JP2021066285A - Underwater control system for construction machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水中で作業を行う建設機械を制御するための、建設機械の水中制御システムに関する。 The present invention relates to an underwater control system for a construction machine for controlling a construction machine that operates underwater.
従来より、海洋工事や護岸工事において、水中で作業を行うダイバーの作業性及び安全性を確保することが課題となっており、例えば、特許文献1では、ダイバーが水中で建設作業を行う機械を操作する際の、支援を行う水中作業支援システムが開示されている。
Conventionally, in marine construction and revetment construction, it has been an issue to ensure the workability and safety of divers who work underwater. For example, in
具体的には、水中で作業する機械に可視光受信部を設ける一方で、水中作業員が装備する水中作業員用機器に可視光送信部を設け、水中作業員による機械の操作を水中可視光通信により実施するものである。これにより、水中作業員は、機械との間に十分な距離を確保することができるため、機械との接触・挟まれ災害や、配線に絡まるなどの機械への巻き込まれ災害を低減することができる。 Specifically, while a visible light receiver is provided in a machine that works underwater, a visible light transmitter is provided in the underwater worker's equipment equipped by the underwater worker, and the operation of the machine by the underwater worker is performed by the underwater visible light. It is carried out by communication. As a result, underwater workers can secure a sufficient distance from the machine, which can reduce accidents such as contact with the machine, pinching accidents, and accidents involving the machine such as being entangled in wiring. it can.
しかし、水中可視光通信による機械の操作は、通信状況が水中の濁度等に依存しやすく、水中が濁っている場合には通信可能な距離が著しく短くなる。このような状況下で作業を行うには、水中作業員が機械に接近して操作せざるを得ず、水中作業員の安全性を確保することが困難となる。 However, in the operation of a machine by underwater visible light communication, the communication status tends to depend on the turbidity in water and the like, and when the water is turbid, the communicable distance becomes significantly short. In order to perform the work under such a situation, the underwater worker has to approach the machine and operate it, which makes it difficult to ensure the safety of the underwater worker.
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、水中で作業を行う建設機械を無線通信技術を利用して制御する際の通信安定性を確保することの可能な、建設機械の水中制御システムを提供することである。 The present invention has been made in view of such a problem, and a main object thereof is to be able to secure communication stability when controlling a construction machine working underwater by using wireless communication technology. , To provide an underwater control system for construction machinery.
かかる目的を達成するため、本発明の建設機械の水中制御システムは、水中で作業を行う建設機械を水中音響通信を利用して制御するための、建設機械の水中制御システムであって、前記建設機械に対する指令情報を音波として発信する指令情報発信装置と、該指令情報発信装置から前記音波として発信された前記指令情報を受信し、該指令情報に基づいて前記建設機械を制御する機械制御装置と、を備え、該機械制御装置が、前記建設機械に装備されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the underwater control system for a construction machine of the present invention is an underwater control system for a construction machine for controlling a construction machine working underwater by using underwater acoustic communication. A command information transmitting device that transmits command information to a machine as a sound wave, and a machine control device that receives the command information transmitted as a sound wave from the command information transmitting device and controls the construction machine based on the command information. , The machine control device is equipped with the construction machine.
本発明の建設機械の水中制御システムによれば、無線通信技術として水中音響通信を利用することから、水質等に依存することなく様々な水環境の作業現場であっても、建設機械を安定して制御できる。したがって、例えば濁度の高い水中であっても、ダイバー等の水中作業員は、建設機械との間に一定距離を保持しつつ安全に、水中で作業する建設機械の制御を行うことが可能となる。 According to the underwater control system of the construction machine of the present invention, since the underwater acoustic communication is used as the wireless communication technology, the construction machine can be stabilized even at the work site in various water environments without depending on the water quality and the like. Can be controlled. Therefore, for example, even in highly turbid water, an underwater worker such as a diver can safely control a construction machine working underwater while maintaining a certain distance from the construction machine. Become.
また、本発明の建設機械の水中制御システムは、前記音波の周波数帯域が、100Hz以上20kHz以下の範囲内で設定されていることを特徴とする。 Further, the underwater control system for construction machinery of the present invention is characterized in that the frequency band of the sound wave is set within a range of 100 Hz or more and 20 kHz or less.
本発明の建設機械の水中制御システムによれば、水中音響通信を利用するにあたり、建設機械の指令情報を搬送する搬送波の搬送波周波数帯域を、可聴域内であって100Hz以上20kHz以下の範囲内に設定する。これにより、一般に、水中音響通信で使用される30〜40kHz程度の可聴域を超える超音波を使用する場合と比較して、ドップラーシフトと称される送波器と受波器との間で生じる相対的な速度差に起因して周波数帯域が変化する現象や、マルチパスフェージングと称される音波の受信強度が変動する現象が生じやすい水環境下にあっても、その影響を最小限にとどめることができ、水中音響通信の安定性を向上することが可能となる。 According to the underwater control system of the construction machine of the present invention, when using the underwater acoustic communication, the carrier frequency band of the carrier wave that carries the command information of the construction machine is set within the audible range within the range of 100 Hz or more and 20 kHz or less. To do. This occurs between the transmitter and the receiver, which is generally referred to as Doppler shift, as compared to the case of using ultrasonic waves exceeding the audible range of about 30 to 40 kHz used in underwater acoustic communication. Minimize the effects even in an aquatic environment where the frequency band changes due to relative speed differences and the phenomenon called multipath fading, in which the reception intensity of sound waves fluctuates, is likely to occur. This makes it possible to improve the stability of underwater acoustic communication.
