JP2010274669A - 水中走行車両およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水中走行車両1は、本体10と、その前後に設けられたフリッパ式クローラ30(走行部)と、前後のクローラ30を揺動させる移動手段と、移動手段を制御する演算手段を備え、演算手段は、車両に働くモーメント、すなわち、重量に起因するモーメントと、浮力に起因するモーメントと、前後方向の移動に伴う流体抵抗に起因するモーメントと、推進力に起因するモーメントと、接地面から受ける垂直抗力によって生じるモーメントに基づき、車両が平衡状態にあるか否かを判断し、平衡状態と判断した時には前後のクローラ30を格納位置に維持し、車両1が前方へ倒れる恐れが高いと判断した時には、前側のクローラを前方に半転させ、車両1が後方へ倒れる恐れが高いと判断した時には、後側のクローラ30を後方に半転させる。
【選択図】図7
Description
上記の観点から、水中走行車両を軽量にしたり、フロートにより浮力を増大させることが考えられるが、前に倒れたり、後に倒れ易くなる。特に、物体を保持、搬送する場合には、この物体の重量によって一層平衡性を損ない易い。
この構成によれば、水中走行車両の平衡性に関する情報に基づき、水中走行車両を平衡状態で走行させるための制御が可能となる。
この構成によれば、水中走行車両に働く主たるモーメントに基づき、平衡性に関する正確な情報を得ることができる。
この構成によれば、重力と浮力による正確なモーメントを知ることができる。
この構成によれば、車両が物体を保持するマニピュレータを備えている場合に、車両に働くモーメントをより正確に知ることができる。
この構成によれば、走行部の位置制御により車両の前倒れや後倒れを防止することができる。
この構成によれば、平衡条件を満たす垂直抗力の仮想作用点と最も前の接地点および最も後の接地点との比較により、水中走行車両の平衡性に関する正確な情報を簡単に得ることができる。
この構成によれば、走行部の位置制御により車両の前倒れや後倒れを防止することができる。
この構成によれば、可能な限り前後のクローラを格納位置に納めて本体からの突出量を小さくすることにより、例えば調査等を行う場をできるだけ乱さないようにすることができる。また、車両に働くモーメントにより非平衡状態になるかそのおそれがある時には、前側のクローラを前方の展開位置に位置させることにより車両の前倒れを防止したり、後側のクローラを後方の展開位置に位置させることにより車両の後倒れを防止することができる。また、フリッパ式クローラを格納位置と展開位置との間で揺動することにより、簡単な制御で車両の平衡状態が得られる。
この構成によれば、クローラのスライド制御により、車両の平衡状態を得ることができる。
この構成によれば、前後のクローラを無段階で制御することができ、これらクローラを最適位置にすることができる。
説明の便宜上、図1〜図4の右側を車両1の前側とし、図1〜図4の左側を車両の後側とする。
上記本体10の上部において、支持部12によって区画された4つの空間には4つのフロート13がそれぞれ収容され、本体10に固定されている。
上記支持部12の上面中央には引っ掛け孔12aが形成され、この引っ掛け孔12aに連結されたケーブル(図示しない)により、車両1が母船または潜水艇等から上げ降ろしされるようになっている。
上記ベルト35の内周にはホイール33,34の突起33a,34aに噛み合う凹部35aが周方向に等間隔をなして形成されており、外周には多数の接地ラグ35bが周方向に離れて形成されている。
上記展開位置では、クローラ30は本体10からの前面または後面から大きく突出する。
また、マニピュレータ20には、保持部22で保持した物体の水中での荷重を検出する荷重センサ65と、保持部22の位置を検出する位置センサ66が設けられている。
