(57)【要約】  【課題】  低速移動中と停止中も含め、常に水中航走体の位置及び姿勢を操作者が所望した位置及び姿勢に安定的に追従させることができるようにした水中航走体の位置姿勢制御装置及び位置姿勢制御方法を提供すること。  【解決手段】  少なくとも前方スラスタ４と後方スラスタ５、横用(前部)スラスタ６、それに横用(後部)スラスタ７を水中航走体１に設け、操作用制御部１４から指令された水中航走体１の位置及び姿勢を、慣性センサ２１で検出した水中航走体１の位置及び姿勢と比較し、これらの誤差がなくなるようにスラスタ４〜７を制御し、水中航走体１の位置及び姿勢が、指令された位置及び姿勢に安定的に追従されるようにしたもの。  【選択図】  図１
2006224863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御装置において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づいて前記スラスタによる推力を調整するスラスタ回転量調整手段とが設けられていることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水中航走体の位置姿勢制御装置において、
前記スラスタが、前記水中航走体の前方と後方に配置した前後移動用スラスタと、左右に推進力を有し前後に並べて配置した横移動用スラスタであり、
前記横移動用スラスタは、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と、反対方向に回転させて旋回する機能とを有することを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の記載の水中航走体の位置姿勢制御装置において、
前記慣性センサが、直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサと、直交する３軸周りの角加速度を検出するジャイロで構成されていることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御装置。
【請求項４】
少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタの一方を停止させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。
【請求項５】
少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタによる旋回機能を用いて方位誤差を低減させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。
【請求項６】
少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、
前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、
該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを用いて、横方向の移動量を低減させることを特徴とする水中航走体の位置姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠隔操作により移動する水中航走体の制御に係り、特に、原子力発電所における圧力容器内などの検査に好適な水中航走体の位置姿勢制御装置と位置姿勢制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所内の構造物、例えばシュラウドなどの圧力容器内の構造物の検査に際しては、放射能による被ばくを防ぐため、従来から圧力容器内に純水が満たされている状態のままで、カメラ(テレビジョンカメラ)など検査用の機器が搭載されている水中航走体を水中に沈め、検査員がカメラ画像を監視しながら遠隔操作し、対象部位の検査や補修などを実施している。
【０００３】
ここで、このような水中航走体は、ＲＯＶ(遠隔操作ビークル)などとも呼ばれているものであるが、このとき、カメラで撮像した映像を安定化させるため、当該水中航走体の位置や姿勢を制御する必要があり、このため、或る従来技術では、無人潜水機の姿勢を制御するため、自動又は手動により複数のスラスタを制御する技術について開示している(例えば、特許文献１参照。)。
【０００４】
また、他の従来技術では、水中航走体の姿勢を変更する際、目標角度と実際の角度の差から操舵を制御する技術について開示しており(例えば、特許文献２参照。)、更に別の従来技術では、目標角度と実際の角度に有為な差がある時、サイドスラスタにより推進方向を偏向制御する技術について開示している(例えば、特許文献３参照。)。
