JP7621643B2 - Underwater Positioning System - Google Patents
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Description
本開示は、水中測位システムに関するものである。 This disclosure relates to an underwater positioning system.
従来、海洋調査等においては、センサを搭載した自律型水中ロボット(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)等の水中移動体が利用されている(例えば、非特許文献1及び2参照。)。 Conventionally, underwater vehicles such as autonomous underwater vehicles (AUVs) equipped with sensors have been used in marine surveys and the like (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
しかしながら、前記従来の水中移動体においては、基準局から水中移動体までの距離を測定するために、音響信号の往復伝播時間を使用しているので、複数の水中移動体の位置を同時に測位することが困難である。 However, in the conventional underwater vehicles, the round-trip propagation time of the acoustic signal is used to measure the distance from the reference station to the underwater vehicle, making it difficult to simultaneously determine the positions of multiple underwater vehicles.
海中を広域かつ効率的に探査するためには、センサを搭載した水中移動体を複数同時に展開することが望ましく、高品質の探査のためには、これら複数の水中移動体の位置をリアルタイムかつ高精度に求める必要がある。しかし、上述のように、音響信号の往復伝播時間を使用しているので、基準局と水中移動体とを1対1として測位する必要があり、同時に展開可能な水中移動体の数に限界がある。 To efficiently explore the ocean over a wide area, it is desirable to simultaneously deploy multiple underwater vehicles equipped with sensors, and to achieve high-quality exploration, the positions of these multiple underwater vehicles must be determined in real time with high accuracy. However, as mentioned above, since the round-trip propagation time of acoustic signals is used, it is necessary to determine the position of each reference station and underwater vehicle on a one-to-one basis, and there is a limit to the number of underwater vehicles that can be deployed simultaneously.
もっとも、近年注目されているOWTT(One Way Travel Time)という方法では、基準局及び水中移動体が備える音響信号の送受信器を完全に同期させて、所定のタイミングで基準局が送信した音響信号を水中移動体が受信するまでの時間に基づいて、基準局から水中移動体までの距離を測定するので、このような問題は解決される。しかし、前記OWTTでは、すべての水中移動体及び基準局が備える時計を原子時計レベルの高い精度で同期させておく必要があるので、コストが非常に高くなる、という問題がある。 However, in a method called OWTT (One Way Travel Time) that has been attracting attention in recent years, the acoustic signal transmitters and receivers of the reference station and underwater vehicle are perfectly synchronized, and the distance from the reference station to the underwater vehicle is measured based on the time it takes for the underwater vehicle to receive an acoustic signal transmitted by the reference station at a specified timing. However, the OWTT requires that the clocks of all underwater vehicles and reference stations be synchronized with high accuracy at the level of atomic clocks, which results in a problem of extremely high costs.
本開示は、前記従来の問題点を解決して、基準局から発信された音響信号の到来角及び水中移動体の深度情報を使用して測位することにより、水中移動体の測位を、高精度で、かつ、低コストで行うことができる水中測位システムを提供することを目的とする。 The present disclosure aims to provide an underwater positioning system that can resolve the above-mentioned conventional problems and determine the position of an underwater moving object with high accuracy and low cost by using the angle of arrival of an acoustic signal transmitted from a reference station and the depth information of the underwater moving object to determine the position.
そのために、水中測位システムにおいては、推進装置を有するとともに、音響信号を水中に発信する基準局と、前記音響信号の送受信を行う送受波器と、深度センサと、姿勢センサと、制御装置とを有する水中移動体と、を備える水中測位システムであって、前記音響信号は、前記基準局の位置情報を含み、前記送受波器は、前記音響信号の到来角を計測し、前記深度センサは、前記水中移動体の深度を計測し、前記姿勢センサは、前記水中移動体の姿勢を計測し、前記制御装置は、前記姿勢センサが計測した水中移動体の姿勢に基づいて前記送受波器が計測した音響信号の到来角を補正し、前記深度センサが計測した水中移動体の深度と補正された音響信号の到来角とに基づいて、前記基準局から水中移動体までの水平距離を算出し、算出された水平距離と、補正された音響信号の到来角と、前記送受波器が受信した基準局の位置情報とに基づいて、前記水中移動体の位置情報を算出し、前記音響信号の到来角のうちの仰俯角が閾値未満である場合には、前記送受波器から前記基準局に前記水中移動体の位置情報を送信し、前記基準局は、前記水中移動体の位置情報を受信すると、前記推進装置を作動させ、前記仰俯角が閾値以上となるまで前記水中移動体に接近する。 To this end, the underwater positioning system has a propulsion device and is equipped with an underwater moving body having a reference station that transmits an acoustic signal underwater, a transducer that transmits and receives the acoustic signal, a depth sensor, an attitude sensor, and a control device, in which the acoustic signal includes position information of the reference station, the transducer measures the angle of arrival of the acoustic signal, the depth sensor measures the depth of the underwater moving body, the attitude sensor measures the attitude of the underwater moving body, and the control device corrects the angle of arrival of the acoustic signal measured by the transducer based on the attitude of the underwater moving body measured by the attitude sensor. The horizontal distance from the reference station to the underwater moving body is calculated based on the depth of the underwater moving body measured by the depth sensor and the angle of arrival of the corrected acoustic signal, and the position information of the underwater moving body is calculated based on the calculated horizontal distance, the angle of arrival of the corrected acoustic signal, and the position information of the reference station received by the transducer. If the elevation/depression angle of the angle of arrival of the acoustic signal is less than a threshold value, the transducer transmits the position information of the underwater moving body to the reference station. When the reference station receives the position information of the underwater moving body, it activates the propulsion device and approaches the underwater moving body until the elevation/depression angle is equal to or greater than the threshold value.
他の水中測位システムにおいては、さらに、前記基準局は前記音響信号をブロードキャストし、前記水中移動体は複数であり、各水中移動体の制御装置が各水中移動体自身の位置情報を算出する。 In another underwater positioning system, the reference station further broadcasts the acoustic signal, there are multiple underwater moving bodies, and a control device for each underwater moving body calculates the position information of each underwater moving body itself.
更に他の水中測位システムにおいては、さらに、前記基準局は複数であり、前記水中移動体の送受波器は複数の基準局が発信した音響信号を受信する。 In yet another underwater positioning system, the reference station is multiple, and the underwater vehicle's transducer receives acoustic signals emitted by the multiple reference stations.
更に他の水中測位システムにおいては、さらに、前記制御装置は、水中音速プロファイルを推定し、推定された水中音速プロファイルから得られた水中音速を考慮して、前記送受波器が計測した音響信号の到来角を補正する。 In yet another underwater positioning system, the control device further estimates an underwater sound speed profile and corrects the angle of arrival of the acoustic signal measured by the transducer, taking into account the underwater sound speed obtained from the estimated underwater sound speed profile.
更に他の水中測位システムにおいては、さらに、前記基準局及び/又は水中移動体は、水温センサ及び塩分濃度センサを有し、前記制御装置は、前記水温センサが計測した水温、前記塩分濃度センサが計測した塩分濃度、及び、前記深度センサが計測した水圧の値を用いて、前記水中音速プロファイルを推定する。 In yet another underwater positioning system, the reference station and/or the underwater moving body further includes a water temperature sensor and a salinity sensor, and the control device estimates the underwater sound speed profile using the water temperature measured by the water temperature sensor, the salinity measured by the salinity sensor, and the water pressure measured by the depth sensor.
