WO2010007914A1 - 水中走行車両 - Google Patents

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WO2010007914A1
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underwater
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traveling
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朝哉 井上
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独立行政法人海洋研究開発機構
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G1/00—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines
    • H02G1/06—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for laying cables, e.g. laying apparatus on vehicle
    • H02G1/10—Methods or apparatus specially adapted for installing, maintaining, repairing or dismantling electric cables or lines for laying cables, e.g. laying apparatus on vehicle in or under water

Definitions

  • the present invention relates to an underwater traveling vehicle that is used for undersea exploration, undersea cable laying, cleaning of the seabed and tank bottom, and the like, and travels with an endless track means.
  • an underwater traveling device provided with a propeller capable of changing the rotation direction on a main body that can be driven by a tire for the purpose of enabling quick and stable ascent without being influenced by the surrounding water pressure even when the water depth is deep.
  • Patent Document 1 An underwater traveling device provided with a propeller capable of changing the rotation direction on a main body that can be driven by a tire for the purpose of enabling quick and stable ascent without being influenced by the surrounding water pressure even when the water depth is deep.
  • Patent Document 1 the underwater traveling device of Patent Document 1 is intended for a relatively shallow seabed, and it has been difficult to use tires, so that it floats in a stable state and floats at a predetermined position on the water surface. The purpose was to make it happen.
  • unmanned spacecraft for deep exploration needs to be light weight to reduce tension on the cable.
  • the vehicle is required to have mobility, and therefore it is desirable that the vehicle be in a state close to neutral buoyancy.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide an underwater traveling vehicle that is formed with a simple structure and low weight, improves traveling performance, and reduces lifting.
  • the underwater vehicle of the present invention includes a vehicle body, endless track means rotatably provided on the vehicle body, drive means provided on the vehicle body for driving the endless track means, and a thruster provided on the vehicle body. , Provided.
  • storage means for storing the initial state of the vehicle body on land, measurement means for measuring the state of the vehicle body in water, thrust or propulsion of the thruster with respect to outputs from the storage means and the measurement means And a control means for controlling the direction.
  • the storage means stores a weight, an initial gravity center position, and an initial buoyancy position of the underwater vehicle.
  • the measuring means measures the position of the center of gravity and the floating position of the underwater traveling vehicle in water.
  • control means includes a determination means for determining whether the vehicle body is stable or unstable with respect to outputs of the storage means and the measurement means.
  • the storage means stores a threshold value that defines a boundary between a stable region and an unstable region based on a relationship between a center of gravity position and a buoyancy position for each weight of the underwater traveling vehicle, and the determination means includes the underwater traveling vehicle.
  • the position of the center of gravity and the buoyancy position in water are compared with the threshold value to determine whether the vehicle body is stable or unstable.
  • control means operates continuously while the underwater vehicle is traveling.
  • An underwater vehicle of the present invention includes a vehicle body, endless track means rotatably provided on the vehicle body, drive means provided on the vehicle body for driving the endless track means, and a thruster provided on the vehicle body. Since it is equipped, the thruster is activated, the weight is applied to the underwater vehicle and the apparent weight and the center of gravity position of the underwater vehicle are changed. , Driving performance can be improved.
  • storage means for storing the initial state of the vehicle body on land
  • measurement means for measuring the state of the vehicle body in water
  • thrust or propulsion of the thruster with respect to outputs from the storage means and the measurement means
  • a control means for controlling the direction, the lift can be further reduced and the running performance can be improved.
  • the storage means stores the weight of the underwater vehicle, the initial center of gravity position, and the initial buoyancy position, the initial state can be accurately applied during control.
  • the measuring means measures the position of the center of gravity and the buoyancy position of the underwater traveling vehicle in water, the accuracy during control can be improved.
  • control means has a determination means for determining whether the vehicle body is stable or unstable with respect to the outputs of the storage means and the measurement means, it is possible to grasp the state of the vehicle body in water.
  • the storage means stores a threshold value that defines a boundary between a stable region and an unstable region based on a relationship between a center of gravity position and a buoyancy position for each weight of the underwater traveling vehicle, and the determination means includes the underwater traveling vehicle.
  • the position of the center of gravity and the buoyancy position in water are compared with the threshold value to determine whether the vehicle body is stable or unstable, so that the state of the vehicle body in water can be quickly grasped.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an underwater vehicle according to this embodiment.
