JP2006248477A - 水中航走体の航走制御方法及び水中航走体 - Google Patents

Abstract

【課題】 航走パターンは目標物回りの周回航走に限定されるが、搭載機器や制御を簡略化できて、小型で安価の水中航走体の航走制御方法及び水中航走体を提供する。
【解決手段】
自律型の水中航走体１０において、目標物Ｏとの距離ｒを検出する水中位置センサ１４から得られる目標物Ｏからの距離ｒから、前記水中航走体１０が前記目標物Ｏから所定の距離ｒ０を保持しながら前記目標物Ｏの周りを周回するように水中航走体１０を制御する。また、前記所定の距離ｒ０を、該水中航走体１０の没水深度Ｈに応じて変化させる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内部に動力源を持ち水中を移動しながら計測・観察を行う無索の自律型の水中航走体の航走制御方法及び水中航走体に関する。

母船等からの操作を受けることなく、無索で独立して水中を航行する自律型の水中航走体を、その航行の目的に応じて設定された経路に沿って航走させるための自動航走制御装置が提案されている。

その一つとして、水流等の外乱の有る場合でも、目標点間を直線的に航走できるように、水中航走体の対水速度及び対地速度を検出するドップラー式超音波速度計と、加速度と初期位置とから水中航走体の位置を検出する慣性航法装置（ＩＮＳ）を備えて、ドップラー式超音波速度計の検出信号から潮流速度を算出し、この潮流速度を考慮した進行方向速度成分と船首方位を算出する自律型水中航走体の航走制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この航走制御装置では、予め定めた航路に沿って水中航走体を航走させることが可能で、重要観測点などを確実に通過させることができ、また、目標点において旋回する時でも、水中航走体の船首の方位が基準の航路の方位から外れた場合に、外れた量に応じた大きさの船首方位の補正を行うため、水中航走体を速やかに基準の航路に復帰させることができる。

しかしながら、このような航走制御装置では、所定の経路に沿った動きをさせるために、水中における絶対位置（地球に対する位置）を水中航走体の航走制御装置で検出する必要があり、そのために、ドップラー超音波速度計や慣性航法装置等を搭載する必要がある。そのため、高度で複雑な航路航行を実現できる反面、水中航走体の機体が大型化し、また、水中航走体が高価になり、用途が限られてしまう等の問題がある。
特開２００３−１２７９８３号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、航走パターンは目標物周りの周回航走に限定されるが、搭載機器や航走制御アルゴリズムを簡略化できて、小型で安価の水中航走体の航走制御方法及び水中航走体を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の水中航走体の航走制御方法は、自律型の水中航走体において、目標物との距離を検出する水中位置センサから得られた目標物からの距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する。

または、前記水中位置センサが更に目標物の方位を検出し、前記水中位置センサから得られた目標物の方位と距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御することを特徴とする。

あるいは、方位センサから得られた水中航走体の絶対方位と、前記水中位置センサから得られた目標物との距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御することを特徴とする。

これらの構成により、航走パターンは目標物周りの周回航走に限定されるが、母船又は水中に音響中継器（トランスポンダ）等の目標物を配置すると共に、この目標物との距離、あるいは、目標物の方位と距離、あるいは、航走体の絶対方位、即ち、目標物との相対位置を検出する水中位置センサ、あるいは、航走体の絶対方位を検出する方位センサを水中航走体に搭載し、比較的簡単な航走制御をするだけで、周回運動をできるようになる。そのため、水中航走体自身が自分の対地位置（絶対位置）を測定したり、推定することが不要になり、ドップラー超音波速度計や慣性航法装置等の高価な装置を廃止でき、また、航走制御アルゴリズムも簡略化できる。

また、上記の水中航走体の航走制御方法において、前記所定の距離を、該水中航走体の没水深度に応じて変化させることにより、目標物を中心にした円筒状等の多様な周回航路に沿って水中航走体を航走させることができるようになる。

