JP4108629B2

JP4108629B2 - 水中ロボット操縦方法及び水中ロボット操縦システム

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Publication number: JP4108629B2
Application number: JP2004063447A
Authority: JP
Inventors: 敏彦関本
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Co Ltd
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: JP2005246578A

Description

本発明は、遠隔操縦式水中ロボット（ＲＯＶ）の操縦において、オペレータの負担を軽減でき、かつ、目標物への到達確率を高めることができる水中ロボット操縦方法及び水中ロボット操縦システムに関する。

水中ロボットにより、トンネル内、定置網等の漁網、魚礁、プロペラ、船底、アンカー、岸壁、桟橋、海底等の観察を行う場合に、水中ロボットを水面下に降ろして、船上又は陸上の操縦装置から遠隔操縦して、観察目標に到達させて、テレビカメラやその他の機器により観察を行っている。そして、この目標物への接近は、オペレータ（操縦者）がテレビカメラによる映像を見ながら手元の操作機器を操作して、水中ロボットを遠隔操縦することにより行っている。

このテレビカメラによる映像は、視界も狭く、視認可能な距離も透明度や明るさにもよるが一般にはそれ程大きくない。そのため、透明度が悪かったり、目標物が遠方にある場合には視認することが困難な場合が多い。一方、超小型高性能スキャンニングソナーを使用した場合には、水中テレビカメラでは数メートル程度しか見えない真っ暗で濁った状況でも、ソナー位置を中心として最大１００ｍ程度の範囲の海底状況や水中物体を探査できる。

そのため、水中ロボットにおける広範囲の探査には超音波ソナーが使用されている。この超音波ソナーによる探査では、超音波を発生し、この超音波が水中の物体に反射し戻ってきた時の反射強度と反射時間に基づいて、反射強度をその度合い毎に色分けし、また、反射時間からソナー画面上の位置を算出して、ソナー画像として表現及び表示している。

そして、水中ロボットに磁気方位コンパス、深度計等を搭載し、これらのセンサからの信号を水上作業船上（又は陸上）に設けた操作盤上に表示して、水上作業船と水中ロボットとの距離、水中ロボットの走行方位を水上作業船に備えたソナー等で探知して、その両方からの信号に基づいて、オペレータの手動操作によって操縦して、水中の目標物へ誘導することが行われている。

この場合には、ソナー探査によって目標物を発見しても、その目標物に水中ロボットを到達させるためには、ソナー画面から水中ロボットと目標物との位置関係を計算等で求め、その計算結果の位置関係を基にして水中ロボットの操縦を行う必要がある。しかし、ソナーが水上作業船上にあり、水中ロボットの位置変化がソナー画面の画像に反映されないため、オペレータは、常に、ソナー画面上の目標物位置と、水中ロボットの位置とを頭に入れながら操縦する必要があるので、オペレータの負担が大きく、円滑に目標物に水中ロボットを到達させるためには、オペレータがソナー画面を見ながらの操縦に習熟する必要がある。

この問題を解決するために、海中の目標物の方向へ水中航走体を誘導するシステムの開発が進められており、その一つとして、水上の作業船の音響機器から発信されるビームを、水中航走体に搭載されたハイドロホンで受信して、この信号と水中航走体に搭載された方位器からの信号とにより航走すべき方位及び侵入角を演算して水中航走体を水中の目標物に向かって効率よく誘導する水中航走体の誘導装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この水中航走体の誘導装置においては、目標位置を水上作業船側のソナー等で探知した上で、音響機器から水中航走体の航走経路を音響ビームによって示すので、遠距離用のソナーが必要な上、誘導用音響ビームの発生、ハイドロホンによる受信、操縦要素の解析等が必要になるためシステムの規模が大きくなる。そのため、小型水中ロボットによる簡易的な水中探査には向かないという問題がある。

また、現状においては、ソナー画像の解析は、水中テレビカメラによる画像とは異なり、画面上の画像が意味するものの判断において、人間の判断が必要とされる。そのため、現状の画像解析技術による目標物の位置の自動判断は難しく、誤認、誤操作を誘因するため、目標物の指定にはオペレータによる指示を必要とするという問題がある。

