JP7444373B2 - 浮体構造物 - Google Patents

Description

本発明は、浮体構造物、より詳しくは、主構造体と複数の補助構造体とを有し、複数の補助構造体の協調動作により主構造体の制御が行われる浮体構造物に関する。

従来、姿勢制御される浮体構造物として、水面上に浮遊する中央浮力体と、その周囲に等角度で配置された６個の調整浮力体とを有する浮体構造物が知られている（特許文献１）。各調整浮力体は、バラスト水の取込みおよび放出により浮力を調整するものとして構成されている。

なお、船舶等の浮体構造物の揺れは、図１８に示すように、６つに分類される。すなわち、浮体構造物の揺れは、ローリング（ｐ）、ピッチング（ｑ）、ヨーイング（ｒ）、サージング（ｕ）、スウェイング（ｖ）およびヒービング（ｗ）に分類される。ここで、ローリングはＸ軸まわりの揺れであり、横揺れとも呼ばれる。ピッチングはＹ軸まわりの揺れであり、縦揺れとも呼ばれる。ヨーイングはＺ軸まわりの揺れであり、左右揺れとも呼ばれる。サージングはＸ軸方向の揺れであり、前後動とも呼ばれる。スウェイングはＹ軸方向の揺れであり、左右動とも呼ばれる。ヒービングはＺ軸方向の揺れであり、上下動とも呼ばれる。

特開２００５－３１３６６５号公報

特許文献１に記載の浮体構造物の場合、中央浮力体が水面と交差する面積が大きいため、水面上の波動の影響を受け易く、浮力中心が移動し易い。このため、中央浮力体を姿勢制御する際に大きな動力を要する場合がある。

そこで、本発明は、水面上の波動の影響を可及的に回避して低動力で制御可能な浮体構造物を提供することを目的とする。

本発明に係る浮体構造物は、
主構造体と、
前記主構造体に接続され、平面視で前記主構造体を取り囲むように設けられた複数の補助構造体と、
を備え、
前記主構造体は、
使用状態において水中に位置する本体部と、
前記本体部と同じ太さか前記本体部よりも細く、前記本体部から上方に向けて延在し水面から突出する延在部と、を有し、
前記複数の補助構造体は、互いに協調動作することにより前記主構造体にモーメントまたは推力を付与することを特徴とする。

また、前記浮体構造物において、
前記主構造体の重心は使用状態において水面下に位置するようにしてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記延在部の先端には搭載部が設けられているようにしてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記本体部は円筒状であり、前記延在部は前記本体部よりも直径の小さい棒状であるようにしてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記複数の補助構造体は、使用状態において水中に位置し、各々独立して推力を発生可能に構成されてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記複数の補助構造体として、第１の補助構造体、第２の補助構造体、第３の補助構造体および第４の補助構造体を備え、
平面視したときの前記本体部の中心が原点に位置し、前記延在部がＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在するＸＹＺ直交座標系において、
前記第１の補助構造体はＸ軸の正領域に位置し、
前記第２の補助構造体はＸ軸の負領域に位置し、
前記第３の補助構造体はＹ軸の正領域に位置し、
前記第４の補助構造体はＹ軸の負領域に位置し、
前記第１～第４の補助構造体による推力を調整することで、ヒービング制御、ローリング制御、ピッチング制御、ヨーイング制御、サージング制御およびスウェイング制御を行うようにしてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記複数の補助構造体は、浮体を有し、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成されていてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記複数の補助構造体として、第１の補助構造体、第２の補助構造体、第３の補助構造体および第４の補助構造体を備え、
平面視したときの前記本体部の中心が原点に位置し、前記延在部がＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在するＸＹＺ直交座標系において、
前記第１の補助構造体はＸ軸の正領域に位置し、
前記第２の補助構造体はＸ軸の負領域に位置し、
前記第３の補助構造体はＹ軸の正領域に位置し、
前記第４の補助構造体はＹ軸の負領域に位置し、
前記第１～第４の補助構造体による浮力を調整することで、ヒービング制御、ローリング制御およびピッチング制御を行うようにしてもよい。

また、前記浮体構造物において、
前記複数の補助構造体として、
前記本体部に接続され、使用状態において水中に位置し、各々独立して推力を発生可能に構成された第１の補助構造体群と、
前記延在部に接続され、浮体を有し、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成された第２の補助構造体群と、
を有するようにしてもよい。

本発明では、使用状態において本体部が水中に位置し、かつ延在部が本体部と同じ太さか本体部よりも細くすることによって、主構造体が水面に接する面積を小さくする。これにより、主構造体は深水波、浅水波等、水面上の波動の影響を受けにくくなり、浮力中心が移動することを可及的に回避することができる。これにより、本発明によれば、水面上の波動の影響を可及的に回避して低動力で制御可能な浮体構造物を提供することができる。

第１の実施形態に係る浮体構造物の全体斜視図である。 使用状態における第１の実施形態に係る浮体構造物の側面図である。 第１の実施形態に係る浮体構造物の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る制御処理フローを示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る補助構造体の制御の詳細を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）ともに第１の実施形態に係る補助構造体による鉛直方向の推力発生方法について説明するための図である。 第１の実施形態に係る浮体構造物の動作例を説明するための図である。 第１の実施形態に係る補助構造体による水平方向の推力発生方法について説明するための図である。 第１の実施形態に係る浮体構造物の別の動作例を説明するための図である。 第２の実施形態に係る浮体構造物の全体斜視図である。 使用状態における第２の実施形態に係る浮体構造物の側面図である。 第２の実施形態に係る浮体構造物の補助構造体の斜視図である。 第２の実施形態の変形例に係る浮体構造物の補助構造体の斜視図である。 第２の実施形態におけるローリング制御およびピッチング制御を説明するための図である。 第２の実施形態におけるヒービング制御を説明するための図である。 第２の実施形態の変形例に係る浮体構造物の側面図である。 第３の実施形態に係る浮体構造物の全体斜視図である。 浮体構造物（船）の揺れについて説明するための図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る浮体構造物について説明する。図１は本実施形態に係る浮体構造物１の全体斜視図を示し、図２は使用状態における浮体構造物１の側面図を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る浮体構造物１は、主構造体１０と、複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄと、接続体３０とを備えている。複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、接続体３０を介して主構造体１０に接続されている。

まず、主構造体１０について説明する。主構造体１０は、複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄによる制御の対象である。後ほど詳しく説明するように、浮体構造物１は、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄが協調動作することで、主構造体１０の６つの揺れ（ヒービング、ローリング、ピッチング、ヨーイング、スウェイングおよびサージング）に対する減揺制御、ならびに主構造体１０の位置制御（目標位置までの移動）を行うように構成されている。

主構造体１０は、図１および図２に示すように、本体部１１と、この本体部１１から上方に向けて延在する延在部１２と、を有する。

本体部１１は使用状態において水中に位置する。この本体部１１は、有底の円筒体であり、その内部には補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを制御するためのマイコン、各種センサおよびバッテリなどが格納されている。本体部１１の上側開口が蓋部１１ａにより水密に閉塞されることで防水性が確保されている。その他、例えば、本体部１１の内部が樹脂等の封止材で充填されることで防水性が確保されてもよい。なお、本体部１１の形状は円筒状に限られず、角筒状、直方体状等、他の形状であってもよい。