本開示によれば、水中移動体の測位を、高精度で、かつ、低コストで行うことができる。 This disclosure makes it possible to measure the position of underwater moving objects with high accuracy and low cost.
以下、実施の形態について詳細に説明する。 The following describes the implementation form in detail.
図1は本実施の形態における水中測位システムの動作を鉛直面に投影した模式図、図2は本実施の形態における水中測位システムの動作を水平面に投影した模式図、図3は水中音速と水温及び塩分濃度との関係を示すグラフ、図4は水中音速の層の境界面に対する角度と屈折による角度変化との関係を示すグラフである。 Figure 1 is a schematic diagram of the operation of the underwater positioning system in this embodiment projected onto a vertical plane, Figure 2 is a schematic diagram of the operation of the underwater positioning system in this embodiment projected onto a horizontal plane, Figure 3 is a graph showing the relationship between the underwater sound speed and the water temperature and salinity concentration, and Figure 4 is a graph showing the relationship between the angle of the underwater sound speed relative to the layer boundary surface and the angle change due to refraction.
図において、10は本実施の形態における水中測位システムに含まれる水中移動体であり、海や河川において潜水状態で水中を航行乃至移動し、例えば、画像を撮影したり、温度計、化学センサ等によって水の状態を測定したりすることにより、種々の調査や観測を行う装置であるが、いかなる目的に使用されるものであってもよい。また、前記水中移動体10は、例えば、無人水中航走体、無人探査機、自律型水中ロボット(AUV)等であるが、それに限定されるものでなく、例えば、水中を遊泳する潜水夫(ダイバー)が手に持って種々の調査や観測を行う装置であってもよいし、潜水夫(ダイバー)が操縦する水中スクーターや有人潜水艇であってもよく、水中を移動するものであれば如何なるものであってもよい。ここでは、説明の都合上、前記水中移動体10は、海中を自律的に移動するAUVであるものとして説明する。 In the figure, 10 is an underwater vehicle included in the underwater positioning system of this embodiment, which is a device that navigates or moves underwater in a submerged state in the sea or river, and performs various investigations and observations, for example, by taking images and measuring the state of the water with a thermometer, chemical sensor, etc., but may be used for any purpose. In addition, the underwater vehicle 10 is, for example, an unmanned underwater vehicle, an unmanned exploration vehicle, an autonomous underwater robot (AUV), etc., but is not limited to these, and may be, for example, a device held by a diver swimming underwater to perform various investigations and observations, or an underwater scooter or manned submersible operated by a diver, or any other device that moves underwater. Here, for convenience of explanation, the underwater vehicle 10 will be explained as an AUV that moves autonomously in the sea.
また、20は、基準局であり、本実施の形態においては、ブイや浮標のような水面31に位置する浮遊装置であって、推進装置としてのスラスタ25を有し、航行可能なものであるとする。 20 is a reference station, which in this embodiment is a floating device such as a buoy or float located on the water surface 31, has a thruster 25 as a propulsion device, and is capable of navigation.
前記基準局20は、前記スラスタ25に加え、水中に音響信号を発信するとともに受信する送受波器21と、GNSS(Global Navigation Satellite System)衛星からの信号を受信して位置を計測する位置センサとしてのGNSS受信器22と、基準局20の方位を計測する方位計測装置としての方位センサ23と、基準局20の各部の動作を制御する制御装置24とを有する。 In addition to the thruster 25, the reference station 20 has a transducer 21 that transmits and receives acoustic signals underwater, a GNSS receiver 22 as a position sensor that receives signals from GNSS (Global Navigation Satellite System) satellites to measure its position, a direction sensor 23 as a direction measuring device that measures the direction of the reference station 20, and a control device 24 that controls the operation of each part of the reference station 20.
前記GNSS受信器22は、スマートフォン、カーナビゲーション装置等に使用されているGPS受信器等の位置センサと同様のものであって、受信したGNSS衛星からの信号に基づいて、基準局20のX-Y座標軸上における位置、すなわち、基準局20の絶対位置を計測して出力する。 The GNSS receiver 22 is similar to position sensors such as GPS receivers used in smartphones, car navigation devices, etc., and measures and outputs the position of the reference station 20 on the XY coordinate axis, i.e., the absolute position of the reference station 20, based on the signals received from the GNSS satellites.
また、前記送受波器21は、所定の間隔で定期的に又は任意のタイミングで音響信号をブロードキャストすることにより発信する送波器としての機能、及び、水中移動体10からの音響信号を受信する受波器としての機能を有する。なお、前記送受波器21は、送波器としての部分と受波器としての部分が別個になったものであってもよいが、ここでは、説明の都合上、送波器としての部分と受波器としての部分とが一体となったものであるとして説明する。そして、前記GNSS受信器22が計測した基準局20の絶対位置の情報(位置情報)も、送受波器21からの音響信号(ブロードキャスト信号)に乗せて発信される。なお、送受波器21における受波器として機能する部分は、必ずしも受信した音響信号の到来角を計測する必要がないので、例えば、単一のハイドロフォン(水中マイク)から構成されたものであってもよい。 The transducer 21 also functions as a transmitter that broadcasts acoustic signals periodically or at any timing at a predetermined interval, and as a receiver that receives acoustic signals from the underwater moving body 10. The transducer 21 may have separate transmitter and receiver parts, but for the sake of convenience, it is described here as a single transducer. The absolute position information (position information) of the reference station 20 measured by the GNSS receiver 22 is also transmitted on the acoustic signal (broadcast signal) from the transducer 21. The part of the transducer 21 that functions as a receiver does not necessarily need to measure the angle of arrival of the received acoustic signal, so it may be composed of, for example, a single hydrophone (underwater microphone).
さらに、前記方位センサ23は、地磁気センサ、MEMSジャイロ、ガスレートジャイロ、光ファイバージャイロ等を有し、これらの検出結果に基づいて、基準局20のヨー(yaw)方向を検出する。なお、前記GNSS受信器22が方位を検出可能なものであって方位計測装置として機能し得る場合には、前記方位センサ23を省略することもできる。 The orientation sensor 23 further includes a geomagnetic sensor, a MEMS gyro, a gas rate gyro, an optical fiber gyro, etc., and detects the yaw direction of the reference station 20 based on the detection results of these. Note that if the GNSS receiver 22 is capable of detecting orientation and can function as an orientation measurement device, the orientation sensor 23 can be omitted.
さらに、前記制御装置24は、CPU等の演算装置、メモリ等の記憶装置、通信装置等を含む一種のコンピュータであり、スラスタ25の動作を制御して、基準局20を所望の位置にまで移動させる。 Furthermore, the control device 24 is a type of computer that includes an arithmetic unit such as a CPU, a storage device such as a memory, a communication device, etc., and controls the operation of the thruster 25 to move the reference station 20 to the desired position.
