JP3949932B2 - 自律型水中航走体の航走制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無索で水中を航行する自律型水中航走体の航走制御装置に係り、特に、外乱要素である水の流れによる影響の大きさを時々刻々求め、その求めた大きさに基づいて「あて舵」制御するすることにより、水中航走体を目標に向かって航走させるようにした自律型水中航走体の航走制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自律型水中走行体の航走制御は、予め設定した目標点（到達目標点）に自律型水中走行体を航走させる場合、常に自律型水中走行体の先端（船首）を到達目標点に向けて航行させるようにしていた。このため、図８に示したように、水中走行体１０を、例えば目標点Ａから目標点Ｂまで、予め定めた基準航路１２に沿って直線的に航走させようとすると、潮流１４などの外乱の影響を受けて実際の航路１６が一点鎖線で示したように基準航路１２から大きく外れ、基準航路１２上に設定した重要観測点１８における観測を行なうことができない場合を生ずる。このため、潮流などの外乱の影響を排除できる航走装置の開発が望まれている。
【０００３】
従来、外乱の影響を排除して針路を保持するいわゆる「あて舵制御システム」は、人間が操縦する船舶等の操縦支援装置として提供されているものがほとんどであった。このような「あて舵制御システム」は、あくまで人間が操縦する船舶等の航走体の操縦支援装置あるいは補助装置であって、人間が操縦装置（操舵装置）を操作して保持すべき船舶の舳先を向ける方位を指示するようになっていて、人間が搭乗しない無人の航走体に適用することができない。
【０００４】
そして、特開２０００−１１９９号公報には、船舶のジョイステック操船装置において、船舶に対する風、波、潮流等の外乱の影響を検出し、その影響が大きい場合、または船舶の実方位と目標方位との偏差が大きい場合に大きな推力を発生させ、外乱の影響が小さく、船舶の実方位と目標方位値の偏差が小さい場合に小さな推力を発生させ、船舶の方位をより正確に維持できるようにした操船装置が開示されている。
【０００５】
一方、自律的に水中を航走する航走体の従来の航走装置として、目標点に構造物を用意し、当該構造物内にソナーを設置し、水中航走体側に当該ソナーと交信して構造物との位置関係を求め、この求めた位置関係に基づいて今後の水中航走体の位置および速度を推定し、水中航走体の速度ベクトルの方向が目標点に向くように制御し、潮流やかさ比重の影響があっても水中航走体を目標点に向かわせることができるものが提案されている（特開平９−３１８６４５号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開２０００−１１９９号公報に記載の従来技術は、風や波、潮流等の外乱の影響を考慮して針路を保持するようにしているが、ジョイスチック操船装置を操縦する人に対する操舵指令を出力するものであり、人が搭乗しない自律型水中航走体には適用することができない。
【０００７】
また、上述した特開平９−３１８６４５号公報に記載の従来技術は、ソナーを内蔵した構造物をいちいち目標点に設置する必要がある。このため、長距離を航走したり、水中航走体を多くの点において屈曲させて航走させる場合、多くの到達目標点を設けてソナーを備えた構造物を設置しなければならず、構造物の設置、回収に多くの時間と手間と費用とを必要とするばかりでなく、ソナーによる測位が可能になる位置に航走体が近づかないと、測位が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解消し、目標物を設置することなく潮流などの外乱による影響をなくして目標点間を直線的に航走できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、航走体が予め定めた基準の航路から外れた場合に、速やかに基準の航路に復帰できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、海溝などの航走体の対地速度が得られないときにも、到達目標点に向けて航走できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置は、水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、を有し、前記速度補正部は、前記航走体の地球座標における位置を検出する位置検出手段の出力信号と前記到達目標点とから、前記航走体に対する前記到達目標点の方位を求める目標点方位演算部と、この目標点方位演算部が求めた目標点方位と、前記航走体の推進器の駆動情報とに基づいて、前記目標対地速度を求める目標対地速度演算部と、この目標対地速度演算部が求めた前記目標対地速度に対して前記水流速度を相殺する速度成分を求める進行方向速度成分演算部と、を有することを特徴としている。
【００１０】
前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成することができる。
【００１１】
また本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置は、水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、を有し、前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成している。さらに、前記船首方位演算部は、前記進行方向速度成分演算部が求めた前記航走体の進行方向の速度成分に基づいて、前記船首方位を算出する船首方位算出回路と、前記航走体が通過した第１到達目標点に対する航走体が向かう第２到達目標点の方位を基準方位として求める基準方位演算部と、この基準方位演算部が求めた基準方位と、前記目標点方位演算部が求めた目標点方位との偏差を求める方位偏差演算部と、この方位偏差演算部が求めた方位の偏差の大きさに応じて前記航走体の船首方位の補正量を求めて前記船首方位算出回路に与える方位補正量演算部と、を有し、前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成している。
【００１２】
【作用】
このようになっている本発明は、水底に対する水の流れの速度を求め、航走体の水底に対する速度を水の流れの速度によって補正し、航走の外乱である潮流などの水の流れを相殺して航走体を航走させるようになっているため、予め定めた航路に沿って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る。
【００１３】
また、本発明は、航走体が到達目標点において旋回するときなどにおいて、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なうため、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。さらに、海溝などの海底が深く、航走体の対地速度を検出できない場合に、予め与えた基準の水流速度を用いて速度補正を行なうようにしているため、航走対地速度を得られない場所であっても、確実に到達目標点に向けて航走させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って説明する。