上記コントロールユニット60は、上記検出手段58、63〜66からの検出情報に基づいて、クローラ30の揺動制御を行う。以下、詳述する。
原点P(x、z座標が0となる点)は任意に設定できるが、本実施形態では本体10の前端かつ上端に設定する。本実施形態では、x座標において原点Pより後方(図7において左方向)をプラスとし前方をマイナスとする。また、z座標において原点Pより下方をプラスとし上方をマイナスとする。
上記走行状態で、車両1には種々のモーメントが働く。コントロールユニット60は、上記原点Pを通り左右方向に延びる軸線を中心とした種々のモーメントに基づき、車両1が平衡状態にあるか否かを常時判断する。より正確には、車両1に作用する力およびモーメントのバランスから垂直抗力(反力)の作用点を算出し、この作用点が実際のクローラ30の接地面内に位置しているか否かによって判断する。
M(W)・・・車両1の重量に起因する重力Wによって生じるモーメント。
M(B)・・・浮力Bによって生じるモーメント。
M(R)・・・車両1移動の際に車両1に働く流体抵抗Rによって生じるモーメント。
M(w)・・・マニピュレータ20で保持した物体の水中での荷重wに起因したモーメント。
M(T)・・・クローラ30による推進力Tに起因したモーメント。
M(N)・・・車両1が地面から受ける垂直抗力Nに起因したモーメント。
WsinΘ―BsinΘ+R−T+wsinΘ=0・・・(1)
この式(1)を書き直すと下記の通りである。
T=(W+w―B)sinΘ+R・・・(2)
WcosΘ―BcosΘ−N+wcosΘ=0・・・(3)
この式(3)を書き直すと、下記の通りである。
N=(W+w−B)cosΘ ・・・(4)
M(W)+M(w)+M(B)+M(R)+M(T)+M(N)=0・・・(5)
M(W)=―W(xGcosΘ−zGsinΘ)・・・(6)
ただし、重心位置の座標は(xG,zG)で表される。W,xG,zGは既知の値である。Θは傾斜センサ64の検出角度により得られる。
M(w)=−w(xwcosΘ−zwsinΘ) ・・・(7)
ただし、物体の重心位置の座標は(xw,zw)で表される。荷重wは荷重センサ65からの検出荷重により得られる。xw,zwは位置センサ66の検出位置により得られる。
なお、図7のように物体が原点Pの前方かつ上方に位置する場合には、xw,zwはマイナス値となるので、このモーメントM(w)は上記重力WのモーメントM(W)と逆方向になる。
M(B)=B(xBcosΘ−zBsinΘ)・・・(8)
ただし、浮心位置の座標は(xB,zB)で表される。B,xB,zBは既知の値である。
M(R)=R・zR ・・・ (9)
なお、流体抵抗Rは速度センサ63での検出速度の関数(速度の2乗を含む)として求められる。流体抵抗Rは車両1の前面に働くが、そのみなし作用点は座標(0,zR)で表される。みなし作用点のz座標であるzRは、車両1の正面形状に対応した定数でもよいし、これに補正を加えるような速度の関数としてもよい。
M(T)=−T・zN ・・・ (10)
ただし、zNは地面でのz座標(クローラ30の接地面から原点Pまでの高さに相当する)であり、既知の数値である。
この式(10)に、上記式(2)を代入すると、下記式が得られる。
M(T)=―(W+w―B)zNsinΘ―R・zN ・・・ (11)
M(N)=N・xN ・・・ (12)
ただし、垂直抗力Nの作用点(仮想作用点)のx座標であるxNは未知数である。
この式(12)に上記式(4)を代入すると下記式が得られる。
M(N)=(W+w−B)xNcosΘ・・・(13)
―W(xGcosΘ−zGsinΘ)−w(xwcosΘ−zwsinΘ)+B(xBcosΘ−zBsinΘ)+R・zR―(W+w―B)zNsinΘ―R・zN+(W+w−B)xNcosΘ=0
・・・(14)
上記式(14)から、平衡条件(すなわち、通常走行可能条件)を満たすための未知のxNを求める式が得られる。
