed above the base station 2, and is fixed with the direction in which the base station 2 is erected as a central axis. That is, the power cable 4 is wound horizontally around the central axis of the drum-shaped reel 5 and unwound.
CUV3は推力を発生するための1つ又は複数のスラスタ3aを有しており、このスラスタ3aによりドラム型リール5の中心軸を中心とする円の遠心力方向に推力を発生させつつ、この円の一方の接線方向に推力を発生する。CUV3の移動に合わせて、電力ケーブル4がドラム型リール5に巻き付いたり巻き出されたりしながら観測が行われる。 The CUV 3 has one or more thrusters 3a for generating thrust, and the thruster 3a generates thrust in the direction of centrifugal force in a circle centered on the central axis of the drum-type reel 5. Generates thrust in one tangential direction. Observation is performed while the power cable 4 is wound around and unwound around the drum-shaped reel 5 as the CUV 3 moves.
基地局2が比較的陸上に近い位置に配置される場合は、管理施設6にある外部電源(図示しない)と基地局2とを送電ケーブル7で接続してCUV3に電力を供給することが可能である。また、送電ケーブル7に通信線を併存して接続することで、CUV3で観測されたデータを随時管理施設6に送信できるようにしてもよい。なお、CUV3の駆動電力については、陸上からの外部電源、数ヶ月以上の航行を可能とする大容量バッテリ、熱水等を利用した海中発電装置、海底ケーブルとの接続等により得ることが可能となっており、基地局2に搭載される電力変換器等の電力供給手段を介してCUV3の駆動用電力として供給される。また、大容量バッテリについては二次電池とし、外部電源から二次電池に充電可能に構成されてもよい。 When the base station 2 is located relatively close to land, it is possible to supply power to the CUV 3 by connecting an external power source (not shown) in the management facility 6 to the base station 2 using a power transmission cable 7. It is. Further, by connecting a communication line to the power transmission cable 7, the data observed by the CUV 3 may be transmitted to the management facility 6 at any time. The driving power for CUV3 can be obtained from an external power supply from land, a large-capacity battery that enables navigation for several months or more, an underwater power generation device that uses hot water, etc., and connection to submarine cables. The power is supplied as driving power to the CUV 3 via a power supply means such as a power converter mounted on the base station 2. Further, the large capacity battery may be a secondary battery, and the secondary battery may be configured to be rechargeable from an external power source.
図2は、基地局2の構造の一例を示す図である。基地局2は海底に固定され重量が大きい支持体10とドラム型リール5とが支柱8で接合され、支柱8と支持体10とは補助部材9で補強して接合されている。支持体10は複数の柱で矩形体として形成され、内部に大容量バッテリ11が設置されている。この大容量バッテリ11は上述したようにCUV3を数カ月以上に渡って駆動できる容量であることが望ましい。電力ケーブル4は大容量バッテリ11とCUV3とを電気的に接続しており、大容量バッテリ11からドラム型リール5を介してCUV3に接続されている。 FIG. 2 is a diagram showing an example of the structure of the base station 2. As shown in FIG. In the base station 2, a support 10, which is fixed to the seabed and has a large weight, and a drum-shaped reel 5 are connected by a support 8, and the support 8 and the support 10 are reinforced and connected with an auxiliary member 9. The support body 10 is formed as a rectangular body with a plurality of columns, and a large capacity battery 11 is installed inside. As described above, this large capacity battery 11 desirably has a capacity that can drive the CUV 3 for several months or more. The power cable 4 electrically connects the large-capacity battery 11 and the CUV 3, and is connected from the large-capacity battery 11 to the CUV 3 via the drum-shaped reel 5.
なお、電源が外部から供給される場合は必ずしも大容量バッテリ11を有する必要はなく、外部からの送電ケーブル7と接続できるようにしておけばよい。このとき、基地局2の重心を下方に持っていくために支持体10の内部には重量物が積載されることが好ましい。 In addition, when power is supplied from the outside, it is not necessarily necessary to have the large capacity battery 11, and it is sufficient to be able to connect to the power transmission cable 7 from the outside. At this time, it is preferable that a heavy object be loaded inside the support body 10 in order to move the center of gravity of the base station 2 downward.