  • 1 is an underwater vehicle
  • 2 is a vehicle body
  • 3 is a crawler as endless track means
  • 4 is a thruster
  • 5 is an attitude sensor as measurement means
  • 6 is a camera
  • 7 is a light
  • 8 is a buoyant body
  • 9 Is the cable
  • the underwater vehicle 1 is formed so that the crawler 3 can be rotated below both sides of the vehicle body 2 and the seabed can be moved by driving the crawler 3 by driving means such as a motor (not shown).
  • the thruster 4 is provided in the vehicle body 2 and is used to change the position of the center of gravity or the floating position of the underwater traveling vehicle 1.
  • a first thruster 4a and a second thruster 4b are provided.
  • the first thruster 4a is arranged in the vertical direction as the first direction
  • the second thruster 4b is arranged in the horizontal direction as the second direction.
  • a propulsion direction can be defined by adjusting each thrust of the 1st thruster 4a and the 2nd thruster 4b.
  • the thruster 4 can be rotated with respect to the vehicle body 2 and the propulsion direction can be changed by changing the angle. Further, it is more preferable that the thruster 4 is formed to be movable with respect to the vehicle body 2.
  • the attitude sensor 5 measures the state of the vehicle body 2 such as the tilt angle and acceleration underwater.
  • the state of the operation member such as the tilt angle and acceleration underwater.
  • the camera 6 is for detecting the surrounding state of the underwater vehicle 1. In the case of submarine exploration, submarine cable laying or cleaning of the sea floor or tank bottom, the surroundings are photographed and a signal is transmitted to an operator on the sea.
  • the light 7 has a role of illuminating a shooting location of the camera 6.
  • the buoyancy body 8 can be expanded and contracted and can adjust the buoyancy of the underwater vehicle 1 and is mainly used when collecting on the water.
  • the cable 9 connects the sea and the underwater vehicle 1 and sends electric power and various signals.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the underwater vehicle 1.
  • the attitude sensor 5 and the camera 6 are for measuring the state of the vehicle body 2 in water. In particular, what measures the center-of-gravity position and buoyancy position of the underwater vehicle 1 in water is preferable.
  • the storage means 10 stores the initial state of the vehicle body on land. In particular, it is preferable to store the weight F1, the initial center of gravity position, and the initial buoyancy position of the underwater vehicle.
  • the control means 11 controls the thrust or propulsion direction of the thruster 4 with respect to outputs from the storage means 10, the attitude sensor 5, the camera 6, and the like.
  • the control unit 11 includes a determination unit 12 that determines whether the vehicle body 2 is stable or unstable with respect to outputs from the storage unit 10, the attitude sensor 5, the camera 6, and the like.
  • the storage means 10 has thresholds A, B, C that define the boundary between the stable region and the unstable region from the relationship between the center of gravity position and the buoyant position for each weight F1 of the underwater vehicle 1 as shown in FIG.
  • the determination means 12 can determine whether the vehicle body is stable or unstable by comparing the center of gravity position and buoyancy position of the underwater traveling vehicle 1 with the threshold values A, B, and C. preferable.
  • three threshold values are used.
  • the threshold values are not limited to three, and the number of threshold values can be arbitrarily set according to the rotation speed and the rotation direction of the thruster gear.
  • the solid line in FIG. 3 indicates the threshold value A when the weight F1 of the underwater traveling vehicle 1 is 300 kgf (underwater weight 100 kgf).
  • the dotted line in FIG. 3 indicates the threshold value B when the weight F1 of the underwater traveling vehicle 1 is 350 kgf (underwater weight 150 kgf)
  • the alternate long and short dash line in FIG. 3 indicates that the weight F1 of the underwater traveling vehicle 1 is 250 kgf (underwater weight 50 kgf).
  • the threshold value C is shown.
  • a case where the point corresponding to the relationship between the position of the center of gravity on the horizontal axis and the position of the vertical axis on the vertical axis is on the left side of each of the threshold values A, B, and C is defined as a stable region.
  • An unstable region is defined as a case where the point corresponding to the relationship between the position of the center of gravity on the horizontal axis and the position of the vertical axis on the vertical axis is on the left side of each of the threshold values A, B, and C.
  • FIG. 4 shows a control flowchart of the underwater vehicle 1.
  • step 1 the initial weight, the initial center of gravity, and the initial buoyancy are stored in the storage means 10 before working in water (ST1).
  • step 2 the gravity center position and the floating position of the underwater traveling vehicle 1 stored in the storage means 10, and the stable region for each weight F1 of the underwater traveling vehicle 1 stored in the storage means 10 as shown in FIG.
