(57)【要約】  車体２と、車体２に回転可能に設けられる無限軌道手段３と、車体２に設けられ無限軌道手段３を駆動させる駆動手段と、車体２に設けられたスラスタ４と、を備えたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体と、
前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、
前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、
前記車体に設けられたスラスタと、
を備えたことを特徴とする水中走行車両。
【請求項２】
前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、
前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、
前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水中走行車両。
【請求項３】
前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶する
ことを特徴とする請求項２に記載の水中走行車両。
【請求項４】
前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水中走行車両。
【請求項５】
前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有する
ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１つに記載の水中走行車両。
【請求項６】
前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、
前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断する
ことを特徴とする請求項５に記載の水中走行車両。
【請求項７】
前記制御手段は、前記水中走行車両の走行中、継続して作動する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の水中走行車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底探査、海底ケーブル敷設又は海底や槽底の清掃等に用いられ無限軌道手段で走行する水中走行車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水深が深くても周辺水圧に左右されることなく常に迅速に安定した浮上を可能にすることを目的として、タイヤにより走行可能な本体に回転方向を変更できるプロペラを設けた水中走行装置が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−５８５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の水中走行装置は、比較的浅い海底を対象としたもので、タイヤを使用することで困難であった、安定した状態で浮上させることと、水面上の所定位置に浮上させることを目的としたものであった。【０００５】
一方、大深度探査用の無人探査機はケーブルへの張力低減のため低重量とする必要がある。更に、ランチャー・ビークル式のＲＯＶにおいては、そのビークルは機動性も必要となることから、中性浮力に近い状態が望ましい。【０００６】
また、ＲＯＶの走行方式としてクローラを用いた場合、ビークルが海底をクローラで走行する際、図１１に示すように、自重（水中重量）が約１２０ｋｇ以上と大きい場合には、走行開始と同時に前方が若干浮き上がり気味だが、すぐに水平状態となって走行する。しかしながら、図１２に示すように、自重（水中重量）が約９０ｋｇ前後と小さい場合には、重心と浮心の位置関係によって、クローラ駆動力と流体力の影響を受け機体傾斜が大きくなり走行が困難となる。例えば、後輪駆動では、低重量の場合、前進走行時に前方が浮き上がり転倒の危険性があり、後進時には停止の際に前方が浮き上がり、同様に転倒の危険性がある。【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な構造で低重量に形成すると共に、走行性能を向上し、浮き上がりを低減する水中走行車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために本発明の水中走行車両は、車体と、前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、前記車体に設けられたスラスタと、を備えたことを特徴とする。【０００９】
また、前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。【００１０】
また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶することを特徴とする。【００１１】