【特許文献１】特開平８−１６９３９８号公報
【特許文献２】特開平６−８００９７号公報
【特許文献３】特開平７−２２３５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術は、低速移動中又は停止中の水中航走体の位置と姿勢の制御に配慮がされておらず、水中航走体の安定化に問題があった。
【０００６】
上記従来技術の中で、まず特許文献１に開示された従来技術は、無人潜水機の姿勢が傾いたとき水平に戻すための技術であり、且つ、操作量に応じて変化される姿勢に追従させるものではないため、低速又は停止している状態で使用することがある水中航走体の制御には適用できない。
【０００７】
次に、特許文献２に開示された従来技術は、水中航走体の操舵角と実際の方位角を比較し、操舵時のオーバーシュートを抑え、前進しながらその進行方位を修正していく技術であるため、低速又は停止している状態で方位を修正するものではないので、やはり水中検査用航走体には適用できない。
【０００８】
そして、特許文献３に開示された従来技術も、上記特許文献２の場合と同様、移動しながら方位の誤差を修正していく技術であるため、これも低速又は停止している状態で使用することがある水中検査用航走体には適用できない。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決し、低速移動中又は停止中も搭載したカメラにより対象領域の検査を行う必要がある水中航走体を対象としてなされたものであり、その目的は、低速移動中と停止中も含め、常に水中航走体の位置及び姿勢を操作者が所望した位置及び姿勢に安定的に追従させることができるようにした水中航走体の位置姿勢制御装置及び位置姿勢制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御装置において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて前記スラスタによる推力を調整するスラスタ回転量調整手段とが設けられているようにして達成される。
【００１１】
このとき、前記スラスタが、前記水中航走体の前方と後方に配置した前後移動用スラスタと、左右に推進力を有し前後に並べて配置した横移動用スラスタであり、前記横移動用スラスタは、同一方向に回転させて横方向に移動する機能と、反対方向に回転させて旋回する機能とを有するようにしても、上記目的が達成される。
【００１２】
また、このとき、前記慣性センサが、直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサと、直交する３軸周りの角加速度を検出するジャイロで構成されているようにしても、上記目的が達成される。
【００１３】
同じく、上記目的は、少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタの一方を停止させるようにしても達成される。
【００１４】
同じく、上記目的は、少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタによる旋回機能を用いて方位誤差を低減させるようにしても達成される。
【００１５】
同じく、上記目的は、少なくとも前進方向のスラスタと後進方向のスラスタ及び少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを具備し、外部から供給される動作指令に応じて移動する水中航走体の位置姿勢制御方法において、前記動作指令により与えられる水中航走体の位置と姿勢を、慣性センサで検出した位置と姿勢と比較し、該比較結果が予め設定してある閾値を越えたとき、前記少なくとも左方向のスラスタと右方向のスラスタを用いて、横方向の移動量を低減させるようにしても達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低速移動中の水中航走体の位置と姿勢が、停止時も含めて安定化されるので、低速移動中の水中航走体の位置と姿勢を操作者が所望した通りに常に安定的に追従させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による水中航走体の位置姿勢制御装置及び位置姿勢制御方法について、図示の実施形態により詳細に説明する。このとき、本発明の実施形態では、水中航走体の、特に前後進移動に際して、進行方位のずれや、横方向の位置のずれを検知し、前後進用のスラスタと横方向修正用のスラスタの制御量を調整するものであり、操作者の所望の操作量に従った水中航走体の位置及び姿勢の制御が実現されるようにしたものである。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態で、ここに示されている水中航走体１には６基のスラスタ２〜７が設置してあり、各スラスタ２〜７には夫々モータ８〜１３が設けてあり、これにより上下左右と前後の３方向に移動できるように構成してある。
