JPH01127487A - 母船追従式無人無索水中ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、航行する母船と水中ロボットとがケーブル
などの有索で結ばれていない無人無索からなる水中ロボ
ットであって、母船からの信号を受信しながら母船の航
行に追従して水中を航行し、例えば水中（海中も含む）
の状況をＶ＆測するものなどに使用される水中ロボット
に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば水中（海中も含む）の状況を観測する場合
には、テレビカメラやステイルカメラなどの撮影機器を
内蔵した有人の潜水艇か、ケーブルなどの有索で母船と
結ばれた無人の水中ロボットが使用されていた。

有人の潜水艇の場合には、潜水艇に乗り込んでいる人間
によって操縦されるため、水中の障害物を避けながら航
行できる利点がある。

また、無人で有索の水中ロボットとしては、例えば、特
開昭６１−２０００８９号公報に記載の「水中点検ロボ
ット」が知られている。

この従来の水中点検ロボットは、ケーブルからなる有索
によって潜水装置が吊り下げられ、また、このケーブル
が、潜水装置の水中における移動を電気的に制御する装
置への電カケープルとしての殿能と、水中における観察
結果を地上の管制局に電子的に伝送するときの伝送ケー
ブルとしての機能とを兼ね、複合ケーブルとしての特徴
を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記の有人の潜水艇にあっては、前述し
た利点がある反面、事故が起こった場合、これが直ちに
人命にかかわる大事故につながる恐れがあり、比較的安
全な地域の水中の観測以外は使用できなかった。又、潜
水艇に乗り込んでいる人間の健康の面から、長時間、水
中での観測ができないという問題点があった。

また、前記の有索の水中点検ロボットにあっては、複数
の機能を兼ねるケーブルがあるために、このケーブルが
妨げとなって、潜水装置の運動が自由でなく、その運動
性能が低下して、水中を観測するうえで大きな問題点と
なる。

更にまた、水中ロボットを母船とケーブルなどの有索で
結ぶ場合には、ケーブルが母船のスクリューに絡まった
り、破断したりする事故が起こりている。

このように、潜水装置（水中ロボット）の運動性能の低
下や、ケーブルがスクリューに絡まったり、破断したり
する等のトラブルの大きな原因として、有索であること
が大きな要因をなしている。

そして、特に、水流が速い場合、それが速ければ速いほ
ど、その形容は深刻になるという問題点を有している。

この発明は、上記のような問題点に鑑み、その問題点を
解決すべく創案されたものであって、その目的とすると
ころは、有人や有索の場合の欠点を解消し、しかも、無
人無索の水中ロボットでありながら、母船からの信号を
受信して、その母船の航行に追従して水中を自由に航行
し、さらに、水中の障害物を自動的に回避して、例えば
水中の状況を観測することのできる水中ロボットを提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

以上の目的を達成するためにこの発明は、無人無索から
なる水中ロボットに、母船と水中ロボットとの相対位置
を検出すべく母船からの信号を受信する受信部と、水中
の障害物を検出する障害物検知センサと、水中ロボット
の傾きを調整するスラスタ−と、水中ロボットを運動さ
せる推進部と、水中ロボ・７トを潜行及び浮上させる潜
行浮上機構と、上記受信部、障害物検知センサからの情
報に基づき上記スラスタ−と推進部を制御する制御機構
と、を少なくとも装備した構成よりなる。

（作用〕 以上のような構成を有するこの発明は次のように作用す
る。

すなわち、観測したい水域まで水中ロボットを搬送し、
その水域で水中ロボットを水中に潜行させた後、母船と
水中ロボットとの相対位置を常に検知できるように、母
船から水中ロボットに信号を出す。母船からの信号は受
信部で受信され、その情報は制御機構に送られる。制御
機構では情報の内容に応じて、適宜、スラスタ−と推進
部を駆動して、母船の動きに追従させて水中ロボットを
潜航させる。水中ロボットは母船の動きに追従するので
、母船は例えば観測した水域を航行するのみで、水中ロ
ボットを観測したい水域の水中に導くことができる。そ
して、潜航する水中ロボットに、例えば装備した観測用
機器で水中の状況を観測する。

この間、水中の障害物に遭遇した場合には、障害物検知
センサで障害物を検知して、その情報が制御機構に送ら
れ、その情報の内容に応して、適宜、スラスタ−と１ｔ
ｋｉ！！部を駆動して、水中の障害物を自動的に回避さ
せながら、例えば水中の状況を観測する。