また、前記水中移動体10は、水中に音響信号を送信するとともに受信する送受波器11と、水中における水中移動体10の深度(水面31からのZ軸方向の距離)を計測する深度センサ12と、水中における水中移動体10の姿勢を計測する姿勢センサ13と、水中における水中移動体10の測位を演算によって行う制御装置14とを有する。 The underwater moving body 10 also has a transducer 11 that transmits and receives acoustic signals underwater, a depth sensor 12 that measures the depth of the underwater moving body 10 underwater (the distance in the Z-axis direction from the water surface 31), an attitude sensor 13 that measures the attitude of the underwater moving body 10 underwater, and a control device 14 that performs calculations to determine the position of the underwater moving body 10 underwater.
前記深度センサ12は、水圧を計測し、計測した水圧に基づいて、前記深度センサ12が取り付けられた水中移動体10の深度を算出して出力する。なお、基準局20における送受波器21の深度、及び、水中移動体10における深度センサ12と送受波器11との深さ(高さ)の差が既知であるので、水中移動体10の深度が分かれば、送受波器21と送受波器11との深度差dzを求めることができる。 The depth sensor 12 measures water pressure and, based on the measured water pressure, calculates and outputs the depth of the underwater moving body 10 to which the depth sensor 12 is attached. Since the depth of the transducer 21 at the reference station 20 and the difference in depth (height) between the depth sensor 12 and the transducer 11 at the underwater moving body 10 are known, the depth difference dz between the transducer 21 and the transducer 11 can be calculated if the depth of the underwater moving body 10 is known.
また、前記姿勢センサ13は、例えば、三軸ジャイロセンサ、三軸加速度センサ等を用いて、前記姿勢センサ13が取り付けられた水中移動体10のヨー(yaw)方向、ロール(roll)及びピッチ(pitch)方向の姿勢を計測して出力する。 The attitude sensor 13 also uses, for example, a three-axis gyro sensor, a three-axis acceleration sensor, etc. to measure and output the attitude in the yaw, roll, and pitch directions of the underwater moving body 10 to which the attitude sensor 13 is attached.
前記送受波器11は、基準局20に対して音響信号を発信する送波器としての機能、送受波器21が発信した音響信号を受信する受波器としての機能、及び、当該音響信号が到来した方向(到来角)を計測して出力する機能を有する。前記送受波器11は、送波器としての部分と受波器としての部分が別個になったものであってもよいが、ここでは、説明の都合上、送波器としての部分と受波器としての部分とが一体となったものであるとして説明する。そして、前記受波器としての部分は、望ましくは、複数のハイドロフォンから構成されたハイドロフォンアレイであって、3つ以上のハイドロフォンを有し、受信した音響信号の到来角を三次元的に計測することができるものである。なお、前記音響信号の到来角は、複数のハイドロフォンに到来した音響信号間の時間差、又は、位相差に基づいて計測されるものであり、その方法は公知であり、非特許文献1及び2には、受信した音響信号の到来角を二次元的に計測する場合の方法が説明されている。 The transducer 11 has a function as a transmitter that transmits an acoustic signal to the reference station 20, a function as a receiver that receives the acoustic signal transmitted by the transducer 21, and a function to measure and output the direction from which the acoustic signal arrives (angle of arrival). The transducer 11 may have separate transmitter and receiver parts, but for the sake of convenience, the transmitter and receiver parts are described as being integrated. The receiver part is preferably a hydrophone array made up of multiple hydrophones, has three or more hydrophones, and can measure the angle of arrival of the received acoustic signal three-dimensionally. The angle of arrival of the acoustic signal is measured based on the time difference or phase difference between the acoustic signals arriving at multiple hydrophones, and the method is publicly known. Non-Patent Documents 1 and 2 explain a method for measuring the angle of arrival of the received acoustic signal two-dimensionally.
また、前記制御装置14は、CPU等の演算装置、メモリ等の記憶装置、通信装置等を含む一種のコンピュータであり、前記送受波器11が出力した音響信号の到来角、前記深度センサ12が出力した深度差dz、及び、姿勢センサ13が出力した姿勢に基づいて、水中移動体10の位置を算出して出力する。なお、図1に示されるように、基準局20の送受波器21の水深をz1 とし、水中移動体10の送受波器11の水深をz2 とすると、深度差dzは、次の式(1)によって表すことができる。
dz=z2 -z1 ・・・式(1)
The control device 14 is a type of computer including an arithmetic device such as a CPU, a storage device such as a memory, a communication device, etc., and calculates and outputs the position of the underwater moving body 10 based on the angle of arrival of the acoustic signal output by the transducer 11, the depth difference dz output by the depth sensor 12, and the attitude output by the attitude sensor 13. As shown in Fig. 1, if the water depth of the transducer 21 of the reference station 20 is z1 and the water depth of the transducer 11 of the underwater moving body 10 is z2 , the depth difference dz can be expressed by the following formula (1).
dz=z 2 -z 1 ...Formula (1)
前記制御装置14は、具体的には、前記深度差dzと、音響信号の到来角のうちの仰俯角(elevation-angle)θr とに基づき、三角関数を用いて、水平面(X-Y平面)における基準局20から水中移動体10までの距離、すなわち、水平距離rを算出し、該水平距離rと、所定の方位(例えば、北)に対する水中移動体10の方向である方位角を示すヨー角(yaw-angle)θy と、音響信号の到来角のうちの方位角(azimuth-angle)θa とに基づき、三角関数を用いて、前記水平距離rのX軸方向成分dx及びY軸方向成分dyを算出し、該水平距離rのX軸方向成分dx及びY軸方向成分dyと、深度差dzと、前記基準局20の絶対位置の情報とに基づいて、水中移動体10の位置を算出する。 Specifically, the control device 14 calculates the distance from the reference station 20 to the underwater moving body 10 in the horizontal plane (X-Y plane), i.e., the horizontal distance r, using trigonometric functions based on the depth difference dz and the elevation angle θ r of the arrival angle of the acoustic signal, calculates the X-axis component dx and the Y-axis component dy of the horizontal distance r using trigonometric functions based on the horizontal distance r, a yaw angle θ y indicating the azimuth angle which is the direction of the underwater moving body 10 relative to a predetermined direction (e.g., north), and an azimuth angle θ a of the arrival angle of the acoustic signal, and calculates the position of the underwater moving body 10 based on the X-axis component dx and the Y-axis component dy of the horizontal distance r, the depth difference dz, and information on the absolute position of the reference station 20.
次に、前記水中移動体10の位置を算出する方法について詳細に説明する。 Next, we will explain in detail how to calculate the position of the underwater moving body 10.
図1に示されるように、基準局20は水面31に位置し、送受波器21の水深がz1 であり、水中移動体10は、水中において水面31から鉛直方向(Z軸方向)に下がった位置であって、送受波器11の水深がz2 となる位置にいるものとする。そして、深度センサ12は、深度を計測して出力する。 1, the reference station 20 is located at the water surface 31, the water depth of the transducer 21 is z1 , and the underwater moving body 10 is located below the water surface 31 in the vertical direction (Z-axis direction) and at a water depth of the transducer 11 is z2 . The depth sensor 12 measures and outputs the depth.
