(57)【要約】      （修正有）【課題】海底の鉱物資源を採取し揚収するシステムに関し、常温で液相の比重が水より少ない液体を浮力タンクに密閉充填しその浮力を利用して海底の鉱物資源を海面まで揚収する装置に関する。【解決手段】海面よりの降下時には貨物室に浮力タンクの浮力を打消すバラストを積み、海底資源揚収装置全体の比重を1．０より重い状態として降下し、海底でバラストと鉱物資源を交換して、海底資源揚収装置全体の比重を1．０より軽い状態として浮上する自律航走可能な水中航走体であり、海底においてバラストと鉱物資源とを重力を利用して置換する。【選択図】図２
2019199250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底より鉱物資源を揚収する海底資源揚収装置であって、
深海クレーンおよび、海上司令船と海底資源収集装置と位置標識の一部または全部を含んで構成され、
前記深海クレーンは、常温で液相で水より比重の軽いｎ−シクロペンタンまたはガソリンを含む液体を密閉充填した浮力タンクと、海底より海底資源を揚収するための貨物室と、前記貨物室を浮力タンクと連接する機構と前記貨物室を含み構成されることを特徴とし、
前記深海クレーンは前記貨物室に搭載したバラストとともに前記深海クレーンの全体の比重を海水より大きくして海底に降下し、
海底において前記貨物室に搭載したバラストを海底資源と交換して、前記深海クレーンの全体の比重が周囲海水より小さくして、浮力により海面に浮上して海底資源揚収を行い、
前記深海クレーンの内部の構成部分がすべて固体と液体として前記深海クレーンの内部圧力を周囲海水と等しくして高圧による機械的応力を回避することを特徴とする深海クレーンを含む海底資源揚収装置。
【請求項２】
請求項１の前記深海クレーンにおいて、上方から下方に滑らかに積載物が重力で落下できる構造を有する前記貨物室を前記浮力タンク下部に空隙を空けて連接し、当該空隙より前記海底資源収集装置が前記海底鉱物資源を前記貨物室に上方より投入し、前記貨物室底部より重力を利用してバラストを押出し下方に投棄し、前記バラストと前記海底鉱物資源を交換させ、前記貨物室下端に通過阻止機能を含む排出制御機構を設け、さらに海面より持ち込んだバラストと上方より投入する採集鉱物の混合を防止するために、海面より降下する時にバラスト上面に可動型の膜状または伸縮可能で可動な区分機構を設け、
前記貨物室の下端にあるバラストの前記排出制御機構よりバラストを落下排出できることを特徴とし、
前記着床脚のすべてに海底床に対する荷重を測定する重量計を設置し、その測定値から前記深海クレーン全体の水中重量を常時監視し、前記貨物室上方より投入する採集鉱物の重量に対応して前記貨物室が海底への着床を継続可能な範囲でバラスト量を制御し、
前記貨物室への採集鉱物の積込み完了により離床浮上時にはバラスト排出を制御し、前記深海クレーンの比重を周囲海水より小さくして浮上することを特徴とする深海クレーン。
【請求項３】
請求項１の前記深海クレーンにおいて、前記浮力タンク下部に空隙を空けて連接してバラストを搭載し、前記貨物室底部下端に排出制御機構を設け重力を利用してバラストを下方に投棄する機能を設け、
前記深海クレーンにより揚収する海底鉱物資源を海底資源収集装置により収集し、積載重を測定可能な収集鉱物容器に蓄積し、前記貨物室下部のフックを含む吊上げ機構で釣り上げた後、前記バラストを投棄して、前記深海クレーンの比重を周囲の海水より小さくして浮上し、採集鉱物を揚収することを特徴とする深海クレーン。
【請求項４】
請求項３の収集鉱物容器は水中重量が測定可能で、前記貨物室のバラストを投棄して浮上可能な限界を監視し、前記海底資源採集装置による採集鉱物の搭載を停止すべき時期を知り、以降の収集鉱物投入および前記投棄バラストの混入を妨げるシュラウドで収集鉱物容器の投入口を覆うことが可能な構造を持ち、当該シュラウドにリングを含む吊り上げられる機構を設け、前記貨物室下部のフックを含む吊上げ機構を誘導して吊上げることを特徴とする収集鉱物容器。
【請求項５】
請求項３における前記海底資源採集装置は陸上で使用される建設機械のパワーショベルの油圧機構の原動力を原動機から電動機に置き換え、油圧差圧モータによりにより駆動されることを特徴とし、前記海上司令船より超音波高精細ビデオカメラを含む映像監視装置を用いて遠隔操作を行い、前記深海クレーンによる揚収のため前記深海クレーンの貨物室下部のフックを含む吊上げる機構が位置合わせをして吊上げるためのリングを含む吊上げられる機構と、当該吊上げる機構の位置を誘導するための機構を設けることを特徴とする。
【請求項６】
請求項１における前記深海クレーンの前記貨物室は外周部に鉛直方向から水平方向に開度が変更可能な網目状の制御翼兼着床脚を半径方向に外周に向かってに設け、各制御翼兼着床脚の開度が個別に制御可能であり、各制御翼兼着床脚が支持翼の長軸方向の支持柱周りに個別に回転可能とすることにより深海クレーンの水平方向移動、昇降速度を制御できることを特徴とする深海クレーン。
【請求項７】
請求項１における前記深海クレーンの前記貨物室にバラストの替わりに前記海底資源採集装置または前記収集鉱物容器を吊下して海底に軟着床させ、軟着床後は吊下を解き空荷で浮上するため浮上速度が過大とならないように減速用パラシュートを開傘させ、
海底資源採集装置を海底から回収し揚収する場合には、バラストを前記貨物室に搭載して海底に存在する海底資源採集装置のリングを含む吊上げられる機構に位置合わせをして、前記貨物室に吊下した後貨物室中のバラストを投棄して深海クレーンの比重を海水より軽くして海上司令船の近辺に浮上させることを特徴とする深海クレーン。
【請求項８】
請求項１の前記深海クレーンは海底着床点と前記海上司令船との間の移動経路を誘導制御する経路誘導制御機能を含むことを特徴とし、
前記深海クレーンの海面からの下降時には下降時における目標点である前記海底着床点との位置関係に応じて慣性航法と音響航法を切り替えることを特徴とし、
前記深海クレーンが前記海底着床点から上昇する時には上昇時における目標点である海上司令船との位置関係に応じて慣性航法と音響航法を切り替えることを特徴とし、海中温度分布により音波が到達しないか直進性が目標方位を計測するのに十分でない範囲では深度データと慣性航法データを用い、音響測定が目標方位を計測するのに十分な範囲では深度データと音響測定データを用いることを特徴とする深海クレーン。
【請求項９】
請求項８における前記深海クレーンの音響航法は前記海底着床点と前記海上司令船に音響トランスポンダを設置し、前記深海クレーンに設置した音響発振機に呼応してエコーを発生することにより往復時間より、
浮上時には前記深海クレーンと前記海上母船との距離が測定できるほか、前記深海クレーンに位置を離して設置した受振素子間の位相差から前記海上司令船の存在方向を探知することができ、
下降時には前記深海クレーンと前記海底着床点を含む海底着床点との距離が測定できるほか、前記深海クレーンに位置を離して設置した受振素子間の位相差から海底着床点を含む海底着床点の存在方向を探知することができることを特徴とする深海クレーン。
【請求項１０】
請求項１における深海クレーンの浮力タンクは炭素繊維樹脂を含む軽量強靭素材で作製し、浮力タンクに対する応力を分散させるため網状の布を球の上部から側部表面に覆い索に絞り込み負荷を搭載する貨物室を索で吊下すると同時に、浮力タンクの表面の抵抗を増やすことを特徴とし、浮力タンクを３個以上の等容積の球に分割して構成し各球より１本の索で貨物室を吊下し、各分割球が海面に浮上している状態で各球の中央部の空隙より貨物室を前記海上司令船の船上クレーンで釣り上げ回収鉱物を船上に回収し、バラストを貨物室搭載して海面に浮上している各球の中央部の空隙より各浮力球に接続して海底に降下させることを特徴とする。
【請求項１１】
請求項１における位置標識は緯度経度に対応して海底に設置される音響標識であって、海面においてＧＰＳにより緯度経度が測定された標識船の直下に音響信号による誘導または慣性誘導を含む方法により設定されることを特徴とし、
前記音響信号誘導では、前記標識船を取り囲む緯度経度の異なる前記標識船を内包する多角形の頂点より音響信号を発振させ三角測量の原理で前記標識船直下の鉛直線からの偏位を求め、各軸操舵翼を制御して、前記標識船直下の直下点に着床させることを特徴とし、
前記慣性誘導では前記標識船の緯度経度を初期値として鉛直線からの偏位を求め、各軸操舵翼を制御して前記標識船の直下点に着床させることを特徴とし、
着床後は深海クレーンからの問合せ信号に応答してトランスポンダとして機能することを特徴とする。
【請求項１２】
請求項１における前記海上司令船は、総合監視制御装置により、前記鉱物収集装置に電源を供給し、光ファイバーによる通信を行い、前記深海クレーンの前記海上母船から前記海底着床点への降下を指揮管制し、前記海底着床点からの離床と前記海上母船への浮上を指揮管制し、
前記海上母船の総合監視制御装置は発電装置と前記海上母船からの電源供給を管制し、
前記海上母船の総合監視制御装置は前記深海クレーンからの揚収鉱物の前記海上母船への移送の管制を実施することを特徴とする前記監視制御装置。
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底から物体を揚収する装置に関する。特に、海底の鉱物資源を採取し揚収するシステムに関し、水より比重の軽い液体の浮力を利用して揚収エネルギーを投入せずに海面まで揚収する装置に関し、気体を構成要素より排することにより内外の圧力を均衡させて海底での耐圧の必要性を回避し、さらに自律的に航走することにより海面と海底間の構造物を不要とすることを特徴としている。
【背景技術】
【０００２】
海底より物体を回収する試みは従来から、サルベージ、浚渫、海底油田の掘削の分野で行われている。海底鉱物の採集については１０００ｍレベルの海底鉱物採集の試行が開始された状況で、２０００ｍから５０００ｍレベルの海底資源回収は方法論すら確立されておらず、経済的目処も立たないため行われていない。本発明は６５００ｍレベルまでの海底資源回収を経済的に行う装置に関するもので、従来、海洋開発では利用されていない他分野である、制御工学、宇宙工学、情報工学、音響光学の最先端技術を組み合わせることにより、高圧環境下での機械的挑戦を行わずに現存のハードウェア技術で実現すべく、新たに考案したものである。
【０００３】
以下、従来技術を述べる。サルベージ技術、浚渫技術、海底石油掘削技術の延長発展として海底鉱物の採集は従来議論されている。サルベージ技術については、非特許文献１に概観されているように、ワイヤーをかけて引き上げる「大廻し方式」、浮力を利用する「バルーン方式」、直接つかみあげる「つかみ方式」がある。「大廻し方式」はワイヤーをかける潜水作業を伴うため深海では行われない。「バルーン方式」は圧搾空気を入れた金属製またはゴム製バルーンで海中を引き上げるが、深度変化に伴う気体膨張があるため水平移動が主体で、深度も１００ｍ以浅である。「つかみ方式」は海底に直接アームを伸ばしてつかみあげる方法で、１９７０年代に海底５０００ｍから米国CIAがソ連の沈没原潜を核戦略情報収集のために採算を度外視して引き上げた例があるがこれが深海より引き上げた唯一の記録であり、その後の例はない。公開情報によると、海底石油掘削技術の延長とみられる。いずれの方式も水上の作業船が直接力学的に関与するため海面の静謐が不可欠であり、深海から鉱物資源を採集するのには適さない。
【０００４】
現状における海底からの鉱物採取は経済的に成り立たず、深海探索艇や無人ロボットのアームや、ボーリングによってサンプル採取するのがせいぜいである。例外的に、油田やガス田などでは穴を開ければ内圧に押し出されて噴出するので、開口部にパイプなど回収設備を設けることで比較的低コストで採掘できるため、海底石油掘削技術の延長として海底熱水だまりより鉱物資源が溶けた熱水をポンプアップする方法が提案されている（特許文献１）。この方法は、さらにシェールガス採掘等と同様に鉱床に特殊な溶剤を流し込み、溶けた鉱物を水上へバキュームした後で溶剤から分離させて採取することもできる。
【０００５】
海底表層地層より鉱物資源を回収する方法としては、浚渫技術の延長として、深度１０００ｍの海底熱水鉱床（チムニーなど）を掘削し、スラリー化して水中ポンプで海上に送り出すための要素技術の試験開発が行われている（特許文献２）（非特許文献５）。  海底１６００ｍの熱水鉱床採掘・揚収のパイロットプロジェクトが２０１７年に実施し、１．５か月で１６トン揚収したが商業的目途は立っていない。（非特許文献７）
【０００６】
海底鉱物の採掘採集は深度１６００ｍの海底熱水鉱床がようやく要素技術の試験開発が行われ始めた段階である。コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、レアアース堆積物は１０００ｍ以深の深海表面に分布するが、資源調査の段階であり、資源回収については方法論を含めて未着手である。（非特許文献３）
本発明と同様に高圧環境での機械的限界への挑戦を行わずに海底より物体を揚収する技術として本発明と同一出願人の特許文献３がある。特許文献３では海底で発生させた水素ガスの浮力を用いて揚収機材の内圧と周囲海水圧を同一として高圧環境下での耐圧技術など機械的・構造的問題を解決し、浮力を用い、さらに海底で発生させた水素ガスは揚収過程で余剰となるのでトルエンに吸収させてMCH（メチルシクロヘキサン）として回収し、水素エネルギー源として活用することによりて揚収エネルギー効率の問題を解決した。
【０００７】
【特許文献１】WO２０１３１１８８７６A1「海底熱水鉱物資源の回収方法及び回収システム」
【特許文献２】特開２０１１−１９６０４７「揚鉱システムおよび揚鉱方法」
【特許文献３】特開２０１７−０６６８５０  国際出願PCT/JP２０１６・０８３６「揚鉱資源揚収装置」
【非特許文献１】「サルベージ」清水信夫  日本造船学会誌  平成14年５月
