JPH0457559B2

JPH0457559B2 -

Info

Publication number: JPH0457559B2
Application number: JP62284555A
Authority: JP
Inventors: Masashi Urayama; Yasuhisa Hashizume; Hiroyuki Oota; Yoshinori Tsuji; Kenji Shibahara; Tomio Hirayama
Original assignee: SASEBO SENTAN GIJUTSU KAIHATSU KYODOKUMIAI
Current assignee: SASEBO SENTAN GIJUTSU KAIHATSU KYODOKUMIAI
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1992-09-11
Also published as: JPH01127487A

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
ケーブルなどの有索で結ばれていない無人無索か
らなる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、例えば水中（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無索水中ロ
ボツトに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば水中（海中も含む）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
ルなどの有索で母船と結ばれた無人の水中ロボツ
トが使用されていた。

有人の潜水艇の場合には、潜水艇に乗り込んで
いる人間によつて操縦されるため、水中の障害物
を避けながら航行できる利点がある。

また、無人で有索の水中ロボツトとしては、例
えば、特開昭61−200089号公報に記載の「水中点
検ロボツト」が知られている。

この従来の水中点検ロボツトは、ケーブルから
なる有索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管制
局に電子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。

〔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、前述した利点がある反面、事故が起こつた場
合、これが直ちに人命にかかわる大事故につなが
る恐れがあり、比較的安全な地域の水中の観測以
外は使用できなかつた。又、潜水艇に乗り込んで
いる人間の健康の面から、長時間、水中での観測
ができないという問題点があつた。

また、前記の有索の水中点検ロボツトにあつて
は、複数の機能を兼ねるケーブルがあるために、
このケーブルが妨げとなつて、潜水装置の運動が
自由でなく、その運動性能が低下して、水中を観
測するうえで大きな問題点となる。

更にまた、水中ロボツトを母船とケーブルなど
の有索で結ぶ場合には、ケーブルが母船のスクリ
ユーに絡まつたり、破断したりする事故が起こつ
ている。

このように、潜水装置（水中ロボツト）の運動
性能の低下や、ケーブルがスクリユーに絡まつた
り、破断したりする等のトラブルの大きな原因と
して、有索であることが大きな要因をなしてい
る。そして、特に、水流が速い場合、それが速け
れば速いほど、その影響は深刻になるという問題
点を有している。

この発明は、上記のような問題点に鑑み、その
問題点を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、有人や有索の場合の欠点
を解消し、しかも、水中ロボツトを母船からの信
号を受信しながら母船の航行に追従させることに
より、水中ロボツトを水中で航行させるための煩
わしい機械操作を殆ど不要にし、さらに、水中の
障害物を自動的に回避して、完全自動の母船追従
式の水中ロボツトを得ることのできる母船追従式
無人無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、無人
無索からなる水中ロボツトに、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、水中ロボツトを潜行及び浮上させる潜行浮上
機構と、上記スラスターと推進部を制御する制御
機構とを少なくとも装備し、前記受信部は水面上
の母船からの相対位置を検出すべく２対の超音波
受信器を直交方向に配置したものから構成し、前
記障害物検知センサは３個以上から構成し、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、各２個の障
害物センサからの情報により水底（又は海底）が
水平面となす角を各々求め、求められた複数の水
平面となす角から指令角度を演算し、この指令角
度に基づいて、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
を出す。母船からの信号は、２対の超音波受信器
を直交方向に配置したものから構成される受信部
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。

〔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、母船追従式の無人無索からなる水
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を潜行及び浮上させる潜行浮上機
構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１２が設けられて
いる。更に水中ロボツト１の位置を確認するため
のスキヤンニグソナー１３を搭載している。それ
ぞれの超音波送信器の共振周波数は干渉が最も少
なくなるように選定されている。

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グロ電圧
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
に応じたアナグロ電圧が出力される。このアナグ
ロ電圧は、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記録装置
に記録され、水中ロボツト１を回収した後にロボ
ツト本体２の内部から取り出すようになつている
ものや、観測用機器６で観測された内容を、信号
に置き換えて水面上の母船３に伝達するものがあ
る。母船３に伝達するタイプのものにあつては、
水中ロボツト１に発信器が設けられ、又母船３に
受信器が設けられている。

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。

更に、ロボツト本体２の内部には、水中ロボツ
ト１を潜行及び浮上させる潜行浮上機構９が設け
られている。潜行浮上機構９には、圧縮気体ボン
ベ、バラストタンク９ａなどが含まれる。バラス
トタンク９ａはロボツト本体２の上部側の左右両
側に形成されていて、バラストタンク９ａに圧縮
気体ボンベから圧搾空気を送り込んで内部の水や
海水を排出させたり、バラストタンク９ａに水や
海水を注入したりする電磁弁の開閉制御によつ
て、水中ロボツト１の水中重量を調整し、水中ロ
ボツト１の潜行及び浮上を可能にしている。