さらに、指令情報発信装置は、少なくとも指令情報を発信する送波器を水中に配置すれば、建設機械に設けた機械制御装置との間で水中音響通信を行うことができるから、現場作業員は、水中でなくとも船上や陸上にいながら、建設機械を制御するための指令情報を指令情報発信装置に入力できる。したがって、ダイバー等の水中作業員による潜水作業時間を削減する、もしくは水中作業員の省人化を図るなど、現場作業員の作業性及び安全性を向上することが可能となる。 Further, since the command information transmitting device can perform underwater acoustic communication with the machine control device provided in the construction machine by arranging at least a transmitter that transmits the command information underwater, the field worker can perform the underwater acoustic communication. , Command information for controlling construction machinery can be input to the command information transmission device while on board or on land, even if it is not underwater. Therefore, it is possible to improve the workability and safety of field workers by reducing the diving work time by underwater workers such as divers or by reducing the labor of underwater workers.
本発明の建設機械の水中制御システムは、前記音波が、周波数帯域を異ならせて複数設定されており、複数の該音波で、前記指令情報を発信することを特徴とする。 The underwater control system for construction machinery of the present invention is characterized in that a plurality of the sound waves are set at different frequency bands, and the command information is transmitted by the plurality of the sound waves.
本発明の建設機械の水中制御システムによれば、同一の指令情報を、搬送波周波数帯域が異なる複数の搬送波各々で搬送するため、受信する際には、上記のドップラーシフトやマルチパスフェージングといった様々な現象や、水中雑音等による影響の最も少ないものを選択して受信し、指令情報を得ることができ、通信安定性をより向上して、確実に建設機械を制御することが可能となる。 According to the underwater control system of the construction machine of the present invention, the same command information is transmitted by each of a plurality of carriers having different carrier frequency bands. Therefore, when receiving the information, various methods such as the above-mentioned Doppler shift and multipath fading are performed. It is possible to select and receive the one with the least influence of the phenomenon or underwater noise, obtain the command information, further improve the communication stability, and control the construction machine reliably.
本発明の建設機械の水中制御システムは、前記指令情報発信装置に、水中雑音を検知する雑音検知部を備えることを特徴とする。 The underwater control system for construction machinery of the present invention is characterized in that the command information transmitting device is provided with a noise detection unit for detecting underwater noise.
本発明の建設機械の水中制御システムによれば、雑音検知部で検知した水中雑音の周波数情報に基づいて、水中雑音もしくはその高調波の周波数成分のいずれにも該当しない周波数帯域に属するものを、搬送波として選択できる。したがって、水中音響通信の障害となる様々な水中雑音のうち、少なくとも周波数情報が取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除でき、水中音響通信の安定性をより向上することが可能となる。 According to the underwater control system of the construction machine of the present invention, based on the frequency information of the underwater noise detected by the noise detection unit, the one belonging to the frequency band that does not correspond to any of the frequency components of the underwater noise or its harmonics is selected. Can be selected as a carrier wave. Therefore, among various underwater noises that hinder underwater acoustic communication, at least the possibility of causing communication failure due to the acquisition of frequency information can be eliminated, and the stability of underwater acoustic communication can be further improved. Is possible.
本発明によれば、搬送波周波数帯域が100Hz以上20kHz以下の範囲内に設定された搬送波を用いた水中音響通信を利用するから、様々な水環境の作業現場であっても水中音響通信の安定性を確保でき、水中で作業を行う建設機械を安全に制御することが可能となる。 According to the present invention, since underwater acoustic communication using a carrier wave whose carrier frequency band is set within the range of 100 Hz or more and 20 kHz or less is used, the stability of underwater acoustic communication even at work sites in various water environments. It is possible to safely control construction machinery that works underwater.
本発明の水中制御システムは、海洋や河川もしくは湖沼等、いずれの水環境にも採用可能であるが、本実施の形態では、海洋で採用する場合を事例に挙げ、建設機械の水中制御システムの詳細を、図1〜図6を参照して説明する。 The underwater control system of the present invention can be adopted in any water environment such as the ocean, rivers, lakes and marshes, but in the present embodiment, the case where it is adopted in the ocean is taken as an example, and the underwater control system for construction machinery is used. Details will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
また、水中で作業する建設機械もなんら限定するものではないが、本実施の形態では、水中吊荷旋回装置を採用することとし、この水中吊荷旋回装置を利用して、海中土木工事のうちの1つであるコンクリートブロックの据付け工事を実施する場合を事例に挙げる。 Further, the construction machine that works underwater is not limited in any way, but in the present embodiment, the underwater suspension swivel device is adopted, and the underwater suspension swivel device is used in the underwater civil engineering work. An example is given when the installation work of a concrete block, which is one of the above, is carried out.