また、送受波器11は、所定の間隔で定期的に又は任意のタイミングで基準局20の送受波器21から発信されたブロードキャスト信号である音響信号を受信する。なお、該音響信号には、GNSS受信器22が計測した基準局20のX-Y-Z座標軸上における位置の情報も含まれているものとする。そして、前記送受波器11は、受信した音響信号の到来角を計測して出力する。また、姿勢センサ13は、水中移動体10の姿勢を計測して出力する。 The transducer 11 also receives an acoustic signal, which is a broadcast signal transmitted from the transducer 21 of the reference station 20 periodically at a predetermined interval or at any timing. The acoustic signal also contains information on the position of the reference station 20 on the X-Y-Z coordinate axes measured by the GNSS receiver 22. The transducer 11 then measures and outputs the angle of arrival of the received acoustic signal. The attitude sensor 13 also measures and outputs the attitude of the underwater moving body 10.
すると、制御装置14は、送受波器11が出力した音響信号の到来角の値を、姿勢センサ13が計測した水中移動体10の姿勢によって補正し、水中移動体10に対する前記音響信号の到来角のうちから、図1に示されるような仰俯角θr の値を取得する。また、基準局20における送受波器21の深度z1 、及び、水中移動体10における深度センサ12と送受波器11との深さ(高さ)の差が既知であるので、制御装置14は、深度センサ12の出力から、送受波器11の水深をz2 を算出し、前記式(1)に従って、送受波器21と送受波器11との深度差dzを算出することができる。図1から、明らかなように、基準局20から水中移動体10までの水平距離rは、次の式(2)によって表すことができる。
r=dz/tanθr ・・・式(2)
Then, the control device 14 corrects the value of the angle of arrival of the acoustic signal output by the transducer 11 according to the attitude of the underwater moving body 10 measured by the attitude sensor 13, and obtains the value of the elevation/depression angle θr as shown in Fig. 1 from the angle of arrival of the acoustic signal with respect to the underwater moving body 10. Since the depth z1 of the transducer 21 at the reference station 20 and the difference in depth (height) between the depth sensor 12 and the transducer 11 at the underwater moving body 10 are known, the control device 14 can calculate the water depth z2 of the transducer 11 from the output of the depth sensor 12, and calculate the depth difference dz between the transducer 21 and the transducer 11 according to the above formula (1). As is clear from Fig. 1, the horizontal distance r from the reference station 20 to the underwater moving body 10 can be expressed by the following formula (2).
r=dz/tanθ r ...Formula (2)
そこで、前記制御装置14は、前記式(2)に従って演算を行い、水平距離rの値を取得する。 Then, the control device 14 performs a calculation according to the formula (2) to obtain the value of the horizontal distance r.
続いて、前記制御装置14は、姿勢センサ13が計測した水中移動体10の姿勢のうちから、図2に示されるような北を示す矢印Nに対する方位角を示すヨー角θy を所得し、また、送受波器11が出力した音響信号の到来角の値を、姿勢センサ13が計測した水中移動体10の姿勢によって補正し、水中移動体10に対する前記音響信号の到来角のうちから、図2に示されるような方位角θa の値を取得する。なお、図2において、矢印Aは水中移動体10の直進する方向(進行方向)を示している。図2から、明らかなように、前記水平距離rのX軸方向成分dx及びY軸方向成分dyは、次の式(3)及び(4)によって表すことができる。
dx=-r×cos(θa +θy )・・・式(3)
dy=-r×sin(θa +θy )・・・式(4)
Next, the control device 14 obtains a yaw angle θy indicating an azimuth angle with respect to an arrow N indicating north as shown in Fig. 2 from the attitude of the underwater moving body 10 measured by the attitude sensor 13, corrects the value of the angle of arrival of the acoustic signal output by the transducer 11 by the attitude of the underwater moving body 10 measured by the attitude sensor 13, and obtains the value of an azimuth angle θa as shown in Fig. 2 from the angle of arrival of the acoustic signal with respect to the underwater moving body 10. In Fig. 2, an arrow A indicates the straight direction (traveling direction) of the underwater moving body 10. As is clear from Fig. 2, the X-axis component dx and the Y-axis component dy of the horizontal distance r can be expressed by the following equations (3) and (4).
dx=-r×cos(θ a +θ y )...Equation (3)
dy=-r×sin(θ a +θ y )...Equation (4)
そして、図2に示されるように、水平面(X-Y平面)における基準局20及び水中移動体10のX座標軸上及びY座標軸上の値を、それぞれ、(x1 、y1 )及び(x2 、y2 )とすると、水中移動体10のX座標軸上及びY座標軸上の値は、次の式(5)及び(6)によって表すことができる。
x2 =x1 -r×cos(θa +θy )・・・式(5)
y2 =y1 -r×sin(θa +θy )・・・式(6)
Then, as shown in Figure 2, if the values on the X coordinate axis and the Y coordinate axis of the reference station 20 and the underwater vehicle 10 in the horizontal plane (X-Y plane) are ( x1 , y1 ) and ( x2 , y2 ), respectively, the values on the X coordinate axis and the Y coordinate axis of the underwater vehicle 10 can be expressed by the following equations (5) and (6).
x 2 =x 1 -r×cos(θ a +θ y )...Equation (5)
y 2 =y 1 -r×sin(θ a +θ y )...Equation (6)
そこで、前記制御装置14は、前記式(5)及び(6)に従って演算を行い、水中移動体10のX座標軸上の値x2 及びY座標軸上の値y2 を取得する。なお、水中移動体10のZ座標軸上の値z2 は、深度である。 Then, the control device 14 performs calculations according to the formulas (5) and (6) to obtain a value x2 on the X coordinate axis and a value y2 on the Y coordinate axis of the underwater moving body 10. The value z2 on the Z coordinate axis of the underwater moving body 10 is the depth.
このように、水中移動体10は、基準局20から発せられる音響信号のみにより、基準局20からの水平距離r及び方位角を求めることができる。したがって、水中移動体10が複数である場合でも、各水中移動体10は、互いに独立して、基準局20からの水平距離r及び方位角を求めることができる。すなわち、単一の基準局20から発せられるブロードキャスト信号である音響信号により、複数の水中移動体10が同時に、基準局20からの相対位置を計測することもできる。 In this way, the underwater moving body 10 can determine the horizontal distance r and azimuth angle from the reference station 20 using only the acoustic signal emitted from the reference station 20. Therefore, even if there are multiple underwater moving bodies 10, each underwater moving body 10 can determine the horizontal distance r and azimuth angle from the reference station 20 independently of each other. In other words, multiple underwater moving bodies 10 can simultaneously measure their relative positions from the reference station 20 using the acoustic signal, which is a broadcast signal emitted from a single reference station 20.
また、「発明が解決しようとする課題」の項で説明した従来の水中移動体のように音響信号の往復伝播時間を使用するものでなく、水中移動体10は、基準局20から発せられる音響信号を受信するだけなので、測位間隔(時間間隔)を短くすることができ、しかも、水中移動体10が複数であっても、測位することができる。 In addition, unlike the conventional underwater vehicles described in the section "Problems to be Solved by the Invention," which use the round-trip propagation time of an acoustic signal, the underwater vehicle 10 simply receives an acoustic signal emitted from the reference station 20, making it possible to shorten the positioning interval (time interval), and even if there are multiple underwater vehicles 10, positioning is possible.
