JP7001477B2 - 水環境移動ロボット - Google Patents

Description

水中ロボット及び水面ロボットを含む、水中パイプライン及び構造を含む水中資産の検査を実行するためのシステム、方法及び装置が提供される。

移動ロボットは、水中や海洋環境下にあるインフラストラクチャなどの産業インフラストラクチャの検査に不可欠な役割を果たすことができる。従来、水中インフラストラクチャ（例えば、水中パイプライン）を検査するために、人間のダイバーまたは遠隔操作されるビークルのいずれかが使用されている。しかし、ダイバーを使用することは安全性の問題を引き起こすとともに、高価である。遠隔操作されるビークルは、ダイバーによる安全上の懸念の多くを排除するが、これらのビークルは、人間の操作者がビークルを制御するためのプラットフォームを格納し、発射し、提供するための支持ボートを必要とする。このような支援ボートは、比較的大きな喫水を有し、安全に作動するための最小の水深を必要とする。したがって、支援ボートの制限のために、浅い水域、海岸に近い地域、およびその他の危険な地域にあるインフラストラクチャを検査することが困難である。このように、移動ロボットの使用は、産業的に複雑な特定の領域のより効率的な検査を可能にすることができる。

浅い海域は、大きな作業クラスのＲＯＶが繋がれている大型船が海底に衝突する恐れがあるため、これらのエリアを航行することができず、アクセス性の点で大きな課題となっている。したがって、小さなゾディアック（ゴム製ボート）がこれらのエリアにアクセスするために使用されるが、小さな観測クラスのＲＯＶを展開するためにのみ使用することができる。これらのＲＯＶは目視検査には十分に優れているが、海底流は周囲を移動し、パイプラインから安定した測定値を読み取ることができないため、ＵＴおよびＣＰ測定には適していない。これらの作業にダイバーを使用することは、浅い海域でのボートの航行に関連するため、非常に遅く、非効率的である。浅瀬（深さ０～１０ｍ）の検査は、主にダイバーを使用して実行され、潜水支援船およびゾディアックによって支援される。このプロセスは遅く、平均検査速度は、約０．５Ｋｍ／日の水中パイプラインである。

水中移動ロボットが検査能力を提供する一方で、支援ボートが水中移動ロボットから遠距離に位置する場合、長距離の水中通信に伴う困難性および限界のために、ロボットを効果的に制御することができない、および／またはデータをロボットから効果的に受け取ることができない。

本発明は、従来の検査ビークルおよび検査プロトコルに関連するこれらのおよび他の制限に対処するものである。

本発明の一態様によれば、制御ステーションと、水中ロボットビークルと、水面ロボットビークルとを含む水環境ロボットシステムが提供される。第１および第２通信モジュールは、水中ロボットビークルおよび水面ロボットビークルにそれぞれ関連付けられ、第１および第２通信モジュールは、水を介してビークル間の通信を提供する。第３および第４通信モジュールは、水面ロボットビークルおよび制御ステーションにそれぞれ関連付けられ、第３および第４通信モジュールは、水上ロボットビークルと制御ステーションとの間の通信を空中で行う。制御ステーションは、第３および第４通信モジュールを介して制御ステーションと水面ロボットビークルとの間で通信され、第１および第２通信モジュールを介して水面ロボットビークルによって水中ロボットビークルに中継される制御信号を使用して水中ロボットビークルの動作を制御するように構成される。水中ロボットビークルは、第１および第２通信モジュールを介して水中ロボットビークルと水面ロボットビークルとの間で通信され、第３および第４通信モジュールを介して水面ロボットビークルによって制御ステーションに中継されるデータ信号を用いて、水中ロボットビークルによって収集されたデータを伝達するように構成される。

本発明のさらなる態様によれば、水環境ロボットシステムは、アライメント制御システムを含む。アライメント制御システムは、水中ロボットビークルに関連する位置信号エミッタと、水面ロボットビークルに関連する位置信号検出器とを含み、位置信号エミッタは、位置信号検出器によって検出可能な信号を発する。アライメント制御システムはまた、位置信号検出器からの信号データを受信し、水中ロボットビークルと水面ロボットビークルとの相対位置を決定する、水面ロボットビークルに関連付けられたアライメント制御プロセッサを含む。

本発明の別の態様によれば、水面ロボットビークルは、さらに、表面推進システムを含み、アライメント制御プロセッサは、水面ロボットビークルと水中ロボットビークルとの間のほぼ垂直の位置合わせを維持するように水面ロボットビークルを水面に沿って動かすために、表面推進システムの動作を制御する。

本発明のさらなる態様によれば、位置信号エミッタおよび位置信号検出器は、ＬＥＤライト、音、レーザー、およびそれらの様々な組み合わせを含むグループから選択される。

本発明の別の態様によれば、水環境ロボットシステムは、水面ロボットビークルと水中ロボットビークルとの間に延在するテザーと、水面ロボットビークルに関連するアライメント制御システムとをさらに含む。アライメント制御システムは、テザーにかかる力に関連するテザー力信号データを提供するセンサと、テザー力信号データを受け取り、水中ロボットビークルと水面ロボットビークルとの相対位置を決定するアライメント制御プロセッサとを含む。