使用状態において主構造体１０の重心Ｇは水面下に位置する。主構造体１０の重心を調整するために、主構造体１０（本体部１１、延在部１２）に錘および／または浮体が設けられてもよい。なお、主構造体１０の浮力調整のために、延在部１２に浮体および／または錘が設けられてもよい。

延在部１２は、本体部１１から上方に向けて延在し、使用状態において水面から突出するように設けられている。本実施形態では、延在部１２は棒状であり、基端が蓋部１１ａに固定され、先端には搭載部１２ａが設けられている。

搭載部１２ａには、例えば、環境観測用の機器、または風力等による発電装置が搭載される。浮体構造物１が大型の場合には、搭載部１２ａに人が乗れる籠などが設置されてもよい。なお、揺動制御性を向上させる観点から、搭載部１２ａに機器等が搭載された状態においても、主構造体１０の重心Ｇが水面下にあることが好ましい。

なお、延在部１２は一つに限られず、複数設けられてもよい。また、延在部１２は、棒状に限られず、板状など他の形状であってもよい。

延在部１２は本体部１１に比べて細い。すなわち、延在部１２の直径は本体部１１の直径よりも小さい。より一般的に言えば、図２に示すように、主構造体１０が直立した状態において、延在部１２が水面と交差する面積は、本体部１１が水面と平行な面と交差する面積よりも小さい。

なお、延在部１２は本体部１１と同径としてもよい。延在部１２が本体部１１と同じ太さであっても、本体部１１が水面と平行な面と交差する面積が小さければ、主構造体１０が水面上の波動の影響を受けることを抑制できる。例えば、本体部１１の幅（直径）が本体部１１の長さよりも小さいならば、延在部１２が本体部１１と同径であっても、水面上の波動の影響を抑制する効果を奏する。

接続体３０は、主構造体１０と、複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄとを接続している。この接続体３０は、装着部３１と、この装着部３１の側面から突出した複数の接続部３２とを有する。接続部３２の数は補助構造体の数と同じである。

装着部３１は、図１に示すように、本体部１１の外径とほぼ同じ内径を有する円筒体であり、本体部１１の底部に嵌着されている。なお、装着部３１の形状は円筒体に限らず、本体部１１に嵌着可能な形状であればよく、角筒体、直方体等、他の形状であってもよい。

接続部３２は、図１に示すように、装着部３１の周面から突設されており、本体部１１と補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄとを接続する。この接続部３２は中空状であり、内部にモータ２３を駆動するための制御線や電力線などが通されている。なお、接続部３２内に、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの傾き（モータ２３の回転軸と鉛直線のなす角度）を制御するためのモータ（図示せず）が配置されてもよい。

次に、複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについて説明する。

図１から分かるように、複数の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、平面視で主構造体１０を取り囲むように設けられている。本実施形態では、主構造体１０を中心にして４つの補助構造体が設けられている。図２に示すように、使用状態において補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは水中に位置する。

図１のＸＹＺ直交座標系における補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの位置について説明する。ＸＹＺ直交座標系の原点Ｏは本体部１１を平面視したときの中心に位置する。この中心は、補助構造体２０Ａと補助構造体２０Ｂを結ぶ線と、補助構造体２０Ｃと補助構造体２０Ｄを結ぶ線との交点に一致する。延在部１２はＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在する。補助構造体２０ＡはＸ軸の正領域に位置し、補助構造体２０ＢはＸ軸の負領域に位置する。補助構造体２０ＣはＹ軸の正領域に位置し、補助構造体２０ＤはＹ軸の負領域に位置する。

補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、各々、プロペラ２１と、プロペラ２２と、２つのモータ２３と、アーム２４と、を有する。プロペラ２１とプロペラ２２は回転軸が同じで、互いに反対向きに設けられている。

プロペラ２１は、正ピッチのプロペラであり、モータ２３により時計回りに回転駆動されると前進方向の推力を発生させる。プロペラ２２は、逆ピッチのプロペラであり、モータ２３により時計回りに回転駆動されると後退方向の推力を発生させる。

図１に示すように、補助構造体２０Ａ，２０Ｂでは、プロペラ２１が上側に配置され、プロペラ２２が下側に配置される。反対に、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄでは、プロペラ２１が下側に配置され、プロペラ２２が上側に配置される。

補助構造体の２つのモータ２３のうち一方は、プロペラ２１を回転駆動するためのものであり、他方のモータはプロペラ２２を回転駆動するためのものである。

このように本実施形態の補助構造体は、プロペラ２１およびモータ２３を有するユニットと、プロペラ２２およびモータ２３を有するユニットとを背中合わせで結合して、１つの推力発生ユニットとして構成したものである。なお、以下の説明では、プロペラ２１、プロペラ２２および２つのモータ２３を総称して「推力発生ユニット」ともいう。

アーム２４は、図１に示すように、推力発生ユニットと、接続部３２との間に設けられている。アーム２４の先端は推力発生ユニットを支持し、アーム２４の基端は接続部３２に回転可能に接続されている。なお、主構造体１０の位置制御を行わない場合等においては、アーム２４は接続部３２に回転不能に固定されてもよい。

アーム２４は、本体部１１または接続部３２内に設けられたモータ（図示せず）に回転駆動される。これにより、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、推力軸（モータ２３の回転軸）と鉛直線のなす角度（図８の角度θ）を変更可能である。例えば、補助構造体２０Ａ，２０Ｂのアーム２４は、Ｘ軸の周りに推力発生ユニットを傾けることが可能である。同様に、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄのアーム２４は、Ｙ軸の周りに推力発生ユニットを傾けることが可能である。

次に、図３を参照して浮体構造物１の機能的な構成について説明する。

図３に示すように、浮体構造物１は、制御部１１０と、無線通信モジュール１２０と、加速度センサ１３０と、ジャイロセンサ１４０と、地磁気センサ１５０と、複数のモータ駆動部１６０と、バッテリ１７０と、を備えている。

制御部１１０は、モジュール１２０やセンサ１３０～１５０とデータを送受信するためのシリアルバスインタフェース、各種の情報処理を行うＣＰＵ、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡコンバータ部、および各種情報を記憶するメモリとを有する。本実施形態では、制御部１１０はマイコンにより構成されている。

無線通信モジュール１２０は、延在部１２に設けられたアンテナ１２１を介して、外部の遠隔制御装置２００と無線通信を行う。より詳しくは、無線通信モジュール１２０は、遠隔制御装置２００から受信したコマンド（制御コマンド等）を制御部１１０に送信する。コマンドは制御部１１０のメモリに記憶される。また、無線通信モジュール１２０は、制御部１１０から受信したデータ（例えば、搭載部１２ａに搭載された観測機器や各種センサの計測値など）を遠隔制御装置２００に送信する。

なお、延在部１２の搭載部１２ａに観測機器などが設置される場合、当該観測機器で観測されたデータが制御部１１０に入力されるようにしてもよい。そして、観測データが無線通信モジュール１２０を介して遠隔制御装置２００に送信されるようにしてもよい。

加速度センサ１３０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３方向の傾きを測定し、ロール角、ピッチ角に関するデータを制御部１１０に出力する。ジャイロセンサ１４０は、角速度を検出し、ロール加速度、ピッチ加速度に関するデータを制御部１１０に出力する。地磁気センサ１５０は、地磁気を検出し、方位角に関するデータを制御部１１０に出力する。