さらに、GNSS受信器22が計測した基準局20の絶対位置の情報(位置情報)が送受波器21からの音響信号(ブロードキャスト信号)に乗せて発信されるので、水中移動体10の絶対位置の計測が可能となり、海中調査やマッピングなどに大いに役立つことを期待することができる。 In addition, information on the absolute position (position information) of the reference station 20 measured by the GNSS receiver 22 is transmitted on an acoustic signal (broadcast signal) from the transducer 21, making it possible to measure the absolute position of the underwater vehicle 10, which is expected to be extremely useful for underwater surveys, mapping, etc.
なお、前記基準局20は、必ずしも単一である必要はなく、複数であってもよい。この場合、水中移動体10は、複数の基準局20からの相対位置を計測することができるので、自身の絶対位置の計測精度を向上させることができる。また、複数の基準局20が広範囲に亘って存在すると、水中移動体10も広範囲に亘って移動しつつ自身の絶対位置を計測することが可能となる。 The reference station 20 does not necessarily have to be a single station, but may be multiple stations. In this case, the underwater moving body 10 can measure its relative position from multiple reference stations 20, thereby improving the measurement accuracy of its absolute position. Furthermore, if multiple reference stations 20 exist over a wide range, the underwater moving body 10 can also measure its absolute position while moving over a wide range.
ところで、水中音速は、水温、塩分濃度及び圧力により、図3に示されるように変化する(例えば、非特許文献3参照。)。そして、水中を進む音波は、音速の違いにより屈折することが、スネルの法則として、知られている。一般に、海洋では、水深によって水温が大きく変わり、水中音速の違いも大きくなるので、測位誤差が小さい高精度な音響測位のためには、水中音速の鉛直方向の分布である水中音速プロファイルを求め、それによる音の屈折を考慮することが望ましい。
そこで、本実施の形態においては、必要に応じて、水中移動体10及び/又は基準局20に図示されない音速センサ、水温センサ、塩分濃度センサ等を取り付けて水中音速プロファイルを求めるようにする。これにより、基準局20から水中移動体10までの水平距離rを計算する際に、音の屈折を考慮することが可能となり、測位誤差を小さくし、測位精度を向上させることができる。具体的には、水温センサによって水温を計測し、計測された水温に基づき、メドウィンの式、ユネスコの式等の公知の関係式(例えば、非特許文献4の7.3節参照。)によって水中音速を求め、スネルの法則(例えば、非特許文献4の3.4節参照。)によって音の屈折を計算する。
なお、水中音速を求める場合、塩分濃度も計測することがより望ましく、精度も向上するが、水温と比較すると、水中音速への影響が小さいので、塩分濃度は一定値であると仮定することもできる。また、圧力(水圧)は深度センサ12によって計測される。 When calculating the speed of sound in water, it is more desirable to also measure the salinity concentration, which improves accuracy. However, since salinity has a smaller effect on the speed of sound in water compared to water temperature, it can be assumed that the salinity is a constant value. Pressure (water pressure) is measured by the depth sensor 12.
本実施の形態においては、次のようにして、水中音速プロファイルを推定することができる。まず、基準局20及び水中移動体10の両方が有する図示されない水温センサによって水温を計測する。基準局20が計測した水温は、音響信号に乗せて発信される。水中移動体10の制御装置14は、基準局20が計測した水温及び水中移動体10が計測した水温の両方をリアルタイムで取得することができるので、両方の水温の間の変化は直線的であると仮定して、水温プロファイルを求め、さらに、塩分濃度及び圧力の値を用い、メドウィンの式、ユネスコの式等の公知の関係式によって水中音速プロファイルを推定する。この場合、塩分濃度は、水温と同様にして計測するか、又は、一定値であると仮定することによって求められ、圧力は水中移動体10の深度によって求められる。 In this embodiment, the underwater sound speed profile can be estimated as follows. First, the water temperature is measured by a water temperature sensor (not shown) that both the reference station 20 and the underwater moving body 10 have. The water temperature measured by the reference station 20 is transmitted on an acoustic signal. The control device 14 of the underwater moving body 10 can acquire both the water temperature measured by the reference station 20 and the water temperature measured by the underwater moving body 10 in real time, so it determines the water temperature profile by assuming that the change between the two water temperatures is linear, and further estimates the underwater sound speed profile by known relational expressions such as the Medwin formula and the UNESCO formula using the values of the salinity and pressure. In this case, the salinity is measured in the same way as the water temperature or is determined by assuming that it is a constant value, and the pressure is determined by the depth of the underwater moving body 10.
さらに、送受波器11が受信する音響信号の強度を計測するようにすれば、基準局20から水中移動体10までの水平距離rの精度をより向上させることができる。 Furthermore, by measuring the strength of the acoustic signal received by the transducer 11, the accuracy of the horizontal distance r from the reference station 20 to the underwater vehicle 10 can be further improved.
また、水中音速が層状に分布し、ほぼ水深のみに依存して水平方向の変化が非常に小さくなっているので、測位誤差は、仰俯角θr が小さくなるほど、大きくなる。そこで、本実施の形態においては、仰俯角θr が所定の閾値θmin 未満となる場合、すなわち、θr <θmin の条件を満たす場合、前記制御装置14は、送受波器11を制御して、前述のようにして算出した水中移動体10の位置情報、すなわち、X-Y-Z座標軸上の値(x2 、y2 、z2 )を音響信号に乗せて基準局20に送信させ、該基準局20は、当該音響信号を受信すると、スラスタ25を作動させてθr ≧θmin となるまで、水中移動体10に接近するようになっている。これにより、測位誤差を小さくし、測位精度を向上させることができる。 In addition, since the underwater sound speed is distributed in layers and the horizontal change is very small depending almost only on the water depth, the smaller the elevation/depression angle θr , the larger the positioning error becomes. Therefore, in this embodiment, when the elevation/depression angle θr is less than a predetermined threshold θmin , that is, when the condition θr < θmin is satisfied, the control device 14 controls the transducer 11 to transmit the position information of the underwater moving body 10 calculated as described above, that is, the value ( x2 , y2 , z2 ) on the X-Y-Z coordinate axis, on an acoustic signal to the reference station 20, and when the reference station 20 receives the acoustic signal, it operates the thruster 25 to approach the underwater moving body 10 until θr ≧ θmin is satisfied. This makes it possible to reduce the positioning error and improve the positioning accuracy.