更に、水中ロボットの操縦は、揺れる船上で行うことが多く、特に、小型の水中ロボットを使用する場合には、小型船で調査する場合が多いので、操作時には船の揺れが大きい場合も考えられ、目標物の位置や目標方位を入力するに際しても、細かい操作無しで簡便に行えるようにする必要がある。
特開昭５７−７１４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、超音波ソナーで発見した目標物に水中ロボットの進行方向を自動的に向け、目標物への到達を容易することができる水中ロボット操縦方法及び水中ロボット操縦システム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ロボット操縦方法は、遠隔操縦式の水中ロボット操縦方法において、水中ロボットに搭載した超音波ソナーにより得られた周囲の状況を、操縦側の表示兼入力装置のタッチパネル画面上に画像で表示し、該画像が映し出された前記タッチパネル画面上がタッチされた場合に、該タッチされた部分の画面上の位置から該タッチされた部分に相当する実際の方位を算定し、該方位に水中ロボットの進行方向を向けるよう自動的に姿勢を制御し、手動操作手段により水中ロボットの移動を行うことを特徴として構成される。

超音波ソナー画像を用いることにより、水中テレビカメラでは数メートル程度しか見えない状況でも、遠方の海底状況や水中物体を探査でき、しかも、水中ロボットを中心とする３６０°の周囲の探査ができる。そして、水中ロボットに搭載したソナーで得られる水中ロボットの視点からの画像であるので、水中ロボットと目標物との位置関係が明瞭になり、臨場感が増すと共に、操縦側の位置を考慮する必要が無くなるので、水中ロボットの操縦が著しく容易となる。

そして、タッチパネルを使用し、タッチパネル画面上のソナー画像に映し出された目標物をタッチするだけで目標物を指定できるので、オペレータは、操縦装置を操作しながら、容易に目標物の方向を指定し、その方位データを入力できる。従って、ソナー画面における目標物の判定にオペレータの判断を入れることができ、しかも、揺れ動く船上においても容易に目標物をタッチできるので、簡単に目標物のデータを入力できる。

その上、方位角のみを問題にしているので、方位センサと超音波ソナーが有れば良く、非常にシンプルな制御となる。指令方位に、即ち、実際の目標物の方向に、自動的に水中ロボットを回頭させて目標物の方向に向けることができるので、その後は前進操作するだけで、目標物に水中ロボットを誘導して到達させることができる。また、水中ロボットの方向がずれた時は再度タッチにより目標物の方位に向かせることで確実に誘導できる。

なお、ここで、自動回頭までを自動化し、前進を自動化せずに、手動により前進操作するように構成すると、目標物と水中ロボットの間に網等の障害物が有ったりした場合でも、オペレータの前進操作の判断が入るので、この障害物に衝突することを防止できる。但し、障害物が無いような場所では、自動回頭のみらず、前進も自動的に行うように構成してもよい。

そして、上記の目的を達成するための本発明の水中ロボット操縦システムは、遠隔操縦式の水中ロボット操縦システムにおいて、水中ロボットに搭載した超音波ソナーと、前記超音波ソナーにより得られた周囲の状況を画像でタッチパネル画面上に表示する表示兼入力装置と操縦制御手段を備えると共に、前記操縦制御手段が、前記超音波ソナーの探知結果を前記タッチパネル画面上に画像で表示するソナー画像表示手段と、前記画像を表示するタッチパネル画面上のタッチ位置を検出するタッチ位置検出手段と、前記タッチ位置から該タッチ位置に相当する実際の方位を算出する方位算出手段と、該算出した方位に水中ロボットの進行方向を向けるように自動制御する姿勢制御手段と、水中ロボットの移動を行う手動操作手段とを有して構成される。

この構成により、ソナー画像に映し出された目標物をタッチするだけで、水中ロボットを実際の目標物の方向に回頭させて、目標物の方向に向けることができる。つまり、ソナー画面に触れるとその方向に機首を向けるようになる。

また、上記の水中ロボット操縦システムにおいて、前記算出した方位に水中ロボットの方向を自動的に保持する自動方位保持手段を備えて構成すると、より、目標物に接近し易くなる。