  • the determination means 12 determines whether or not the vehicle body is unstable by comparing the threshold value based on the stable running / posture correction determination chart that defines the boundary of the unstable region (ST2).
  • step 3 If it is determined in step 2 that the vehicle body is unstable, the thruster 4 is controlled in step 3 (ST3).
  • the thruster 4 is controlled in its propulsion direction by the control means 11 based on thrust, thruster angle, thruster position, and the like. Subsequently, in step 4, the crawler 3 is driven to cause the underwater traveling vehicle 1 to travel (ST4).
  • step 2 If it is determined in step 2 that the vehicle body is not unstable and stable, the crawler 3 is driven in step 4 to cause the underwater vehicle 1 to travel (ST4).
  • step 5 the underwater state of the underwater traveling vehicle 1 is measured and observed by the attitude sensor 5, and for example, a fluid resistance F5 generated by running the underwater traveling vehicle 1 or a manipulator is attached. Whether or not the center of gravity position and the buoyancy position are changed and the vehicle is running stably is determined by the determination means 12 based on the resistance of the product (ST5).
  • step 6 the peripheral state of the underwater vehicle 1 is measured by the attitude sensor 5 or the like ( ST6), return to step 2.
  • step 5 If it is determined in step 5 that the underwater vehicle 1 is traveling stably, the control means 11 continues to operate while the underwater vehicle 1 is traveling, continuously performing observation, obtaining various data, Continue control.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the operation of the underwater vehicle 1.
  • FIG. 6 shows the force acting on the underwater vehicle 1, the weight F1, the buoyancy F2, the vertical drag F3, the thrust F4, the fluid resistance F5, and its action point.
  • the coordinates representing the position of the action point are the origin at the upper end in the forward traveling direction of the underwater traveling vehicle 1, the X direction on the opposite side of the traveling direction, and the Z direction below.
  • Table 1 below shows the main specifications of the underwater vehicle 1 used in the experiment.
  • Table 1 Item Characteristics 600mm (length) Dimension 717mm (full width including crawler) 540mm (from the bottom of the crawler to the top of the cover) 48W motor with thruster encoder Initial position can be changed Crawler 48W motor with encoder Weight 34.0kgf (333.2N) Buoyancy 17.9kgf (175.4N)
  • the thruster thrust is measured according to the input voltage and the motor rotation speed, and is 9.0 N at the rated voltage.
  • the underwater vehicle 1 travels in the water tank.
  • the dimensions of the aquarium are 40 m long, 4 m wide, and 2 m deep.
  • the operation of the underwater vehicle 1 in the water tank can be observed from above and from the observation window on the side wall.
  • position of the underwater vehicle 1 is obtained from the mounted gyro.
  • the experiment was performed by changing the buoyancy F3 by changing the number of block members that give the buoyancy F3.
  • FIG. 7 is a graph showing the resistance F5 by water obtained by the towing test and the position Z R of the action point in the Z direction of the resistance F5.
  • the resistance F5 by water and the position Z R of the action point of the resistance F5 are parameters of stable running characteristics. As shown in FIG. 7, when the towing speed corresponding to the traveling speed increases, the resistance F5 due to the fluid increases in proportion to the square of the approximate speed. For this reason, the underwater vehicle 1 tends to float on the side opposite to the direction in which it is pulled. On the other hand, the position Z R of the action point becomes constant when the speed increases to some extent.
  • Table 2 shown below shows the driving operation when the underwater vehicle 1 is driven with various specifications.
  • the underwater vehicle 1 was driven forward at a motor speed of 3000 rpm corresponding to a running speed of about 0.3 m / s. In such low speed and low speed experiments, it is expected to reduce the dynamic effects observed at the start.
  • the underwater traveling vehicle 1 when the buoyancy F3 is lower than a predetermined value, the underwater traveling vehicle 1 can maintain a horizontal posture and can travel stably.
  • FIG. 8 is a graph in which the traveling state of the underwater traveling vehicle in cases 2, 4 and 5 of this experiment in which the underwater traveling vehicle 1 travels stably is discriminated.
  • the horizontal axis of the graph represents the barycentric position X G in the x direction, and the vertical axis represents the floating center position X B in the x direction.
  • having the thruster 4 is substantially equivalent to increasing the weight F1, and the center of gravity (X G , Z G ) can be changed. As a result, the underwater vehicle 1 can maintain a horizontal posture and travel stably.
  • FIG. 9 is a graph in which the traveling state of the underwater traveling vehicle 1 with and without the thruster 4 in the case 6 is discriminated. As shown in FIG. 8, when the thruster 4 is not present in the case 6, the traveling state of the underwater traveling vehicle 1 is in an unstable region, but when the thruster 4 is present, the traveling state of the underwater traveling vehicle 1 is In the stable region.