潜行浮上機構９の制御は制御機構１０で行わ
れ、水中ロボツト１の潜行浮上などの動作は母船
３の超音波送信器１２により、超音波で伝えられ
るが、別個のタイマー機構などによつて、浮上開
始時間を制御することも可能である。また、水中
ロボツト１が危険な状態に瀕した時には自動的に
緊急浮上するように制御される。

例えば、水中ロボツト１のロボツト本体２の内
部に漏水があつた場合、各所に配置された漏水セ
ンサの出力を制御機構１０でとらえ、速やかに浮
上させるものである。また、スラスター７や推進
部８のモーターに異常が発生して、例えばサーマ
ルリレーが機能してこの事態を検知した際に、速
やかに浮上させるものである。

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、潜
行浮上機構９をも制御したり、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、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、潜行浮上
機構９のバラストタンク９ａに水又は海水を注入
して調整される。そして、水中ロボツト１の比重
が略水中（又は海中）の比重と同じなつたところ
で、水中ロボツト１を母船３から切り離す。

この場合において、水中ロボツト１には予め、
切り離し自在な重りが連結されているため、水中
ロボツト１はこの重りによつて潜行する。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、所定の深さまで水中ロボツト１
が潜行した時、重りは水中ロボツト１から切り離
される。重りの切り離し機構は、例えば水平な推
進部８を垂直の状態に回動した場合に、重りを把
持していた把持機構が自動的に開いて、重りを切
り離すような構成などがある。

重りを切り離した水中ロボツト１は、水中（又
は海中）の比重と略同じになるため、その降下が
止まり、その位置に浮遊することになる。

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たり、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。

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、母船３の超音波送信器１２から
の信号や、必要に応じてタイマー機構の作動など
によつて、制御機構１０を介して或いは直接に潜
行浮上機構９を作動させる。この作動は、バラス
トタンク９ａに圧縮気体ボンベから圧搾空気を送
り込んで内部の水や海水を排出させて、バラスト
タンク９ａを軽くすることにより、水中ロボツト
１の比重を水（又は海水）より小さくして、水中
ロボツト１を浮上させるようになつている。

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
る母船追従式無人無索水中ロボツトによれば、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、水中ロボツトを水中で航行させるた
めの煩わしい機械操作を殆ど不要にすることがで
きる。

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、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
に回避する動作を行うことができ、煩わしい操作
に悩まされることもない。

このように、上記の二つの相乗効果によつて、
完全自動の母船追従式の水中ロボツトを得ること
ができ、水中ロボツトを水中で航行させるための
煩わしい機械操作を全く不要にすることができ
る。

加えて、受信部は水面上の母船からの相対位置
を検出すべく２対の超音波受信器を直交方向に配
置したものから構成されているので、非直交方向
に配置されたものに比べて、計算が少し簡単とな
り計算誤差を小さくでき、水中ロボツトは航行中
の母船に対する方位や深さなどの相対位置をより
正確に検出することができる。このため、母船に
対する水中ロボツトの追従誤差も極力小さくな
り、航行する母船に対する水中ロボツトの追従
を、より確実にすることができる。

また、水面上を航行する母船からのケーブルが
全くないため、有索であることに起因する各種の
トラブル、例えば水中ロボツトの運動性能の低下
や、母船のスクリユーにケーブルが絡まつたり破
断したりする不都合等を排除できる。そして、特
に、水流の速い水域でも運動性能に優れた潜航機
能を発揮して、例えば水中の状況を観測すること
が可能となる。

さらに、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、長時間の観測も可能となる。

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。

また、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無索水中ロボ
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無索水中
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……潜行浮上機構、９ａ
……バラストタンク、１０……制御機構、１１…
…超音波送信器、１２……超音波送信器、１３…
…スキヤンニグソナー、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

【特許請求の範囲】

１無人無索からなる水中ロボツトに、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、水中ロボツトを潜行及び浮上させる潜
行浮上機構と、上記スラスターと推進部を制御す
る制御機構とを少なくとも装備し、前記受信部は
水面上の母船からの相対位置を検出すべく２対の
超音波受信器を直交方向に配置したものから構成
し、前記障害物検知センサは３個以上から構成
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、各
２個の障害物センサからの情報により水底（又は
海底）が水平面となす角を各々求め、求められた
複数の水平面となす角から指令角度を演算し、こ
の指令角度に基づいて、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
人無索水中ロボツト。