図1で示すように、海底に据付け予定のコンクリートブロックBは、水中吊荷旋回装置50を介して、起重機船60に搭載されたクレーン61により水中に吊り下げられている。
As shown in FIG. 1, the concrete block B to be installed on the seabed is suspended underwater by a
水中吊荷旋回装置50は、海底にテトラポッドや根固めブロック等のコンクリートブロックBを据付けるにあたり、吊持された態様のコンクリートブロックBの、旋回による方向転換や姿勢保持等の姿勢制御、及び位置決め時の微調整等を水中にて行うための装置である。なお、水中吊荷旋回装置50による姿勢制御の原理は、特許第5970946号公報を参照されたい。
When installing a concrete block B such as a tetrapod or a rooting block on the seabed, the underwater suspension
上述の水中吊荷旋回装置50は、外殻51の上面に、起重機船60のクレーン61から垂下されたワイヤー62を装着するためのシャックル52が、また、外殻51の下面に、コンクリートブロックBを吊持するための吊り治具53が、それぞれ備えられている。これにより水中吊荷旋回装置50は、吊り治具53にてコンクリートブロックBを吊持した状態で、シャックル52に装着されたワイヤー62を介して水中に垂下される。
The above-mentioned underwater suspension
そして、コンクリートブロックBを海底に据付ける際には、ダイバー等の水中作業員Dによる目視により、もしくは海中に配備した監視用カメラ等により、コンクリートブロックBの位置や姿勢を確認しながら、水中吊荷旋回装置50を旋回させることによりコンクリートブロックBの方向転換等の姿勢制御を行う。
When installing the concrete block B on the seabed, the concrete block B is suspended underwater while checking the position and posture of the concrete block B visually by an underwater worker D such as a diver or by a monitoring camera or the like deployed in the sea. By turning the load
こうして、コンクリートブロックBの姿勢制御や位置決めの微調整を行ったのち、クレーン61のオペレーターが、ワイヤー62を繰り出して水中吊荷旋回装置50およびコンクリートブロックBを降下させ、コンクリートブロックBを海底に据付ける。
In this way, after fine-tuning the attitude control and positioning of the concrete block B, the operator of the
このような、水中作業によるコンクリートブロックBの据付け工事において、水中吊荷旋回装置50の制御は、ダイバー等の水中作業員Dもしくは起重機船60で乗務中の水上作業員Sが、水中制御システム100を利用して水中音響通信により行う。
In such installation work of the concrete block B by underwater work, the underwater suspension
以下に、水中吊荷旋回装置50を操作する現場作業員が、図1で示すように、起重機船60で乗務中の水上作業員Sである場合を事例に挙げ、水中制御システム100について詳細を説明する。
Below, as shown in FIG. 1, the case where the field worker who operates the underwater suspension
≪水中制御システム≫
図1及び図2で示すように、水中制御システム100は、水上作業員Sが水中吊荷旋回装置50に対する指令情報Mを、音波として発信する指令情報発信装置10と、この音波を受信し、指令情報Mに基づいて水中吊荷旋回装置50を制御する機械制御装置20と、を備える。
≪Underwater control system≫
As shown in FIGS. 1 and 2, the
<指令情報発信装置>
指令情報発信装置10は、図2で示すように、指令入力部11、発振部12、搬送波選択部13、変調部14、アンプ15、及び送波器16を備える。なお、雑音検知部19については、後述する。
<Command information transmitter>
As shown in FIG. 2, the command
指令入力部11は、コンクリートブロックBの姿勢制御を行うべく水上作業員Sが、水中吊荷旋回装置50の動作指令を入力する入力部を備えている。入力部はいずれでもよいが、例えば、ディスプレイを備えて置き、ディスプレイ上に表示された「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」等、少なくとも4つの動作指令に係る選択メニューの中から、水上作業員Sが適宜選択操作を行うことにより、水中吊荷旋回装置50の動作指令を入力することができるようにするとよい。
The command input unit 11 includes an input unit in which the water worker S inputs an operation command of the underwater
また、指令入力部11は、入力部より入力された動作指令をデジタル信号化する機能を有しており、水上作業員Sによる動作指令を、ベースバンド信号となる指令情報Mに変換し、無線接続または有線接続された変調部14に出力する。
Further, the command input unit 11 has a function of converting the operation command input from the input unit into a digital signal, and converts the operation command by the water worker S into the command information M which is a baseband signal, and wirelessly. Output to the connected or
