JPS62168077A - 水中移動体の位置計測装置 - 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〕 本発明は超音波を用いて水中移動体の位置計測を行なう
水中移動体の位置計測装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの棟の水中移動体の位置計測装置は、第７図に
示すように水中の成る基準点０を中心とする水平な正三
角形の各頂点位置に超音波受波器１０ａ、１０ｂ、ＩＱ
ｃを配設してなる受波装置１０を水底に設置しておき、
一方、水中移動体２０には超音波送波器２１を設置し、
速波器２１から各受波器１０　ａ　＋　ｌ　Ｏｂ　、　
ｌ　Ｏｃ　　までの超音波伝播時間を測定することによ
シ、水中移動体２０の位置を計測するようにしている（
特願昭４９−８４８４１）。

ここで、上記計測方法について第８図を用いて詳しく説
明する。まず、第８図に示す各符号を以下のように定義
する。

ω。；　受波装置ＩＯの基準点０と送波器２１との距離 α　；　基準点Ｏと受波器１０ａとを結ぶ線分と、基準
点Ｏと送波器２１とを結ぶ線分とのなす角 ｒ　；　基準点０と各受波器１０ａ、１０ｂ、１０ｃと
の距離 Ｃ；　音速 ｔｏ；　送波器２１が超音波を送波してから受波器１０
ａが受波するまでの伝播時間 ｔ、；　超音波を受波器１０　ａ　ｉＺ受波してから受
波器１０ｂが受波するまでの時間 ち　；超音波を受波器１０ａが受波してから受波器１０
ｅが受波するまでの時間 送波器２１の位ｉｔは、上記距離ω。および角度αを求
めることによって計測することができる。ここで、距離
ω。は、次式、 ω。＝ｃ−ｔｏ＋ω　　　・・・（１）ω＝　ｒｃｏｓ
α　　　　　・・・（２）によって表わすことができる
。

次に、第８図の三角形ｔｏａ−ｏ−ｚおよび三角形１０
ｃｍ０−ｍについて着目すると、次式、ｒｃｏｓα＋ｒ
ｓｉｎ（３０°＋α）＝Ｃ−ｔ２・・・（３）が成立し
、同様に三角形１０ａ−に−１０ｂについて着目すると
、次式、 ＪＴ　−ｒ−ｃｏｓ（３０°＋α〉＝Ｃ−ｔ、・・・（
４）が成立する。上記第（３）式および第（４）式を整
理し、ｓｉｎαおよびＣＯＳαについて解くと、となる
。この第（６）式を第（２）式に代入すると、となシ、
この第（７）式’ｔ　ｇ　（１）式に代入すると、とな
る。

次に、基準点Ｏを座標原点とし、線分０−１（ｌａの方
向をｙ、＠、これに直交する方向をＸ軸とするｘ−ｙ座
標において上記送波器２１のｘ、ｙ座標を求めると、 となり、このｓｉｎαおよびＣＯＳαに上記第（５）式
および第（６）式を代入すると、 となる。

このように、送波器２１（水中移動体２０）の位置（Ｘ
Ｏ）’Ｏ）を、各伝播時間ｔ。−ｔ２　を計測すること
によシ、加減乗除のみの簡単な演算で求めることができ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来の装置は、第７図に示すように超音波
測距最大距離ｔを半径とし、受波器１０ａを中心に±６
０°の範囲の扇形の作業範囲（計測範囲）Ｒでしか水中
移動体２０の位置を計測することができず、逆に水中移
動体２０の作業範囲をＲの範囲にしか設定できなかった
。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、超音波測距
最大距離を半径とする円内であれば、いずれの位置にあ
っても水中移動体の位置を計測することができる水中移
動体の位置計測装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、水中移動体に配設した超音波送波手段
と、水中の基準点を中心とする水平な正多角形の各頂点
位置に配設したｎ個の超音波受波手段と、前記水中移動
体から超音波が送波されてから前記各超音波受波手段が
それぞれその超音波を受波するまでの伝播時間を測定す
る伝播時間測定手段と、前記水中の基準点と前記ｎ　４
１８１の超音波受波手段とを結ぶ各線分の方向を中心に
して±１８０°／ｎによって区分されるｎ個の領域のう
ち、前記走音波を最初に受波した超音波受波手段の位置
に基づいて前記水中移動体がいずれの領域に有性するか
を判別する判別手段と、前記伝播時間測定手段によって
測定した各伝播時間に基づいて、最短伝播時間および各
超音波受波手段間における伝播時間差を求める手段と、
前記水中の基準点を座標原点とし、この座標原点と前記
超音波受波手段のうちのいずれか１つとを結ぶ線分の方
向をｙ軸として成る水平なχ−ｙＦＭ標系でありて、そ
の座標系における前記領域に水中移動体が存在する場合
に、前記求めた最短伝播時間および伝播時間差に基づい
て水中移動体の前記！−７座標系上の位置を求める第１
の演算手段々、前記判別手段によって判別した水中移動
体の存在領域が前記Ｘ−７座標系の領域でない場合には
、前記Ｘ−７座標系の領域に対するその領域の変位角度
だけ前記第１の演算手段によって求め九位置を座標変換
する第２の演算手段とを具えることを特徴としている。

