JP6904895B2 - Position estimation device and position estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、位置推定装置、および、位置推定方法に関する。 The present invention relates to a position estimation device and a position estimation method.

3次元移動が可能な水中移動体の位置を検出する位置推定装置を水中移動体の内部に備えることにより、水中移動体が水中深く沈んで地上から目視できない場合でも、水中の移動制御を行いやすくすることができる。水中移動体は、例えば、3次元移動可能な水中検査装置を用いて原子炉内の構造物の検査作業を行う原子炉内検査システムに応用される。 By equipping the inside of the underwater moving body with a position estimation device that detects the position of the underwater moving body capable of three-dimensional movement, it is easy to control the movement underwater even when the underwater moving body is deeply submerged and cannot be seen from the ground. can do. The underwater moving body is applied to, for example, an in-reactor inspection system for inspecting structures in a nuclear reactor using an underwater inspection device capable of three-dimensional movement.

特許文献1には、水中移動体の水平位置を算出する位置推定装置の一例が記載されている。この位置推定装置は、任意の水平面で水中移動体から周囲の構造物までの距離をレーザ距離計や超音波距離計で計測することで当該水平面における当該構造物の形状を示す画像データ(測定画像)を作成する。次に、位置推定装置は、当該構造物の設計情報などから得られる当該水平面における当該構造物の形状を示す画像データであって、水平位置情報が付されている画像データ(記憶画像)を測定画像とマッチングすることで、自身の水平位置を特定する。 Patent Document 1 describes an example of a position estimation device that calculates the horizontal position of an underwater moving body. This position estimation device measures the distance from the underwater moving body to the surrounding structure on an arbitrary horizontal plane with a laser range finder or an ultrasonic range finder, and thus shows image data (measurement image) showing the shape of the structure on the horizontal plane. ) Is created. Next, the position estimation device measures image data (storage image) showing the shape of the structure in the horizontal plane obtained from the design information of the structure and the like, and has horizontal position information attached. By matching with the image, it identifies its own horizontal position.

特開2010−203888号公報JP-A-2010-203888

しかし、特許文献1に係る位置推定装置は、水中環境として清水環境下での利用を想定しており、濁水環境下での利用には向いていない。
まず、清水環境下では、水中でも視界が良好なため、レーザやカメラなどの光学センサが位置推定手段として利用できる。一方、濁水環境下では、光の吸収や散乱などの影響で減衰が生じるため、光学センサでは構造物までの距離を計測できない。
However, the position estimation device according to Patent Document 1 is assumed to be used in a fresh water environment as an underwater environment, and is not suitable for use in a muddy water environment.
First, in a fresh water environment, the field of view is good even underwater, so an optical sensor such as a laser or a camera can be used as a position estimation means. On the other hand, in a muddy water environment, the distance to the structure cannot be measured by the optical sensor because the attenuation occurs due to the influence of light absorption and scattering.

別の位置推定手段として、光学センサを用いる代わりに、超音波距離計を用いる例を検討する。超音波距離計では視界が悪い濁水環境下も超音波信号の影響は少ない。しかし、超音波信号では、減衰の影響を排除できるが、周辺構造物からの多重反射の影響や水温変化による音速変化の影響により距離計測誤差が発生し、位置推定精度が低下する恐れがある。 As another position estimation means, consider an example in which an ultrasonic rangefinder is used instead of using an optical sensor. With an ultrasonic rangefinder, the effect of ultrasonic signals is small even in a muddy water environment with poor visibility. However, in the ultrasonic signal, although the influence of attenuation can be eliminated, a distance measurement error may occur due to the influence of multiple reflections from surrounding structures and the influence of sound velocity change due to a change in water temperature, and the position estimation accuracy may decrease.

そこで、本発明は、濁水環境下での水中移動体の推定位置を高精度に求めることを、主な課題とする。 Therefore, the main object of the present invention is to obtain the estimated position of the underwater moving body in a muddy water environment with high accuracy.

前記課題を解決するために、本発明の位置推定装置は、以下の特徴を有する。
本発明は、水面に浮上している水中移動体の気中から所定の構造物の気中箇所に対して光学式の計測信号を照射することにより求まる前記所定の構造物までの距離情報と、前記水面に浮上している水中移動体の水中から前記所定の構造物の水中箇所に対して音響式の計測信号を照射してからその反射信号を受信するまでに要した時間情報とを元に求まる、水中における前記音響式の計測信号の伝搬速度である水中音速情報を記憶する音速情報記憶部と、
前記音響式の計測信号を照射することで前記水中移動体の周囲に形成されるスキャン平面の計測結果に前記音速情報記憶部の前記水中音速情報を反映して計測断面データを作成し、その作成した前記計測断面データと、前記水中移動体の現在位置の候補となる調査空間内の設計断面データと照合することにより、前記水中移動体の現在位置を求める移動***置算出部とを有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。
In order to solve the above problems, the position estimation device of the present invention has the following features.
The present invention provides distance information from the air of an underwater moving body floating on the water surface to the predetermined structure obtained by irradiating an aerial portion of the predetermined structure with an optical measurement signal. Based on the time information required from irradiating the underwater part of the predetermined structure with the acoustic measurement signal from the water of the underwater moving body floating on the water surface to receiving the reflected signal. A sound velocity information storage unit that stores underwater sound velocity information, which is the propagation velocity of the acoustic measurement signal in water,
By irradiating the acoustic measurement signal, the measurement cross-section data is created by reflecting the underwater sound velocity information of the sound velocity information storage unit on the measurement result of the scan plane formed around the underwater moving body, and the creation thereof. It has a moving body position calculation unit that obtains the current position of the underwater moving body by collating the measured cross-sectional data with the design cross-sectional data in the survey space that is a candidate for the current position of the underwater moving body. It is a feature.
Other means will be described later.

本発明によれば、濁水環境下での水中移動体の推定位置を高精度に求めることができる。 According to the present invention, the estimated position of the underwater moving body in a muddy water environment can be obtained with high accuracy.

本発明の一実施形態に関する水中調査システムの側面図である。It is a side view of the underwater investigation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する水中調査装置の斜視図である。It is a perspective view of the underwater investigation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する制御装置の構成図である。It is a block diagram of the control device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関するモニタの表示画面図である。It is a display screen view of the monitor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する制御装置による調査工程のメイン処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the main process of the investigation process by the control device about one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する図5の調査工程が行われたときの水中調査システムの側面図である。It is a side view of the underwater investigation system when the investigation process of FIG. 5 concerning one Embodiment of this invention was performed. 本発明の一実施形態に関するキャリブレーション処理の概要を示す側面図である。It is a side view which shows the outline of the calibration process which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関するキャリブレーション処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the calibration process which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する水中調査装置の操作と移動中の位置を推定する処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the operation of the underwater investigation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, and the process which estimates the position in movement. 本発明の一実施形態に関する水中調査装置の推定位置補正処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the estimated position correction processing of the underwater investigation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に関する水中調査装置の推定位置補正処理が行われる具体例を示す側面図である。It is a side view which shows the specific example in which the estimated position correction processing of the underwater investigation apparatus which concerns on one Embodiment of this invention is performed. 本発明の一実施形態に関する図11の推定位置の補正前後それぞれで用いられる撮像画像の一例を示す画像図である。It is an image diagram which shows an example of the captured image used before and after the correction of the estimated position of FIG. 11 concerning one Embodiment of this invention.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、水中調査システムの側面図である。なお、図1などの側面図は、水中調査システムの立体構造をY軸(Y+軸、Y−軸)と、Z軸(Z+軸、Z−軸)とからみたときの図である。これらの軸の定義は、図2の説明で明らかにする。 FIG. 1 is a side view of the underwater survey system. The side view of FIG. 1 and the like is a view when the three-dimensional structure of the underwater survey system is viewed from the Y-axis (Y + axis, Y-axis) and the Z-axis (Z + axis, Z-axis). The definitions of these axes will be clarified in the description of FIG.

この水中調査システムが適用される建屋1には、調査対象である水槽2が設置されている。建屋1の上部には作業員8の作業スペースであるフロア9がある。なお、水中調査装置3は、図1に示した建屋1内に設置された水槽2内の原子炉内検査だけでなく、ダムや河川の水中での構造物検査などの濁水環境下での水中移動体の位置推定に広く適用可能である。つまり、水槽2の外であるフロア9にいる作業員が水中調査装置3を直接目視できない濁水環境下でも、水中調査装置3の位置を把握することができる。 A water tank 2 to be surveyed is installed in the building 1 to which this underwater survey system is applied. At the top of the building 1, there is a floor 9 which is a work space for workers 8. The underwater survey device 3 is used not only for inspecting the inside of the reactor in the water tank 2 installed in the building 1 shown in FIG. It is widely applicable to the position estimation of moving objects. That is, the position of the underwater survey device 3 can be grasped even in a muddy water environment where the worker on the floor 9 outside the water tank 2 cannot directly see the underwater survey device 3.

