JP2019189059A - 洋上移動体の姿勢制御システム並びに該姿勢制御システムを有するブイ - Google Patents

Abstract

【課題】船舶の航行や漁業を邪魔することなく、意図した海域で留まることができる、係留が不要な自律型ブイを提供する。【解決手段】水中の横流れ防止板と、水面上の風を受けて揚力を発生する機構と、人工衛星からの信号を受信し地上の位置を特定するGNSSアンテナと、指示される緯度経度の目的位置情報に対する自機位置との相対関係を計算するシステムを有する移動体において、風向を取得する手段と、移動体および、または横流れ防止板の風向に対する角度を取得する手段とを搭載し、移動体および、または横流れ防止板と、揚力発生機構の風向に対する角度を調整し、移動体の進行方向が風向に向かって両側45度より小さい角度としないよう、風向の変化に対して移動体および、または横流れ防止板の角度を調整する。【選択図】図１

Description

この発明は、洋上で風による揚力を利用して航行する移動体の風向に対する姿勢の制御システム並びに該姿勢制御システムを有するブイに関するものである。

海洋は広大で深度もあるためデータ取得は様々な手法で行われている。

調査員が船舶に乗船し、海洋の様々な場所に行く現地調査が行われてきた。

連続したデータを取得するため、沿岸では係留型や据置型のブイや、沖合では漂流型のブイが用いられることがある。

広範囲の情報を取得するため、人工衛星を利用した調査もされている。

水面に浮かぶ浮体部と水中に沈むグライダー部とこれらをつなぐケーブル部からなり、波のうねりを利用し、うねりを下るときにグライダー部が水中でストッパーとなり浮体部を前進させ、うねりを上るときにグライダー部を前進させ、自然エネルギーを利用して航行するAOV(Autonomous Ocean Vehicle)も利用されている。(非特許文献1参照）

洋上で同じ位置を維持する移動体としては、ヨットの船体の前後が両方とも舳先になる対称の形状とし、セイルをマスト軸周りに回転させてセイルの表裏に交互に風を受けて姿勢を変えることなく往復移動をすることで、同じ場所を維持する浮体式洋上風力発電設備が特願2015-27059で提案されている。(特許文献1参照）

衛星測位システムが高精度となり、３基以上の衛星測位アンテナのうち、少なくとも１つのアンテナを移動体上に設け、複数の測位用衛星からの電波をそれぞれ受信し、アンテナ間の相対位置を取得する手段が提案されている(特許文献2参照）。

特開2015-27059 浮体式洋上風力発電設備 特開2002-40124 キャリア移送相対測位装置

株式会社ハイドロシステム開発殿取扱いWave Glider〈http://www.hydro-sys.com/files/product/files/072.WaveGlider_Brochure2015.pdf〉［2018年4月10日検索］

船舶を利用した有人調査は、船舶の利用スケジュールの調整の労力、費用が大きくかかる。また悪天候に遭遇するなど人の命にかかわる危険性がある。

係留、または据置型のブイは定点での測定しか行えず、また設置やメンテナンスに大きな費用が発生する。また係留索が船舶や漁業の網に絡まる可能性がある。漂流型ブイは海洋に投入するだけのため設置費用は大きくはかからないが、行き先が潮流や風次第となるため所望の海域の連続したデータが得られない可能性がある。

人工衛星を利用した調査は水面から上方の情報しか得られず、静止衛星以外は地球の周回のタイミングに合わせた調査頻度となる制約がある。

海洋のうねりを利用するAOVは、航行速度が遅く、小回りが利かないため定点での調査は難しく、浮体のデッキ上での太陽光発電のみでは調査に十分なエネルギーが得られないことがある。

特許文献1は風向に対する移動体、揚力発生機構の角度が不明瞭である。
特許文献2は船舶の方位角および姿勢角を算出するだけのものである。

船舶の航行や漁業を邪魔することなく、意図した海域で留まることができる、係留が不要な自律型ブイを提供する。

水中の横流れ防止板と、水面上の風を受けて揚力を発生する機構と、人工衛星からの信号を受信し地上の位置を特定するGNSSアンテナと、指示される緯度経度の目的位置情報に対する自機位置との相対関係を計算するシステムを有する移動体において、
風向を取得する手段と、移動体および、または横流れ防止板の風向に対する角度を取得する手段とを搭載し、
移動体および、または横流れ防止板と、揚力発生機構の風向に対する角度を調整し、移動体の進行方向が風向に向かって両側45度より小さい角度としないよう、
風向の変化に対して移動体および、または横流れ防止板の角度を調整する。