複数のモータ駆動部１６０は、複数のモータ２３に対して設けられている。本実施形態では、８個のモータ２３を駆動するために８個のモータ駆動部１６０が設けられている。

モータ駆動部１６０は、制御部１１０から受信したモータ制御信号（ＰＷＭ信号）に基づいてモータ２３を駆動する。本実施形態では、モータ駆動部１６０は、制御部１１０から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡコンバータ、ＤＡコンバータから出力された信号の高周波成分をカットするローパスフィルタ、およびローパスフィルタを通過した信号に基づく電流をモータ２３に供給するアンプを有する。

バッテリ１７０は、ＤＣ－ＤＣコンバータ（図示せず）を介して供給側ユニットに応じた直流電圧に変換された後、各ユニット（制御部１１０、モジュール１２０、センサ１３０～１５０およびモータ駆動部１６０）に供給される。バッテリ１７０は、例えばリチウムポリマー電池である。なお、外部電源を用いる場合はバッテリ１７０を省略してもよい。この場合、主構造体１０は電源ケーブルを介して外部電源に接続される。

制御部１１０は、遠隔制御装置２００から受信したコマンド、およびセンサ１３０，１４０，１５０の計測値に基づいて、各モータ２３に対するモータ制御信号を出力し、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄのプロペラ２１およびプロペラ２２をそれぞれ所望の回転速度で駆動する。これにより、詳しくは後ほど説明するが、主構造体１０の減揺制御、位置制御が行われる。

ここで、図４および図５を参照して、本実施形態に係る浮体構造物１の制御方法について説明する。

ステップＳ１では、制御部１１０は初期化を行う。より詳しくは、制御部１１０は、加速度センサ１３０、ジャイロセンサ１４０および地磁気センサ１５０の初期値を設定する。

ステップＳ２では、制御部１１０は目標値を読み込む。より詳しくは、制御部は、主構造体１０の目標姿勢または目標位置を入力する。本ステップで読み込まれる目標値は、遠隔制御装置２００から受信したコマンドに基づいて生成されたものである。なお、これに限らず、浮体構造物１の外部にあるセンサからの情報（例えば波浪情報）に基づいて生成された目標値を読み込んでもよい。

ステップＳ３では、制御部１１０は補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの制御を行う。本ステップは、図５に示すフローチャートに沿って行われる。

まず、ステップＳ３１において制御部１１０は、初期ゲインを読み込む。具体的には、モータ駆動部１６０のアンプの増幅倍率、ロール角・ピッチ角に対する角度ゲインおよび角速度ゲインなどの初期値を設定する。

次に、ステップＳ３２において制御部１１０は、センサ１３０～１５０の計測値に基づいて主構造体１０の姿勢を検知する。ピッチング制御やローリング制御を行う場合は主構造体１０の角度および角速度の値を取得する。ヒービング制御を行う場合は主構造体１０の加速度を取得する。なお、センサの計測値に時系列フィルタをかけて雑音成分を除去してもよい。

次に、ステップＳ３３において制御部１１０は、モータ２３の駆動量（本実施形態ではプロペラの回転速度）を演算する。駆動量は、ステップＳ２で読み込まれた目標値、ステップＳ３１で読み込まれたゲイン、およびステップＳ３２で検知された姿勢に基づいて算出される。

そして、ステップＳ３４において制御部１１０は、ステップＳ３３で得られた駆動量に基づいて生成されたモータ制御信号（ＰＷＭ信号）をモータ駆動部１６０に出力し、モータ２３を駆動する。

その後、ステップＳ３５において制御部１１０は目標（目標姿勢・位置）が満たされたかどうかを判定する。目標が満たされた場合（Ｓ３５：Ｙｅｓ）、補助構造体の制御処理を終了し、ステップＳ４に進む。一方、目標が満たされてない場合（Ｓ３５：Ｎｏ）、ステップＳ３２に戻る。

ステップＳ４では、制御部１１０は、主構造体１０の制御を終了するかどうかを判定する。例えば、遠隔制御装置２００から制御終了コマンドを受信した場合、制御部１１０は制御を終了すると判定し（Ｓ４：Ｙｅｓ）、制御を終了する。一方、そうでない場合は（Ｓ４：Ｎｏ）、ステップＳ２に戻り、制御を継続する。

上記のように本実施形態の制御では、各種センサの計測値に基づいて主構造体１０の姿勢をリアルタイムで把握し、目標姿勢または目標位置が満たされるように補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを制御する。

＜＜第１の実施形態における主構造体の制御＞＞
次に、図６～図９を参照して、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの協調動作による主構造体１０の制御方法について説明する。

＜鉛直方向の推力・反モーメント＞
まず、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、各補助構造体における鉛直方向の推力の発生方法について説明する。図６（ａ）は補助構造体２０Ａ（２０Ｂ）を示し、図６（ｂ）は補助構造体２０Ｃ（２０Ｄ）を示す。

図６（ａ）の矢印に示すように、プロペラ２１およびプロペラ２２を各々のモータ２３から見て時計回りに回転させると、プロペラ２１およびプロペラ２２からそれぞれ鉛直下向きの推力Ｆ_１およびＦ_２が発生する。これにより、補助構造体２０Ａ（２０Ｂ）は、推力Ｆ_１と推力Ｆ_２の和に相当する鉛直下向きの推力を発生させる。

図６（ｂ）の矢印に示すように、プロペラ２１およびプロペラ２２を各々のモータ２３から見て時計回りに回転させると、プロペラ２１およびプロペラ２２からそれぞれ鉛直上向きの推力Ｆ_１およびＦ_２が発生する。これにより、補助構造体２０Ｃ（２０Ｄ）は、推力Ｆ_１と推力Ｆ_２の和に相当する鉛直上向きの推力を発生させる。

プロペラ２１およびプロペラ２２のうちいずれか一方または両方の回転速度を制御することで鉛直方向（回転軸方向）の推力を調整することができる。

次に、プロペラの回転速度が変化した場合における、推力、および反モーメント（モータ２３の回転速度の変化に応じて推力発生ユニットの推力軸まわりに発生するモーメント）について説明する。

プロペラ２１とプロペラ２２の回転速度がともにΔωだけ増えた場合、プロペラ２１およびプロペラ２２による推力はそれぞれΔＦだけ増加するため、推力発生ユニットの推力は２ΔＦだけ増加する。一方、プロペラ２１を駆動するモータ２３と、プロペラ２２を駆動するモータ２３は逆方向に回転しているため、推力発生ユニットに作用する反モーメントは変化しない。

プロペラ２１の回転速度がΔωだけ増加し、プロペラ２２の回転速度がΔωだけ減少した場合、プロペラ２１による推力の増加とプロペラ２２による推力の減少が打ち消し合うため、推力発生ユニットが発生する推力は変化しない。一方、プロペラ２１の回転速度の増加により反モーメントがΔＭだけ変化し、プロペラ２２の回転速度の減少により反モーメントがΔＭだけ変化するため、推力発生ユニットに作用する反モーメントは２ΔＭだけ変化することになる。

［ヒービング制御、ローリング制御、ピッチング制御］
次に、各補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄに作用する推力および反モーメントを利用した主構造体１０の制御方法について説明する。

まず、主構造体１０の静止状態について説明する。図７は、主構造体１０が水中で静止している状態を示している。

図７に示すように、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂに鉛直下向きの推力Ｆ_ＡおよびＦ_Ｂをそれぞれ発生させるとともに、補助構造体２０Ｃおよび２０Ｄに鉛直上向きの推力Ｆ_ＣおよびＦ_Ｄをそれぞれ発生させる。これら４つの推力Ｆ_Ａ，Ｆ_Ｂ，Ｆ_Ｃ，Ｆ_Ｄを等しいとき（すなわち、Ｆ_Ａ＝Ｆ_Ｂ＝Ｆ_Ｃ＝Ｆ_Ｄ）、浮体構造物１は水中に静止する。