本発明の別の態様によれば、第１および第２通信モジュールは、可視光、無線周波数、レーザー光、音響通信、およびテザーのうちの少なくとも１つを使用して通信するように構成される。

本発明の別の態様によれば、水面ロボットビークルおよび水中ロボットビークルは、共にドッキングするように構成されている。

本発明の更なる態様によれば、水面ロボットビークル及び水中ロボットビークルは、水面ロボットビークルから水中ロボットビークルに電力を供給するように電気的に結合するように構成されている。

本発明の更なる態様によれば、水面ロボットビークルおよび水中ロボットビークルは、機械的に結合するように構成されている。

本発明の別の態様によれば、水面ロボットビークルは、加圧水、圧縮空気、またはサンドブラスト材料およびそれらの様々な組み合わせのうちの少なくとも１つを機械的結合、またはテザーおよびそれらの様々な組合せの少なくとも１つを介して水中ロボットビークルに提供するように構成されている。

本発明のさらなる態様によれば、水中ロボットビークルは、少なくとも１つの水中移動モジュールと、少なくとも１つの水中クロールモジュールとを含む。

本発明の更なる態様によれば、少なくとも１つの水中移動モジュールは、垂直スラスタ、水平スラスタ、又は浮力制御装置およびそれらの様々な組合せのうちの少なくとも１つを含む。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの水中クロールモジュールは、クロールスキッド、トラック、ホイール、作動脚、およびこれらの様々な組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。

本発明の更なる態様によれば、水中ロボットビークルは、少なくとも１つの環境センサを含む。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの環境センサは、カメラ、撮像ソナー、高度計、圧力センサ、深度センサ、または温度センサ、およびそれらの様々な組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。

本発明の更なる態様によれば、水中ロボットビークルは、少なくとも１つの検査装置を含む。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの検査装置は、超音波検査プローブ、陰極保護プローブ、渦電流プローブ、赤外線カメラ、３Ｄスキャンシステム、およびそれらの様々な組み合わせのうちの少なくとも１つを含む。

本発明のさらなる態様によれば、水中ロボットビークルは、少なくとも１つの海洋生物浄化システムを含む。

本発明のさらなる態様によれば、少なくとも１つの追加の水面ロボットビークルをさらに含み、複数の水面ロボットビークルが無線通信して、複数の水面ロボットビークルと制御ユニットとの間の通信中継を提供する。

本発明の一実施形態による水中ビークルを示す図である。 本発明の一実施形態による水面ビークルを示す図である。 相互に動作関係にある水中ビークルおよび水面ビークルを示す図である。 相互に動作関係にある水中ビークル、水面ビークル、および制御ユニットを示す図である。 本発明の追加の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の追加の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の追加の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の追加の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の他の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の他の実施形態による水中ビークルを示す。 本発明の別の実施形態による水面ビークルを示す図である。 本発明の別の実施形態による水面ビークルを示す図である。 水面ビークルの特定のシステムの概略図を示す。

図１～図３を参照すると、水環境ロボットシステム１０は、水中ロボット１００および水面ロボット２００を含む。水中ロボット１００は、水面下に潜り、水中のインフラストラクチャの様々な整備および検査作業を行うことができるように構成されている。水面ロボット２００は、水面に残り、それ自体の推進システム２０２を有するため、水中ロボット１００に近接した状態を維持するために水面に沿って移動することができる。水中ロボット１００が水中を移動すると、水中ロボットとの近接を維持するために水面ロボット２００は、対応する方法で移動する。水面ロボット２００が水中ロボット１００と近接して移動するため、２つのロボット間の距離は、最小限に維持される。したがって、水面ロボット２００および水中ロボット１００の間の水中を通る通信距離は、最小化される。水を通る通信信号を送ることは、難しく、水を通る距離が長くなることは、困難性が増し、通信の有効性を低減するため、水を通る通信距離を最小限にすることは、非常に好都合である。これは、水を通る無線通信にとっては信号損失があり、有線通信にとっては長いテザーが必要であるため、重量、費用、テザーのもつれの可能性が増えることがあるため、両方に当てはまることである。

このように、水面ロボット２００は、水中ロボット１００のための通信中継として機能する。水中ロボット１００が様々なタスクを実行すると、水面ロボット２００は、それ自体の推進システム２０２を使用して、水中ロボット１００のほぼ真上の位置を維持する。２つのロボットの位置合わせの間のいくらかの偏差は、許容可能であり、水面ロボット２００は、ロボットの下の約１５度の円錐形ゾーン内に水中ロボット１００を維持するようにその位置を調整することができ、ゾーンは、約４５度まで拡張することができる。