水中調査システムは、水中調査装置3と、ケーブル4と、制御装置5と、モニタ6と、コントローラ7とを含めて構成される。
水中調査装置3は、水槽2内の壁面や構造物の目視検査に用いる水中移動体であり、その水中移動体自身の位置を推定するための位置推定用の各種デバイスを内部に備えている(詳細は図2)。
The underwater survey system includes an underwater survey device 3, a cable 4, a control device 5, a monitor 6, and a controller 7.
The underwater survey device 3 is an underwater moving body used for visual inspection of the wall surface and structures in the water tank 2, and is internally provided with various devices for position estimation for estimating the position of the underwater moving body itself ( Details are shown in Fig. 2).

制御装置5は、ケーブル4を介して水中調査装置3に接続される。制御装置5は、コンピュータであり、ハードウェアとして、各種プログラムを実行するための演算手段としてのCPU(Central Processing Unit)などの演算処理装置と、当該プログラムをはじめ各種データを記憶するための記憶手段としての記憶装置と、各装置と水中調査装置3に係る各センサなどへのデータおよび指示などの入出力制御を行うための入出力装置を備えている。記憶装置は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)およびフラッシュメモリなどの半導体メモリや、ハードディスクドライブなどの磁気記憶装置として構成される。 The control device 5 is connected to the underwater survey device 3 via the cable 4. The control device 5 is a computer, and as hardware, an arithmetic processing unit such as a CPU (Central Processing Unit) as an arithmetic means for executing various programs, and a storage means for storing various data including the program. It is provided with an input / output device for controlling input / output such as data and instructions to each device and each sensor related to the underwater survey device 3. The storage device is configured as, for example, a semiconductor memory such as a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory) and a flash memory, or a magnetic storage device such as a hard disk drive.

モニタ6は、制御装置5に接続され、水中調査装置3のカメラ画像を表示するとともに水中調査装置3の位置や姿勢などを表示する。
コントローラ7は、制御装置5に接続され、作業員8に水中調査装置3を操作させるために使用される。水槽2内の壁面や構造物の目視検査作業を行う場合、フロア9上の作業員8は、水槽2内に水中調査装置3を投入し、この水中調査装置3の位置や姿勢をモニタ6で確認しつつ、コントローラ7を操作する。
The monitor 6 is connected to the control device 5 and displays a camera image of the underwater survey device 3 and displays the position and posture of the underwater survey device 3.
The controller 7 is connected to the control device 5 and is used to allow the worker 8 to operate the underwater survey device 3. When visually inspecting the wall surface or structure in the water tank 2, the worker 8 on the floor 9 puts the underwater survey device 3 into the water tank 2 and monitors the position and posture of the underwater survey device 3 on the monitor 6. While checking, operate the controller 7.

図2は、水中調査装置3の斜視図である。なお、本明細書での座標系は、水中調査装置3の本体をもとにした、以下の右手座標系として定義される。
X軸は、水中調査装置3からみて左右の(筐体側面の)方向であり、右方をプラス側(X+軸)とし、左方をマイナス側(X−軸)とする。
Y軸は、水中調査装置3からみて前後の方向であり、前方をプラス側(Y+軸)とし、後方をマイナス側(Y−軸)とする。
Z軸は、水中調査装置3からみて垂直の(高さの)方向であり、下方をプラス側(Z+軸)とし、上方をマイナス側(Z−軸)とする。
以上の3軸は、互いに直交しているXYZ座標系である。なお、以下の説明では、XY平面上での水中調査装置3の位置を「水平位置」とし、Z軸での水中調査装置3の位置を「垂直位置」とする。例えば、水中調査装置3が前方に1m進んだ場合は水平位置は変化するが、垂直位置は変化しない。別の例で、水中調査装置3が下方に1m沈んだ場合は水平位置は変化しないが、垂直位置は変化する。
FIG. 2 is a perspective view of the underwater survey device 3. The coordinate system in the present specification is defined as the following right-handed coordinate system based on the main body of the underwater survey device 3.
The X-axis is the left-right (side surface of the housing) direction when viewed from the underwater survey device 3, and the right side is the plus side (X + axis) and the left side is the minus side (X-axis).
The Y-axis is in the front-rear direction when viewed from the underwater survey device 3, and the front side is the plus side (Y + axis) and the rear side is the minus side (Y-axis).
The Z-axis is the vertical (height) direction with respect to the underwater survey device 3, with the lower side being the plus side (Z + axis) and the upper side being the minus side (Z-axis).
The above three axes are XYZ coordinate systems that are orthogonal to each other. In the following description, the position of the underwater survey device 3 on the XY plane is referred to as a “horizontal position”, and the position of the underwater survey device 3 on the Z axis is referred to as a “vertical position”. For example, when the underwater survey device 3 advances 1 m forward, the horizontal position changes, but the vertical position does not change. In another example, when the underwater survey device 3 is sunk 1 m downward, the horizontal position does not change, but the vertical position does.

水中調査装置3は、水中調査用カメラ10と、画像取込部11と、調査装置側信号伝送部12と、慣性センサ部13と、超音波距離計17(音響式相対距離検出器)と、気中環境撮像用カメラ18と、レーザ距離計19(光学式相対距離検出器)と、圧力センサ20と、スラスタ21とを備える。
スラスタ21は、上方(Z−軸)、後方(Y−軸)、左方(X−軸)にそれぞれ設けられた推進機構である。3つのスラスタ21は、それぞれ、スクリューと、スクリューを正回転又は逆回転に駆動するモータ(図示せず)で構成されている。スラスタ21は、水中調査装置3に対して上下方向(Z軸)の推力、前後方向(Y軸)の推力、および、左右方向(X軸)の推力をそれぞれ付与する。すなわち、このスラスタ21により、水中調査装置3は水で満たされた3次元空間を自在に移動可能となっている。
The underwater survey device 3 includes an underwater survey camera 10, an image capture unit 11, a signal transmission unit 12 on the survey device side, an inertial sensor unit 13, an ultrasonic rangefinder 17 (acoustic relative distance detector), and the like. It includes an aerial environment imaging camera 18, a laser range finder 19 (optical relative distance detector), a pressure sensor 20, and a thruster 21.
The thruster 21 is a propulsion mechanism provided on the upper side (Z-axis), the rear side (Y-axis), and the left side (X-axis), respectively. Each of the three thrusters 21 is composed of a screw and a motor (not shown) that drives the screw in forward rotation or reverse rotation. The thruster 21 applies a thrust in the vertical direction (Z-axis), a thrust in the front-rear direction (Y-axis), and a thrust in the left-right direction (X-axis) to the underwater survey device 3, respectively. That is, the thruster 21 allows the underwater survey device 3 to freely move in a three-dimensional space filled with water.

慣性センサ部13は、水中調査装置3の姿勢(姿勢角)を検出するための姿勢角検出器であり、慣性センサ部13は、3軸ジャイロ14と、地磁気センサ15と、傾斜計16とを備える。
3軸ジャイロ14は、X軸、Y軸、およびZ軸周りの角速度をそれぞれ検出する角速度検出器である。
地磁気センサ15は、Z軸周りの角度(方位角)を検出する方位角検出器である。
傾斜計16は、X軸およびY軸周りの角度(傾斜角)を検出する傾斜角検出器である。
The inertial sensor unit 13 is an attitude angle detector for detecting the attitude (attitude angle) of the underwater survey device 3, and the inertial sensor unit 13 includes a 3-axis gyro 14, a geomagnetic sensor 15, and an inclination meter 16. Be prepared.
The 3-axis gyro 14 is an angular velocity detector that detects angular velocities around the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, respectively.
The geomagnetic sensor 15 is an azimuth detector that detects an angle (azimuth angle) around the Z axis.
The inclinometer 16 is an inclining angle detector that detects angles (inclination angles) around the X-axis and the Y-axis.

圧力センサ20は、水中調査装置3に作用する水圧を検出する垂直位置検出器であり、水中調査装置3の底面から外部に露出したセンサ部を有している。このセンサ部に作用する水圧を検出することで圧力を検出している。なお、圧力センサ20の設置の有無は、センサ部を外部から視認することで容易に確認できる。圧力センサ20で検出された圧力は、水槽2内における水中調査装置3の垂直位置(Z軸深度)の検出に用いられる。 The pressure sensor 20 is a vertical position detector that detects the water pressure acting on the underwater survey device 3, and has a sensor unit exposed to the outside from the bottom surface of the underwater survey device 3. The pressure is detected by detecting the water pressure acting on the sensor unit. Whether or not the pressure sensor 20 is installed can be easily confirmed by visually recognizing the sensor unit from the outside. The pressure detected by the pressure sensor 20 is used to detect the vertical position (Z-axis depth) of the underwater survey device 3 in the water tank 2.