更に、上記の水中ロボット操縦システムにおいて、前記ソナー画像表示手段が、前記タッチパネル画面上の画像における水中ロボットの位置と方向を固定して表示するように構成すると、水中ロボットの機首の方向とタッチ位置が示す目標物の方位との角度差が、画面上の水中ロボットの機首の方向と水中ロボットの位置とタッチ位置とを結ぶ線の方向との角度差に比例することになり、相対方位を算出することが非常に単純化され、また、この相対方位に水中ロボットに搭載した方位センサで検出された方位を加えることにより、絶対方位を簡単に算出できる。従って、制御アルゴリズムが単純化され、プログラム化が容易となり、また、応答性を高めることができる。

従って、水中ロボットと超音波ソナーとを連動させた自動航行システムとすることができ、超音波ソナーで得られた目標物体へ水中ロボットを容易に誘導できる。

本発明に係る水中ロボット操縦方法及び水中ロボット操縦システムによれば、超音波ソナーで得られた周囲の状況を画像で表示したタッチパネル画面上をタッチするだけで、超音波ソナーで発見した目標物に水中ロボットの進行方向を自動的に向けることができ、目標物への到達を容易することができる。そのため、水中ロボットの操縦に習熟させてオペレータの操縦能力を高めなくても、簡単な操縦で容易に目標物へ誘導及び到達することができるようになる。

以下図面を参照して本発明に係る水中ロボット操縦方法及び水中ロボット操縦システムの実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態の水中ロボット操縦システム１は、水中ロボット（ビークル）１０と、電源・制御ユニット２０と、モニターユニット３０、及び、水中位置表示ユニット４０を備えて構成される。また、図４〜図６に示すように、超音波ソナー５３と方位センサ（図示しない）を水中ロボット１０に搭載して構成される。この超音波ソナー５３は、超小型高性能スキャンニングソナーで形成され、真っ暗で濁った水中テレビカメラでは数メートル程度しか見えない状況でも、水中ロボット１０を中心として最大１００ｍの範囲の海底状況や水中物体を探査できる。また、方位センサには磁気方位センサやジャイロ方位センサ等を使用できる。

そして、本発明においては、水中ロボット１０に搭載した超音波ソナー５３と、操縦側に、この超音波ソナー５３により得られた周囲の状況を、画像でタッチパネル画面上に表示する表示兼入力装置（モニター）３１を備え、更に、操縦制御手段Ｃ１にソナートラッキング制御手段Ｃ１０を備えて構成される。

そして、このソナートラッキング制御手段Ｃ１０は、図２に示すように、超音波ソナー５３により得られた周囲の状況をモニター３１のタッチパネル画面上に画像で表示するソナー画像表示手段Ｃ１１と、画像を表示するタッチパネル画面上のタッチ位置を検出するタッチ位置検出手段Ｃ１２と、タッチ位置からこのタッチ位置に相当する実際の方位を算出する方位算出手段Ｃ１３と、方位センサで検出した水中ロボットの測定方位がこの算出した目標方位になるように水中ロボット１０を自動的に回頭する自動方位回頭手段Ｃ１４と、方位センサで検出した水中ロボットの測定方位が算出した目標方位になるように水中ロボットの方向を自動的に保持する自動方位保持手段Ｃ１５を備えて構成される。

このソナー画像表示手段Ｃ１１は、超音波ソナー５３から出された超音波が水中の物体に反射し、超音波ソナー５３まで戻ってきた時の反射強度と反射時間に基づいて、反射強度をその度合い毎に色分けし、また、反射時間からソナー画面上の位置を算出し、ソナー画面として表現する。また、水中ロボット１０の位置と方向（正面方向、機首方向）を画面上に固定して、例えば、水中ロボット１０の位置を画面の中心に、水中ロボット１０の方向を画面の上方向に固定して、表示するように構成する。

これにより、水中ロボット１０の機首の方向と目標方位（指示方位）との方位差角である相対方位が、画面上の水中ロボット１０の機首の方向と水中ロボット１０の位置とタッチ位置とを結ぶ線の方向との角度差に比例することになり、相対方位を算出することが非常に単純化される。