また、前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測することを特徴とする。【００１２】
また、前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有することを特徴とする。【００１３】
また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断することを特徴とする。【００１４】
また、前記制御手段は、前記水中走行車両の走行中、継続して作動することを特徴とする
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水中走行車両は、車体と、前記車体に回転可能に設けられる無限軌道手段と、前記車体に設けられ前記無限軌道手段を駆動させる駆動手段と、前記車体に設けられたスラスタと、を備えたので、スラスタを作動させ、水中走行車両に重量を掛け水中走行車両の見かけ上の重量及び重心位置を変更することにより、簡単な構造で低重量に形成すると共に、浮き上がりを未然に低減し、走行性能を向上させることができる。【００１６】
また、前記車体の陸上での初期状態を記憶する記憶手段と、前記車体の水中での状態を計測する計測手段と、前記記憶手段及び前記計測手段からの出力に対して前記スラスタの推力又は推進方向を制御する制御手段と、を備えたので、さらに浮き上がりを低減し、走行性能を向上させることができる。【００１７】
また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するので、制御時に、初期状態を正確に適用することができる。【００１８】
また、前記計測手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置を計測するので、制御時の精度を向上させることができる。【００１９】
また、前記制御手段は、前記記憶手段と前記計測手段の出力に対して、前記車体が安定か不安定かを判断する判別手段を有するので、水中での車体の状況を把握することができる。【００２０】
また、前記記憶手段は、前記水中走行車両の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、前記判別手段は、前記水中走行車両の水中での重心位置及び浮心位置と、前記閾値とを比較して前記車体が安定か不安定かを判断するので、迅速に水中での車体の状況を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の水中走行車両を示す図である。
【図２】水中走行車両のブロック図である。
【図３】水中走行車両の安定領域と不安定領域を示す図である。
【図４】水中走行車両の制御フローチャートである。
【図５】水中走行車両の動作を示す図である。
【図６】水中走行車両に作用する力及びその作用点を示す図である。
【図７】曳航試験によって得られる水による抵抗と抵抗の作用点の位置を示すグラフである。
【図８】水中走行車両が安定に走行した本実験のケース２，４及び５における水中走行車両の状態を判別したグラフである。
【図９】ケース６においてスラスタを有する場合とスラスタの無い場合の水中走行車両の状態を判別したグラフである。
【図１０】ケース７においてスラスタを有する場合とスラスタの無い場合の水中走行車両の状態を判別したグラフである。
【図１１】水中走行車両の動作を示す図である。
【図１２】水中走行車両の動作を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…水中走行車両、２…車体、３…クローラ（無限軌道手段）、４…スラスタ、５…姿勢センサ（計測手段）、６…カメラ、７…ライト、８…浮力体、９…ケーブル、１０…記憶手段、１１…制御手段、１２…判別手段
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の水中走行車両の概略図、を示す。図１において、１は水中走行車両、２は車体、３は無限軌道手段としてのクローラ、４はスラスタ、５は計測手段としての姿勢センサ、６はカメラ、７はライト、８は浮力体、９はケーブルである
【００２４】
水中走行車両１は、車体２の両側下方にクローラ３を回転可能に設け、図示しないモータ等の駆動手段によりクローラ３を駆動することで海底等を移動可能に形成されている。
【００２５】
スラスタ４は、車体２に設けられ、水中走行車両１の重心位置又は浮心位置を変更するためのものである。本実施形態では、第１スラスタ４ａと第２スラスタ４ｂとを設け、第１スラスタ４ａは第１の方向としての鉛直方向、第２スラスタ４ｂは第２の方向としての水平方向に向けて配置されている。そして、第１スラスタ４ａと第２スラスタ４ｂとのそれぞれの推力を調整することにより、推進方向を定めることができる。
【００２６】
なお、スラスタ４は必ずしも複数も受ける必要はない。スラスタ４は、車体２に対して、回動可能とし角度を変更することで、推進方向を変更することができる。また、スラスタ４は、車体２に対して、移動可能に形成されるとさらに好ましい。
【００２７】