水中ロボット１００および水面ロボット２００の相対的な位置を維持するために、水面ロボット２００は、水中ロボット１００の相対位置を追跡することができる。水面ロボット２００は、水中ロボット１００の位置を測定するために使用することができる様々なセンサを含む追跡モジュール２０４を含むことができる。例えば、追跡モジュールは、水中ロボット１００の位置を追跡し、決定する音響定位システムを含むことができる。音響定位システムは、２つの音響トランスデューサを含むことができ、１つは、水面ロボット２００に取り付けられ、１つは、水中ロボット１００に取り付けられている。超短基線（ＵＳＢＬ）システムを使用して、水中ビークルを追跡することができる。２つの受信機を使用して、水面ビークルに取り付けられたトランシーバーが複数のトランスデューサヘッドを使用して音響信号を検出し、信号ランタイムによって水中ビークルの範囲を決定し、かつ各トランスデューサによって検出される異なるタイムシフトによって水中ビークルの方向を決定する。例えば、様々な検出器で受信された信号の差は、水中ビークルの位置を決定するために使用することができる。追跡範囲は、０．１ｍの距離精度および１度の角度精度で５００ｍを越えることができる。音響定位システムは、テザーレス追跡システムの一例である。

水中ロボット１００の位置を追跡するために他の追跡および定位システムおよび方法を使用することができる。例えば、水面ロボット２００および水中ロボット１００の間に延在するセンサを含むテザーを追跡に使用することができる。テザーは、テザーの長さに沿っていくつかの慣性測定ユニット／センサを含むことができる。テザーが移動すると、その動きは、慣性測定ユニットによって感知され、今度は水面ロボット２００に対する水中ロボット１００の位置の決定に使用される。水中ビークルの深さに応じたテザーの放出および回収を自動化するために、水面ロボット２００で自動巻取機を使用することができる。水中ロボット１００によってテザーが引っ張られる角度を決定するために三次元力または歪みセンサを水面ロボットテザー巻取機で使用することができ、角度は、ロボットの位置を決定するために使用される。２つのビークルの相対位置および向きを決定する手段として慣性測定ユニットも水面ロボット２００および水中ロボットに取り付けることができる。カルマンフィルターなどのデータ融合アルゴリズムを使用して、より正確な推定を得るために異なる追跡方法から得られた様々な推定値を融合することができる。

いったん水中ビークルが追跡されると、インテリジェント制御アルゴリズムがフィードバック信号として推定された位置を受け取り、水中ビークルに追従し、水中ビークルの上に近接してとどまるように水面ビークルのスラスタ／プロペラを作動させる。コントローラの目的は、２つのビークル間の距離を最小にし、それによってほぼ垂直の位置合わせを達成することである。ほぼ垂直の位置合わせは、１５度～例えば４５度まで維持することができる。アルゴリズムは、ＰＩＤコントローラ、適応制御、最適制御、または任意の他の通常使用される制御ストラテジーに基づくことができる。作業者が水中ビークルの動きを制御する一方で、水面ビークルは自律的に駆動し、作業者および水中ビークル間で通信を前後に中継することに言及することは重要である。水中ロボットとの連結が失われた場合、コントローラを無効にし、作業者による直接の空中通信を介して水面ビークルを手動でナビゲートすることが可能である。

水中ビークル／ロボット１００は、水中で浮遊する／泳ぐことも、海底に着陸／這う（クロールする）ことも可能である。水中ロボットには、様々な方法で制御可能な、触覚デバイスを含むロボットアーム１０２を装備することができる。水中ロボットは、超音波プローブ、陰極保護プローブ、渦電流プローブ、カメラ、海洋生物浄化システムなどの１組の水中検査技術１０４を含むことができる。

図１～図４を参照すると、水中ロボット１００は、信号Ａ（例えば光／ＬＥＤ、レーザー、音響によって、またはアンビリカルを介して）を使用して水中および水面ロボットにそれぞれ配置された通信モジュール１０６および２０６を介して海面ロボットボート２００と通信することができる。水面ロボット２００は、ルーター／リピーターとして機能し、無線通信デバイスを介して通信を（例えば無線周波数またはレーザーを用いて）制御ステーション３００に戻すよう中継する。制御ステーション３００は、陸上ベースのステーションであってもよいし、または有人の船舶であってもよい。信号を中継し、範囲を広げるために複数のボート、またはステーションを使用することができる。

水中ロボット１００は、多様なサポート機能のために水面ロボットボート２００にドッキングすることができる。例えば、水中ロボットが搭載バッテリーを充電することができるように、水中ロボットは、水面ロボットにドッキングすることができる。水面ロボットはまた、ドッキングによって、またはアンビリカルコードを介して加圧水、圧縮空気、および（サンドブラスト用の）砂などの異なる材料を水中ロボットに提供することができる。例えば、バッテリー、太陽光、燃焼エンジン、または任意の他のエネルギー源によって水面ロボットに動力を供給することができる。例えば図２に示すように、水面ロボット２００は、発電のための太陽電池２１０を含む。水中ロボットの上の相対位置を維持するために、ロボット水面ボートが水中ロボットを自律的に追従するように、ロボット水面ボートは、インテリジェント制御システムを使用することができる。

浅い水域の検査は、退屈で費用のかかる作業であり、システム１０は、浅い水域の水中資産１０００の検査を可能にし、検査速度および効率を向上させ、これらの資産を検査する時間を短縮することによって、潜水支援船（ＤＳＶ）費用、ダイバーの費用および全体検査費用に関する検査費用を節約することができ。水中ロボットおよび水面ロボットによって使用される通信およびドッキングシステムは、多様なロボットでの使用に適合させることができる。