また、図２に示すように、操縦機能のための操縦制御手段Ｃ１は、この超音波ソナー５３で発見した目標に自動的に方向を向けるソナートラッキング制御手段Ｃ１０以外にも、トリムで１回転する等の特殊な操縦も可能とする手動操作手段Ｃ２０、指示されたトリム角度を自動で保持する自動トリム保持手段Ｃ３０、自動ロール水平保持の姿勢安定機能が働いた状態で手動操縦を可能とするＰＣ制御手段Ｃ４０、設定した深度を保持する自動深度保持手段Ｃ５０、設定した方位を保持する自動方位保持手段Ｃ６０、設定した深度まで自動的に潜航する自動潜降手段Ｃ７０等も有して構成される。

次に、この水中ロボット操縦システム１について、より詳細に説明する。

図４〜図６に示すように、水中ロボット１０は、遠隔操縦により水中を観察する装置であり、耐食アルミ合金製の円筒状の耐圧殻１１と、その前後に設けられた半球殻で無色透明のアクリルドーム１２ａ，１２ｂとから本体が構成される。この本体に推進用及び姿勢制御用として、耐圧殻１１の中央に左右方向に貫通して１個の横スラスター１３ａが、耐圧殻１１の両サイドに一対の垂直スラスター１３ｂが、また、耐圧殻１１の上部と両サイドの下方に計３個の水平スラスター１３ｃが配置される。

これらのスラスター１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、水中ケーブル６０で繋がっている制御装置２２の信号によって駆動され、水中ロボット１０の方向転換や移動を行う。特に、この水中ロボット１０は、耐潮流性能を向上した自航式ビークルであり、機体のトリム（ピッチ）コントロールにより機首を海底や水底等に向けて、３台の水平スラスター１３ｃの前進力により潜降でき、下降速力が大きいので素早く潮流層を突き切って海底や水底等に到達することができる。また、これらのスラスター１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより、機首を上下左右に振ることができるので、曲線的な運動が可能で、起伏の多い海底や水底等の探査も行うことができる。この水中ロボット１０の大きさと重量の一例を上げると、長さが１０５ｃｍ、幅が５４ｃｍ、高さが５４ｃｍで、重量が５４ｋｇ程度である。

また、前後のアクリルドーム１２ａ，１２ｂには各種の電子機器が収納されるが、特に、前部のアクリルドーム１２ａ内にはテレビカメラ５１がパンチルト装置５２の上に装備される。このパンチルト装置５２は、テレビカメラ５１のズーム及びパン（旋回）及びチルト（俯仰）を行うための装置である。そして、テレビカメラ５１の視界を照明できるように、前部のアクリルドーム１２ａの外側の斜め上方部分に水中照明灯５５が一対配置される。

また、耐圧殻１１の上部に周囲探知用の超音波ソナー（ソナーヘッド）５３と水中ロボットの位置検出用のレスポンダ５４が配置される。なお、図示しないが、深度計、磁気方位測定方式の方位センサ、ビークル内漏水を検知する漏水検知器等のその他必要な機器が装備される。

そして、耐圧殻１１の下方に、前部バンパー１４ａと後部バンパー１４ｂを備えた耐食アルミ合金製のスキッド１５が設けられ、両サイドにサイドバンパー１６が設けられている。更に、ソナーヘッド５３を保護するためのソナーバンパー１７と、レスポンダ５４を保護するためのレスポンダバンパー１８、水中ロボット１０を吊り上げるための吊り金具１９等が設けられる。

この水中ロボット１０は、図１に示すように、水中ケーブル６０により電源・制御ユニット２０の制御装置２２に接続されている。この水中ケーブル６０は、光・電力複合ケーブルで形成され、水中ロボット１０への電力供給と、水中ロボット１０と船上（陸上）側に置かれる制御装置２２との間の通信を可能にする。この水中ケーブル６０によって、水中ロボット１０に搭載したテレビカメラ５１の高画質の画像伝送や高品質のデータ送信や操縦・操作信号等は伝送される。

