JP7509289B2 - 建設機械の水中制御システム - Google Patents

Description

本発明は、水中で作業を行う建設機械を制御するための、建設機械の水中制御システムに関する。

従来より、海洋工事や護岸工事において、水中で作業を行うダイバーの作業性及び安全性を確保することが課題となっており、例えば、特許文献１では、ダイバーが水中で建設作業を行う機械を操作する際の、支援を行う水中作業支援システムが開示されている。

具体的には、水中で作業する機械に可視光受信部を設ける一方で、水中作業員が装備する水中作業員用機器に可視光送信部を設け、水中作業員による機械の操作を水中可視光通信により実施するものである。これにより、水中作業員は、機械との間に十分な距離を確保することができるため、機械との接触・挟まれ災害や、配線に絡まるなどの機械への巻き込まれ災害を低減することができる。

特開２０１６－７８７９１号公報

しかし、水中可視光通信による機械の操作は、通信状況が水中の濁度等に依存しやすく、水中が濁っている場合には通信可能な距離が著しく短くなる。このような状況下で作業を行うには、水中作業員が機械に接近して操作せざるを得ず、水中作業員の安全性を確保することが困難となる。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、水中で作業を行う建設機械を無線通信技術を利用して制御する際の通信安定性を確保することの可能な、建設機械の水中制御システムを提供することである。

かかる目的を達成するため、本発明の建設機械の水中制御システムは、水中で作業を行う建設機械を水中音響通信を利用して制御するための、建設機械の水中制御システムであって、前記建設機械に対して、「右回転」「左回転」「停止」「ニュートラル」のうちのいずれか１つの指令情報を音波として直接発信する指令情報発信装置と、該指令情報発信装置から、前記音波として発信された前記指令情報を受信し、該指令情報に基づいて前記建設機械の動作を制御する機械制御装置と、を備え、該機械制御装置が前記建設機械に装備されるとともに、該建設機械が水中吊荷旋回装置であり、前記音波が、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲内で周波数帯域を異ならせて複数設定されており、複数の該音波各々で、同一の前記指令情報を発信し、前記指令情報発信装置に、水中雑音を検知する雑音検知部を設け、検知した前記水中雑音とは異なる周波数帯域を使用して前記音波を発信することを特徴とする。

本発明の建設機械の水中制御システムによれば、無線通信技術として水中音響通信を利用することから、水質等に依存することなく様々な水環境の作業現場であっても、建設機械を安定して制御できる。したがって、例えば濁度の高い水中であっても、ダイバー等の水中作業員は、建設機械との間に一定距離を保持しつつ安全に、水中で作業する建設機械の制御を行うことが可能となる。

また、一般に、水中音響通信で使用される３０～４０ｋＨｚ程度の可聴域を超える超音波を使用する場合と比較して、ドップラーシフトと称される送波器と受波器との間で生じる相対的な速度差に起因して周波数帯域が変化する現象や、マルチパスフェージングと称される音波の受信強度が変動する現象が生じやすい水環境下にあっても、その影響を最小限にとどめることができ、水中音響通信の安定性を向上することが可能となる。

さらに、指令情報発信装置は、少なくとも指令情報を発信する送波器を水中に配置すれば、建設機械に設けた機械制御装置との間で水中音響通信を行うことができるから、現場作業員は、水中でなくとも船上や陸上にいながら、建設機械を制御するための指令情報を指令情報発信装置に入力できる。したがって、ダイバー等の水中作業員による潜水作業時間を削減する、もしくは水中作業員の省人化を図るなど、現場作業員の作業性及び安全性を向上することが可能となる。

本発明の建設機械の水中制御システムによれば、同一の指令情報を、搬送波周波数帯域が異なる複数の搬送波各々で搬送するため、受信する際には、上記のドップラーシフトやマルチパスフェージングといった様々な現象や、水中雑音等による影響の最も少ないものを選択して受信し、指令情報を得ることができ、通信安定性をより向上して、確実に建設機械を制御することが可能となる。

本発明の建設機械の水中制御システムによれば、雑音検知部で検知した水中雑音の周波数情報に基づいて、水中雑音もしくはその高調波の周波数成分のいずれにも該当しない周波数帯域に属するものを、搬送波として選択できる。したがって、水中音響通信の障害となる様々な水中雑音のうち、少なくとも周波数情報が取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除でき、水中音響通信の安定性をより向上することが可能となる。