システム１０は、アクセスが困難で費用のかかる浅い水域での検査に関連する課題に対処する。水面ロボット２００などの自律的な通信中継ボートを使用することにより、作業船３００は、浅いエリアに近づく必要がなくなる。さらに、海底での着陸／クロール（這う）機能を持つことで、小さい観測クラスのＲＯＶを安定させることができ、通常作業クラスのＲＯＶだけが可能な正確な測定値を得ることができる。

一実施形態において、水中ビークル１００は、スラスタおよび浮力制御を用いて浮遊およびナビゲートすることができるハイブリッドクローラー／ＲＯＶであってもよい。これには、バッテリーが装備されるが、またテザーで繋ぐこともできる。水中ロボットにはまた、深さを制御するための圧力／深度センサを装備することができ、かつ信号を失った場合に位置を修正するためのＧＰＳセンサを有することができる。水中ロボットには、低視界でのナビゲーションのための撮像ソナーおよび高度計を装備することができる。

信号を失った場合、水中ロボットビークルは、上方へ移動することができ、いったん水上で例えばＲＦおよびＧＰＳの組み合わせを用いて通信を再確立する。

ビークルには、タンクトレッド１０８（図５Ｂ）または懸架ホイール１１０（図５Ａ）を使用する他のクロール機構を装備することができ、荒く、平らではない表面上を移動することができる。図５Ａ～図５Ｄは、水中ロボット１００が、ホイール１１０およびスラスタ１１２（図５Ａ）、トレッド１０８およびスラスタ１１２（図５Ｂ）、トレッド１０８および脚１１４（図５Ｃ）、および脚１１６およびホイール１１０（図５Ｄ）を含む様々な推進手段を含むことを示している。クロール機能の１つの潜在的な利点は、海底を移動して、電力を節約し、より良い制御を可能にすることである。図６および図７は、水平および垂直スラスタ１１２、ホイール１１０、および浮力制御装置１１８を含む水中ロボット他の実施形態を示す。

水面ロボット２００は、例えば、太陽電池２１０、バッテリー、ディーゼルエンジン、または環境発電技術を含む任意の他の電源によって動力を得ることができ、かつ水上の作業者と通信するための無線周波数（ＲＦ）モジュール／アンテナまたは無線アンテナ２０８が装備される。図８Ａおよび図８Ｂは、使用可能な水面ボートの船体設計の一実施形態を示す。

好ましくは、水面ロボット２００は、水面を浮くことができるように構成され（例えばボートなど）、かつ水面に沿って移動および航行できるように、それ自体の推進システム２０２を有する。水面ロボット２００には、水中ビークル１００と通信するために水の下に位置する別の通信モジュール２０６を装備することができる。水中通信モジュール２０６は、例えば水中で１０ｍまで達することができる音響またはＲＦとすることができる。水面ロボット２００および水中ロボット１００間の通信を提供する別の代替形は、多方向のＬＥＤ通信、または一方向性だが、より高い帯域幅（Ｇｂｐｓ）を提供することができ、方向を制御するために複雑なレーザー追跡システムを必要とするレーザー通信を使用することができる。

水面ロボット２００はまた、水中ビークル１００のバッテリーを充電するために無線／誘導充電を提供することができ、ドッキングステーションとして機能することができる。したがって、水面ロボット２００は、水中ロボット１００の位置を追跡することができ、かつ水面ロボットは、水中ロボットの近くを維持するように自身の推進システムを使用して水面でのその位置を変更することができる（例えば水面ロボットは、水中ロボットの真上の位置を維持することができる）。水中ロボットが海面に沿って移動すると、水面ロボットは、水中ロボットを追跡し、移動することができる。このように、水面ロボットは、水中ロボットのための近接支援および通信中継を提供する。水中ロボットが供給（例えばバッテリー充電）を必要とする場合、水中ロボットは、水柱で上へ移動し、水面ロボットにドッキングすることができる。ドッキングは、物理的および／または誘導的であり、供給（例えばバッテリー充電）を水面ロボットから水中ロボットへ移送することができる。したがって、水面ロボットは、ドッキング装置２１２を含むことができ、水中ロボットは、非物理的および／または物理的なドッキングを提供するよう構成された対応するドッキング装置１２０を含むことができる。水面ロボットは、水中ロボットを充電するために余分なバッテリー（それ自体の動作に対して必要以上の）を含むことができるか、または水中ロボットには実用的ではない、または水中ロボットの動作特性（大きさ、重量、可動性）を低下し得る他の発電機能（例えば太陽電池、燃焼エンジン）を有することができる。

水面ロボット２００はまた、水中ビークルおよびそれを制御する作業者の中間にある信号リピーター／エクステンダ、または単純に水中通信システム（移動式ルーター）として使用することができる（水中ロボットは、自律型、または半自律型とすることができ、検査データなどの他のデータ送信するために信号リピーターを使用することができる）。水面ビークル２００には、ＧＰＳシステムを装備することができ、ボートがビークルからの音響信号の三角測量を使用することができるように、常に確実に下にいるように水中ビークルを連続的に追従する。したがって、水面ビークル２００は、水中ビークル１００の実際の位置を決定するために使用されることができ、水中ロボットによって収集される検査データをデータが収集された地理的位置に関連付けることができる。例えば、水面ビークルは、水面ビークルに対する水中ビークルの位置を決定することができ、かつ水面ビークルは、水中ビークルの地理的位置を決定するために使用することができる地理的位置を決定することができる。