〔実施例〕

以下、本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

第１図は本発明装置の全体構成を示す概念図である。な
お、第７図のものと同等のものには同じ番号を付し、そ
の詳細な説明は省略する。

同図において、コントロールルーム３０は送波信号ケー
ブル５を介してトリガパルスを超音波送波器２１に加え
、超音波送波器２１はそのトリがパルスを入力するごと
に超音波を送波する。一方、受信装置１０の各超音波受
波器ＩＱａ、１０ｂ。

１０ｃは、それぞれ送波器２１が送波した超音波を受波
すると、受波パルスを受波信号ケーブル１５を介してコ
ントロールルーム３０に加える。

ここで、第２図および第３図を用いて超音波送波器２１
および超音波受波器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを更に詳細
に説明する。

超音波送波器２１は、変調器２１ａ、アンプ２１ｂおよ
び送波部２１ｅから構成されている。

変調器２１ａは第３図（、）に示すトリガパルスを入力
すると、第３図（ｂ）　Ｋ示す送波信号を形成し、これ
をアンプ２１ｂを介して送波部２１ｃに加える。

送波部２１ｃは入力する送波信号によって振動し、超音
波を送波する。なお、超音波測距最大距離を１５０ｍと
すると、水中での音速は１５００　シｓであるから、上
記トリガ）４ルスの出力間隔δは１００ｍｍ　　とすれ
ばよい。

超音波受波器１０ｍ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ受波
部１１ａ、ｆｌｂ、ｌｌｃ、および受波信号アンプ１２
ｍ　、１２ｂ　、１２ｃからなり、各受波信号アンプは
更にアンプ１３、コンパレータ１４から構成されている
。送波器２１から伝播してきた超音波は受波部１１ａ、
ｌｌｂ、ｌｉｅで受波されて電気信号に変換され、この
電気信号はアンプ１３で増幅されたのちコントロ−ル１
４に加えられる。コンパレータ１４ばこの増幅された電
気信号の立ち上がシエッジを捉え、受波パルスを形成し
てコントロールルーム３０に送出する。

第４図はコントローＡ／ルーム３０内の演算装置の一実
施例を示すブロック図で、この装置は、主として入力部
３１ｍ、３１ｂ、３１ｃ、中央処理装置（ＣＰＵ）　３
２、ＲＯＭ　３３、ＲＡＭ　３４、Ｄ／Ａコンバータ３
５、分局器３６等から構成されている。

各入力部３１ｍ、３１ｂ、３１ｃは、それぞれフリップ
７０ツブ３１１、アンド回路３１２、カウンタ３１３．
ラッチ回路３１４、ＰＰＩ（Ｐｒｏｇｒａｍ−ａｂｌｅ
　Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）　３１５か
ら構成されている。

いマ、コントロールルーム３０から）ＩＪ、ｆノ９ルス
が出力されると、フリップ７０ツブ３１１はセットされ
、カウンタ３１３はクリアされる。フリップフロップ３
１１がセットされると、その出力端子Ｑよシ信号“１”
がアンド回路３１２に加えられ、アンド回路３１２が動
作可能になる。