本発明によれば、搬送波周波数帯域が１００Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲、好ましくは、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲に設定された搬送波を用いた水中音響通信を利用するから、様々な水環境の作業現場であっても水中音響通信の安定性を確保でき、水中で作業を行う建設機械を安全に制御することが可能となる。

本発明の実施の形態における水中制御システムを利用して水中吊荷旋回装置を制御する様子を示す図である。 本発明の実施の形態における建設機械の水中制御システムの概略を示す図である。 本発明の実施の形態における指令情報の搬送に複数の搬送波を用いる事例を示す図である。 本発明の実施の形態における指令情報の発信する際のフローを示す図である。 本発明の実施の形態における水中制御システムにおける通信距離と受信レベルの減衰量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における水中制御システムを利用して水中吊荷旋回装置を制御する際の他の事例示す図である。

本発明の水中制御システムは、海洋や河川もしくは湖沼等、いずれの水環境にも採用可能であるが、本実施の形態では、海洋で採用する場合を事例に挙げ、建設機械の水中制御システムの詳細を、図１～図６を参照して説明する。

また、水中で作業する建設機械もなんら限定するものではないが、本実施の形態では、水中吊荷旋回装置を採用することとし、この水中吊荷旋回装置を利用して、海中土木工事のうちの１つであるコンクリートブロックの据付け工事を実施する場合を事例に挙げる。

図１で示すように、海底に据付け予定のコンクリートブロックＢは、水中吊荷旋回装置５０を介して、起重機船６０に搭載されたクレーン６１により水中に吊り下げられている。

水中吊荷旋回装置５０は、海底にテトラポッドや根固めブロック等のコンクリートブロックＢを据付けるにあたり、吊持された態様のコンクリートブロックＢの、旋回による方向転換や姿勢保持等の姿勢制御、及び位置決め時の微調整等を水中にて行うための装置である。なお、水中吊荷旋回装置５０による姿勢制御の原理は、特許第５９７０９４６号公報を参照されたい。

上述の水中吊荷旋回装置５０は、外殻５１の上面に、起重機船６０のクレーン６１から垂下されたワイヤー６２を装着するためのシャックル５２が、また、外殻５１の下面に、コンクリートブロックＢを吊持するための吊り治具５３が、それぞれ備えられている。これにより水中吊荷旋回装置５０は、吊り治具５３にてコンクリートブロックＢを吊持した状態で、シャックル５２に装着されたワイヤー６２を介して水中に垂下される。

そして、コンクリートブロックＢを海底に据付ける際には、ダイバー等の水中作業員Ｄによる目視により、もしくは海中に配備した監視用カメラ等により、コンクリートブロックＢの位置や姿勢を確認しながら、水中吊荷旋回装置５０を旋回させることによりコンクリートブロックＢの方向転換等の姿勢制御を行う。

こうして、コンクリートブロックＢの姿勢制御や位置決めの微調整を行ったのち、クレーン６１のオペレーターが、ワイヤー６２を繰り出して水中吊荷旋回装置５０およびコンクリートブロックＢを降下させ、コンクリートブロックＢを海底に据付ける。

このような、水中作業によるコンクリートブロックＢの据付け工事において、水中吊荷旋回装置５０の制御は、ダイバー等の水中作業員Ｄもしくは起重機船６０で乗務中の水上作業員Ｓが、水中制御システム１００を利用して水中音響通信により行う。

以下に、水中吊荷旋回装置５０を操作する現場作業員が、図１で示すように、起重機船６０で乗務中の水上作業員Ｓである場合を事例に挙げ、水中制御システム１００について詳細を説明する。

≪水中制御システム≫
図１及び図２で示すように、水中制御システム１００は、水上作業員Ｓが水中吊荷旋回装置５０に対する指令情報Ｍを、音波として発信する指令情報発信装置１０と、この音波を受信し、指令情報Ｍに基づいて水中吊荷旋回装置５０を制御する機械制御装置２０と、を備える。

＜指令情報発信装置＞
指令情報発信装置１０は、図２で示すように、指令入力部１１、発振部１２、搬送波選択部１３、変調部１４、アンプ１５、及び送波器１６を備える。なお、雑音検知部１９については、後述する。