〔実施例〕

以下、図面に記載の実施例に基づいてこの発明をより具
体的に説明する。

ここで、第１図は母船に設けられた指令部と水中の水中
ロボットを示す概要図、第２図は水中ロボットの平面図
、第３図は水中ロボットの側面図である。

図において、無人無索からなる水中ロボットｌは、耐圧
容器からなるロボット本体２と、は船３と水中ロボット
１との相対位置を検出すべく水面上の母船３からの信号
を受信する受信部４と、水中の障害物を検出する障害物
検知センサ５と、水中の状況を観測する観測用機器６と
、水中ロボット１の傾きを調整するスラスタ−７と、水
中ロボット１を運動させる推進部８と、水中ロボットｌ
を潜行及び浮上させる潜行浮上機構９と、上記受信部４
、障害物検知センサ５からの情報に基づき上記スラスタ
−７と推進部８を制御する制御Ｂ機構１０などから構成
されている。

耐圧容器からなるロボット本体２は、例えば比重の小さ
なＦＲＰ　（強化プラスチック）材から造られ、その内
部が中空となっている。ロボット本体２の上面側には水
面上の母船３からの信号を受信する受信部４が装備され
ている。

受信部４は例えば超音波受信器からなり、水面上の母船
３からの相対位置を検出するために２対の超音波受信器
が配置されている。このため、母船３には、水中ロボッ
ト１に母船３との相対位置を知らせる超音波送信器１１
が設けられている。

また、母船３には水中ロボット１に潜行、浮上などの指
令を与える超音波送信器１２が設けられている。更に水
中ロボット１の位置を確認するためのスキャンニゲソナ
ー１３を搭載している。それぞれの超音波送信器の共振
周波数は干渉が最も少なくなるように選定されている。

今、母船３が一定速度で航行している場合を考えると、
母船３の超音波送信器１１から常時送出されている位置
信号は、水中（又は海中）を伝播し水中ロボットｌの受
信部４に伝えられる。水中ロボット１には、２対の超音
波受信器が第４図のように配置され、母船３からの相対
位置が水深センサによるデータと超音波受信器の出力に
より計算される。これは、超音波の伝播するスピードが
一定であるとして、到達時間の差により水中ロボット１
と母船３との仰角を計算するもので、簡単な三角関数の
式で求められる。

この超音波受信器の受信部４の構成は、第５図に示す通
りである。即ち、超音波受信器からの出力θ８、θ、を
増幅器１４で増幅した後、θアーθ、の時間差出力信号
を到達、時間差信号出力回路１５により取り出し、その
時間幅に対応したアナグロ電圧を出力するｆ／ｖコンバ
ータ１６（周波数−電圧変換）により、水中ロボノトエ
と母船３との仰角に応じたアナグロ電圧が出力される。

このアナグロ電圧は、Ａ／Ｄ変換器１７によりデジタル
信号に変換されＣＰＵ回路１Ｂにデータが送られる。こ
の処理が２系統あり、両方のデータをあわせて水面と同
一のｘ、ｙ平面内における、水中ロボット１と母船３の
相対位置を算出させるものである。

ロボット本体２の前部側には、水中ロボット１が水中を
航行中に水底（又は海底）の障害物を検知して自動的に
回避できるようにするために、例えば第６図（Ａ）〜（
Ｄ）に示すような障害物検知センサ５が設けられている
。障害物検知センサ５は超音波を利用して障害物を検知
するようになっている。これは、水中ロボットｌの前部
部分に振動子をある所定の角度をもって取付けるもので
、図において黒丸のマークが超音波センサ（超音波振動
子）である。第６図はセンサの取付は角を説明するため
の概念図であり、実際の取付は箇所は頭部ドーム１９の
上下に分けて取付は方が撮影などの邪魔にならない。

障害物検知センサ５は、下方５−１、前斜め下方５−２
、前方５−３、前斜め上方５−４、右斜め下方５−５、
左斜め下方５−６の６個の超音波振動子から成っている
。

第６図（Ｄ）に示すように、下方５−１と前斜め下方５
−２とに設けられた障害物検知センサ５により、水底（
又は海底）が水平面となす角θ１と、前斜め下方５−２
と前方５−３に設けられた障害物検知センサからの出力
によりθ２を計算する。