図3は、ドラム型リールとCUVとの接続構造を示す図である。ドラム型リール5は基地局2の立設方向(支柱8の起立方向)を中心軸5aとして支柱8に接合されている。ドラム型リール5は固定された状態で支柱8に接合されることで、中心軸5aが支柱8に対して相対的に動かないようになっている。ドラム型リール5の端面、すなわち中心軸5aの両端部に接合して電力ケーブル4をドラム型リール5内に留めるための端部部材5b,5cは、ドラム型リール5の内側方向(電力ケーブル4が巻回される箇所)に向かってテーパ状に形成されており、電力ケーブル4の巻き付き及び巻き出しをスムーズにしている。 FIG. 3 is a diagram showing a connection structure between a drum-type reel and a CUV. The drum-shaped reel 5 is joined to the support column 8 with the center axis 5a extending in the direction in which the base station 2 is erected (the direction in which the support column 8 stands up). The drum-shaped reel 5 is fixedly joined to the support 8, so that the central shaft 5a does not move relative to the support 8. End members 5b and 5c are connected to the end surfaces of the drum-shaped reel 5, that is, to both ends of the central shaft 5a to secure the power cable 4 inside the drum-shaped reel 5. It is tapered toward the part where the power cable 4 is wound, so that the power cable 4 can be wound and unwound smoothly.
端部部材5b及び5c間の空隙距離Dは、電力ケーブル4の直径をdとするとd≦D<2dとなっており、電力ケーブル4が一重に巻回される構造となっている。こうすることで電力ケーブル4が絡まってしまうことを防止することができる。電力ケーブル4の終端部分はCUV3に接続されており、大容量バッテリ11からの電力をCUV3に供給すると共に、CUV3の移動を電力ケーブル4が伸びる範囲内に拘束している。 The gap distance D between the end members 5b and 5c satisfies d≦D<2d, where d is the diameter of the power cable 4, and the power cable 4 is wound in a single layer. By doing so, it is possible to prevent the power cable 4 from becoming tangled. The terminal end of the power cable 4 is connected to the CUV 3, which supplies power from the large-capacity battery 11 to the CUV 3 and restricts the movement of the CUV 3 within the range in which the power cable 4 extends.
CUV3は自身の移動用として1又は複数のスラスタを有しており、ドラム型リール5の中心軸5aを中心とする円の遠心力方向に電力ケーブル4が伸び切る程度以上の張力となる推進力を発生させると共に、その円の接線方向にも推力を発生させる。すなわち、ドラム型リール5の中心軸5aを中心とする円の遠心力方向、この円の一方の接線方向、及び180度反転した他方の接線方向のそれぞれの方向に航行するためのスラスタを制御しながら航行する。また、CUV3には資源等を観測するために下方を撮像するカメラやソナー等の観測用センサ3bを備えると共に、真方位と姿勢角を計測できるIMUや高度センサ等の制御用センサ3cを備えている。CUV3は制御用センサ3cでドラム型リール5と同じ高度で安定姿勢を維持しつつ、スラスタ制御を行ってドラム型リール5の中心軸5aの周りを周回運動をしながら観測用センサ3bを用いて観測情報を収集する。収集された情報はCUV3内に保存されて本体と共に回収してもよいし、通信線が接続されている場合はリアルタイムに管理者に送信されるようにしてもよい。 The CUV 3 has one or more thrusters for its own movement, and generates a propulsive force that creates a tension greater than the extent to which the power cable 4 is fully extended in the direction of a circular centrifugal force centered on the central axis 5a of the drum-shaped reel 5. It also generates thrust in the tangential direction of the circle. That is, it controls the thrusters for sailing in the centrifugal force direction of a circle centered on the central axis 5a of the drum-shaped reel 5, in one tangential direction of this circle, and in the other tangential direction reversed by 180 degrees. Sailing while In addition, the CUV 3 is equipped with an observation sensor 3b such as a camera or sonar that images the downward direction to observe resources, etc., and is also equipped with a control sensor 3c such as an IMU and an altitude sensor that can measure the true direction and attitude angle. There is. The CUV 3 uses the control sensor 3c to maintain a stable posture at the same altitude as the drum-shaped reel 5, performs thruster control, and moves around the central axis 5a of the drum-shaped reel 5 using the observation sensor 3b. Collect observation information. The collected information may be stored in the CUV 3 and collected together with the main body, or may be sent to the administrator in real time if a communication line is connected.