具体的には、基準局20が移動する方向αは、次の式(7)及び(8)を満たす角度である。
sin(α)=(y2 -y1 )/r・・・式(7)
cos(α)=(x2 -x1 )/r・・・式(8)
Specifically, the direction α in which the reference station 20 moves is an angle that satisfies the following expressions (7) and (8).
sin (α) = (y 2 - y 1 )/r...Equation (7)
cos(α)=(x 2 -x 1 )/r...Formula (8)
ここで、前記水平距離rは、次の式(9)で表される。
r={(x2 -x1 )2 +(y2 -y1 )2 }1/2 ・・・式(9)
Here, the horizontal distance r is expressed by the following equation (9).
r={(x 2 - x 1 ) 2 + (y 2 - y 1 ) 2 } 1/2 ...Formula (9)
そして、基準局20は、水中移動体10が基準局20からの相対位置を計測する際の仰俯角θr が前記閾値θmin 以上となるまで、すなわち、次の式(10)が満たされるまで移動する。
r≦(z2 -z1 )/tanθmin ・・・式(10)
The reference station 20 moves until the elevation/depression angle θr when the underwater vehicle 10 measures its relative position from the reference station 20 becomes equal to or larger than the threshold value θmin , that is, until the following formula (10) is satisfied.
r≦(z 2 - z 1 )/tanθ min ...Formula (10)
これを実現するためには、基準局20自身の方位を知る必要があるので、前記基準局20は、方位センサ23によって自身の方位を計測する。なお、GNSS受信器22が方位を検出可能なものである場合には、方位センサ23を省略することができる。そして、制御装置24は、これらの計算を行うととともに、スラスタ25の動作を制御して、基準局20を前記式(10)が満たされるまで移動させる。 To achieve this, the reference station 20 needs to know its own orientation, so the reference station 20 measures its own orientation using an orientation sensor 23. If the GNSS receiver 22 is capable of detecting the orientation, the orientation sensor 23 can be omitted. The control device 24 performs these calculations and also controls the operation of the thrusters 25 to move the reference station 20 until the above formula (10) is satisfied.
水中移動体10が複数である場合、2台以上の水中移動体10について、同時に、θr <θmin となる場面が想定される。この場合、基準局20は、最も条件が厳しい(つまり、仰俯角θr が最小となる)水中移動体10に接近することが望ましいと思われる。ただし、例えば、有人潜水艇と無人探査機とが混在している場合のように、水中移動体10によって測位の重要性が異なる場合もあるので、一概には言うことはできない。 When there are multiple underwater vehicles 10, it is possible that θr < θmin will be satisfied simultaneously for two or more underwater vehicles 10. In this case, it is desirable for the reference station 20 to approach the underwater vehicle 10 with the most stringent conditions (i.e., the elevation/depression angle θr is smallest). However, this cannot be generalized because the importance of positioning may differ depending on the underwater vehicle 10, for example, when manned submersibles and unmanned exploration vehicles are mixed.
前述のように、仰俯角θr が小さくなるほど測位誤差が大きくなるのは、水中音速が層状に分布し、ほぼ水深のみに依存して水平方向の変化が非常に小さくなっていることに因る。音速の異なる層に入るとき、音波はスネルの法則によって屈折する。スネルの法則は、非特許文献4の3.4節に示される式3.70により、次の式(11)で表すことができる。
νA /cosθ=νB /cos(θ+Δθ)・・・式(11)
As mentioned above, the smaller the elevation/depression angle θr , the larger the positioning error becomes. This is because the underwater sound speed is distributed in layers, and the horizontal change is very small, depending almost only on the water depth. When a sound wave enters a layer with a different sound speed, it is refracted according to Snell's law. Snell's law can be expressed by the following formula (11) according to formula 3.70 shown in section 3.4 of Non-Patent Document 4.
ν A /cosθ=ν B /cos(θ+Δθ)...Formula (11)
ここで、νA 及びνB は、それぞれ、層A及び層Bの音速であり、θは、層Aから層Bへ入射する音波の層Aと層Bとの境界面に対する角度であり、境界面が水平面であるときは仰俯角θr に等しい。また、Δθは屈折による音波の角度変化である。 where νA and νB are the sound velocities in layers A and B, respectively, and θ is the angle of the sound wave incident from layer A to layer B with respect to the boundary surface between layers A and B, which is equal to the elevation/depression angle θr when the boundary surface is a horizontal plane. Also, Δθ is the angle change of the sound wave due to refraction.
前記式(11)及びcosθの微分の定義により、角度変化Δθは、Δθの値が小さい場合、次の式(12)で近似することができる。
Δθ=(νA -νB )/νA /tanθ・・・式(12)
According to the above formula (11) and the definition of the derivative of cos θ, the angle change Δθ can be approximated by the following formula (12) when the value of Δθ is small.
Δθ=(ν A - ν B )/ν A /tanθ...Equation (12)
前記式(12)から、角度変化Δθは、θの値が小さいほど、すなわち、仰俯角θr が小さいほど、大きくなることが分かる。したがって、仰俯角θr が小さくなるほど測位誤差が大きくなることが分かる。 It can be seen from the above formula (12) that the smaller the value of θ, that is, the smaller the elevation/depression angle θr , the larger the angle change Δθ becomes. Therefore, it can be seen that the smaller the elevation/depression angle θr, the larger the positioning error becomes.
実際の海や河川の音速分布は、水の流れ、降雨等の様々の要因によって時空間的に変動しており、更に各種センサの計測誤差もあるので、たとえ水中音速を計測して仰俯角θr を補正したとしても、どうしても誤差が残ってしまう。この誤差が仰俯角θr 及び前記式(2)によって表される水平距離rに与える影響は、前記の考察により、仰俯角θr が小さくなるほど、大きくなることが分かる。 The sound speed distribution in the actual sea or river varies in time and space due to various factors such as water flow and rainfall, and there are also measurement errors in various sensors, so even if the underwater sound speed is measured and the elevation/depression angle θr is corrected, an error will inevitably remain. From the above consideration, it can be seen that the influence of this error on the elevation/depression angle θr and the horizontal distance r expressed by the above formula (2) becomes larger as the elevation/depression angle θr becomes smaller.
図4は、非特許文献4の8.4節に示される図8.7を参考にして、νA =1530〔m/s〕及びνB =1520〔m/s〕とした場合に前記式(12)から求められるθとΔθとの関係を示すグラフである。図4において、横軸はθの値〔deg〕を示し、縦軸はΔθの値〔deg〕を示している。 Fig. 4 is a graph showing the relationship between θ and Δθ obtained from the above formula (12) when ν A =1530 [m/s] and ν B =1520 [m/s], with reference to Fig. 8.7 shown in Section 8.4 of Non-Patent Document 4. In Fig. 4, the horizontal axis indicates the value of θ [deg], and the vertical axis indicates the value of Δθ [deg].
図4によれば、θが30〔deg〕以下になると、Δθが急激に大きくなることが分かる。このことから、前記閾値θmin は、30〔deg〕程度が妥当である、と言える。 4, it can be seen that Δθ increases rapidly when θ becomes equal to or less than 30 degrees, which suggests that the threshold value θ min should be set to approximately 30 degrees.
次に、実際に製作された水中移動体10及び基準局20の実証機について説明する。 Next, we will explain the actual underwater vehicle 10 and reference station 20 demonstration model.
図5は本実施の形態における水中移動体の実証機の写真、図6は本実施の形態における基準局の実証機の写真、図7は本実施の形態における水中移動体の実証機及び基準局の実証機の写真である。 Figure 5 is a photograph of a demonstration machine for an underwater vehicle in this embodiment, Figure 6 is a photograph of a demonstration machine for a reference station in this embodiment, and Figure 7 is a photograph of a demonstration machine for an underwater vehicle and a demonstration machine for a reference station in this embodiment.