xN={W(xGcosΘ−zGsinΘ)+w(xwcosΘ−zwsinΘ)―B(xBcosΘ−zBsinΘ)+R(zN―zR)+(W+w―B)zNsinΘ}/(W+w−B)cosΘ
・・・(15)
xF0≦xN≦xA0 ・・・(16)
上記垂直抗力Nの作用点xNが、式(16)を満足せずxA0より後方に位置する場合、すなわち、xN>xA0の時には、後側のクローラ30を図7の想像線で示すように後方に回す。これにより、後側のクローラ30が展開位置となり、このクローラ30の最も後の接地点のx座標がxA0からxA’へと変わる。これにより、平衡条件(xN≦xA’)を満足することができる。
x軸方向の力の釣り合いから、下記の式が成立する。
WsinΘ―BsinΘ―R+T+wsinΘ=0・・・(1’)
この式(1)を書き直すと下記の通りである。
T=(B−W―w)sinΘ+R・・・(2’)
WcosΘ―BcosΘ−N+wcosΘ=0・・・(3)
この式(3)を書き直すと、下記の通りである。
N=(W+w−B)cosΘ ・・・(4)
M(R)=―R・zR ・・・ (9’)
推進力Tによって生じるモーメントM(T)は下記の通りである。
M(T)=T・zN ・・・ (10’)
この式(10)に、上記式(2)を代入すると、下記式が得られる。
M(T)=(B―W―w)zNsinΘ+R・zN ・・・ (11’)
xN={W(xGcosΘ−zGsinΘ)+w(xwcosΘ−zwsinΘ)―B(xBcosΘ−zBsinΘ)―R(zN―zR)+(W+w―B)zNsinΘ}/(W+w−B)cosΘ
・・・(15’)
xNを用いた制御は前述と同様であるから、説明を省略する。
初期条件として、既知の数値W,B,xG,xB,zG,zB,zN,xA0,xF0,xA’,xF’ を予めコントロールユニット60に入力する(ステップ101)。また、同ステップにおいて流体抵抗Rを求めるための関数を入力し、流体抵抗Rのみなし作用点のz座標であるzRを求める関数または定数を入力する。これら初期条件の情報は初期条件記憶部61で記憶される。
ステップ104で、平衡条件の一部を満足するか否か、すなわちxN≧xF0を満足するか否かを判断する。
ステップ110で、平衡条件の一部を満足するか否か、すなわちxN≦xA0を満足するか否かを判断する。
上記ステップ110で肯定判断した時には、後側のクローラ30を格納位置にする。すなわち、後側クローラ30が格納位置にあるか否かを判断し(ステップ111)、ここで格納位置にあると判断した場合にはその格納位置を維持し(ステップ112)、展開位置にあると判断した場合には後側クローラ30を回して格納位置にする(ステップ113)。
ちなみに、図8のルーチンでは、図2のように前後のクローラ30が同時に展開することは稀である。
図6における構成(ポテンショメータ58を除く)は、本実施形態でも用いられる。
ステップ101において入力される初期条件は第1実施形態と同様である。ただし、xA0は、後側のクローラ70が本体10の中心に最も近いスライド位置(以下、格納位置と称す)にある時の最も後の接地点のx座標である。また、xF0は、前側のクローラ70が本体10の中心に最も近いスライド位置(以下、格納位置と称す)にある時の最も前の接地点のx座標である。
ステップ104で肯定判断した時には、ステップ120に進み、ここで前側クローラ70を格納位置にする。すなわち、前側のクローラ70が格納位置にある時(xF=xF0)にはその格納位置を維持し、前方へ突出している時(xF<xF0)には、格納位置までスライドさせる。
ステップ104で否定判断した時には、ステップ121に進み、ここで前クローラ70の最も前の接地点の座標xFが平衡条件で得られたxNになるように、前クローラ70をスライド制御する。この制御は、検出座標xFによるフィードバック制御である。