ここで指令角度として、 θ　＝　　ｋ、　　θ１　＋　ｋ２θ２（ｋ＋　、ｋｚ
として最適な数値を選ぶ）水中ロボット１が水底面（又
は海底面）の地形に応じた角度データを制御機構１０に
送ることによって、上記推進部８０角度の制御が行われ
水底の地形に沿って、水底から一定の距離を保ちながら
航行することが可能となる。

また、前方５−３や、左右の５−４．５−５などの障害
物検知センサ５が障害物を検知した場合は、いち早くそ
の情報を上記のロボット本体２内部に装備された制御機
構１０に送り、障害物を回避するために右旋回、左旋回
又は上昇などを行わせる。

このような全ての判断基準は上記制御機構１０のファー
ムウェア化された制御プログラムに内蔵されており、水
中ロボット１は自動的にこれらの判断、回避動作などを
行うようになっている。

上記の水中の状況を観測する観測用機器６は、ロボット
本体２に内蔵されており、又ロボット本体２の前部側に
設けられた頭部ドーム１９の内部に設置されている。頭
部ドーム１９は半球面の形状を有し、例えば透明な耐圧
ガラスで形成されている。観測用機器６には例えばテレ
ビカメラやステイルカメラなどが使用されるが、特に立
体的観測が要求される場合には、観測用機器６として超
音波送受信装置が使用されることもある。

この観測用機器６で観測された内容は記録装置に記録さ
れ、水中ロボット１を回収した後にロボット本体２の内
部から取り出すようになっているものや、観測用機器６
で観測された内容を、信号に置き換えて水面上の母船３
に伝達するものがある。母船３に伝達するタイプのもの
にあっては、水中ロボット１に発信器が設けられ、父母
器３に受信器が設けられている。

上記ロボット本体２の後部には、尾翼が十字状に設けら
れ、又水中ロボット１の傾きを調整するスラスタ−７が
設けられている。スラスタ−７はロボット本体２の後部
側に形成されている。スラスタ−７は水中ロボット１の
トリム角調整用として機能する。スラスタ−７は制御機
構１０によって制御される。

また、ロボット本体２の左右の側面には、水中ロボソト
エを運動させる一対の推進部８が装備されている。各推
進部８は略弾頭状の形状からなるカバーによってその内
部が保護されており、その内部にはモーターやギヤなど
が内装されている。

又推進部８の後部には推進用のスクリューが設けられ、
そのスクリューの周面側には円筒状のダクトが形成され
ている。

推進部８はロボット本体２の側面に回動自在に取付けら
れていて、ロボット本体２に対して水平並びに垂直方向
に回動できるようになっている。

このため、ロボット本体２に対する推進部８の角度を変
え、更に推進部８のモーターの回転数制御により、自由
に３次元空間での動きを可能にすることができる。これ
らの推進部８の制御は制御機構１０によって行われる。

更に、ロボット本体２の内部には、水中ロボ・７ト１を
潜行及び浮上させる潜行浮上機構９が設けられている。

潜行浮上機構９には、圧縮気体ボンへ、バラストタンク
９ａなどが含まれる。バラストタンク９ａはロボット本
体２の上部側の左右両側に形成されていて、バラストタ
ンク９ａに圧縮気体ボンベから圧搾空気を送り込んで内
部の水や海水を排出させたり、バラストタンク９ａに水
や海水を注入したりする電磁弁の開閉制御によって、水
中ロボットｌの水中重量を調整し、水中ロボットｌの潜
行及び浮上を可能にしている。

潜行浮上機構９の制御は制御機構１０で行われ、水中ロ
ボット１の潜行浮上などの動作は母船３の超音波送信器
１２により、超音波で伝えられるが、別個のタイマー機
構などによって、浮上開始時間を制御することも可能で
ある。また、水中ロボット１が危険な状態に瀕した時に
は自動的に緊急浮上するように制御される。

例えば、水中ロボット１のロボット本体２の内部に漏水
があった場合、各所に配置された漏水センサの出力を制
御機構１０でとらえ、速やかに浮上させるものである。

また、スラスタ−７や推進部８のモーターに異常が発生
して、例えばサーマルリレーが機能してこの事態を検知
した際に、速やかに浮上させるものである。

以上のシステムを更に完全なものとするためには、水中
ロボ・／ト１の姿勢保持が重要となる。母船３からの相
対位置を知らせる超音波をいかに正確に受取り、推進セ
ンサにより推進を感知し、障害物検知センサ５により障
害物を検知可能としても、それは水中ロボット１の姿勢
が水平に保たれていることが前提条件となる。しかしな
がら、常時姿勢を水平に（Ｉｌｌきを０に）保つことは
不可能なので、水中ロボット１は、ヒール、トリム方向
にそれぞれ傾斜センサを内蔵し、この傾斜センサの出力
で母船３との相対位置情報、障害物との距離、水底（又
は海底）との角度などを補正計算するシステムとなって
いる。また、これらの超音波センサのデータを連続して
保持し水底（又は海底）の地形を調査することも可能で
ある。