水中調査用カメラ10は、本体の前方(Y+軸)に設けられ水槽2内の壁面や構造物などを撮像する。画像取込部11は、水中調査用カメラ10の画像を電子情報化する。
気中環境撮像用カメラ18は、水中調査装置3が水面上にいるときに気中部を撮像する。
The underwater survey camera 10 is provided in front of the main body (Y + axis) and images a wall surface or a structure in the water tank 2. The image capturing unit 11 converts the image of the underwater survey camera 10 into electronic information.
The aerial environment imaging camera 18 images the aerial portion when the underwater survey device 3 is on the water surface.

レーザ距離計19は、本体上部に取り付けられた光学式の相対距離検出器であり、例えば、レーザセンサまたはカメラである。レーザ距離計19は、それぞれ、レーザを投光する投光部と、投光したレーザを受光する受光部を有している。投光部は、走査装置によってZ軸周りに回転され、同一平面上(ここでは水平面上となる)にレーザを走査する。投光部より投光および走査されたレーザは周囲の構造物などに反射して受光部で受光される。レーザ距離計19は、レーザの投光時刻からその反射光の受光時刻までのレーザ飛行時間に基づいて周囲の構造物までの相対距離を測定している。 The laser range finder 19 is an optical relative distance detector attached to the upper part of the main body, for example, a laser sensor or a camera. Each of the laser rangefinders 19 has a light emitting unit that projects a laser and a light receiving unit that receives the projected laser. The light projecting unit is rotated around the Z axis by the scanning device and scans the laser on the same plane (here, on the horizontal plane). The laser projected and scanned from the light projecting unit is reflected by surrounding structures and is received by the light receiving unit. The laser range finder 19 measures the relative distance to the surrounding structure based on the laser flight time from the time when the laser is projected to the time when the reflected light is received.

超音波距離計17は、本体下部(底面)に取り付けられた音響式の相対距離検出器であり、例えば、超音波センサである。超音波距離計17も、基本原理はレーザ距離計19と同様であり、超音波の送信時間と受信時間の差と超音波が伝播する媒質(水)の音速から、構造物までの相対距離を算出する。
調査装置側信号伝送部12は、ケーブル4を介して、圧力センサ20、慣性センサ部13(3軸ジャイロ14、傾斜計16、地磁気センサ15)、超音波距離計17、レーザ距離計19からの検出信号と、画像取込部11からの画像信号とを制御装置5に出力する。
The ultrasonic rangefinder 17 is an acoustic relative distance detector attached to the lower part (bottom surface) of the main body, and is, for example, an ultrasonic sensor. The basic principle of the ultrasonic range finder 17 is the same as that of the laser range finder 19, and the relative distance to the structure is calculated from the difference between the ultrasonic transmission time and the reception time and the sound velocity of the medium (water) through which the ultrasonic waves propagate. calculate.
The signal transmission unit 12 on the investigation device side is transmitted from the pressure sensor 20, the inertial sensor unit 13 (3-axis gyro 14, tilt meter 16, geomagnetic sensor 15), ultrasonic distance meter 17, and laser distance meter 19 via the cable 4. The detection signal and the image signal from the image acquisition unit 11 are output to the control device 5.

制御装置5は、調査装置側信号伝送部12からの検出信号などに基づいて水中調査装置3の位置や姿勢を算出し、この算出した水中調査装置3の位置や姿勢をモニタ6に出力して表示している。また、制御装置5は、調査装置側信号伝送部12からの画像信号をモニタ6に出力して、水中調査用カメラ10の画像を表示している。
さらに、制御装置5は、コントローラ7からの操作信号に応じてスラスタ21を駆動制御する制御信号を生成し、この生成した制御信号をケーブル4および調査装置側信号伝送部12を介してスラスタ21に出力している。
The control device 5 calculates the position and orientation of the underwater survey device 3 based on the detection signal from the signal transmission unit 12 on the survey device side, and outputs the calculated position and posture of the underwater survey device 3 to the monitor 6. it's shown. Further, the control device 5 outputs an image signal from the survey device side signal transmission unit 12 to the monitor 6 to display an image of the underwater survey camera 10.
Further, the control device 5 generates a control signal for driving and controlling the thruster 21 in response to an operation signal from the controller 7, and the generated control signal is transmitted to the thruster 21 via the cable 4 and the investigation device side signal transmission unit 12. It is outputting.

図3は、制御装置5の構成図である。制御装置5は、水中調査装置3の位置および姿勢を算出するために、角速度算出部22と、角度算出部23と、姿勢角算出部24と、垂直位置算出部25と、音速補正処理部26と、音速情報記憶部27と、水平位置算出部28と、設計情報記憶部29と、位置・姿勢記憶部30とを有する。 FIG. 3 is a configuration diagram of the control device 5. In order to calculate the position and attitude of the underwater survey device 3, the control device 5 includes an angular velocity calculation unit 22, an angle calculation unit 23, an attitude angle calculation unit 24, a vertical position calculation unit 25, and a sound velocity correction processing unit 26. It has a sound velocity information storage unit 27, a horizontal position calculation unit 28, a design information storage unit 29, and a position / attitude storage unit 30.

角速度算出部22は、3軸ジャイロ14の角速度信号に基づきX軸、Y軸、およびZ軸周りの角速度をそれぞれ算出する。
角度算出部23は、傾斜計16の角度信号に基づきX軸およびY軸周りの傾斜角をそれぞれ算出するとともに、地磁気センサ15の角度信号に基づきZ軸周りの方位角を算出する。
姿勢角算出部24は、角速度算出部22が算出した角速度と、角度算出部23が算出した傾斜角および方位角とに基づき、水中調査装置3の姿勢角(3軸周りの姿勢角)を算出する。
垂直位置算出部25は、圧力センサ20の圧力信号に基づき水中における水中調査装置3の深度(垂直位置)を算出する。
The angular velocity calculation unit 22 calculates the angular velocities around the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis based on the angular velocity signals of the 3-axis gyro 14.
The angle calculation unit 23 calculates the inclination angles around the X-axis and the Y-axis based on the angle signal of the inclinometer 16, and also calculates the azimuth around the Z-axis based on the angle signal of the geomagnetic sensor 15.
The attitude angle calculation unit 24 calculates the attitude angle (attitude angle around three axes) of the underwater survey device 3 based on the angular velocity calculated by the angular velocity calculation unit 22 and the inclination angle and azimuth angle calculated by the angle calculation unit 23. do.
The vertical position calculation unit 25 calculates the depth (vertical position) of the underwater survey device 3 in water based on the pressure signal of the pressure sensor 20.

音速補正処理部26は、レーザ距離計19と超音波距離計17で検出された水中調査装置3の位置と、その水中調査装置3の周辺に位置する構造物データの位置との相対距離に基づいて、超音波の音速を補正する(詳細は図7)。
音速情報記憶部27は、音速補正処理部26の結果を保存するための記憶部であり、音速補正処理部26により補正された超音波の水中音速情報(以下、「補正音速」)が、補正時点の垂直位置に対応付けて保存される。
The sound velocity correction processing unit 26 is based on the relative distance between the position of the underwater survey device 3 detected by the laser range finder 19 and the ultrasonic range finder 17 and the position of the structure data located around the underwater survey device 3. Then, the sound velocity of the ultrasonic wave is corrected (details are shown in FIG. 7).
The sound velocity information storage unit 27 is a storage unit for storing the result of the sound velocity correction processing unit 26, and the underwater sound wave information of ultrasonic waves corrected by the sound velocity correction processing unit 26 (hereinafter, “corrected sound velocity”) is corrected. It is saved in association with the vertical position at the time.

水平位置算出部28は、計測断面データと設計断面データとのマップマッチング処理により、水中調査装置3の水平位置を算出する。
計測断面データは、水中調査装置3の周辺についての超音波距離計17の計測データを、音速情報記憶部27から読み出した補正音速を反映して断面化したデータである。
設計断面データは、設計情報記憶部29の構造物設計データの各位置について、仮想空間から断面化されたデータである。なお、計測断面データおよび設計断面データは、それぞれ姿勢角算出部24が出力する姿勢角と、垂直位置算出部25が出力する垂直位置とを反映してもよい。
設計情報記憶部29は、調査環境中の構造物設計データとして、各構造物の設置位置データを保存するための記憶部である。
The horizontal position calculation unit 28 calculates the horizontal position of the underwater survey device 3 by map matching processing between the measurement cross-section data and the design cross-section data.
The measurement cross-sectional data is data obtained by cross-sectioning the measurement data of the ultrasonic distance meter 17 about the periphery of the underwater survey device 3 by reflecting the corrected sound velocity read from the sound velocity information storage unit 27.
The design cross-section data is data cross-sectioned from the virtual space for each position of the structure design data of the design information storage unit 29. The measurement cross-section data and the design cross-section data may reflect the posture angle output by the posture angle calculation unit 24 and the vertical position output by the vertical position calculation unit 25, respectively.
The design information storage unit 29 is a storage unit for storing installation position data of each structure as structure design data in the survey environment.