【００１９】
このときスラスタ２、３は上下移動用推力の発生手段で、スラスタ４、５は前後移動用推力の発生手段であり、これらはダクトとして働くスラスタガード２Ｇ〜５Ｇを備え、これにより水流の安定化を図り、スラスト(推力)が効率的に得られるようにしている。
【００２０】
一方、スラスタ６、７は左右移動用推力の発生手段で、水中航走体１の本体を横方向に貫通しているダクト６Ｄ、７Ｄの中に設置してあり、同様に水流の安定化と効率的なスラストの発生が図られている。
【００２１】
この水中航走体１は、マイコンからなる操作用制御部１１により遠隔操作され、これにより、例えば原子力発電所の原子炉における圧力容器の中の水中において、操作者(操縦者ともいう)の意図に従って任意に操縦することができるようにしてある。
【００２２】
このため、操作用制御部１４は、制御側通信部１５と通信線１６を介して水中航走体１に接続され、更に本体側通信部１７を介してＣＰＵからなる本体側制御部１８に接続されている。そして、これにより、操作用制御部１４から本体側制御部１８に、制御に必要な信号が伝送されるようになっている。
【００２３】
また、この水中航走体１にはカメラ(テレビジョンカメラ)１９が設置してあり、このカメラ１９により撮像した映像信号が、カメラ制御部２０と本体側通信部１７を介して操作用制御部１４に伝送できるようになっている。そして、このときのカメラ１９による撮像方向Ｘが、この水中航走体１の前進方向となる。
【００２４】
更に、この水中航走体１には慣性センサ２１が備えられている。そして、これには、図３に示すように、前後方向(Ｘ軸)と左右方向(Ｙ軸)、それに上下方向(Ｚ軸)の直交する３方向に感度を有する３軸加速度センサ２１１と、Ｘ軸周りの角加速度(ローリングレート)とＹ軸周りの角加速度(ピッチングレート)、それにＺ軸周りの角加速度(ヨーイングレート)の３軸方向の角加速度を検出する３個のジャイロ２１２、２１３、２１４が設けてある。
【００２５】
そして、まず、３軸加速度センサ２１１では、直交する３軸に平行な方向での加速度を検出し、次に、ジャイロ２１２、２１３、２１４では、夫々ロール角、ピッチ角、ヨー角の各軸周りの角速度を検出する。なお、このため、図示のように、各ジャイロ２１２、２１３、２１４は、夫々Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸に沿って配置されている。
【００２６】
次に、この実施形態における制御フローについて、図２により説明すると、このときの水中航走体１の位置姿勢制御は、操作者が前後方向の操作量を前後オペレータ１０１に入力することにより開始される。そして、本体側制御部１８において各スラスタ用モータの制御量を決定し、夫々のスラスタ４〜７が各々のモータ１０〜１３により駆動されるようになる。
【００２７】
なお、この実施形態では、水中航走体１を動かすスラスタとして、前方スラスタ４と後方スラスタ５、横用(前部)スラスタ６、それに横用(後部)スラスタ７を主として用い、３軸加速度センサ２１１により検出したＹ軸加速度情報と、ジャイロ２１４により検出したＺ軸周り(ヨー軸)の角速度情報を主に使用するようになっている。従って、図１に示されているスラスタ２、３の制御についての説明は割愛してある。
【００２８】
本体側制御部１８では、モータ４〜７の制御量を決定するため、前後オペレータ１０１から入力された指令値と、慣性センサ２１で検出した水中航走体１の位置及び姿勢を比較部１８１で比較し、スラスタ回転量調整部１８２において夫々のスラスタの制御量を決定する。
【００２９】
そして、この結果を各ドライバ１８３〜１８６により電圧に変換し、夫々のモータ１０〜１３に駆動電流を供給し、スラスタ４〜７を働かせる。これにより水中航走体１は、水中で浮遊しながら操作者の意図に応じで移動し、任意の場所に到達して任意の姿勢をとることができるようになる。
【００３０】
このとき慣性センサ２１では、３軸加速度センサ２１１により検出したＹ軸加速度情報から、横速度算出部２１５により水中航走体１の横方向の移動速度を算出し、この算出結果から横移動量算出部２１６により横方向の移動量(ずれ)を算出している。また、ジャイロ２１４により検出した上下方向軸周りの角加速度(ヨーレート)を用い、これから方位算出部２１７により水中航走体１の方位を算出している。
【００３１】