発振部12は、搬送波Cとして使用する基準波Wを複数作成し、これらを無線接続または有線接続された搬送波選択部13に出力する。複数の基準波Wについて詳細は後述するが、図3で示すように、それぞれが周波数帯域をずらすようにして作成されている。これら基準波Wが搬送波Cとして選択されると、基準波Wの周波数帯域は、搬送波Cの搬送波周波数帯域となる。
The
搬送波選択部13は、複数の基準波Wの中から搬送波Cとして使用するものを2つ以上選択し、無線接続または有線接続された変調部14に出力する。本実施の形態では、受信方式に、複数の異なる周波数で送信された信号を受信する周波数ダイバーシティ技術を適用することを考慮し、選択する搬送波Cの数量を2つ以上としている。
The carrier
よって、搬送波Cの数量は、複数であれば例えば、作成した基準波Wのすべてを搬送波Cとして採用してもよい。なお、周波数ダイバーシティ技術を利用した受信方式については、機械制御装置20と併せて説明する。
Therefore, if the number of carrier waves C is a plurality, for example, all of the created reference waves W may be adopted as the carrier waves C. The reception method using the frequency diversity technique will be described together with the
変調部14は、搬送波選択部13から入力された2つ以上の搬送波C各々に、指令入力部11から入力された指令情報Mを混合するいわゆる変調を行って、周波数帯域の異なる複数の変調波Mwを形成し、無線接続または有線接続されたアンプ15に出力する。変調方式としては、搬送波Cの周波数及び振幅を変化させることなく、位相を変化させることで変調するBPSK(2値位相偏移変調)方式を採用する。
The
上記の構成により、変調部14から出力された同一の指令信号Mを搬送する複数の変調波Mwは、アンプ15で増幅されたのちに、送波専用トランスデューサである送波器16によりD/A変換されて、音波として海中に発信される。これら、複数の変調波Mw各々に基づく複数種類の音波は、それぞれ時間差を設けて発信してもよいし、全てを合成して同時に発信してもよい。
With the above configuration, the plurality of modulated waves Mw carrying the same command signal M output from the
なお、送波器16より発信される音波は、変調波MwをD/A変換したものであり、変調波Mwは、搬送波CをBPSK方式で変調したものであるから、その周波数帯域は、搬送波Cと同じ周波数帯域となる。
The sound wave transmitted from the
なお、送波器16は、図1で示すように、浮き63を利用して水中に吊り下げてもよいし、起重機船60より直接水中に吊り下げてもよい。また、指令入力部11、変調部14、発振部12、搬送波選択部13及びアンプ15は、起重機船60に搭載しておくとよい。また、本実施の形態では、アンプ15と送波器16とを有線接続しているが、無線接続であってもよい。
As shown in FIG. 1, the
さらに、指令情報発信装置10は、図2で示すように、海中雑音Nを検知・解析するための雑音検知部19を備えている。雑音検知部19は、ノイズ集音用受波器17、ウェーブレット変換部18と、を備えている。なお、海中雑音Nとは例えば、船舶のエンジン音や通過音等の人工的な騒音や、海底の地殻変動や渦等により生じる自然発生音等、海中で生じるものであって水中無線通信では海中ノイズとして取り扱わられるあらゆる雑音を指す。
Further, as shown in FIG. 2, the command
ノイズ集音用受波器17は、受波専用トランスデューサを採用し、図1で示すように、送波器16とともに浮き63を利用して水中に吊り下げられて、もしくは、起重機船60より直接水中に吊り下げられている。このように設置されるノイズ集音用受波器17は、図2で示すように、海中雑音Nを集音し、A/D変換して有線接続もしくは無線接続されたウェーブレット変換部18に出力する。
The
ウェーブレット変換部18は、入力された海中雑音Nから時間情報(例えば、海中雑音Nの発生場所)と周波数情報Nfを取得し、少なくとも周波数情報Nfを有線接続もしくは無線接続された搬送波選択部13に出力する。
The
すると、搬送波選択部13は、発振部12から入力された複数の基準波W各々のうち、周波数情報Nfから取得した海中雑音Nもしくはその高調波の周波数成分のいずれとも異なる周波数帯域に属するものを、搬送波Cとして適宜選択し、これを変調部14に出力する。
Then, the carrier
これにより、水中制御システム100を利用して水中吊荷旋回装置50を制御するにあたって、水中音響通信の障害となる様々な海中雑音Nのうち、少なくとも雑音検知部19にて周波数情報Nfが取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除することができる。
As a result, when controlling the underwater
<機械制御装置>
一方、機械制御装置20は、図1で示すように、水中吊荷旋回装置50の外殻51に設置されており、その構成は、図2で示すように、受波器21、周波数ダイバーシティ部22、アンプ23、復調部24、及び制御部25を備える。
<Machine control device>
On the other hand, as shown in FIG. 1, the
受波器21は、海中の様々な音波を集音し、A/D変換して入力電気信号Ms’とする受波専用トランスデューサであり、本実施の形態では、可聴域に対応可能なハイドロフォンを採用している。これら受波器21で集音する音波は、送波器16から発信された、複数の変調波Mwに基づく複数種類の音波に加えて、前述した様々な海中雑音Nが含まれている。
The
また、送波器16から発信した音波であっても、海中雑音Nや海中で生じる様々な現象を受けて、音波が崩れている場合が想定される。なお、様々な現象とは、例えば、ドップラーシフトやマルチパスフェージングと称される現象が挙げられる。
Further, even if the sound wave is transmitted from the
ドップラーシフトとは、海中に配置された送波器16と受波器21の間で、波や潮流等に起因する揺れにより生じる相対的な速度差により、送波器16から発信された音波を受波器21で受信した際に、音波の周波数帯域が変化している現象である。また、マルチパスフェージングは、送波器16から発信された音波を受波器21で受信した際、受信強度が変動した現象である。
