JPH0457560B2 - - Google Patents

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ツトとが
ケーブルなどで結ばれている無人有索の水中ロボ
ツトであつて、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、水中（海中も
含む）の状況を観測するものなどに使用される母
船追従式無人有索水中ロボツトに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、港湾、漁礁など比較的浅い海域では、海
底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、ケーブルなどで母船と結ばれた有索の無
人ロボツトを海上から操作して使用していた。特
に無人有索のロボツトに関しては、経済性と安全
性の面から急速に全世界的に広がりつつある。例
えば、特開昭61−200089号公報に記載の「水中点
検ロボツト」などが知られている。

このような従来の有索式水中ロボツトは、ケー
ブル等によつ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力ケーブルとしての機能
と水中における観察結果を地上の作業者に電気的
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。

また、動力をもたない曳航式の調査用水中ロボ
ツトは、母船が水中ロボツトを曳航しながら水中
の調査を行うものであつた。

〔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つて
は、、事故の場合人命にかかわる恐れがあり、ま
た潜水艇に乗り込んでいる人間の健康面から、長
時間水中での観測ができないなどの問題点があ
り、好んで用いられてはいない。

また、前記の有索の水中ロボツトにあつては、
地上で水中ロボツトの運動を制御することが困難
であり、天地が分からなくなつたり、現在どの位
置にいるのか全く分からなくなるなど、観察・調
査作業にかなりの難しさがあつた。このように水
中ロボツトの操作が難しいことが全く致命的とな
るケースは、例えば広い海域を長時間に渡り調
査・観測する場合である。このような用途の場
合、従来の水中ロボツトでは中々用をなさないも
のである。

長時間、広い海域を調査するためには、動力を
もたない曳航式の水中ロボツトも存在するが、港
湾などで調査を行う場合、水中ロボツトの位置関
係を厳密に把握するという点、及び必要に応じて
海上から操作し、海底の狭い部位を詳しく調査す
るという点に関して非常に問題である。すなわ
ち、推力をもたないために、マニユアル制御が不
可能なのである。

この発明は、上記のような問題点に鑑み、その
問題点を全て完全に解決すべく創案されたもので
あつて、その目的とするところは、有人や有索の
水中ロボツト（曳航式も含む）の欠点を解消し、
しかも、無人有索の水中ロボツトでありながら、
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、比較的浅い海域を広範囲
に渡り、母船との位置関係を正確に保ちながら水
中の状況を観測・調査でき、また、母船からの信
号を所定時間受信不能になつたときには、水中ロ
ボツトを緊急に浮上させて、受信不能に陥つた水
中ロボツトが水中で迷走するのを未然に防ぐこと
ができる母船追従式無人有索水中ロボツトを提供
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、水上
から電力を供給する送電線と、水上と水中の情報
交信のための通信線とを有する無人有索の水中ロ
ボツトにおいて、母船と水中ロボツトとの相対位
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、水中ロボツトの傾きを調整するスラスター
と、水中ロボツトを運動させる推進部と、上記ス
ラスター及び推進部を制御する制御機構と、母船
からの信号を受信部が所定時間受信不能時に水中
ロボツトを緊急浮上させる緊急浮上機構と、母船
からの信号を受信部が受信不能時に通信線を介し
て母船に警告信号を送信する警告機構とを少なく
とも装備し、前記制御機構は、受信部からの情報
に基づいて、航行する母船に水中ロボツトが追従
するように上記スラスター及び推進部を制御し、
且つ、障害物検知センサからの情報に基づいて、
障害物を水中ロボツトが航行しながら回避するよ
うに上記スラスター及び推進部を制御する構成よ
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ツトを
搬送し、その水域で水中ロボツトを水中に潜行さ
せた後、母船と水中ロボツトとの相対位置を常に
検知できるように、母船から水中ロボツトに信号
を送出する。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、スラスターと推進
部を駆動して、母船の動きに追従させて水中ロボ
ツトを潜航させる。

水中ロボツ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
ロボツトを観測したい水域の水中に導くことがで
きる。そして、潜航する水中ロボツトに、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じて、適
宜、スラスターと推進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。

また、母船からの信号を受信部が受信不能時に
は、警告機構が作動して通信線を介して母船に警
告信号を送信し、更に、母船からの信号を受信部
が所定時間受信不能時には、緊急浮上機構が作動
して水中ロボツトを緊急浮上させる。

〔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
中の水中ロボツトを示す概要図、第２図は水中ロ
ボツトの平面図、第３図は水中ロボツトの側面図
である。

図において、母船追従式の無人有索からなる水
中ロボツト１は、耐圧容器からなるロボツト本体
２と、母船３と水中ロボツト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、水中ロボツト１の傾きを調整するスラスター
７と、水中ロボツト１を運動させる推進部８と、
水中ロボツト１と母船３とをつなぐケーブル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ー７と推進部８を制御す
る制御機構１０などから構成されている。