指令入力部１１は、コンクリートブロックＢの姿勢制御を行うべく水上作業員Ｓが、水中吊荷旋回装置５０の動作指令を入力する入力部を備えている。入力部はいずれでもよいが、例えば、ディスプレイを備えて置き、ディスプレイ上に表示された「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」等、少なくとも４つの動作指令に係る選択メニューの中から、水上作業員Ｓが適宜選択操作を行うことにより、水中吊荷旋回装置５０の動作指令を入力することができるようにするとよい。

また、指令入力部１１は、入力部より入力された動作指令をデジタル信号化する機能を有しており、水上作業員Ｓによる動作指令を、ベースバンド信号となる指令情報Ｍに変換し、無線接続または有線接続された変調部１４に出力する。

発振部１２は、搬送波Ｃとして使用する基準波Ｗを複数作成し、これらを無線接続または有線接続された搬送波選択部１３に出力する。複数の基準波Ｗについて詳細は後述するが、図３で示すように、それぞれが周波数帯域をずらすようにして作成されている。これら基準波Ｗが搬送波Ｃとして選択されると、基準波Ｗの周波数帯域は、搬送波Ｃの搬送波周波数帯域となる。

搬送波選択部１３は、複数の基準波Ｗの中から搬送波Ｃとして使用するものを２つ以上選択し、無線接続または有線接続された変調部１４に出力する。本実施の形態では、受信方式に、複数の異なる周波数で送信された信号を受信する周波数ダイバーシティ技術を適用することを考慮し、選択する搬送波Ｃの数量を２つ以上としている。

よって、搬送波Ｃの数量は、複数であれば例えば、作成した基準波Ｗのすべてを搬送波Ｃとして採用してもよい。なお、周波数ダイバーシティ技術を利用した受信方式については、機械制御装置２０と併せて説明する。

変調部１４は、搬送波選択部１３から入力された２つ以上の搬送波Ｃ各々に、指令入力部１１から入力された指令情報Ｍを混合するいわゆる変調を行って、周波数帯域の異なる複数の変調波Ｍｗを形成し、無線接続または有線接続されたアンプ１５に出力する。変調方式としては、搬送波Ｃの周波数及び振幅を変化させることなく、位相を変化させることで変調するＢＰＳＫ（２値位相偏移変調）方式を採用する。

上記の構成により、変調部１４から出力された同一の指令信号Ｍを搬送する複数の変調波Ｍｗは、アンプ１５で増幅されたのちに、送波専用トランスデューサである送波器１６によりＤ/Ａ変換されて、音波として海中に発信される。これら、複数の変調波Ｍｗ各々に基づく複数種類の音波は、それぞれ時間差を設けて発信してもよいし、全てを合成して同時に発信してもよい。

なお、送波器１６より発信される音波は、変調波ＭｗをＤ/Ａ変換したものであり、変調波Ｍｗは、搬送波ＣをＢＰＳＫ方式で変調したものであるから、その周波数帯域は、搬送波Ｃと同じ周波数帯域となる。

なお、送波器１６は、図１で示すように、浮き６３を利用して水中に吊り下げてもよいし、起重機船６０より直接水中に吊り下げてもよい。また、指令入力部１１、変調部１４、発振部１２、搬送波選択部１３及びアンプ１５は、起重機船６０に搭載しておくとよい。また、本実施の形態では、アンプ１５と送波器１６とを有線接続しているが、無線接続であってもよい。

さらに、指令情報発信装置１０は、図２で示すように、海中雑音Ｎを検知・解析するための雑音検知部１９を備えている。雑音検知部１９は、ノイズ集音用受波器１７、ウェーブレット変換部１８と、を備えている。なお、海中雑音Ｎとは例えば、船舶のエンジン音や通過音等の人工的な騒音や、海底の地殻変動や渦等により生じる自然発生音等、海中で生じるものであって水中無線通信では海中ノイズとして取り扱わられるあらゆる雑音を指す。

ノイズ集音用受波器１７は、受波専用トランスデューサを採用し、図１で示すように、送波器１６とともに浮き６３を利用して水中に吊り下げられて、もしくは、起重機船６０より直接水中に吊り下げられている。このように設置されるノイズ集音用受波器１７は、図２で示すように、海中雑音Ｎを集音し、Ａ／Ｄ変換して有線接続もしくは無線接続されたウェーブレット変換部１８に出力する。

ウェーブレット変換部１８は、入力された海中雑音Ｎから時間情報（例えば、海中雑音Ｎの発生場所）と周波数情報Ｎｆを取得し、少なくとも周波数情報Ｎｆを有線接続もしくは無線接続された搬送波選択部１３に出力する。