【非特許文献２】「海底鉱物資源開発に係る揚鉱管内における大粒径粒子のスラリー移送評価」高野他  第14回  海上技術安全研究所研究発表会  平成２６年6月
【非特許文献３】「海洋エネルギー・鉱物資源開発計画」  経済産業省  平成25年12月
【非特許文献４】「最新の海底鉱物資源の開発動向」織田洋一  三井物産戦略研究所  2013４月
【非特許文献５】「海底熱水鉱床掘削要素技術試験機の開発」三菱重工技報２０１３年No.2
【非特許文献６】Satellite Attitude Tracking By Quaterion-Based Backstepping, Raymond Kristiansen, Norweigian University of Science and Technology, Norway, 2005
【非特許文献７】「海底熱水鉱床  採鉱・揚鉱パイロット試験」  ＪＯＧＭＥＣ  ＮＥＷＳ  ２０１８，Ｍａｒｃｈ
【非特許文献８】Sound Metrics http://www.soundmetrics.com/
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、レアアース堆積物は海底面に堆積しており、地上であれば採集自体はパワーショベルまたはブルドーザで可能である。熱水鉱床の採掘試行が先行しているのは、熱水鉱床が深度１０００ｍ内外と比較的浅いことが主因であり、１０００ｍ以深の海底鉱物資源開発は深度が障害となり従来のサルベージ技術、浚渫技術、海底石油掘削技術の延長では解決できていない。
生物の世界では、マッコウクジラは生体で特段の耐圧技術を使わず、エネルギーもほとんど使わずに、３０００ｍまで潜ってダイオウイカを捕食して海面に戻ってくる。マッコウクジラが深度を障害とせず深海底と海面を容易に往復できる理由は、第一に、生体内で液体と固体の内外圧を等しくして高圧環境での構造的問題を回避していること、第二に、海底や海上の物体と独立に移動でき、構造的にも運動体としても自律的であるため、構造物としての制約が少ないことにある。第三に、クジラは“脳油”の温度による比重変化を利用して浮力を調節してほとんどエネルギーを使わずに昇降しており、浮力を利用した昇降が海中のような液体内の上下移動手段として最もエネルギー効率が良いことを示している。
【０００９】
しかし、以上の問題意識で、海底で鉱石の水中重量を打消す浮力を得て鉱石を揚収するには、次の２方法以外はない。
第一は水中で無から浮力を発生させる方法であり、この視点から解決に取り組んだのが本特許と同一発明人の特許文献３の方法である。高圧環境の海底で最も効率が良いのは水の電気分解による分子量が最小の水素の発生であり、発生源の純水の海底への持ち込み、海底への送電、浮上過程での余剰水素の回収も効率的に行える。海底で水素ガスを発生させて、浮力源として海底資源の揚収に用い、浮上に伴い余剰となった水素ガスをトルエンに吸収させ、MCHとし、水素エネルギー源として回収再利用する。しかし、この方法では (ａ)海底で電気分解により水素ガスを発生させるための電力、（ｂ）海底での電気分解装置、（ｃ）浮上過程での水素吸収のための有機ハイドライド反応装置、(d)揚収過程での水素反応制御装置が不可欠となる。
【００１０】
第二は本発明のように海面から“浮力”＋“バラスト”の形で浮力を打消して海底に浮力源を持ち込み、“バラスト”を切り離して海底でそれまで存在していない浮力を発生させる方法である。バラストは比重の重い固体または液体と考えてよいので海面から海底に持ち込む過程で水圧の影響は受けないと考えてよく比重も一定である。浮力源としては液体であれば海底でも水圧の影響を受けないので、常温で液体の最も比重が軽いｎ−ペンタン（沸点が36.1℃、比重0.626）、コスト的に安価なガソリン（比重０．７０）が最も目的に会う。
本発明の方法では、第一の方法で必要な（ａ）から（ｄ）の水素関連機材を省略できコストが削減でき、また、液体の浮力源は終始密閉状態にして置いてよいので取扱い容易という利点もあるが、次の２点を解決する必要があり、本発明の課題となる。
（１）海底にバラストと共に持ち込んだ浮力源からバラストを切り離して揚収すべき鉱石への接続換えを遠隔操作で、大浮力を発生している浮力源に対して実施する。
（２）商業的に海底資源を揚収するためには、連続的にプロセスを繰り返すことができる。
なお、海面から気体を浮力源として海底に持ち込むのは耐圧殻を用いざるを得ず、試算すれば効率とコストが引き合わないことが分かる。海面からパイプで高圧空気を吹き込むのもこの変形といえる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第一は、高圧環境の障害を根源的に回避するために、構成機材より気体を排除して、内外圧を等しくして耐圧機材を無くし、耐圧要件を回避した。このため揚収の浮力源として常温で水より比重の軽い液体（例えばｎ−ペンタン、ガソリン）を用いた。浮力源を海底まで到達させるために浮力を打消すバラストと共に沈下させ、海底でバラストと揚収鉱石を置き換える。本発明の方法では機構的に高応力の箇所がないので装置のスケールアップが容易となった。
【００１２】
第二は、浮力による揚収方法は鉱物資源を海中でスラリー化してポンプで海面に持ち上げる方法に対比して、高揚程ポンプが不要となる。圧力差の大きい可動機構、高圧配管、摩擦機構、耐圧機構がなくなり、スラリー輸送による輸送パイプの摩耗、シーリングの問題も生じない。さらに、本発明の方法では、海底より回収する物体をそのまま持ち上げるので、回収物体に対する寸法形状および物性の制約がない。海底資源については情報が少なく、海底では視程も悪く、情報収集手段が限られるので、鉱物破砕とスラリー化によるエネルギーの投入と海水汚染も回避できる。海底でのスラリー化を行うなどの海底での鉱物加工を排除し、原石のまま揚収する利点は大きい。さらに海底から高揚程の鉱物圧送を回避して、エネルギーの浪費を回避した。
【００１３】
第三に、構成機材の水中重量を軽量化し、定常運用の一環として全機材が浮力により自力で海面に浮上できるようにした。この結果、全機材の保守点検が容易となる。さらに自律航法で昇降できるので、揚鉱管のような海中および海底構造物と海上船舶との力学的連結がなく、海洋条件および海上指令船（母船）の位置制御条件の緩和を実現し、海上指令船のコストダウンになる。このことは同時に海底設置機材の移動を容易化するので、海底に薄く広く広がっている鉱物の収集に適した機動性が実現可能となった。
第四に、浮力差による移動速度を向上させて設備稼働率を向上する一方、水の抵抗を積極的に利用して抵抗翼の展開による終端速度の減速を行い、海底着床と海上指令船への帰還を安全化する。
【００１４】
しかしながら、上記の第一から第四の手段は、現実の世界で具体的に実現できて初めて課題を解決する手段となりうる。以下に実現を担保する方法について記述する。海底資源揚収システムの運用の全容は図０２に示す通りであり、主たる機材である深海クレーンの構成は図０１に示すとおりである。洋上の海上司令船０１０より気球状の形状の深海クレーン００１の浮力タンク００２に比重が水より軽い液体を充填して貨物室にバラストを積んで海底に降下させ、海底でバラストと採集鉱物を交換して海面に浮上させる。
（１）  軽量化による実現性の担保
浮力を利用するのためには装置の比重を１．０近辺にする必要があり、装置全体の軽量化が不可欠であり、比重が１．８程度の強靭な炭素繊維樹脂を含む軽量強靭な材料を構造材として用いる。とくに、海中より採集鉱物を揚収する深海クレーンの実現においては、全体比重海底と海面を往復するに際して、全体重量を１．０近辺に保ちながら、バラスト＝揚収鉱石の重量比率をどこまで高められるかが経済性の面で重要なカギとなる。すなわち、比重が１．０近辺というのは、自重による自由降下で海底への軟着床が可能であることを意味する。
【００１５】
軽量化は実現化のための重要要件であり、実現性のカギとなるので以下に検討する。
（ａ）  浮上時
試算例として、海底から一回の揚収で１０トン程度の資源を１０００から６５００ｍの海底から回収する典型的な深海クレーンの諸元例（単位mm）図１に示す。充填する液体はガソリン（比重０．７０）とする。浮力源として、浮力タンク００２の容量は３３．５１ｍ３であり、重量は厚さ５ｍｍの炭素繊維樹脂を用いた場合、容積は、６．４  ｘ  １０６  ｃｍ３であり、代表的な比重１．８とすると水中重量は、５．１トンとなる。
（  V     =  ２．０x２．０x２．０xπ  ｘ  ４／３  ＝  ３３．５１  ｍ３
浮力＝  ３３．５１x０．３０  ＝１０．０５トン
S =  ４ｘ２．０ｘ２．０ｘπ    ＝  ５０．２６ｍ２
水中重量  Ｗ  ＝  ５０．２６  ｘ０．００５ｘ０．８  =０．２０トン
外壁にかかる最大せん断応力は、１０．０５／２トンの浮力を得て上昇中に  球中央外壁部に上下方向にかかる。外壁円柱部断面積は肉厚５ｍｍの場合３１４．２ｃｍ2であり炭素繊維樹脂の代表的せん断応力を１５０ｋｇｆ／ｍｍ2、圧縮破壊応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ2当該すると３１４０トンまで耐えられる。荷重に対して３０倍の強度がある。以上、本発明は現在の技術で十分実現性があると言える。
【００１６】
（ｂ）  下降時
下降時は浮力ユニットにガソリンを３３．５１ｍ３充填してあるので、貨物室００５にバラストとあわせて深海クレーンの機材重量を３３．５１トンであれば全体の比重が１．０となり、若干の重量を付加して比重を１．０＋αとすることにより、緩やかに海底に向けて降下させることができ、海底に軟着床させることができる。（図２）  浮力タンクは0．２トンと見積れるので貨物室と付加機材が０．５トンまでであれば、バラストは９．３５トンであり、海底で９．３トンの鉱石を積載できる。深海クレーン００２は物理的な制約がないため資源を自由に取ることができて、図０３に示すように直径９．０ｍの浮力タンクを使用すれば海底から１００トンの鉱物を揚収することができる。
【００１７】
（２）商業運転の実現
本発明になるシステムは継続的かつ連続的に、海底の鉱物資源を揚収し採集するシステムであるので、かかる運用を具体的に実現するものでなくてはならない。
この目的に沿う運用形態を図４に示した。
深海クレーン  ００１は、ガソリンの浮力を用いて海底００９より海底資源を揚収するクレーンの役割を行うものであるが、深海クレーン００１に加えて海底資源を海底で収集して深海クレーン００１に積み込む機能が必要である。この目的で、鉱物収集装置（海底パワーショベル）０１５を海底に設置して対応する。
海底資源は深度１０００ｍから６５００ｍの海底に広範に存在する。海底熱水鉱床は岩塊として、マンガン団塊は、海底に礫状に散在して、またコバルトリッチクラストは海底に薄く枕状溶岩として堆積して、レアアース泥は海底数メートルの深度に数〜１０ｍにわたって堆積している。
【００１８】
地上であればこれら海底資源はパワーショベルで収集できるが、海底では、揚収手段である深海クレーン ００１に積み込む手段がないので、鉱物収集装置（海底パワーショベル）０１５を用いる。
海底では一般に視程は保証されていない。この対策として超音波高精細ビデオカメラを海底パワーショベル０１５に搭載して海上司令船０１０より遠隔操縦で操作する。本発明の出願時点では商用で視程３５〜８０ｍ、視界２９°、ビーム数９６（分解能）、２０フレーム／秒のものまで実用化されている。（非特許文献８）
図２９は電動パワーショベルの例である。パワーショベルは油圧機構で駆動するが、駆動機構は差圧で動作するので、原理的に周囲の圧力環境に依存しないので海底の高圧環境でも電動油圧機構と移動機構をモータ駆動にすれば動作可能である。海上指令０１０より電力供給と遠隔制御を行う。超音波高精細ビデオカメラ０５０は海上指令船０１０より遠隔操縦で操作するリモコン雲台２６５の上に設置され、任意の方向の視界が海上指令船０１０で得られる。電動パワーショベル０１５の重心の上方には回収リング０３７を設け海底からのパワーショベル回収運用で用いる。
【００１９】
図２で、海底を離床した深海クレーン００１は浮上経路０４６で海上指令船０１０に向かって上昇し、海面０３２に到着する。海上司令船船０１０は深海クレーン００１より、採集鉱物０１８を回収する。回収後は、貨物室００５にバラストを搭載し沈降経路０４４で海底に降下させる。
海上司令船０１０は、バラストを出発港より運び、採掘点海上で採集鉱物０１８を回収して出港地にもどり、この往復を繰り返す。
【００２０】
海上指令船０１０は、海底の鉱物資源を採取の中核となる基地船で、採集海底の海上に占位し、鉱物資源を採取の指揮、機材の保守、電源の供給を行う。複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を搭載して鉱物採集地点に進出して、複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を海中および海面に展開する。海上指令船０１０は関連するすべての機材の運用を管制し、その目的のためのシステムを装備する。
海上指令船０１０は、海底の資源状態によって位置を変えることができる。深海クレーン００１のいずれも比重１．０近辺にすることができるため、一旦海面に浮上させて揚収した後、新地点で展開することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、海底から物質の揚収を浮力により行うため、エネルギー消費が少なく、海底を往復する機材に気体を含まないため海底深度による機械的影響が少なく、１０００ｍ未満から５０００ｍ超まで広範に適用できる。また、構造的に強度が制約される部分がないため、スケールアップが容易である。さらに揚収鉱石を微粉化しないので海中汚染も起こさない。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明を行う。なお、本発明は以下の説明に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々に変形を加えて実施することが可能である。深海底と海面の間を往復して、繰り返し資源を揚収する装置を本書では、以下、「深海クレーン」と呼び、周辺の支援装置を含めて全体を「海底資源揚収システム」と呼ぶ(図２ 海底資源揚収システム全体図）。深海クレーンはマッコウクジラから学ぶべき次の３点は全て採用している。