次に、この実施形態による制御の流れについて、図４の処理フローにより説明する。なお、ここでの処理は、水中航走体１の操作開始後(ステップ４０１)、操作中(ステップ４０２)はステップ４０３からステップ４１６までの処理を実行する。そして、これらの処理は操作終了(ステップ４１７)まで繰り返し実行される。
【００３２】
そこで、操作中(ステップ４０２)になったら、まず、停止の信号の有無を判定する(ステップ４０３)。そして、停止していなければ、前後進用スラスタ４、５(図１)を動作させる(ステップ４０４)。次に、横加速度の絶対値を評価する(ステップ４０５)。そして、これが予め設定してある所定の閾値Ａｓ以上であれば横方向に移動していると判定し、このときは、ステップ４０６からステップ４０８までの修正動作を起動するのである。
【００３３】
そこで、このときの修正動作、つまりステップ４０６からステップ４０８の処理による動作について、図５により説明すると、この図は、水中航走体１を前方５０に向かうように操縦しているとき、前方スラスタ４により発生した水流が、水中航走体１自身や外部の構造物(図示してない)に当たって横方向の流れ５１を誘発してしまい、水中航走体１に斜め方向の加速度５２が現われてしまうという状況を示したものである。
【００３４】
そこで、この場合、まず、水中航走体１の移動方向を判定し(ステップ４０６)、移動方向が前方であれば前方スラスタ４を停止させ(ステップ４０７)、後方であれば後方スラスタ５を停止させるのである(ステップ４０８)。これにより、横方向の水流が低減され、水中航走体１を安定して前方に進行できるようになる。
【００３５】
次に、方位の変化量を評価する(ステップ４０９)。そして、この変化量が予め設定している所定の閾値φｓ以上であったときは針路に変化が生じたと判定し、ステップ４１０からステップ４１２までの修正動作を起動する。
【００３６】
そこで、このときのステップ４１０からステップ４１２までの処理による修正動作について、図６を用いて説明すると、この図は、水中航走体１の進行方位を方向６０に定めて操縦しているとき、方位に右回り角度θの誤差が生じ、進行方位が方向６１になってしまったという状況を示したものである。
【００３７】
そこで、この場合は、ステップ４１０での回転判定が右になるので、水中航走体１が左旋回し(ステップ４１１)、方位が指示した方位６０に向くように制御する。すなわち、前部の横スラスタ６を、矢印６２で示す方向の水流を発生するように駆動し、後部の横スラスタ７には矢印６３で示す方向の水流を発生するように駆動するのである。
【００３８】
一方、ステップ４１０での回転判定が左になったときは、水中航走体１を右旋回させる(ステップ４１２)。すなわち、今度は、前部の横スラスタ６を、矢印６２と反対方向の水流を発生するように駆動し、後部の横スラスタ７も矢印６３と反対の方向の水流を発生するように駆動するのであり、従って、これにより針路を安定した状態に保ちながら水中航走体１を移動させる制御が可能になる。
【００３９】
次に、横移動量を評価する(ステップ４１３)。そして、これが予め設定してある所定の閾値Ｐｓ以上になったときは意図していない横方向の移動が現われたものと判定し、ステップ４１４からステップ４１６までの修正動作を起動する。
【００４０】
このときの修正動作、つまりステップ４１４からステップ４１６までの処理による修正動作について、図７を用いて説明すと、この図は、水中航走体１を位置７０(1)に移動させる操作をしたにも関らず、それが前方に向かって右側の位置７１(1)に移動してしまったという状況を示したものである。
【００４１】
そこで、このときは、ステップ４１４での移動方向の判定が右になるので、水中航走体１を左移動し(ステップ４１５)、位置７１(1)から位置７０(1)に戻すようにスラスタを駆動する。すなわち、前部の横スラスタ６と後部の横スラスタ７の２基のスラスタを、何れも矢印７２、７３で示すように、同じく右側に向う水流を発生するように駆動するのである。
【００４２】
反対に、ステップ４１４での移動方向の判定が左になったときは、水中航走体１を右移動し(ステップ４１６)、同じく位置７０(1)に戻すようにスラスタを駆動する。すなわち、前部の横スラスタ６と後部の横スラスタ７の２基のスラスタを、今度は矢印７２、７３とは反対の左側に向う水流を発生するように駆動するのであり、これにより、水中航走体１が所望の位置から横に移動した場合でも、自動的に修正することが可能になる。
【００４３】
ここで、この図４の処理において使用されている横加速度、横移動量、方位角の算出について説明すると、これは、慣性センサ２１の信号処理により与えられるようになっている。そこで、次に慣性センサ２１による横加速度、横移動量、方位角の算出処理ついて、図８の処理フローにより説明する。