The Doppler shift is a sound wave transmitted from the
つまり、送波器16から発信された音波は、直進する経路をたどって受波器21に到達するものに加えて、図1で示すように、海面や海底もしくは護岸R等の構造物で反射・回折する経路をたどって受波器21に到達するものも、複数存在する。マルチパスフェージングはこれにより生じる現象であり、複数の伝搬経路を経た音波どうしが干渉しあって、受信強度を大小に変動させる。
That is, the sound wave transmitted from the
したがって、A/D変換した入力電気信号Ms’をそのまま復調しても、指令情報Mを精度よく抽出できない場合が想定される。そこで、本実施の形態では、受波器21で受信した入力電気信号Ms’を、有線接続もしくは無線接続された周波数ダイバーシティ部22に出力する。
Therefore, even if the A / D-converted input electric signal Ms'is demodulated as it is, it is assumed that the command information M cannot be extracted accurately. Therefore, in the present embodiment, the input electric signal Ms'received by the
周波数ダイバーシティ部22は、搬送波選択部13で選択された複数の搬送波C各々の搬送波周波数帯域、及び搬送波C各々の高調波(基本周波数の波形に対し、その整数倍の周波数の波形をいう)の周波数帯域を利用して、入力された入力電気信号Ms’の質を連続的に解析する。そして、入力電気信号Ms’のうち、搬送波Cもしくはその高調波に由来するものとして最も信頼できる信号を、変調波Mwもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Msとして抽出し、有線接続もしくは無線接続されたアンプ23に出力する。
The
また、周波数ダイバーシティ部22では、搬送波Cの搬送波周波数帯域及び搬送波Cの高調波の周波数帯域に対して、ドップラーシフトが生じた際に想定されるシフト量に応じた幅を持たせ、これを利用して電気信号Msの質を連続的に解析する。
Further, in the
これにより、送波器16より送信した複数種類の音波のうち、海中雑音Nやマルチパスフェージング等の現象による影響を受けて、いずれかが崩れた状態にある場合、もしくはドップラーシフトに起因して周波数帯域が変化した場合等、いずれにあっても、受波器1で受信した音波の中から、変調波Mwもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Msを、取得することが可能となる。
As a result, of the plurality of types of sound waves transmitted from the
アンプ23は、変調波Mwもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Msを増幅して、有線接続もしくは無線接続された復調部24に出力する。復調部24は、増幅された処理済電気信号Msを復調し、指令入力部11で入力された動作指令に係る指令情報Mを取得して、有線接続もしくは無線接続された制御部25に出力する。制御部25は、復調部24で抽出された指令情報Mに基づいて、水中吊荷旋回装置50の動作を制御する。
The
こうして水中制御システム100は、水中音響通信技術を利用して、指令情報発信装置10に入力された水中吊荷旋回装置50に対する水上作業員Sの動作指令を指令情報Mとして海中に発信し、また、これを機械制御装置20で受信することにより、水中吊荷旋回装置50の動作を指令情報Mに基づいて制御することが可能となる。
In this way, the
≪水中制御システムを用いた水中吊荷旋回装置の制御方法≫
上記の構成を有する水中制御システム100を用いて、水中吊荷旋回装置50を制御する際の具体的な手順を、以下に説明する。
≪Control method of underwater suspension swivel device using underwater control system≫
A specific procedure for controlling the underwater
まず、水中吊荷旋回装置50を制御するにあたって実施する準備工程を、図2及び図3を参照しつつ説明するが、本実施の形態では、搬送波Cの候補となる基準波Wを8つ準備する場合を事例に挙げることとする。
First, a preparatory step to be carried out when controlling the underwater
図3で示すように、可聴域内(一般に、20Hzから20kHzの間)における所定の範囲から、周波数帯域が異なる例えば8個の基準波W(W1、W2、・・、W8)を作成するよう、指令情報発信装置10の発振部12を設定しておく。
As shown in FIG. 3, for example, eight reference waves W (W1, W2, ..., W8) having different frequency bands are created from a predetermined range within the audible range (generally between 20 Hz and 20 kHz). The
本実施の形態では、のちにBPSK方式で変調され音波として発信される搬送波Cに使用される基準波W(W1、W2、・・・、W8)の周波数帯域、つまりは搬送波周波数帯域を、可聴域のなかでも100Hz以上20kHz以下の範囲で作成することが好ましい。 In the present embodiment, the frequency band of the reference wave W (W1, W2, ..., W8) used for the carrier wave C which is later modulated by the BPSK method and transmitted as a sound wave, that is, the carrier wave frequency band is audible. It is preferable to create the frequency in the range of 100 Hz or more and 20 kHz or less.