図２は、本発明の実施の形態に係る自律型航走体の航走制御装置の概略ブロック図である。図２において、自律型の水中航走体１０は、図示しない推進器と航走制御装置２０とを搭載しており、この航走制御装置２０によって、予め設定された到達目標点の経度、緯度に向かって水中を自動航走することができるようになっている。
【００１５】
この水中航走体１０の航走制御装置２０は、大別すると、水中内で推進力の方向を可変させることができる操舵機構３０と、水中航走体１０の速度を検出するドップラー式超音波速度計４０と、水中航走体の地球座標における位置を検出する慣性航法装置５０と、詳細を後述する制御演算装置６０とを有している。
【００１６】
上述した操舵機構３０は、制御演算装置６０からの操舵制御指令に応じた方向に、先端(船首)を向けるように方向舵または水平首振り式推進器を操作する機構である。
上述したドップラー式超音波速度計４０は、超音波４１を水中に発しその反射波を基に、水に対する水中航走体１０の速度および地面に対する速度に関する情報を得ることができる測定器であり、その測定結果を制御演算装置６０に時々刻々と与えられるようになっている。すなわち、ドップラー式超音波速度計４０は、図１に示したように、超音波４１の送信・受信部４２と、図示しない位置検出器と、対地速度検出手段である対地速度検出部４４と、対水速度検出手段である対水速度検出部４６とを備えている。
【００１７】
送信・受信部４２は、所定の周波数の超音波４１を送信信号として海中などの水中に放射し、海底（水底）などからの反射波を受信信号として受信する。そして、対地速度検出部４４は、送信・受信部４２における超音波４１の送信時刻と、その超音波４１の海底からの反射波を受信した受信時刻、および図示しない位置検出器からの位置検出信号とに基づいて、水中航走体１０の海底に対する速度の大きさ（速さ）と、地球座標における水中航走体１０の移動方向、すなわち対地速度をベクトルとして出力する。また、対水速度検出部４６は、同様にして、送信・受信部４２における送信時刻と、プランクトンなどの水中浮遊物からの反射波の受信時刻、および水中航走体１０の先端を向けた方向の移動量から水に対する速度（対水速度）をベクトルとして出力する。
【００１８】
上述した位置検出手段である慣性航法装置５０は、水中航走体１０の現在の速度と移動開始点からの航走距離、地球座標における水中航走体１０の位置の情報を得ることができる測定器であり、その測定結果を制御演算装置６０に時々刻々と与えるようになっている。すなわち、慣性航法装置５０は、図１に示したように、初期位置設定部５２と、加速度センサ５４と、航走速度演算部５６と、位置演算部５８となどを有している。
【００１９】
慣性航法装置５０の初期位置設定部５２は、水中航走体１０を航走させる際に、水中航走体１０の地球座標における初期位置（経度および緯度）を設定できるようになっている。加速度センサ５４は、図示しない慣性航法装置５０を構成しているジャイロに設けてあって、水中航走体１０の航走に伴う三次元の加速度を検出できるようになっている。そして、航走速度演算部５６は、加速度センサ５４の出力信号を積分して水中航走体１０の航走（航行）速度を求めるようになっている。また、位置演算部５８は、航走速度演算部５６が求めた航走速度を積分して航走距離を算出するとともに、初期位置設定部５２に設定してある初期位置を読み出し、算出した航走距離と初期位置とから水中航走体１０の地球座標における現在位置（経度、緯度）を求めて出力する。
【００２０】
制御演算装置６０は、図１に示したように、水流速度演算部である潮流速度演算部６２と、メモリ６４、速度補正部６６、船首方位演算部６８と、操舵制御部７０とを有している。潮流速度演算部６２は、ドップラー式超音波速度計４０の対地速度検出部４４と対水速度検出部４６とから速度検出信号が入力するようになっていて、後述するように、海底（水底）する水の流れの速度である潮流速度ベクトルを求めるようになっている。なお、潮流とは、この発明の場合、潮汐力による海水の水平方向の流ればかりでなく、海流や潜流など、すべての水の流れを意味している。
【００２１】
制御演算装置６０のメモリ６４は、少なくとも目標点記憶部７２と基準潮流記憶部７４とを有している。目標点記憶部７２には、水中航走体１０を航走させるべき予め設定した航路上の複数の到達目標点が経度、緯度の値として記憶させてある。また、基準潮流記憶部７４には、例えば気象庁などから発表されている各海域の潮流速度（速さ、方向）が基準潮流速度として記憶させてある。この基準潮流速度は、後述するように、ドップラー式超音波速度計４０により水中航走体１０の対地速度を検出することができないときに使用される。
【００２２】
速度補正部６６は、目標点方位演算部７６と目標対地速度演算部７８と進行方向速度成分演算部８０とを有する。そして、目標点方位演算部７６は、後述するように、慣性航法装置５０の位置演算部５８の出力する位置情報と、目標点記憶部７２に格納してある到達目標点の座標とから、水中航走体１０に対する目標到達点の方位を求める。
【００２３】
目標対地速度演算部７８は、水中航走体１０の図示しない推進器の駆動を制御する推進器駆動部８２の出力する駆動制御信号、すなわち推進器の駆動情報と、目標点方位演算部７６が求めた目標点方位とにより、外乱である潮流がないときの到達目標点に向かう対地速度（ベクトル）を求めて出力する。また、進行方向速度成分演算部８０は、目標対地速度演算部７０が求めた目標対地速度を潮流速度演算部６２が求めた潮流速度によって補正した対地速度、すなわち潮流速度を相殺するような対地速度を求めるようになっていて、この補正後の対地速度は船首方位演算部６８の船首方位算出回路９６に出力される。さらに、進行方向速度成分演算部８０は、メモリ６４の基準潮流記憶部７４に格納してある基準潮流を読み出すことができるようになっており、潮流速度演算部６２が潮流速度を算出することができないときに、基準潮流を用いて進行方向速度成分を算出する。
【００２４】
船首方位演算部６８は、基準方位演算部９０、方位偏差演算部９２、方位補正量演算部９４および船首方位算出回路９６を有する。基準方位演算部９０は、後述するように、目標点記憶部７２に記憶させてある複数の到達目標点から読み出した２つの到達目標点に基づいて、水中航走体１０を航走させるべき基準の航路（水中航走体１０が進むべき方位）を求める。また、方位偏差演算部９２は、速度補正部６６の目標点方位演算部７６が求めた目標点の方位と、基準方位演算部９０が求めた基準航路の方位との偏差を求める。方位補正量演算部９４は、方位偏差演算部９２の求めた偏差の大きさに応じた水中航走体１０の向きの補正量を演算し、船首方位算出回路９６に与える。この船首方位算出回路９６は、速度補正部６６の進行方向速度成分演算部８０が求めた潮流を補正したのちの水中航走体１０の対地速度（ベクトル）に基づいて、水中航走体１０の先端の向き、すなわち船首の方位を算出し、この船首方位を方位補正量演算部９４の求めた補正量によって補正する。そして、操舵制御部７０は、船首方位算出回路９６が求めた船首方位に基づいて操舵機構３０を制御し、水中航走体３０の先端をその方位に向ける。
【００２５】
このようになっている実施形態の航走制御装置２０の作用は、次の通りである。まず、水中航走体１０は、図示しない母船に搭載されて調査海域に搬送される。そして、調査を開始するに際して、水中航走体１０を海中に投入する初期位置を地球座標（経度、緯度）によって慣性航法装置５０の初期位置設定部５２に設定する。水中航走体１０の位置は、水中航走体１０の中心位置を表す。また、メモリ６４の目標点記憶部７２には、水中航走体１０を航走させる航路上の到達目標点を記憶させる。この到達目標点は、図８に示したように、水中航走体１０が重要観測点１８を通過するように、重要観測点１８を挟んだ水中航走体１０を旋回(方向転換)させたい位置を地球座標で記憶させる。さらに、メモリ６４の基準潮流記憶部７４には、水中航走体１０を航走させる海域の、気象庁などが公表している潮流速度を記憶させる。