本発明の発明者は、図5~7に示されるような水中移動体10の実証機及び基準局20の実証機を実際に作製した。 The inventors of the present invention have actually constructed a demonstrator of the underwater vehicle 10 and a demonstrator of the reference station 20 as shown in Figures 5 to 7.
前記水中移動体10の実証機は、図5に示されるように、推進器を備えて海中を自律的に移動するAUVであり、音響信号を受信する送受波器11として、SSBL(Super Short Base Line)又はUSBL(Ultra Short Base Line)と称されるハイドロフォンアレイが搭載されている。該ハイドロフォンアレイは、具体的には、Blueprint subsea社製のX150 USBL Transponder Beaconという製品<URL:https://www.blueprintsubsea.com/pages/product.php?PN=BP00795>である。また、当該ハイドロフォンアレイには、姿勢センサ13として機能するセンサも組み込まれている。さらに、前記実証機は、深度センサ12として、Blue Robotics社製のBar30という製品<https://bluerobotics.com/store/sensors-sonars-cameras/sensors/bar30-sensor-r1/>が搭載されている。 As shown in Figure 5, the demonstration model of the underwater vehicle 10 is an AUV equipped with a propulsion device that moves autonomously in the sea, and is equipped with a hydrophone array called SSBL (Super Short Base Line) or USBL (Ultra Short Base Line) as a transmitter/receiver 11 that receives acoustic signals. Specifically, the hydrophone array is a product called X150 USBL Transponder Beacon manufactured by Blueprint subsea <URL: https://www.blueprintsubsea.com/pages/product.php?PN=BP00795>. The hydrophone array also incorporates a sensor that functions as an attitude sensor 13. Furthermore, the demonstration model is equipped with a Blue Robotics product called Bar30 as the depth sensor 12: <https://bluerobotics.com/store/sensors-sonars-cameras/sensors/bar30-sensor-r1/>.
また、前記基準局20の実証機は、図6に示されるように、水面に浮かぶブイや浮標のような浮遊装置であるが自律的な移動が可能なものであり、GNSS受信器22として、GPS(Global Positioning System)衛星からの信号を受信して測位するGPS受信器が搭載されている。 As shown in Figure 6, the demonstration model of the reference station 20 is a floating device like a buoy or float that floats on the water surface, but is capable of autonomous movement, and is equipped with a GNSS receiver 22, a GPS (Global Positioning System) receiver that receives signals from GPS satellites to determine position.
そして、前記水中移動体10の実証機は、図7に示されるように、前記基準局20の実証機から音響信号を受信して測位する。 Then, as shown in FIG. 7, the underwater vehicle 10 demonstration model receives acoustic signals from the reference station 20 demonstration model and determines its position.
このように、本実施の形態において、水中測位システムは、スラスタ25を有すると共に、音響信号を水中に発信する基準局20と、音響信号の送受信を行う送受波器11と、深度センサ12と、姿勢センサ13と、制御装置14とを有する水中移動体10とを備える。そして、音響信号は、基準局20の位置情報を含み、送受波器11は、音響信号の到来角を計測し、深度センサ12は、水中移動体10の深度を計測し、姿勢センサ13は、水中移動体10の姿勢を計測し、制御装置14は、姿勢センサ13が計測した水中移動体10の姿勢に基づいて送受波器11が計測した音響信号の到来角を補正し、深度センサ12が計測した水中移動体10の深度と補正された音響信号の到来角とに基づいて、基準局20から水中移動体10までの水平距離rを算出し、算出された水平距離rと、補正された音響信号の到来角と、送受波器11が受信した基準局20の位置情報とに基づいて、水中移動体10の位置情報を算出し、音響信号の到来角のうちの仰俯角θr が閾値θmin 未満である場合には、送受波器11から基準局20に水中移動体10の位置情報を送信し、基準局20は、水中移動体10の位置情報を受信すると、スラスタ25を作動させ、仰俯角θr が閾値θmin 以上となるまで水中移動体10に接近する。 Thus, in this embodiment, the underwater positioning system has a thruster 25 and comprises a reference station 20 that transmits acoustic signals underwater, an underwater moving body 10 having a transmitter/receiver 11 that transmits and receives acoustic signals, a depth sensor 12, an attitude sensor 13, and a control device 14. The acoustic signal includes position information of the reference station 20, the transducer 11 measures the angle of arrival of the acoustic signal, the depth sensor 12 measures the depth of the underwater moving body 10, the attitude sensor 13 measures the attitude of the underwater moving body 10, the control device 14 corrects the angle of arrival of the acoustic signal measured by the transducer 11 based on the attitude of the underwater moving body 10 measured by the attitude sensor 13, calculates a horizontal distance r from the reference station 20 to the underwater moving body 10 based on the depth of the underwater moving body 10 measured by the depth sensor 12 and the corrected angle of arrival of the acoustic signal, calculates position information of the underwater moving body 10 based on the calculated horizontal distance r, the corrected angle of arrival of the acoustic signal, and the position information of the reference station 20 received by the transducer 11, and determines whether or not an elevation/depression angle θr of the angle of arrival of the acoustic signal is greater than or equal to a threshold value θ If the elevation angle θr is less than the threshold value θmin , the transmitter/receiver 11 transmits position information of the underwater vehicle 10 to the reference station 20, and when the reference station 20 receives the position information of the underwater vehicle 10, it activates the thrusters 25 and approaches the underwater vehicle 10 until the elevation/depression angle θr becomes equal to or greater than the threshold value θmin .
これにより、水中移動体10の測位を、高精度で、かつ、低コストで行うことができる。基準局20から水中移動体10までの相対位置関係を、原子時計のような高価な装置を使用することなく、正確に計測することができるので、基準局20の位置情報及び基準局20からの方位に基づいて、水中移動体10の位置情報を、低コストでありながら、正確に得ることができる。また、仰俯角θr が閾値θmin 未満である場合には、仰俯角θr が閾値θmin 以上となるまで基準局20が水中移動体10に接近するので、測位誤差を小さくし、測位精度を向上させることができる。 This allows the positioning of the underwater moving body 10 to be performed with high accuracy and at low cost. Since the relative positional relationship from the reference station 20 to the underwater moving body 10 can be accurately measured without using an expensive device such as an atomic clock, the position information of the underwater moving body 10 can be obtained accurately at low cost based on the position information of the reference station 20 and the direction from the reference station 20. Furthermore, when the elevation/depression angle θr is less than the threshold value θmin , the reference station 20 approaches the underwater moving body 10 until the elevation/depression angle θr becomes equal to or greater than the threshold value θmin , thereby reducing the positioning error and improving the positioning accuracy.
また、基準局20は音響信号をブロードキャストし、水中移動体10は複数であり、各水中移動体10の制御装置14が各水中移動体10自身の位置情報を算出する。したがって、複数の水中移動体10の位置情報を同時に、かつ、個別に得ることができる。 The reference station 20 broadcasts an acoustic signal, and there are multiple underwater moving bodies 10, and the control device 14 of each underwater moving body 10 calculates the position information of each underwater moving body 10 itself. Therefore, the position information of multiple underwater moving bodies 10 can be obtained simultaneously and individually.