これは、20kHzを超えると、魚群探知や海底地形計測等で採用されている周波数帯域と錯綜しやすく、また、100Hzを下回ると、波長が長いことに起因してデータ送信に長時間を要することから、水中音響通信に不適であるだけでなく、長時間通信により送波器16の破損を生じさせやすく、機械的にも不利となりやすいことに起因する。
This is because if it exceeds 20 kHz, it tends to be confused with the frequency band used for fish finder and seafloor topography measurement, and if it is below 100 Hz, it takes a long time to transmit data due to the long wavelength. Therefore, it is not only unsuitable for underwater acoustic communication, but also tends to cause damage to the
なお、BPSK方式で変調され音波として発信される搬送波Cの搬送波周波数帯域の設定範囲は、500Hz以上10kHz以下がより好ましい。 The setting range of the carrier frequency band of the carrier wave C modulated by the BPSK method and transmitted as sound waves is more preferably 500 Hz or more and 10 kHz or less.
これは、10kHzを超えると、前述したドップラーシフトによる影響を受けやすく、送波器16と受波器21との間に生じる相対的な速度差が微小な場合にも、周波数の変化量(シフト量)が大きくなる。このような場合、機械制御装置20の受波器21で集音した音波の入力電気信号Ms’から、変調波Mwもしくはその変調波に相当する処理済電気信号Msを抽出する作業が煩雑で、水中制御システム100における無線通信の安定性確保が困難となりやすい。
If it exceeds 10 kHz, it is easily affected by the Doppler shift described above, and even when the relative speed difference between the
また、10kHzを超えると、前述したマルチパスフェージングと称される受信強度の変動が生じやすく、送波器16から発信された音波を、受波器21で受信できない事態が生じやすい。一方、100Hz〜500Hzの周波数帯域は、船舶のエンジン音等の海中雑音と錯綜しやすいことに起因する。
Further, if it exceeds 10 kHz, the reception intensity fluctuates, which is called multipath fading described above, tends to occur, and the sound wave transmitted from the
このため、本実施の形態では図3で示すように、発振部12において、100Hz以上20kHz以下の範囲のなかでも、特に好適な500Hz以上10kHz以下の範囲から所定の帯域幅でチャンネル化した基準波W(W1、W2、・・・、W8)を、8つ形成する。なお、基準波Wの帯域幅はいずれでもよいが、搬送波周波数帯域の帯域幅として、1〜2kHz程度が好ましいことから、本実施の形態では事例として、基準波Wに1kHzの帯域幅を持たせている。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, in the
上記の準備工程が終了した後、水上作業員Sが指令情報発信装置10から機械制御装置20に向けて、指令情報Mを音波として発信する。以下にその手順を、図4のフローに従って説明する。
After the above preparation step is completed, the water worker S transmits the command information M as a sound wave from the command
水上作業員Sは、海中に配備した監視用カメラやダイバー等水中作業員Dから取得した情報に基づいて、コンクリートブロックBの位置や姿勢を確認しながら、指令情報発信装置10の指令入力部11を適宜操作して、水中吊荷旋回装置50に「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」のうちのいずれか1つの動作指令を入力し、指令情報Mとして変調部14に出力する(Step1)。
The water worker S confirms the position and orientation of the concrete block B based on the information acquired from the underwater worker D such as a monitoring camera and a diver deployed in the sea, and the command input unit 11 of the command
指令情報Mの出力と同時に、もしくはこれと前後して、水中で吊り下げられたノイズ集音用受波器17で、海中雑音Nの検知を試みる(Step2)。
At the same time as or before and after the output of the command information M, the
海中雑音Nが検知された場合には、上述したウェーブレット変換部18により海中雑音Nの周波数情報Nfを取得し、搬送波選択部13に出力する。そして、周波数情報Nf基づいて、基準波W(W1、W2、・・・、W8)のうち海中雑音Nもしくはその高調波の周波数成分に該当しない周波数帯域の搬送波Wを、変調部14に出力する(Step3)。
When the underwater noise N is detected, the
例えば図3では、搬送波選択部13が、8個の基準波W(W1、W2、・・・、W8)のうち、海中雑音Nもしくはその高調波の周波数成分に該当するものが、基準波W(W2、W4、W6、W7,W8)と5個存在していると判断し、これらを除去した残りの3個の基準波W(W1、W3、W5)を、搬送波(C1、C2、C3)として選択し、変調部14に出力している。
For example, in FIG. 3, among the eight reference waves W (W1, W2, ..., W8) in which the carrier
一方、海中雑音Nが検知されない場合には、8個の基準波W(W1、W2、・・・、W8)の全てを変調部14に出力してもよいし、任意に複数個を選択してもよい(Step4)。