姿勢センサ５は、水中での車体２の傾斜角度や加速度等の状態を計測するものである。また、車体２の他にマニピュレータ等の車体２に影響を及ぼす作動部材を有する場合には、その作動部材の状態も計測すると好ましい。
【００２８】
カメラ６は、水中走行車両１の周辺の状態を検出するためのものである。海底探査、海底ケーブル敷設又は海底や槽底の清掃等の場合に、周辺の様子を撮影し、海上のオペレータ等に信号を送信する。ライト７は、カメラ６の撮影箇所を照明する役割を有している。
【００２９】
浮力体８は、膨張収縮可能で、水中走行車両１の浮力を調整できるもので、主に、水上に回収する際に使用される。また、ケーブル９は、海上と水中走行車両１を連結し、電力や各種信号を送るものである。
【００３０】
このような構成の水中走行車両１において、水中では、重量Ｆ１、浮力Ｆ２、垂直抗力Ｆ３、推進力Ｆ４、流体抵抗Ｆ５等の力が作用する。
【００３１】
図２は、水中走行車両１のブロック図を示す。
【００３２】
姿勢センサ５及びカメラ６は、車体２の水中での状態を計測するものである。特に、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置を計測するものが好ましい。
【００３３】
記憶手段１０は、車体の陸上での初期状態を記憶するものである。特に、水中走行車両の重量Ｆ１、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するものが好ましい。
【００３４】
制御手段１１は、記憶手段１０、姿勢センサ５及びカメラ６等からの出力に対してスラスタ４の推力又は推進方向を制御するものである。また、制御手段１１は、記憶手段１０、姿勢センサ５及びカメラ６等の出力に対して、車体２が安定か不安定かを判断する判別手段１２を有する。
【００３５】
さらに、記憶手段１０は、図３に示すような、水中走行車両１の重量Ｆ１ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値Ａ，Ｂ，Ｃを記憶しておき、判別手段１２は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置と、閾値Ａ，Ｂ，Ｃとを比較して車体が安定か不安定かを判断することが好ましい。なお、本実施形態では、閾値を３つとしたが、閾値は３つとは限らず、スラスタギアの回転数や回転方向により閾値の数を任意に設定できる。
【００３６】
例えば、図３における実線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が３００ｋｇｆ（水中重量１００ｋｇｆ）の場合の閾値Ａを示している。同様に、図３における点線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が３５０ｋｇｆ（水中重量１５０ｋｇｆ）の場合の閾値Ｂ、図３における一点鎖線は、水中走行車両１の重量Ｆ１が２５０ｋｇｆ（水中重量５０ｋｇｆ）の場合の閾値Ｃを示している。
【００３７】
そして、横軸の重心前後方向位置と、縦軸の浮心前後方向位置の関係に対応する点が、それぞれの閾値Ａ，Ｂ，Ｃの左側にある場合を安定域とし、右側にある場合を不安定域とする。
【００３８】
図４は、水中走行車両１の制御フローチャートを示す。
【００３９】
まず、ステップ１で、水中での作業の前に記憶手段１０に初期重量、初期重心及び初期浮心を記憶させる（ＳＴ１）。
【００４０】
続いて、ステップ２で、記憶手段１０の記憶した水中走行車両１の重心位置及び浮心位置と、図３に示すような記憶手段１０の記憶した水中走行車両１の重量Ｆ１ごとの安定領域と不安定領域の境界を定めた安定走行・姿勢補正判別チャートによる閾値と、を比較して車体が不安定か否かを判別手段１２により判断する（ＳＴ２）。
【００４１】
ステップ２において、車体が不安定であると判断された場合、ステップ３で、スラスタ４を制御する（ＳＴ３）。スラスタ４は、制御手段１１により、推力、スラスタ角及びスラスタ位置等で推進方向を制御される。続いて、ステップ４で、クローラ３を駆動し、水中走行車両１を走行させる（ＳＴ４）。
【００４２】
ステップ２において、車体が不安定でなく、安定であると判断された場合、ステップ４で、クローラ３を駆動し、水中走行車両１を走行させる（ＳＴ４）。
【００４３】
次に、ステップ５で、水中走行車両１の水中での状態を姿勢センサ５により現場状態を計測・観察し、例えば、水中走行車両１を走行させることにより発生する流体抵抗Ｆ５やマニピュレータ等の付属品による抵抗等により、重心位置及び浮心位置の変更がなく安定走行しているか否かを判別手段１２により判断する（ＳＴ５）。
【００４４】
ステップ５において、水中走行車両１が安定走行しておらず、不安定な走行をしていると判断された場合、ステップ６で、姿勢センサ５等で水中走行車両１の周辺状態を計測し（ＳＴ６）、ステップ２へ戻る。
【００４５】
ステップ５において、水中走行車両１が安定走行していると判断された場合、水中走行車両１の走行中は、制御手段１１が継続して作動し、引き続き観測を行い、各種データを取得し、制御を続行する。
【００４６】