更に、上記の水中航走体の航走制御方法において、目標物を移動することにより、水中航走体の航走領域を広げたり、予め海底に幾つかの目標物を配置し、周回目標の目標物を順次切り替えていくことにより、より広範な範囲に水中航走体を航走させることができ、調査範囲を容易に広げることができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の水中航走体は、自律型の水中航走体において、目標物との距離を検出する水中位置センサを搭載すると共に、該水中位置センサから得られる目標物からの距離から、該水中航走体を前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えて構成される。

または、前記水中位置センサが更に目標物の方位を検出すると共に、前記水中位置センサから得られる目標物の方位と距離から、該水中航走体を前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えて構成される。

あるいは、水中航走体の絶対方位を検出する方位センサを備え、前記方位センサから得られた水中航走体の絶対方位と、前記水中位置センサから得られた目標物との距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えて構成される。

これらの構成により、上記の水中航走体の航走制御方法を実施できる。

本発明の水中航走体の航走制御方法及び水中航走体によれば、ドップラー超音波速度計や慣性航法装置等の高価な装置や、これらの検出値に基づく絶対位置の演算等を必要とすることなく、比較的単純な水中位置センサや方位センサと航走制御アルゴリズムで、目標物周りの周回航走が可能になるので、航行のための装置、機構や制御を単純化でき、水中航行のための装置重量が軽くなり、水中航走体を小型化、軽量化できる。その結果、低価格化でき、広く普及できる水中航走体を提供できるようになる。

以下図面を参照して本発明に係る水中航走体の航走制御方法及び水中航走体の実施の形態について説明する。

図１に示すように、この水中航走体１０は、母船などから操縦されること無く、自分で判断して行動する無索の自律型の水中航走体で、機体１１、航走のための推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４、航走制御のための方位センサ１５、水中位置センサ１６、電子制御機器１７、電池１８等を備えて構成される。

この 電子制御機器１７には、水温センサ、塩分濃度センサ、深度センサ等の観測用各種センサ（図示していない）からのデータを記憶する装置や、カメラ、照明等（図示していない）の観測装置を制御する機器や浮上時の無線通信用装置等と共に、水中航走体１０の航走を制御する航走制御装置１７ａが備えられている。

そして、図２の制御ブロックダイヤグラムに示すように、この水中航走体１０の航走の制御のための制御は、次のように行われる。

第１の実施の形態では、水中位置センサ１６からの音源距離ｒを電子制御機器１７の航走制御装置１７ａに入力する。

この第１の実施の形態では、水中位置センサ１６は、図３に示すように、音響中継器（トランスポンダ）等の目標物Ｏと水中航走体１０の基準点Ｓとの距離ｒを検出するセンサであり、音波到達時間計測（ＳＢＬ）方式の装置、音波到達時間計測（ＳＳＢＬ）方式の装置、ソナー、画像追尾装置、レーザー追尾装置等を使用することができる。

そして、図４に示すように、この航走制御装置１７ａでは、水中航走体１０の目標物Ｏに対する距離ｒから、新たな方位修正量Δψを算出し、この方位修正量Δψで、水中航走体１０を航走させるように、推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４等を操作する。つまり、現時点における目標物からの距離ｒが所定の距離ｒ０との差（ｒ−ｒ０）がゼロになるように、推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４等を制御する。

より詳細には、図４に示すように、船首方向ψ０として、ψを時計回りを＋（プラス）とし、航走の目標とする所定の距離をｒ０とする場合に、次のように、新たな方位修正量Δψは、水中航走体１０の位置ｒから、時計回りの周回では方位修正量Δψ（＝Ｋ１×（ｒ−ｒ０））で、反時計回りの周回では方位修正量Δψ（＝−Ｋ１×（ｒ−ｒ０））で算出される。Ｋ１は、機体１１の特性や制御の時間間隔に応じて決まる正の係数であり、予め実験やシミュレーション計算等により最適な数値が設定される。

そして、この新たな方位修正量Δψを取るように、航走制御装置１７ａは、方向舵１３制御用に方向用舵角δ１を、昇降舵１４制御用に昇降用舵角δ２を、推進器１２用に回転数ｎを算出して、それぞれの機器に出力し、これらを制御する。