位置・姿勢記憶部30は、姿勢角算出部24が出力する姿勢角と、垂直位置算出部25が出力する垂直位置と、水平位置算出部28が出力する水平位置とを保存するための記憶部である。位置・姿勢記憶部30に保存された各情報は、水中調査装置3の現在状態を示す情報としてモニタ6に送信され、画像取込部11で電子情報化された目視検査用の水中調査用カメラ10の映像とともに表示される。 The position / posture storage unit 30 is a storage unit for storing the posture angle output by the posture angle calculation unit 24, the vertical position output by the vertical position calculation unit 25, and the horizontal position output by the horizontal position calculation unit 28. Is. Each piece of information stored in the position / posture storage unit 30 is transmitted to the monitor 6 as information indicating the current state of the underwater investigation device 3, and is digitized by the image acquisition unit 11 for an underwater investigation camera for visual inspection. It is displayed with 10 images.

図4は、モニタ6の表示画面図である。表示画面120は、位置座標表示欄95と、水平位置画像表示欄96と、カメラ映像表示欄99を有している。 FIG. 4 is a display screen view of the monitor 6. The display screen 120 has a position coordinate display field 95, a horizontal position image display field 96, and a camera image display field 99.

位置座標表示欄95には、制御装置5の位置・姿勢記憶部30から読み込んだ水中調査装置3の現在位置が例えば絶対位置として表示される。水平位置画像表示欄96には、水中調査装置3が位置する垂直位置(XY座標)における水槽2内の水平断面画像とともに、水中調査装置3の水平位置を示すマーカ94が表示される。 In the position coordinate display field 95, the current position of the underwater survey device 3 read from the position / attitude storage unit 30 of the control device 5 is displayed as, for example, an absolute position. In the horizontal position image display field 96, a marker 94 indicating the horizontal position of the underwater survey device 3 is displayed together with a horizontal cross-sectional image in the water tank 2 at the vertical position (XY coordinates) where the underwater survey device 3 is located.

水平位置画像表示欄96における水槽2内の水平断面画像は、例えば、制御装置5における設計情報記憶部(図示せず)に記憶されている水槽2の形状データ(例えば、CADデータ)と、垂直位置算出部25で算出された水中調査装置3の垂直位置とを利用して描かれている。この水平断面画像は、水中調査装置3の垂直方向の移動に追従して随時変化する。
また、水平位置画像表示欄96には、水中調査装置3の投入位置(初期位置)をマーカ97でマークする機能や、水中調査装置3の移動軌跡98を表示又は非表示する機能が具備されている。
The horizontal cross-sectional image in the water tank 2 in the horizontal position image display field 96 is perpendicular to, for example, the shape data (for example, CAD data) of the water tank 2 stored in the design information storage unit (not shown) in the control device 5. It is drawn using the vertical position of the underwater survey device 3 calculated by the position calculation unit 25. This horizontal cross-sectional image changes at any time following the vertical movement of the underwater survey device 3.
Further, the horizontal position image display field 96 is provided with a function of marking the injection position (initial position) of the underwater survey device 3 with a marker 97 and a function of displaying or hiding the movement locus 98 of the underwater survey device 3. There is.

カメラ映像表示欄99は、水中調査装置3に搭載された水中調査用カメラ10の映像が表示される部分である。
なお、モニタ6は、図示しない他の表示画面に切り換えられるようになっており、位置・姿勢記憶部30から読み込んだ水中調査装置3の姿勢なども表示されるようになっている。このように構成された表示画面120によれば、作業員8は水槽2内のどこに水中調査装置3があるかを視覚的に把握しながら検査することができる。
The camera image display column 99 is a portion where the image of the underwater survey camera 10 mounted on the underwater survey device 3 is displayed.
The monitor 6 can be switched to another display screen (not shown), and the posture of the underwater survey device 3 read from the position / posture storage unit 30 is also displayed. According to the display screen 120 configured in this way, the worker 8 can inspect while visually grasping where in the water tank 2 the underwater survey device 3 is located.

このように、作業員8が自身の立ち位置からは目視できない各種情報を、表示画面120を介して的確に把握させるためには、水中調査装置3の現在状態(位置・姿勢記憶部30内の姿勢角と、垂直位置と、水平位置)が高精度に求まっている必要がある。そこで、図5からの説明では、水中調査装置3の現在状態を高精度に求める具体的な処理内容を説明する。 In this way, in order for the worker 8 to accurately grasp various information that cannot be seen from his / her standing position via the display screen 120, the current state of the underwater survey device 3 (in the position / posture storage unit 30). The posture angle, vertical position, and horizontal position) must be obtained with high accuracy. Therefore, in the description from FIG. 5, a specific processing content for obtaining the current state of the underwater survey device 3 with high accuracy will be described.

図5は、制御装置5による調査工程のメイン処理を示すフローチャートである。
S11は、超音波距離計17のキャリブレーション処理である。このキャリブレーション処理は、水中調査装置3が水面に浮上し、レーザ距離計19が気中部、超音波距離計17が水中部に位置するときに実行される。
S12は、水中調査装置3の操作処理と、その操作に従って移動中の水中調査装置3の位置推定処理である。作業員8がコントローラ7を操作して、水中部の水中調査装置3を操縦する。
S13は、水中調査装置3の推定位置の補正処理である。この補正処理は、水中調査装置3が水面に浮上し、気中環境撮像用カメラ18が気中部に位置するときに実行される。
FIG. 5 is a flowchart showing the main process of the investigation process by the control device 5.
S11 is a calibration process of the ultrasonic range finder 17. This calibration process is executed when the underwater survey device 3 floats on the water surface, the laser range finder 19 is located in the air, and the ultrasonic range finder 17 is located in the water.
S12 is an operation process of the underwater survey device 3 and a position estimation process of the underwater survey device 3 moving according to the operation. The worker 8 operates the controller 7 to operate the underwater survey device 3 in the underwater part.
S13 is a correction process for the estimated position of the underwater survey device 3. This correction process is executed when the underwater survey device 3 rises to the surface of the water and the aerial environment imaging camera 18 is located in the aerial portion.

図6は、図5の調査工程が行われたときの水中調査システムの側面図である。
位置401において、調査工程が開始されると、水中調査装置3が水面に浮上した状態で超音波距離計17のキャリブレーション処理(S11)が実行される。
位置401から位置402までは、水中調査装置3の操作処理(S12)により、水中調査装置3が水中部を移動(潜行)する。そして、位置402において、水中調査装置3の推定位置の累積誤差が増加してきたので、水中調査装置3は水面に向かって浮上を開始する。
位置403において、水中調査装置3が水面に浮上した状態で水中調査装置3の推定位置の補正処理(S13)が実行される。これにより、推定位置の累積誤差がリセットされ、水中調査装置3の位置精度が回復する。
FIG. 6 is a side view of the underwater survey system when the survey step of FIG. 5 is performed.
When the survey step is started at the position 401, the calibration process (S11) of the ultrasonic range finder 17 is executed with the underwater survey device 3 floating on the water surface.
From the position 401 to the position 402, the underwater survey device 3 moves (dive) in the underwater part by the operation process (S12) of the underwater survey device 3. Then, at the position 402, the cumulative error of the estimated position of the underwater survey device 3 has increased, so that the underwater survey device 3 starts ascending toward the water surface.
At the position 403, the correction process (S13) of the estimated position of the underwater survey device 3 is executed with the underwater survey device 3 floating on the water surface. As a result, the cumulative error of the estimated position is reset, and the position accuracy of the underwater survey device 3 is restored.

位置403から位置404までは、水中調査装置3の操作処理(S12)により、再び、水中調査装置3が水中部を移動(潜行)する。位置405において、再び水中調査装置3の推定位置の補正処理(S13)が実行される。
そして、位置405から位置406まで移動することで、水中調査装置3は構造物の亀裂などの欠陥箇所410を発見することで、調査工程を終了させる。
このように、S11,S12,S13は繰り返し実行される。なお、浮上位置403,405においても、初回の浮上位置401と同様に、キャリブレーション処理(S11)を実行してもよい。
From the position 403 to the position 404, the underwater survey device 3 moves (dive) again in the underwater part by the operation process (S12) of the underwater survey device 3. At the position 405, the correction process (S13) of the estimated position of the underwater survey device 3 is executed again.
Then, by moving from the position 405 to the position 406, the underwater investigation device 3 finds a defective portion 410 such as a crack in the structure, thereby ending the investigation process.
In this way, S11, S12, and S13 are repeatedly executed. At the levitation positions 403 and 405, the calibration process (S11) may be executed in the same manner as the initial levitation position 401.