海底に係留しないため水深に影響されず、洋上のほぼ同じ位置を維持するブイを実現する。

図１は本発明の実施例を示した平面図である。 図２は本発明の実施例を示した正面図である。 図３は本発明の実施例において風２に対するセイル３に発生する揚力１５と抗力１６を示した平面図である。 図４は本発明の実施例のセイル９に発生する抗力１６と、横流れ防止板６に発生する水による抵抗力１７を示した正面図である。 図５は本発明の船体１の進行方向が風２に向かって45度より小さな角度を向いた時のセイル９に発生する揚力１５と抗力１６、横流れ防止板６に発生する抵抗力１７、１７’を示した平面図である。 図６は本発明の実施例において風向が２’へ変化した場合の平面図である。 図７は本発明の実施例の片側の抵抗板１１Rを水中に差し込んだ状態の正面図である。 図８は本発明の揚力発生機構はマグナスローターと呼ばれる円筒１８を使用する応用例の平面図である。 図９は本発明の揚力発生機構はマグナスローターと呼ばれる円筒１８を使用する応用例の正面図である。 図１０は発明の揚力発生機構にセイルを使用した場合のセイルの開き具合はブーム８の自由端側にGNSS信号アンテナ３’を取り付けた応用例の平面図である。 図１１は本発明の進行方向調整機構に移動体水中下にラダー１９、１９’を使用した応用例の平面図である。 図１２は本発明の進行方向調整機構に移動体水中下にラダー１９、１９’を使用した応用例の正面図である。 図1３は本発明の進行方向調整機構に移動体上にサブセイル２１、２１’を使用した応用例の平面図である。 図1４は本発明の進行方向調整機構に移動体上にサブセイル２１、２１’を使用した応用例の正面図である。 図1５は実施例の制御システムを示すフローチャートである。

移動体上に、風が吹いてくる方位を取得する風向計と、風向に対する移動体の垂直軸周りの角度を取得する測定系を搭載する。移動体の上には風を受けて揚力を発生する機構を、水中には横流れ防止板を有している。

移動体上の揚力発生機構では風向の直角方向の左右いずれか側に揚力が発生する。

横流れ防止板は平面側を風向に向けると移動体が風で押し流される際に水による抵抗力がはたらくため風下に押し流されにくい。一方で、平面の直角方向へは水の抵抗が少なく進行が容易であるため、揚力で進行することができる。

移動体に対する風向が変化すると、揚力は常に風向に対して直角方向に発生するため移動体にはたらく揚力、抗力、水の抵抗力などのバランスが変わり、移動体は同様の進行を続けられなくなる。したがって、移動体および揚力発生機構の向きを風向に合わせて調整する必要がある。

移動体の姿勢調整機構を用いて風向に対する移動体の姿勢を調整する。

GNSSアンテナは、移動体とは別に、移動体に垂直な軸周りに角度を変えられる横流れ防止板に連動する位置に取り付けてもよい。

本発明の実施例を説明する。

図１、２のとおり、船体１の上に、人工衛星からの信号を受けて地上の位置を特定できるGNSSアンテナ３が複数、アンテナ同士を離した状態で、船体1上の位置が既知の場所に設置されている。

船体１上に、風向計４と風速計５が設置されており、別途船体１上に搭載された蓄電池１２から電力を供給され、マイコン１３に接続され、常時、風向と風速を測定している。

船体１の水中下には横流れ防止板６が取り付けられており、横流れ防止板６の平面側が風２を正面に受ける位置関係となっている。

船体１の上にはマスト７が立設されており、マスト７にブーム８が取り付けられ、マスト７とブーム８の間にセイル９を張っている。

船体1上に架台１０と抵抗板１１を取り付ける。抵抗板１１は常時は水面の上側にあるが、操作によって船体1のそれぞれの側で上下操作することが可能で、水中に差し込むことができる。

図３、４は、図１、２の状態で発生する力の関係を示したものである。セイル９に風２を受けてセイル９がばたつかずに風をはらむと、セイル９が風２の流れを変える向きと反対側で、風向と直角の方向に揚力１５を、また風下方向には抗力１６を発生させる。横流れ防止板６に対して生じる水の抵抗力１７が発生し、船体１は風下方向に流されにくい。

セイル９が発生させる抗力１６が、水中で横流れ防止板に発生する抵抗力１７とほぼ相殺される条件の時、船体１は揚力１５によって進行する。

図６は船体１が図中の上側に向かって進行している状態である。風２’が図中の左上側から吹いている。

船体１を風２’に対し９０度の向きにしたいとき、図６のとおりに抵抗板１１Rを水中に差し込むと船体１の進行方向は時計回りに変わる。１１Rではなく１１Fを水中に差し込むと、船体１の進行方向は反時計回りに変わり、風上寄りを向く。