（１）  内外圧を均衡させる
（２）  浮力を利用する
（３）  自律的に移動する（自律航法）
【００２３】
本発明の揚収は密閉した常温で液体の低比重液体の浮力をバラストによる重力と組み合わせ操作することにより行う。陸上より海面上を運搬したバラストを海底にあるほぼ等重量の鉱石と交換するシステムであり、エネルギーの投入自体を行わないのが特徴である。また浮力源は密閉しているので方式上新規に浮力源を追加発生させることはできない。
（１）  比重制御
a.      搭載しているバラストを放棄して水中重量を減少させて比重を軽くすることにより比重を減少させることができる。
b.      浮上または降下中は比重を増加できない。
（２）  終端速度制御
【００２４】
水のような粘性流体中を重力または浮力を受けて移動する時、抗力と均衡して一定速度になる終端速度がある。比重は海水比重の近辺に設定する運用を行うが、海水比重より小さい分をαとすると、αと深海クレーンの形状に規定される一定の最終速度で浮上する。海水比重より大きい場合大きい分をαとすると、αと深海クレーンの形状に規定される一定の最終速度で降下する。αの調節および減速器があれば減速器展開による抵抗増減で終端速度を調整する。
（３）  海面からの降下および着床
a.      降下時は比重を海水比重＋αに設定する。αは大きいほど降下時間は短縮されるが消費バラスト量が増大すること、ｂ．の制御が難しくなる欠点があり最適値を調整で求める。
b.      着床が近づくと、バラストを投棄して終端速度を０に近づけ軟着床する。
（４） 海底から海面への浮上
浮上時は比重を海水比重−αに設定して浮上し、制御翼兼着床用脚００６で速度調整しながら海上母船０１０の近傍に到着させる。海底から空荷で浮上するような浮力過多の場合は減速パラシュート０６４（図２７）を利用する。
【００２５】
Ｉ  海底資源揚収装置の構成機器
１．深海クレーン
深海クレーン００１は図１に示すように気球と類似の構造を持ち、海面と海底を往復する球状の浮力タンク００２に貨物室００５を吊下ネット００３、吊下索００４で吊り下げた無人潜航体で、鉱物揚収を行う。球形の浮力タンク００２を採用するのは製造が容易であること、表面積に対する容積が大きいこと、他の形状に比べて強度が得やすいこと、水中航走体としての特性が単純で、構造計算が簡単であることによる。海中深度によらず内外圧をほぼ等しくして運用するために耐圧能力は必要ない。浮力タンク００２はジュラルミンなどの軽量金属または軽量で強度の得られる炭素繊維樹脂で構成され、常温において液体で、水より比重の軽いｎシクロペンタン（比重０．６３）またはガソリン（比重０．７０）を密閉充填する。ガソリンは得られる浮力が劣るが価格が低い利点がある。
【００２６】
深海クレーン００１は自律航法で海底と海面を往復するが、下降時は水より大きい比重に設定され、上昇時には水より小さい比重に設定される。海面からの下降時にはバラストを積載して沈下し、上昇時にはバラストの替わりに鉱物を積載して上昇する。上昇時の積載鉱物に見合う浮力は海底でバラストを投棄することによって得る。
また貨物室００５には開閉可能な制御翼兼着床脚００６が設置され、制御用と減速用の翼が設置される。図１、図２３（ａ）で深海クレーン００１の貨物室００５のZ軸対称にX軸の正負方向に各２個、Y軸の正負方向に各２個の制御翼兼着床脚００６ａ，ｂ，ｃ，ｄ を設ける。制御翼兼着床用脚００６は浮力タンク００２と貨物室００５内の積載物重量をバランスさせる運用なので、着床時負担する荷重は少ない。深海クレーン００１の最大の特徴はバラストと採集鉱物を、重力を利用して軽量簡単な機構で置き換えることである。海底では制御翼兼着床用脚００６を用いて貨物室００５が着床し、浮力タンクは上方に浮いている。浮力タンク００２と貨物室００６の間には鉱物投入用間隙０９２があり、貨物室の上方より採集鉱物を投入することにより下方よりバラストを押し出してバラストを採集鉱物に置き換える。バラストの投棄量を調節して海底への着床維持と浮上を制御する。
【００２７】
深海クレーン００１は自律水中航走体であるため誘導制御が不可欠で、水中音響、画像処理、慣性航法のほか、制御理論を適用する。海上司令船０１０との制御・画像信号の通信のためには光ファイバケーブルを用いる
図１７（ａ−１）は深海クレーン００１の上面図であり、浮上時に海上司令船母船０１０に誘導するための発音素子２３０、感音素子A〜D  ２３１〜２３４を設置する。また、図１７（ａ−２）は深海クレーン００１の貨物室００５の下面図であり、降下時に着床点０１１に誘導するために同様に、発音素子２３０、感音素子A〜D  ２３１〜２３４、撮像素子２３５を設置する。これらの運用法、実施例は「ＩＩ  航法系」の項で詳述する。
図２で電源信号ケーブル０１２は深海クレーン００１に連接し、制御信号と電源を海上指令船０１０より供給する。信号ケーブルは光ファイバにより軽量化を図る。なお、電気機器は完全油浸ないし水浸である必要があり、電子回路もレジン封入を含む方法で耐圧性を確保する。
【００２８】
１．  １  貨物室による鉱石揚収
深海クレーン００１は浮力タンク００２の浮力と貨物室００５に搭載したバラストの重量が水の比重より若干大きい状態で海底に近づく。貨物室の下部より投下するバラストの量を微調整することにより着床速度を調整できるが、ひとたび水の比重より軽くなると比重を増したり下方に推進する手段を持たせていないので、着床速度は深海クレーンの機械的強度により定められる一定値、概ね毎秒０．７メートル程度に設定する。制御翼兼着床用脚００６は海底の起伏に応じて開度を自動調整する。
【００２９】
深海クレーン００１の降下経路及び浮上経路の制御は図２３（ａ）の制御翼兼着床脚００６の開脚度と回転角を制御して行う。制御翼兼着床脚００６には網目状の翼が設置されていて水流の制御と制動を行う。エネルギーを投入する制御は行わず下降又は浮上時の位置エネルギーを制御翼により変換して制御力にする。図２３（ｃ）は制御翼兼着床脚００６による制御力の発生メカニズムを示す図であり、（ａ）は重力ベクトル３０９が浮力ベクトル３００より沈降力３０３だけ大きい沈降過程を示す。このとき（ｂ）に示すような傾いた制御翼００６が存在すると制御翼００６に直角に制御翼抗力３０２が発生し、その結果、翼推力３１４が発生する。（ｃ）翼推力３１４により斜め下に移動するが翼推力３１４を反対方向に打消す深海クレーン抗力３１５が働くことにより、翼推力３１４方向に一定速度で降下する。図２３（ｂ）は翼推力を各制御翼兼着床脚に記載したものである。
図２６（ａ）は各制御翼が軸回りに同一方向に傾いていて深海クレーンの回転を行う。回転方向は下降時と浮上時は逆となる。図２650（ｂ）は対向する制御翼二枚を水平座標面で同一方向に傾ける。残りの二枚は鉛直に向けて水平方向に制御力が発生しないようにする。図２５（ａ）は開脚度を最小にして制動力を最小にする場合であり、図２５（ｂ）は開脚度を最大にして制動力を最大にする場合である。図１で制御翼兼着床用脚００６の各付け根に着床用脚の開閉機構兼重量センサ００７を設けて制御翼兼着床用脚００６の開傘角度を開度調整範囲０４８の範囲で深海クレーン制御装置２８４により制御する。制動力の調節は深海クレーン００１に対する図１４減速器個別制御量計算２２０による制御翼制御系２２２による。
【００３０】
図４は深海クレーン００１に対する採集鉱物積載の状況を示している。採集鉱物は電動パワーショベルにより貨物室００５の上方より投入されるが、着床用脚の根元にある重量計（開閉機構兼重量センサ００７）で投入量を監視し、投入量に見合った量のバラストを積載物排出機構より投棄する。全てのバラストを投棄しても深海クレーンの比重が海水より大きくなると浮上できなくなるので、制御翼兼着床翼の根もとにある重量計計測値の変化から残余バラスト量をアルゴリズムにより常時監視して採集鉱物投入を中止して浮上する。
【００３１】
（１）貨物室の構成と運用
貨物室００５は下記方針で構成する。
第一に自然の重力を利用して海底でバラストと揚収すべき鉱物を交換するために、バラストと揚収鉱石を搭載する貨物室００５の構造を決定する。貨物室００５は重力を用いてバラストを放棄し、揚収鉱物を搭載するために上方に開いた形状を持ち下端に開閉可能な放出口がある。この目的に合う形状は上方に開けた円錐台である。揚収鉱石は上方より投入され、下端にある放出口からバラストが放出できるようにする。バラストは流動性を確保するため粒度が細かい土砂を用いる。
第二にバラストと揚収鉱石と混合することを避け防止するため、貨物室００５の上方を覆う隔壁を設ける隔壁は貨物室００５.の上縁部を隙間なく上辺部を覆い上方から揚収鉱石を投入するにつれバラストとの境界を占めながら下端の排出口に移動する構造とする。隔壁は蛇腹式で下方に伸長するものでも、膜状のものでもよい。
【００３２】
第三にバラストと揚収鉱石を交換するに際しては、浮力源が発生する浮力をバラスト、揚収鉱物、揚収機材（深海クレーンと以下呼称する）の重量の総和（深海クレーン全体重量と呼称する）より小さくするようにバラストの投棄量を制御する。この目的で深海クレーン全体重量を計測するセンサを設け、計算機によりバラストの投棄量を予測し制御する。揚収鉱石の搭載が完了して浮上を開始する場合は深海クレーン全体重量を水より小さくする。
第四にバラストの流動性の確保する必要がある。これは搭載する揚収鉱石に対応して深海クレーン全体重量を正確に制御する必要があるためで、バラスト排出口を制御してバラスト排出量を正確に制御できなくてはならず、バラストの流動性が必須となる。この目的のためバラストの粒度を細かくすると同時に流動性を増すために水流を噴射する構造とする。
【００３３】
図５はバラストと投入したバラストと採集鉱物を交換するための機構を示しており、下側に絞る構造の円錐台の形をしている。図５（ａ）は着床時の貨物室００５がバラストで充填されていることを示す。バラストは細粒状の土砂で貨物室００５の下端に設けた排出物排出機構００８により投棄量の微調整が可能である。バラストの投棄は重力によって行われ、採集鉱物の選鉱滓、精錬滓を用いると輸送コストと環境負荷を削減できる。上部を仕切機構０１６で覆い、上部より採集鉱物を投入し下端の積載物排出機構００８よりバラスト投棄を行っても両者の混合と採集鉱物が投棄されるのを防止する。図５（ｄ）（ｅ）は下方に延長可能な蛇腹構造の仕切機構の例を示しているが膜構造でもよい。図５（ｂ）は採集鉱物投入の途中過程で図５（ｃ）は採集鉱物投入の終了時を示す。実際の運用では浮上時に深海クレーンの比重を海水より軽くする必要があるので投棄用のバラストを残しておく必要がある。
【００３４】
図７（ａ−２）はＡ−Ｂでの断面図である。減速器兼着床用脚００５の各付け根に開閉機構兼重量センサ００７を設けて制御翼兼着床用脚００６の開傘角度を開度調整範囲０４８の範囲で制御する。図２は図１の深海クレーン００１の運用例を示したものである。海上指令０１0より貨物室００５の制御翼兼着床用脚００６を畳んだ状態（図２（ａ））で貨物室００５にバラストを搭載して全体の比重を１．０＋αの状態で海底に降下させる。航法制御につては慣性航法区間０９０、および音響航法区間０９１を経て、海底に近接したところで制御翼兼着床用脚００６を開き（図２（ｃ）、減速し、必要に応じてバラストを投下して軟着陸する(図２（ｃ）)。
【００３５】
図３に海底に於ける鉱石搭載の例。を示す。浮力タンク００２と貨物室００９の鉱石投入間隙０９２より採集鉱物０１８を海底パワーショベル０１５により投入する。海底パワーショベル０１５は電動モータにより油圧システムを駆動する。重量約６〜８トンであり、浮力タンク００２に充填したガソリンによる浮力が図１のシステムの場合約１０トンであるので貨物室００５に吊下して海底に持ち込むこともできる。貨物室００５は浮力タンク００２の浮力と均衡するバラストを搭載して海底に軟着床する。海底パワーショベル０１５は採集鉱物０１８を貨物室００５に投入するが、深海クレーン００１は投入された採集鉱物０１８に見合ったバラストを積載物排出機構００８より投棄しつつ深海クレーン００１が浮上しないように投棄量を調整する。図１の制御翼兼着床用脚００６の各付け根には開閉機構兼重量センサ００７があり、各着床用脚の重量計測値の和が正であれば着床状態である。着床状態で深海クレーン００１に採集鉱物０２３を投入すると重量計測値が増加するので、増加量に見合った重量を積載物排出機構００８より投棄する。
【００３６】
海底パワーショベル０１５には採集鉱物投入作業に便利なように各種アタッチメント（図２７（ｂ））を予め取り付けることも可能である。図４の採集鉱物投入ではバラスト０１７が採集鉱物０１８に最大限置き換わることが望ましい。このためには次の対策が有効である。
（１）        積載物排出機構００８出口に開口度を調節可能な排出絞り機構を設置し、バラストを細粒で準備することにより、バラストのみを投棄させ、最終鉱物の積載空間を確保する。
（２）        採集鉱物０１８がレアアース泥のような細粒の場合にも対応できるように、バラスト上面に遮断用のシートまたは伸縮可能な仕切り機構で上面を覆い、仕切機構０１６より下の部分を投棄するようにする。
図２（ｄ）で深海クレーン００１への採集鉱物０１８搭載が終了すると残余のバラストを投下して浮力を得て浮上する(図２（ｅ）)。さらに制御翼兼着床用脚００６をたたんで(図２（ｆ）)抵抗を減らして上昇し、海面への接近に伴い、制御翼兼着床用脚００６を開傘して減速し、図１４海上指令船０１０近傍に誘導する。
【００３７】