【００２６】
水中航走体１０は、航走制御装置２０が起動されて海中に投入されると、予め設定された深度または高度（海底からの高さ）まで下降したのち、設定された（目標点記憶部７２に記憶させた）最初の到達目標点に向けて水平方向に航走を開始する。そして、航走制御装置２０を構成している慣性航法装置５０の加速度センサ５４は、水中航走体１０の航走開始に伴って水中航走体１０の三次元方向の加速度を検出する。航走速度演算部５６は、加速度センサ５４が検出した加速度を所定の時間ごと（例えば、１０ｍｓｅｃごと）に読み出し、これを積分して水中航走体１０の現在の航走速度を求める。また、慣性航法装置５０の位置演算部５８は、航走速度演算部５６が出力する航走速度を所定の時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）にわたって積分し、この間の水中航走体１０の航走方向と航走距離とを求めるとともに、求めた航走距離を順次積算し、さらに初期位置設定部５２に設定された初期位置情報を読み出し、現在の水中航走体１０の地球座標における位置を求める。この水中航走体１０の現在位置は、図３に示したように、航走制御装置２０を構成している制御演算装置６０に入力される。また、この慣性航法装置５０によって求められた加速度や速度、航走距離、時々刻々の位置などのデータは、メモリ６４の図示しないデータ記憶領域に順次書き込まれる。
【００２７】
一方、ドップラー式超音波速度計４０は、送信・受信部４２ににおいて水中に超音波４１を放射し、海底または水中浮遊物からの反射波を受信し、水中走行体１０の対地速度Ｖｅと対水速度Ｖｗを検出し、図３に示したように制御演算装置６０に入力する。すなわち、ドップラー式超音波速度計４０の対地速度検出部４４は、送信・受信部４２における超音波４１の放射（送信）時刻と海底からの反射波の受信時刻、および図示しない位置検出器の出力する位置情報とにより、海底に対する水中航走体１０の速度（対地速度）Ｖｅを求め、制御演算装置６０に出力する。また、ドップラー式超音波速度計４０の対水速度検出部４６は、超音波４８の送信時刻と海中浮遊物からの反射波の受信時刻などから、水中航走体１０の水（海水）に対する速度（対水速度）Ｖｗを検出して制御演算装置６０に送出する。
【００２８】
制御演算装置６０は、図３に示したように、ドップラー式超音波速度計の検出信号に基づいて潮流速度Ｖｔを算出したのち、潮流を考慮した進行方向速度成分Ｖ0’の算出、潮流を考慮した進行方向（船首方位）φ0’を算出する。さらに、制御演算装置６０は、詳細を後述するように、進行方位のずれ量を補正した船首方位Φ0 を求め、この補正した船首方位Φ0 に基づいて、操舵機構３０を制御するための操舵制御量を求める。この操舵制御量を求める具体的手順は、次のようにして行なう。
【００２９】
制御演算装置６０の潮流速度演算部６２は、対地速度検出部４４が出力した水中航走体１０の対地速度Ｖｅと、対水速度検出部４６が検出した水中航走体１０の対水速度Ｖｗとを読み込み、図４に示したように両者の差を求め、海底に対する水の流れの速度（潮流速度）Ｖｔを演算する。すなわち、潮流速度演算部６２は、
【数１】
の演算を行ない、潮流速度Ｖｔを求めて速度補正部６６に送出する。
【００３０】
次の進行方向速度成分Ｖ0’算出は、次のようにして行なわれる。まず、制御演算装置６０を構成している速度補正部６６の目標点方位演算部７６は、慣性航法装置５０の位置演算部５８が出力する水中航走体１０の現在位置を読み込むとともに、メモリ６４の目標点記憶部７２から、水中航走体１０が現在向かっている次の到達目標点の位置を読み出し、水中航走体１０の現在位置に対する到達目標点の方位を演算する。
【００３１】
例えば、図５に示したように、水中航走体１０が到達目標点Ａを通過して次の到達目標点Ｂに向かっているとした場合、目標点方位演算部７６は、位置演算部５８が出力する水中航走体１０の中心の地球座標における現在位置Ｃと、目標点記憶部７２に記憶させてある次の到達目標点Ｂの経度、緯度とを読み出し、現在位置Ｃに対する到達目標点Ｂの方位（現在位置Ｃと到達目標点Ｂとを結ぶ線の経度方向Ｌａに対する角度）φ0 を算出する。この目標点方位φ0 は、速度補正部６６の目標対地速度演算部７８に与えられる。
【００３２】
目標対地速度演算部７８は、目標点方位演算部７６から目標点方位φ0 が入力すると、推進器駆動部８２の出力する推進力情報とにより、潮流などの外乱がない場合の、現在位置Ｃから到達目標点Ｂに向かう目標対地速度Ｖ0 を求め、速度補正部６６を構成している進行方向速度成分演算部８０に送出する。進行方向速度成分演算部８０は、目標対地速度演算部７８が求めた目標対地速度Ｖ0 を潮流速度Ｖｔによって補正し、水中航走体１０を進める方向の速度成分を演算する。
【００３３】
すなわち、進行方向速度成分演算部８０は、図５に示したように、目標対地速度Ｖ0 に対して潮流速度演算部６２が求めた潮流速度Ｖｔを相殺できる進行方向速度成分Ｖ0’を、
【数２】
のように演算して求める。これにより、水中航走体１０を進行方向速度成分Ｖ0’の速度をもってこの速度成分の方向に進めることにより、水中航走体１０は、潮流速度Ｖｔが相殺されて目標対地速度Ｖ0 でもって直線ＣＢ上を航走することになる。従って、図８の実線に示したように、水中航走体１０の航路１９を予め設定した基準の航路１２に沿った直線状にすることがでる。このため、水中航走体１０を確実に重要観測点１８を通過させることが可能となる。しかも、ドップラー式超音波速度計４０によって水中航走体１０の対地速度、対水速度を求めるようにしているため、正確な船首方位の制御を行なうことができる。また、実施形態においては、到達目標点を地球座標の経度、緯度によって設定しているため、目標物を接地する必要がなく、目標物の係留や回収の手間が省けるばかりでなく、任意の海域を自由に航走させることができる。
【００３４】
この進行方向速度成分演算部８０が求めた進行方向速度成分Ｖ0’は、船首方位演算部６８の船首方位算出回路９６に入力される。船首方位算出回路９６は、進行方向速度成分Ｖ0’の方位φ0’、すなわち水中航走体１０の先端（船首）を向けて進めるべき方向を算出する。
【００３５】
ここに、数式２に示したように、Ｖ0’＝Ｖ0 −Ｖｔである。そして、目標対地速度Ｖ0 の速度ベクトルの大きさ（速さ）をＵとすると、経度方向の成分と緯度方向の成分との和であるから、
【数３】
と表すことができる。また、速さＵは、水中航走体１０の推進力に依存する値であり、水中航走体１０に搭載した推進器の駆動情報（例えば、推進器の駆動電流値、推進器の回転速度など）から容易に求めることができる。
【００３６】
船首方位のずれ量の補正は、次のようにして行なう。例えば、図６に示したように、水中航走体１０が到達目標点Ａを通過して到達目標点Ｂに向けて航走しているとする。このとき、船首方位演算部６８の基準方位演算部９０は、目標点記憶部７２に記憶させてある複数の到達目標点から第１到達目標点Ａの座標（経度、緯度）と第２到達目標点Ｂの座標とを読み出し、基準航路となる目標点Ａから目標点Ｂに向かうベクトルＶABを求め、さらにこのベクトルＶABの経度方向Ｌａに対する傾き（基準航路方位）φABを算出し、方位偏差演算部９２に送出する。
【００３７】