CUV3は、ドラム型リール5の中心軸5aを中心とする円の遠心力方向と接線方向とに推力を発生させることで図4に示すようなインボリュート曲線に近い軌道を描きながら航行し、それに伴って電力ケーブル4がドラム型リール5の中心軸5aに巻き付いたり、巻き出されたりする。一方の接線方向に航行する場合は電力ケーブル4が中心軸5aに巻き付き、180度反転する他方の接線方向に航行する場合は電力ケーブル4が中心軸5aから巻き出される。すなわち、電力ケーブル4が中心軸5aに巻き取られた状態からCUV3が中心軸5a付近から航行を開始し、図4に示すインボリュート曲線を描いて電力ケーブル4を巻き出しながら中心軸5aから次第に遠ざかり、全ての電力ケーブル4が巻き出された後はCUV3が逆方向に航行を開始し、再び図4に示すインボリュート曲線を描いて電力ケーブル4を中心軸5aに巻き付けながら中心軸5aに次第に近づき、全ての電力ケーブル4が中心軸5aに巻き付けられると再度同様の動作を繰り返して行う。このような動作を繰り返すことでCUV3はほぼ同じ軌道を長期に渡って周回運動することが可能となり、時系列のデータを安定して収集することが可能となる。 The CUV 3 sails while drawing a trajectory close to an involute curve as shown in FIG. The power cable 4 is wound around and unwound around the central shaft 5a of the drum-shaped reel 5. When sailing in one tangential direction, the power cable 4 is wound around the central shaft 5a, and when sailing in the other tangential direction, which is reversed by 180 degrees, the power cable 4 is unwound from the central shaft 5a. That is, from the state in which the power cable 4 is wound around the central axis 5a, the CUV 3 starts sailing near the central axis 5a, and gradually moves away from the central axis 5a while drawing the involute curve shown in FIG. 4 and unwinding the power cable 4. After all the power cables 4 have been unwound, the CUV 3 starts sailing in the opposite direction, draws the involute curve shown in FIG. 4 again, and gradually approaches the center axis 5a while winding the power cables 4 around the center axis 5a. Once all the power cables 4 are wound around the central shaft 5a, the same operation is repeated again. By repeating such operations, the CUV3 can orbit in almost the same orbit for a long period of time, making it possible to stably collect time-series data.
なお、上述したようにCUV3は電力ケーブル4が伸び切った拘束状態を維持するため常に遠心力方向に推力を発生させる必要があるが、遠心力方向の推力はCUV3の移動にほとんど寄与しないため、その推力が大きいほど無駄に電力を消費することになる。また、CUV3に接続される電力ケーブル4の位置や接続方法によっては航行中にCUV3が揺動したり蛇行したりすることが考えられる。そのため、CUV3が発生させなければならない推力のベクトル及び大きさを海域の環境に応じて演算し、スラスタの向きや推力を適正に制御する制御手段を備えるようにしてもよい。また、電力ケーブル4はねじれや硬さの影響(動特性)を除外するため、例えば撚りにくく柔軟な金剛打ちの高密度ポリエチレンファイバー(HDPE)を用いるようにしてもよい。 As mentioned above, the CUV 3 always needs to generate thrust in the direction of centrifugal force in order to maintain the restrained state in which the power cable 4 is fully extended, but since the thrust in the direction of centrifugal force hardly contributes to the movement of the CUV 3, The greater the thrust, the more power is wasted. Further, depending on the position and connection method of the power cable 4 connected to the CUV 3, the CUV 3 may swing or meander during navigation. Therefore, a control means may be provided that calculates the vector and magnitude of the thrust force that the CUV 3 must generate according to the environment of the sea area, and appropriately controls the direction of the thruster and the thrust force. Furthermore, in order to eliminate the effects of twisting and hardness (dynamic characteristics), the power cable 4 may be made of, for example, hard-twisted and flexible high-density polyethylene fiber (HDPE).