次に、ヒービングに対して減揺制御するために主構造体１０をＺ軸方向に移動させる制御（ヒービング制御）を行う場合について説明する。

主構造体１０を鉛直上向き（Ｚ軸正方向）に移動させたい場合、例えば、補助構造体２０Ａ，２０Ｂの回転速度を減らして鉛直下向きの推力を減少させ、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄの回転速度を増やして鉛直上向きの推力を増加させる。これにより、主構造体１０に作用する鉛直上向きの推力が大きくなるため、主構造体１０は押し上げられる。具体的には、補助構造体２０Ａ，２０Ｂの回転速度をΔωだけ減らし、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄの回転速度をΔωだけ増やした場合、主構造体１０を押し上げる力は８ΔＦとなる。ここで、ΔＦは１つのプロペラによる推力の変化量である。

反対に、補助構造体２０Ａ，２０Ｂの回転速度を増やし、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄの回転速度を減らすと、主構造体１０に作用する鉛直下向きの推力が大きくなるため、主構造体１０は押し下げられる（Ｚ軸負方向に移動する）。具体的には、補助構造体２０Ａ，２０Ｂの回転速度をΔωだけ増やし、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄの回転速度をΔωだけ減らした場合、主構造体１０を押し下げる力は８ΔＦとなる。ここで、ΔＦは１つのプロペラによる推力の変化量である。

次に、ローリングまたはピッチングに対して減揺制御するために主構造体１０をＸ軸またはＹ軸まわりに回転制御（ローリング制御またはピッチング制御）する場合について説明する。

主構造体１０をＸ軸のまわりに回転させたい場合、補助構造体２０Ａ，２０Ｂの回転速度を一定に維持した状態において、例えば、補助構造体２０Ｃの回転速度を減らして鉛直上向きの推力を減少させ、補助構造体２０Ｄの回転速度を増やして鉛直上向きの推力を増加させる。これにより、Ｘ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は時計回りのモーメントを受ける。具体的には、補助構造体２０Ｃの回転速度をΔωだけ減らし、補助構造体２０Ｄの回転速度をΔωだけ増やした場合、２ΔＦ・ｄのモーメントが主構造体１０に作用する。ここで、ｄは補助構造体２０Ｃと補助構造体２０Ｄの軸間距離である。

反対に、補助構造体２０Ｃの回転速度を増やし、補助構造体２０Ｄの回転速度を減らした場合は、Ｘ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は反時計回りのモーメントを受ける。このように補助構造体２０Ｃ，２０Ｄの推力を調整することでローリング制御を行うことができる。

このようにローリング制御では、補助構造体２０Ａおよび補助構造体２０Ｂが鉛直下向きの同じ大きさの推力を発生させている状態において、補助構造体２０Ｃおよび補助構造体２０Ｄのうち一方が発生する鉛直上向きの推力を、他方が発生する鉛直上向きの推力よりも大きくすればよい。これにより、主構造体１０をＸ軸のまわりに回転させることができる。

なお、ローリング制御を行う際に補助構造体２０Ａおよび補助構造体２０Ｂに同じ大きさの推力を発生させておくことは必須ではない。例えば、ローリング制御をピッチング制御と同時に行う場合は、補助構造体２０Ａおよび補助構造体２０Ｂに同じ大きさの推力を発生させる必要はない。

主構造体１０をＹ軸のまわりに回転させたい場合も同様である。すなわち、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄのプロペラ２１，２２の回転方向を逆にして鉛直下向きの推力を発生させ、回転速度を一定に維持した状態において、例えば、補助構造体２０Ａの回転速度を減らして鉛直下向きの推力を減少させ、補助構造体２０Ｂの回転速度を増やして鉛直下向きの推力を増加させる。これにより、Ｙ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は時計回りのモーメントを受ける。

反対に、補助構造体２０Ａの回転速度を増やし、補助構造体２０Ｂの回転速度を減らした場合、Ｙ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は反時計回りのモーメントを受ける。このように補助構造体２０Ａ，２０Ｂの推力を調整することでピッチング制御を行うことができる。

このようにピッチング制御では、補助構造体２０Ｃおよび補助構造体２０Ｄが鉛直下向きの同じ大きさの推力を発生させている状態において、補助構造体２０Ａおよび補助構造体２０Ｂのうち一方が発生する鉛直下向きの推力を、他方が発生する鉛直下向きの推力よりも大きくすればよい。これにより、主構造体１０をＹ軸のまわりに回転させることができる。

なお、ピッチング制御を行う際に補助構造体２０Ｃおよび補助構造体２０Ｄに同じ大きさの推力を発生させておくことは必須ではない。例えば、ピッチング制御をローリング制御と同時に行う場合は、補助構造体２０Ｃおよび補助構造体２０Ｄに同じ大きさの推力を発生させる必要はない。

上記のように、ローリング制御およびピッチング制御では、向かい合う一組の補助構造体について一方の推力が他方の推力よりも大きくなるように制御することで、主構造体１０に、当該一組の補助構造体が配置された軸と直交する軸のまわりのモーメントが付与される。

［ヨーイング制御］
次に、ヨーイングに対して減揺制御するために主構造体１０をＺ軸のまわりに回転制御（ヨーイング制御）する場合について説明する。

主構造体１０をＺ軸まわりに回転させたい場合、例えば、各補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの上側のプロペラ（すなわち、補助構造体２０Ａ，２０Ｂのプロペラ２１、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄのプロペラ２２）の回転速度をΔωだけ増やし、下側のプロペラ（すなわち、補助構造体２０Ａ，２０Ｂのプロペラ２２、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄのプロペラ２１）の回転速度をΔωだけ減らす。これにより、８個のモータ２３の各々にΔＭの反モーメントが発生するため、主構造体１０に８ΔＭの反モーメントを作用させることができる。その結果、Ｚ軸の負領域から正領域の方向に見たときに、主構造体１０は時計回りに回転する。

反対に、各補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの上側のプロペラの回転速度をΔωだけ減らし、下側のプロペラの回転速度をΔωだけ増やすことにより、各モータ２３に－ΔＭの反モーメントが発生するため、主構造体１０に－８ΔＭの反モーメントを作用させることができる。その結果、Ｚ軸の負領域から正領域の方向に見たときに、主構造体１０は反時計回りに回転する。

なお、主構造体１０に作用する反モーメントは小さくなるが、向かい合う一組の補助構造体（すなわち、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂ、または補助構造体２０Ｃおよび２０Ｄ）についてのみこのような制御を行ってもよい。また、各補助構造体について一方のプロペラの回転速度のみを変化させるようにしてもよい。

このようにヨーイング制御では、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄのうち少なくとも、向かい合う一組の補助構造体に反モーメントを発生させればよい。これにより、主構造体１０をＺ軸のまわりに回転させることができる。

上述のヒービング制御、ローリング制御およびピッチング制御は、静止時においてだけでなく、浮体構造物１の移動時（後述のスウェイング制御またはサージング制御時）にも行うようにしてもよい。