ロボットの分野の当業者には理解されるように、水面ビークルは、メモリおよび／または構成設定および１または複数の制御プログラムなどの水面ビークルの動作に関する情報を格納するよう構成されたコンピュータ可読記憶媒体を含む電子回路を含むことができる。

より具体的には、図９を参照すると、水面ビークルは、制御モジュール９０２を備えることができる。制御モジュール９０２には、システムの動作を可能にする様々なハードウェアおよびソフトウェア構成要素が配置され、それらは、プロセッサ９０４、メモリ９０６、定位モジュール９０８、推進モジュール９１０、水中通信モジュール９１２、水上通信モジュール９１４、およびコンピュータ可読記憶媒体９１６を含む。プロセッサ９０４は、メモリ９０６にロードされ得るソフトウェア命令を実行するよう機能する。プロセッサ９０４は、いくつかのプロセッサ、マルチプロセッサコア、または特定の実施方法に応じた他のタイプのプロセッサとすることができる。

好ましくは、メモリ９０６および／または記憶装置９１６は、プロセッサ９０４によってアクセス可能であり、それによりプロセッサ９０４は、メモリ９０６および／または記憶装置９１６に格納された命令を受け取り実行することができる。メモリ９０６は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、または任意の他の適切な揮発性または不揮発性コンピュータ可読記憶媒体とすることができる。さらに、メモリ９０６は、固定可能、または取り外し可能である。記憶装置９１６は、特定の実施方法に応じて様々な形態をとることができる。例えば、記憶装置９１６は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書き換え可能な光ディスク、書き換え可能な磁気テープ、またはこれらの組み合わせなど１または複数の構成要素またはデバイスを含むことができる。記憶装置９１６はまた、固定可能、または取り外し可能であり、またはクラウドベースデータ格納システムなどのリモート型とすることができる。

１または複数のソフトウェアモジュールが記憶装置９１６および／またはメモリ９０６内でエンコードされる。ソフトウェアモジュールは、プロセッサ９０４で実行されるコンピュータプログラムコードまたは命令セットを有する１または複数のソフトウェアプログラム、またはアプリケーションを備えることができる。本明細書に開示されるシステムおよび方法の態様の動作を実行し、実現するためのこのようなコンピュータプログラムコードまたは命令は、１または複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで記述することができる。プログラムコードは、独立のソフトウェアパッケージとして水面ビークル２００で完全に、水面ビークル２００で部分的に、および遠隔のコンピュータ／デバイスで部分的に、または完全にこのような遠隔のコンピュータ／デバイスで実行することができる。後者のシナリオでは、遠隔のコンピュータシステムは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介して水面ビークル２００に接続することができるか、または接続は、外部コンピュータを介して（例えばインターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介して）行われる。

好ましくは、ソフトウェアモジュールに含まれるものは、プロセッサ９０４によって実行される定位モジュール９０８、推進モジュール９１０、水中通信モジュール９１２、および水上通信モジュール９１４である。ソフトウェアモジュールの実行中に、プロセッサ９０４は、水面ビークルの構成に関する様々な動作を実行するよう構成されている。さらに、例えば、水面ビークル２００の構成で使用される様々な制御プログラムなど、本発明のシステムおよび方法の動作に関連する他の情報および／またはデータも記憶装置９１６に格納され得ることに留意すべきである。

同様に、水中ビークルは、制御モジュールを含むことができ、制御モジュールは、水中ビークルの様々な機能を実行するためにプロセッサ、メモリ、定位モジュール、推進モジュール、水中通信モジュール、検査モジュール、およびコンピュータ可読記憶媒体を含むシステムの動作を可能にする様々なハードウェアおよびソフトウェア構成要素とともに構成される。

水中ビークル１００を参照すると、水中資産を検出し感じるために触覚を使用することができる１または複数のロボットアーム１０２からなるモジュールをビークルに組み込むことができる。力フィードバックセンサを使用する結果としてより良好な制御を提供するために触覚フィードバックを使用することができる。このモジュールにより、作業者が水上の制御室にいる間にダイバーが通常行う様々な活動を行うことができる。

特定の実施形態において、システムは、水中ロボットおよびそのロボットアームを制御する触覚ジョイスティックを使用することができる制御ステーション３００を有することができる。作業者はまた、ロボット水面ボート、水中ビークルを制御およびナビゲートし、ロボットアームを遠隔で操作し、検査活動を実行することができる。

水中ロボット１００には、検査モジュール１０４が装備され、検査モジュールは、超音波検査（ＵＴ）プローブ、渦電流プローブ（コンクリート被覆を通り海洋生物を検査することができる）、陰極保護（ＣＰ）検査プローブ、目視検査のための赤外線カメラを含むカメラ、および他の可能なＮＤＴセンサを含むことができる非破壊試験モジュールを含む。