ステップ110で否定判断した時には、ステップ123に進み、ここで後側クローラ70の最も後の接地点の座標xAが平衡条件で得られたxNになるように、後側クローラ70をスライド制御する。この制御は、検出座標xAによるフィードバック制御である。
第2実施形態において、スライド式クローラを、格納位置と最大限に突出した展開位置の2つ位置を選択するように、スライド制御してもよい。
10 本体
30 フリッパ式クローラ(走行部)
50 移動機構(移動手段)
60 コントロールユニット
62 演算部(演算手段、プロセッサ)
63 速度センサ
64 傾斜センサ
65 荷重センサ
66 位置センサ
70 スライド式クローラ(走行部)
90 移動機構(移動手段)
Claims (11)
- 本体と、この本体に設けられた走行手段とを備えた水中走行車両において、
さらに演算手段を備え、この演算手段は、車両に働く所定の原点回りのモーメントに基づき水中走行車両の平衡性に関する情報を得ることを特徴とする水中走行車両。 - 上記車両に働く上記原点回りのモーメントが、車両重量に起因するモーメントと、車両に働く浮力に起因するモーメントと、車両の前後方向の移動に伴う流体抵抗に起因するモーメントと、車両の推進力に起因するモーメントと、車両が接地面から受ける垂直抗力によって生じるモーメントを含み、上記演算手段がこれらモーメントに基づき水中走行車両の平衡性に関する情報を得ることを特徴とする請求項1に記載の水中走行車両。
- さらに車両の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜センサを備え、上記演算手段は、この傾斜角度と車両重量と車両重心位置とから、上記車両重量に起因するモーメントを演算するとともに、この傾斜角度と浮心と浮力に基づき、上記浮力に起因するモーメントを演算することを特徴とする請求項2に記載の水中走行車両。
- さらにマニピュレータと、このマニピュレータが保持する物体の荷重を検出する荷重センサと、物体の保持位置を検出する位置センサとを備え、
上記車両に働くモーメントが物体の荷重に起因したモーメントをも含み、上記演算手段は、この物体の荷重に起因したモーメントを、上記マニピュレータで保持した物体の検出位置および検出荷重と、上記傾斜センサで検出した傾斜角度から演算することを特徴とする請求項3に記載の水中走行車両。 - 上記走行手段が前後の走行部を有し、
さらに前後の走行部の位置をそれぞれ前後方向に変更する移動手段を備え、
上記演算手段は、上記水中走行車両の平衡性に関する情報に基づき上記移動手段を介して、上記前後の走行部の位置を制御し、
車両が前方へ倒れるかその恐れが高い非平衡状態にあると判断した時には、前側の走行部を、前方へ移動させ、後方へ倒れるかその恐れが高い非平衡状態にあると判断した時には、後側の走行部を後方へ移動させることを特徴とする請求項1〜4に記載の水中走行車両。 - 上記演算手段は、上記車両に働く複数のモーメントの総和がゼロとなる平衡条件が得られるような上記垂直抗力の仮想作用点の位置を演算し、当該仮想作用点の位置と、上記走行手段の最も前の接地点および最も後の接地点の位置との比較により、上記水中走行車両の平衡性に関する情報を得ることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の水中走行車両。
- 上記走行手段が前後の走行部を有し、
さらに前後の走行部の位置をそれぞれ前後方向に変更する移動手段を備え、
上記演算手段は、上記垂直抗力の仮想作用点が、前側走行部の最も前の接地点と後側走行部の最も後の接地点との間に位置するか、又は所定の余裕分を持って最も前の接地点と最も後の接地点との間に位置するように、上記移動手段を介して、上記前後の走行部の位置を制御することを特徴とする請求項6に記載の水中走行車両。 - 上記前後の走行部の各々は、左右一対のフリッパ式クローラからなり、各クローラは、一端が揺動可能に本体に支持され、他端が自由端となっており、選択的に接地される一対の直線部を含む無端条体を有し、
