JPH0228095A - 母船追従式無人有索水中ロボット - 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
などで結ばれている無人有索の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、水中（海中も含む）の状況を観測するもの
などに使用される水中ロボッ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
どの逼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ッ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ットに関・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ｒ水中点検ロボットｊなどが知られている。

このような従来の有索式水中ロボットは、ケーブル等に
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ットは、
母船が水中ロボットを曳航しながら水中の調査を行うも
のであった。

〔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っては、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ットにあっては、地上で水
中ロボットの運動を制御することが困難であり、天地が
分からなくなったり、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
った。このように水中ロボッ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、
従来の水中ロボッ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
曳航式の水中ロボットも存在するが、港湾などで調査を
行う場合、水中ロボッ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、マニュアル制御
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って、その目
的とするところは、有人や有索の水中ロボット（曳航式
も含む）の欠点を解消し、しかも、無人を索の水中ロボ
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、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、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を索の水中ロボットにおいて、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、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クー
及び推進部を制御する制御機構とを少なくとも装備し、
母船に追従するように制御する構成よりなる。

ここで、水中ロボットの好ましい態様として、水中ロボ
ットには、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部が受信できないときに、通信
線を介して母船に警告信号を送信する警告機構、又は水
中ロボットを緊急浮上させる緊急浮上機構が装備されて
いるのが好ましい。

〔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−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じて、適宜、スラスタ−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。

〔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、無人有索からなる水中ロボット１は、耐圧
容器からなるロボット本体２と、母船３と水中ロボット
ｌ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、水中の障害物査検出する障害物
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ｌの傾きを調整するスラスタ−７と、水
中ロボソ）１を運動させる推進部８と、水中ロボソトエ
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−７と
推進部８を制御する制御機構ＩＯ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、水中ロボン
）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１１が設けられている。更に水
中ロボッ）ｌの向きを確認するため水中ロボッ）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、ロボット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に対して水中ロボット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７）１の受
信部４に伝えられる。水中ロボットｌ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ｌ
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。、θ、を
増幅器１４で増幅した後、θ８θ、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、水中ロボット
１と母船３との仰角に応じたアナログ電圧が出力される
。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、水中ロボソトエが水中を
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１の前部
部分に襲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】９の
上下に分けて取付は方が過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θ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θ、を計算する。

ここで指令角度として、 θ　　−ｋｌ　θ１　＋　　ｋ、θ２ （ｋｔ　、ｋｔ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８の角度
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ＩＯ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０頭
部ドーム１９は半球面の形状を存し、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っている。

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、水中ロボットＩをマニュアルコントロ
ールに切り換え、従来の存索式水中ロボットが行ってい
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っている。

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Ｉ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Ｉの
トリム角調整用として機能する。スラスタ−７は制御機
ｆ１１１０によってＩ？ｌＩ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）
ｌ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ｔｔＬ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ｊ１４１０によって行
われる。

ケーブル９は、その一端がロボット本体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
から水中ロボソトエに供給する送電線と、母船３と水中
ロボットｌ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、水中ロボフト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
中ロボットｌ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
ロボットｌ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ｆｆｆｌ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（傾きを０に）保つことは
不可能なので、水中ロボットｌ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１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ＩＯ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ヰ★知センサ５と
からの情報に基づき、水中ロボット１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、水中ロボソトエには、母船３と水中ロボット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ット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っている。

これらの警告機構や緊急浮上機構は、上記制御機構ＩＯ
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）まで水中ロボソ）Ｉ
を搬送する。水中ロボット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
ボット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ット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。水中ロボットｌは推進部８を下向きにして潜行
を開始する。そして、水中ロボット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った後、母船３がら信号を水中ロボ
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ｌＯに送られ、この制御機構ｌＯ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ｌ
−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ト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ットｌ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５３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
じて、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。

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
中ロボットｌ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０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
ットｌの制御機ｍｉｏを作動させて、水中ロボット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、水中ロボット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ｌ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、水中ロボッ
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、特別に難しい操作を全く必要としない無
人有索の水中ロボッ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、海上において
、水中を航行する水中ロボッ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儒えている。

しかも、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。

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。

さらに、スポット的に詳細を観測したい場合には、マニ
ュ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。

このように、この発明によれば、蟲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〕 １：水中ロボット　　　２：ロボソト本体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−
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：Ｃ
ＰＵ回路　　　　１９：頭部ドーム２０：着底用脚 特許 願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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ッ
   トにおいて、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、上記受信部、障害物検知センサからの情報に基づ
   き上記スラスター及び推進部を制御する制御機構とを少
   なくとも装備し、母船に追従するように制御することを
   特徴とする水中ロボット。 ２、水中ロボットには、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部が受信できない
   ときに、通信線を介して母船に警告信号を送信する警告
   機構が装備されている請求項１記載の水中ロボット。 ３、水中ロボットには、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部が受信できない
   ときに、水中ロボットを緊急浮上させる緊急浮上機構が
   装備されている請求項１記載の水中ロボット。