(57)【要約】【課題】急激な地形変化に対して素早く反応することができる水中機を提供すること。【解決手段】水中機は、複数の距離センサと高度推定部とを備える。複数の距離センサは、水平方向に対して異なる俯角をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と水底との間の距離を計測する。高度推定部は、複数の方向のそれぞれについて計測された距離と俯角に基づいて、複数の前方位置のそれぞれにおける機体の水底からの高度を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向に対して異なる俯角をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と水底との間の距離を計測する複数の距離センサと、
前記複数の方向のそれぞれについて計測された前記距離と前記俯角に基づいて、複数の前方位置のそれぞれにおける前記機体の前記水底からの高度を推定する高度推定部と
を備える
水中機。
【請求項２】
請求項１に記載の水中機であって、
更に、
前記複数の前方位置のそれぞれにおける前記推定された高度に基づいて、前記機体の航行を制御する制御部
を備える
水中機。
【請求項３】
請求項２に記載の水中機であって、
前記制御部は、前記複数の前方位置のそれぞれにおける前記推定された高度に基づいて、任意の前方位置における前記機体の前記水底からの高度を算出し、更に、前記任意の前方位置における前記高度に基づいて、前記機体の航行を制御する
水中機。
【請求項４】
請求項２に記載の水中機であって、
前記制御部は、前記複数の前方位置のそれぞれにおける前記推定された高度に基づいて、前記水底の地形変化を推定し、更に、前記水底の前記地形変化に基づいて、前記機体の航行を制御する
水中機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の水中機であって、
更に、
前記複数の前方位置と前記推定された高度との対応関係を示す高度情報を記録する情報記録部
を備え、
前記情報記録部は、前記高度推定部によって前記高度が推定される度に、前記高度情報を更新する
水中機。
【請求項６】
水平方向に対して異なる俯角をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と水底との間の距離を計測する複数の距離センサと、
前記複数の方向のそれぞれについて計測された前記距離と前記俯角に基づいて、前記水底の地形変化を推定する制御部と
を備える
水中機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中機に関する。特に、本発明は、水中機の水底からの高度を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
潜水艦や無人潜水機といった「水中機」が知られている。無人潜水機としては、比較的深い海域や湖沼における水中調査作業において利用されている自律型水中航走体（ＡＵＶ：Autonomous  Underwater  Vehicle）が知られている。このような水中機は、ソナーを利用して、海底の地形測定等を行う。
【０００３】
特許文献１（特開２００５−２３９０２７号公報）は、機体が傾いた状況であっても音響ソナーによる撮像画像の精度を高めることができる自律型の水中航走体を開示している。この水中航走体は、潜水状態で水中航走体に対して上下方向又は左右方向にそれぞれ対となる舵を設けたことを特徴とする。
【０００４】
特許文献２（特許第４３７７３３２号）は、航空機の高度と水平速度を制御する操縦支援システムを開示している。この操縦支援システムは、同時に高度と水平速度の両方の関数である単一の信号に基づいて、ピッチ及び／又は上昇手段によって生成されるパワーを調節及び制御することを特徴とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３９０２７号公報
【特許文献２】特許第４３７７３３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明者は、次の点に着目した。一般的な水中機は、機体真下の水底からの高度を計測し、その計測高度に基づいて各種制御を行う。しかしながら、機体前方において水底地形が急激に変化する場合、そのような急激な地形変化に対して素早く反応することができない。つまり、急激な地形変化に対する追従性が悪い。最悪の場合、水底と衝突することも考えられる。
【０００７】
本発明の１つの目的は、急激な地形変化に対して素早く反応することができる水中機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明の１つの観点において、水中機（１）が提供される。その水中機（１）は、複数の距離センサ（１０−１〜１０−ｎ）と高度推定部（３０）とを備える。複数の距離センサ（１０−１〜１０−ｎ）は、水平方向（Ｘ）に対して異なる俯角（θ１〜θｎ）をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と水底（１００）との間の距離（Ｂ１〜Ｂｎ）を計測する。高度推定部（３０）は、複数の方向のそれぞれについて計測された距離（Ｂ１〜Ｂｎ）と俯角（θ１〜θｎ）に基づいて、複数の前方位置（Ｘ１〜Ｘｎ）のそれぞれにおける機体の水底（１００）からの高度（Ｈ１〜Ｈｎ）を推定する。