図7は、キャリブレーション処理(S11)の概要を示す側面図である。
まず、音速補正処理部26は、レーザ距離計19から周囲の壁面などの構造物(の気中箇所)に対して、レーザ信号(第1測定用信号)を発射してから、その反射信号を受信するまでの時間をもとに気中距離Laを求める。
次に、音速補正処理部26は、水槽2の設計データ(例えば、壁面の曲率から求めた気中の壁面位置と水中の壁面位置との差分Lc)と、水中調査装置3の設計データ(例えば、レーザ距離計19の位置と超音波距離計17の位置との差分Ld)とをもとに、気中距離Laを水中距離Lbに修正する。なお、凹凸のない垂直な壁面の形状を頼りにキャリブレーション処理を行う場合は、差分Lc=0である。
FIG. 7 is a side view showing an outline of the calibration process (S11).
First, the sound velocity correction processing unit 26 emits a laser signal (first measurement signal) from the laser range finder 19 to a structure (in the air) such as a surrounding wall surface, and then emits the reflected signal. The aerial distance La is calculated based on the time until reception.
Next, the sound velocity correction processing unit 26 receives the design data of the water tank 2 (for example, the difference Lc between the wall surface position in the air and the wall surface position in the water obtained from the curvature of the wall surface) and the design data of the underwater survey device 3 (for example). Based on the difference Ld) between the position of the laser range finder 19 and the position of the ultrasonic range finder 17, the aerial distance La is corrected to the underwater distance Lb. When the calibration process is performed by relying on the shape of the vertical wall surface having no unevenness, the difference Lc = 0.

そして、音速補正処理部26は、超音波距離計17から周囲の壁面などの構造物(の水中箇所)に対して、超音波信号(第2測定用信号)を発射してから、その反射信号を受信するまでの音の伝搬時間(受信時刻−送信時刻)と、水中距離Lbとをもとに、超音波信号の水中環境下での音速情報を求める。水中環境下での音速情報は、気中環境下での音速情報を水中環境下で補正した音速情報とも言える。
このように、気中部と水中部で相対距離が異なる場合については、レーザ距離計19と超音波距離計17の水中調査装置3への設置位置関係を考慮して、レーザ距離計19の計測値を超音波距離計17の計測面での計測値になるように音速情報を求めればよい。
Then, the sound velocity correction processing unit 26 emits an ultrasonic signal (second measurement signal) from the ultrasonic range finder 17 to a structure (underwater portion) such as a surrounding wall surface, and then the reflected signal. Based on the sound propagation time (reception time-transmission time) until the reception of the ultrasonic signal and the underwater distance Lb, the sound velocity information of the ultrasonic signal in the underwater environment is obtained. The sound velocity information in the underwater environment can be said to be the sound velocity information obtained by correcting the sound velocity information in the aerial environment under the underwater environment.
In this way, when the relative distance is different between the aerial part and the underwater part, the measured value of the laser rangefinder 19 is taken into consideration in consideration of the positional relationship between the laser rangefinder 19 and the ultrasonic rangefinder 17 in the underwater survey device 3. The sound velocity information may be obtained so as to be the measured value on the measurement surface of the ultrasonic range finder 17.

図8は、音速補正処理部26が実行する超音波距離計17のキャリブレーション処理(S11)の詳細を示すフローチャートである。
S101は、水中調査装置3の初期位置入力処理である。
S102は、レーザ距離計19による構造物までの距離計測処理であり、気中部周辺構造物までの相対距離Laを計測する。
S103は、超音波距離計17による構造物までの距離計測処理であり、水中部周辺構造物までの相対距離Lbを計測する。
S104は、超音波距離計17の音速補正処理である。図7で説明したように、音速補正処理部26は、レーザ距離計19で計測した相対距離Laを真値として、超音波距離計17で計測した距離が実際の距離Lbと一致するように音速を逆算する。
S105は、S104で計算した音速補正情報を音速情報記憶部27に保存する処理である。
FIG. 8 is a flowchart showing the details of the calibration process (S11) of the ultrasonic range finder 17 executed by the sound velocity correction processing unit 26.
S101 is an initial position input process of the underwater survey device 3.
S102 is a distance measurement process to the structure by the laser range finder 19, and measures the relative distance La to the structure around the aerial part.
S103 is a distance measurement process to the structure by the ultrasonic range finder 17, and measures the relative distance Lb to the structure around the underwater part.
S104 is a sound velocity correction process of the ultrasonic range finder 17. As described with reference to FIG. 7, the sound velocity correction processing unit 26 uses the relative distance La measured by the laser range finder 19 as a true value, and the sound velocity so that the distance measured by the ultrasonic range finder 17 matches the actual distance Lb. Is calculated back.
S105 is a process of storing the sound velocity correction information calculated in S104 in the sound velocity information storage unit 27.

図9は、水中調査装置3の操作と移動中の位置を推定する処理(S12)の詳細を示すフローチャートである。
S201は、水平位置算出部28へのデータ入力処理である。水平位置算出部28は、設計情報記憶部29から調査環境の構造物設計情報を読み込み、音速情報記憶部27から音速補正情報を読み込む。
FIG. 9 is a flowchart showing the details of the operation of the underwater survey device 3 and the process of estimating the moving position (S12).
S201 is a data input process to the horizontal position calculation unit 28. The horizontal position calculation unit 28 reads the structure design information of the survey environment from the design information storage unit 29, and reads the sound velocity correction information from the sound velocity information storage unit 27.

S202は、姿勢角算出部24が慣性センサ(3軸ジャイロ14、地磁気センサ15、傾斜計16)の計測結果から、水中調査装置3の姿勢角を算出する処理である。S202の詳細を、以下の手順(1a)〜(5a)の順に説明する。
手順(1a)として、角速度算出部22は3軸ジャイロ14の角速度信号を取り込み、角度算出部23は傾斜計16および地磁気センサ15の角度信号を取り込む。
S202 is a process in which the attitude angle calculation unit 24 calculates the attitude angle of the underwater survey device 3 from the measurement results of the inertial sensors (3-axis gyro 14, geomagnetic sensor 15, tilt meter 16). The details of S202 will be described in the order of the following procedures (1a) to (5a).
As the procedure (1a), the angular velocity calculation unit 22 takes in the angular velocity signal of the 3-axis gyro 14, and the angle calculation unit 23 takes in the angle signal of the inclinometer 16 and the geomagnetic sensor 15.

手順(2a)として、角速度算出部22は、3軸ジャイロ14の角速度信号から各軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの角速度を算出する。
3軸ジャイロ14は、静電浮上型ジャイロであり、角速度に比例する増減値が基準電圧(一定の電圧値)に加えられた正の電圧値を出力する。そのため、まず3軸ジャイロ14の各軸(X軸、Y軸、Z軸)周りの測定信号に対し基準電圧を減じる基本処理を行う。
ここで、基準電圧は、通常、3軸ジャイロ14の固有スペックとして示されているが、本実施形態では、角速度信号が入力されないときの電圧値をあらかじめ計測して平均化したものを用いる。
その後、角速度算出部22は、基本処理がなされた測定信号に対して、電圧−角速度換算係数(3軸ジャイロ14の固有のスペックとして示される一定値)を乗じることで、各軸周りの角速度を算出する。
As the procedure (2a), the angular velocity calculation unit 22 calculates the angular velocity around each axis (X-axis, Y-axis, Z-axis) from the angular velocity signal of the 3-axis gyro 14.
The 3-axis gyro 14 is an electrostatic levitation type gyro, and outputs a positive voltage value in which an increase / decrease value proportional to the angular velocity is added to a reference voltage (constant voltage value). Therefore, first, a basic process of reducing the reference voltage for the measurement signals around each axis (X-axis, Y-axis, Z-axis) of the 3-axis gyro 14 is performed.
Here, the reference voltage is usually shown as a specific specification of the 3-axis gyro 14, but in the present embodiment, the voltage value when the angular velocity signal is not input is measured in advance and averaged.
After that, the angular velocity calculation unit 22 multiplies the measured signal that has undergone basic processing by a voltage-angular velocity conversion coefficient (a constant value shown as a unique specification of the 3-axis gyro 14) to obtain an angular velocity around each axis. calculate.