そして、電源・制御ユニット２０は、電源装置２１、制御装置２２とからなり、電源装置２１は、電源装置ケーブルで制御装置２２に接続され、制御装置２２から給電されたＡＣ１００Ｖの電力を水中ロボット１０用の電力に変換して制御装置２２に供給する。この水中ロボット１０用の電力は制御装置２２から水中ケーブル６０を介して水中ロボット１０に供給される。

また、制御装置２２は、ＡＣ電源用コード、電源装置２１への給電用ケーブル、主電源スイッチを始め、水中ケーブル用レセプタクル、電源装置ケーブル用レセプタクル、、ジョイスティック装置ケーブル用レセクタプル、テレビカメラ映像出力端子、ＰＣコネクタ、水中位置表示装置コネクタ等を備えて、各該当する機器類に接続可能に形成されている。

そして、この制御装置２２は、水中ロボット１０の各種機器からの情報を入力すると共に、ジョイスティック装置ケーブルを介してジョイスティック装置２３と接続し、オペレータ（操作員）によって操作されるジョイスティック装置２３からの信号を受けて、情報処理や制御信号の作成を行って、水中ケーブル６０経由で水中ロボット１０に操縦・操作信号を送る。

図７に示すように、このジョイスティック装置２３には、右手ジョイスティックレバー８１と左手ジョイスティックレバー８２とがある。この右手ジョイスティックレバー８１は、前方（ＦＷＤ）側に傾ければ前進、手前（ＲＶＳ）側に傾ければ後進、右（ＣＷ）側に傾ければ右旋回、左（ＣＣＷ）側に傾ければ左旋回するように、水中ロボット１０を操縦できる。なお、どの方向においても指を離すとスプリングリターンで中央に戻る。

また、左手ジョイスティックレバー８２は、モード切り替えスイッチ７６が（Ｔ）トリム制御モードの時、前方（ＤＳＮＤ）側に傾ければ機首下げ回動、手前（ＡＳＮＤ）側に傾ければ機首上げ回動を行い、モード切り替えスイッチ７６が（Ｈ）水平保持モードの時、水平姿勢を保ったまま、レバーを前方（ＤＳＮＤ）側に傾ければ水平潜降、手前（ＡＳＮＤ）に傾ければ水平浮上を行う。また、右（Ｒ）側に傾ければ右移動、左（Ｌ）側に傾ければ左移動するように、水中ロボット１０を操縦できる。なお、前後方向にはスプリングリターンせず、その位置を保持するが、左右方向に関しては指を離すとスプリングリターンで中央に戻る。

更に、このジョイスティック装置２３には、コントロール回路と照明灯回路をロック状態から解除して水中ロボット１０をコントロール可能にするスタート押ボタン７１、再度ロック状態に戻すストップ押ボタン７２、モニター画面のスーパーインポーズを切り換えるスーパーインポーズ押ボタン７３、水中照明の明るさを調整する調光ボリューム押ボタン７４を手前側に備えている。

また、このジョイスティック装置２３の操作盤の奥側には、前（ＤＯＷＮ）側に倒すと下方、手前（ＵＰ）側に倒すと上方に向くように動き、指を離した所で止まるチルトスイッチ７５、前方（Ｔ）側に倒すとトリム制御モードになり、手前（Ｈ）側に倒すと水平潜降のための水平保持モードとなるモード切換スイッチ７６、前方（ＡＵＴＯ）側に倒すと機体のトリム制御、ロール角制御に関して自動制御となり、手前（ＭＡＮ）側に倒すと手動制御となる自動姿勢モード切換スイッチ７７、スイッチを１回倒す毎に自動と手動が切り替わるフォーカス切替スイッチ７８、前方（Ｆ）側に倒すと遠方に、手前（Ｎ）側に倒すと近方に操作できる手動フォーカススイッチ７９、前方（Ｔ）側に倒すとズームインし、手前（Ｗ）側に倒すとズームアウトし、指を離した所で止まるズームスイッチ８０等が配置されている。

また、ジョイスティック装置２３には、右側（ＲＩＧＨＴ）を押すと右方向に、左側（ＬＥＦＴ）を押すと左方向に向くように動き、指を離した所で止まる「パン」押ボタン８３、８３及び肩掛用ストラップ取付金具８４、取手８５等が設けられている。