アンド回路３１２の他の入力にはクロックが加えられて
おシ、アンド回路３１２が動作可能になると、入力する
クロックはアンド回路３１２を介してカウンタ３１３の
クロック入力に加えられ、カウンタ３１３はクロック入
力に加えられるクロックを計数する。

ここで、カウンタ３１３のビット数が例えば１２ビツト
の場合、測距最大距離を１５０ｍとすれば、測距分解能
は、 ５０ｍ □中０．０３６ｍ＝３．６ｃＩｒＬ である。また、このためのクロック周波数は、ｆ＝１／
（１００ｍｓ／２　　）中４１ｋＨｚとすればよい。

トリだＡ／ルスに同期して超音波送波器２１から超音波
が送波されたのち、その超音波が超音波受波器１０ｍ、
１０ｂ、１０ｃによって受波され、受波・臂ルスａ、ｂ
、ａがそれぞれ各入力部の７リツプフロツプ３１１に加
えられると、７リツプフロツｆ３１１はリセットされ、
アンド回路３１２に信号′０”を出力する。これによシ
、アンド回路３１２は不動作となシ、カウンタ３１３に
はクロックが加わらなくなる。ラッチ回路３１４は、カ
ウンタ３１３がリセットされる直前のカウンタ３１３の
計数値をラッチし、これをＰＰＩ　３１５に加える。な
お、各ラッチ回路３１４がラッチした計数値は、超音波
が送波されてから各受波器１０ａ、１０ｂ、１０ｃが受
波するまでの伝播時間に相当する。

ＣＰＵ　３２はトリがパルスを１／２分周する分局器３
６から信号が加えられるごとに起動し、１００ｍ５以内
に第５図のフローチャートに示す処理を行なう。

ＣＰＵ　３２は起動されると、アドレス指定をしくステ
ップ１００）、受波器１０＆の入力部３１ａ、ＰＰＩ　
３１５を選択し、このＰＰＩ　３１５から測距データ、
すなわち超音波が送波されてから受波器１０ａに受波さ
れるまでの時間Ｔ、に相当するデータを入力しくステッ
プ１０１）、これをＲＡＭ　３４に記憶させる。同様に
して、超音波が送波されてから受波器１０ｂおよび受波
器１０ｃに受波されるまでの時間Ｔ２および時間Ｔ３に
相当するデータもＲＡＭ　３４に記憶される。

次に、ＣＰＵ　３２は上記記憶した時間Ｔ１．　Ｔ２．
　Ｔ。

に基づいて水中移動体２０（超音波送波器２１）ｆ＋Ｚ
　　笛ｇ　Ｉ’Ｉ’ｌ　Ｆ　ｙすＱ−”’）ｎ４ｔｊ梼
ＴＨ＄７’）　　Ｄ’Ｊ　／７’ｌ　ｌｌ’ｌ　ｊいず
れの領域に存在するかを判別する。ここで、領域Ｒ１は
基準点０と受波器１０ｍとを結ぶ線分の方向を中心にし
て基準点０から±６０°の範囲をいい、領域Ｒ２は基準
点０と受波器１０ｂとを結ぶ線分の方向を中心にして基
準点０から±６０’の範囲をいい、領域Ｒ３は基準点０
と受波器１０Ｃとを結ぶ線分の方向を中心にして基準点
０から±６０゜の範囲をいう。

送波器２１が上記３つの領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうち、
いずれの領域に存在するかは、超音波を最初に受波した
受波器に基づいて判別することができる。すなわち、領
域Ｒ１に送波器２１が存在する場合は受波器１０ｍが超
音波を最初に受波し、同様に、領域Ｒ２に送波器２１が
存在する場合は受波器１０ｂが、領域Ｒ３に送波器２１
が存在する場合は受波器１０ｃが超音波を最初に受波す
る。

これを、上記時間Ｔ、　、　Ｔ２．　Ｔうによって表わ
すと、第１表に示すようになる。

第１表 また、Ａ、Ｂ、Ｃを次式で定義すると、上記第１表は、
第２表に書き換えることができる。

第２表 第５図のフローチャートのステップ１１０は、上記第α
め式を計算する。そして、計算して得たＡ。

Ｂ、Ｃの符号が、上記第２表のうちのいずれに属するか
によって領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の判別を行なう（ステッ
プ１１１）。