方位偏差演算部９２は、基準方位演算部９０が求めた基準航路方位φABと、目標点方位演算部７６が求めた目標点方位φ0 とが入力するようになっている。すなわち、目標点方位演算部７６は、図６に示した水中航走体１０の現在位置Ｃから到達目標点Ｂに向かうベクトルＶCBの方位を求めて方位偏差演算部９２に入力する。そして、方位偏差演算部９２は、これらの方位の方位偏差φd を次式により算出する。
【数４】
【００３８】
この方位偏差演算部９２が求めた方位偏差φd は、方位補正量演算部９４に送出される。そして、方位補正量演算部９４は、図７に示したような方位偏差φd の大きさに応じた船首方位の補正量を演算し、船首方位計算回路９６に入力する。すなわち、方位補正量演算部９４は、まず、
【数５】
を判断する。ここに、φthは、予め設定してある方位偏差φd の閾値である。
【００３９】
方位補正量演算部９４は、方位偏差φd の絶対値が閾値φthより小さく、数式５を満足している場合、
【数６】
を算出して船首方位算出回路９６に与える。なお、数式６のＫtrは、水中航走体１０を基準方位(基準航路)に復帰させる場合のゲインである。
【００４０】
船首方位算出回路９６は、進行方向速度成分演算部８０の求めた速度成分のベクトルから算出した船首方位φ0’と、方位補正量演算部９４が求めた方位補正量δとに基づいて、補正後の船首方位Φ0 を次式により算出する。
【数７】
【００４１】
この補正後の船首方位Φ0 は、操舵制御部７０に与えられる。そして、操舵制御部７０は、船首方位算出回路９６が求めた補正後の船首方位Φ0 に基づいて、図３に示したように、方向舵または水平首振り式推進器などの操舵機構３０を制御し、水中航走体１０の船首を船首方位Φ0 に向ける。
【００４２】
一方、方位補正量演算部９４は、方位偏差演算部９２の求めた方位偏差φd が数式５を満足せず、
【数８】
である場合、次式により船首方位の補正量δ’を求め、船首方位算出回路９６に送出する。
【数９】
【００４３】
ただし、
【数１０】
である。すなわち、方位偏差量演算部９４は、方位偏差φd の絶対値が閾値φth以上となった場合、図７に示してあるように、一定の大きさの補正量Ｋtrφthを出力する。なお、図７は、横軸が方位偏差を示し、縦軸が船首方位の補正量を示している。
【００４４】
このようにして、実施形態においては、水中航走体１０の現在位置に対する目標点方位φ0 が基準航路の方位に対してずれたときに、ずれ量に応じた補正量を加味して水中航走体１０の船首方位を求めているため、例えば図８に示したように到達目標点Ａにおいて水中航走体１０が方向転換のために旋回した場合など、水中航走体１０を迅速に基準方位に復帰させることができる。
【００４５】
なお、水中航走体１０が一定の深度を航走している場合に海底の深い領域を通過するときや、海溝部を航走するときなど、ドップラー式超音波速度計４０によって水中航走体１０の対地速度を検出することができない場合、速度補正部６６の進行方向速度成分演算部８０は、潮流速度演算部６２が求める潮流速度の代わりに、メモリ６４の基準潮流記憶部７４に記憶させてある気象庁などが公表している潮流速度を用いて進行方向速度成分を算出する。これにより、上記の海底の深い領域であっても、水中航走体１０を容易に基準航路に沿って航走させることができる。
【００４６】
上記に説明した実施の形態は、本発明の一態様の説明であって、これに限定されない。例えば、ドップラー式超音波速度計４０によって水中航走体１０の対地速度と対水速度とを求める場合について説明したが、慣性航法装置５０が求めた速度を用いてもよい。そして、前記実施形態においては、海中を航走させる場合について説明したが、湖沼の調査などにも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水底に対する水の流れの速度を求め、
航走体の水底に対する速度を水の流れの速度によって補正し、航走の外乱である潮流などの水の流れを相殺して航走体を航走させるようになっているため、予め定めた航路に沿って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る。
【００４８】
また、本発明は、航走体が到達目標点において旋回するときなどにおいて、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なうため、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。さらに、海溝などの海底が深く、航走体の対地速度を検出できない場合に、予め与えた基準の水流速度を用いて速度補正を行なうようにしているため、航走対地速度を得られない場所であっても、確実に到達目標点に向けて航走させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置の概略ブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】 本発明に実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における潮流速度の計算処理を説明するための図である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における進行方向速度成分の求め方を説明する図である。
【図６】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における方位偏差の求め方を説明する図である。
【図７】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における船首方位の補正上の求め方を説明する図である。
【図８】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置による航走制御したときの水中航走体の航路と、従来の航走制御とによる水中航走体の航路軌跡とを比較する図である。
【符号の説明】
１０………水中航走体、２０………航走制御装置、３０………操舵機構、４０………ドップラー式聴音波速度計、４２………対地速と検出手段(対地速度検出部)、４４………対水速度検出手段(対水速度検出部)、５０………位置検出手段(慣性航法装置)、５４………加速度センサ、５６………航行速度演算部、５８………位置演算部、６０………制御演算装置、６２………潮流速度演算部、６４………メモリ、６６………速度補正部、６８………船首方位演算部、７０………操舵制御部、７２………目標点記憶部、７４………基準潮流記憶部、７６………目標点方位演算部、７８………目標対地速度演算部、８０………進行方向速度成分演算部、８２………推進器駆動部、９０………基準方位演算部、９２………方位偏差演算部、９４………方位補正量演算部、９６………船首方位算出回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、無索で水中を航行する自律型水中航走体の航走制御装置に係り、特に、外乱要素である水の流れによる影響の大きさを時々刻々求め、その求めた大きさに基づいて「あて舵」制御するすることにより、水中航走体を目標に向かって航走させるようにした自律型水中航走体の航走制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自律型水中走行体の航走制御は、予め設定した目標点（到達目標点）に自律型水中走行体を航走させる場合、常に自律型水中走行体の先端（船首）を到達目標点に向けて航行させるようにしていた。このため、図８に示したように、水中走行体１０を、例えば目標点Ａから目標点Ｂまで、予め定めた基準航路１２に沿って直線的に航走させようとすると、潮流１４などの外乱の影響を受けて実際の航路１６が一点鎖線で示したように基準航路１２から大きく外れ、基準航路１２上に設定した重要観測点１８における観測を行なうことができない場合を生ずる。このため、潮流などの外乱の影響を排除できる航走装置の開発が望まれている。