上記に説明したCUV3の動作軌道についてシミュレーションを行った。電力ケーブル4の拘束を利用した軌道をシミュレーションするため、以下の式(1)に示すインボリュート曲線によって描かれる軌跡をベースとした。 A simulation was performed on the operating trajectory of CUV3 described above. In order to simulate a trajectory using the restraint of the power cable 4, a trajectory drawn by an involute curve shown in the following equation (1) was used as a base.
シミュレーションの条件を以下の表1に示す。 The simulation conditions are shown in Table 1 below.
それぞれの条件に対するシミュレーションの結果を図5、図6及び図7に示す。図5が条件1の場合、図6が条件2の場合、図7が条件3の場合のそれぞれの電力ケーブル4におけるシミュレーション結果である。図5から図7は中心軸5aに電力ケーブル4が巻き付けられた状態を初期位置とし、電力ケーブル4を巻き出しながらCUV3が移動した時の軌跡を図示したものであり、電力ケーブル4が太くなるに連れてインボリュート曲線の径が広がっており、各条件において軌道の間隔が略均等になっていることがわかる。 The simulation results for each condition are shown in FIGS. 5, 6, and 7. 5 shows the simulation results for the power cable 4 under condition 1, FIG. 6 shows the simulation results under condition 2, and FIG. 7 shows the simulation results under condition 3. FIGS. 5 to 7 show the trajectory of the CUV 3 as it moves while unwinding the power cable 4, with the power cable 4 being wound around the center shaft 5a as the initial position, and the power cable 4 becomes thicker. It can be seen that the diameter of the involute curve increases as the distance increases, and the orbital spacing becomes approximately equal under each condition.
なお、本実施形態においては図3に示すように電力ケーブル4を1つの層に一重のケーブルが巻回される構造としたが、1つの層に複数並列に巻回される構成であってもよい。その場合は、電力ケーブル4が絡まずに正しく巻き付けるためのガイドなどが必要となるものの、電力ケーブル4の太さによる軌道への影響が小さくなり解析等の処理がやりやすくなる。 In this embodiment, the power cable 4 has a structure in which a single cable is wound in one layer as shown in FIG. 3, but a structure in which a plurality of cables are wound in parallel in one layer may good. In that case, although a guide or the like is required to properly wrap the power cable 4 without tangling, the influence of the thickness of the power cable 4 on the trajectory is reduced, making analysis and other processing easier.
このように、本実施形態に係る水中観測システムにおいては、CUV3が電力ケーブル4による拘束状態を維持し、且つ前進又は後進するように推力を発生させることで、センサを用いた高度な自己位置推定や運動制御がなくても電力ケーブル4とドラム型リール5の運動学に従い同じ軌道を航行し続けることが可能であり、基地局2を中心としドラム型リール5に巻回された電力ケーブル4の長さと同じ半径の円内の海底領域を隈なく観測することが可能となる。 As described above, in the underwater observation system according to the present embodiment, the CUV 3 maintains the restraint state by the power cable 4 and generates thrust so as to move forward or backward, thereby achieving advanced self-position estimation using sensors. It is possible to continue navigating the same trajectory according to the kinematics of the power cable 4 and the drum-shaped reel 5 even without motion control. It becomes possible to thoroughly observe the seafloor area within a circle with the same radius as the length.