水中ロボット１００には、ブラシ、キャビテーション、ウォータージェット、サンドブラスト、または機械的な摩耗を使用して、これらの水中資産に存在する海洋生成物（フジツボ）を清掃するための清掃機構１２２を装備することができる。例えば、水面ロボットボートは、アンビリカルコードを介して材料または水のジェットを水中ロボットに提供することができる。

水中ロボットは、異なる位置および角度で取り付けられた２つ以上のカメラを有することができる。

特定の実施形態によると、沖合のロボットシステム１０は、少なくとも水中ロボットサブシステム１００および少なくとも１つの海面サブシステム２００を含むことができる。海面ビークル２００は、通信を制御するコントローラを含む制御ステーションと通信する少なくとも１つの空中通信モジュール２０８を含むことができる。したがって、海面サブシステム２００は、通信信号のためのルーターまたはリピーターとして機能する。水中ロボットシステム１００および水面サブシステム１０２は、２つの装置の間の少なくとも１つの通信手段１０６，２０６を有する。コントローラは、水面ビークルおよび水中ビークルの特定の動作を制御するために使用することができる。

水中ロボットは、推進モジュールを含むことができ、それは、水柱の水中での深度制御を提供する少なくとも１つの水中移動モジュール１１２ａ、および水平方向に水中を移動するための水平運動制御モジュール１１２ｂを含むことができる。推進モジュールはまた、海底に沿った移動のために、海底に着陸、航行、および安定化するための水中クロールモジュール（例えばトラック１０８、ホイール１１０、および脚１１４および１１６を制御する）を含むことができる。水中移動モジュールは、異なる方向の水中の移動を制御するためのスラスタ１１２を含むことができる。スラスタ１１２の量、位置、および向きは、水中ロボットの移動の自由度を決定する。水中移動モジュールは、浮力制御装置１１８および／または渦発生器（例えば垂直スラスタプロペラ１１２ａ）含むことができ、ロボットの深度調整、および水中ロボットの向きの変更をすることができる。水中移動モジュールはまた水平移動のための水平スラスタ１１２ｂを含むことができる。水中クロールモジュールは、荒く、平坦ではない海底面の上を高い可動性で移動するためのトレッド１０８を有するクロールスキッドを含むことができる。さらに、または代わりに、水中クロールモジュールは、荒く、平坦ではない海底面の上を高い可動性で移動するためのロッカーブギー機構と同様の懸架ホイール１１０を含むことができる。ホイール１１０はまた、作動脚１１６に取り付けることができる。

水中ロボットサブシステムは、これらに限定されないが、周囲環境に関する情報および物理的な特性を提供するカメラ、撮像ソナー、高度計、圧力および深度センサ、および温度センサを含む１組のセンサ１２６を使用することができる。

水中ロボットサブシステムは、検査を含む水中での様々な作業、および操作作業を実行する少なくとも１つのロボットアーム１０２を含むことができる。ロボットアーム１０２は、より簡単な制御のために触覚フィードバックを使用することができ、外部環境とのより良好な接触を行うことができる。

水中ロボットサブシステムは、検査ダイバーによって通常行われる水中での様々な検査作業を実行する少なくとも１つの検査／非破壊検査（ＮＤＴ）装置１０４を含むことができる。ＮＤＴ装置１０４は、水中資産の厚さを測定し、腐食、侵食、クラックまたは任意の他の異常による可能性がある厚さの損失を確認するための超音波検査（ＵＴ）プローブとすることができる。ＮＤＴ装置は、水中資産に配置されたＣＰアノードを検査するための陰極保護（ＣＰ）プローブとすることができる。ＮＤＴ装置は、水中資産の欠陥および異常検査するための渦電流（ＥＣ）検査プローブとすることができる。ＮＤＴ装置は、漏れを検査するための漏れおよび温度勾配を検出するための赤外線カメラとすることができる。ＮＤＴ装置は、環境を３Ｄで再構成し、パイプラインの下のフリースパンを含む海底のトポグラフィを検出するための３Ｄスキャンシステムとすることができる。３Ｄスキャンシステムは、３Ｄ再構成の後でＣＰアノード量を測定し、アノード空乏を検出するためのステレオビジョンカメラとすることができる。水中ロボットサブシステムは、様々な組み合わせおよび構成でいくつかのＮＤＴ装置を含むことができる。

水中ロボットシステムは、フジツボを除去し、検査のために水中資産の表面を準備するための海洋生物浄化システム１１２含むことができる。海洋生物浄化システムは、水中資産から海洋生物を清掃し、除去するためにウォータージェットおよび／またはキャビテーションジェットを使用することができる。海洋生物浄化システムはまた、海洋生物を清掃し、除去する作動ブラシを含むことができる。そのうえ、または代わりに、海洋生物浄化システムセットは、海洋生物を清掃し、除去するためにサンドブラストを使用することができる。