【０００３】
従来、外乱の影響を排除して針路を保持するいわゆる「あて舵制御システム」は、人間が操縦する船舶等の操縦支援装置として提供されているものがほとんどであった。このような「あて舵制御システム」は、あくまで人間が操縦する船舶等の航走体の操縦支援装置あるいは補助装置であって、人間が操縦装置（操舵装置）を操作して保持すべき船舶の舳先を向ける方位を指示するようになっていて、人間が搭乗しない無人の航走体に適用することができない。
【０００４】
そして、特開２０００−１１９９号公報には、船舶のジョイステック操船装置において、船舶に対する風、波、潮流等の外乱の影響を検出し、その影響が大きい場合、または船舶の実方位と目標方位との偏差が大きい場合に大きな推力を発生させ、外乱の影響が小さく、船舶の実方位と目標方位値の偏差が小さい場合に小さな推力を発生させ、船舶の方位をより正確に維持できるようにした操船装置が開示されている。
【０００５】
一方、自律的に水中を航走する航走体の従来の航走装置として、目標点に構造物を用意し、当該構造物内にソナーを設置し、水中航走体側に当該ソナーと交信して構造物との位置関係を求め、この求めた位置関係に基づいて今後の水中航走体の位置および速度を推定し、水中航走体の速度ベクトルの方向が目標点に向くように制御し、潮流やかさ比重の影響があっても水中航走体を目標点に向かわせることができるものが提案されている（特開平９−３１８６４５号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開２０００−１１９９号公報に記載の従来技術は、風や波、潮流等の外乱の影響を考慮して針路を保持するようにしているが、ジョイスチック操船装置を操縦する人に対する操舵指令を出力するものであり、人が搭乗しない自律型水中航走体には適用することができない。
【０００７】
また、上述した特開平９−３１８６４５号公報に記載の従来技術は、ソナーを内蔵した構造物をいちいち目標点に設置する必要がある。このため、長距離を航走したり、水中航走体を多くの点において屈曲させて航走させる場合、多くの到達目標点を設けてソナーを備えた構造物を設置しなければならず、構造物の設置、回収に多くの時間と手間と費用とを必要とするばかりでなく、ソナーによる測位が可能になる位置に航走体が近づかないと、測位が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解消し、目標物を設置することなく潮流などの外乱による影響をなくして目標点間を直線的に航走できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、航走体が予め定めた基準の航路から外れた場合に、速やかに基準の航路に復帰できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、海溝などの航走体の対地速度が得られないときにも、到達目標点に向けて航走できるようにすることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置は、水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、を有し、前記速度補正部は、前記航走体の地球座標における位置を検出する位置検出手段の出力信号と前記到達目標点とから、前記航走体に対する前記到達目標点の方位を求める目標点方位演算部と、この目標点方位演算部が求めた目標点方位と、前記航走体の推進器の駆動情報とに基づいて、前記目標対地速度を求める目標対地速度演算部と、この目標対地速度演算部が求めた前記目標対地速度に対して前記水流速度を相殺する速度成分を求める進行方向速度成分演算部と、を有することを特徴としている。
【００１０】
前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成することができる。
【００１１】
また本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置は、水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、を有し、前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成している。さらに、前記船首方位演算部は、前記進行方向速度成分演算部が求めた前記航走体の進行方向の速度成分に基づいて、前記船首方位を算出する船首方位算出回路と、前記航走体が通過した第１到達目標点に対する航走体が向かう第２到達目標点の方位を基準方位として求める基準方位演算部と、この基準方位演算部が求めた基準方位と、前記目標点方位演算部が求めた目標点方位との偏差を求める方位偏差演算部と、この方位偏差演算部が求めた方位の偏差の大きさに応じて前記航走体の船首方位の補正量を求めて前記船首方位算出回路に与える方位補正量演算部と、を有し、前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めるように構成している。
【００１２】
【作用】
このようになっている本発明は、水底に対する水の流れの速度を求め、航走体の水底に対する速度を水の流れの速度によって補正し、航走の外乱である潮流などの水の流れを相殺して航走体を航走させるようになっているため、予め定めた航路に沿って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る。
【００１３】
また、本発明は、航走体が到達目標点において旋回するときなどにおいて、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なうため、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。さらに、海溝などの海底が深く、航走体の対地速度を検出できない場合に、予め与えた基準の水流速度を用いて速度補正を行なうようにしているため、航走対地速度を得られない場所であっても、確実に到達目標点に向けて航走させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る自律型水中航走体の航走制御装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って説明する。
図２は、本発明の実施の形態に係る自律型航走体の航走制御装置の概略ブロック図である。図２において、自律型の水中航走体１０は、図示しない推進器と航走制御装置２０とを搭載しており、この航走制御装置２０によって、予め設定された到達目標点の経度、緯度に向かって水中を自動航走することができるようになっている。
【００１５】
この水中航走体１０の航走制御装置２０は、大別すると、水中内で推進力の方向を可変させることができる操舵機構３０と、水中航走体１０の速度を検出するドップラー式超音波速度計４０と、水中航走体の地球座標における位置を検出する慣性航法装置５０と、詳細を後述する制御演算装置６０とを有している。
【００１６】
上述した操舵機構３０は、制御演算装置６０からの操舵制御指令に応じた方向に、先端(船首)を向けるように方向舵または水平首振り式推進器を操作する機構である。