すると、搬送波選択部１３は、発振部１２から入力された複数の基準波Ｗ各々のうち、周波数情報Ｎｆから取得した海中雑音Ｎもしくはその高調波の周波数成分のいずれとも異なる周波数帯域に属するものを、搬送波Ｃとして適宜選択し、これを変調部１４に出力する。

これにより、水中制御システム１００を利用して水中吊荷旋回装置５０を制御するにあたって、水中音響通信の障害となる様々な海中雑音Ｎのうち、少なくとも雑音検知部１９にて周波数情報Ｎｆが取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除することができる。

＜機械制御装置＞
一方、機械制御装置２０は、図１で示すように、水中吊荷旋回装置５０の外殻５１に設置されており、その構成は、図２で示すように、受波器２１、周波数ダイバーシティ部２２、アンプ２３、復調部２４、及び制御部２５を備える。

受波器２１は、海中の様々な音波を集音し、Ａ／Ｄ変換して入力電気信号Ｍｓ’とする受波専用トランスデューサであり、本実施の形態では、可聴域に対応可能なハイドロフォンを採用している。これら受波器２１で集音する音波は、送波器１６から発信された、複数の変調波Ｍｗに基づく複数種類の音波に加えて、前述した様々な海中雑音Ｎが含まれている。

また、送波器１６から発信した音波であっても、海中雑音Ｎや海中で生じる様々な現象を受けて、音波が崩れている場合が想定される。なお、様々な現象とは、例えば、ドップラーシフトやマルチパスフェージングと称される現象が挙げられる。

ドップラーシフトとは、海中に配置された送波器１６と受波器２１の間で、波や潮流等に起因する揺れにより生じる相対的な速度差により、送波器１６から発信された音波を受波器２１で受信した際に、音波の周波数帯域が変化している現象である。また、マルチパスフェージングは、送波器１６から発信された音波を受波器２１で受信した際、受信強度が変動した現象である。

つまり、送波器１６から発信された音波は、直進する経路をたどって受波器２１に到達するものに加えて、図１で示すように、海面や海底もしくは護岸Ｒ等の構造物で反射・回折する経路をたどって受波器２１に到達するものも、複数存在する。マルチパスフェージングはこれにより生じる現象であり、複数の伝搬経路を経た音波どうしが干渉しあって、受信強度を大小に変動させる。

したがって、Ａ／Ｄ変換した入力電気信号Ｍｓ’をそのまま復調しても、指令情報Ｍを精度よく抽出できない場合が想定される。そこで、本実施の形態では、受波器２１で受信した入力電気信号Ｍｓ’を、有線接続もしくは無線接続された周波数ダイバーシティ部２２に出力する。

周波数ダイバーシティ部２２は、搬送波選択部１３で選択された複数の搬送波Ｃ各々の搬送波周波数帯域、及び搬送波Ｃ各々の高調波（基本周波数の波形に対し、その整数倍の周波数の波形をいう）の周波数帯域を利用して、入力された入力電気信号Ｍｓ’の質を連続的に解析する。そして、入力電気信号Ｍｓ’のうち、搬送波Ｃもしくはその高調波に由来するものとして最も信頼できる信号を、変調波Ｍｗもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Ｍｓとして抽出し、有線接続もしくは無線接続されたアンプ２３に出力する。

また、周波数ダイバーシティ部２２では、搬送波Ｃの搬送波周波数帯域及び搬送波Ｃの高調波の周波数帯域に対して、ドップラーシフトが生じた際に想定されるシフト量に応じた幅を持たせ、これを利用して電気信号Ｍｓの質を連続的に解析する。

これにより、送波器１６より送信した複数種類の音波のうち、海中雑音Ｎやマルチパスフェージング等の現象による影響を受けて、いずれかが崩れた状態にある場合、もしくはドップラーシフトに起因して周波数帯域が変化した場合等、いずれにあっても、受波器１で受信した音波の中から、変調波Ｍｗもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Ｍｓを、取得することが可能となる。

アンプ２３は、変調波Ｍｗもしくはその高調波に相当する処理済電気信号Ｍｓを増幅して、有線接続もしくは無線接続された復調部２４に出力する。復調部２４は、増幅された処理済電気信号Ｍｓを復調し、指令入力部１１で入力された動作指令に係る指令情報Ｍを取得して、有線接続もしくは無線接続された制御部２５に出力する。制御部２５は、復調部２４で抽出された指令情報Ｍに基づいて、水中吊荷旋回装置５０の動作を制御する。