海面サブシステムは、水上を航行することが可能な遠隔制御ロボットボートとすることができる。特定の構成では、海面サブシステムは、水中サブシステムにアンビリカルで取り付けられ、水中サブシステムが水の下で移動すると海面に沿って引っ張られる浮動バルーンとすることができる。他の構成においては、海面サブシステムは、インテリジェント制御技術を使用して水柱を介して水中ロボットサブシステムとの垂直の位置合わせを維持するために自律的に移動することができるような推進装置２０２を含むことができる。制御技術は、海面サブシステム２００の下に取り付けられた少なくとも１つの検出器２０４、および水中サブシステム１００に取り付けられた少なくとも１つのエミッタ１２５を使用することができる。検出器は、海面サブシステムの下に取り付けられた少なくとも１つのカメラとすることができ、水中ロボットサブシステムの位置を特定するためにセグメント化するコンピュータビジョンアルゴリズムを有する。エミッタは、水中ロボットサブシステムに配置された発光ダイオードのアレイとすることができ、視界不良時にカメラによって検出されるのに必要な光を提供することができる。制御技術はまた、音響を使用することができ、海面サブシステムは、水中ロボットサブシステムに取り付けられた音響トランスデューサによって放出される音波を検出するための音響センサを含み、海面サブシステムの相対位置を決定する。音響による制御技術は、水中ロボットサブシステムに取り付けられた少なくとも２つの音響トランスデューサからの音響信号の三角測量を使用して、海面サブシステムに対する相対位置を決定することができる。制御技術はまた、アンビリカルコードを使用することができ、海面サブシステムと比較して相対位置を決定するために、水中ロボットサブシステムの抵抗力方向を検出するようにアンビリカルがサブシステムを接続する構成になっている。制御技術はまた、海面サブシステムと比較した相対位置を決定するために水中ロボットサブシステムを追跡する作動レーザー追跡システムを使用することができる。２つ以上のこれらの制御技術を使用した様々な組み合わせをサブシステムの相対位置を決定するために使用することができる。

上述のように、空中通信モジュール１２０は、制御ステーション３００と通信するために無線周波数（ＲＦ）を使用することができる。制御ステーションは、支援ボート３０２または海岸３０４に配置することができる。空中通信モジュール１２０はまた、制御ステーション３００と通信するためにレーザー通信システムを使用することができる。

海面および水中サブシステムは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの可視光を用いて互いに通信することができる。サブシステムはまた、短距離を無線周波数で通信することができる。サブシステムはまた、レーザー光、音響通信および／またはアンビリカルコードを用いて通信することができる。

海面サブシステム２００はまた、水中ロボットサブシステム１００のためのドッキングステーションとなる機能を提供することができる。ドッキングステーション２１２は、水中ロボットサブシステムとの電気結合を提供する（たとえば、充電および／またはデータ通信を提供する）よう構成された電気結合装置を含むことができる。したがって、海面サブシステムは、水中ロボットサブシステムの電力モジュールのバッテリーを充電することができる。物理的な電気接続なしでバッテリーを充電することができる誘導結合を用いた電気結合が達成される。海面サブシステムのドッキングステーション機能は、水中ロボットサブシステムと物理的に連結するための機械結合を含むことができる。海面サブシステムは、ドッキングによって、またはアンビリカルコード（図示せず）を介して加圧水、圧縮空気および（サンドブラスタのための）砂などの異なる材料を供給することができる。

水中ロボットサブシステム１００は、搭載バッテリーによって自己給電することができる。あるいは、またはさらに、水中ロボットサブシステムは、海面サブシステムに接続されたアンビリカルコード（図示せず）によって動力を得ることができる。海面サブシステム２００は、バッテリー、太陽電池、燃焼エンジン、または環境エネルギーを含む任意の他のエネルギー源によって動力を得ることができる。

特定の構成において、通信信号の範囲を制御ステーションまで広げるために複数の海面サブシステム２００を使用することができる。したがって、複数の海面サブシステムは、信号リピーターとして機能することができる。水中サブシステムの位置を決定し、および相対位置を維持するための定位および制御戦略を強化するために、複数の海面サブシステムを使用することができる。

本明細書に記載されたシステムのように、海底を移動する水中サブシステムおよび上で浮かぶ海面サブシステムを用いたハイブリッド操縦性は、より効率的であり、エネルギーを節約するため検査工程を改善する新規な構成である。既存のＲＯＶは、ＤＳＶを必要とするアンビリカルコードが必要であるが、浅い水域にはアクセスできない場合がある。水中ロボットシステムとの水中通信は大きな課題であり、それは自律型水面ロボットボートを導入することによって対処される。浅い水域での低い可視性は、別の課題である。クロール機構の導入により、海底を航行する間水中ロボットがスラスタを作動させる必要がないため、従来のＲＯＶ技術の場合のように浮いているよりも視認性が向上し、目視検査工程を向上させる。

１０ 水環境ロボットシステム
１００ 水中ロボット
１０４ 検査モジュール
１０６ 通信モジュール
１０８ トレッド
１１０ 懸架ホイール
１１２ａ 水中移動モジュール
１１２ｂ 水平運動制御モジュール
１１６ 作動脚
１１８ 浮力制御装置
１２０ ドッキング装置
１２２ 清掃機構
１２５ エミッタ
１２６ センサ
２０２ 推進システム
２０４ 追跡モジュール
２０６ 通信モジュール
２０８ 空中通信モジュール
２１２ ドッキング装置
３００ 制御ステーション
３０２ 支援ボート

Claims (14)