  • FIG. 10 is a graph that discriminates the traveling state of the underwater traveling vehicle 1 with and without the thruster 4 in the case 7.
  • the traveling state of the underwater vehicle 1 in the case 7, is in a stable region both when the thruster 4 is originally provided and when the thruster 4 is not present.
  • Table 2 when the thruster 4 is not present, one of the traveling states of the underwater traveling vehicle 1 is lifted and unstable.
  • the reason for the rise is thought to be the effect of the measurement accuracy of the buoyancy center and the center of gravity.
  • FIG. 10 when the thruster 4 is provided, it is in a more stable region as compared to the case without the thruster 4, and having the thruster 4 changes the center of gravity and leads to stable traveling. Therefore, there is no substitute for a more effective method.
  • Table 3 shown below shows the running operation when the underwater vehicle 1 is run with the same specifications as in Table 2.
  • the underwater vehicle 1 of the present embodiment is provided in the vehicle body 2, the crawler 3 that is rotatably provided on the vehicle body 2, the driving means that is provided in the vehicle body 2 and drives the crawler 3, and the vehicle body 2. Therefore, by changing the position of the center of gravity of the underwater traveling vehicle 1 with the thruster 4, it is possible to form a low weight with a simple structure, to reduce the lift, and to improve the traveling performance. it can.
  • the storage means 10 for storing the initial state of the vehicle body 2 on land, the attitude sensor 5 for measuring the state of the vehicle body 2 in water, and the thrust of the thruster 2 with respect to the outputs from the storage means 10 and the attitude sensor 5 Alternatively, since the control means 11 for controlling the propulsion direction is provided, the lift can be further reduced and the running performance can be improved.
  • the storage means 10 stores the weight of the underwater vehicle 1, the initial center of gravity position, and the initial buoyancy position, the initial state can be accurately applied during control.
  • attitude sensor 5 measures the position of the center of gravity and the buoyancy position of the underwater traveling vehicle 1 in water, the accuracy during control can be improved.
  • control unit 11 includes the determination unit 12 that determines whether the vehicle body 2 is stable or unstable with respect to the outputs of the storage unit 10 and the attitude sensor 5, it is possible to grasp the state of the vehicle body 2 in water. it can.