また、電力ケーブル4とドラム型リール5の運動学が分かれば、高価なセンサがなくとも非常に単純な運動制御で電力ケーブル4の巻き数からCUV3の自己位置を推定可能となり、フリーフォール型無人探査機よりも数十倍~数百倍もの広範囲を観測することが可能となる。すなわち、本実施形態に係る水中観測システムは海洋資源の長期観測にとって非常に効果的なシステムであり、これまでに計測できなかった海洋資源や周辺環境の時系列データを取得することができ、海洋資源開発を促進することが可能となる。 Furthermore, if the kinematics of the power cable 4 and the drum-shaped reel 5 are known, the self-position of the CUV 3 can be estimated from the number of windings of the power cable 4 through very simple motion control without the need for expensive sensors. It will be able to observe a wider area tens to hundreds of times more than a spacecraft. In other words, the underwater observation system according to this embodiment is a very effective system for long-term observation of marine resources, and it is capable of acquiring time-series data on marine resources and the surrounding environment that could not be measured up to now. It becomes possible to promote resource development.
(その他の実施形態)
本実施形態に係る水中観測装置について、図8及び図9を用いて説明する。本実施形態に係る水中観測装置は、CUV3の高度を異ならせることで必要性に応じた情報を取得可能とするものである。なお、本実施形態において前記第1の実施形態と重複する説明は省略する。
(Other embodiments)
The underwater observation device according to this embodiment will be explained using FIGS. 8 and 9. The underwater observation device according to this embodiment is capable of acquiring information according to necessity by changing the altitude of the CUV 3. Note that in this embodiment, explanations that overlap with those of the first embodiment will be omitted.
図8は、CUVの高度を観測領域に応じて制御する場合を示す図、図9は、異なる高度に複数のCUVを設け、各CUVごとに異なる高度で情報を取得する場合を示す図である。図8(A)は基地局2及びCUV3を側面から見た場合の模式図、図8(B)は観測領域ごとの高度の情報を示す図である。図8(B)の領域Aに示すように、例えば観測対象領域の全体のうち一部領域については海底近くで観測を行いたいような場合(例えば、拡大して詳細な画像を撮像したいような場合)に、その一部領域を通過するときだけ図8(A)の破線に示すようにCUV3の高度を下げる制御を行う。逆に図8(B)の領域Bに示すように、例えば岩などの障害物を避けるためにその領域だけ図8(A)の一点鎖線に示すようにCUV3の高度を上げる制御を行う。 FIG. 8 is a diagram showing a case where the altitude of the CUV is controlled according to the observation area, and FIG. 9 is a diagram showing a case where multiple CUVs are provided at different altitudes and information is acquired at different altitudes for each CUV. . FIG. 8(A) is a schematic diagram when the base station 2 and CUV 3 are viewed from the side, and FIG. 8(B) is a diagram showing altitude information for each observation area. As shown in area A in Fig. 8(B), for example, when you want to observe a part of the entire observation target area near the seabed (for example, when you want to zoom in and capture a detailed image) ), control is performed to lower the altitude of the CUV 3 as shown by the broken line in FIG. 8(A) only when passing through that part of the area. Conversely, as shown in area B of FIG. 8(B), in order to avoid obstacles such as rocks, control is performed to raise the altitude of the CUV 3 only in that area as shown by the dashed line in FIG. 8(A).
なお、CUV3の高度の制御は、例えば上下方向に移動可能なスラスタを設けることで簡単に行うことができる。 The altitude of the CUV 3 can be easily controlled by, for example, providing a vertically movable thruster.
図9の場合は支柱8の異なる高さに複数のドラム型リール5を備え、各ドラム型リール5に対応するCUV3が電力ケーブル4で連結されており、各CUV3は一定の高さを維持しながら観測を行う。こうすることで、同じ領域(同一面積)であっても異なる解像度で観測することが可能になるため、多角的な分析等を行うことが可能となる。なお、このとき、各CUV3の移動のタイミングをずらすことで、できるだけ時間的な間隔を空けずに連続的な観測が行えるように制御することが望ましい。 In the case of FIG. 9, a plurality of drum-shaped reels 5 are provided at different heights of the support 8, and the CUV 3 corresponding to each drum-shaped reel 5 is connected by a power cable 4, and each CUV 3 maintains a constant height. Observations will be made while This makes it possible to observe the same region (same area) at different resolutions, making it possible to perform multifaceted analysis. In addition, at this time, it is desirable to control so that continuous observation can be performed with as little time interval as possible by shifting the timing of movement of each CUV 3.