次に、モニターユニット３０は、モニター３１、ＶＴＲ３２、ＣＰＵ３３、マイクロホン３４とからなる。このモニタ３１とＣＰＵ３３は、ＰＣコネクタで制御装置２２と接続され、マイクロホン３４はＶＴＲ３２に接続されている。

このモニター３１の画面はタッチパネル式となっており操縦側の表示兼入力装置となる。このタッチパネル画面は、ソナー画像表示手段Ｃ１１により、図８に例示するように、例えば、左側にテレビカメラ５１の映像（テレビ画像）、右側に超音波ソナーの映像（ソナー画像）を表示する。このソナー画像は、画面上方が水中ロボット１０の前方、右側が右舷側、左側が左舷側、下方が後方を示すように、水中ロボット１０の位置と方向を画面上に固定して表示される。

また、左側のテレビ画像内に、深度、方位、トリム角度、日付、時刻等が表示され、テレビ画像の上に、「ＰＣ制御」、「自動潜降」、「深度保持」、「方位保持」等の運用モードを示す欄があり、下には、水中ロボット１０のトリムとロールの角度表示とその傾斜した様子を模式的に示す図がある。また、その右側には、「スナップショット」の文字画面が表示され、これを指で押す（タッチする）と、その時に表示されていたビデオカメラ５１のカメラ映像を静止画像ファイルとして保存すると共に、この静止画であるスナップショット画像を撮影した枚数と共に表示する。これらの左側画面は主に現状を示すための画面である。

また、右側のソナー画像の上には、深度と方位の現在値と目標値を示し、下には、「ソナー稼働」、「ソナーログ」、「ソナー設定」、「ソナートラック」の各ボタンが表示され、また、ソナー画像のための「コントラスト」「ゲイン」「レンジ」の各調整ボタンが表示される。

この「ソナー稼働」では、ソナーのＯＮ／ＯＦＦ操作、「ソナーログ」では、ソナー探知結果の記録、「ソナーの設定」では、解像度と関係するソナーヘッドの旋回速度、ソナーの旋回範囲と基準方位、カラー又は白黒を選択できる描画モード等の設定ができ、「ソナートラック」では、ソナートラッキング制御手段Ｃ１０によるソナートラッキング機能のＯＮ／ＯＦＦ操作ができる。また、「コントラスト」操作では、反射強度即ち画面上に表示される色の階調幅を変更することができる。「ゲイン」操作では反射に対する感度の強弱を変更することができる。「レンジ」操作では探査範囲を変更することができる。なお、水中ロボット１０を海底や水底等に着底させると位置保持が簡単で安定したソナー画像（映像）を得ることができる
そして、ソナー画面右下に示された「ソナートラック」ボタンを押すと、ソナー画面で見つけた目標をタッチするだけで、水中ロボット１０がその目標の方向に自動的に向き、その方位を保持するソナートラッキング機能のＯＮ／ＯＦＦが切り替わる。ＯＮの場合には「ソナートラック」ボタンの枠に「ＯＮ」が表示され、ＯＦＦの場合には「ＯＦＦ」が表示される。

ソナートラッキングＯＮで、このソナートラッキング機能が有効な時には、ソナー画像表示手段Ｃ１１により、超音波ソナー５３により得られた周囲の状況をモニター３１のタッチパネル画面上に画像で表示するソナー画面上の任意の場所をオペレータが指で触ると、タッチ位置検出手段Ｃ１２によりタッチパネル画面上のタッチ位置を検出し、方位算出手段Ｃ１３によりタッチ位置からタッチ位置に表示された画像の目標物の方位を算出し、、即ち、タッチ位置からこのタッチ位置に相当する実際の方位を算出し、その方位を目標方位として認識し、自動方位回頭手段Ｃ１４により、この認識した目標方位に向くように水平スラスター１３ｃ等を操作して、水中ロボット１０を旋回し機首をその目標方位に向けるように制御され、向いた後は、自動方位保持手段Ｃ１５によりその目標方位を保持するように制御される。機首の方向がその目標方位になるように制御されるので、その結果、水中ロボット１０の旋回に従って、ソナー画面は順次更新され、目標が水中ロボット１０の正面となる。なお、この実施の形態の制御では、前進を自動で行わず、つまり、自動で指定位置に移動せず、目標物までの移動はジョイスティック操作で行うように構成される。これにより、オペレータの前進操作の判断を介入させて、目標物と水中ロボットの間に網等の障害物が有ったりした場合でも、この障害物に衝突することを防止できる。