図４を用いて海底に於ける鉱石搭載の運用例を説明する。貨物室００５は３本の吊下索００４で浮力タンク００２より吊下されているので浮力タンク００２と貨物室００５の間に鉱物投入間隙０９２があり、採集鉱物０１８を海底パワーショベル０１５で投入することができる。図５(ａ)は貨物室００５へバラスト０１７を積載して海底に持ち込んだ時の状態を示す。バラスト０１７の上を覆う形で仕切機構０１６がある。図５（ｅ）は上方より見た上面図であり、図５（ｄ）仕切機構０１６は切断である。仕切機構０１６は図５（ｄ）に示すように伸縮可能な蛇腹機構であり、圧縮時は図５（ａ）の状態である。貨物室００５に上方より採集鉱物０２３を投入すると図５（ｂ）に示すように積載物排出機構００８によりバラスト０１７が重力により下方に廃棄され、採集鉱物０１８が仕切機構０１６の上側に搭載される。図５（ｃ）は採集鉱物積載完了時の状態であり、バラスト０１７は積載物排出機構００８より完全に下方に廃棄され、採集鉱物０１８が仕切機構０１６の上側に搭載され、仕切機構０１６は伸長し、貨物室００５の内側に密着した状態となる。採集鉱物０１８が重力によりバラスト０１７を押し出す。
【００３８】
図６は貨物室００５の内壁に仕切機構０１６の下側に設置される水流機構の例であり、注水機構１    ０２３および注水機構２  ０２５より注水管０２６の注水孔０２７より注水を行いバラスト０１７の流動性を増し、積載物排出機構００８から重力により採集鉱物０１８によりバラスト０１７が押し出されやすくする。図６の例では水流機構を信頼性向上のため２系統に分割し、１系統が動作しなくても深海クレーン総重量制御に支障が無いようにしている。水流を駆動する水流発生器1，２  ０２３，０２５も各系統に設置し２重化している。
図７は排出絞り機構の構成例を示したものである。図7（ａ−２）は排出口開口時の状態を示す。開閉機構は構成例の場合、円板に扇状の開口部を２２．５度おきに空け（ａ−３）Ｃ−Ｄ断面図に示すように上下に重ねて配置する。（ａ−２）Ａ−Ｂ断面図のように絞り板１  ０２８と絞り板２  ０２９を重ねると開状態となる。（ｂ−２）Ａ−Ｂ断面図のように配置すると閉状態となる。開閉の操作は（ａ−１）上面図、（ｂ−１）上面図に示す。
【００３９】
回転駆動機構１  ０２８により絞り板１  ０２８をモーター１  ０２１−１、ウォームギア１  ０３３−１を介して絞り板１  ０２８周辺部に刻んだ歯車を動かして回転させ、回転駆動機構２  ０３１により絞り板２  ０２９をモーター２  ０２１−２、ウォームギア２  ０３３−２を介して絞り板２  ０２９周辺部に刻んだ歯車を動かして回転させ、積載物排出機構００８の開閉状態を制御する。貨物室００５の排出絞り機構００８の開閉は深海クレーン００１全体重量の制御に極めて重要で、バラスト放出に失敗して比重を海水より小さくできないと海面への浮上が不可能となり、鉱石積載終了前に比重が海水以下になると意図しない浮上が発生する。このような事態を防止するためには、貨物室の排出絞り機構は絞り板を２分し、回転駆動機構の片系が動作不良の場合にも残存系を利用して浮上できるようにしている。２重系は図６貨物室の水流機構においても導入されており、注水機構１ ０２３、注水機構２ ０２５のいずれか一方が故障しても機能停止に陥らないように構成している。
【００４０】
図８に記載する貨物室制御システムが揚収鉱物積込み機構全体を制御する。システム自体はマイコン制御システムで、開閉機構兼重量センサ００７のストレーンゲージで制御翼兼着床用脚００６の各脚にかかっている荷重を計測する。水中重量の計測がプラスであると着床が継続する。初めて着床した時点の水中重量は採集鉱物０１８を投入するごとに投入分増大する。積載物排出機構００８から放出するバラスト重量は計測できるので、着床時に海底に持ち込んだ既知のバラスト重量から、残余のバラスト量が計算できる。残余のバラストを全量廃棄すれば浮上できる範囲で採集鉱物０１８を投入すればよい。図７の貨物室排出絞り機構の開閉度を調整してバラストの放出量を調整するので、回転駆動機構１ ０３０および回転駆動機構２ ０３１を２チャンネルのモーター制御装置２０４で制御し、回転位置を回転位置取込装置２０５で取り込む。図６の２チャンネルの水流機構を制御するため、水流発生器1  ０１９および水流発生器２  ０２０を２チャンネルのモーター制御装置２０４で制御し、回転数取込装置２０５で取り込む。インターフェイス２０３を介して深海クレーン電源及び制御装置２７８に深海クレーン００１の全体重量を含む状態値を報告すると同時に深海クレーンの浮上命令に基づき、図７の貨物室の排出絞り機構を制御してバラスト放棄による深海クレーン００１の全体重量の比重を海水より少なくして浮上を行う。
【００４１】
図９は貨物室積載物構成の時間推移の例を示すグラフであり、実際に計測可能なのは海底に持ち込んだバラスト重量と着床用脚展開及び重量計測機構０１４に設置されたストレーンゲージ０５０より求められた深海クレーン全体の水中重量（以下、“全体水中重量”と称す）である。図９の実太線は全体水中重量の時間変化を示し、実測可能値である。（ホ）は全体水中重量＝０を示し、全体水中重量がこの値を下回ると浮上する。（ニ）全体水中重量閾値 は海底滞在中に計画外の浮上を避けるために全体水中重量を（ニ）全体水中重量閾値を下回らないように制御する。（チ）は深海クレーンが海底に着床した時の状態であり、全体水中重量＞０である。全体水中重量＞（ニ）全体水中重量閾値 であればバラストを投棄する。（イ）バラスト投棄制御による全体水中重量変化はこの時の重量変化を示す。この時の減少値を以てバラスト残量推定値を減ずる（図中太線点線の曲線）。貨物室００５に採集鉱物が投入されると１回の鉱石投入量分 だけ全体水中重量が増大する。この増大に対応して全体水中重量が（ニ）全体水中重量閾値になるまでバラストを投棄する。この時点で貨物室００５への採集鉱物の投入を許可すると、全体水中重量は（ロ）１回の鉱石投入量分増加する。このプロセスを繰り返して、（ト）の時点でバラスト残量推定値が（ハ）バラスト残量推定値閾値に達した時点でこれ以上の鉱石投入量を停止して残余のバラストを投棄しないと浮上できなくなるので、全体水中重量が（ヘ）浮上用閾値になるようにバラストを投棄する。
【００４２】
図９に示した貨物室積載物構成の時間推移を実現するためのシステム構成は図８貨物室制御システムであり、ソフトウェアは図１０貨物室制御システムの処理フローで示される。処理系の動作はタイマによる周期処理であり、図１０（ａ）で初期起動時に周期処理を起動する。図１０（ｂ）は周期処理の全体を規定する。図１０処理ブロック５０２でプラント計測データである重量計測データ取込、回転駆動機構１，２の回転位置、ジェットポンプ１，２の回転数を取り込む。処理ブロック５０３では合理性チェック、雑音除去を含んだプラント計測データの変化量・変化率計算を行う。処理ブロック５０４で鉱石投入許可するのはバラスト廃棄可能量が1回の採集鉱物投入量上限値より大きく、バラストの投棄が停止され全体水中重量が整定している場合である。バラスト廃棄可能量は海底に持ち込んだバラスト重量から投棄したバラストの積算値を引いて、安全値を引いたものである。
処理ブロック５０５は鉱石を貨物室００５への投入を阻止するために、海上母船０１０の鉱物収集装置コンソール４４１に採集鉱物投入禁止の警報を表示するためで、図８インターフェイス２０３より深海クレーン電源及び制御装置２７８経由で送信される。
【００４３】
処理ブロック５０４は揚収鉱石投入を許可しているかを判定する。揚収鉱石投入許可はバラスト投棄の停止中しか許可しないので、周期的に取り込んでいるストレーンゲージ０４９の値が整定していることと、海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０から採集鉱物投入許可か出ていないことを以て、鉱石投入許可でないと判定し、処理ブロック５０５へ移行する。鉱石投入許可中であると判断されたときは、プラント（深海クレーン）制御を行うのは状態が変動中で危険であると判断して処理ブロック５０７に移行する。
【００４４】
処理ブロック５０７ではバラスト投棄の要求が無く、かつバラスト投棄が進行中でないことを判定する。バラスト投棄が無い場合のみ鉱石投入を許すので、処理ブロック５０８で鉱石投入不許可表示
消去を海上指令船０１０の遠隔操作盤で行う。バラスト投棄がある場合は、処理ブロック５１３で貨物室の排出絞り機構を閉鎖し、処理ブロック５１４で鉱石投入不許可表示を海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０に要求する。
【００４５】
処理ブロック５０４で鉱石投入を不許可としている場合はバラスト投棄制御を許可し、処理ブロック５０５で  鉱石投入不許可警報表示要求を海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０に行う。処理ブロック５０６は浮上指令でなくかつ鉱石投入中でなくかつ重量計測データが正常であるか判定する。YESであるとはバラスト投棄制御をを行い、NOであるとは緊急による海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０からの指令または、揚収鉱石搭載完了による浮上制御を意味する。処理ブロック５０９では図９（ニ）全体水中重量閾値をバラスト投棄制御の目標値に設定する。処理ブロック５１０では図９（ヘ）浮上用閾値をバラスト投棄制御の目標値に設定する。
【００４６】
処理ブロック５１１は深海クレーン全体水中重量が閾値以下となった場合、処理ブロック５１３に移行してバラスト投棄を停止する。すなわち、図７の貨物室００５の排出絞り機構の回転駆動機構１，２  ０３１  ０３２を駆動して絞り機構を閉鎖し、バラストの流動化を行うための図６貨物室００５の水流機構も停止する。深海クレーン全体水中重量が閾値以上の場合、処理ブロック５１２で閾値に向けたPID制御演算を実施する。タイマで周期起動するディジタル系のPID制御は公知の技術であり、図７の貨物室００５の排出絞り機構の開度を制御し、同時に図６貨物室００５の水流機構に注水を行ってバラストの流動性を増加させる。
処理ブロック５１５では次回のサンプル周期の処理に備えて今回プラント値を前回プラント値として記憶し、処理ブロック５１６で次回のサンプル周期の処理を起動するためにタイマを設定する。
【００４７】
１．２  収集鉱物容器による鉱石揚収運用
採集鉱物０１８の収集は貨物室００５を用いる代わりに図１１に示す鉱物収集容器０３４を用いて行うこともできる。深海クレーン００１により事前に海底に搬入されている鉱物収集容器０３４に鉱物収集装置０１５で採集鉱物０１８を集積しておき、深海クレーン００１で揚収することもできる。利点として、第一に鉱物収集装置０１５による採掘と深海クレーン００１による揚収作業を切り離せることで、深海クレーン００１による揚収を海象の静かな時に集中して行い、海象の影響を受けにくい海底での鉱物収集装置０１５による採掘を継続して行うことができる。第二に採集鉱物０１８を過積載した場合に深海クレーン００１が浮上できなくなり失われるリスクを解消できる。特に過積載した鉱物収集容器０３４から過剰鉱石を鉱物収集装置０１５で排出することが可能であり、誤操作に対する耐性が増える。一方、鉱物収集容器０３４の回収リング０３７に図２６（ｂ）の貨物室００５の吊上フック０４７をドッキングして吊上げる必要があり、深海クレーン００１の精密位置制御が必要となる（これは、鉱物収集装置０１５の海底からの揚収と共用できる）。貨物室００５のバラスト排出機構、採集鉱物０１８積込み機構は不要となるが、深海クレーン００１の精密位置制御機構（図２６精密制御用アタッチメント）が必要となる。さらに、鉱物収集容器０３４が追加で必要になり、採集鉱物０１８重量測定用の重量センサ０３５と回収リング０３７の制御および深海クレーン００１とのドッキング用通信機能が必要となる。
【００４８】
図２４による深海クレーン００１の位置速度制御は能動的な推進力がないため静止状態から上方へ移動することはできない。精密な位置合わせを行うため、図２４の精密制御用アタッチメントを貨物室００５に付加して下記機能を付与する。
（１）水平方向推力                       図２４（ａ）水平スラスターａ〜ｄ
（２）垂直方向推力                       図２４（ａ）垂直スラスターＡ〜Ｄ
（３）光学航法用撮像装置             図２４（ｄ）  撮像装置２３５
（４）吊上げフック                          図２４（ｄ）  
（１）（２）は精密な位置合わせの推力を付与するため、（３）は撮影画像から光学航法により位置合わせ用の目標位置を精密測定する。（４）吊上げフックは撮像装置２３５の直下に取り付けられ、図２４（ｅ）に精密位置合わせ回収リングを吊上げる。精密制御用アタッチメントを付加した場合の貨物室００５に作用する推力は図２４（ｃ）作用ベクトル図に示す。
図２８（ｂ）は鉱物収集容器０３４を海底に持ち込む場合の状況を示す。鉱物収集容器０３４は空荷であるので軽量でありバラストの替わりに大量に海底に持ち込める。
【００４９】
図１１は海底に設置した鉱物収集容器０３４を用いた鉱物採集の方法を示しており、海底床に鉱物収集容器０３４を設置し、シュラウド０３６が閉じた状態で先端にある回収リング０３７を鉱物収集装置０１５で軽く圧下するとロック機構０４０が解除されるので、シュラウド０３６を鉱物収集装置０１５で軽く押して開状態にする。ロック機構０４０は一回目押すと篏合ロックされ二回目に押すと篏合ロックが解除される、例えばプッシュラッチ機構のロックであり、開閉機構０３８はロック機構０４０が外れた時はバネで開くようにする。シュラウド０３６は鉱物収集容器０３４を吊下して深海クレーン００１が浮上する時、貨物室００５に積載しているバラストを投棄する必要があり、鉱物収集容器０３４の内部に入らないようにするためのものである。
鉱物収集容器０３４は、マイコンシステムを搭載して深海クレーン００１と下記情報を交換して鉱物収集容器０３４への鉱物積込みと海底離床までの管理を行う。