＜水平方向の推力＞
次に、図８を参照して、各補助構造体における水平方向の推力の発生方法について説明する。図８では補助構造体２０Ａを例にとっているが、補助構造体２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについても同様である。

図８は、アーム２４が長手方向（Ｘ軸方向）の周りに回転することにより、補助構造体２０Ａが角度θだけ傾いた状態を示している。

補助構造体２０Ａの推力軸ＴＬ（モータ２３の回転軸）が鉛直線ＶＬと角度θをなし、プロペラ２１とプロペラ２２により推力Ｆが発生しているとき、水平方向の分力はＦｓｉｎθであり、鉛直方向の分力はＦｃｏｓθである。水平方向の分力を利用することで、主構造体１０を水平方向に移動させることができる。このようにして補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは水平方向の推力を発生可能に構成されている。

［サージング制御、スウェイング制御］
次に、サージングに対して減揺制御するために主構造体１０をＸ軸方向に移動させる制御（サージング制御）を行う場合、およびスウェイングに対して減揺制御するために主構造体１０をＹ軸方向に移動させる制御（サージング制御）を行う場合について説明する。

Ｙ軸方向に主構造体１０を移動させたい場合、図９に示すように、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂを傾けることで水平方向の推力を発生させる。すなわち、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂの推力軸をともに角度θだけ傾ける。これにより、Ｙ軸正方向に沿って主構造体１０を移動させることができる。反対に、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂの推力軸をともに角度－θだけ傾けた場合は、Ｙ軸負方向に沿って主構造体１０を移動させることができる。

同様に、Ｘ軸方向に主構造体１０を移動させたい場合、補助構造体２０Ｃおよび２０Ｄを傾けて水平方向の推力を発生させることで、Ｘ軸方向に沿って主構造体１０を移動させることができる。

なお、サージング制御およびスウェイング制御時に主構造体１０がＺ軸方向に移動しないようにするために、補助構造体２０Ａおよび２０Ｂの鉛直方向の推力を維持する必要がある。例えばスウェイング制御するために補助構造体２０Ａおよび２０Ｂを傾ける際、プロペラの回転速度を増やして推力をΔＦだけ増加させる。推力増加分ΔＦは、（Ｆ_Ａ＋ΔＦ）ｃｏｓθ＝Ｆ_Ａを満たすようにする。ここで、Ｆ_Ａは鉛直方向の推力である。この場合、水平方向の分力はＦ_Ａｔａｎθとなる。

上記のように向かい合う一組の補助構造体の推力軸（回転軸）の角度を制御することにより、サージング制御およびスウェイング制御を行うことができる。サージングやスウェイングに対する減揺制御のほか、主構造体１０を目標位置まで移動させることもできる。

＜第１の実施形態の作用効果＞
以上説明したように、第１の実施形態では、プロペラを回転させて推力を発生可能な補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄが互いに協調動作することで、主構造体１０に対しローリング制御、ピッチング制御、ヒービング制御、ヨーイング制御、スウェイング制御およびサージング制御をいずれも行うことができる。これらの制御を行うことで、主構造体１０を目標姿勢に制御したり、減揺制御したり、目標位置に移動させたりすることができる。

さらに、各補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄがプロペラの回転速度を迅速に増減して推力や反モーメントを調整することで、バラスト水の出し入れ等による従来の浮体制御に比べて、主構造体１０を高速に制御することができる。その結果、本実施形態によれば、高周波の波動に対しても高い応答性を実現することができる。なお、補助構造体がポンプジェットにより推力を発生させる場合にも同様の効果を得ることができる。

さらに、第１の実施形態では、使用状態において本体部１１が水中に位置し、かつ延在部１２を本体部１１よりも細いため、主構造体１０が水面に接する面積が小さい。これにより、主構造体１０は水面上の波動の影響を受けにくくなり、浮力中心が移動することを可及的に回避することができる。その結果、低動力で主構造体１０の制御を行うことができる。また、本実施形態では、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄが水中に配置されるため、水面上の波動の影響をさらに抑制することができる。

さらに、第１の実施形態では、主構造体１０の重心Ｇが水面下にあるため、主構造体１０の揺動制御性を向上させることができる。

さらに、第１の実施形態では、上下２つのプロペラを常に回転させておき、各プロペラの回転速度を独立に制御するため、各補助構造体が１つのプロペラしか有しない場合に比べて、高速応答制御を容易に行うことができる。

なお、上記の説明では、プロペラを用いて推力を発生させたが、これに限られない。例えば、補助構造体は、ポンプジェットにより推力を発生させてもよい。この場合、吸入口から吸入された水をインペラで加速して吐出口（ノズル）からジェット流として噴射することにより推力を発生させる。各補助構造体から噴射されるジェット流の噴出量を制御することで、プロペラの場合と同様の制御を行うことができる。

また、上記の説明では、同じ方向に回転する２つのモータ２３を背中合わせに組み合わせることで、各モータのモーメントが相殺され、補助構造体（推力発生ユニット）のモーメントが０となるようにしていた。本発明はこれに限られず、互いに逆方向に回転する２つのモータ２３を背中合わせに組み合わせて推力発生ユニットを構成してもよい。この場合、各補助構造体がモーメントを有することとなるので、浮体構造物１がＺ軸まわりに回転しないように浮体構造物１全体としてモーメントが０となるように各補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを制御する必要がある。例えば、補助構造体２０Ａ，２０Ｂと、補助構造体２０Ｃ，２０Ｄとでモータ２３の回転方向を逆向きとすることで互いのモーメントが相殺されるようにする。

また、平水区域などにおける使用などで高速応答制御が不要である場合、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄはプロペラ２１（またはプロペラ２２）のみを有するようにしてもよい。この場合、図６および図７から分かるように、補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄのモーメントが全体として打ち消し合うので浮体構造物１がＺ軸まわりに回転することを防止できる。

なお、補助構造体の数は４個に限られるものではない。例えば、３個、５～６個の補助構造体により主構造体１０を制御することも可能である。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、各補助構造体はプロペラ（非浮体）を回転駆動して推力を調整することで主構造体１０の各種制御を行ったが、第２の実施形態では、各補助構造体は浮体を有し、浮体に作用する浮力を調整することで主構造体１０の制御を行う。

以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

図１０は第２の実施形態に係る浮体構造物１Ａの全体斜視図を示し、図１１は使用状態における浮体構造物１Ａの側面図を示している。

本実施形態に係る浮体構造物１Ａは、図１０および図１１に示すように、主構造体１０と、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄと、接続体３０Ａとを備えている。

主構造体１０の構成は第１の実施形態と同様である。図１１に示すように、本体部１１は使用状態において水中に位置する。また、使用状態において主構造体１０の重心Ｇは水面下に位置する。

接続体３０Ａは、主構造体１０と、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄとを接続する。図１２に示すように、接続体３０Ａは延在部１２に挿通され固定されている。

次に、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄについて説明する。

本実施形態では、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが協調動作することで主構造体１０に対する制御（ヒービング制御、ローリング制御およびピッチング制御）が行われる。図１０から分かるように、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、平面視で主構造体１０を取り囲むように設けられている。本実施形態では、主構造体１０を中心にして４つの補助構造体が設けられている。後述のように、複数の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成されている。

補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、接続体３０Ａを介して延在部１２に取り付けられている。補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの取付位置は、静止状態において本体部１１が水中に位置し、延在部１２が水面と交差するように決められる。図１１に示すように、使用状態において補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは浮体２６の浮力により水面に浮く。