耐圧容器からなるロボツト本体２は、例えば比
重の小さなFRP（強化プラスチツク）材から造ら
れ、その内部が中空となつている。ロボツト本体
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、水中ロボツト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には水中ロボツト１に潜行、浮上な
どの指令を与える超音波送信器１１が設けられて
いる。更に水中ロボツト１の向きを確認するため
水中ロボツト１内と、母船３にそれぞれ方位セン
サ（例えば磁気方位センサ）を内蔵し、データケ
ーブル９により、ロボツト１からその情報を送出
し、２つの方位の差を求めることにより、母船３
に対して水中ロボツト１の相対方位を算出できる
ようにしている。

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
し水中ロボツト１の受信部４に伝えられる。水中
ロボツト１には、２対の超音波受信器が第４図の
ように配置され、つまり水面上の母船３からの相
対位置を検出すべく２対の超音波受信器が直交方
向に配置され、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ツ
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θ_x，θ_yを増幅器１４で増幅した後、θ_x−θ_y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ログ電圧
を出力するｆ／ｖコンバータ１６（周波数−電圧
変換）により、水中ロボツト１と母船３との仰角
に応じたアナログ電圧が出力れさる。このアナロ
グ電圧は、Ａ／Ｄ変換器１７によりデジタル信号
に変換されCPU回路１８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、水中ロボツ
ト１と母船３の相対位置を算出させるものであ
る。

ロボツト本体２の前部側には、水中ロボツト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つてい
る。これは、水中ロボツト１の前部部分に振動子
をある所定の角度をもつて取付けるもので、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図はセンサの取付け角を説明す
るための概念図であり、実際の取付け箇所は頭部
ドーム１９の上下に分けて取付け方が撮影などの
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
振動子から成つている。

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＝k₁θ₁＋k₂θ₂ （k₁，k₂として最適な数値を選ぶ） 水中ロボツト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
よつて、上記推進部８の角度の制御が行われ水底
の地形に沿つて、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ツト本体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
のフアームウエア化された制御プログラムに内蔵
されており、水中ロボツト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つている。

上記の水中の状況を観測する観測用機器６は、
ロボツト本体２に内蔵されており、又ロボツト本
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れさることもある。

この観測用機器６で観測された内容はケーブル
９を介して、母船３に送られ、リアルタイムに海
底の様子を見ることができるようになつている。
そのため、ある地点を詳細に観測したいと思うと
きは、母船３を止めて、水中ロボツト１をマニユ
アルコントロールに切り換え、従来の有索式水中
ロボツトが行つていたような、狭い地点の詳細観
測もただちに行うことができるという利点も併せ
もつている。

上記ロボツト本体２の後部には、尾翼が十字状
に設けられ、又水中ロボツト１の傾きを調整する
スラスター７が設けられている。スラスター７は
ロボツト本体２の後部側に形成されている。スラ
スター７は水中ロボツト１のトリム角調整用とし
て機能する。スラスター７は制御機構１０によつ
て制御される。

また、ロボツト本体２の左右の側面には、水中
ロボツト１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
カバーによつ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ユーが設け
られ、そのスクリユ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はロボツト本体２の側面に回動自在に
取付けられていて、ロボツト本体２に対して水平
並びに垂直方向に回動できるようになつている。
このため、ロボツト本体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によつて行われる。

ケーブル９は、その一端がロボツト本体２の上
面側に接続され、他端が母船３に接続されてい
る。ケーブル９は、上記推進部８を駆動させる電
力を母船３から水中ロボツト１に供給する送電線
と、母船３と水中ロボツト１との間での情報交信
のための通信線とを１本の複合体としたものであ
る。ケーブル９はその外周が保護材で被覆されて
いる。また、水中ロボツト１が潮流などにより母
船３から引き離されるときに生じる張力では簡単
に切れない程度の強度をケーブル９は備えてい
る。さらに、ケーブル９は水中ロボツト１の水中
での運動に対応できる捻回性及び屈曲性を備えて
いる。

以上のシステムを更に完全なものとするために
は、水中ロボツト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、それは水中ロボツト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（傾きを０に）保つことは不可能
なので、水中ロボツト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
るシステムとなつている。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と水中ロボツト
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
ボツト１のスラスター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ユータを
内蔵している。制御機構１０は必要に応じて、ケ
ーブル９の通信線を介して母船３からの信号によ
り制御することができ、又水中ロボツト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
になつている。この制御機構１０はロボツト本体
２に内蔵されている。

また、水中ロボツト１には、母船３と水中ロボ
ツト１との相対位置を検出するために母船３から
発せられている信号を受信部４が受信できないと
き、ケーブル９の通信線を介して母船３に警告信
号を送信する警告機構、又は推進部８を上向きに
制御して水中ロボツト１を緊急浮上させる緊急浮
上機構、のいずれか又は双方が組み込まれてい
る。緊急浮上機構は母船３からの信号を受信部４
が一定時間受信できないとき自動的に作動する機
構になつている。これらの警告機構や緊急浮上機
構は、上記制御機構１０に組み込まれているが、
独立の機構として設けられることもある。

なお、ロボツト本体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
ボツト１を搬送する。水中ロボツト１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ツト１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ツト１は、水中（又
は海中）の比重と略同じになるように、あらかじ
め設計製作されている。水中ロボツト１は推進部
８を下向きにして潜行を開始する。そして、水中
ロボツト１の頭部ドーム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、所定の深さまでに到達したとき、潜行を
完了する。