次に、水中走行車両１に対して実験した際の水中走行車両１の動作の一例について説明する。図５は、水中走行車両１の動作を示す図である。
【００４７】
本実施形態で説明したスラスタによる制御を実行した場合、図５に示すように約９０ｋｇ前後の自重（水中重量）が小さい水中走行車両１においても、図１１で示した自重（水中重量）が約１２０ｋｇ以上の大きい水中走行車両１の場合と同様に、走行開始と同時に前方が若干浮き上がり気味だが、すぐに水平状態となって走行することができる。
【００４８】
次に、本実施形態の水中走行車両１を用いた詳細な実験について説明する。
【００４９】
図６は、水中走行車両１に作用する力、重量Ｆ１、浮力Ｆ２、垂直抗力Ｆ３、推進力Ｆ４、流体抵抗Ｆ５及びその作用点を示す。ここで、作用点の位置を表す座標は、図６に示すように、水中走行車両１の前進走行方向上端を原点とし、走行方向と反対側にＸ方向、下方にＺ方向とする。
【００５０】
以下に示す表１は、実験に用いられた水中走行車両１の主な仕様である。
【００５１】
（表１）
項目          特性
６００ｍｍ（長さ）
寸法      ７１７ｍｍ（クローラを含む全幅）
５４０ｍｍ（クローラの下端からカバーの上端まで）
スラスタ    エンコーダ付き４８Ｗモータ
初期位置は変更可能
クローラ    エンコーダ付き４８Ｗモータ
重量      ３４．０kgf（３３３．２Ｎ）
浮力      １７．９kgf（１７５．４Ｎ）
【００５２】
また、スラスタ推力は、入力電圧とモータ回転数に対応して計測され、定格電圧において９．０Ｎである。
【００５３】
水中走行車両１は、水槽内を走行させる。水槽の寸法は、長さ４０ｍ、幅４ｍ、深さ２ｍである。水槽内での水中走行車両１の動作は、上から、そして側壁にある観察窓から観察できる。また、水中走行車両１の姿勢は、搭載したジャイロから得られる。実験は、浮力Ｆ３を与えるブロック部材の数を変更することにより、浮力Ｆ３を変更して行った。
【００５４】
次に、抵抗測定テストについて説明する。図７は、曳航試験によって得られる水による抵抗Ｆ５と抵抗Ｆ５のＺ方向の作用点の位置ＺRを示すグラフである。水による抵抗Ｆ５と抵抗Ｆ５の作用点の位置ＺRは、安定走行特性のパラメータである。図７に示すように、走行速度に相当する曳航速度が速くなると、流体による抵抗Ｆ５は、おおよその速度の二乗に比例して大きくなる。このため水中走行車両１は、引っ張られる方向と反対側が浮き上がる傾向がある。一方、作用点の位置ＺRは速度がある程度大きくなると一定となる。
【００５５】
以下に示す表２は、様々な仕様で水中走行車両１を走行させた場合の走行動作を示すものである。
【００５６】
（表２）
ケース   重量  浮力  重心  浮力中心  動作(スラスタ無)  動作(スラスタ有)
(kgf) (kgf)   (mm)      (mm)
1     34.5  18.6   285.6     308.3      安定            −
2     34.5  20.6   285.6     280.1      安定            −
3     34.5  22.6   285.6     306.8      安定            −
4     34.5  24.6   285.6     283.3      安定            −
5     34.5  26.6   285.6     305.3      安定            −
6     34.5  28.6   285.6     285.1    浮き上がり       安定
7     34.5  30.6   285.6     305.9    浮き上がり       安定
【００５７】
水中走行車両１は、走行速度約０．３m/sに相当するモータ回転数３０００rpmで前方に走行させた。このような低スピードと低加速での実験では、スタート時に観測される動的な影響を小さくすることが予想される。
【００５８】
表２のケース１からケース５に示すように、浮力Ｆ３が所定の値より低い場合、水中走行車両１は、水平な姿勢を維持し、安定に走行することができる。
【００５９】
図８は、水中走行車両１が安定に走行した本実験のケース２，４及び５における水中走行車両の走行状態を判別したグラフである。グラフの横軸はｘ方向の重心位置ＸG、縦軸はｘ方向の浮心位置ＸBを示す。
【００６０】
図８のグラフに示すように、ケース２，４及び５の場合、水中走行車両１のｘ方向の重心位置ＸGと縦軸はｘ方向の浮心位置ＸBの関係は、安定領域に存在する。
【００６１】
しかし、表２に示すように、浮力Ｆ３が所定の値より高い場合、ケース６及びケース７のように浮力中心が他のケースと同じような範囲にあっても、スラスタ無しでは水中走行車両１は、一方が浮き上がる。
【００６２】
ここで、スラスタ４を有すると、実質的に、重量Ｆ１を増加させることと同等となり、かつ、重心位置（ＸG，ＺG）を変更することができる。その結果、水中走行車両１は、水平な姿勢を維持し、安定に走行することができる。
【００６３】