次に、送波器２１が領域Ｒ１内に存在すると判定される
と、時間ｔ。、　１１．１２を次式から求める（ステッ
プ１１２）。

この時間ｔ。、　１１．１２は前述の第（８）式および
第Ｃ１Ｏ式で用いたものと同じである。したがって、こ
の時間ｔ。、　１４．１２を第（８）式および第９１式
に代入すると、第６図に示すように基準点Ｏを座標原点
とし、基準点Ｏから受波器１０ｍの方向’ｋｙ軸、基準
点０を通シ上記ｙ軸に直交する方向をＸ軸とするｘ−ｙ
座標における送波器２１の位置（ｘｏｒ　１０）を求め
ることができる。

また、送波器２１が領域Ｒ２内に存在すると判定される
と、時間ｔ。、１４，１２を次式から求める（ステッ７
’ｌｌ嘗３）。

この時間ｔ。、　１１．１２　　を第（８）式および第
（ト）式に代入して得られる送波器２１の位置（ｘ０′
、ｙ、／）は、第６図に示すように基準点Ｏを座標原点
とし、基準点０から受波器１０ｂの方向をｙ′軸、基準
点０を通シ上記ｙ′軸に直交する方向をＩ′軸とするｘ
ｌ　ｙ／座標上の位置となる。

ま九、送波器２１が領域Ｒ３内に存在すると判定される
と、時間ｔ。、　１１．１２を次式から求める（ステッ
プ１１４）、。

この時間ｔ。ｔｔｌｔｔｚを第（８）式および第（１０
式に代入して得られる送波器２１の位置（Ｘ　：　、　
ｙ、、／ｚ、　）は、第６図に示すように基準点Ｏを座
標原点とし、基準点Ｏから受波器１０ｅの方向を！軸、
基準点Ｏを通シ上記ｆ軸に直交する方向をχ”軸とする
ｘｌｌ　、”座標上の位置となる。

上記ステップ１１２，１１３、または１１４によって時
間ｔ。、ｔｌ、ｔ２を求めると、ステップ１１５に移シ
、ここで時間ｔ。、１１．１２を第（８）式および第９
１式に代入して座標位置を求め、再ひもとのフローライ
ンに戻る。

このようにして求めた送波器２１の座標位置は、前述し
たように送波器２１が存在する領域によって座標系が異
なる。したがりて、１つの座標系、すなわちＸ−７座標
系での位置を求めるには、Ｘ−７座標系以外の座標系（
ｘ　／　ｙ　／座標系、ｘｌｌ　ｙ　／Ｉ座標系）で求
めた座標位置を適宜座標変換する必要がある。

さて、ｘ　／　　ｙ　／座標、およびｘｔｔ　　、Ｉ座
標は、Ｘ−７座標を角度θだけ回転した座標であり、ｘ
　／　ｙ　／座標またはｘｌ　　ｙ”座標で求めた位置
をＸ、Ｙ　　とすると、この位置（ｘ、ｙ）のｘ−ｙ座
標上の位置（”ｏ　ｒ　３’ｏ）は次式 ％式％ ここで、ｘ′−ｙ′座標からｘ−ｙ座標への変換はを（
ｘｏｌ、ｙ０′）として、これらを上記第（至）式に代
入することによシ、次式、 を得ることができる。

また、ｘ　Ｉ　−ｙ　Ｉ座標からＸ−７座標への変換は
θ＝百πとすればよく、ｘ　＃−ｙ　Ｉ座標で求めた位
置を（ｘ　％　、　ｙ　％　）　　として、これらを第
（ト）式に代入することによシ、次式、 を得ることができる。

ステラｆｌ１６ではステラｆｌ１５で求めた座標位置に
対して上記第６１式に基づく座標変換を行ない、ステラ
ｆ１１７ではステップｌ１５で求めた座標位置に対して
上記第αη式に基づく座標変換を行なう。