こうして水中制御システム１００は、水中音響通信技術を利用して、指令情報発信装置１０に入力された水中吊荷旋回装置５０に対する水上作業員Ｓの動作指令を指令情報Ｍとして海中に発信し、また、これを機械制御装置２０で受信することにより、水中吊荷旋回装置５０の動作を指令情報Ｍに基づいて制御することが可能となる。

≪水中制御システムを用いた水中吊荷旋回装置の制御方法≫
上記の構成を有する水中制御システム１００を用いて、水中吊荷旋回装置５０を制御する際の具体的な手順を、以下に説明する。

まず、水中吊荷旋回装置５０を制御するにあたって実施する準備工程を、図２及び図３を参照しつつ説明するが、本実施の形態では、搬送波Ｃの候補となる基準波Ｗを８つ準備する場合を事例に挙げることとする。

図３で示すように、可聴域内（一般に、２０Ｈｚから２０ｋＨｚの間）における所定の範囲から、周波数帯域が異なる例えば８個の基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・、Ｗ８）を作成するよう、指令情報発信装置１０の発振部１２を設定しておく。

本実施の形態では、のちにＢＰＳＫ方式で変調され音波として発信される搬送波Ｃに使用される基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗ８）の周波数帯域、つまりは搬送波周波数帯域を、可聴域のなかでも１００Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲で作成することが好ましい。

これは、２０ｋＨｚを超えると、魚群探知や海底地形計測等で採用されている周波数帯域と錯綜しやすく、また、１００Ｈｚを下回ると、波長が長いことに起因してデータ送信に長時間を要することから、水中音響通信に不適であるだけでなく、長時間通信により送波器１６の破損を生じさせやすく、機械的にも不利となりやすいことに起因する。

なお、ＢＰＳＫ方式で変調され音波として発信される搬送波Ｃの搬送波周波数帯域の設定範囲は、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下がより好ましい。

これは、１０ｋＨｚを超えると、前述したドップラーシフトによる影響を受けやすく、送波器１６と受波器２１との間に生じる相対的な速度差が微小な場合にも、周波数の変化量（シフト量）が大きくなる。このような場合、機械制御装置２０の受波器２１で集音した音波の入力電気信号Ｍｓ’から、変調波Ｍｗもしくはその変調波に相当する処理済電気信号Ｍｓを抽出する作業が煩雑で、水中制御システム１００における無線通信の安定性確保が困難となりやすい。

また、１０ｋＨｚを超えると、前述したマルチパスフェージングと称される受信強度の変動が生じやすく、送波器１６から発信された音波を、受波器２１で受信できない事態が生じやすい。一方、１００Ｈｚ～５００Ｈｚの周波数帯域は、船舶のエンジン音等の海中雑音と錯綜しやすいことに起因する。

このため、本実施の形態では図３で示すように、発振部１２において、１００Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲のなかでも、特に好適な５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲から所定の帯域幅でチャンネル化した基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗ８）を、８つ形成する。なお、基準波Ｗの帯域幅はいずれでもよいが、搬送波周波数帯域の帯域幅として、１～２ｋＨｚ程度が好ましいことから、本実施の形態では事例として、基準波Ｗに１ｋＨｚの帯域幅を持たせている。

上記の準備工程が終了した後、水上作業員Ｓが指令情報発信装置１０から機械制御装置２０に向けて、指令情報Ｍを音波として発信する。以下にその手順を、図４のフローに従って説明する。

水上作業員Ｓは、海中に配備した監視用カメラやダイバー等水中作業員Ｄから取得した情報に基づいて、コンクリートブロックＢの位置や姿勢を確認しながら、指令情報発信装置１０の指令入力部１１を適宜操作して、水中吊荷旋回装置５０に「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」のうちのいずれか１つの動作指令を入力し、指令情報Ｍとして変調部１４に出力する（Ｓｔｅｐ１）。

指令情報Ｍの出力と同時に、もしくはこれと前後して、水中で吊り下げられたノイズ集音用受波器１７で、海中雑音Ｎの検知を試みる（Ｓｔｅｐ２）。

海中雑音Ｎが検知された場合には、上述したウェーブレット変換部１８により海中雑音Ｎの周波数情報Ｎｆを取得し、搬送波選択部１３に出力する。そして、周波数情報Ｎｆ基づいて、基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗ８）のうち海中雑音Ｎもしくはその高調波の周波数成分に該当しない周波数帯域の搬送波Ｗを、変調部１４に出力する（Ｓｔｅｐ３）。