上記の制御機構１０は、母船３と水中ロボット１との相
対位置を検出すべく母船３からの信号を受信する受信部
４と、水中の障害物を検出する障害物検知センサ５とか
らの情報に基づき、水中ロボットｌのスラスタ−７と推
進部８を制御をするものであり、プログラム化されたコ
ンピュータを内蔵している。制御機構ＩＯは必要に応じ
て、潜行浮上機構９をも制御したり、水中ロボット１の
姿勢制御の補正計算なども取り扱うことができるように
なっている。この制御機構１０はロボット本体２に内蔵
されている。

また、ロボット本体２の下部には着底用脚２０が設けら
れている。

次に上記実施例の構成に基づく作用について以下説明す
る。

先ず、観測したい水域（又は海域）まで水中ロボット１
を搬送する。水中ロボットｌは母船３に載せて所定の水
域に運ばれる。所定の水域まで母船３で運ばれた水中ロ
ボットｌは、そこで、母船３から水面（又は海面）に降
ろされる。

水面におろされた水中ロボン）１は、水中（又は海中）
の比重と略同じになるように、潜行浮上機構９のバラス
トタンク９ａに水又は海水を注入して調整される。そし
て、水中ロボット１の比重が略水中（又は海中）の比重
と同じなったところで、水中ロボット１を母船３から切
り離す。

この場合において、水中ロボット１には予め、切り離し
自在な重りが連結されているため、水中ロボット１はこ
の重りによって潜行する。そして、水中ロボット１０頭
部ドーム１９の下方５−１に設けた障害物検知センサ５
で海底までの距離を測定しながら、所定の深さまで水中
ロボシトｌが潜行した時、重りは水中ロボットｌから切
り離される０重りの切り離し機構は、例えば水平な推進
部８を垂直の状態に回動した場合に、重りを把持してい
た把持機構が自動的に開いて、重りを切り離すような構
成などがある。

重りを切り離した水中ロボット１は、水中（又は海中）
の比重と略同じになるため、その降下が止まり、その位
置に浮遊することになる。

このような状態になった後、母船３から信号を水中ロボ
ットｌに送る。母船３からの信号は、超音波の信号に変
換された後、母船３に設けられた超音波送信器１１から
送信される。超音波送信器１１から送信された超音波は
、水中に浮遊する水中ロボット１の２対の超音波受信器
からなる受信部４で受信される。そして、受信部４で受
信された信号を前述した方法により解析して、母船３に
対する水中ロボット１の相対位置を検出し、その情報は
制御機構１０に送られ、この制御機構１０のコンピュー
タによって判断され、その判断に基づき、水中ロボット
１のスラスタ−７や推進部８を制御して、母船３の動き
に水中ロボット１が追従するようにコントロールされる
。

このようにして、観測させたい水域を母船３が航行する
のみで、母船３の動きに追従する水中ロボット１の機能
を利用して、観測させたい水域の水中を水中ロボッ）１
で観測させることができ、水中ロボット１の頭部ドーム
１９に内蔵された観測用機器６が、水中の状況を観測し
、その観測結果は、記録装置に記録されたり、母船３に
伝送されたりすることなる。

また、水中を航行中に水中ロボット１が水中の障害物に
遭遇した場°合には、障害物検知センサ５が障害物を検
知する。第６図に示すような前方５−３や、左右の５−
４．５−５などの障害物検知センサ５が障害物を検知し
た場合は、いち早くその情報を上記のロボット本体２内
部に装備された制御機構１０に送られ、その情報の内容
に応して、適宜、スラスタ−７と推進部８を駆動して、
障害物を回避するために右旋回、左旋回又は上昇などが
行われる。

このような全ての判断ｙ＆準は上記制御機構１０のファ
ームウェア化された制御プログラムに内蔵されており、
水中ロボット１は自動的にこれらの判断、回避動作など
を行うようになっている。そして、水中の障害物を自動
的に回避しながら、水中の状況を観測することができる
のである。