また、第２の実施の形態では、水中位置センサ１６からの音源方位θ、音源距離ｒを電子制御機器１７の航走制御装置１７ａに入力する。

この第２の実施の形態では、水中位置センサ１６は、図３に示すように、音響中継器（トランスポンダ）等の目標物Ｏに対する水中航走体１０の方位θと、目標物Ｏと水中航走体１０の基準点Ｓとの距離ｒを検出するセンサであり、音波到達時間計測（ＳＢＬ）方式の装置、音波到達時間計測（ＳＳＢＬ）方式の装置、ソナー、画像追尾装置、レーザー追尾装置等を使用することができる。

そして、図４に示すように、この航走制御装置１７ａは、水中航走体１０の目標物Ｏに対する相対位置（ｒ，θ）から、新たに方位修正量Δψを算出し、この方位修正量Δψになるように、つまり、現時点における目標物からの距離ｒが所定の距離ｒ０との差（ｒ−ｒ０）がゼロになるように、推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４等を制御する。この制御には、フィードバック制御、フォワードフィード制御、予測制御等の各種制御を用いることができる。

より詳細には、図３に示すように、音源方位θを、水中航走体１０の前方にある場合を０°とし、右舷側にある場合を＋（プラス），左舷側にある場合を−（マイナス）とし、また、航走の目標とする所定の距離をｒ０とする場合に、方位修正量Δψは、水中航走体１０の位置（ｒ，θ）から、時計回りの周回では（Δψ＝（θ−９０°）＋Ｋ２×（ｒ−ｒ０））で、反時計回りの周回では（Δψ＝（θ＋９０°）−Ｋ２×（ｒ−ｒ０））で算出される。なお、Ｋ２は、機体１１の特性や制御の時間間隔に応じて決まる正の係数であり、予め実験やシミュレーション計算等により最適な数値が設定される。

そして、航走制御装置１７ａは、この方位修正量Δψに基づいて、方向舵１３制御用に方向用舵角δ１を、昇降舵１４制御用に昇降用舵角δ２を、推進器１２用に回転数ｎを算出して、それぞれの機器に出力し、これらを制御する。なお、この方位修正量Δψは、新たな絶対方位ψと現時点での絶対方位ψ０との差（ψ−ψ０）である。

つまり、水中航走体１０に搭載された水中位置センサ１６により、母船又は水中の固定点に設置した中継器（トランスポンダ）等の目標物Ｏに対する水中航走体１０の距離ｒ及び相対方位θを計測し、計測された相対方位θが９０度（真横）で、計測された距離ｒが予め設定された所定の距離ｒ０になるように水中航走体の方位Δψ＝ψ−ψ０を制御し、目標物Ｏを中心に周回させる。

また、第３の実施の形態では、方位センサ１５からの現在の絶対方位（北に対する方位）ψ０と、水中位置センサ１６からの音源距離ｒを電子制御機器１７の航走制御装置１７ａに入力する。この第３の実施の形態では、水中位置センサ１６は、第１の実施の形態と同様なものを使用する。但し、水中航走体１０の船首方向の絶対的な方向ψ０を検出するセンサである方位センサ１５には、精度の高い、ジャイロコンパス、真方位型ＦＯＧ、真方位型ＲＬＧＣ等を使用する。

そして、図４に示すように、この航走制御装置１７ａでは、水中航走体１０の目標物Ｏからの距離ｒと現在の絶対方位ψ０とから、新たに目指すべき絶対方位ψに対して、この方向ψに向けるように、推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４等を制御する。

より詳細には、図４に示すように、絶対方位ψ０，ψを、北を０°として時計回りを＋（プラス）とし、航走の目標とする所定の距離をｒ０とする場合に、次のように、新たな絶対方位ψは、目標からの距離ｒと現時点での絶対方位ψ０から、時計回りの周回では（ψ＝ψ０＋Ｋ３×（ｒ−ｒ０））で、反時計回りの周回では（ψ＝ψ０−Ｋ３×（ｒ−ｒ０））で算出される。なお、Ｋ３は、機体１１の特性や制御の時間間隔に応じて決まる正の係数であり、予め実験やシミュレーション計算等により最適な数値が設定される。