このように、本実施形態に係る水中観測システムにおいては、観測領域に応じてCUV3の高度を変化させるため、例えばCUV3の底部に設置されたカメラで撮像できる範囲等を高度変化で調整し、必要としている情報をより適正に取得することが可能になる。 In this way, in the underwater observation system according to the present embodiment, in order to change the altitude of the CUV 3 according to the observation area, for example, the range that can be imaged by the camera installed at the bottom of the CUV 3 is adjusted by changing the altitude, and as needed. This makes it possible to more appropriately acquire the information that is required.
また、ドラム型リール5が支柱8に異なる高さで複数配設されており、各ドラム型リール5ごとに複数のCUV3が当該トラム型リール5の中心軸5aを中心に周回運動がなされているため、複数の異なる高さからの情報を収集することが可能となり、多角的な情報を取得することができる。 Further, a plurality of drum-shaped reels 5 are arranged at different heights on the support 8, and for each drum-shaped reel 5, a plurality of CUVs 3 are rotated around the central axis 5a of the tram-shaped reel 5. Therefore, it becomes possible to collect information from multiple different heights, making it possible to obtain multifaceted information.
1 水中観測システム
2 基地局
3 CUV
3a スラスタ
3b 観測用センサ
3c 制御用センサ
4 電力ケーブル
5 ドラム型リール
5a 中心軸
5b,5c 端部部材
6 管理施設
7 送電ケーブル
8 支柱
9 補助部材
10 支持部
11 大容量バッテリ
1 Underwater observation system 2 Base station 3 CUV
3a Thruster 3b Observation sensor 3c Control sensor 4 Power cable 5 Drum-shaped reel 5a Central shaft 5b, 5c End member 6 Management facility 7 Power transmission cable 8 Support column 9 Auxiliary member 10 Support part 11 Large capacity battery
Claims (6)
水底に固定して立設され、前記水中推進装置が駆動するための電力を供給する電力供給手段を含む水中基地局と、
前記水中推進装置と前記電力供給手段とを連結する電力ケーブルとを備え、
前記水中推進装置の推進方向に応じて前記水中基地局に配設されたリールに前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされ、
前記リールが、前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされる中心軸と、当該中心軸の両端部にそれぞれ接合され、前記電力ケーブルを前記リール内に留めるための一対の端部部材とを備え、
前記一対の端部部材が、前記電力ケーブルが収容されるとともに、当該端部部材間の空隙距離をD、前記電力ケーブルの直径をdとしたとき、d≦D<2dを満たす領域と、当該領域の径方向外側に、前記電力ケーブルが巻回される内側方向に向かってテーパ状に形成された領域とを有することを特徴とする水中観測システム。 An underwater propulsion device that collects information from sensors while propelling underwater;
an underwater base station that is fixedly erected on the bottom of the water and includes a power supply means that supplies power for driving the underwater propulsion device;
comprising a power cable connecting the underwater propulsion device and the power supply means,
The power cable is wound or unwound around a reel disposed at the underwater base station depending on the propulsion direction of the underwater propulsion device ,
The reel includes a central shaft around which the power cable is wound or unwound, and a pair of end members respectively joined to both ends of the central shaft for retaining the power cable within the reel,
The pair of end members has a region in which the power cable is accommodated, and where d≦D<2d, where D is the gap distance between the end members and d is the diameter of the power cable; An underwater observation system characterized by having a region tapered toward the inside where the power cable is wound, on the outside in the radial direction of the region .