水中の観測を終了して、水中ロボット１を浮上させる場
合には、母船３の超音波送信器１２からの信号や、必要
に応じてタイマー機構の作動などによって、制ｉＴＥ機
！１１１０を介して或いは直接に潜行浮上機構９を作動
させる。この作動は、バラストタンク９ａに圧縮気体ボ
ンへから圧搾空気を送り込んで内部の水や海水を排出さ
せて、バラストタンク９ａを軽くすることにより、水中
ロボットｌの比重を水（又は海水）より小さくして、水
中ロボットｌを浮上させるようになっている。

なお、この発明は上記実施例に限定されるものではなく
、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし
得ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上の記載より明らかなように、この発明に係る水中ロ
ボットによれば、潜航中の水中ロボットと水面上を航行
する母船とは、ケーブルなどの有索で結ばれておらず、
全くの無人無索からなる水中ロボットである。

即ち、水面上を航行する母船からのケーブルが全くない
ため、有索であることに起因する各種のトラブル、例え
ば水中ロボットの運動性能の低下や、母船のスクリュー
にケーブルが絡まったり破断したりする不都合等を排除
できる。そして、特に、水流の速い水域でも運動性能に
優れた潜航機能を発揮して、例えば水中の状況を観測す
ることが可能となる。

しかも、母船は例えば観測したい水域（又は海域）を単
に航行するだけで、水中の水中ロボットが自動的に母船
に追従しながら観測を行うので、このため、煩わしい機
械操作を殆ど不要することができる。このように、この
発明に係る水中ロボットは自由に水中を航行でき、従来
の有索の水中ロボットにはない優れた特性を備えている
。

さらに、無人であるため、危険性もな（安心して、例え
ば所望の水域での水中の観測を行うことができ、また、
人間の健康などを考慮する必要がないから、長時間の観
測も可能となる。

加えて、この発明に係る水中ロボットは、予め想定され
る各種の水底（又は海底）地形パターンに対して、動作
のアルゴリズムを知能として有しており、水中の障害物
に対しても、自動的に回避する動作を行い、このため、
煩わしい操作に悩まされることもない。

このように、この発明によれば、温かに使いやすく安全
性に富む高性能の水中ロボットを提供することができ、
産業界に対する貢献度は甚だ大である。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明に係る水中ロボットの実施例を示すもの
であって、第１図は母船に設けられた指令部と水中の水
中ロボットを示す概要図、第２図は水中ロボットの平面
図、第３図は水中ロボットの側面図、第４図は水中ロボ
ットに設けられた２対の受信部と母船からの超音波送信
器の対応を説明する図、第５図は母船と水中ロボットと
の相対位置を検出するための処理回路のブロック図、第
６図（Ａ）〜（Ｄ）は障害物検知センサの取付概念図で
、（Ａ）は頭部ドームの平面図、（Ｂ）は頭部ドームの
正面図、（Ｃ）は頭部ドームの右側面図、（Ｄ）は水底
の地形データを測定する図である。 〔符号の説明〕 ｌ；水中ロボット　　　２；ロボット本体３：母船　　
　　　　　４：受信部 ５：障害物検知センサ　６：ｒ＆測用機器７：スラスタ
−８：ｆ［Ｉ：退部 ９：潜行浮上機構　　　９８：バラストタンク１０：制
御機構　　　　　１１：超音波送信２１１２：Ｊｆｉ音
波送信器　　１３：スキャンニグソナー１４：増幅器　
　　１５：到達時間差信号出力回路１６：　Ｆ／Ｖ：＋
７バータ　１７：　Ａ／Ｄ変換器１８：ＣＰＬ１回路　
　　　１９：頭部ドーム２０：着底用脚 特許出願人　　佐世保先端技術開発協同組合代理人　弁
理士　　　原　崎　　正 第１図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 無人無索からなる水中ロボットに、母船と水中ロボット
   との相対位置を検出すべく母船からの信号を受信する受
   信部と、水中の障害物を検出する障害物検知センサと、
   水中ロボットの傾きを調整するスラスターと、水中ロボ
   ットを運動させる推進部と、水中ロボットを潜行及び浮
   上させる潜行浮上機構と、上記受信部、障害物検知セン
   サからの情報に基づき上記スラスターと推進部を制御す
   る制御機構と、を少なくとも装備したことを特徴とする
   水中ロボット。