鉱物収集容器034に図１２に示す鉱物収集容器制御装置28６を設置して図１３の鉱物収集用容器制御装置の処理フローを行う。海底に設置された鉱物収集容器034の認識番号（ＩＤ）は事前に定義されている。
【００５０】
鉱物収集容器０３４の海底への持ち込みから鉱石搭載による揚収までの一連の動作は下記である。
（１）        図２８（ｂ）に示すように鉱物収集容器を複数海底に搬入する。海底に置いた場合の姿勢は保証されない。
（２）        鉱物収集装置０１５の撮像装置２８３または超音波高精細ビデオカメラ０５０で撮像した動画を図３０海上司令船０１６のディスプレイ２５５で監視し操縦桿２７０で鉱物収集装置０１５のアームを操作して各鉱物収集装置を正立させ整列する。
（３）        鉱物を投入する鉱物収集容器０３４の認識番号（ＩＤ）を知る必要があるので、順次に音響トランスポンダで問合わせを行う。該当鉱物収集容器０３４は回収リング０３７を点滅させる。
（４）        鉱物を投入する鉱物収集容器０３４がIDとともに確定したので、シュラウド０３６を開く必要があるので、ロック機構０４０はプッシュラッチ機構のロックであるのでロック状態でシュラウド０３６を上から鉱物収集装置０１５のアームで押し下げるとシュラウド０３６が開く。
【００５１】
（５）        鉱物収集容器０３４に採集鉱物を投入すると重量が増加する。重量センサ０３５で計測しているので鉱物収集容器制御装置２８２が重量を鉱物収集容器制御装置処理フロー（図１３）に基づき計算し、重量問合せに対して回答し、規定重量に達したと鉱物収集装置制御装置２８５を通じて判断されると鉱物収集装置０１５のアームを操作して各鉱物収集装置０３４のシュラウド０３６を閉じ上から押し下げロック機構０４０をロックする。鉱物収集容器制御装置２８２は揚収OKとなるので、OKであると鉱物収集装置制御装置285を通して鉱物収集装置コンソール４４１に表示し、鉱物収集容器０３４で吊上げる回収リング０３７の上方に隣接するLEDを点灯する。
（６）        深海クレーン００１を精密位置制御して吊上フックをLEDを点灯した回収リング０３７にドッキングして、図２８（ｄ）に示すように吊上フック０４７で釣り上げる。図４３は鉱物収集装置０１５を海底から回収する運用を示すが、鉱物収集装置０１５の替わりに収集鉱物容器０３４を揚収すればよい。
（７）        図２８（ｄ）の状態で貨物室００５のバラストを投棄すると深海クレーンの比重が海水より軽くなり、海面に浮上する。
【００５２】
２．  鉱物収集装置
深海クレーン００１では揚鉱管による揚収を行わないため鉱石をスラリー化、細粒化する必要がなく、原姿に近い状態で揚収できる。そのため鉱物収集装置０１５は地上での鉱物採掘の類推でそのノウハウを最大限適用できる。採掘自体は地上であれば鉱山採掘機器で行われ、各種の鉱脈状態に対応している。海底資源は次の種類があり採掘に際してそれぞれ異なった特徴がある。
（１）海水熱水鉱床はマウンド状に岩塊として存在
（２）コバルトリッチクラストは海底に枕石状に存在
（３）マンガン団塊は１０数センチメートルの団塊として散乱
（４）レアアース泥は海底泥の数メートルから１０メートル下に数メートルから１０メートルの層をなして存在する。
【００５３】
鉱山採掘機器はいずれも建機を大型化したものであり、建機、例えば図２９に示すパワーショベルに各種アタッチメント（バケット、ブレーカー、回転破砕機、岩用首振りグラスパーなど）を付加すれば海底資源の異なった存在形態に対応できる。建機の駆動機構は油圧機構で動作していて駆動力は差圧であるので海底の高圧は差圧に関係ないので原理的には障害とならない。地上の建機は原動機で油圧ポンプを動かしているので、これを電動機にすることにより水中での動作が可能である。すでにリモコンにより水中で動作する建機が実用化されている。図２９はリモコン式水中建機の例であり洋上司令船０１０より操作可能とするために電源信号ケーブル０１２で連接し洋上司令船上の発電機から送電し、信号は光ケーブルで送る。海底は光が届かず泥を巻き上げて視界が保証されないことがあるので投光器と光学式撮像装置に加えて超音波式のビデオカメラ（例えば、http://www.soundmetrics.com/）を装備する。回収リング017は深海クレーン００１により海底より揚収回収する時に用いるものであり、円形のリングの周囲にＬＥＤ発光体と音響トランスポンダを設け、深海クレーンを精密誘導して深海クレーンの引き上げフックが篏合しやすいように誘導する目的で用いる。
【００５４】
2．１    設置および回収運用
深海クレーン００１は海底より採集鉱物を揚収することに加え、鉱物揚収装置００５のバラスト（電動パワーショベル）を洋上から海底に持ち込む操作と、海底から洋上に回収する操作を行う必要がある。この操作を行うためには海底より採集鉱物を貨物室００５に積載して揚収する場合に比べ次の点が異なる。
（１）鉱物収集装置０１５の海底への持ち込み
海底への降下時には図２７（ａ）に示すように、貨物室００５に鉱物収集装置０１５を吊下して降下し海底に軟着陸させることができる。位置精度および着床速度は採集鉱物揚収運用時と同様でよい。降下時は浮力タンク００２の浮力に対して上記条件を満足するように調整用のバラストを搭載し、海底に近づくと制御翼兼着床用脚００６を開きバラストを調整しながら投棄して着床速度を調整する。鉱物収集装置０１５を海底に設置した後は貨物室００５のバラストはなく、また負荷であった鉱物収集装置０１５もないため浮力が過多となり急速に上昇し貨物室の破損、洋上浮上時の応力による浮力タンク破損が予想される。この事態を防止するために上昇時に制動用パラシュートを開傘する（図２７（ｂ））。なお、鉱物収集装置０１５はガットクレーン船０６７のクレーン０６５で海底に下すこともできる。
【００５５】
（２）鉱物収集装置の海底からの回収
海底に存在する鉱物収集装置０１５を回収するためには、貨物室００５の下部に設置したフック０４７に引っ掛ける必要があり、位置精度でミリメートルオーダー、相対速度で秒速数センチメートルオーダーの精密制御が求められる。鉱物収集装置０１５をフック０４７に引っ掛けたあとは貨物室００５のバラストを投棄して深海クレーン００１の比重を海水より軽くして浮上する。
鉱物収集装置０１５の（１）および（２）の操作は採集鉱物の揚収と異なり精密な制御が必要とされるため、貨物室００５の上部にバラストと採集鉱物を隔離する仕切機構０１６の替わりに図２４に示す精密制御用アタッチメントを設置する。図２４に示すように電動の垂直スラスター４基と水平スラスター４基を設け電源として二次電池を付属させる。スラスターはフック上部に設けた撮像素子２３５による映像で制御する。鉱物収集装置０１５を海底に設置した後、浮上する場合は浮力過多となり貨物室００５及び海面浮上時に浮力タンク００１を応力過多で破損するのを防ぐ目的で減速用パラシュート０６４を用意しておき開傘させる。
【００５６】
図２７（ａ）は鉱物収集装置０１５海底に設置する場合の運用を示す図である。図２８（ｃ）図４３は鉱物収集装置０１５でを海底から回収する場合の運用を示す図である。海底からの回収は頻繁に行われる操作ではないので、精密制御用アタッチメントを貨物室の上部に設置して行う。精密制御用アタッチメントと鉱物収集装置０１５の重量は深海クレーン００１の採集鉱物揚収能力より少ない必要がある。図４３はメインテナンス等の目的で鉱物収集装置０１５を海底より揚収する場合の運用例を示す。深海クレーン００１にバラストを搭載して海底に降下させる（図４３（１））。海底に近づくと精密位置誘導するために減速器兼着床用脚０４３を開傘して最大限減速し、バラストも調整して投棄して海底に停止する（図４３（２））。吊上フック０４７を吊下し先端の撮像素子２３５で鉱物収集装置（電動パワーショベル）０１５の上部につけた回収リング０３７に吊上フック０４７を精密光学誘導し、吊上フック０４７で回収リング０３７を吊り下げる(図４３（３）)。鉱物収集装置０１５分のバラストを投下して浮上する(図４３（４）)。
【００５７】
３．  海上指令船
３．１    船種の選定
本発明の深海クレーン００１の運用では、海洋掘削リグ等の海中構造物を使用しないのでムーンプール及びバウスラスター等の一定位置制御機構を要しない。また、荷役方法を工夫して船上の小型クレーンで対応可能として６９９トンクラスガット鉱石運搬船での運用を可能とすることにより、海上司令船０１０として利用可能とする。ガット鉱石運搬船は採集鉱石運搬船としても利用できる。運搬船はバラストを出発港より運び、海上司令船０１０として機能し、採集鉱物をバラストの替わりに搭載して出港地にもどり、この往復を繰り返す。バラストは貨物室００５下端の積載物排出機構００９より海底に自由落下させるので細粒のものが必須で、量的には金属を抽出した鉱滓を利用すると量的、運搬の都合から都合がよい。  
【００５８】
海上司令船０１０は、採集海底の海上に占位し、鉱物資源を採取の指揮、機材の保守、単数または複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を搭載して鉱物採集地点に進出して、海中に展開する。海上司令船０１０は関連するすべての機材の運用を管制する。
海上指令船０１０の持つべき機能は下記である。
（１）母港より、複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５、発電設備搭載して鉱物採集地点に進出して、採集海底の海上に占位し、これら機材を海中および海面に展開し、また海中より自船に誘導し揚収する。
（２）鉱物採集を行う適地に深海クレーン００１を誘導するための音響位置標識０７５を投下設置する。
（３）海底資源の存在する太平洋海域の海流に対して自己位置を正確に保持し続ける。
（４）海底の資源状態によって位置を変え新地点で展開する。
（５）海中および海面に展開する機材を揚収して保守する。
（６）海中および海面に展開する機材に電源を供給する。
（７）深海クレーン００１、バラストを搭載して海底に向け沈降させ、海底より揚収した鉱物資源を回収する。
【００５９】
３．２  荷役方法
ガットクレーン船は図３２に示す砂利積載用の船倉が一区画ないし二区画設けられ船上に海底からの砂利引き上げように用いるクレーンを搭載した小型標準貨物船である。海底資源揚収を想定する運用想定海域は法律上「近海」に区分され、６９９トンクラス以上であることが必要である。積載量は１３００トン程度まで可能である。洋上の採掘点までバラストを搭載して進出し、採集鉱石と交換して戻ってくる運用を考える。ガットクレーン船は傭船費が安い利点があるが、以下に示すように荷役方法を含めた能力に合った運用方法でなくてはならない。
（１）定点維持機能
バウスラスターは装備していないのが海流及び風によって流される方向に逆らってＧＰＳで位置を測定して船舶位置を修正する。「みちびき」を利用することにより位置自体は高精度に把握できる。船舶の向きは海象によりが、海中構造物が無いので構わない。ＧＰＳによる自動位置保持機能を装備することが人員への負荷削減のためには必要である。
【００６０】
（２）荷役
図３２のクレーン０６５一つを用いて外洋で荷役を行うため風浪への対策が必要である。深海クレーン００１の浮力タンク００２は重量が３０トン以上あるので、深海クレーン００２全体を揚収するのは避け、海面に残し貨物室００５以下のみを揚収する。図３３に荷役用機材を示す。浮力タンク００１より貨物室００５を分離して揚収するためには、浮力タンク００１と貨物室００５の接続箇所が浮力タンクの中央の海面に来ることが望ましいので３１（ｂ）のように浮力タンクを３分し中心に空隙ができるようにする（図３１（ｂ）（ｃ））。
図３３（ａ）に示す3分した各主浮力タンク０５５〜０５７には各々貨物室吊上フック０６２付きのサブ浮力タンク０５９を設け海面に浮上させるようにし、サブ浮力タンク０５９についているフック０６２にクレーン０６５の先端を海面作業で引っ掛けて（図３４（ｂ））引き上げる。サブ浮力タンク０５９にかかる荷重が大きくなると、主浮力タンクとの接続が自動的に外れ（図３３（ｃ））て図３４（ｃ−２）のように主浮力タンクが切り離されて海面に浮かぶ状態となる。さらに図３４（ｄ）のように海面より釣り上げて鉱石を回収する。バラストを積載した貨物室００５は同じく図３４（ｄ）のように海面に吊り下げ、図３４（ｅ）で示すように海面にある主浮力タンクのマーカー浮きと浮力タンク切り替えスイッチが海面で隣接するので海面作業で接続を行う。さらに貨物室を海面に対して降下させると、浮力源が主浮力タンクに切り替わって降下を開始する（図３４（ｂ）（ａ））。
【００６１】
クレーンで釣り上げた貨物室００５は船上で荷役できる寸法重量となる。降下の場合図３４（ｂ）でクレーンワイヤの先端を解放する。海面に浮上してきた深海クレーンの貨物室に対してクレーンの先端を引っ掛ける作業（図３４（ａ）（ｂ））と海底への降下に先駆けて貨物室を主浮力タンクに接続する作業（図３４（ｅ））および、図３４（ｂ）でクレーンワイヤの先端を解放する作業は洋上で人手により行う必要がある。図３３及び図３４に示す工夫により、ガットクレーンによる荷役を可能とし、潜水作業も回避できたが、ガットクレーン船より小舟を下ろして行う作業であり、風浪がある程度穏やかな方向推力一用がある。海底では遠隔操作により電動建機を操作して採掘を行うが、貨物室に積み込むのに先立って、採掘、砕石、集積等の準備作業が必要である。海底での作業は海面での風浪の影響を受けないので、これら準備作業を風浪で海面での荷役作業ができないときの行い、海面での荷役ができるときに採集資源の揚収を集中的に行うようスケジュールする。
【００６２】
４．  音響位置標識
深海を含む海底はGPSなど電波による測位が不可能であるので、海面において精密な位置基準をGPSで求め、その直下に音響位置標識を誘導設置して設置し、精密な海底での位置基準となし、海底で位置情報を利用した作業を可能にする。海底に緯度経度を参照可能な形態で位置標識を打設し、海底における露天掘りを効率よく進めることである。GPS緯度経度情報を海面で高精度に得られるので海面上での高精度緯度経度を直下の海底の定点位置基準として利用することに技術的特徴がある。音響位置標識を海面上での高精度緯度経度の直下の海底に海面から誘導する方法には、以下に述べるように音響を用いて誘導する方法と慣性航法による方法がある。