水底に固定して立設され、前記水中推進装置が駆動するための電力を供給する電力供給手段を含む水中基地局と、an underwater base station that is fixedly erected on the bottom of the water and includes a power supply means that supplies power for driving the underwater propulsion device;
前記水中推進装置と前記電力供給手段とを連結する電力ケーブルとを備え、comprising a power cable connecting the underwater propulsion device and the power supply means,
前記水中推進装置の推進方向に応じて前記水中基地局に配設されたリールに前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされ、The power cable is wound or unwound around a reel disposed at the underwater base station depending on the propulsion direction of the underwater propulsion device,
前記リールが、前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされる中心軸と、当該中心軸の両端部にそれぞれ接合され、前記電力ケーブルを前記リール内に留めるための一対の端部部材とを備え、The reel includes a central shaft around which the power cable is wound or unwound, and a pair of end members respectively joined to both ends of the central shaft for retaining the power cable within the reel,
前記一対の端部部材が、前記電力ケーブルが収容されるとともに、当該端部部材間の空隙距離をD、前記電力ケーブルの直径をdとしたとき、d≦D<2dを満たす領域と、当該領域の径方向外側に、前記電力ケーブルが巻回される内側方向に向かってテーパ状に形成された領域とを有し、The pair of end members has a region in which the power cable is accommodated, and where d≦D<2d, where D is the gap distance between the end members and d is the diameter of the power cable; a region tapered toward the inner side around which the power cable is wound, on the radially outer side of the region;
前記水中推進装置の航行軌道が、前記中心軸の直径及び前記電力ケーブルの直径に応じたインボリュート曲線で描かれる軌跡に基づいて設定されることを特徴とする水中観測システム。An underwater observation system characterized in that a navigation trajectory of the underwater propulsion device is set based on a trajectory drawn by an involute curve according to the diameter of the central axis and the diameter of the power cable.
水底に固定して立設され、前記水中推進装置が駆動するための電力を供給する電力供給手段を含む水中基地局と、an underwater base station that is fixedly erected on the bottom of the water and includes a power supply means that supplies power for driving the underwater propulsion device;
前記水中推進装置と前記電力供給手段とを連結する電力ケーブルとを備え、comprising a power cable connecting the underwater propulsion device and the power supply means,
前記水中推進装置の推進方向に応じて前記水中基地局に配設されたリールに前記電力ケーブルが巻き付き又は巻き出しされ、The power cable is wound or unwound around a reel disposed at the underwater base station depending on the propulsion direction of the underwater propulsion device,
前記リールが、その中心軸を同軸としつつ、前記水中基地局に異なる高さで複数配設されており、A plurality of the reels are disposed at different heights at the underwater base station while their central axes are coaxial,
各前記リールごとに複数の水中推進装置が当該リールの軸を中心に複数の前記水中推進装置間の間隔を維持しながら周回運動がなされていることを特徴とする水中観測システム。An underwater observation system characterized in that a plurality of underwater propulsion devices for each of the reels rotate around the axis of the reel while maintaining intervals between the plurality of underwater propulsion devices.
前記リールが前記水中基地局の立設方向を軸として固定されており、
前記水中推進装置が前記リールの軸を中心とした円の遠心力方向に推進を発生すると共に、円の接線方向に推進を発生する水中観測システム。 The underwater observation system according to any one of claims 1 to 3 ,
the reel is fixed with the direction in which the underwater base station is erected as an axis;
An underwater observation system in which the underwater propulsion device generates propulsion in the direction of centrifugal force of a circle centered on the axis of the reel, and also generates propulsion in the tangential direction of the circle .
前記水中推進装置が方位及び姿勢角を制御すると共に、高度を制御する制御手段を備え、
前記制御手段の制御により前記リールと同じ高さを維持した状態で当該リールの軸を中心に周回運動がなされる水中観測システム。 The underwater observation system according to claim 4 ,
The underwater propulsion device includes a control means for controlling the azimuth and attitude angle as well as the altitude,
An underwater observation system in which a rotational movement is performed around the axis of the reel while maintaining the same height as the reel under the control of the control means .
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