  • the storage means 10 stores, for each weight of the underwater traveling vehicle 1, a threshold value that defines the boundary between the stable region and the unstable region based on the relationship between the center of gravity position and the buoyancy position. Since the center of gravity position and the buoyancy position in water are compared with the threshold value to determine whether the vehicle body 2 is stable or unstable, the situation of the vehicle body 2 in water can be quickly grasped.
  • control means since the control means continues to operate while the underwater vehicle is traveling, it can quickly grasp the state of the vehicle body 2 underwater and control it even if it becomes unstable after it has been stable. can do.

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Abstract

　車体２と、車体２に回転可能に設けられる無限軌道手段３と、車体２に設けられ無限軌道手段３を駆動させる駆動手段と、車体２に設けられたスラスタ４と、を備えたことを特徴とする。

Description

水中走行車両
　本発明は、海底探査、海底ケーブル敷設又は海底や槽底の清掃等に用いられ無限軌道手段で走行する水中走行車両に関する。
　従来、水深が深くても周辺水圧に左右されることなく常に迅速に安定した浮上を可能にすることを目的として、タイヤにより走行可能な本体に回転方向を変更できるプロペラを設けた水中走行装置が開示されている（特許文献１）。
特開平９－５８５８３号公報
　しかしながら、上記特許文献１の水中走行装置は、比較的浅い海底を対象としたもので、タイヤを使用することで困難であった、安定した状態で浮上させることと、水面上の所定位置に浮上させることを目的としたものであった。
　一方、大深度探査用の無人探査機はケーブルへの張力低減のため低重量とする必要がある。更に、ランチャー・ビークル式のＲＯＶにおいては、そのビークルは機動性も必要となることから、中性浮力に近い状態が望ましい。
　また、ＲＯＶの走行方式としてクローラを用いた場合、ビークルが海底をクローラで走行する際、図１１に示すように、自重（水中重量）が約１２０ｋｇ以上と大きい場合には、走行開始と同時に前方が若干浮き上がり気味だが、すぐに水平状態となって走行する。しかしながら、図１２に示すように、自重（水中重量）が約９０ｋｇ前後と小さい場合には、重心と浮心の位置関係によって、クローラ駆動力と流体力の影響を受け機体傾斜が大きくなり走行が困難となる。例えば、後輪駆動では、低重量の場合、前進走行時に前方が浮き上がり転倒の危険性があり、後進時には停止の際に前方が浮き上がり、同様に転倒の危険性がある。
　本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な構造で低重量に形成すると共に、走行性能を向上し、浮き上がりを低減する水中走行車両を提供することを目的とする。
　そのために本発明の水中走行車両は、車体と、前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、前記車体に設けられたスラスタと、を備えたことを特徴とする。
　また、前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
　また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶することを特徴とする。
　また、前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測することを特徴とする。
　また、前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有することを特徴とする。
　また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断することを特徴とする。
　また、前記制御手段は、前記水中走行車両の走行中、継続して作動することを特徴とする
　本発明の水中走行車両は、車体と、前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、前記車体に設けられたスラスタと、を備えたので、スラスタを作動させ、水中走行車両に重量を掛け水中走行車両の見かけ上の重量及び重心位置を変更することにより、簡単な構造で低重量に形成すると共に、浮き上がりを未然に低減し、走行性能を向上させることができる。
　また、前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、を備えたので、さらに浮き上がりを低減し、走行性能を向上させることができる。
　また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するので、制御時に、初期状態を正確に適用することができる。
　また、前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測するので、制御時の精度を向上させることができる。
　また、前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有するので、水中での車体の状況を把握することができる。
　また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断するので、迅速に水中での車体の状況を把握することができる。