そして、航走制御装置１７ａは、この新たな方位ψに、即ち、方位修正量Δψ（＝ψ−ψ０）で、水中航走体１０を航走させるように、方向舵１３制御用に方向用舵角δ１を、昇降舵１４制御用に昇降用舵角δ２を、推進器１２用に回転数ｎを算出して、それぞれの機器に出力し、これらを制御する。

また、第４の実施の形態では、方位センサ１５からの現在の絶対方位（北に対する方位）ψ０と、水中位置センサ１６からの音源方位θ、音源距離ｒを電子制御機器１７の航走制御装置１７ａに入力する。この第４の実施の形態では、水中位置センサ１６は、第２の実施の形態と同様なものを使用する。但し、水中航走体１０の絶対的な方向ψ０を検出するセンサである方位センサ１５には、精度の高い、ジャイロコンパス、真方位型ＦＯＧ、真方位型ＲＬＧＣ等を使用する。

そして、図４に示すように、この航走制御装置１７ａでは、水中航走体１０の目標物Ｏに対する相対位置（ｒ，θ）と現在の絶対方位ψ０とから、新たに目指すべき絶対方位ψに対して、この方向ψに向けるように、推進器１２、方向舵１３、昇降舵１４等を制御する。

より詳細には、図４に示すように、絶対方位ψ０，ψを、北を０°として時計回りを＋（プラス）とし、また、音源方位θを、水中航走体１０の前方にある場合を０°とし、右舷側にある場合を＋（プラス），左舷側にある場合を−（マイナス）とし、また、航走の目標とする所定の距離をｒ０とする場合に、次のように、新たな絶対方位ψは、水中航走体１０の位置（ｒ，θ）と現時点での絶対方位ψ０から、時計回りの周回では（ψ＝ψ０＋（θ−９０°）＋Ｋ４×（ｒ−ｒ０））で、反時計回りの周回では（ψ＝ψ０＋（θ＋９０°）−Ｋ４×（ｒ−ｒ０））で算出される。なお、Ｋ４は、機体１１の特性や制御の時間間隔に応じて決まる正の係数であり、予め実験やシミュレーション計算等により最適な数値が設定される。

そして、航走制御装置１７ａは、この新たな方位ψに、即ち、方位修正量Δψ（＝ψ−ψ０）で、水中航走体１０を航走させるように、方向舵１３制御用に方向用舵角δ１を、昇降舵１４制御用に昇降用舵角δ２を、推進器１２用に回転数ｎを算出して、それぞれの機器に出力し、これらを制御する。

つまり、水中航走体１０に搭載された水中位置センサ１６により、母船又は水中の固定点に設置した中継器（トランスポンダ）等の目標物Ｏに対する水中航走体１０の距離ｒ及び相対方位θを計測し、計測された相対方位θが９０度（真横）で、計測された距離ｒが予め設定された所定の距離ｒ０になるように、水中航走体の方位Δψ＝ψ−ψ０を制御し、目標物Ｏを中心に周回させる。

そして、上記の第１から第４のそれぞれの実施の形態において、この周回制御は、タイマーにより進水から所定時間経った後に開始したり、深度センサ（図示しない）等により所定の深度に到達してから開始したりする。また、タイマーにより周回制御開始から所定時間経った後に終了したり、深度変化の有る場合は、深度センサ等により所定の深度に到達した時に終了したりする。