このような状態になつた後、母船３から信号を
水中ロボツト１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
超音波送信機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
中ロボツト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
対する水中ロボツト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
のコンピユータによつて判断され、その判断に基
づき、水中ロボツト１のスラスター７や推進部８
を制御して、母船３の動きに水中ロボツト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
ボツト１の機能を利用して、観測させたい水域の
水中を水中ロボツト１で観測させることができ、
水中ロボツト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かつ同時にケーブル９
を介して母船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ツト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ツト本体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じ
て、適宜、スラスター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。

また、母船３との相対位置を検知する信号が何
らかの原因で急にとだえた場合には、警告機構の
作動により、すばやくその旨を警告信号として、
ケーブル９の通信線を介して母船３に知らせるこ
とができる。これにより、水中ロボツト１が母船
３を追従できない状態を瞬時に知ることができ、
以後の対策を迅速に行うことができる。例えば、
母船３からケーブル９の通信線を介して水中ロボ
ツト１の制御機構１０を作動させて、水中ロボツ
ト１を浮上させることができる。

さらに、この異常事態が長く続く場合には、緊
急浮上機構が作動して、水中ロボツト１は自動的
に浮上してくるような機構であるため、トラブル
を未然に防ぐことが可能である。

このような全ての判断基準は上記制御機構１０
のフアームウエア化された制御プログラムに内蔵
されており、水中ロボツト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つている。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、水中ロボツト１を浮上
させる場合には推進部８を上向きにすることによ
り、水中ロボツト１は浮上してくる。

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
る母船追従式無人有索水中ロボツトによれば、潜
航中の水中ロボツトと水面上を航行する母船と
は、特別に難しい操作を全く必要としない無人有
索の水中ロボツトシステムを構成している。

即ち、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、水中の水中ロボツト
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、海上において、水中を航行する水中ロ
ボツトについて煩わしい機械操作を殆ど必要とし
ない。このように、この発明に係る水中ロボツト
は自由に水中を航行でき、従来の有索の水中ロボ
ツトにはない優れた特性を備えている。

しかも、この発明に係る水中ロボツトは、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。

また、無人であるため、危険性もなく安心し
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、長時間の広い範囲における観測も可能
となる。

さらに、スポツト的に詳細を観測したい場合に
は、マニユアル操作に切り換えることが可能で、
母船を止めて海上からコントローラーなどで自在
に操作可能である。

以上のような効果に加えて、母船からの信号を
受信部が所定時間受信不能時には、緊急浮上機構
が作動して水中ロボツトを緊急浮上させることが
でき、受信不能に陥つた水中ロボツトが水中で迷
走するのを未然に防ぎ、高価な水中ロボツトが水
中で行方不明になるのを防ぐことができる。

また、母船からの信号を受信部が受信不能時に
は、警告機構が作動して通信線を介して母船に警
告信号を送信して，水中ロボツトが受信不能状態
に陥つていることを作業員に知らせることがで
き、作業員は直ちに有効な対策を行う機会を与え
られることになる。

このように、この発明によれば、遥かに使いや
すく安全性に富む高性能の母船追従式無人有索水
中ロボツ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母船追従式無人有索水中
ロボツトの実施例を示すものであつて、第１図は
母船に設けられた指令部と水中の水中ロボツトを
示す概要図、第２図は水中ロボツトの平面図、第
３図は水中ロボツトの側面図、第４図は水中ロボ
ツトに設けられた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
中ロボツトとの相対位置を検出するための処理回
路のブロツク図、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、１……水中ロボツト、２……ロボツ
ト本体、３……母船、４……受信部、５……障害
物検知センサ、６……観測用機器、７……スラス
ター、８……推進部、９……ケーブル、１０……
制御機構、１１……超音波送信器、１４……増幅
器、１５……到達時間差信号出力回路、１６……
Ｆ／Ｖコンバータ、１７……Ａ／Ｄ変換器、１８
……CPU回路、１９……頭部ドーム、２０……
着底用脚。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水上から電力を供給する送電線と、水上と水
   中の情報交信のための通信線とを有する無人有索
   の水中ロボツトにおいて、母船と水中ロボツトと
   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、水中ロボツトの傾きを調整するスラス
   ターと、水中ロボツトを運動させる推進部と、上
   記スラスター及び推進部を制御する制御機構と、
   母船からの信号を受信部が所定時間受信不能時に
   水中ロボツトを緊急浮上させる緊急浮上機構と、
   母船からの信号を受信部が受信不能時に通信線を
   介して母船に警告信号を送信する警告機構とを少
   なくとも装備し、前記制御機構は、受信部からの
   情報に基づいて、航行する母船に水中ロボツトが
   追従するように上記スラスター及び推進部を制御
   し、且つ、障害物検知センサからの情報に基づい
   て、障害物を水中ロボツトが航行しながら回避す
   るように上記スラスター及び推進部を制御するこ
   とを特徴とする母船追従式無人有索水中ロボツ
   ト。