本発明の水中走行車両を示す図である。 水中走行車両のブロック図である。 水中走行車両の安定領域と不安定領域を示す図である。 水中走行車両の制御フローチャートである。 水中走行車両の動作を示す図である。 水中走行車両に作用する力及びその作用点を示す図である。 曳航試験によって得られる水による抵抗と抵抗の作用点の位置を示すグラフである。 水中走行車両が安定に走行した本実験のケース２，４及び５における水中走行車両の状態を判別したグラフである。 ケース６においてスラスタを有する場合とスラスタの無い場合の水中走行車両の状態を判別したグラフである。 ケース７においてスラスタを有する場合とスラスタの無い場合の水中走行車両の状態を判別したグラフである。 水中走行車両の動作を示す図である。 水中走行車両の動作を示す図である。
　１…水中走行車両、２…車体、３…クローラ（無限軌道手段）、４…スラスタ、５…姿勢センサ（計測手段）、６…カメラ、７…ライト、８…浮力体、９…ケーブル、１０…記憶手段、１１…制御手段、１２…判別手段
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の水中走行車両の概略図、を示す。図１において、１は水中走行車両、２は車体、３は無限軌道手段としてのクローラ、４はスラスタ、５は計測手段としての姿勢センサ、６はカメラ、７はライト、８は浮力体、９はケーブルである
　水中走行車両１は、車体２の両側下方にクローラ３を回転可能に設け、図示しないモータ等の駆動手段によりクローラ３を駆動することで海底等を移動可能に形成されている。
　スラスタ４は、車体２に設けられ、水中走行車両１の重心位置又は浮心位置を変更するためのものである。本実施形態では、第１スラスタ４ａと第２スラスタ４ｂとを設け、第１スラスタ４ａは第１の方向としての鉛直方向、第２スラスタ４ｂは第２の方向としての水平方向に向けて配置されている。そして、第１スラスタ４ａと第２スラスタ４ｂとのそれぞれの推力を調整することにより、推進方向を定めることができる。
　なお、スラスタ４は必ずしも複数も受ける必要はない。スラスタ４は、車体２に対して、回動可能とし角度を変更することで、推進方向を変更することができる。また、スラスタ４は、車体２に対して、移動可能に形成されるとさらに好ましい。
　姿勢センサ５は、水中での車体２の傾斜角度や加速度等の状態を計測するものである。また、車体２の他にマニピュレータ等の車体２に影響を及ぼす作動部材を有する場合には、その作動部材の状態も計測すると好ましい。
　カメラ６は、水中走行車両１の周辺の状態を検出するためのものである。海底探査、海底ケーブル敷設又は海底や槽底の清掃等の場合に、周辺の様子を撮影し、海上のオペレータ等に信号を送信する。ライト７は、カメラ６の撮影箇所を照明する役割を有している。
　浮力体８は、膨張収縮可能で、水中走行車両１の浮力を調整できるもので、主に、水上に回収する際に使用される。また、ケーブル９は、海上と水中走行車両１を連結し、電力や各種信号を送るものである。
　このような構成の水中走行車両１において、水中では、重量Ｆ１、浮力Ｆ２、垂直抗力Ｆ３、推進力Ｆ４、流体抵抗Ｆ５等の力が作用する。
　図２は、水中走行車両１のブロック図を示す。
　姿勢センサ５及びカメラ６は、車体２の水中での状態を計測するものである。特に、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置を計測するものが好ましい。
　記憶手段１０は、車体の陸上での初期状態を記憶するものである。特に、水中走行車両の重量Ｆ１、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するものが好ましい。
　制御手段１１は、記憶手段１０、姿勢センサ５及びカメラ６等からの出力に対してスラスタ４の推力又は推進方向を制御するものである。また、制御手段１１は、記憶手段１０、姿勢センサ５及びカメラ６等の出力に対して、車体２が安定か不安定かを判断する判別手段１２を有する。
　さらに、記憶手段１０は、図３に示すような、水中走行車両１の重量Ｆ１ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値Ａ，Ｂ，Ｃを記憶しておき、判別手段１２は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置と、閾値Ａ，Ｂ，Ｃとを比較して車体が安定か不安定かを判断することが好ましい。なお、本実施形態では、閾値を３つとしたが、閾値は３つとは限らず、スラスタギアの回転数や回転方向により閾値の数を任意に設定できる。
　例えば、図３における実線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が３００ｋｇｆ（水中重量１００ｋｇｆ）の場合の閾値Ａを示している。同様に、図３における点線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が３５０ｋｇｆ（水中重量１５０ｋｇｆ）の場合の閾値Ｂ、図３における一点鎖線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が２５０ｋｇｆ（水中重量５０ｋｇｆ）の場合の閾値Ｃを示している。
　そして、横軸の重心前後方向位置と、縦軸の浮心前後方向位置の関係に対応する点が、それぞれの閾値Ａ，Ｂ，Ｃの左側にある場合を安定域とし、右側にある場合を不安定域とする。
　図４は、水中走行車両１の制御フローチャートを示す。
　まず、ステップ１で、水中での作業の前に記憶手段１０に初期重量、初期重心及び初期浮心を記憶させる（ＳＴ１）。
　続いて、ステップ２で、記憶手段１０の記憶した水中走行車両１の重心位置及び浮心位置と、図３に示すような記憶手段１０の記憶した水中走行車両１の重量Ｆ１ごとの安定領域と不安定領域の境界を定めた安定走行・姿勢補正判別チャートによる閾値と、を比較して車体が不安定か否かを判別手段１２により判断する（ＳＴ２）。
　ステップ２において、車体が不安定であると判断された場合、ステップ３で、スラスタ４を制御する（ＳＴ３）。スラスタ４は、制御手段１１により、推力、スラスタ角及びスラスタ位置等で推進方向を制御される。続いて、ステップ４で、クローラ３を駆動し、水中走行車両１を走行させる（ＳＴ４）。
　ステップ２において、車体が不安定でなく、安定であると判断された場合、ステップ４で、クローラ３を駆動し、水中走行車両１を走行させる（ＳＴ４）。