図９は、ケース６においてスラスタ４を有する場合とスラスタ４の無い場合の水中走行車両１の走行状態を判別したグラフである。図８に示すように、ケース６においてスラスタ４の無い場合には、水中走行車両１の走行状態は、不安定領域にあるが、スラスタ４を有する場合には、水中走行車両１の走行状態は、安定領域にある。
【００６４】
図１０は、ケース７においてスラスタ４を有する場合とスラスタ４の無い場合の水中走行車両１の走行状態を判別したグラフである。図１０に示すように、ケース７においては、本来、スラスタ４を有する場合と共に、スラスタ４の無い場合も水中走行車両１の走行状態は安定領域にある。しかしながら、実際には、表２に示すように、スラスタ４の無い場合には、水中走行車両１の走行状態は一方が浮き上がり、不安定であった。浮き上がった原因としては、浮力中心と重心の計測の精度が影響したと考えられる。ただし、図１０に示すように、スラスタ４を有する場合は、スラスタ４の無い場合と比較して、より安定した領域にあり、スラスタ４を有することが、重心を変更し、安定な走行を導くためにより効果的な方法であることにかわりはない。
【００６５】
次に、クローラモータの回転数を５０００rpmとして実験を行った。以下に示す表３は、表２と同様の仕様で水中走行車両１を走行させた場合の走行動作を示すものである。
【００６６】
（表３）
ケース   重量  浮力  重心  浮力中心  動作(スラスタ無)  動作(スラスタ有)
(kgf) (kgf)   (mm)      (mm)
1     34.5  18.6   285.6     308.3      安定            −
2     34.5  20.6   285.6     280.1    浮き上がり       安定
3     34.5  22.6   285.6     306.8    浮き上がり       安定
4     34.5  24.6   285.6     283.3    浮き上がり     浮き上がり
5     34.5  26.6   285.6     305.3    浮き上がり       安定
6     34.5  28.6   285.6     285.1    浮き上がり     浮き上がり
7     34.5  30.7   285.6     305.9    浮き上がり       安定
【００６７】
このように回転数の大きい高加速の実験であっても、スラスタ４を有する場合は、スラスタ４の無い場合と比較して、より安定した走行となり、スラスタ４を有することが、重心を変更し、安定な走行を導くためにより効果的な方法であるとわかった。
【００６８】
このように、本実施形態の水中走行車両１は、車体２と、車体２に回転可能に設けられるクローラ３と、車体２に設けられクローラ３を駆動させる駆動手段と、車体２に設けられたスラスタ４と、を備えたので、スラスタ４により水中走行車両１の重心位置を変更することにより、簡単な構造で低重量に形成すると共に、浮き上がりを未然に低減し、走行性能を向上させることができる。
【００６９】
また、車体２の陸上での初期状態を記憶する記憶手段１０と、車体２の水中での状態を計測する姿勢センサ５と、記憶手段１０及び姿勢センサ５からの出力に対してスラスタ２の推力又は推進方向を制御する制御手段１１と、を備えたので、さらに浮き上がりを低減し、走行性能を向上させることができる。
【００７０】
また、記憶手段１０は、水中走行車両１の重量、初期重心位置及び初期浮心位置を記憶するので、制御時に、初期状態を正確に適用することができる。
【００７１】
また、姿勢センサ５は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置を計測するので、制御時の精度を向上させることができる。
【００７２】
また、制御手段１１は、記憶手段１０と姿勢センサ５の出力に対して、車体２が安定か不安定かを判断する判別手段１２を有するので、水中での車体２の状況を把握することができる。
【００７３】
また、記憶手段１０は、水中走行車両１の重量ごとに、重心位置と浮心位置の関係から安定領域と不安定領域の境界を定めた閾値を記憶し、判別手段１２は、水中走行車両１の水中での重心位置及び浮心位置と、閾値とを比較して車体２が安定か不安定かを判断するので、迅速に水中での車体２の状況を把握することができる。
【００７４】
また、制御手段は、水中走行車両の走行中、継続して作動するので、一度安定走行になった後、不安定走行になっても、迅速に水中での車体２の状況を把握し、制御することができる。
【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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【図７】
2010007914.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2010007914.tif 000015
2010007914.tif 000016
2010007914.tif 000017
2010007914.tif 000018