前後のクローラが格納位置にある時に、前後のクローラの自由端同士が互いに向き合うとともに、各無端条体の上記一対の直線部の一方が接地しており、
前側のクローラが格納位置から前方に回転することにより展開位置に至り、これにより、前側クローラの最も前の接地点が前方に変更されるとともに、各前側クローラにおいて上記無端条体の一対の直線部の他方が接地し、
後側のクローラが格納位置から後方に回転することにより展開位置に至り、これにより、後側クローラの最も後の接地点が後方に変更されるとともに、各後側クローラにおいて上記無端条体の一対の直線部の他方が接地し、
上記演算手段は、上記垂直抗力の仮想作用点が、上記前後のクローラが格納位置にあると想定した時の最も前の接地点と最も後の接地点との間に位置するか、又は所定の余裕分を持って最も前の接地点と最も後の接地点との間に位置すると判断した場合には、前後のクローラを格納位置に位置させ、
上記仮想作用点が、前側のクローラが格納位置にあると想定した時の最も前の接地点または上記余裕分だけ後方の地点より前方に位置する場合には、前側のクローラを展開位置に位置させ、
上記仮想作用点が、後側のクローラが格納位置にあると想定した時の最も後の接地点または上記余裕分だけ前方の地点より後方に位置する場合には、後側のクローラを展開位置に位置させることを特徴とする請求項7に記載の水中走行車両。 - 上記前後の走行部の各々は、本体に前後方向にスライド可能に設けられた左右一対のスライド式クローラからなり、前側のクローラは本体の前後方向中心に最も近い格納位置から前方へ突出可能であり、後側のクローラは本体の前後方向中心に最も近い格納位置から後方へ突出可能であり、
上記演算手段は、上記垂直抗力の仮想作用点が、上記前後のクローラが格納位置にあると想定した時の最も前の接地点と最も後の接地点との間に位置するか、又は所定の余裕分を持って最も前の接地点と最も後の接地点との間に位置すると判断した場合には、前後のクローラを格納位置に位置させ、
上記仮想作用点が、前側のクローラが格納位置にあると想定した時の最も前の接地点または上記余裕分だけ後方の地点より前方に位置する場合には、前側のクローラを格納位置より前方に位置させ、
上記仮想作用点が、後側のクローラが格納位置にあると想定した時の最も後の接地点または上記余裕分だけ前方の地点より後方に位置する場合には、後側のクローラを格納位置より後方に位置させることを特徴とする請求項7に記載の水中走行車両。 - 上記演算手段は、
前側クローラを格納位置より前方に位置させる場合に、前側クローラの最も前の接地点が、上記平衡条件を満たす垂直抗力の仮想作用点か、これより所定の余裕分だけ前方に位置するように、前側クローラをスライド制御し、
後側クローラを格納位置より後方に位置させる場合に、後側クローラの最も後の接地点が、上記平衡条件を満たす垂直抗力の仮想作用点か、これより所定の余裕分だけ後方に位置するように、後側クローラをスライド制御することを特徴とする請求項9に記載の水中走行車両。 - 本体と、この本体の前後にそれぞれ設けられた走行部とを有し、これら前後の走行部の位置がそれぞれ前後方向に変更可能な水中走行車両の制御方法において、
車両に働くモーメントに基づき、前後の走行部が本体の前後方向中心に近い格納位置にあると想定した場合に水中走行車両が平衡状態か否かを判断する判断工程と、
平衡状態と判断した時には前後の走行部を上記格納位置に位置させ、車両が前方へ倒れるかその恐れが高い非平衡状態にあると判断した時には、前側の走行部を上記格納位置よりも前方に位置させ、後方へ倒れるかその恐れが高い非平衡状態にあると判断した時には、後側の走行部を上記格納位置より後方に位置させる走行部制御工程と、
を含むことを特徴とする水中走行車両の制御方法。
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