　次に、ステップ５で、水中走行車両１の水中での状態を姿勢センサ５により現場状態を計測・観察し、例えば、水中走行車両１を走行させることにより発生する流体抵抗Ｆ５やマニピュレータ等の付属品による抵抗等により、重心位置及び浮心位置の変更がなく安定走行しているか否かを判別手段１２により判断する（ＳＴ５）。
　ステップ５において、水中走行車両１が安定走行しておらず、不安定な走行をしていると判断された場合、ステップ６で、姿勢センサ５等で水中走行車両１の周辺状態を計測し（ＳＴ６）、ステップ２へ戻る。
　ステップ５において、水中走行車両１が安定走行していると判断された場合、水中走行車両１の走行中は、制御手段１１が継続して作動し、引き続き観測を行い、各種データを取得し、制御を続行する。
　次に、水中走行車両１に対して実験した際の水中走行車両１の動作の一例について説明する。図５は、水中走行車両１の動作を示す図である。
　本実施形態で説明したスラスタによる制御を実行した場合、図５に示すように約９０ｋｇ前後の自重（水中重量）が小さい水中走行車両１においても、図１１で示した自重（水中重量）が約１２０ｋｇ以上の大きい水中走行車両１の場合と同様に、走行開始と同時に前方が若干浮き上がり気味だが、すぐに水平状態となって走行することができる。
　次に、本実施形態の水中走行車両１を用いた詳細な実験について説明する。
　図６は、水中走行車両１に作用する力、重量Ｆ１、浮力Ｆ２、垂直抗力Ｆ３、推進力Ｆ４、流体抵抗Ｆ５及びその作用点を示す。ここで、作用点の位置を表す座標は、図６に示すように、水中走行車両１の前進走行方向上端を原点とし、走行方向と反対側にＸ方向、下方にＺ方向とする。
　以下に示す表１は、実験に用いられた水中走行車両１の主な仕様である。
（表１）
　　　項目　　　　　特性

　　　　　　　　６００ｍｍ（長さ）
　　　寸法　　　７１７ｍｍ（クローラを含む全幅）
　　　　　　　　５４０ｍｍ（クローラの下端からカバーの上端まで）
　　スラスタ　　エンコーダ付き４８Ｗモータ
　　　　　　　　初期位置は変更可能
　　クローラ　　エンコーダ付き４８Ｗモータ
　　　重量　　　３４．０kgf（３３３．２Ｎ）
　　　浮力　　　１７．９kgf（１７５．４Ｎ）

　また、スラスタ推力は、入力電圧とモータ回転数に対応して計測され、定格電圧において９．０Ｎである。
　水中走行車両１は、水槽内を走行させる。水槽の寸法は、長さ４０ｍ、幅４ｍ、深さ２ｍである。水槽内での水中走行車両１の動作は、上から、そして側壁にある観察窓から観察できる。また、水中走行車両１の姿勢は、搭載したジャイロから得られる。実験は、浮力Ｆ３を与えるブロック部材の数を変更することにより、浮力Ｆ３を変更して行った。
　次に、抵抗測定テストについて説明する。図７は、曳航試験によって得られる水による抵抗Ｆ５と抵抗Ｆ５のＺ方向の作用点の位置ＺRを示すグラフである。水による抵抗Ｆ５と抵抗Ｆ５の作用点の位置ＺRは、安定走行特性のパラメータである。図７に示すように、走行速度に相当する曳航速度が速くなると、流体による抵抗Ｆ５は、おおよその速度の二乗に比例して大きくなる。このため水中走行車両１は、引っ張られる方向と反対側が浮き上がる傾向がある。一方、作用点の位置ＺRは速度がある程度大きくなると一定となる。
　以下に示す表２は、様々な仕様で水中走行車両１を走行させた場合の走行動作を示すものである。
（表２）
　ケース   重量　浮力　重心　浮力中心　動作(スラスタ無)  動作(スラスタ有)
　　　　   (kgf) (kgf)   (mm)      (mm)

　　 1　   34.5  18.6   285.6     308.3      安定　　　　　　－
　　 2　   34.5  20.6   285.6     280.1      安定　　　　　　－
　　 3　   34.5  22.6   285.6     306.8      安定　　　　　　－
　　 4　   34.5  24.6   285.6     283.3      安定　　　　　　－
　　 5　   34.5  26.6   285.6     305.3      安定　　　　　　－
　　 6　   34.5  28.6   285.6     285.1    浮き上がり　　　 安定
　　 7　   34.5  30.6   285.6     305.9    浮き上がり　　　 安定
　水中走行車両１は、走行速度約０．３m/sに相当するモータ回転数３０００rpmで前方に走行させた。このような低スピードと低加速での実験では、スタート時に観測される動的な影響を小さくすることが予想される。
　表２のケース１からケース５に示すように、浮力Ｆ３が所定の値より低い場合、水中走行車両１は、水平な姿勢を維持し、安定に走行することができる。
　図８は、水中走行車両１が安定に走行した本実験のケース２，４及び５における水中走行車両の走行状態を判別したグラフである。グラフの横軸はｘ方向の重心位置ＸG、縦軸はｘ方向の浮心位置ＸBを示す。
　図８のグラフに示すように、ケース２，４及び５の場合、水中走行車両１のｘ方向の重心位置ＸGと縦軸はｘ方向の浮心位置ＸBの関係は、安定領域に存在する。
　しかし、表２に示すように、浮力Ｆ３が所定の値より高い場合、ケース６及びケース７のように浮力中心が他のケースと同じような範囲にあっても、スラスタ無しでは水中走行車両１は、一方が浮き上がる。
　ここで、スラスタ４を有すると、実質的に、重量Ｆ１を増加させることと同等となり、かつ、重心位置（ＸG，ＺG）を変更することができる。その結果、水中走行車両１は、水平な姿勢を維持し、安定に走行することができる。
　図９は、ケース６においてスラスタ４を有する場合とスラスタ４の無い場合の水中走行車両１の走行状態を判別したグラフである。図８に示すように、ケース６においてスラスタ４の無い場合には、水中走行車両１の走行状態は、不安定領域にあるが、スラスタ４を有する場合には、水中走行車両１の走行状態は、安定領域にある。