手順(3a)として、角度算出部23は、傾斜計16の角度信号から各軸(X軸、Y軸)周りの傾斜角を算出する。本実施の形態の傾斜計16は、封入された電解液の液面変化(X軸およびY軸周りの傾斜角)を電圧変化に変換して出力するものである。そのため、まず各軸(X軸、Y軸)周りの測定信号から基準電圧(傾斜計16の固有スペックとして示される一定の電圧値)を減じる基本処理を行う。
その後、角度算出部23は、基本処理がなされた測定信号に対して、傾斜角換算係数(傾斜計16の固有スペックとして示される一定値)を乗じることで、各軸周りの傾斜角を算出する。
As the procedure (3a), the angle calculation unit 23 calculates the inclination angle around each axis (X-axis, Y-axis) from the angle signal of the inclinometer 16. The inclinometer 16 of the present embodiment converts the liquid level change (tilt angle around the X-axis and the Y-axis) of the enclosed electrolytic solution into a voltage change and outputs the change. Therefore, first, the basic process of subtracting the reference voltage (a constant voltage value shown as the unique specifications of the inclinometer 16) from the measurement signals around each axis (X-axis, Y-axis) is performed.
After that, the angle calculation unit 23 calculates the inclination angle around each axis by multiplying the measurement signal that has undergone basic processing by the inclination angle conversion coefficient (a constant value shown as the unique specifications of the inclinometer 16.). ..

手順(4a)として、角度算出部23は、地磁気センサ15の角度信号からZ軸周りの方位角を算出する。本実施の形態の地磁気センサ15は、X軸方向およびY軸方向に感度を有するホール素子で捉えた磁力を出力するものである。そのため、まずX軸およびY軸の地磁気信号から基準電圧を減じ、ゲインを乗じる基本処理を行う。ここで、基準電圧およびゲインは、地磁気センサ15を使用する環境により異なるため、あらかじめ使用する領域で測定したものを用いる。
その後、角度算出部23は、基本処理がなされたX軸およびY軸の測定信号を用い、Z軸周りの方位角を算出する。
As the procedure (4a), the angle calculation unit 23 calculates the azimuth around the Z axis from the angle signal of the geomagnetic sensor 15. The geomagnetic sensor 15 of the present embodiment outputs the magnetic force captured by the Hall element having sensitivity in the X-axis direction and the Y-axis direction. Therefore, first, the reference voltage is subtracted from the X-axis and Y-axis geomagnetic signals, and the basic processing of multiplying the gain is performed. Here, since the reference voltage and the gain differ depending on the environment in which the geomagnetic sensor 15 is used, those measured in advance in the area to be used are used.
After that, the angle calculation unit 23 calculates the azimuth around the Z axis using the X-axis and Y-axis measurement signals that have undergone basic processing.

手順(5a)として、姿勢角算出部24は、手順(2a)〜(4a)で求めた各パラメータをカルマンフィルタ(この種のものとして公知のもの)に入力し、水中調査装置3の姿勢角(3軸周りの姿勢角)の最適値を推定する。入力される各パラメータとは、X軸、Y軸、およびZ軸周りの角速度、X軸およびY軸周りの傾斜角、Z軸周りの方位角である。
その後、姿勢角算出部24は、手順(5a)で推定した水中調査装置3の姿勢角を位置・姿勢記憶部30に記憶する。
As the procedure (5a), the attitude angle calculation unit 24 inputs each parameter obtained in the procedures (2a) to (4a) into the Kalman filter (known as this type), and the attitude angle (attitude angle) of the underwater survey device 3 ( Estimate the optimum value of the posture angle around the three axes). Each input parameter is an angular velocity around the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis, an inclination angle around the X-axis and the Y-axis, and an azimuth around the Z-axis.
After that, the posture angle calculation unit 24 stores the posture angle of the underwater survey device 3 estimated in the procedure (5a) in the position / posture storage unit 30.

S203は、圧力センサ20の計測結果から水中調査装置3の垂直位置(上下位置)を算出する処理である。S203の詳細を、以下の手順(1b)〜(3b)の順に説明する。
手順(1b)として、垂直位置算出部25は、まず圧力センサ20の圧力信号(検出電圧Vp)を取り込む。そして、垂直位置算出部25は、検出電圧Vpから基準電圧Vp_baseを減じた結果に、圧力換算係数Kv_pを乗じて圧力Pを算出する。
基準電圧Vp_baseは、圧力センサ20の固有スペックとして示される一定の電圧値である。
圧力換算係数Kv_pは、圧力センサ20の固有スペックとして示される一定値である。
S203 is a process of calculating the vertical position (vertical position) of the underwater survey device 3 from the measurement result of the pressure sensor 20. The details of S203 will be described in the order of the following procedures (1b) to (3b).
As the procedure (1b), the vertical position calculation unit 25 first captures the pressure signal (detection voltage Vp) of the pressure sensor 20. Then, the vertical position calculation unit 25 calculates the pressure P by multiplying the result of subtracting the reference voltage Vp_base from the detected voltage Vp by the pressure conversion coefficient Kv_p.
The reference voltage Vp_base is a constant voltage value indicated as a unique specification of the pressure sensor 20.
The pressure conversion coefficient Kv_p is a constant value shown as a unique specification of the pressure sensor 20.

手順(2b)として、垂直位置算出部25は、算出した圧力Pと水槽2内の水の密度ρと重力加速度gとを用い、水中調査装置3の深度Hを算出する。そして、垂直位置算出部25は、算出した深度Hに例えばフロア9から水面までの距離を加えて、水中調査装置3の垂直位置とする。
手順(3b)として、垂直位置算出部25は、算出した水中調査装置3の垂直位置を位置・姿勢記憶部30に記憶する。
As the procedure (2b), the vertical position calculation unit 25 calculates the depth H of the underwater survey device 3 by using the calculated pressure P, the density ρ of the water in the water tank 2, and the gravitational acceleration g. Then, the vertical position calculation unit 25 adds, for example, the distance from the floor 9 to the water surface to the calculated depth H to obtain the vertical position of the underwater survey device 3.
As the procedure (3b), the vertical position calculation unit 25 stores the calculated vertical position of the underwater survey device 3 in the position / attitude storage unit 30.

S204は、超音波距離計17の計測結果から構造物形状を算出する処理である。水平位置算出部28は、超音波距離計17で計測した構造物までの相対距離情報(走査角度と距離)を、S201で取得した音速補正情報を用いて補正する。
そして、水平位置算出部28は、補正した相対距離情報をスキャン平面上において構造物の表面(外形)が位置する座標値L(xL,yL)へ変換することで、構造物形状の計測断面データを作成する。計測断面データは、例えば、水中調査装置3周囲のXY平面をスキャン平面とし、立体的な構造物形状(例えば、配管)がスキャン平面に沿って切り出されたものである(例えば、配管の断面であるだ円形状)。
S204 is a process of calculating the structure shape from the measurement result of the ultrasonic range finder 17. The horizontal position calculation unit 28 corrects the relative distance information (scanning angle and distance) to the structure measured by the ultrasonic range finder 17 by using the sound velocity correction information acquired in S201.
Then, the horizontal position calculation unit 28 converts the corrected relative distance information into coordinate values L (xL, yL) at which the surface (outer shape) of the structure is located on the scan plane, so that the measurement cross-sectional data of the structure shape is obtained. To create. The measured cross-sectional data is, for example, a scan plane in which the XY plane around the underwater survey device 3 is used as a scan plane, and a three-dimensional structure shape (for example, a pipe) is cut out along the scan plane (for example, in the cross section of the pipe). There is a circular shape).

S205は、設計情報の設計断面データと、構造物形状の算出結果(計測断面データ)とから、調査装置の水平位置を算出する処理である。水平位置算出部28は、水中調査装置3の垂直位置および姿勢角に基づいて、設計情報記憶部29内に記憶されている設計情報(仮想空間)上で、水中調査装置3の水平位置の候補ごとの設計断面データを作成する。この作成される設計断面データは、水中調査装置3の垂直位置および姿勢角が反映される。
そして、水平位置算出部28は、特許文献1などに記載される断面形状データ間のマップマッチング法を利用して、設計断面データと計測断面データとを照合する。この照合処理により、計測断面データにマッチングする設計断面データの水平位置を、水中調査装置3の水平位置として採用する。
S205 is a process of calculating the horizontal position of the survey device from the design cross-section data of the design information and the calculation result (measured cross-section data) of the structure shape. The horizontal position calculation unit 28 is a candidate for the horizontal position of the underwater survey device 3 on the design information (virtual space) stored in the design information storage unit 29 based on the vertical position and the attitude angle of the underwater survey device 3. Create design cross section data for each. The created design cross-section data reflects the vertical position and attitude angle of the underwater survey device 3.
Then, the horizontal position calculation unit 28 collates the design cross-sectional data with the measured cross-sectional data by using the map matching method between the cross-sectional shape data described in Patent Document 1 and the like. By this collation processing, the horizontal position of the design cross-section data matching with the measurement cross-section data is adopted as the horizontal position of the underwater survey device 3.