そして、そのジョイスティック操作の後は、「追従」モードの場合は、ジョイスティック操作で左右旋回して方位を変更すると目標値は操作を止めた直後の方位に追従する。このときソナートラキング機能は有効であるが、目標方位が操作を止めた直後の方位に変更される。そのため、再度ソナー画面から目標位置を押して方位を設定する必要がある。

また、「設定」モードの場合は、ジョイスティック操作で左右旋回して方位を変更するとソナートラキング機能は無効となる。再度、ソナートラキングを続ける場合には、有効にすると共に、ソナー画面から目標位置を押して方位を設定する必要がある。

運用の終了には、画面左下隅の「終了」ボタンを指で押すと「システム終了確認」画面が表示されるので、必要な操作をして終了する。

このソナートラッキングの制御を制御フローで示したのが、図３である。この図３の制御フローを説明すると、ソナートラッキングＯＮとなり、この制御フローがスタートすると、ステップＳ１１でタッチパネル上に超音波ソナー５３により得られた周囲の状況が画像で表示し、この表示を所定の時間（タッチの有無を判定するインターバルに関係する時間）の間継続した後、次のステップＳ１２に行き、タッチパネル上にタッチが有ったか否か、即ち、有無を判定する。

ステップＳ１２でタッチパネル画面上へのオペレータのタッチが有ったと判定された場合は、ステップＳ１３に行き、タッチパネル画面上の画像の水中ロボット１０の位置（厳密には超音波ソナー５３の位置）を原点とするタッチ位置（直角座標（Ｘ，Ｙ），あるいは、極座標（ｒ，θ））を検出する。そして、次のステップＳ１４でそのタッチ位置（Ｘ，Ｙ）から、そのタッチ位置（Ｘ，Ｙ）に表示されていた画像の目標物の水中ロボット１０に対する相対方位θを算出する。この相対方位θは、直角座標（Ｘ，Ｙ）からはθ＝ｔａｎ^-1（Ｘ／Ｙ）となり、極座標（ｒ，θ）からは、そのθとなる。なお、直角座標から求める相対方位θは、ＸとＹの正負により、０°〜３６０°（又は−１８０°〜１８０°等）の全周方位の一つとする。

そして、次のステップＳ１５で、この算出された相対方位θから、タッチされた表示画面の時における方位センサによって検出された水中ロボット１０の方位θｒを加えて絶対方位θａを算出して、この絶対方位θａを目標方位θ０として記憶し、ステップＳ１６に行く。また、ステップＳ１２でタッチが無かったと判定された場合は、そのままステップＳ１６に行く。

ステップＳ１６では、水中ロボット１０に搭載した方位センサの出力である方位θｒが目標方位θ０になるように、左右２つの水平スラスタ１３ｃ、又は、必要に応じて各スラスタ１３ａ，１３ｂ，１３ｃをフィードバック制御して、水中ロボット１０の機首がこの目標方位θ０を向くように自動回頭制御を行う。また、既に目標方位θ０に向いている場合には、これを保持するように自動方位保持制御を行う。これらの自動回頭制御又は自動方位保持制御となるフィードバック制御（方位制御）を所定の時間（タッチの有無を判定するインターバルに関係する時間）の間行ってからステップＳ１１に戻る。

このステップＳ１１〜ステップＳ１６を繰り返すが、ジョイスティック操作により方位の変更があった場合、及び、「終了」ボタンが押された場合には、割り込みを生じて、この制御フローを終了する。なお、ステップＳ１１のソナーによって得られた周囲の状況の画像表示及びステップＳ１６の方位制御は、実質上また実際上は、このステップＳ１１〜ステップＳ１６の間継続され、適宜更新されながら画像表示が連続的に行われ、また、方位制御も連続的に行われる。ここでは制御の順序を分かり易くするため、ステップ表示で説明している。