　図１０は、ケース７においてスラスタ４を有する場合とスラスタ４の無い場合の水中走行車両１の走行状態を判別したグラフである。図１０に示すように、ケース７においては、本来、スラスタ４を有する場合と共に、スラスタ４の無い場合も水中走行車両１の走行状態は安定領域にある。しかしながら、実際には、表２に示すように、スラスタ４の無い場合には、水中走行車両１の走行状態は一方が浮き上がり、不安定であった。浮き上がった原因としては、浮力中心と重心の計測の精度が影響したと考えられる。ただし、図１０に示すように、スラスタ４を有する場合は、スラスタ４の無い場合と比較して、より安定した領域にあり、スラスタ４を有することが、重心を変更し、安定な走行を導くためにより効果的な方法であることにかわりはない。
　次に、クローラモータの回転数を５０００rpmとして実験を行った。以下に示す表３は、表２と同様の仕様で水中走行車両１を走行させた場合の走行動作を示すものである。
（表３）
　ケース   重量　浮力　重心　浮力中心　動作(スラスタ無)  動作(スラスタ有)
　　　　   (kgf) (kgf)   (mm)      (mm)

　　 1　   34.5  18.6   285.6     308.3      安定　　　　　　－
　　 2　   34.5  20.6   285.6     280.1    浮き上がり　　　 安定
　　 3　   34.5  22.6   285.6     306.8    浮き上がり　　　 安定
　　 4　   34.5  24.6   285.6     283.3    浮き上がり　　 浮き上がり
　　 5　   34.5  26.6   285.6     305.3    浮き上がり　　　 安定
　　 6　   34.5  28.6   285.6     285.1    浮き上がり　　 浮き上がり
　　 7　   34.5  30.7   285.6     305.9    浮き上がり　　　 安定
　このように回転数の大きい高加速の実験であっても、スラスタ４を有する場合は、スラスタ４の無い場合と比較して、より安定した走行となり、スラスタ４を有することが、重心を変更し、安定な走行を導くためにより効果的な方法であるとわかった。
　このように、本実施形態の水中走行車両１は、車体２と、車体２に回転可能に設けられるクローラ３と、車体２に設けられクローラ３を駆動させる駆動手段と、車体２に設けられたスラスタ４と、を備えたので、スラスタ４により水中走行車両１の重心位置を変更することにより、簡単な構造で低重量に形成すると共に、浮き上がりを未然に低減し、走行性能を向上させることができる。
　また、車体２の陸上での初期状態を記憶する記憶手段１０と、車体２の水中での状態を計測する姿勢センサ５と、記憶手段１０及び姿勢センサ５からの出力に対してスラスタ２の推力又は推進方向を制御する制御手段１１と、を備えたので、さらに浮き上がりを低減し、走行性能を向上させることができる。
　また、記憶手段１０は、水中走行車両１の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するので、制御時に、初期状態を正確に適用することができる。
　また、姿勢センサ５は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置を計測するので、制御時の精度を向上させることができる。
　また、制御手段１１は、記憶手段１０と姿勢センサ５の出力に対して、車体２が安定か不安定かを判断する判別手段１２を有するので、水中での車体２の状況を把握することができる。
　また、記憶手段１０は、水中走行車両１の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、判別手段１２は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置と、閾値とを比較して車体２が安定か不安定かを判断するので、迅速に水中での車体２の状況を把握することができる。
　また、制御手段は、水中走行車両の走行中、継続して作動するので、一度安定走行になった後、不安定走行になっても、迅速に水中での車体２の状況を把握し、制御することができる。

Claims (7)

  1. 　車体と、
    　前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、
    　前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、
    　前記車体に設けられたスラスタと、
    を備えたことを特徴とする水中走行車両。
  2. 　前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、
    　前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、
    　前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水中走行車両。
  3. 　前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶する
    ことを特徴とする請求項２に記載の水中走行車両。
  4. 　前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測する
    ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水中走行車両。
  5. 　前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有する
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１つに記載の水中走行車両。
  6. 　前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、
    　前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断する
    ことを特徴とする請求項５に記載の水中走行車両。
  7. 　前記制御手段は、前記水中走行車両の走行中、継続して作動する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の水中走行車両。
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