S206として、水平位置算出部28は、S202で求めた水中調査装置3の姿勢角と、S203で求めた水中調査装置3の上下位置と、S206で求めた水中調査装置3の水平位置とを位置・姿勢記憶部30に保存する。 As S206, the horizontal position calculation unit 28 positions the posture angle of the underwater survey device 3 obtained in S202, the vertical position of the underwater survey device 3 obtained in S203, and the horizontal position of the underwater survey device 3 obtained in S206. -Save in the posture storage unit 30.

図10は、水中調査装置の推定位置補正処理(S13)の詳細を示すフローチャートである。
S301は、気中環境撮像用カメラ18の画像(実撮像画像)と、水中調査装置3の現在位置・姿勢(推定値)とを水平位置算出部28に入力する処理である。
S302は、水平位置算出部28が、S301の現在位置・姿勢における撮像画像を、設計情報を用いて推定する処理である。水平位置算出部28は、設計情報記憶部29の設計情報上で、水中調査装置3の推定位置・姿勢における仮想カメラ画像(推定撮像画像)を生成する。なお、設計情報上の仮想カメラの画角は、気中環境撮像用カメラ18に設定された画角と同じ値を設定すればよい。
S303は、水平位置算出部28が、S302の推定撮像画像とS301の実撮像画像とを比較して、画像内のずれ量(画素値)を算出する処理である。
FIG. 10 is a flowchart showing details of the estimated position correction process (S13) of the underwater survey apparatus.
S301 is a process of inputting an image of the aerial environment imaging camera 18 (actual image) and the current position / posture (estimated value) of the underwater survey device 3 into the horizontal position calculation unit 28.
S302 is a process in which the horizontal position calculation unit 28 estimates the captured image at the current position / posture of S301 using the design information. The horizontal position calculation unit 28 generates a virtual camera image (estimated captured image) at the estimated position / posture of the underwater survey device 3 on the design information of the design information storage unit 29. The angle of view of the virtual camera on the design information may be set to the same value as the angle of view set in the aerial environment imaging camera 18.
S303 is a process in which the horizontal position calculation unit 28 compares the estimated captured image of S302 with the actual captured image of S301 to calculate the amount of deviation (pixel value) in the image.

S304は、水平位置算出部28が、S303で算出されたずれ量をS301の現在位置・姿勢へ反映することで、S301の推定値を補正する処理である。
S305は、水平位置算出部28が、S304で補正された水中調査装置3の位置・姿勢補正結果を、現在位置・姿勢として位置・姿勢記憶部30に保存する処理である。
S304 is a process in which the horizontal position calculation unit 28 corrects the estimated value of S301 by reflecting the deviation amount calculated in S303 in the current position / posture of S301.
S305 is a process in which the horizontal position calculation unit 28 stores the position / posture correction result of the underwater survey device 3 corrected in S304 in the position / posture storage unit 30 as the current position / posture.

図11は、図10は、水中調査装置の推定位置補正処理が行われる具体例を示す側面図である。水中調査装置3の水平位置が、補正前の位置501から補正後の位置502へ、距離Lp分だけ前方(Y+方向)に補正されている。なお、この補正処理は、気中環境撮像用カメラ18の撮像画像に撮影される2つの特徴点(建屋1の天井の照明器具508,509)が手がかりとなった。 FIG. 11 is a side view showing a specific example in which the estimated position correction process of the underwater survey device is performed. The horizontal position of the underwater survey device 3 is corrected forward (Y + direction) by the distance Lp from the position 501 before the correction to the position 502 after the correction. The correction process was based on two feature points (lighting fixtures 508 and 509 on the ceiling of the building 1) captured in the captured image of the aerial environment imaging camera 18.

図12は、図11の推定位置の補正前後それぞれで用いられる撮像画像の一例を示す画像図である。
撮像画像510は、補正前の位置501を撮影位置としたS302の仮想カメラ画像である。撮像画像520は、補正後の位置502を撮影位置としたS303の実撮像画像である。
そして、2つの撮像画像510には、ともに照明器具508,509が撮影されているが、画像内の撮影された位置が互いに異なる。撮像画像510内では、照明器具508が画像内位置511に撮影され、照明器具509が画像内位置512に撮影されている。撮像画像520内では、照明器具508が画像内位置523に撮影され、照明器具509が画像内位置524に撮影されている。
FIG. 12 is an image diagram showing an example of the captured image used before and after the correction of the estimated position of FIG. 11.
The captured image 510 is a virtual camera image of S302 with the position 501 before correction as the shooting position. The captured image 520 is an actual captured image of S303 with the corrected position 502 as the shooting position.
The lighting fixtures 508 and 509 are both photographed in the two captured images 510, but the photographed positions in the images are different from each other. In the captured image 510, the luminaire 508 is photographed at the position 511 in the image, and the luminaire 509 is photographed at the position 512 in the image. In the captured image 520, the luminaire 508 is photographed at the position 523 in the image, and the luminaire 509 is photographed at the position 524 in the image.

制御装置5は、撮像画像510,520間で、互いに対応する特徴点(照明器具508,509)のずれ量Lqを算出する(S303)。例えば、撮像画像520内では、照明器具508の位置が、画像内位置521(画像内位置511と同じ位置)から右側にずれ量Lqだけずれた画像内位置523にずれている。照明器具509の位置も、画像内位置522(画像内位置512と同じ位置)から右側にずれ量Lqだけずれた画像内位置524にずれている。
制御装置5が、画像内のずれ量Lqから建屋1内のずれ量Lpを計算し、そのずれ量Lpを現在位置501に反映することで、補正後の現在位置502を求める(S304)。つまり、画像内で右側にずれているということは、水中調査装置3は実際には逆側である左側に存在するはずである。
The control device 5 calculates the deviation amount Lq of the feature points (lighting fixtures 508, 509) corresponding to each other between the captured images 510 and 520 (S303). For example, in the captured image 520, the position of the lighting fixture 508 is shifted to the position in the image 523, which is shifted to the right by the amount of shift Lq from the position 521 in the image (the same position as the position 511 in the image). The position of the luminaire 509 is also shifted to the position in the image 524, which is shifted to the right by the amount of shift Lq from the position 522 in the image (the same position as the position 512 in the image).
The control device 5 calculates the deviation amount Lp in the building 1 from the deviation amount Lq in the image, and reflects the deviation amount Lp in the current position 501 to obtain the corrected current position 502 (S304). That is, the fact that it is shifted to the right side in the image means that the underwater survey device 3 should actually exist on the left side, which is the opposite side.

以上説明した本実施形態では、3次元移動可能な水中移動体の位置を推定する制御装置5を説明した。水中調査装置3に搭載された位置測定用の各種センサを用いて水中調査装置3の位置を推定するときに、各種センサの得手不得手の状況をあらかじめ考慮し、各種センサの測定データを状況に応じて組み合わせることで、総合的な水中調査装置3の位置精度を向上させることが、本実施形態の主な特徴である。 In the present embodiment described above, the control device 5 for estimating the position of the underwater moving body that can move three-dimensionally has been described. When estimating the position of the underwater survey device 3 using various sensors for position measurement mounted on the underwater survey device 3, the strengths and weaknesses of the various sensors are considered in advance, and the measurement data of the various sensors is used as the situation. It is a main feature of this embodiment that the position accuracy of the comprehensive underwater survey device 3 is improved by combining the devices according to the requirements.

具体的には、気中で高精度な測定が可能な気中環境撮像用カメラ18やレーザ距離計19を用いるときには、水中調査装置3を浮上させる(図5のS11,S13)。一方、濁水環境下でも精度劣化が発生しづらい超音波距離計17を用いることで、水中調査装置3の水中時の位置を推定する(図5のS12)。この水中時の位置を推定する処理において、超音波距離計17のキャリブレーション処理(S11)で求めた音速補正情報を用いることで、濁水環境下での推定精度を向上させている。 Specifically, when the aerial environment imaging camera 18 or the laser range finder 19 capable of highly accurate measurement in the air is used, the underwater survey device 3 is levitated (S11, S13 in FIG. 5). On the other hand, the position of the underwater survey device 3 underwater is estimated by using the ultrasonic range finder 17 which is unlikely to cause deterioration in accuracy even in a muddy water environment (S12 in FIG. 5). In the process of estimating the position in water, the sound velocity correction information obtained in the calibration process (S11) of the ultrasonic rangefinder 17 is used to improve the estimation accuracy in a muddy water environment.