【００１０】
水中機（１）は、更に、複数の前方位置（Ｘ１〜Ｘｎ）のそれぞれにおける高度（Ｈ１〜Ｈｎ）に基づいて、機体の航行を制御する制御部（５０）を備えてもよい。
【００１１】
例えば、制御部（５０）は、複数の前方位置（Ｘ１〜Ｘｎ）のそれぞれにおける高度（Ｈ１〜Ｈｎ）に基づいて、任意の前方位置における機体の水底（１００）からの高度を算出し、更に、任意の前方位置における高度に基づいて、機体の航行を制御する。
【００１２】
また、例えば、制御部（５０）は、複数の前方位置（Ｘ１〜Ｘｎ）のそれぞれにおける高度（Ｈ１〜Ｈｎ）に基づいて、水底（１００）の地形変化を推定し、更に、水底（１００）の地形変化に基づいて、機体の航行を制御する。
【００１３】
水中機（１）は、更に、複数の前方位置（Ｘ１〜Ｘｎ）と推定された高度（Ｈ１〜Ｈｎ）との対応関係を示す高度情報（４１）を記録する情報記録部（４０）を備えてもよい。情報記録部（４０）は、高度推定部（３０）によって高度（Ｈ１〜Ｈｎ）が推定される度に、高度情報（４１）を更新する。
【００１４】
本発明の他の観点において、水中機（１）が提供される。その水中機（１）は、複数の距離センサ（１０−１〜１０−ｎ）と制御部（２０）とを備える。複数の距離センサ（１０−１〜１０−ｎ）は、水平方向（Ｘ）に対して異なる俯角（θ１〜θｎ）をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と水底（１００）との間の距離（Ｂ１〜Ｂｎ）を計測する。制御部（２０）は、複数の方向のそれぞれについて計測された距離（Ｂ１〜Ｂｎ）と俯角（θ１〜θｎ）に基づいて、水底（１００）の地形変化を推定する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る水中機は、急激な地形変化に対して素早く反応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態の概要を説明するための概念図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態の概要を説明するための概念図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る水中機の機能構成を概略的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における高度情報の一例を示す概念図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る水中機の動作を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施の形態におけるステップＳ５０における処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１及び図２は、本発明の実施の形態の概要を説明するための概念図である。水中機１は、複数の距離センサ１０を備えている。各々の距離センサ１０は、例えば音響センサ（ソナー）であり、水底１００からの反射波に基づいて水底１００までの距離を計測する。計測される機体と水底１００との間の距離は、以下、「ビーム長」と参照される。
【００１９】
複数の距離センサ１０は、機体への取り付け角度がそれぞれ異なっている。つまり、複数の距離センサ１０は、それぞれ異なる複数の方向についてビーム長を計測できるように設けられている。複数の距離センサ１０間の識別は、距離センサ毎に計測タイミングあるいは周波数を変えることにより可能である。
【００２０】
ここで、複数の距離センサ１０として、ｎ個（ｎは２以上の整数）の距離センサ１０−１〜１０−ｎを考える。ある１つの距離センサは、１０−ｉ（ｉ＝１〜ｎ）で表される。図２に示されるように、距離センサ１０−ｉによる計測方向は、水平方向（Ｘ方向）に対する俯角θｉで定義され得る。その距離センサ１０−ｉは、水平方向に対して俯角θｉをなす方向に関してビーム長Ｂｉを計測する。
【００２１】
俯角θｉは、距離センサ１０毎に異なっている。従って、距離センサ１０−１〜１０−ｎを用いることによって、水平方向に対して異なる俯角θ１〜θｎをなす複数の方向のそれぞれに関して、ビーム長Ｂ１〜Ｂｎを計測することが可能となる。そして、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、水底１００の地形変化を推定することができる。
【００２２】
より詳細には、距離センサ１０−ｉによって計測されたビーム長Ｂｉとその俯角θｉを用いることにより、次の式（１）に従って、高度Ｈｉと前方距離Ｌｉを算出することができる。
【００２３】
式（１）：
Ｈｉ＝Ｂｉ×ｓｉｎθｉ
Ｌｉ＝Ｂｉ×ｃｏｓθｉ
【００２４】