上述したドップラー式超音波速度計４０は、超音波４１を水中に発しその反射波を基に、水に対する水中航走体１０の速度および地面に対する速度に関する情報を得ることができる測定器であり、その測定結果を制御演算装置６０に時々刻々と与えられるようになっている。すなわち、ドップラー式超音波速度計４０は、図１に示したように、超音波４１の送信・受信部４２と、図示しない位置検出器と、対地速度検出手段である対地速度検出部４４と、対水速度検出手段である対水速度検出部４６とを備えている。
【００１７】
送信・受信部４２は、所定の周波数の超音波４１を送信信号として海中などの水中に放射し、海底（水底）などからの反射波を受信信号として受信する。そして、対地速度検出部４４は、送信・受信部４２における超音波４１の送信時刻と、その超音波４１の海底からの反射波を受信した受信時刻、および図示しない位置検出器からの位置検出信号とに基づいて、水中航走体１０の海底に対する速度の大きさ（速さ）と、地球座標における水中航走体１０の移動方向、すなわち対地速度をベクトルとして出力する。また、対水速度検出部４６は、同様にして、送信・受信部４２における送信時刻と、プランクトンなどの水中浮遊物からの反射波の受信時刻、および水中航走体１０の先端を向けた方向の移動量から水に対する速度（対水速度）をベクトルとして出力する。
【００１８】
上述した位置検出手段である慣性航法装置５０は、水中航走体１０の現在の速度と移動開始点からの航走距離、地球座標における水中航走体１０の位置の情報を得ることができる測定器であり、その測定結果を制御演算装置６０に時々刻々と与えるようになっている。すなわち、慣性航法装置５０は、図１に示したように、初期位置設定部５２と、加速度センサ５４と、航走速度演算部５６と、位置演算部５８となどを有している。
【００１９】
慣性航法装置５０の初期位置設定部５２は、水中航走体１０を航走させる際に、水中航走体１０の地球座標における初期位置（経度および緯度）を設定できるようになっている。加速度センサ５４は、図示しない慣性航法装置５０を構成しているジャイロに設けてあって、水中航走体１０の航走に伴う三次元の加速度を検出できるようになっている。そして、航走速度演算部５６は、加速度センサ５４の出力信号を積分して水中航走体１０の航走（航行）速度を求めるようになっている。また、位置演算部５８は、航走速度演算部５６が求めた航走速度を積分して航走距離を算出するとともに、初期位置設定部５２に設定してある初期位置を読み出し、算出した航走距離と初期位置とから水中航走体１０の地球座標における現在位置（経度、緯度）を求めて出力する。
【００２０】
制御演算装置６０は、図１に示したように、水流速度演算部である潮流速度演算部６２と、メモリ６４、速度補正部６６、船首方位演算部６８と、操舵制御部７０とを有している。潮流速度演算部６２は、ドップラー式超音波速度計４０の対地速度検出部４４と対水速度検出部４６とから速度検出信号が入力するようになっていて、後述するように、海底（水底）する水の流れの速度である潮流速度ベクトルを求めるようになっている。なお、潮流とは、この発明の場合、潮汐力による海水の水平方向の流ればかりでなく、海流や潜流など、すべての水の流れを意味している。
【００２１】
制御演算装置６０のメモリ６４は、少なくとも目標点記憶部７２と基準潮流記憶部７４とを有している。目標点記憶部７２には、水中航走体１０を航走させるべき予め設定した航路上の複数の到達目標点が経度、緯度の値として記憶させてある。また、基準潮流記憶部７４には、例えば気象庁などから発表されている各海域の潮流速度（速さ、方向）が基準潮流速度として記憶させてある。この基準潮流速度は、後述するように、ドップラー式超音波速度計４０により水中航走体１０の対地速度を検出することができないときに使用される。
【００２２】
速度補正部６６は、目標点方位演算部７６と目標対地速度演算部７８と進行方向速度成分演算部８０とを有する。そして、目標点方位演算部７６は、後述するように、慣性航法装置５０の位置演算部５８の出力する位置情報と、目標点記憶部７２に格納してある到達目標点の座標とから、水中航走体１０に対する目標到達点の方位を求める。
【００２３】
目標対地速度演算部７８は、水中航走体１０の図示しない推進器の駆動を制御する推進器駆動部８２の出力する駆動制御信号、すなわち推進器の駆動情報と、目標点方位演算部７６が求めた目標点方位とにより、外乱である潮流がないときの到達目標点に向かう対地速度（ベクトル）を求めて出力する。また、進行方向速度成分演算部８０は、目標対地速度演算部７０が求めた目標対地速度を潮流速度演算部６２が求めた潮流速度によって補正した対地速度、すなわち潮流速度を相殺するような対地速度を求めるようになっていて、この補正後の対地速度は船首方位演算部６８の船首方位算出回路９６に出力される。さらに、進行方向速度成分演算部８０は、メモリ６４の基準潮流記憶部７４に格納してある基準潮流を読み出すことができるようになっており、潮流速度演算部６２が潮流速度を算出することができないときに、基準潮流を用いて進行方向速度成分を算出する。
【００２４】
船首方位演算部６８は、基準方位演算部９０、方位偏差演算部９２、方位補正量演算部９４および船首方位算出回路９６を有する。基準方位演算部９０は、後述するように、目標点記憶部７２に記憶させてある複数の到達目標点から読み出した２つの到達目標点に基づいて、水中航走体１０を航走させるべき基準の航路（水中航走体１０が進むべき方位）を求める。また、方位偏差演算部９２は、速度補正部６６の目標点方位演算部７６が求めた目標点の方位と、基準方位演算部９０が求めた基準航路の方位との偏差を求める。方位補正量演算部９４は、方位偏差演算部９２の求めた偏差の大きさに応じた水中航走体１０の向きの補正量を演算し、船首方位算出回路９６に与える。この船首方位算出回路９６は、速度補正部６６の進行方向速度成分演算部８０が求めた潮流を補正したのちの水中航走体１０の対地速度（ベクトル）に基づいて、水中航走体１０の先端の向き、すなわち船首の方位を算出し、この船首方位を方位補正量演算部９４の求めた補正量によって補正する。そして、操舵制御部７０は、船首方位算出回路９６が求めた船首方位に基づいて操舵機構３０を制御し、水中航走体３０の先端をその方位に向ける。
【００２５】
このようになっている実施形態の航走制御装置２０の作用は、次の通りである。まず、水中航走体１０は、図示しない母船に搭載されて調査海域に搬送される。そして、調査を開始するに際して、水中航走体１０を海中に投入する初期位置を地球座標（経度、緯度）によって慣性航法装置５０の初期位置設定部５２に設定する。水中航走体１０の位置は、水中航走体１０の中心位置を表す。また、メモリ６４の目標点記憶部７２には、水中航走体１０を航走させる航路上の到達目標点を記憶させる。この到達目標点は、図８に示したように、水中航走体１０が重要観測点１８を通過するように、重要観測点１８を挟んだ水中航走体１０を旋回(方向転換)させたい位置を地球座標で記憶させる。さらに、メモリ６４の基準潮流記憶部７４には、水中航走体１０を航走させる海域の、気象庁などが公表している潮流速度を記憶させる。
【００２６】