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。
また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the described configurations.
Further, it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration. Further, each of the above configurations, functions, processing units, processing means and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them by, for example, an integrated circuit.
Further, each of the above configurations, functions, and the like may be realized by software by the processor interpreting and executing a program that realizes each function.

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)などの記録装置、または、IC(Integrated Circuit)カード、SDカード、DVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
さらに、各装置を繋ぐ通信手段は、無線LANに限定せず、有線LANやその他の通信手段に変更してもよい。
Information such as programs, tables, and files that realize each function can be stored in memory, hard disks, recording devices such as SSDs (Solid State Drives), IC (Integrated Circuit) cards, SD cards, DVDs (Digital Versatile Discs), etc. Can be placed on the recording medium of.
In addition, the control lines and information lines indicate those that are considered necessary for explanation, and do not necessarily indicate all the control lines and information lines in the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected.
Further, the communication means for connecting each device is not limited to the wireless LAN, and may be changed to a wired LAN or other communication means.

1 建屋
2 水槽
3 水中調査装置(水中移動体)
4 ケーブル
5 制御装置(位置推定装置)
6 モニタ
7 コントローラ
8 作業員
9 フロア
10 水中調査用カメラ
11 画像取込部
12 調査装置側信号伝送部
13 慣性センサ部
14 3軸ジャイロ
15 地磁気センサ
16 傾斜計
17 超音波距離計
18 気中環境撮像用カメラ
19 レーザ距離計
20 圧力センサ
21 スラスタ
22 角速度算出部
23 角度算出部
24 姿勢角算出部
25 垂直位置算出部
26 音速補正処理部
27 音速情報記憶部
28 水平位置算出部(移動***置算出部)
29 設計情報記憶部
30 位置・姿勢記憶部
1 Building 2 Water tank 3 Underwater survey device (underwater moving body)
4 Cable 5 Control device (position estimation device)
6 Monitor 7 Controller 8 Worker 9 Floor 10 Underwater survey camera 11 Image capture section 12 Survey device side signal transmission section 13 Inertivity sensor section 14 3-axis gyro 15 Geomagnetic sensor 16 Tilt meter 17 Ultrasonic range meter 18 Aerial environment imaging Camera 19 Laser distance meter 20 Pressure sensor 21 Thruster 22 Angular velocity calculation unit 23 Angle calculation unit 24 Attitude angle calculation unit 25 Vertical position calculation unit 26 Sound velocity correction processing unit 27 Sound velocity information storage unit 28 Horizontal position calculation unit (moving body position calculation unit) )
29 Design information storage unit 30 Position / posture storage unit

Claims (6)

水面に浮上している水中移動体の気中から所定の構造物の気中箇所に対して光学式の計測信号を照射することにより求まる前記所定の構造物までの距離情報と、前記水面に浮上している水中移動体の水中から前記所定の構造物の水中箇所に対して音響式の計測信号を照射してからその反射信号を受信するまでに要した時間情報とを元に求まる、水中における前記音響式の計測信号の伝搬速度である水中音速情報を記憶する音速情報記憶部と、
前記音響式の計測信号を照射することで前記水中移動体の周囲に形成されるスキャン平面の計測結果に前記音速情報記憶部の前記水中音速情報を反映して計測断面データを作成し、その作成した前記計測断面データと、前記水中移動体の現在位置の候補となる調査空間内の設計断面データと照合することにより、前記水中移動体の現在位置を求める移動***置算出部とを有することを特徴とする
水中移動体の位置推定装置。
Distance information from the air of an underwater moving body floating on the water surface to the predetermined structure obtained by irradiating an aerial part of the predetermined structure with an optical measurement signal, and floating on the water surface. Underwater, which is obtained based on the time information required from the irradiation of the acoustic measurement signal to the underwater part of the predetermined structure from the water of the moving underwater moving body to the reception of the reflected signal. A sound velocity information storage unit that stores underwater sound velocity information, which is the propagation speed of the acoustic measurement signal, and a sound velocity information storage unit.
By irradiating the acoustic measurement signal, the measurement cross-section data is created by reflecting the underwater sound velocity information of the sound velocity information storage unit on the measurement result of the scan plane formed around the underwater moving body, and the creation thereof. It has a moving body position calculation unit that obtains the current position of the underwater moving body by collating the measured cross-sectional data with the design cross-sectional data in the survey space that is a candidate for the current position of the underwater moving body. A featured underwater moving object position estimation device.
前記移動***置算出部は、さらに、既に求めた現在位置における前記調査空間内の仮想カメラ画像と、前記水中移動体の気中を撮影した実撮像画像とを比較して、両画像内の撮影物のずれ量をもとに前記既に求めた現在位置を補正することを特徴とする
請求項1に記載の水中移動体の位置推定装置。
The moving body position calculation unit further compares the virtual camera image in the survey space at the already obtained current position with the actual captured image obtained by capturing the air of the underwater moving body, and captures images in both images. The position estimation device for an underwater moving body according to claim 1, wherein the current position already obtained is corrected based on the amount of displacement of the object.
前記移動***置算出部は、照合対象とする前記計測断面データおよび前記設計断面データそれぞれについて、前記水中移動体の圧力センサから求めた水中における前記水中移動体の深度情報と、前記水中移動体のジャイロセンサから求めた水中における前記水中移動体の姿勢角情報とを反映した断面データを用いることを特徴とする
請求項1に記載の水中移動体の位置推定装置。
The moving body position calculation unit obtains the depth information of the underwater moving body in water obtained from the pressure sensor of the underwater moving body and the depth information of the underwater moving body for each of the measured cross-section data and the design cross-section data to be collated. The position estimation device for an underwater moving body according to claim 1, wherein cross-sectional data reflecting the posture angle information of the underwater moving body in water obtained from a gyro sensor is used.
前記音速情報記憶部には、前記光学式の計測信号を照射するレーザセンサまたはカメラにより求まる前記所定の構造物までの前記距離情報を用いて計算された前記水中音速情報が記憶されることを特徴とする
請求項1に記載の水中移動体の位置推定装置。
The sound velocity information storage unit is characterized in that the underwater sound velocity information calculated by using the distance information to the predetermined structure obtained by a laser sensor or a camera that irradiates the optical measurement signal is stored. The position estimation device for an underwater moving body according to claim 1.
前記音速情報記憶部には、前記音響式の計測信号を照射する超音波センサから求まる前記時間情報を用いて計算された前記水中音速情報が記憶されることを特徴とする
請求項1に記載の水中移動体の位置推定装置。
The first aspect of claim 1, wherein the sound velocity information storage unit stores the underwater sound velocity information calculated by using the time information obtained from the ultrasonic sensor that irradiates the acoustic measurement signal. An underwater moving object position estimation device.
水中移動体の位置推定装置は、音速情報記憶部と、移動***置算出部とを有しており、
前記音速情報記憶部には、水面に浮上している前記水中移動体の気中から所定の構造物の気中箇所に対して光学式の計測信号を照射することにより求まる前記所定の構造物までの距離情報と、前記水面に浮上している水中移動体の水中から前記所定の構造物の水中箇所に対して音響式の計測信号を照射してからその反射信号を受信するまでに要した時間情報とをもとに求まる、水中における前記音響式の計測信号の伝搬速度である水中音速情報が記憶され、
前記移動***置算出部は、前記音響式の計測信号を照射することで前記水中移動体の周囲に形成されるスキャン平面の計測結果に前記音速情報記憶部の前記水中音速情報を反映して計測断面データを作成し、その作成した前記計測断面データと、前記水中移動体の現在位置の候補となる調査空間内の設計断面データと照合することにより、前記水中移動体の現在位置を求めることを特徴とする
位置推定方法。
The position estimation device for the underwater moving body has a sound velocity information storage unit and a moving body position calculation unit.
In the sound velocity information storage unit, from the air of the underwater moving body floating on the water surface to the predetermined structure obtained by irradiating the air portion of the predetermined structure with an optical measurement signal. Distance information and the time required from the irradiation of the acoustic measurement signal from the water of the underwater moving body floating on the water surface to the underwater part of the predetermined structure to the reception of the reflected signal. Underwater sound velocity information, which is the propagation velocity of the acoustic measurement signal in water, which is obtained based on the information, is stored.
The moving body position calculation unit measures by reflecting the underwater sound velocity information of the sound velocity information storage unit on the measurement result of the scan plane formed around the underwater moving body by irradiating the acoustic measurement signal. By creating cross-section data and collating the created measurement cross-section data with the design cross-section data in the survey space that is a candidate for the current position of the underwater moving body, the current position of the underwater moving body can be obtained. Characteristic position estimation method.
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