例えば図３では、搬送波選択部１３が、８個の基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗ８）のうち、海中雑音Ｎもしくはその高調波の周波数成分に該当するものが、基準波Ｗ（Ｗ２、Ｗ４、Ｗ６、Ｗ７，Ｗ８）と５個存在していると判断し、これらを除去した残りの３個の基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ３、Ｗ５）を、搬送波（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）として選択し、変調部１４に出力している。

一方、海中雑音Ｎが検知されない場合には、８個の基準波Ｗ（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗ８）の全てを変調部１４に出力してもよいし、任意に複数個を選択してもよい（Ｓｔｅｐ４）。

なお、搬送波選択部１３で搬送波Ｃとして選択された基準波Ｗの周波数帯域は搬送波周波数帯域となる。そして、搬送波Ｃは、周波数を変化させないＢＰＳＫ方式で変調されて音波として発信されるから、これらの情報は、変調部１４だけでなく機械制御装置２０の周波数ダイバーシティ部２２にも併せて出力しておく。

次に、変調部１４において、３つの搬送波（ｃ１、ｃ２、ｃ３）各々と水中吊荷旋回装置５０の動作指令に係る指令情報Ｍを混合するべく、ＢＰＳＫ方式で変調し、３つの変調波（Ｍｗ１、Ｍｗ２、Ｍｗ３）を取得する（Ｓｔｅｐ５）。

こののち、３つの変調波Ｍｗ（Ｍｗ１、Ｍｗ２、Ｍｗ３）各々をアンプ１５で増幅し、送波器１６でＤ/Ａ変換して音波とし、海中に位置する機械制御装置２０の受波器２１に向けて発信する。３つの変調波Ｍｗ（Ｍｗ１、Ｍｗ２、Ｍｗ３）各々に基づく３種類の音波は、それぞれ時間差を設けて海中に向けて発信し、これを複数回にわたって繰り返す。

こうして、海中に向けて発信された３種類の音波は、前述したように、機械制御装置２０の受波器２１でＡ／Ｄ変換されて、周波数ダイバーシティ部２２を経て復調部２４に出力される。そして、指令情報発信装置１０の指令入力部１１を介して入力した指令情報Ｍが取得される。

これにより、制御部２５は、指令情報Ｍに基づいて、水中吊荷旋回装置５０を制御するから、水中吊荷旋回装置５０は、水上作業員Ｓの動作指令に対応した、「右回転」、「左回転」、「停止」、「ニュートラル」のいずれかの動作を行うことが可能となる。

上記の水中制御システム１００を使用した場合の通信距離について、以下のとおり実験を行った。実験は、搬送波Ｃの搬送波周波数帯域を１ｋＨｚ、変調方式を前述したＢＰＳＫ方式、出力を１０ｍＷに設定し、機械制御装置２０の受波器２１を、指令情報発信装置１０の送波器１６から離間する方向に順次移動させ、約５ｍおきに受信レベルの減衰量を計測した。

図５をみると、通信距離が大きくなるごとに変化する受信レベルの減衰は緩やかであり、３８ｍ程度離れた地点で減衰量が１０５ｄｂ程度と、一般的に受信限界とされる１２０ｄｂまでの減衰は見られなかった。これにより、機械制御装置２０を設置した水中吊荷旋回装置５０と、指令情報発信装置１０の送波器１６とを、少なくとも４０ｍ程度まで離間させても、水中制御システム１００により水中吊荷旋回装置５０を制御できることが分かる。

なお、本実施の形態では、水上作業員Ｓが水中吊荷旋回装置５０を制御する場合を事例に挙げたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、海中で作業を行うダイバー等の水中作業員Ｄが制御してもよい。この場合には、図６で示すように、指令入力部１１、発振部１２、搬送波選択部１３、変調部１４、アンプ１５、及び送波器１６を一体に備えた指令情報発信装置１０を、水中作業員Ｄに携帯させるとよい。