そして、ＶＴＲ３２は、テレビカメラ５１の画像や超音波ソナー５３等のモニター３１の表示画面を記録するためのものであり、マイクロホン３４は、オペレータ等の陸上音声をこのＶＴＲ３２へ録音するためのものである。また、ＣＰＵ３３は電源スイッチ、リセットスイッチ、ＭＯドライブ、ＣＤドライブ、キーボードコネクタ、マウスコネクタ等を備えて形成され、制御装置２２の制御等の機能を分担する。

そして、水中位置表示ユニット４０は、傾斜計４１、ＧＰＳ受信機４２、水中ロボット１０に搭載されたレスポンダ５４からの信号を受けるトランジューサ４３、このトランジューサ４３を水面下に吊り下げるトランジューサ吊下金具４４、トランジューサ吊下金具４４を固定する吊下金具固定台４５、ノートパソコン４６を備えて構成され、水中ロボット１０の水中位置をトランジューサ４３及びＧＰＳ受信機４２等の出力から特定し、モニター３１に表示すると共に、ノートパソコン４６に水中ロボット１０の絶対位置を表示する装置である。この水中位置表示ユニット４０により、水中ロボット１０の水中位置を確認できる。

この水中ロボットの操縦システム１及び操縦方法によれば、超音波ソナー５３で探知した結果を画像で表示したタッチパネル画面上をタッチするだけで、超音波ソナー５３で発見した目標物に水中ロボット１０の進行方向を自動的に向けることができ、目標物への到達を容易することができる。

本発明の実施の形態に係る水中ロボット操縦システムの構成を示す図である。水中ロボットの操縦制御手段の構成を示す図である。ソナートラッキング制御の制御フローの一例を示す図である。水中ロボットの側面図である。水中ロボットの平面図である。水中ロボットの正面図である。水中ロボット操縦用のジョイスティック装置の操作盤の構成を示す図である。モニター画面の例を示す図である。

符号の説明

１水中ロボット操縦システム
１０水中ロボット
２０電源・制御ユニット
２２制御装置
２３ジョイスティック装置
３０モニターユニット
３１表示兼入力装置（モニター）
４０水中位置表示ユニット
５３超音波ソナー
Ｃ１操縦制御手段
Ｃ１０ソナートラッキング制御手段
Ｃ１１ソナー画像表示手段
Ｃ１２タッチ位置検出手段
Ｃ１３方位算出手段
Ｃ１４自動方位回頭手段
Ｃ１５自動方位保持手段

Claims

遠隔操縦式の水中ロボット操縦方法において、水中ロボットに搭載した超音波ソナーにより得られた周囲の状況を、操縦側の表示兼入力装置のタッチパネル画面上に画像で表示し、該画像が映し出された前記タッチパネル画面上がタッチされた場合に、該タッチされた部分の画面上の位置から該タッチされた部分に相当する実際の方位を算定し、該方位に水中ロボットの進行方向を向けるよう自動的に姿勢を制御し、手動操作手段により水中ロボットの移動を行うことを特徴とする水中ロボット操縦方法。
遠隔操縦式の水中ロボット操縦システムにおいて、水中ロボットに搭載した超音波ソナーと、前記超音波ソナーにより得られた周囲の状況を画像でタッチパネル画面上に表示する表示兼入力装置と操縦制御手段を備えると共に、前記操縦制御手段が、前記超音波ソナーの探知結果を前記タッチパネル画面上に画像で表示するソナー画像表示手段と、前記画像を表示するタッチパネル画面上のタッチ位置を検出するタッチ位置検出手段と、前記タッチ位置から該タッチ位置に相当する実際の方位を算出する方位算出手段と、該算出した方位に水中ロボットの進行方向を向けるように自動制御する姿勢制御手段と、水中ロボットの移動を行う手動操作手段とを有して構成されることを特徴とする水中ロボット操縦システム。
前記算出した方位に水中ロボットの方向を自動的に保持する自動方位保持手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の水中ロボット操縦システム。
前記表示兼入力装置が、前記タッチパネル画面上の画像における水中ロボットの位置と方向を固定して表示することを特徴とする請求項１に記載の水中ロボット操縦方法。