図５のとおり、船体1は進行方向が風向に向かって４５度より小さくなると揚力発生機構による揚力１５に対し、水による抵抗力１７’がはたらく。また抗力１６にたいし抵抗力１７が小さくなるため移動体は風上方向へは進み続けることができなくなる。

図１４は本姿勢制御システムのフローチャートである。
最初は外部入力により移動体の目標位置が設定される。搭載する複数のGNSSアンテナ3で自機位置情報を取得する。風向計5で移動体上の風向を取得する。前記位置情報から自機移動体および/または横流れ防止板6の角度情報が取得できる。風向に対して目標位置が左右どちらにあるかで、目標位置に近付く向きに進行方向が決まる。自機位置と目標位置と風向から、自機位置から目標位置への風向に対する角度が計算される。目標位置への角度が、風向に対して両側45度以上の場合、移動体は目標位置へ向かって直進させる。目標位置への角度が、風向に対して両側45度より小さい場合、目標位置へ直接進むことはできないため、移動体は風向に対して45度の向きで進み、しばらく進んだ後、再度目標位置と自機との位置関係から進行方向、進行角度を判断する。

なお、目標位置へ到着した後は、目標位置が変更されない限りは目標位置の上を往復移動を繰り返し、同じ場所を維持する。

図８、９のとおり、移動体の揚力発生機構として、マグナスローター1８と称される円筒を使用してもよい。風の中で円筒を回転させることで、風向に対して円筒を挟んだ両側で気圧の違いが発生し気圧の小さい側に揚力が発生する。

図１０のとおり、ブーム８の自由端にGNSSアンテナ３’を取り付けて、GNSS同士の相対位置を算出し、セイルの開き角度を算出してもよい。

図１１、１２のとおり、船体１の姿勢調整機構として船体底に取り付けたラダー1９、１９’の向きを操作してもよい。

図１３、１４のとおり、移動体上の姿勢調整機構としてサブセイル用マスト２０、２０’サブセイル２１、２１’を取り付けて、サブセイルの角度を操作することで向きを変えてもよい。

本発明は、環境モニタリングや監視に使用されるブイに利用される。

1 船体
2 風
3 GNSSアンテナ
4 風向計
5 風速計
6 横流れ防止板
7 マスト
8 ブーム
9 セイル
10 架台
11 抵抗板
12 蓄電池
13 マイコン
14 水面
15 揚力
16 抗力
17 抵抗力
18 マグナスローター
19 ラダー
20 サブセイル用マスト
21 サブセイル

Claims (9)

1. 水中の横流れ防止板と、水面上の風を受けて揚力を発生する機構と、人工衛星からの信号を受信し地上の位置を特定するGNSSアンテナと、指示される緯度経度の目的位置情報に対する自機位置との相対関係を計算するシステムを有する移動体において、
   風向を取得する手段と、移動体および、または横流れ防止板の風向に対する角度を取得する手段とを搭載し、
   移動体および、または横流れ防止板と、揚力発生機構の風向に対する角度を調整し、移動体の進行方向が風向に向かって両側45度より小さい角度としないよう、
   風向の変化に対して移動体および、または横流れ防止板の角度を調整する制御システムと該制御システムを有するブイ。
2. 請求項１に記載のうち、風向に対する移動体および、または横流れ防止板の角度を、人工衛星からの信号で位置情報を取得する複数の受信アンテナを、移動体および、または横流れ防止板上の位置が既知の部位に搭載して取得する姿勢制御システムと該制御システムを有するブイ。
3. 請求項1に記載したうち、風向に対する移動体および、または横流れ防止板の角度をジャイロスコープで取得する制御システムと該制御システムを有するブイ。
4. 請求項１に記載のうち、風を受けることによる揚力を移動体上に立設したセイルで得る姿勢制御システムと該制御システムを有するブイ。
5. 請求項１に記載のうち、風を受けて発生する揚力はマグナスローターと呼ばれる円筒を回転させて発生させる姿勢制御システムと該制御システムを有するブイ。
6. 請求項１に記載のうち、風向に対する移動体の角度の調整を水中のラダーで行う姿勢制御システムとその該制御システムを有するブイ。
7. 請求項１に記載のうち、移動体の風下側、または風上側に抵抗板を挿入することにより移動体および、または横流れ防止板の角度の調整を行う姿勢制御システムと該制御システムを有するブイ。
8. 請求項１に記載のうち、移動体の前方、または後方の補助セイルを操作して風を受けて移動体の姿勢を調整する姿勢調整システムと該制御システムを有するブイ。
9. 請求項１に記載のうち、水中のスラスターを動かして移動体の姿勢を調整する姿勢制御システムと該制御システムを有するブイ。