図１０のＸＹＺ直交座標系における補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの位置について説明する。ＸＹＺ直交座標系の原点Ｏは本体部１１を平面視したときの中心（補助構造体２５Ａと補助構造体２５Ｂを結ぶ線と、補助構造体２５Ｃと補助構造体２５Ｄを結ぶ線との交点）に位置する。延在部１２はＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在する。補助構造体２５ＡはＸ軸の正領域に位置し、補助構造体２５ＢはＸ軸の負領域に位置する。補助構造体２５ＣはＹ軸の正領域に位置し、補助構造体２５ＤはＹ軸の負領域に位置する。

図１２に示すように、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、各々、浮体２６と、この浮体２６を上下に動かすリンク式移動機構２７と、このリンク式移動機構２７を駆動するモータ２８と、を有する。

リンク式移動機構２７は、２本の平行なリンク棒２７ｓ，２７ｔと、浮体２６に固定された鉛直方向のリンク棒２７ｕとを有する。上側のリンク棒２７ｓの一端は、接続体３０Ａに回転可能に接続され、下側のリンク棒２７ｔの一端はモータ２８に接続されている。２本のリンク棒２７ｓ，２７ｔの他端はいずれもリンク棒２７ｕに回転可能に接続されている。

浮体２６は、中空の円筒体であり、容量は固定（一定）である。この浮体２６は、リンク式移動機構２７により上下方向に移動可能に構成されている。より詳しくは、リンク棒２７ｔの一端がモータ２８により回転駆動されることで、２本のリンク棒２７ｓ，２７ｔが平行を保ったままリンク棒２７ｓ，２７ｔの他端が上方または下方に移動し、それに合わせて浮体２６が上方または下方に移動する。このようにして補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を上下動させることで主構造体１０の制御が行われる。

なお、浮体２６はリンク式移動機構により移動される形態に限られない。例えば、図１３に示すように、ラック＆ピニオン式移動機構２７Ａにより浮体２６を上下に移動させてもよい。この場合、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、接続体３０Ｂを介して延在部１２に取り付けられている。各補助構造体は、浮体２６と、ラック＆ピニオン式移動機構２７Ａと、モータ２８Ａと、を有する。

ラック＆ピニオン式移動機構２７Ａは、ピニオン２７ｐと、ラック２７ｒとを有する。ピニオン２７ｐはモータ２８Ａにより回転駆動される。これにより、ピニオン２７ｐと歯合するラック２７ｒが上方または下方に移動する。浮体２６はラック２７ｒに固定されていることから、ラック２７ｒの移動に合わせて浮体２６は上方または下方に移動する。

なお、浮体２６の移動機構は、リンク式移動機構２７やラック＆ピニオン式移動機構２７Ａに限られるものでなく、他の機構が用いられてもよい。

本実施形態に係る浮体構造物１Ａの機能的な構成については、第１の実施形態（図３参照）とほぼ同じである。モータ２３がモータ２８（２８Ａ）に置き換えられ、プロペラ２１，２２が移動機構２７（２７Ａ）および浮体２６に置き換えられる。

なお、浮体２６は円筒体に限られず、角筒体、直方体等、他の形状の中空体でもよい。また、浮体２６は、中空体に限らず、シンタクチックフォーム等、微少な中空粒子を含む材料から構成されてもよい。

次に、本実施形態に係る浮体構造物１Ａの制御方法について説明する。

第１の実施形態において図４および図５を参照して説明したフローチャートは第２の実施形態でもほぼ同様である。図５のステップＳ３３（駆動量の演算）では、浮体２６の動作量（Ｚ軸方向の移動量）を算出する。例えば、後述の式（３）により目標位置を算出する。主構造体１０の減揺制御においては、主構造体１０の動作特性に対して負帰還(すなわち、運動を抑制する方向)となるように各補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの浮体２６の動作量を決定する。

図５のステップＳ３４（モータの駆動）では、ステップＳ３３で算出された動作量に応じてモータ２８（２８Ａ）を駆動する。これにより、浮体２６が所望の位置に移動する。

＜＜第２の実施形態における主構造体の制御＞＞
次に、図１４および図１５を参照して、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの協調動作による主構造体１０の制御方法について説明する。

［ローリング制御、ピッチング制御］
ピッチング制御やローリング制御を行う場合は、向かい合う一組の補助構造体の浮体２６の一方を下方に移動し、他方を上方に移動させることより、主構造体１０にモーメントを付与する。例えば、図１４に示すように、左側の浮体２６を下方に所定量（ｚ）移動させるとともに右側の浮体２６を上方に所定量（ｚ）移動させた場合、左側の補助構造体が受ける浮力が増加し、右側の補助構造体が受ける浮力が減少する。これにより、時計回りのモーメントＭが主構造体１０に作用する。モーメントＭの大きさは式（１）で与えられる。

ここで、Ｆ：浮体の移動に伴って補助構造体に働く力、ρ：水の密度、Ａ_ｓ：浮体の断面積、ｚ：浮体の移動量、ｇ：重力加速度、ｂ：延在部と浮体間の長さである。

また、主構造体１０の姿勢制御のためのモーメントの指令値は式（２）で与えられる。主構造体１０が直立するように制御する場合は、θ_Ｔ＝０とする。なお、必要に応じて積分制御の項を加えてもよい。

ここで、ｋ_ｖθ：角速度ゲイン、ｋ_ｐθ：角度ゲイン、θ_Ｔ：目標角度、θ：主構造体１０の中心軸が鉛直線となす角度である。なお、角速度ゲインおよび角度ゲインは、事前の実験またはシミュレーションにより求めた値が使用される。シミュレーションでゲインを求める場合、浮体２６の浮力だけでなく、粘性抵抗や慣性を考慮することで精度を高めてもよい。

式（１）および式（２）により、姿勢制御のための浮体２６の目標位置ｚ_ｒは式（３）で与えられる。

図１０を参照して、主構造体１０をＸ軸またはＹ軸まわりに回転制御する場合についてさらに詳しく説明する。

主構造体１０をＸ軸のまわりに回転させたい場合、補助構造体２５Ａおよび補助構造体２５Ｂに同じ大きさの浮力が作用している状態において、補助構造体２５Ａ，２５Ｂの各浮体２６を上下動させず、補助構造体２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を上下動させる。例えば、補助構造体２５Ｄの浮体２６を下方に移動させ、補助構造体２５Ｃの浮体２６を上方に移動させる。これにより、Ｘ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は時計回りのモーメントを受ける。反対に、補助構造体２５Ｃの浮体２６を下方に移動させ、補助構造体２５Ｄの浮体２６を上方に移動させた場合、Ｘ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は反時計回りのモーメントを受ける。

このようにローリング制御では、補助構造体２５Ａおよび補助構造体２５Ｂに同じ大きさの浮力が作用している状態（すなわち、補助構造体２５Ａの浮体２６と補助構造体２５Ｂの浮体２６のＺ軸上の位置が同じ状態）において、補助構造体２５Ｃおよび補助構造体２５Ｄのうち一方に作用する浮力を、他方に作用する浮力よりも大きくすればよい。

なお、ローリング制御を行う際に補助構造体２５Ａおよび補助構造体２５Ｂに同じ大きさの浮力が作用していることは必須ではない。例えば、ローリング制御をピッチング制御と同時に行う場合は、補助構造体２５Ａおよび補助構造体２５Ｂに異なる浮力が作用してもよい。