さらに、閾値θmin は30〔deg〕である。これにより、屈折による音波の角度変化Δθが大きくなることがなく、測位誤差を小さくすることができる。 Furthermore, the threshold value θ min is 30 degrees, which prevents the angle change Δθ of the sound wave caused by refraction from becoming large, thereby making it possible to reduce positioning errors.
さらに、基準局20は複数であり、水中移動体10の送受波器11は複数の基準局20が発信した音響信号を受信する。これにより、水中移動体10は、複数の基準局20からの相対位置を計測することができるので、自身の絶対位置の計測精度を向上させることができる。また、複数の基準局20が広範囲に亘って存在すると、水中移動体10も広範囲に亘って移動しつつ自身の絶対位置を計測することが可能となる。 Furthermore, there are multiple reference stations 20, and the transducer 11 of the underwater moving body 10 receives acoustic signals emitted by the multiple reference stations 20. This allows the underwater moving body 10 to measure its relative position from the multiple reference stations 20, thereby improving the measurement accuracy of its own absolute position. Furthermore, if multiple reference stations 20 exist over a wide range, the underwater moving body 10 can also measure its own absolute position while moving over a wide range.
さらに、制御装置14は、水中音速プロファイルを推定し、推定された水中音速プロファイルから得られた水中音速を考慮して、送受波器11が計測した音響信号の到来角を補正する。これにより、基準局20から水中移動体10までの水平距離rを計算する際に、音の屈折を考慮することが可能となり、測位精度を向上させることができる。 Furthermore, the control device 14 estimates the underwater sound speed profile and corrects the angle of arrival of the acoustic signal measured by the transducer 11, taking into account the underwater sound speed obtained from the estimated underwater sound speed profile. This makes it possible to take into account sound refraction when calculating the horizontal distance r from the reference station 20 to the underwater moving body 10, thereby improving positioning accuracy.
さらに、基準局20及び/又は水中移動体10は、図示されない水温センサ及び塩分濃度センサを有し、制御装置14は、水温センサが計測した水温、塩分濃度センサが計測した塩分濃度、及び、深度センサ12が計測した水圧の値を用いて、水中音速プロファイルを推定する。したがって、低コストでありながら、測位精度を向上させることができる。 Furthermore, the reference station 20 and/or the underwater moving body 10 have a water temperature sensor and a salinity concentration sensor, not shown, and the control device 14 estimates the underwater sound speed profile using the water temperature measured by the water temperature sensor, the salinity measured by the salinity concentration sensor, and the water pressure measured by the depth sensor 12. Therefore, it is possible to improve the positioning accuracy while keeping the cost low.
以上のように、本明細書の開示によれば、本発明は、原子時計のような高額な装置を使用することなく、複数の水中移動体10の水中測位を実現することができるので、低コストかつ大規模なマルチ移動体による水中探査の実現に大きく寄与する。現在、複数の海中ロボット(特に、自律型水中ロボット:AUV)の同時展開技術が注目されており、国家プロジェクトによる大規模開発も進行中である(例えば、非特許文献5参照。)。一方では、「水中ドローン」と呼ばれるような、従来よりも低コストの海中探査移動体が実現されつつあり(例えば、非特許文献6参照。)、水中工事、漁業、資源探査、洋上エネルギ開発、インフラ点検等の様々な用途への適用が期待されていることから、低コストなマルチ移動体探査を実現し得る本発明への需要は、大きいと思われる。
なお、本明細書の開示は、好適で例示的な実施の形態に関する特徴を述べたものである。ここに添付された特許請求の範囲内及びその趣旨内における種々の他の実施の形態、修正及び変形は、当業者であれば、本明細書の開示を総覧することにより、当然に考え付くことである。 The disclosure of this specification describes features of preferred and exemplary embodiments. Various other embodiments, modifications, and variations within the scope and spirit of the claims appended hereto will naturally occur to those skilled in the art upon review of the disclosure of this specification.
本開示は、水中測位システムに適用することができる。 This disclosure can be applied to underwater positioning systems.
10 水中移動体
11 送受波器
12 深度センサ
13 姿勢センサ
14 制御装置
20 基準局
21 送受波器
22 GNSS受信器
23 方位センサ
24 制御装置
25 スラスタ
31 水面
10 Underwater moving body 11 Transmitter/receiver 12 Depth sensor 13 Attitude sensor 14 Control device 20 Reference station 21 Transmitter/receiver 22 GNSS receiver 23 Orientation sensor 24 Control device 25 Thruster 31 Water surface
Claims (5)
前記音響信号の送受信を行う送受波器と、深度センサと、姿勢センサと、制御装置とを有する水中移動体と、
を備える水中測位システムであって、
前記音響信号は、前記基準局の位置情報を含み、
前記送受波器は、前記音響信号の到来角を計測し、
前記深度センサは、前記水中移動体の深度を計測し、
前記姿勢センサは、前記水中移動体の姿勢を計測し、
前記制御装置は、前記姿勢センサが計測した水中移動体の姿勢に基づいて前記送受波器が計測した音響信号の到来角を補正し、前記深度センサが計測した水中移動体の深度と補正された音響信号の到来角とに基づいて、前記基準局から水中移動体までの水平距離を算出し、算出された水平距離と、補正された音響信号の到来角と、前記送受波器が受信した基準局の位置情報とに基づいて、前記水中移動体の位置情報を算出し、前記音響信号の到来角のうちの仰俯角が閾値未満である場合には、前記送受波器から前記基準局に前記水中移動体の位置情報を送信し、
前記基準局は、前記水中移動体の位置情報を受信すると、前記推進装置を作動させ、前記仰俯角が閾値以上となるまで前記水中移動体に接近することを特徴とする水中測位システム。 a reference station having a propulsion device and transmitting an acoustic signal underwater;
an underwater moving body having a transducer for transmitting and receiving the acoustic signal, a depth sensor, an attitude sensor, and a control device;
An underwater positioning system comprising:
the acoustic signal includes position information of the reference station;
The transducer measures an angle of arrival of the acoustic signal;
The depth sensor measures the depth of the underwater moving object,
The attitude sensor measures an attitude of the underwater moving body,
the control device corrects the angle of arrival of the acoustic signal measured by the transducer based on the attitude of the underwater moving body measured by the attitude sensor, calculates a horizontal distance from the reference station to the underwater moving body based on the depth of the underwater moving body measured by the depth sensor and the corrected angle of arrival of the acoustic signal, calculates position information of the underwater moving body based on the calculated horizontal distance, the corrected angle of arrival of the acoustic signal, and position information of the reference station received by the transducer, and transmits the position information of the underwater moving body from the transducer to the reference station if an elevation/depression angle of the angle of arrival of the acoustic signal is less than a threshold value;
An underwater positioning system characterized in that, when the reference station receives position information of the underwater vehicle, it activates the propulsion device and approaches the underwater vehicle until the elevation/depression angle becomes equal to or greater than a threshold value.
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