また、図５に示すように、この水中航走体１０の航走において、同一の深度Ｈを保持するように制御すると、同一深度Ｈの円周上の航路となる。

更に、深度方向に関して、水中航走体１０が、一周した後に、深度を変化させて更に同一の深度を保持するように制御することを繰返すと、目標物を中心とする球体面の航路となる。また、図５において、深度を変化させると共に、所定の距離ｒ０を、水中航走体１０の没水深度Ｈに応じてｒ０² ＝（Ｈ−ｈ）² ＋ｒｃ² （ｈは目標物の没水深度、ｒｃは周回円の水平方向の半径）の関係に基づいて変化させることにより、固定した目標物Ｏを中心にした円筒状の航路とすることもできる。また、周回航走中に水中航走体１０を上昇させたり、下降させたりして深度を変化させるとスパイラル状の航路とすることができる。

一方、水中航走体１０の航走深度を、目標物Ｏの深度ｈと関係付けて、水中航走体１０に目標物Ｏとの相対深度Ｈを維持するように、昇降舵１４を自動制御するように構成する。そして、船から吊り下げた目標物Ｏの深度を変化させたり、固定点に係留した目標物Ｏの深度を変化させることにより、水中航走体１０の航路を立体的なものとすることができる。

そして、水平方向の領域の拡大に関しては、図５に示すように、目標物Ｏを吊り下げた船１を移動させることにより、広い範囲で水中航走体１０を航走させることができる。また、図６に示すように、海底に複数の目標物（音源）Ｏを配置し、これらの複数の目標物Ｏを順次切り換えることによっても、調査を広げることができる。

なお、水平方向の方向転換に関しては、上記の方向舵１３を使用する方法の代わりに、水中航走体１０の機体の左右に配置した推進器を使用する方法を用いてもよい。また、垂直方向の方向転換や移動に関しても、上記の昇降舵１４を使用する方法の代わりに、垂直スラスタや機体の上下に配置した複数の前後方向推進のスラスタを使用する方法を用いてもよい。

また、本発明は、上記の実施の形態のようにプロペラ等の推進器１２を装備した自走の場合に限定されるものではなく、浮力や重力を利用したグライダータイプの場合にも適用できる。

水中航走体の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の水中航走体の制御ブロックダイヤグラムを示す図である。 目標物と水中航走体と水中位置センサの検出値の関係を示す図である。 目標物と水中航走体の位置関係と方位修正量を示す図である。 船から吊り下げた目標物と水中航走体の周回の様子を示す図である。 海底に係留された目標物と水中航走体の周回の様子を示す図である。

符号の説明

１ 船
１０ 水中航走体
１１ 機体
１２ 推進器
１３ 方向舵
１４ 昇降舵
１５ 方位センサ
１６ 水中位置センサ
１７ 電子制御機器
１７ａ 航走制御装置
Ｈ 没水深度
Ｏ 目標物（音源）
ｒ 目標物との距離
ｒ０ 所定の距離
θ 目標物の方位

Claims (7)

1. 自律型の水中航走体において、目標物との距離を検出する水中位置センサから得られた目標物からの距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御することを特徴とする水中航走体の航走制御方法。
2. 前記水中位置センサが更に目標物の方位を検出し、前記水中位置センサから得られた目標物の方位と距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御することを特徴とする請求項１記載の水中航走体の航走制御方法。
3. 方位センサから得られた水中航走体の絶対方位と、前記水中位置センサから得られた目標物との距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御することを特徴とする請求項１記載の水中航走体の航走制御方法。
4. 前記所定の距離を、該水中航走体の没水深度に応じて変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水中航走体の航走制御方法。
5. 自律型の水中航走体において、目標物との距離を検出する水中位置センサを搭載すると共に、該水中位置センサから得られる目標物からの距離から、該水中航走体を前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えたことを特徴とする水中航走体。
6. 前記水中位置センサが更に目標物の方位を検出すると共に、前記水中位置センサから得られる目標物の方位と距離から、該水中航走体を前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えたことを特徴とする請求項５記載の水中航走体。
7. 水中航走体の絶対方位を検出する方位センサを備え、前記方位センサから得られた水中航走体の絶対方位と、前記水中位置センサから得られた目標物との距離から、該水中航走体が前記目標物から所定の距離を保持しながら前記目標物の周りを周回するように制御する航走制御装置を備えたことを特徴とする請求項６記載の水中航走体。
   

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