主構造体１０をＹ軸のまわりに回転させたい場合も同様である。すなわち、補助構造体２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を上下動させず、補助構造体２５Ａ，２５Ｂの各浮体２６を上下動させる。例えば、補助構造体２５Ａの浮体２６を下方に移動させ、補助構造体２５Ｂの浮体２６を上方に移動させた場合、Ｙ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は時計回りのモーメントを受ける。反対に、補助構造体２５Ｂの浮体２６を下方に移動させ、補助構造体２５Ａの浮体２６を上方に移動させた場合、Ｙ軸の負領域から正領域の方向に見たときに主構造体１０は反時計回りのモーメントを受ける。

このようにピッチング制御では、補助構造体２５Ｃおよび補助構造体２５Ｄに同じ大きさの浮力が作用している状態（すなわち、補助構造体２５Ｃの浮体２６と補助構造体２５Ｄの浮体２６のＺ軸上の位置が同じ状態）において、補助構造体２５Ａおよび補助構造体２５Ｂのうち一方に作用する浮力を、他方に作用する浮力よりも大きくすればよい。

なお、ピッチング制御を行う際に補助構造体２５Ｃおよび補助構造体２５Ｄに同じ大きさの浮力が作用していることは必須ではない。例えば、ローリング制御をピッチング制御と同時に行う場合は、補助構造体２５Ｃおよび補助構造体２５Ｄに異なる浮力が作用してもよい。

［ヒービング制御］
ヒービング制御を行う場合は、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を同時に上方または下方に移動させて主構造体１０に鉛直方向の力を作用させる。例えば、図１５に示すように、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を下方に所定量（ｚ）移動させた場合、各補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが受ける浮力が増大し、浮体構造物１Ａには鉛直上向きの力Ｆが作用する。この力の大きさＦは式（４）で与えられる。

ここで、ｎ：浮体２６の個数（本実施形態では４）、ρ：水の密度、Ａ_ｓ：浮体２６の断面積、ｚ：浮体２６の移動量、ｇ：重力加速度である。

反対に、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を上方に所定量（ｚ）移動させた場合、各補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが受ける浮力が減少し、浮体構造物１Ａには鉛直下向きの力Ｆが作用する。このように補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６を上方または下方に移動させることでヒービング制御を行うことができる。

このようにヒービング制御では、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄに作用する浮力をいずれも大きくすることで主構造体１０をＺ軸正方向に移動させ、反対に、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄに作用する浮力をいずれも小さくすることで主構造体１０をＺ軸負方向に移動させる。

＜第２の実施形態の作用効果＞
以上説明したように、第２の実施形態では、浮体２６を上下動させて浮力を調整可能な補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄが協調動作することで、主構造体１０に対しローリング制御、ピッチング制御およびヒービング制御を行うことができる。これらの制御を行うことで、主構造体１０を目標姿勢に制御したり、減揺制御したりすることができる。

さらに、各補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄがリンク式移動機構２７またはラック＆ピニオン式移動機構２７Ａにより浮体２６を素早く上下動させて浮力を調整することで、バラスト水の出し入れ等による従来の浮体制御に比べて、主構造体１０を高速に制御することができる。その結果、本実施形態によれば、高周波の波動に対しても高い応答性を実現することができる。なお、後述の浮体２６Ａのように各補助構造体が容量可変型の浮体により浮力を調整する場合であっても同様の効果を得ることができる。

さらに、第２の実施形態では、第１の実施形態のように常時プロペラを回転させるのでなく、制御時にのみ浮体２６を上下動させるため、消費電力を低減させることができる。

また、第２の実施形態では、使用状態において本体部１１は水中に位置し、かつ延在部１２が水面と交差する面積は、本体部１１が水面と平行な面と交差する面積よりも小さい。このため、制御を行う際に、主構造体１０の本体部１１が水上面の波動の影響を受けにくくすることができ、浮力中心が移動することをできるだけ回避することができる。その結果、比較的小さい動力で主構造体１０の制御を行うことができる。

また、第２の実施形態では、主構造体１０の重心Ｇが水面下にあるため、主構造体１０の揺動制御性を向上させることができる。

なお、補助構造体の数は４個に限られるものではない。例えば、３個、５～６個の補助構造体により主構造体１０を制御することも可能である。

（第２の実施形態の変形例）
図１６を参照して、第２の実施形態の変形例について説明する。本変形例では、容量可変に構成された浮体２６Ａを用いる。図１６は、主構造体１０と、接続体３０Ｃを介して主構造体１０に接続された浮体２６Ａとを備える浮体構造物を示している。本変形例では、各補助構造体は水中に位置する。

浮体２６Ａは、容量可変に構成されている。例えば、浮体２６Ａは、ボールネジやリニアモータを利用して迅速に容量を増減可能なシリンダ機構により構成されている。浮体２６Ａと本体部１１との間にはチューブ（図示せず）が設けられており、浮体２６Ａの容量に応じて、当該チューブを介して本体部１１と浮体２６Ａとの間で空気が出し入れされる。なお、当該チューブは、本体部１１に作用する浮力が変化することを避けるため、延在部１２に沿って固定され、一端が水面の上方に配置されるようにしてもよい。

本変形例においては、ローリング制御またはピッチング制御を行う場合、向かい合う一組の補助構造体について一方の浮体２６Ａの容量を増やし、他方の浮体２６Ａの容量を減らす。容量を増やした浮体２６Ａに作用する浮力は増大し、容量を減らした浮体２６Ａに作用する浮力は減少するため、主構造体１０にモーメントが作用することになる。

ヒービング制御を行う場合は、補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄの各浮体２６Ａの容量を同時に変化させる。各浮体２６Ａの容量を増やした場合は主構造体１０に鉛直上向きの力が増加し、主構造体１０はＺ軸正方向に移動する。反対に各浮体２６Ａの容量を減らした場合は、主構造体１０に鉛直上向きの力が減少し、主構造体１０はＺ軸負方向に移動する。

このように本変形例によれば、第２の実施形態と同様の制御を行うことができる。さらに、本変形例では補助構造体が水中に位置するため、水面上の波動の影響を受けにくくすることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせたものである。すなわち、本実施形態に係る浮体構造物１Ｂは、第１の実施形態に係る浮体構造物１に、第２の実施形態で説明した補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄを取り付けたものに相当する。以下、第１および第２の実施形態との相違点を中心に第３の実施形態について説明する。

図１７は、本実施形態に係る浮体構造物１Ｂの全体斜視図を示している。

浮体構造物１Ｂは、主構造体１０と、主構造体１０の本体部１１に接続された第１の補助構造体群（補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）と、主構造体１０の延在部１２に接続された第２の補助構造体群（補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ）と、接続体３０とを備えている。

第１の補助構造体群は、使用状態において水中に位置し、各々独立して推力を発生可能に構成された補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを有する。第２の補助構造体群は、浮体を有し、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成された補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄを有する。

第３の実施形態によれば、第１および第２の実施形態で述べた効果と同様の効果を得ることができる。

さらに、第３の実施形態によれば、第１の実施形態の推力を利用した制御と、第２の実施形態の浮力を利用した制御とをバランス良く組み合わせることができる。例えば、揺動周期が比較的長いヨーイング、スウェイング、サージングに対しては、非浮体方式（プロペラ等）の補助構造体２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄにより主構造体１０の減揺制御を行う。一方、揺動周期が比較的短いローリング、ピッチング、ヒービングに対しては、プロペラ方式よりも応答性に優れている浮体方式の補助構造体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄにより主構造体１０の減揺制御を行うようにしてもよい。