このようにして、　ＣＰＵ　３２は送波器２１がいずれ
の領域に存在していてもその位置を１−７座標上の位置
（ｘ６　＊　ｙ６　）として求めることができる。

この位置（ｘ６　＊　ｙｏ　）を示すデータはＤ／Ａ変
換器３５に加えられ（ステラｆｌ１８）、ＣＰＵ　３２
の一連の処理は終了する。

Ｄ／Ａ変換器３５は入力するデジタルデータをアナログ
信号に変換し、このアナログ信号をＸ−Ｙグロック等に
接続すれば、！−７座標での位置を記録することができ
る。

なお、本実施例では水平な正三角形の各頂点位置に３個
の超音波受波器を設けた場合について説明したが、これ
に限らず、水平な正多角形の各頂点位置にｎ個の超音波
受波器を設けるようにしてもよい。この場合、水中移動
体の存在領域の数は、基準点とｎ個の超音波受波器とを
結ぶ各線分の方向を中心にして±１８０°／ｎについて
区分されるｎ個となシ、また、ｎ個の超音波受波器を設
けた場合の座標位置の計算式および（ｎ−１）個の座標
変換式を準備する必要がおる。

〔発明の効果〕

以上説明し念ように本発明によれば、超音波測距最大距
離を半径とする円周の範囲に水中移動体の計測範囲を拡
大することができ、これにより水中移動体の作業範囲も
拡大する。また、水中移動体の位置計算式（第（８）式
および第６１式）のサブルーチン化が可能とな夛、演算
ステップ数も最小限に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の全体構成を示す概念図、第２図は
第１図の超音波送波器および超音波受波器の構成を示す
ブロック図、第３図（−）および（ｂ）はそれぞれ第２
図の変調器に加えられるトリガフ４ルスおよびこの変調
器から出力される変調信号の波形図、第４図は第１図に
おけるコントロールルーム内の演算装置の一実施例を示
すブロック図、第５図は第４図のＣＰＵの動作を説明す
るために用いたフローチャート、第６図は第５図のフロ
ーチャートを説明する際に用いた領域および座標系を示
す図、第７図は従来の作業領域を示す図、第８図は第７
図の作業領域での水中移動体の位置を求めるための計算
式を導出するときに用いた図である。 １０−・・受波装置、ｌＯａ、１０ｂ、１０ｃ　　−超
音波受波器、２０・・・水中移動体、２１・・・超音波
送波器、３０・・・コントロールルーム、３１ａ、３１
ｂ、３１ｃ・・・入力部、３２・・・中央処理装置（Ｃ
ＰＵ　）。 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水中移動体に配設した超音波送波手段と、 水中の基準点を中心とする水平な正多角形の各頂点位置
   に配設したｎ個の超音波受波手段と、前記水中移動体か
   ら超音波が送波されてから前記各超音波受波手段がそれ
   ぞれの超音波を受波するまでの伝播時間を測定する伝播
   時間測定手段と、前記水中の基準点と前記ｎ個の超音波
   受波手段とを結ぶ各線分の方向を中心にして±１８０°
   ／ｎによって区分されるｎ個の領域のうち、前記走音波
   を最初に受波した超音波受波手段の位置に基づいて前記
   水中移動体がいずれの領域に有在するかを判別する判別
   手段と、 前記伝播時間測定手段によって測定した各伝播時間に基
   づいて、最短伝播時間および各超音波受波手段間におけ
   る伝播時間差を求める手段と、前記水中の基準点を座標
   原点とし、この座標原点と前記超音波受波手段のうちの
   いずれか１つとを結ぶ線分の方向をｙ軸として成る水平
   なｘ−ｙ座標系であって、その座標系における前記領域
   に水中移動体が存在する場合に、前記求めた最短伝播時
   間および伝播時間差に基づいて水中移動体の前記ｘ−ｙ
   座標系上の位置を求める第１の演算手段と、 前記判別手段によって判別した水中移動体の存在領域が
   前記ｘ−ｙ座標系の領域でない場合には、前記ｘ−ｙ座
   標系の領域に対するその領域の変位角度だけ前記第１の
   演算手段によって求めた位置を座標変換する第２の演算
   手段と、 を具えた水中移動体の位置計測装置。