【００４４】
いま、この図８による信号処理が開始されたとすると(ステップ８０１)、初めは横加速度値と横移動量を算出する処理に移行する(ステップ８０２)。そして、この場合、まず、３軸加速度センサ２１１から横加速度信号を入力する(ステップ８０３)。次に、高域通過フィルタ(ＨＰＦ)により重力加速度成分を除去し(ステップ８０４)、続いて、低域通過フィルタ(ＬＰＦ)によりノイズ成分を除去する(ステップ８０５)。このときのカットオフ周波数は、通常、１Ｈｚから１０Ｈｚ程度に選定してやれば良い。
【００４５】
次に、３軸加速度センサ２１１に固有のゲインを補正した後(ステップ８０６)、横方向の加速度を出力し(ステップ８０７)、次いで、この横方向の加速度を重積分することにより横方向の移動量を算出し(ステップ８０８)、横方向の移動量を出力する(ステップ８０９)。
【００４６】
そこで、次に、方位角を算出する処理に移行する(ステップ８１０)。ここでは、上下方向軸周りの角加速度(ヨーイングレート)から方位角を算出する。そして、まず、初めに、ジャイロ２１４の出力であるヨーイング信号を入力し(ステップ８１１)、次に、ジャイロ信号の基準電圧を更新するか否かを判定する。
【００４７】
このときの判定方法は、区間推定により行う。すなわち、現在時刻から遡って一定時間(１秒から３秒程度)の信号の分散を評価し、その値が予め設定した値以内にある場合に、回転していないと判断し、このときのヨーイング信号を基準電圧として更新するのである(ステップ８１２)。
【００４８】
次に、ヨーイング信号から基準電圧を減じ、ヨーイングレートを算出する(ステップ８１３)。最後に、使用するジャイロ(ジャイロ２１４)に固有のゲインを補正し(ステップ８１７)、その値を積算して方位角として出力する(ステップ８１８)のである。
【００４９】
従って、以上の実施形態によれば、操作者が実際に操縦した通りの動作に一致するように水中航走体の動作制御が可能になり、この結果、操縦性のより一層の向上が図られることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
水中航走体の位置姿勢制御に広く適用が可能で、特に低速で使用され、流れや周囲の構造物など、外的要因により位置や姿勢に変化を受け易い環境での使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による水中航走体の位置姿勢制御装置の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における処理の流れを説明するためのブロック構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における慣性センサの配置を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による動作を説明するための処理フロー図である。
【図５】本発明の一実施形態における横向き加速度修正動作の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態における進行方位修正動作の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態における横向き移動修正動作の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態における慣性センサの信号処理を説明するための処理フロー図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：水中航走体
２、３：スラスタ(上下移動用)
４、５：スラスタ(前後移動用)
２Ｇ〜５Ｇ：スラスタガード
６、７：スラスタ(左右移動用)
６Ｄ、７Ｄ：ダクト(水中航走体１の本体を横方向に貫通しているダクト)
８〜１３：モータ(スラスタ駆動用)
１４：操作用制御部(ＣＰＵ)
１５：制御側通信部
１６：通信線
１７：本体側通信部
１８：本体側制御部(ＣＰＵ)
１９  ：カメラ(テレビジョンカメラ)
２０：カメラ制御部
２１：慣性センサ
２１１：３軸加速度センサ
２１２：ジャイロ(ロール角検出用)
２１３：ジャイロ(ピッチ角検出用)
２１４：ジャイロ(ヨー角検出用)
【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】
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【図８】
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