水中航走体１０は、航走制御装置２０が起動されて海中に投入されると、予め設定された深度または高度（海底からの高さ）まで下降したのち、設定された（目標点記憶部７２に記憶させた）最初の到達目標点に向けて水平方向に航走を開始する。そして、航走制御装置２０を構成している慣性航法装置５０の加速度センサ５４は、水中航走体１０の航走開始に伴って水中航走体１０の三次元方向の加速度を検出する。航走速度演算部５６は、加速度センサ５４が検出した加速度を所定の時間ごと（例えば、１０ｍｓｅｃごと）に読み出し、これを積分して水中航走体１０の現在の航走速度を求める。また、慣性航法装置５０の位置演算部５８は、航走速度演算部５６が出力する航走速度を所定の時間（例えば、１０ｍｓｅｃ）にわたって積分し、この間の水中航走体１０の航走方向と航走距離とを求めるとともに、求めた航走距離を順次積算し、さらに初期位置設定部５２に設定された初期位置情報を読み出し、現在の水中航走体１０の地球座標における位置を求める。この水中航走体１０の現在位置は、図３に示したように、航走制御装置２０を構成している制御演算装置６０に入力される。また、この慣性航法装置５０によって求められた加速度や速度、航走距離、時々刻々の位置などのデータは、メモリ６４の図示しないデータ記憶領域に順次書き込まれる。
【００２７】
一方、ドップラー式超音波速度計４０は、送信・受信部４２ににおいて水中に超音波４１を放射し、海底または水中浮遊物からの反射波を受信し、水中走行体１０の対地速度Ｖｅと対水速度Ｖｗを検出し、図３に示したように制御演算装置６０に入力する。すなわち、ドップラー式超音波速度計４０の対地速度検出部４４は、送信・受信部４２における超音波４１の放射（送信）時刻と海底からの反射波の受信時刻、および図示しない位置検出器の出力する位置情報とにより、海底に対する水中航走体１０の速度（対地速度）Ｖｅを求め、制御演算装置６０に出力する。また、ドップラー式超音波速度計４０の対水速度検出部４６は、超音波４８の送信時刻と海中浮遊物からの反射波の受信時刻などから、水中航走体１０の水（海水）に対する速度（対水速度）Ｖｗを検出して制御演算装置６０に送出する。
【００２８】
制御演算装置６０は、図３に示したように、ドップラー式超音波速度計の検出信号に基づいて潮流速度Ｖｔを算出したのち、潮流を考慮した進行方向速度成分Ｖ0’の算出、潮流を考慮した進行方向（船首方位）φ0’を算出する。さらに、制御演算装置６０は、詳細を後述するように、進行方位のずれ量を補正した船首方位Φ0 を求め、この補正した船首方位Φ0 に基づいて、操舵機構３０を制御するための操舵制御量を求める。この操舵制御量を求める具体的手順は、次のようにして行なう。
【００２９】
制御演算装置６０の潮流速度演算部６２は、対地速度検出部４４が出力した水中航走体１０の対地速度Ｖｅと、対水速度検出部４６が検出した水中航走体１０の対水速度Ｖｗとを読み込み、図４に示したように両者の差を求め、海底に対する水の流れの速度（潮流速度）Ｖｔを演算する。すなわち、潮流速度演算部６２は、
【数１】
【００３０】
次の進行方向速度成分Ｖ0’算出は、次のようにして行なわれる。まず、制御演算装置６０を構成している速度補正部６６の目標点方位演算部７６は、慣性航法装置５０の位置演算部５８が出力する水中航走体１０の現在位置を読み込むとともに、メモリ６４の目標点記憶部７２から、水中航走体１０が現在向かっている次の到達目標点の位置を読み出し、水中航走体１０の現在位置に対する到達目標点の方位を演算する。
【００３１】
例えば、図５に示したように、水中航走体１０が到達目標点Ａを通過して次の到達目標点Ｂに向かっているとした場合、目標点方位演算部７６は、位置演算部５８が出力する水中航走体１０の中心の地球座標における現在位置Ｃと、目標点記憶部７２に記憶させてある次の到達目標点Ｂの経度、緯度とを読み出し、現在位置Ｃに対する到達目標点Ｂの方位（現在位置Ｃと到達目標点Ｂとを結ぶ線の経度方向Ｌａに対する角度）φ0 を算出する。この目標点方位φ0 は、速度補正部６６の目標対地速度演算部７８に与えられる。
【００３２】
目標対地速度演算部７８は、目標点方位演算部７６から目標点方位φ0 が入力すると、推進器駆動部８２の出力する推進力情報とにより、潮流などの外乱がない場合の、現在位置Ｃから到達目標点Ｂに向かう目標対地速度Ｖ0 を求め、速度補正部６６を構成している進行方向速度成分演算部８０に送出する。進行方向速度成分演算部８０は、目標対地速度演算部７８が求めた目標対地速度Ｖ0 を潮流速度Ｖｔによって補正し、水中航走体１０を進める方向の速度成分を演算する。
【００３３】
すなわち、進行方向速度成分演算部８０は、図５に示したように、目標対地速度Ｖ0 に対して潮流速度演算部６２が求めた潮流速度Ｖｔを相殺できる進行方向速度成分Ｖ0’を、
【数２】
【００３４】
この進行方向速度成分演算部８０が求めた進行方向速度成分Ｖ0’は、船首方位演算部６８の船首方位算出回路９６に入力される。船首方位算出回路９６は、進行方向速度成分Ｖ0’の方位φ0’、すなわち水中航走体１０の先端（船首）を向けて進めるべき方向を算出する。
【００３５】
ここに、数式２に示したように、Ｖ0’＝Ｖ0 −Ｖｔである。そして、目標対地速度Ｖ0 の速度ベクトルの大きさ（速さ）をＵとすると、経度方向の成分と緯度方向の成分との和であるから、
【数３】
【００３６】
船首方位のずれ量の補正は、次のようにして行なう。例えば、図６に示したように、水中航走体１０が到達目標点Ａを通過して到達目標点Ｂに向けて航走しているとする。このとき、船首方位演算部６８の基準方位演算部９０は、目標点記憶部７２に記憶させてある複数の到達目標点から第１到達目標点Ａの座標（経度、緯度）と第２到達目標点Ｂの座標とを読み出し、基準航路となる目標点Ａから目標点Ｂに向かうベクトルＶABを求め、さらにこのベクトルＶABの経度方向Ｌａに対する傾き（基準航路方位）φABを算出し、方位偏差演算部９２に送出する。
【００３７】
方位偏差演算部９２は、基準方位演算部９０が求めた基準航路方位φABと、目標点方位演算部７６が求めた目標点方位φ0 とが入力するようになっている。すなわち、目標点方位演算部７６は、図６に示した水中航走体１０の現在位置Ｃから到達目標点Ｂに向かうベクトルＶCBの方位を求めて方位偏差演算部９２に入力する。そして、方位偏差演算部９２は、これらの方位の方位偏差φd を次式により算出する。
【数４】
この方位偏差演算部９２が求めた方位偏差φd は、方位補正量演算部９４に送出される。そして、方位補正量演算部９４は、図７に示したような方位偏差φd の大きさに応じた船首方位の補正量を演算し、船首方位計算回路９６に入力する。すなわち、方位補正量演算部９４は、まず、
【数５】
【００３９】
方位補正量演算部９４は、方位偏差φd の絶対値が閾値φthより小さく、数式５を満足している場合、
【数６】
【００４０】
船首方位算出回路９６は、進行方向速度成分演算部８０の求めた速度成分のベクトルから算出した船首方位φ0’と、方位補正量演算部９４が求めた方位補正量δとに基づいて、補正後の船首方位Φ0 を次式により算出する。
【数７】
この補正後の船首方位Φ0 は、操舵制御部７０に与えられる。そして、操舵制御部７０は、船首方位算出回路９６が求めた補正後の船首方位Φ0 に基づいて、図３に示したように、方向舵または水平首振り式推進器などの操舵機構３０を制御し、水中航走体１０の船首を船首方位Φ0 に向ける。
【００４２】
一方、方位補正量演算部９４は、方位偏差演算部９２の求めた方位偏差φd が数式５を満足せず、
【数８】
【数９】
ただし、
【数１０】
【００４４】
このようにして、実施形態においては、水中航走体１０の現在位置に対する目標点方位φ0 が基準航路の方位に対してずれたときに、ずれ量に応じた補正量を加味して水中航走体１０の船首方位を求めているため、例えば図８に示したように到達目標点Ａにおいて水中航走体１０が方向転換のために旋回した場合など、水中航走体１０を迅速に基準方位に復帰させることができる。
【００４５】