On the other hand, when the underwater noise N is not detected, all eight reference waves W (W1, W2, ..., W8) may be output to the
なお、搬送波選択部13で搬送波Cとして選択された基準波Wの周波数帯域は搬送波周波数帯域となる。そして、搬送波Cは、周波数を変化させないBPSK方式で変調されて音波として発信されるから、これらの情報は、変調部14だけでなく機械制御装置20の周波数ダイバーシティ部22にも併せて出力しておく。
The frequency band of the reference wave W selected as the carrier wave C by the carrier
次に、変調部14において、3つの搬送波(c1、c2、c3)各々と水中吊荷旋回装置50の動作指令に係る指令情報Mを混合するべく、BPSK方式で変調し、3つの変調波(Mw1、Mw2、Mw3)を取得する(Step5)。
Next, in the
こののち、3つの変調波Mw(Mw1、Mw2、Mw3)各々をアンプ15で増幅し、送波器16でD/A変換して音波とし、海中に位置する機械制御装置20の受波器21に向けて発信する。3つの変調波Mw(Mw1、Mw2、Mw3)各々に基づく3種類の音波は、それぞれ時間差を設けて海中に向けて発信し、これを複数回にわたって繰り返す。
After that, each of the three modulated waves Mw (Mw1, Mw2, Mw3) is amplified by the
こうして、海中に向けて発信された3種類の音波は、前述したように、機械制御装置20の受波器21でA/D変換されて、周波数ダイバーシティ部22を経て復調部24に出力される。そして、指令情報発信装置10の指令入力部11を介して入力した指令情報Mが取得される。
In this way, the three types of sound waves transmitted into the sea are A / D converted by the
これにより、制御部25は、指令情報Mに基づいて、水中吊荷旋回装置50を制御するから、水中吊荷旋回装置50は、水上作業員Sの動作指令に対応した、「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」のいずれかの動作を行うことが可能となる。
As a result, the
上記の水中制御システム100を使用した場合の通信距離について、以下のとおり実験を行った。実験は、搬送波Cの搬送波周波数帯域を1kHz、変調方式を前述したBPSK方式、出力を10mWに設定し、機械制御装置20の受波器21を、指令情報発信装置10の送波器16から離間する方向に順次移動させ、約5mおきに受信レベルの減衰量を計測した。
The following experiments were conducted on the communication distance when the above-mentioned
図5をみると、通信距離が大きくなるごとに変化する受信レベルの減衰は緩やかであり、38m程度離れた地点で減衰量が105db程度と、一般的に受信限界とされる120dbまでの減衰は見られなかった。これにより、機械制御装置20を設置した水中吊荷旋回装置50と、指令情報発信装置10の送波器16とを、少なくとも40m程度まで離間させても、水中制御システム100により水中吊荷旋回装置50を制御できることが分かる。
Looking at FIG. 5, the attenuation of the reception level that changes as the communication distance increases is gradual, and the attenuation is about 105 db at a point about 38 m away, and the attenuation up to 120 db, which is generally the reception limit, is I couldn't see it. As a result, even if the underwater
なお、本実施の形態では、水上作業員Sが水中吊荷旋回装置50を制御する場合を事例に挙げたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、海中で作業を行うダイバー等の水中作業員Dが制御してもよい。この場合には、図6で示すように、指令入力部11、発振部12、搬送波選択部13、変調部14、アンプ15、及び送波器16を一体に備えた指令情報発信装置10を、水中作業員Dに携帯させるとよい。
In the present embodiment, the case where the water worker S controls the underwater
上記のとおり、水中制御システム100では、可聴域のなかでも100Hz以上20kHz以下の範囲、好ましくは、500Hz以上10kHz以下の範囲で設定した搬送波Cを使用する。これにより、水中音響通信で使用される30〜40kHz程度の可聴域をはるかに超える超音波を使用する場合と比較して、ドップラーシフト、マルチパスフェージングといった通信障害を受ける環境下にあっても、その影響を最小限にとどめることができ、水中音響通信の安定性をより向上させることが可能となる。
As described above, the
また、水質に依存することなく様々な水環境の作業現場において、水中吊荷旋回装置50を確実に制御することが可能となる。したがって、例えば濁度の高い水中において、指令情報発信装置10を携帯したダイバー等の水中作業員Dが、水中吊荷旋回装置50を制御する場合であっても、水中作業員Dと水中吊荷旋回装置50との間に一定距離を保って安全に、水中吊荷旋回装置50を制御することが可能となる。
In addition, the underwater
さらに、指令情報発信装置10は、少なくとも指令情報Mを発信する送波器16を水中に配置すれば、水中吊荷旋回装置50に設けた機械制御装置20との間で水中音響通信を行うことができる。したがって、現場作業員は、水中でなくとも船上や陸上から水中吊荷旋回装置50の動作指令を指令情報発信装置10に入力することにより、水中吊荷旋回装置50を制御できる。
Further, the command
よって、ダイバー等の水中作業員Dによる潜水作業時間を削減する、もしくは水中作業員Dの省人化を図るなど、現場作業員の作業性及び安全性を向上することが可能となる。 Therefore, it is possible to improve the workability and safety of the on-site worker, such as reducing the diving work time by the underwater worker D such as a diver, or reducing the labor of the underwater worker D.