高度Ｈｉは、前方位置Ｘｉにおける機体の水底１００からの高度である。前方距離Ｌｉは、機体からその前方位置Ｘｉまでの水平距離（Ｘ方向距離）である。尚、俯角θｉは、距離センサ１０−ｉの機体への取り付け角度と機体自体の仰角に基づいて算出可能である。距離センサ１０−ｉの機体への取り付け角度は、予め決まっている。一方、機体自体の仰角は、仰角センサによって得られる。
【００２５】
このように、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを推定することができる。そして、それら複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎに基づいて、機体前方における水底１００の地形変化を推定することが可能となる。例えば、複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎとその前方位置それぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎとを用い、補間を行うことによって、計測されていない前方位置における高度を推定することができる。また、複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを用いることによって、前方における水底１００の勾配を推定することもできる。
【００２６】
このようにして推定された地形変化は、水中機１の航行制御において考慮される。例えば、機体前方における水底地形の急激な上昇が検出された場合、水中機１を素早く上昇あるいは停止させることにより、衝突を回避することができる。
【００２７】
以上に説明されたように、本実施の形態に係る水中機１は、複数の距離センサ１０を用いて前方の地形変化を推定するため、急激な地形変化に対して素早く反応することができる。すなわち、急激な地形変化に対する追従性が向上する。
【００２８】
更に、本実施の形態では、何らかの事情（レンジオーバ、故障、局所的な地形異常、等）によって１つの距離センサ１０による計測が不可能になったとしても、他の距離センサ１０から計測データは得られる。従って、高度推定処理は継続可能であり、その精度もある程度保たれる。高度推定処理が全くできなくなるといった事態が防止されるため、信頼性が向上し、不測の事態も防止される。このことも、複数の距離センサ１０を用いることにより得られる効果である。
【００２９】
図３は、本実施の形態に係る水中機１の機能構成を概略的に示すブロック図である。水中機１は、上述の複数の距離センサ１０−１〜１０−ｎと制御部２０を備えている。
【００３０】
制御部２０は、各種データ処理を行う機能ブロックであり、典型的にはマイクロコンピュータと制御プログラムにより実現される。本実施の形態において、制御部２０は、複数の距離センサ１０−１〜１０−ｎによって得られる計測データに基づいて、各種データ処理を行う。特に、制御部２０は、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、機体前方における水底１００の地形変化を推定する。
【００３１】
より詳細には、制御部２０は、高度推定部３０、情報記録部４０、及び機体制御部５０を備えている。
【００３２】
高度推定部３０は、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを推定する（図１、図２を参照）。
【００３３】
情報記録部４０は、高度推定部３０によって推定された高度Ｈ１〜Ｈｎに関する高度情報４１を記録する。より詳細には、高度情報４１は、前方位置Ｘ１〜Ｘｎと高度Ｈ１〜Ｈｎとの対応関係を示す。図４は、高度情報４１の一例を示している。図４に示されるテーブル形式の高度情報４１は、距離センサ１０−ｉ毎に、算出された高度Ｈｉと前方距離Ｌｉ（前方位置Ｘｉに相当）を示している。情報記録部４０は、高度推定部３０によって高度Ｈｉが推定される度に、この高度情報４１を更新する。
【００３４】
尚、高度情報４１の更新時、過去に得られた情報を削除する必要は必ずしもない。つまり、高度情報４１は、過去に得られた情報を含んでいてもよい。その場合、高度情報４１の更新時、過去の情報に関しては、水中機１の移動距離を考慮して前方距離Ｌｉを修正すればよい。距離センサ１０の故障等により最新情報を取得できなかった場合、過去の情報を用いることができるため、精度低下が防止される。但し、あまりにも古過ぎる情報は精度が低いので破棄してもよい。
【００３５】
機体制御部５０は、高度情報４１を参照して、機体航行を制御する。つまり、機体制御部５０は、任意の前方位置における高度に基づいて、機体の航行を制御する。
【００３６】
図５は、本実施の形態に係る水中機１の動作を示すフローチャートである。
【００３７】
ステップＳ１０：
距離センサ１０−１〜１０−ｎは、水平方向に対して異なる俯角θ１〜θｎをなす複数の方向のそれぞれに関して、ビーム長Ｂ１〜Ｂｎを計測する。
【００３８】
ステップＳ２０：
制御部２０は、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、機体前方における水底１００の地形変化を推定する。そして、制御部２０は、状況に応じて水中機１の機体制御を行う。より詳細には、ステップＳ２０は、次のステップＳ３０〜Ｓ５０を含む。