なお、水中航走体１０が一定の深度を航走している場合に海底の深い領域を通過するときや、海溝部を航走するときなど、ドップラー式超音波速度計４０によって水中航走体１０の対地速度を検出することができない場合、速度補正部６６の進行方向速度成分演算部８０は、潮流速度演算部６２が求める潮流速度の代わりに、メモリ６４の基準潮流記憶部７４に記憶させてある気象庁などが公表している潮流速度を用いて進行方向速度成分を算出する。これにより、上記の海底の深い領域であっても、水中航走体１０を容易に基準航路に沿って航走させることができる。
【００４６】
上記に説明した実施の形態は、本発明の一態様の説明であって、これに限定されない。例えば、ドップラー式超音波速度計４０によって水中航走体１０の対地速度と対水速度とを求める場合について説明したが、慣性航法装置５０が求めた速度を用いてもよい。そして、前記実施形態においては、海中を航走させる場合について説明したが、湖沼の調査などにも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水底に対する水の流れの速度を求め、
航走体の水底に対する速度を水の流れの速度によって補正し、航走の外乱である潮流などの水の流れを相殺して航走体を航走させるようになっているため、予め定めた航路に沿って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る。
【００４８】
また、本発明は、航走体が到達目標点において旋回するときなどにおいて、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なうため、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。さらに、海溝などの海底が深く、航走体の対地速度を検出できない場合に、予め与えた基準の水流速度を用いて速度補正を行なうようにしているため、航走対地速度を得られない場所であっても、確実に到達目標点に向けて航走させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置の概略ブロック図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】 本発明に実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における潮流速度の計算処理を説明するための図である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における進行方向速度成分の求め方を説明する図である。
【図６】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における方位偏差の求め方を説明する図である。
【図７】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置における船首方位の補正上の求め方を説明する図である。
【図８】 本発明の実施形態に係る自律型水中航走体の航走制御装置による航走制御したときの水中航走体の航路と、従来の航走制御とによる水中航走体の航路軌跡とを比較する図である。
【符号の説明】
１０………水中航走体、２０………航走制御装置、３０………操舵機構、４０………ドップラー式聴音波速度計、４２………対地速と検出手段(対地速度検出部)、４４………対水速度検出手段(対水速度検出部)、５０………位置検出手段(慣性航法装置)、５４………加速度センサ、５６………航行速度演算部、５８………位置演算部、６０………制御演算装置、６２………潮流速度演算部、６４………メモリ、６６………速度補正部、６８………船首方位演算部、７０………操舵制御部、７２………目標点記憶部、７４………基準潮流記憶部、７６………目標点方位演算部、７８………目標対地速度演算部、８０………進行方向速度成分演算部、８２………推進器駆動部、９０………基準方位演算部、９２………方位偏差演算部、９４………方位補正量演算部、９６………船首方位算出回路。
Claims (4)
- 水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、
前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、
この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、
前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、
この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、
この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、
を有し、
前記速度補正部は、
前記航走体の地球座標における位置を検出する位置検出手段の出力信号と前記到達目標点とから、前記航走体に対する前記到達目標点の方位を求める目標点方位演算部と、
この目標点方位演算部が求めた目標点方位と、前記航走体の推進器の駆動情報とに基づいて、前記目標対地速度を求める目標対地速度演算部と、
この目標対地速度演算部が求めた前記目標対地速度に対して前記水流速度を相殺する速度成分を求める進行方向速度成分演算部と、
を有することを特徴とする自律型水中航走体の航走制御装置。 - 請求項１に記載の自律型水中航走体の航走制御装置において、
前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めることを特徴とする自律型水中航走体の航走制御装置。 - 水中を航走する航走体の水底に対する速度を検出する対地速度検出手段と、
前記航走体の水に対する速度を検出する対水速度検出手段と、
この対水速度検出手段が検出した前記航走体の対水速度と、前記対地速度検出手段が検出した航走対地速度とに基づいて、前記水底に対する水の流れの速度を求める水流速度演算部と、
前記航走体を到達させる到達目標点に向かう対地速度である目標対地速度を、前記水流速度演算部が求めた水流速度によって補正する速度補正部と、
この速度補正部が求めた補正後の対地速度に基づいて、前記航走体の向きを求める船首方位演算部と、
この船首方位演算部が求めた船首方位に基づいて操舵機構を制御し、前記航走体の先端を前記船首方位に向ける操舵制御部と、
を有し、
前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めることを特徴とする自律型水中航走体の航走制御装置。 - 請求項１に記載の自律型水中航走体の航走制御装置において、
前記船首方位演算部は、
前記進行方向速度成分演算部が求めた前記航走体の進行方向の速度成分に基づいて、前記船首方位を算出する船首方位算出回路と、
前記航走体が通過した第１到達目標点に対する航走体が向かう第２到達目標点の方位を基準方位として求める基準方位演算部と、
この基準方位演算部が求めた基準方位と、前記目標点方位演算部が求めた目標点方位との偏差を求める方位偏差演算部と、
この方位偏差演算部が求めた方位の偏差の大きさに応じて前記航走体の船首方位の補正量を求めて前記船首方位算出回路に与える方位補正量演算部と、
を有し、
前記速度補正部は、前記対地速度検出手段が前記航走対地速度を検出できないときに、予め与えられた基準水流速度を用いて前記補正後の対地速度を求めることを特徴とする自律型水中航走体の航走制御装置。
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