４．１  音響誘導による設置
技術的特徴として、
第一に位置標識の設定手段のため、情報伝達手段として唯一可能な音波を海面と海底の間で利用するが、音波の伝搬は海中の温度分布が一様でないため屈折し直進しない特徴がある。このため位置標定には海中音響伝搬特性に最大限注意を払う。すなわち、温度分布は海中深度に対して層状に変化しており、層に直角な方向には屈折が起こらず直進性が保証される特徴があり、直下点に近い範囲では音響信号を使用できることを利用する。
第二に、音響信号により信号処理と制御技術により音響標識を海面上の定点位置基準の直下に誘導設置する。
【００６３】
図３７で音響位置標識の構成と設置手順の例を説明する。図３７（ａ）に示すのは音響位置標識０７８の外形図であり、重力で海中を沈降する。沈降に際してＸ軸操舵翼０７６とＹ軸操舵翼０７７を制御して沈降の経路を変更する。図３６（ｃ）音響位置標識設定方法に示すように海面に位置標識船  ０７０に占位させ、直下に音響位置標識０７５を降下させ、海底００９に自重で貫入錘０７９により定位させる。海底の流速は深海では1〜２ｃｍ／秒であり、海底ではＸ軸操舵翼０７６とＹ軸操舵０７７を水平に設定することにより定位が継続できる。
【００６４】
図３７は音響位置標識０７９の構成を示したものである。図３７（ａ）は正面図で円柱状の音響位置標識０７５の長軸に直交して誘導用のX軸操舵翼０７６とＹ軸操舵翼０７７を設置していることを示す。図３７（ｂ）は音響位置標識０７９の側面断面図である。音響位置標識０７５外部にはX軸操舵翼０７５とＹ軸操舵翼０７５があり、誘導用に角度を制御するためにX軸操舵翼サーボドライブ装置２７１とY軸操舵翼サーボドライブ装置２７２が内蔵されている。音響位置標識０７９は深海の高圧環境に耐える必要があるので、内部は油浸とし、内部の機材は完全に油浸の状態で機能するものでなくてはならない。X、Ｙ軸操舵翼サーボドライブ装置はラジコン機で実現されている水準でよい。
発音素子２７６、感音素子２７７は音響位置標識０７９の尾部に設置する。誘導制御のための動特性は図３７(ｃ)運動特性作用力ベクトルで規定される。Ｘ軸操舵翼０７６、Ｙ軸操舵翼０７７および音響位置標識０７５を含めた抗力の中心を尾部に置くことにより、Ｘ軸操舵翼０７６、Ｙ軸操舵翼０７７を操作して音響位置標識０７５の落下方向を制御できる。操舵分力Wｓ と操舵分力Ｒｓ が音響位置標識０７５に対して回転モーメントとして働く。
【００６５】
音響位置標識０７５は海底に設置後、音響位置標識としてトランスポンダとして長期間使用する。このため長時間使用に耐える電池０３１を内蔵し、併せて電源制御回路０３９を設け、トランスポンダとして不可欠な回路以外を遮断して長期運用に備える。音響位置標識０７５は電池で作動するので電池が消耗した時の対応として海面への回収手段を用意している。図３７（ｂ）に示すように音響位置標識０７５にガソリンを充填した浮力タンク０８１と、例えば鉄製の重りとなる貫入錘０７９を離脱機構０８０で接続一体化し、貫入錘０７９を含めると音響位置標識０７５の比重が海水より大きく、貫入錘０７９を分離すると海水より軽くなり海面に浮上回収できる仕組みとする。離脱機構０８０は図３８（ｃ）の音響位置標識制御部２８７でディジタル出力がＯＮになると爆発ボルト０７８が分離する。貫入錘０７９以外の音響位置標識部分は浮上後再充電することにより再利用できる。図４２音響トランスポンダ共通インフラで「浮上命令」により貫入錘０７９を爆破ボルト等により離脱させる。浮上命令の発行は海上司令船０１０の深海クレーン監視制御システム２０９で音響位置標識０７５の投入後の動作時間を監視して行う。
【００６６】
図３８（ｃ）は音響位置標識０７５内のシステム構成を示したものである。演算装置２００、ROM２０１、RAM２０２は音響トランスポンダ共通処理部と同様であり、X軸操舵翼サーボドライブ装置２７１、Y軸翼サーボドライブ装置２７２はラジコンシステムで公然実施されている。受振制御２７４、送振制御２７５は圧電素子である発音素子、感音素子を駆動する回路であり公然実施されており、音波と電気信号の変換を行う。電源制御回路２７３は図３８（ｂ）に示す音響位置標識０７５内のシステム構成要素の電源供給のON/OFFを制御して海底設置後、トランスポンダとして動作する時の電池の電力消費を削減する。図３８(a-2)に記載されるソフトウェアで実施する。
【００６７】
音響位置標識０７５には下記の動作モードがある。
（１） 誘導制御モード
（２） トランスポンダモード
音響位置標識０７５を海中に投入する前に、図３８（ａ−１）で誘導制御モードに設定する初期化を行い、トランスポンダモードをＯＦＦにして誘導制御モードとする。
海面の位置標識船０７０、無人補助船Ａ〜Ｄより誘導音響信号を受振すると、図３８（ａ−２）誘導処理で誘導論理６８２（図３９）で操舵翼操作量計算６８２を行い、誘導信号受信監視タイマリセット６６７を行う。図３８（ａ−２）誘導監視処理は、誘導信号の受振がタイマ設定値のＮ回継続的に行われなかったときに誘導制御が行われなくなったと判断してトランスホ゜ンタ゛モードに移行（処理ブロック６５７）し、省エネモードに移行する（処理ブロック６５９）。タイマ設定値以内に受振した場合には継続的に誘導制御か行われていると判断し、処理ブロック６６７で受振がないことをチェックする監視タイマをリセットする。
【００６８】
図３９（ａ）で誘導システムの精度評価を行う。図３６（ａ）図３９（ａ）水面図（Ｘ−Ｙ）図に示すように位置標識船 ０７０を中心にＸ軸およびＹ軸方向にそれぞれｄの距離に補助位置標識船Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄ  ０７１〜０７４を配置し、無線で音響発振を位置標識船 ０７０より指令制御する。ｄの距離は大きくとることができるが、音響位置標識０７５は海底に向かって移動中であるので、補助位置標識船Ａ、Ｃおよび補助位置標識船Ｂ、Ｄの発振は同時でないと音響位置標識０７５に対する伝搬経路差を求めることができない。送振源がそれぞれ２つあり、かつ同時に発振し、かつ同時に受振識別するために、補助位置標識船ＡとＣの発振周波数を相違させ、それぞれ２．０ｋＨｚ〜２．４ｋＨｚおよび２．６ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのチャープ信号とする。図３９（ａ）は誘導の鉛直面（X-Z)図を示し、深度Ｄの音響位置標識０７５が鉛直線よりΔ偏位していた場合のそれぞれ補助位置標識０７０より  ｄ離れた補助位置標識船Ａ ０７１と補助位置標識船Ｃ ０７３からの伝搬経路差を求めると(数００１)となる。   
【数００１】
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（数００１）で伝搬経路差が示されるので、海底深度が大きい場合はｄを大きくとることにより海底での設置誤差を減らすことができる。ｄ＝１００ｍとすると、５０００ｍの深度に対しても１０ｍの誤差で伝搬経路差０．８ｍを確保可能で、十分実用に耐えうる。
【００６９】
図３８処理ブロック６６２誘導論理は図３９音響位置標識の誘導論理に示す通りである。補助位置標識船Ａ ０７１と補助位置標識船Ｃ ０7３とは同時に補助位置標識船Ａ 発振音０８２と補助位置標識船Ｃ 発振音０８４を発振する。音響位置標識０７５で識別可能とするため、補助位置標識船ＡとＣ、および補助位置標識船ＢとＤの発振周波数を相違させ、例えば、それぞれ２．０ｋＨｚ〜２．４ｋＨｚおよび２．６ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのチャープ信号とする。補助船Ａ発振音 ０８２、補助位置標識船Ｃ発振音  ０８４は周波数がリニアに時間的に増加し、補助位置標識船Ｂ発振音 ０８３、補助位置標識船D発振音０８５は周波数がリニアに時間的に減少することにより、X軸方向の偏差とY軸方向の偏差を識別する。図３９（ａ）音響伝搬図はX軸方向の偏差を求める場合であるが、Y軸方向についても同様に議論できる。
【００７０】
補助位置標識船A発振音０８２と補助位置標識船C発振音０８４は音響位置標識０７５に伝搬距離の相違から時間をずらして重複して音響位置標受振音０８６として受振される。受振された信号はディジタルサンプリングされ、相関演算処理２４７によりROM内に事前に記憶されている補助位置標識船A発振音０８２および補助位置標識船C発振音０８４のそれぞれと相関演算をすることにとり、補助位置標識船A 発振音タイミング０８８と補助位置標識船C発振音タイミング０８９を得ることができ、両者の差であるΔt  ０9３と補助位置標識船C ０２３と音響位置標識０７５の応答遅延より音響標識０７５の深度が知れるので処理ブロック２４４より鉛直線からの偏差△のX軸成分が求まる。この偏差に基づいて処理ブロック２４５でX軸の操舵量が求まり、、Δを解消するためのX軸操舵翼０７６、Y軸操舵翼０７７の操作を行うことができる。Y軸についても同様の処理を行い、X軸、Y軸を交互に処理して誘導制御する。
【００７１】
図４０（ａ）に示すように、音響位置標識０７５を設置する緯度経度の洋上に位置標識船 ０７０を配置し、直交するＸ軸およびＹ軸方向の両側ｄｍの位置に補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船D ０７４を配置する。位置標識船 ０７０は音響位置標識敷設時に洋上に下して運用する小型舟艇を想定しており、補助位置標識船A、B、C、Dは無人の自走ボートを想定している。
【００７２】
図４０（ｂ）は位置標識船 ０７０の制御システムであり、下記４機能を有している。
（１）指定した緯度経度への定点維持機能
（２）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する定点保持監視と制御指令機能
（３）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する精密誘導モード発振指令機能
（４）音響位置標識０７５追跡監視機能
【００７３】
（１）指定した緯度経度への定点維持機能
スラスター100の方向と推進力を方向制御装置101と推進力制御装置１０２で制御して、 GPS １０７で測定された現在位置緯度経度をコンソール１０５で指定された目標位置緯度経度に一致させる。スラスター １００の推進力は潮流等外乱に対して自己位置保持が可能であるレベルであるので、目標位置への移動は位置標識船 ０７０を操縦して行う。演算装置２００が図４１(C-b)の処理を実施して行う。
【００７４】
（２）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する定点保持監視と制御指令機能
補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４を位置標識船 ０７０より海面に下し定位置に展開する。展開するまでは公然実施されているリモコンボートの技術で実現できる。所定位置近辺に到達後は、図４１(C-c-1)の機能により周期的に処理ブロック５８７で補助位置標識船A〜Dの位置を測定し、処理ブロック５８８で定位置からの偏差を計算し、処理ブロック５８９で移動量を算出し、処理ブロック５８９で移動量を無線通信装置１０７経由で補助位置標識船A〜Dの各々に送信する。処理ブロック５９１は周期的に実行するためのタイマ設定である。処理ブロック５８７のレーザ測距レーザ方位測定は各々の補助位置標識船A〜Dに対してレーザ位置標定装置１０７で標定を行った後、ロックオンして自動追尾装置１０３で追尾することにより、補助位置標識船A〜Dが潮流、波浪で位置が擾乱してもレーザ位置標定装置１０４で追跡を継続でき、補助位置標識船A〜Dの距離・方位を継続的に自動取得できる。かかる自動追尾装置は公然実施されている。
【００７５】
無線通信装置１０７で補助尾位置標識船A〜Dの各々に送信された移動量は図４１（ＸＹ−ａ）の処理ブロック５８１で受信する一方、処理ブロック５８２でGSP  １０６の計測値から自船位置を標定する。GPSの精度は６ｃｍ精度まで向上しており、かかるGPSが利用可能であれば、レーザ位置標定装置１０４と自動追尾装置１０３による追尾の替わりに、図４０（ｃ）でGPS  １０６で緯度経度位置を測定し、図４１(XY-ａ)の処理ブロック５８４でＧＰＳによる自船位置標定値を使用する。処理ブロック５８４で移動量を算出して処理ブロック５８５でスラスタ制御指令を求め、図４０（ｃ）の方向制御装置１０１、推進力制御装置１０２によりスラスター１００により補助位置標識船A〜Dの位置を定位置に制御する。  
【００７６】
図４０（ａ）に示す位置標識船の位置が保持されていると、誘導モードで音響位置標識０７５を海底に誘導できる。図４０（ｂ）位置標識船 ０７０を図４１（C−ａ）で初期化処理する。処理ブロック１３６では一定深度Ｄｍを超えた場合に誘導を有効にできる（図４１（Ｃ−ｄ））。一定深度Dmを超えるまでは音波の伝搬経路の海面とのなす角が小さく正確な誘導ができないためである。
図４１（Ｃ−ｅ）は音響位置標識０７５に補助位置標識船A、B、C、Dから音響信号を発振する制御をおこなう。発振は周期的に行うため処理ブロック６０２でタイマをセットして周期的に起動する。処理ブロック５９５で誘導適格か判断する。発音体が水平距離ｄ離して設置するので一定深度がないと音波の直進性がないため誘導できないためである。処理ブロック５９６は補助位置標識船A、B、C、Dの位置が整定しているか判定して整定している場合に音響発振する。処理ブロック５９７から６０１は補助標識船A,Cの組と補助標識船A,Dの組を交互に発振させ、Ｘ軸とＹ軸を交互に偏差を計測して誘導するためである。
【００７７】
４．２  慣性誘導による設置