上記のとおり、水中制御システム１００では、可聴域のなかでも１００Ｈｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲、好ましくは、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲で設定した搬送波Ｃを使用する。これにより、水中音響通信で使用される３０～４０ｋＨｚ程度の可聴域をはるかに超える超音波を使用する場合と比較して、ドップラーシフト、マルチパスフェージングといった通信障害を受ける環境下にあっても、その影響を最小限にとどめることができ、水中音響通信の安定性をより向上させることが可能となる。

また、水質に依存することなく様々な水環境の作業現場において、水中吊荷旋回装置５０を確実に制御することが可能となる。したがって、例えば濁度の高い水中において、指令情報発信装置１０を携帯したダイバー等の水中作業員Ｄが、水中吊荷旋回装置５０を制御する場合であっても、水中作業員Ｄと水中吊荷旋回装置５０との間に一定距離を保って安全に、水中吊荷旋回装置５０を制御することが可能となる。

さらに、指令情報発信装置１０は、少なくとも指令情報Ｍを発信する送波器１６を水中に配置すれば、水中吊荷旋回装置５０に設けた機械制御装置２０との間で水中音響通信を行うことができる。したがって、現場作業員は、水中でなくとも船上や陸上から水中吊荷旋回装置５０の動作指令を指令情報発信装置１０に入力することにより、水中吊荷旋回装置５０を制御できる。

よって、ダイバー等の水中作業員Ｄによる潜水作業時間を削減する、もしくは水中作業員Ｄの省人化を図るなど、現場作業員の作業性及び安全性を向上することが可能となる。

また、雑音検知部１９を利用して、作業現場で生じる海中雑音Ｎの周波数情報Ｎｆを取得できるため、周波数情報Ｎｆに基づいて、海中雑音Ｎとは異なる搬送波周波数帯域を有する搬送波Ｃを使用して指令情報Ｍを搬送できる。これにより、水中音響通信の障害となる様々な海中雑音Ｎのうち、少なくとも周波数情報Ｎｆが取得できたものに起因して、通信障害を引き起こす可能性を排除することができる。

本発明の建設機械の水中制御システム１００は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、本実施の形態では、基準波Ｗを８種類選択し、その中から搬送波Ｃを３種類選択したが、基準波Ｗ及び搬送波Ｃのいずれについても、その数量はこの数値に限定されるものではない。なお、複数の基準波Ｗは、互いに周波数帯域における中心周波数が、整数倍の関係とならないものを選択するとよい。

また、水中制御システム１００の指令情報発信装置１０に雑音検知部１９を設けたが、雑音検知部１９は必ずしも備えなくてもよい。

１００ 水中制御システム
１０ 指令情報発信装置
１１ 指令入力部
１２ 発振部
１３ 搬送波選択部
１４ 変調部
１５ アンプ
１６ 送波器
１７ ノイズ集音用受波器
１８ ウェーブレット変換部
１９ 雑音検知部
２０ 機械制御装置
２１ 受波器
２２ 周波数ダイバーシティ部
２３ アンプ
２４ 復調部
２５ 制御部
５０ 水中吊荷旋回装置（建設機械）
５１ 外殻
５２ シャックル
５３ 吊り治具
６０ 起重機船
６１ クレーン
６２ ワイヤー
６３ 浮き
Ｂ コンクリートブロック
Ｒ 護岸
Ｓ 水上作業員
Ｄ 水中作業員
Ｍ 指令情報
Ｗ 基準波
Ｃ 搬送波
Ｍｗ 変調波
Ｍｓ’ 入力電気信号
Ｍｓ 処理済電気信号
Ｎ 海中雑音（水中雑音）
Ｎｆ 周波数情報

Claims (1)

1. 水中で作業を行う建設機械を水中音響通信を利用して制御するための、建設機械の水中制御システムであって、
   前記建設機械に対して、「右回転」「左回転」「停止」「ニュートラル」のうちのいずれか１つの指令情報を音波として直接発信する指令情報発信装置と、
   該指令情報発信装置から、前記音波として発信された前記指令情報を受信し、該指令情報に基づいて前記建設機械の動作を制御する機械制御装置と、を備え、
   該機械制御装置が前記建設機械に装備されるとともに、該建設機械が水中吊荷旋回装置であり、
   前記音波が、５００Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下の範囲内で周波数帯域を異ならせて複数設定されており、複数の該音波各々で、同一の前記指令情報を発信し、
   前記指令情報発信装置に、水中雑音を検知する雑音検知部を設け、検知した前記水中雑音とは異なる周波数帯域を使用して前記音波を発信することを特徴とする建設機械の水中制御システム。

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