1. 水環境ロボットシステムであって、
   制御ステーションと、
   水中ロボットビークルであって、本体と、前記本体に連結された複数の脚と、前記本体が水中を水泳移動するためのスラスタと、前記スラスタに制御信号を提供するよう構成された水中ナビゲーションモジュールと、前記脚に制御信号を提供するよう構成されたクロールモジュールと、少なくとも１つの視覚検知モードを含む異なる検知モードを有する複数の検査装置とを有する水中ロボットビークルと、
   水面ロボットビークルと、
   前記水中ロボットビークルおよび前記水面ロボットビークルにそれぞれ関連する第１および第２通信モジュールであって、水を介して前記ビークル間の通信を提供する第１および第２通信モジュールと、
   を備え、
   前記水中ロボットビークルは、前記第１および第２通信モジュールを介して前記水中ロボットビークルおよび前記水面ロボットビークルの間で通信されるデータ信号を用いて、水中ロボットビークルによって収集されたマルチモード検査データを送信するよう構成され、
   前記水中ナビゲーションモジュールが前記スラスタを制御して水泳動作を提供し、前記クロールモジュールは、海底を這い、航行する間前記スラスタによる航行と比較して目視検査が向上するように、前記水中ナビゲーションモジュールによる前記スラスタの動作を必要とせずに、海底に沿って移動するよう前記脚を制御し、
   前記複数の検査装置が、超音波検査プローブ、陰極保護プローブ、渦電流プローブ、赤外線カメラ、３Ｄスキャンシステム、およびこれらの様々な組み合わせの少なくとも２つを含み、海底の近距離検査用に水中ロボットビークルに適合して配置され、
   前記水面ロボットビークルおよび前記水中ロボットビークルが共にドッキングするよう構成され、前記水中ロボットビークルが供給を必要とする場合に、前記水中ロボットビークルは、水柱内を上へ移動し、前記水面ロボットビークルにドッキングすることができる、水環境ロボットシステム。
2. 前記第１および第２通信モジュールは、可視光、無線周波数、レーザー光、音響通信、およびテザーの少なくとも１つを用いて通信するよう構成されている、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
3. 前記水面ロボットビークルおよび前記水中ロボットビークルが、前記水面ロボットビークルから前記水中ロボットビークルに電力を供給するために電気的に結合するよう構成されている、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
4. 前記水面ロボットビークルおよび前記水中ロボットビークルが機械的に結合するよう構成されている、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
5. 前記水面ロボットビークルが加圧水、圧縮空気、またはサンドブラスト材料、およびこれらの様々な組み合わせの少なくとも１つを、機械的結合、またはテザーおよびこれらの様々な組み合わせの少なくとも１つを介して前記水中ロボットビークルに提供するよう構成されている、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
6. 前記水中ナビゲーションモジュールが垂直スラスタ、水平スラスタ、または浮力制御装置およびこれらの様々な組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
7. 前記クロールモジュールが、クロールスキッド、トラック、またはホイールの少なくとも１つをさらに制御する、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
8. 前記水中ロボットビークルが少なくとも１つの環境センサを含む、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
9. 前記少なくとも１つの環境センサが、カメラ、撮像ソナー、高度計、圧力センサ、深度センサ、または温度センサ、およびこれらの様々な組み合わせの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の水環境ロボットシステム。
10. 前記水中ロボットビークルが少なくとも１つの海洋生物浄化システムを含む、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
11. 少なくとも１つの追加の水面ロボットビークルをさらに含み、複数の水面ロボットビークルが、前記複数の水面ロボットビークルおよび制御ステーションの間の通信中継を提供するように無線通信する、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
12. アライメント制御システムをさらに備え、前記アライメント制御システムが、
    水中ロボットビークルに関連する位置信号エミッタと、
    水面ロボットビークルに関連する位置信号検出器と、前記位置信号エミッタが前記位置信号検出器によって検出可能な信号を発し、
    表面推進システムと、
    前記位置信号検出器からの信号データを受信し、かつ前記水中ロボットビークルおよび前記水面ロボットビークルの相対位置を決定する、前記水面ロボットビークルに関連するアライメント制御プロセッサであって、前記アライメント制御プロセッサは、前記表面推進システムの動作を制御して、前記水面ロボットビークルおよび前記水中ロボットビークルの間が０度～４５度の範囲の垂直方向の位置合わせを維持するように前記水面ロボットビークルを水面に沿って移動させる、アライメント制御プロセッサと、
    を備える、請求項１に記載の水環境ロボットシステム。
13. 前記位置信号エミッタおよび前記位置信号検出器が、光、音響エネルギー、レーザー放射、およびこれらの様々な組み合わせのエミッタおよび検出器を含むグループから選択される、請求項１２に記載の水環境ロボットシステム。
14. 前記水面ロボットビークルおよび前記水中ロボットビークル間に延在するテザーと、
    前記水面ロボットビークルに関連する前記アライメント制御システムであって、
    前記テザーにかかる力に関連するテザー力信号データを提供するセンサ、および
    前記テザー力信号データを受け取り、前記水中ロボットビークルおよび前記水面ロボットビークルの相対位置を決定するアライメント制御プロセッサを含むアライメント制御システムと、
    をさらに備える、請求項１２に記載の水環境ロボットシステム。

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