位置センサ、加速度センサとして固体振動体を利用した慣性航法センサがスマホ、ロボットなどを対象に小型低価格で固体パッケイジ化されたものが利用できる。降下時間による誤差蓄積が問題とならない範囲に収められれば、システムを簡略化できる慣性航法を利用することができる。図４５は慣性誘導による音響位置標識の設置方法を示したものである。まず、（ｂ−１）で、緯度経度が正確に測定できる位置標識船０７０より音響位置標識を索で吊下して静定させて、慣性航法センサを初期設定する。吊下索１１３を切断すると、（ｂ−２）に示すように海底に向けて鉛直線１１１に沿って降下する。X軸操舵翼０７６、Y軸操舵翼０７７により鉛直線１１１との偏差を解消するように制御し音響位置標識降下軌跡１１２をたどって海底床００９に貫入させる。
慣性誘導音響位置標識の外形は図４６に示すように位置加速度センサ２９５が追加となるが音響誘導音響位置標識（図３７）と外形は同じである。
慣性誘導音響位置標識の制御装置の構成を図４７に示す。図３８（ｃ）に対比して位置加速度センサ２９５が追加となる反面、図３９に示す音響誘導の誘導論理の処理が省略できる。図３９の誘導論理はソフトウェアで処理する場合は演算装置２００で実施するソフトウェアの変更（削除）となる。
【００７８】
図４８（ａ）（ｂ）で慣性誘導音響位置標識制御装置の処理フローを規定する。図４５（ｂ−１）に先立って図４８（ａ）の初期化処理を１回実行する。処理ブロック６７０の周期タイマ起動により、（ｂ）音響位置標識誘導処理を起動する。処理ブロック６７２で位置加速度センサ２９５の状態値を読込み、処理ブロック６７３で深度変化がない場合は図４８（ｂ−１）に対応して、音響位置標識の位置・速度変数の初期化を繰り返す。図４５（ｂ−２）で吊下索が切断されると深度が変化するので、処理ブロック６７３で降下誘導に分岐する。処理ブロック６７５の誘導論理は鉛直線１１１からX軸方向、Y軸方向の偏差を求め、周知のPID制御を含む制御論理によりにより処理ブロック６７６で操作量を計算して処理ブロック６７７でサーボ系出力を行い、図４７（ａ）X軸操舵翼サーボドライブ装置０７６、Y
軸操舵翼サーボドライブ装置０７７で操舵翼を駆動する。図４５（ｂ−３）で音響位置標識が海底床００９に到達すると深度が変化しなくなり、図４８（ｂ）の処理ブロック６７８で周期タイマを停止して（ｂ）の誘導処理を停止する。誘導制御を停止して以降、音響トランスポンダとして機能させるので、処理ブロック６７９でアクチュエータ電源をＯＦＦしてトランスポンダ処理（図４２）を起動する。 
慣性誘導音響位置標識を設置する位置標識船０７０の処理を図４９（ａ）に記す。図４７（ｂ）がハードウェアであって、ＧＰＳ１０６で精密緯度経度を取込み、吊下索１１３が切られていない間は処理ブロック６８３でＧＰＳ１０６より緯度経度を継続的に取込み、情報更新する（処理ブロック６８４）。吊下索１１３を切ると同時に図４７（ｂ）コンソール１０５（ＰＣキーボード）より吊下索１１３を切断した旨、設定する。吊下索１１３を切った段階で、監視のためにトランスポンダを周期起動（処理ブロック６８５）する。図４９（ａ−２）で設置した音響位置標識から応答があるまで応答要求を周期的に送る。図４９（ａ−３）は設置した音響位置標識からの応答信号があると起動され、当合わせのＩＤと一致した場合は設置完了と判断して音響位置標識のＩＤ，緯度経度、設置時期を登録する。（ＵＳＢメモリなどで海上司令船０１０の深海クレーン監視制御システム２０９に入力する）
【００７９】
ＩＩ．航法系
１．  構成の原則
本発明の浮力を利用した揚収では制御技術により、出発点と到着点（海面の支援船または海底の基地）の間を、揚収機材である深海クレーン００１を自律的に航走させて、昇鉱管のような力学的な連接のある構造物を不要とし、システムに要求される機構的な制約を緩和するる。
海中では次の物理的特性がある。
（１）海中では直進性のある電波が使えず位置センサとしてＧＰＳが使用できない。
（２）慣性位置センサは初期設定後時間経過とともに誤差が増大する
（３）磁性体の耐圧殻を使用していないので磁気コンパスは使用できる。
（４）海中で伝搬性の良い音波は上下方向から外れると直進性が悪くなり、測距と目標方位探知に適さない。
（５）精密な位置測量には光学測距が不可欠であるが、海中では直近以外視界の保証がない。
さらに、海底資源揚収での移動は上下方向が主体で、距離的にも高々６．５ｋｍという近距離であるが着床点制御ではｍオーダーの精度が要求されるという特徴がある。また、航法制御は伝送情報量要求が大きいが、海中は電波が通らず伝搬性のよい音波は情報量が少ないので光ファイバ通信が適している。海中で利用可能なセンサには、（１）慣性位置センサ、（２）深度計、（３）音響センサ、（４）光学センサ、（５）地磁気センサがあり、これらを用いた航法制御には慣性航法、音響航法、光学航法があり、これらセンサと航法の特質の長短を組み合わせて使用する。
【００８０】
図１６（ａ）は深海クレーン００１が海上指令船０１０と着床点０１１との間で往復するための航法制御について全容を示したものである。
慣性航法区間０９０の間は出発より時間経過が少なく、かつ初期位置を正確に知ることができるので、慣性センサ、深度計、地磁気センサ（磁気コンパス）を用いて位置・速度・姿勢を求め下降目標経路０４３との偏差を最小にするように誘導する。
下降目標経路０４３は初期の慣性航法区間０９０で降下時の目標である海底での着床点の直上に近い範囲、浮上時には目標である海上母船０１６の直下に近い範囲に占位するよう設定する。引き続く音響航法区間０９１では降下時には目標の直上、浮上時には目標の直下からのずれを少なくして、海中温度分布による音線の屈曲の影響を排除する。深海クレーン００１の海面０３２への浮上時には、海底では海水はほとんど停止しているので位置・速度に対する擾乱は小さいが、海面では波浪による支援船との相対運動を考慮する必要が出てくる。海面の波浪の影響を避けるため、海象の穏やかな時に海底からの揚収を集中し、海象が適さないときは海底での採掘に集中する方法もある。
３．航法制御系
【００８１】
図１４の航法制御系２１２は図１５航法制御系の動作フローチャートに従い動作する。
処理ブロック520では、深海クレーン００１が海上指令船０１０を離れる前か離れた後かを判断して離れる前であれば、降下開始までは処理ブロック５２４により海上指令船０１０にある深海クレーン監視制御システム２０９のＧＰＳ測位データ４０２を初期化データとして取得する。深海クレーン００１が海底からの浮上開始前であれば、処理ブロック５２６により深海クレーン００１が保持している位置データを初期化データとする。浮上または下降開始後は慣性航法系のドリフト蓄積で時間経過とともに精度が劣化することへの対策である。処理ブロック５２１では慣性センサ、デジタルコンパス、深度計を含む航法データを取得する。処理ブロック５２２で、航法モード（慣性航法、音響航法、光学航法）により分岐する。処理ブロック５２３で航法指令４０４を計出し運行制御系２９１の統括制御２１５に与える。浮上または下降開始時の初期設定は慣性航法である。光学航法は深海クレーン００１を精密誘導して鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および収集鉱物容器０３４回収リング０３７に吊上フック０４７をドッキングさせる場合のみに使用する。
【００８２】
４  慣性航法
慣性航法系の動作については図１６に記述する。深海クレーン００１に図２３（ａ）に記すピッチ、ヨー、ロールを割り当てる。水中ではGPSが使えないため慣性航法は基準座標に対して初期化後、時間とともにドリフトにより位置の誤差が蓄積する。このため、浮上および降下のいずれにおいてもドリフトが蓄積しない初期の段階で使用し（慣性航法区間０９０）、水平面内で深海クレーン００１を可能な限り目標に近づけ、次段階の音響航法で目標への近接が直上ないし直下に近くなるようにする。
音波の伝搬経路が鉛直により近くすることにより音波伝搬の屈折の影響を排除する。経路の初期段階の慣性センサのドリフト誤差が少ない時期に降下または上昇しつつ、目標の直上または直下に誘導し、音響誘導に切り替えることにより海水温度分布による音波伝搬の屈折を最小化する。
【００８３】
慣性航法２２７の処理は図１６（ｂ）慣性航法系の動作の処理フローに従う。ＧＰＳは使用できないので図１５処理ブロック５２４または５２６で得た初期位置に慣性航法系で得た移動距離を加算して現在位置を計出する（処理ブロック５３０）。処理ブロック５３１で深度系データと電子コンパスより求めた移動方位より慣性航法センサのドリフトを推定する。処理ブロック５３２でドリフト推定値により補正した最尤緯度経度深度、速度、姿勢を求め,、さらに目標経路との偏差を求める。
音響測距範囲０９１は、音波伝搬経路の屈折を考慮して、直進性の高い、最終目標点（降下時は海底着床点０１１、浮上時は海上指令船０１０位置）の直上または直下に円錐状に設定し、処理ブロック５３３で慣性航法系で音響測距範囲０４２の範囲に深海クレーン００１が入ったことを確認すると、処理ブロック５３４で音響航法系２２８に発音命令を出す。
処理ブロック５３５で目標地点に設置された音響位置標識（トランスポンダ）からのエコーを受信し確認し、さらに処理ブロック５３６で信号レベルが閾値を超え、距離が閾値以下であることを確認して、処理ブロック５３７で音響航法モードへ切替えを行う。
【００８４】
５  音響航法
音響測距の原理と実現方法については図１７〜１９に記述する。
感音素子Ａ〜Ｄ  ２３１〜２３４および発音素子２３０を深海クレーン００１の頂部(図１７（ａ−１）)および深海クレーン００１の底部(図１７（ａ−２）に配置した。これに伴う音波の伝搬は図１７（ｂ）（ｃ）に記す。音響航法は慣性航法に引き続き図１６の音響航法区間０４２で浮上時と降下時に使用する。これは、海水の温度分布により音波の直進性が保証されないため位置標定には誤差が生じるが誤差特性に対応して中短距離で利用するのが適しているためと、海中では光が直近以外には到達しないことによる。海水の温度分布は深度方向に存在するが、一般に水平方向は均一である。トランスポンダを用いて目標との測位をする場合、水平方向の方位は比較的に正確に把握できるが、鉛直方向との角度が増えると俯角方向の誤差が増える。音波伝搬は直上ないし直下より２０°以上離れると目標への到達が確実でなくなる。
【００８５】
音響航法２２８の原理と実現方法を図１７（ｂ）（ｃ）に示す。深海クレーン００１の進行方向（曲）)面２９２に感音素子A  ２３１、感音素子B  ２３２、感音素子C  ２３３、感音素子D  ２３４を設置する。これらの中央に発音素子２３０を設置し、音響航法区間 ０９１に入った時点で周期的に発音する。到着目標（海底着床位置）に設置されたトランスポンダかエコーを返すと、図１７（ｂ）（ｃ）に示すように各感音素子に対するエコー信号の到着に時間的ずれが生じる。すなわち図１７（ｂ）においてトランスポンダ２３６よりのエコーは感音素子C  ２３３に音波伝達面１  ２３７で到達し、感音素子A  ２３２には音波伝達面２  ２３８で到達し、時間的ずれ生じる。この状況を３次元的に示したのが図１８であり、XY面上の原点Oを囲む４点の感音素子A〜Ｄ  ２３１〜２３４へのエコー信号の到達時間のずれから演算により、トランスポンダ方位ベクトル２３９が求められることを示している。なお発音時刻とエコーの到着時刻の差より、トランスポンダ２３６までの距離も求められる。音源を点音源とすると計算は簡単ではないが、感音素子間の距離に比べて音源が十分遠くて面音源と近似できる場合は、図１８の説明に記載するように比較的単純に音源の方位と距離を求められる。音響測距はアクティブソーナーと同様の原理を用いているが、（１）目標の像を作る必要がないこと、（２）目標にトランスポンダを設置できること。（３）目標の直下または直上に誘導することが目的であること  （４）精密な目標の標定は光学航法にゆだねる  の理由により、簡略化と低出力化が可能となる。
【００８６】
図２０に音響航法で用いる装置の構成と動作を示す。
図２０(ｂ)音響航法装置の感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４, 発音素子 ２３０として広くアクティブソーナーで用いられている圧電セラミックスであり、最近では一般民需要として高出力のものが市販されている。図２０（ａ）の送振信号パターンの一定周波数電圧を圧電振動子に印加して音波を発振させる。図２０（ｂ）では送振と受振を別の圧電素子で行っているが共通にしてもよい。深海クレーン００１の制御のためには図２０(ｂ)音響航法装置を深海クレーン００１に設置し、図４２トランスポンダは海上指令船０１０側に設置する。音響航法の動作は図２0（ｃ）処理シーケンスに記載の通りで、航法制御系からの送振指令により音響航法装置が（２）信号送振を行う。往路伝搬時間後、トランスポンダが（３）受振検知し、ただちに（４）エコー送振する。復路伝搬時間後、（５）〜（８）Ｃｈ０〜３エコー受振が音響航法装置１４１で行われる。受振信号は送振後ただちに（９）待受により  ＣＨ０〜３データが記録される。待ち受け記録データと送振信号との相関を（１０）（１１）で行い、受振素子別の伝搬遅延時間を求める。（図２０（ｅ１）〜（ｅ３）処理フロー１〜３）
【００８７】
図１９は音響航法装置を用いた音響航法系の動作を記した処理フローである。図２０処理ブロック５４６で得たＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各受振素子の往復音波伝搬遅れを取得（処理ブロック５５０）し、処理ブロック５５１で各素子の平均遅延時間と海中音速より目標との距離を求める。
音源を面音源で近似した場合、図１８（ａ）〜（ｃ）の図を用いて詳細に説明する。