なお、図１７では容量固定型の浮体２６が用いられているが、第２の実施形態の変形例で説明した容量可変型の浮体２６Ａを用いてもよい。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 浮体構造物
１０ 主構造体
１１ 本体部
１１ａ 蓋部
１２ 延在部
１２ａ 搭載部
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ 補助構造体
２１，２２ プロペラ
２３ モータ
２４ アーム
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ 補助構造体
２６，２６Ａ 浮体
２７ リンク式移動機構
２７ｐ ピニオン
２７ｒ ラック
２７ｓ，２７ｔ，２７ｕ リンク棒
２７Ａ ラック＆ピニオン式移動機構
２８，２８Ａ モータ
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 接続体
３１ 装着部
３２ 接続部
１１０ 制御部
１２０ 無線通信モジュール
１２１ アンテナ
１３０ 加速度センサ
１４０ ジャイロセンサ
１５０ 地磁気センサ
１６０ モータ駆動部
１７０ バッテリ
２００ 遠隔制御装置
Ｆ_１，Ｆ_２ 推力
Ｇ 重心
Ｍ モーメント
Ｓ 船舶
ＴＬ 推力軸
ＶＬ 鉛直線

Claims (17)

1. 主構造体と、
   前記主構造体に接続され、平面視で前記主構造体を取り囲むように設けられた複数の補助構造体と、
   を備え、
   前記主構造体は、
   使用状態において水中に位置する本体部と、
   前記本体部と同じ太さか前記本体部よりも細く、前記本体部から上方に向けて延在し水面から突出する延在部と、を有し、
   前記複数の補助構造体は、互いに協調動作することにより前記主構造体にモーメントまたは推力を付与し、
   前記複数の補助構造体は、使用状態において水中に位置し、各々独立して推力を発生可能に構成されており、
   前記各補助構造体は、回転速度を制御可能な第１プロペラと、前記第１プロペラと回転軸が同じであり、前記第１プロペラの下側に位置するように設けられ、前記第１プロペラとは独立に回転速度を制御可能な第２プロペラと、を有することを特徴とする浮体構造物。
2. 前記主構造体の重心は使用状態において水面下に位置することを特徴とする請求項１に記載の浮体構造物。
3. 前記延在部の先端には搭載部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の浮体構造物。
4. 前記本体部は円筒状であり、前記延在部は前記本体部よりも直径の小さい棒状であることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の浮体構造物。
5. 前記各補助構造体は、前記第１および第２プロペラの回転軸と鉛直線とのなす角度を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の浮体構造物。
6. 前記複数の補助構造体として、第１の補助構造体、第２の補助構造体、第３の補助構造体および第４の補助構造体を備え、
   平面視したときの前記本体部の中心が原点に位置し、前記延在部がＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在するＸＹＺ直交座標系において、
   前記第１の補助構造体はＸ軸の正領域に位置し、
   前記第２の補助構造体はＸ軸の負領域に位置し、
   前記第３の補助構造体はＹ軸の正領域に位置し、
   前記第４の補助構造体はＹ軸の負領域に位置し、
   前記第１～第４の補助構造体による推力を調整することで、ヒービング制御、ローリング制御、ピッチング制御、ヨーイング制御、サージング制御およびスウェイング制御を行うことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の浮体構造物。
7. 前記ヒービング制御では、前記主構造体に作用する鉛直上向きの推力が増加するように前記第１～第４の補助構造体を駆動することで前記主構造体をＺ軸正方向に移動させ、反対に、前記主構造体に作用する鉛直下向きの推力が増加するように前記第１～第４の補助構造体を駆動することで前記主構造体をＺ軸負方向に移動させることを特徴とする請求項６に記載の浮体構造物。
8. 前記ローリング制御では、前記第３の補助構造体および前記第４の補助構造体のうち一方が発生する鉛直上向きの推力を、他方が発生する鉛直上向きの推力よりも大きくすることを特徴とする請求項６に記載の浮体構造物。
9. 前記ピッチング制御では、前記第１の補助構造体および前記第２の補助構造体のうち一方が発生する鉛直下向きの推力を、他方が発生する鉛直下向きの推力よりも大きくすることを特徴とする請求項６に記載の浮体構造物。
10. 前記ヨーイング制御では、前記第１～第４の補助構造体のうち少なくとも、向かい合う一組の補助構造体に反モーメントを発生させることを特徴とする請求項６に記載の浮体構造物。
11. 前記第１～第４の補助構造体は、水平方向の推力を発生可能に構成されており、
    前記サージング制御では、前記第３の補助構造体および前記第４の補助構造体に水平方向の推力を発生させ、
    前記スウェイング制御では、前記第１の補助構造体および前記第３の補助構造体に水平方向の推力を発生させることを特徴とする請求項６に記載の浮体構造物。
12. 主構造体と、
    前記主構造体に接続され、平面視で前記主構造体を取り囲むように設けられた複数の補助構造体と、
    を備え、
    前記主構造体は、
    使用状態において水中に位置する本体部と、
    前記本体部と同じ太さか前記本体部よりも細く、前記本体部から上方に向けて延在し水面から突出する延在部と、を有し、
    前記複数の補助構造体は、互いに協調動作することにより前記主構造体にモーメントまたは推力を付与し、
    前記複数の補助構造体は、浮体を有し、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成され、
    前記複数の補助構造体の各々が有する前記浮体は、容量が固定であり、
    前記複数の補助構造体は、前記浮体を上下に移動させることで自身に作用する浮力を調整することを特徴とする浮体構造物。
13. 前記複数の補助構造体として、第１の補助構造体、第２の補助構造体、第３の補助構造体および第４の補助構造体を備え、
    平面視したときの前記本体部の中心が原点に位置し、前記延在部がＺ軸の負領域から正領域に向かう方向に沿って延在するＸＹＺ直交座標系において、
    前記第１の補助構造体はＸ軸の正領域に位置し、
    前記第２の補助構造体はＸ軸の負領域に位置し、
    前記第３の補助構造体はＹ軸の正領域に位置し、
    前記第４の補助構造体はＹ軸の負領域に位置し、
    前記第１～第４の補助構造体による浮力を調整することで、ヒービング制御、ローリング制御およびピッチング制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載の浮体構造物。
14. 前記ヒービング制御では、前記第１の補助構造体、前記第２の補助構造体、前記第３の補助構造体および前記第４の補助構造体に作用する浮力を大きくすることで前記主構造体をＺ軸正方向に移動させ、反対に、前記第１～第４の補助構造体に作用する浮力を小さくすることで前記主構造体をＺ軸負方向に移動させることを特徴とする請求項１３に記載の浮体構造物。
15. 前記ローリング制御では、前記第３の補助構造体および前記第４の補助構造体のうち一方に作用する浮力を、他方に作用する浮力よりも大きくすることを特徴とする請求項１３に記載の浮体構造物。
16. 前記ピッチング制御では、前記第１の補助構造体および前記第２の補助構造体のうち一方に作用する浮力を、他方に作用する浮力よりも大きくすることを特徴とする請求項１３に記載の浮体構造物。
17. 前記延在部に接続され、浮体を有し、各々独立して、自身に作用する浮力を調整可能に構成された複数の補助構造体をさらに有することを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の浮体構造物。