【００３９】
ステップＳ３０：
高度推定部３０は、複数の方向のそれぞれについて計測されたビーム長Ｂ１〜Ｂｎと俯角θ１〜θｎに基づいて、複数の前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを推定する（図１、図２を参照）。
【００４０】
ステップＳ４０：
情報記録部４０は、高度情報４１を更新する。このとき、過去に得られた情報を削除する必要は必ずしもない。つまり、高度情報４１は、過去に得られた情報を含んでいてもよい。その場合、高度情報４１の更新時、過去の情報に関しては、水中機１の移動距離を考慮して前方距離Ｌｉを修正すればよい。距離センサ１０の故障等により最新情報を取得できなかった場合、過去の情報を用いることができるため、精度低下が防止される。但し、あまりにも古過ぎる情報は精度が低いので破棄してもよい。
【００４１】
ステップＳ５０：
機体制御部５０は、高度情報４１を参照して、機体航行を制御する。つまり、機体制御部５０は、任意の前方位置における高度に基づいて、機体の航行を制御する。
【００４２】
例えば、機体制御部５０は、前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを補間（例：線形補間）することによって、“任意の前方位置”における高度を推定することができる。その任意の前方位置における推定高度が目標高度より高い場合、機体制御部５０は、機体の下降を指示すればよい。一方、その任意の前方位置における推定高度が目標高度より低い場合、機体制御部５０は、機体の上昇を指示すればよい。このように、機体制御部５０は、任意の前方位置における高度に基づいて、機体の航行を制御することができる。
【００４３】
図６は、ステップＳ５０における制御の他の例を示している。まず、機体制御部５０は、前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎを用いることによって、前方における水底１００の勾配を算出する（ステップＳ５１）。
【００４４】
第１基準値は、即座に上昇したとしても回避できない程きつい勾配を表す。ステップＳ５１において算出された勾配が第１基準値以上である場合（ステップＳ５２；Ｙｅｓ）、機体制御部５０は、機体の停止を指示する（ステップＳ５３）。
【００４５】
第２基準値は、即座に上昇すれば回避できる程度の勾配を表す。ステップＳ５１において算出された勾配が第１基準値より小さく、且つ、第２基準値以上である場合（ステップＳ５２；Ｎｏ、ステップＳ５４；Ｙｅｓ）、機体制御部５０は、即座に機体の上昇を指示する（ステップＳ５５）。
【００４６】
ステップＳ５１において算出された勾配が第２基準値より小さい場合（ステップＳ５４；Ｎｏ）、機体制御部５０は、機体の航行をそのまま維持する（ステップＳ５６）。
【００４７】
あるいは、ステップＳ５４とステップＳ５５は省略されてもよい。つまり、ステップＳ５２の結果がＮｏであった場合、処理はステップＳ５６に移行してもよい。
【００４８】
このように、機体制御部５０は、前方位置Ｘ１〜Ｘｎのそれぞれにおける高度Ｈ１〜Ｈｎに基づいて、水底１００の地形変化（勾配等）を推定する。そして、推定された地形変化に基づいて、機体制御部５０は、機体の航行を制御することができる。
【００４９】
以上に説明されたように、本実施の形態に係る水中機１は、複数の距離センサ１０を用いて前方の地形変化を推定するため、急激な地形変化に対して素早く反応することができる。すなわち、急激な地形変化に対する追従性が向上する。
【００５０】
更に、本実施の形態では、何らかの事情（レンジオーバ、故障、局所的な地形異常、等）によって１つの距離センサ１０による計測が不可能になったとしても、他の距離センサ１０から計測データは得られる。従って、高度推定処理は継続可能であり、その精度もある程度保たれる。高度推定処理が全くできなくなるといった事態が防止されるため、信頼性が向上し、不測の事態も防止される。このことも、複数の距離センサ１０を用いることにより得られる効果である。
【００５１】
本発明は、例えば、小型の無人潜水機や自律型水中航走体に適用可能である。また、本発明は、空中の航空機へも適用可能である。その場合、本実施の形態における「水中機」、「水底」、及び「音響センサ」を、それぞれ、「航空機」、「地表」、及び「赤外線センサ」に置換すればよい。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
【符号の説明】
【００５３】
１    水中機
１０、１０−１〜１０−ｎ    距離センサ
２０    制御部
３０    高度推定部
４０    情報記録部
４１    高度情報
５０    機体制御部
１００    水底
Ｂｉ    ビーム長
Ｈｉ    高度
Ｌｉ    前方距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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