また、雑音検知部19を利用して、作業現場で生じる海中雑音Nの周波数情報Nfを取得できるため、周波数情報Nfに基づいて、海中雑音Nとは異なる搬送波周波数帯域を有する搬送波Cを使用して指令情報Mを搬送できる。これにより、水中音響通信の障害となる様々な海中雑音Nのうち、少なくとも周波数情報Nfが取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除することができる。 Further, since the frequency information Nf of the underwater noise N generated at the work site can be acquired by using the noise detection unit 19, the carrier wave C having a carrier frequency band different from that of the underwater noise N is used based on the frequency information Nf. Command information M can be transported. As a result, it is possible to eliminate the possibility of causing a communication failure due to at least the frequency information Nf obtained from the various underwater noise N that interferes with the underwater acoustic communication.
本発明の建設機械の水中制御システム100は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
The
例えば、本実施の形態では、基準波Wを8種類選択し、その中から搬送波Cを3種類選択したが、基準波W及び搬送波Cのいずれについても、その数量はこの数値に限定されるものではない。なお、複数の基準波Wは、互いに周波数帯域における中心周波数が、整数倍の関係とならないものを選択するとよい。 For example, in the present embodiment, eight types of reference wave W are selected and three types of carrier wave C are selected from them, but the quantity of both the reference wave W and the carrier wave C is limited to this numerical value. is not it. It is preferable to select a plurality of reference waves W whose center frequencies in the frequency band do not have an integral multiple relationship with each other.
また、水中制御システム100の指令情報発信装置10に雑音検知部19を設けたが、雑音検知部19は必ずしも備えなくてもよい。
Further, although the noise detection unit 19 is provided in the command
100 水中制御システム
10 指令情報発信装置
11 指令入力部
12 発振部
13 搬送波選択部
14 変調部
15 アンプ
16 送波器
17 ノイズ集音用受波器
18 ウェーブレット変換部
19 雑音検知部
20 機械制御装置
21 受波器
22 周波数ダイバーシティ部
23 アンプ
24 復調部
25 制御部
50 水中吊荷旋回装置(建設機械)
51 外殻
52 シャックル
53 吊り治具
60 起重機船
61 クレーン
62 ワイヤー
63 浮き
B コンクリートブロック
R 護岸
S 水上作業員
D 水中作業員
M 指令情報
W 基準波
C 搬送波
Mw 変調波
Ms’ 入力電気信号
Ms 処理済電気信号
N 海中雑音(水中雑音)
Nf 周波数情報
100
51
Nf frequency information
Claims (4)
前記建設機械に対する指令情報を音波として発信する指令情報発信装置と、
該指令情報発信装置から前記音波として発信された前記指令情報を受信し、該指令情報に基づいて前記建設機械を制御する機械制御装置と、を備え、
該機械制御装置が、前記建設機械に装備されていることを特徴とする建設機械の水中制御システム。 An underwater control system for construction machinery that uses underwater acoustic communication to control construction machinery that works underwater.
A command information transmission device that transmits command information to the construction machine as sound waves,
A machine control device that receives the command information transmitted as sound waves from the command information transmitting device and controls the construction machine based on the command information.
An underwater control system for a construction machine, wherein the machine control device is equipped on the construction machine.
前記音波の周波数帯域が、100Hz以上20kHz以下の範囲内で設定されていることを特徴とする建設機械の水中制御システム。 The underwater control system for construction machinery according to claim 1.
An underwater control system for construction machinery, wherein the frequency band of the sound wave is set within a range of 100 Hz or more and 20 kHz or less.
前記音波が、周波数帯域を異ならせて複数設定されており、
複数の該音波で、前記指令情報を発信することを特徴とする建設機械の水中制御システム。 In the underwater control system according to claim 1 or 2.
A plurality of the sound waves are set with different frequency bands.
An underwater control system for construction machinery, characterized in that the command information is transmitted by a plurality of the sound waves.
前記指令情報発信装置に、水中雑音を検知する雑音検知部を備えることを特徴とする建設機械の水中制御システム。 In the underwater control system according to any one of claims 1 to 3.
An underwater control system for construction machinery, wherein the command information transmitting device is provided with a noise detection unit that detects underwater noise.
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