図１８（ａ）にてトランスポンダ方位ベクトル２３９は音波の侵入方向を示し、ＸＹ面となす角をφとし、ＸＹ面への投影がＸ軸となす角をθとする。ＡＢが音波の到来方向で、図１８（ｂ）はＺ軸上方より見た図である。図１８（ｂ）を音波到来方向ＡＢとＺ軸を含む面で切断したのが図１８（ｃ）であり、感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４に対して音波伝搬経路と遅延時間の関係を示している。感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４の受振時刻（秒）をそれぞれｔa，ｔb，ｔc，ｔd，とし、海中音速をｓ  ｍ／秒とすれば、
感音素子ＡとＣの伝搬距離と伝搬時刻差による距離と
感音素子ＢとＤの伝搬距離と伝搬時刻差による距離より、それぞれ下記が得られる。
【００８８】
【数００２】
2019199250.tif 000004
となり、処理ブロック５５１が求まる。（数００２）は感音素子に対する伝搬遅延時間差がないとcosφ=0となってsinθが求まらない。cosφ=0とはトランスポンダが直下ないし直上にあることで、制御目的が達成されている状態である。
処理ブロック５５２で慣性センサより得られた姿勢データでトランスポンダ方位を補正し、処理ブロック５５３にて既知のトランスポンダ位置より制御対象である送振側の深海クレーン００１の位置を求める。
【００８９】
６  光学航法
特に海底では巻き上がる泥により光の到達距離が短くなるが、１０〜数ｍ以下の近距離では正確な測位が可能であるのでＬＥＤの発光素子を用いて精密位置制御に利用する。光学航法の原理を図２１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を用いて説明する。深海クレーン００１の貨物室００５の吊上フック０４７の先端の撮像素子２３５で回収リング０３７の発光素子A〜Ｄ  ２４０〜２４３の発光を撮像装置２３５が感知すると光学航法２２９に移行する。
発光素子Ａ〜Ｄ  ２４０〜２４３は回収リングが鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の引上げ用に用いられるため、図２４（ｅ）の上下関係にあることを前提にしてよい。
撮像装置２３５を深海クレーン００１の貨物室００５の吊上フック０４７の上部に設置し、９０度を隔てて水平面内に設置されて４台の撮像装置２３５の一つが発光素子Ａ〜Ｄ  ２４０〜２４３からなる回収リング照準０６８を視界内にとらえるようにする。撮像装置２３５の中心軸が
発光素子ＡＢ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d１）の画像となり、
発光素子ＢＣ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d２）の画像となり、
発光素子ＣＤ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d３）の画像となり、
発光素子DＡ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d４）の画像となり、
中心軸にずれがないときは図２１（ｃ）の（d０）の画像となる。
【００９０】
図２１（ｂ）は光学航法の原理を示す。吊上フック０４７の先端に設置される撮像装置２３５は通常の電子カメラであり、１000x1000〜4000x4000pixelで視野角９０°を想定する。図２１（ｂ）のFaFbFcFdが撮像面２９３であり、発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の像が図２１（ｃ）のように結像する。
光学航法では図２１、図２２において；
（１）撮像面２９３上の発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の像の画素位置
発光素子Ａ(Ha,Va)、発光素子Ｂ(Hb,Vb)、発光素子Ｃ(Hc,Vc)、発光素子Ｄ(Hd,Vd)
（２）発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の識別情報
（３）撮像装置２３５の焦点距離Lf   １５５
（４）撮像装置２３５の縦横画角（αＶ，αＨ）と縦横画素数(Vmax，Hmax)
（５）発光素子Ａ，Ｃ ２４０〜２４３を結ぶ線ACがXY面となす角β
（６）発光素子Ｂ，Ｄ２４０〜２４３を結ぶ線BDがXY面となす角γ
（７）直線BDがY軸となす角δ
から下記データ（Ａ）（Ｂ）を以下に記す方法で求めることができる。
上記（１）（２）は撮像装置２３５の計測データであり、（３）（４）は撮像装置２３５の固有データでありすべて既知である。
【００９１】
クオテリオンを用いて上記（A）（B）を求める。
撮像装置２３５の位置における基準座標系（XYZ  X軸：水平  Y軸：鉛直  Z軸：前後）Pを定義し、撮像装置２３５の姿勢を表す座標系（XbYbZb  ）Pｂを定義する。
図２１（ｂ）における回収リング照準０６８は基準座標P に対してクオテリオンQT回転させて目標方位ベクトル１５７の視界座標 Pｔ  となったものとする。
【数００３】
2019199250.tif 000005
この座標系における回収リング標準０６８が撮像面２９３に投影されて図２１（ｃ）の像が得られる。回収リング照準０６８は基準座標P のZ軸に直交する平面上にあり、基準座標P のZ軸よりずれた位置にあるため、目標方位ベクトル３１０と回収リング照準０６８のなす面は垂直とならない。図２１（ｂ）のPAC  およぼPBDを詳しく書いたのが図２２（ａ）（ｂ）である。
【００９２】
Ａは発光素子A ２４０の存在する点であり、ＢＣＤも以下同様である。ＭはＡＣとＢＤの交点である。Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの撮像面２９３における結像座標を図２２（ｃ）に示した。HV座標は左上が(０,０)で右下が(Hmax,Vmax)である。発光素子Ａ，Ｃを結ぶ線ACと発光素子Ｂ，Ｄを結ぶ線BDの交点Mの座標は下記で与えられる。
【数００４】
2019199250.tif 000006
図２２（ａ）（ｂ）において視点Ｐより、線分ＡＭ，ＭＣを見込む角度をα，β、線分ＢＭ，ＭＤを見込む角度をγ，δとすると（数００３）で与えられる。ここで、Ｒは視点ＰからＡＣとＢＤの交点Ｍまでの距離、ｒ は発光素子とＭまでの距離、ω、φは、視線ベクトルＰＭに対する直交面に対して線分ＡＣ、ＢＤがなす角とすると（数００５）で与えられる。
【００９３】
【数００５】
2019199250.tif 000007
一方、α，β、γ，δは、（数００５）のように撮像面２９３上の発光素子の像の座標から求められるので、（数００６）のＲ，ω、φは値が確定する。
【数００６】
2019199250.tif 000008
なお、ρは、視線ベクトルＰＭ周りの基準座標に対する回転を示す。
（数００５）では回収リング標準０６８をXY面上仮定しているが、一般にはある姿勢角を持って傾いている。図２１（ａ）に示すように X* 軸が水平に対してα、Ｙ* 軸が水平に対してβ傾いている場合には、ｒの替りに ｒcosε，ｒcosτを用いればよい。
【００９４】
図２２（ｃ）より、深海クレーン００１の姿勢を表す座標系（XbYbZb  ）でPｂと目標方位ベクトル１５７の視界座標 Pｔ  の(数００７)の関係を求めることができる。Pitch,Yaw,Rollの定義は図２３に従う。
【数００７】
2019199250.tif 000009
(数００７)の回転のクオテリオンをQt とすれば(数００８)となる。
【数００８】
2019199250.tif 000010
【００９５】
(数００８)と(数００３)より(数００９)が得られ、基準座標Pに対する撮像装置２３５の姿勢が明らかとなる。
【数００９】
2019199250.tif 000011
(数００５)(数００６)より図２１（ｄ）処理ブロック５６１が求まり、（数００８）より処理ブロック５６２が求まる。
光学航法２２９ の結果、図１５処理ブロック５２３で運行制御系への指令値計出が行われ、図１４の運行制御系により、深海クレーン００１は回収リング標準０６８に近接する。
【００９６】
ＩＩＩ  制御系
１．  制御の原則
１．１ 制御系の構成  
図１４は制御論理をブロックダイアグラムで示したものである。
慣性位置センサ、深度計、音響センサ、光学センサおよび地磁気センサによる航法センサ１１５の計測値が位置速度制御系２１６に入力される。姿勢センサ２１４ によるピッチ、ヨー、ロール信号は姿勢制御系２１７に入力される。航法制御系１１０は図１５の処理ブロック５２２選択された航法モードにより、位置速度制御系２１６に航法指令４０４を与える。航法指令４０４は目標位置の時間関数であり、到達目標位置である海底着床位置、制御対象である深海クレーン００１の現在位置と目標位置の間の時間関数である移動軌跡を含む。姿勢制御系２１７は深海クレーン００１の形状が貨物室００５を浮力タンク００２に吊下した気球類似の形状（図１、図３１）であり、姿勢については鉛直軸回りの回転以外は実用上無視してもよい。
慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、位置速度制御系 ２１６は(数０１５) (数０１６)により制御量を計出し、制御翼個別制御量計算２１９と減速器個別制御量計算２２０で制御翼制御系２２２への指令信号を計出する。慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、図２２（ａ）に示すように貨物室に制御翼兼着床脚の開脚角度及び回転角を制御して制動と回転または水平方向推力を得る（図２６（ａ）（ｂ））。
【００９７】
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、位置速度制御系 ２１６は(数０１５) (数０１６)により制御量を計出し、個別推進機制御系２２１で個別推進器への指令信号を計出する。
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、図２４（ｂ）、図４４（ｂ）に示すようにスラスターを追加した精密制御用アタッチメントを貨物室００５に付加して精密位置制御を行う。精密制御は鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の回収リング０３７を回収フック１７７で吊上げるためにランデブー制御を行う場合に限定して行い、それ以外の海面と海底の揚収往復はスラスターを用いないで位置エネルギを受動的に変換して用いる。
深海クレーン００１の制御は個別推進器の推力、制御翼への指令値を制御して行う点で、下記運用モード（慣性航法、音響航法、光学航法）にすべて共通であるため、運用フェーズごとの個別要求は統括制御２１５が位置速度制御系２１６、姿勢制御系２１７で、(数０１６)の対角行列Aの状態変数に対応した対角成分、（数０１６）のフィードバック係数を変更することにより実現できる。
【００９８】
図１４に記載されている運行制御系２９１につき詳説する。
構造と座標系は図２３、図２４による。図２３（ｂ）、図２４（ｃ）、図４４（ｃ）は深海クレーン００１の貨物室００５に作用する外力ベクトルをモデル化した。
姿勢制御は深海クレーンの形状が軸対称であり姿勢制御は鉛直軸回りの回転以外、事実上意味がないが、精密位置速度制御により貨物室００５の吊下フック０４７で鉱物収集装置０１５または鉱物収集容器０３４を吊上げる場合にはランデブー目標（図２４（ｅ）、図４４（ｅ））の回収リング０３７に正対する必要がある。この解決策として下記の２つの対応がある。
（１）深海クレーンは形状が軸対称であり姿勢制御の意味が少ないこと、さらに軸方向の回転制御を行うと吊下索の捻じれに吸収されて挙動の制御が困難であることから軸回りの回転制御も行わない方針とし、軸方向の回転位置がいかなる場合でも、ランデブー目標（図２４（ｅ））の回収リング０３７に正対できるように図２４（ｂ）（ｄ）に示すように貨物室００５に吊下する撮影装置２３５が全周を視界に収めることができるように例えば、視野角９０度のものを直交して４個配置し、吊上げフック０４７を撮影装置２３５の視野の中心に向くよう複数、例えば４つ設けて、ランデブー目標（図２４（ｅ））をとらえた撮影装置２３５を選択して精密位置速度制御を行う。この場合、図２４（ａ）の水平スラスターには貨物室００５を軸回りに回転させるスラスターは設けない。
（２）深海クレーンの軸回りの回転制御を行う方針とし、回転制御速度を遅くして吊下索の捻じれによる問題が生じないようにし、ランデブー目標（図４４（ｅ））の回収リング０３７に正対できるように図４４（ｂ）（ｄ）に示すように貨物室００５に吊下する撮影装置２３５が視界に収めるように姿勢制御（回転制御）を行う。この場合、図４４（ａ）の貨物室００５を軸回りに回転させるスラスターｅ、ｆを設ける。
【００９９】
１．  ２  位置速度制御
慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、図２３（ａ）に示す４枚の制御翼着床用脚００６の開脚度と制御翼の回転角を制御して制動と横方向の推力を得る。開脚度、制御翼回転角は制御翼兼着床用脚aとcで同一、制御翼兼着床用脚bとdで同一である。
Ra = Rc 
Rb = Rd 
上記ベクトルの成分を下記の通り定義する。
【数０１０】
2019199250.tif 000012
下記パラメタにより抗力を定義する。
開脚度                        αa   （添え字は制御翼着床用脚を示す）
制御翼回転角              βa      （添え字は制御翼着床用脚を示す）
沈降力または浮上力    S = W-F
貨物室重量                 W
関数Fxy  は水平面に対する推力成分を発生する実験式である。
関数Fz  は鉛直方向に対する推力成分を発生する実験式である。鉛直方向の推力は、受動的な抵抗翼により発生するので、浮力と重力の差を減殺する抵抗としてのみ働く。
Ray = Fxy(S,W, αa, βa)
Raz = Fz(S,W, αa, βa)
各成分を統合して下記が得られる。
【数０１１】
2019199250.tif 000013
【０１００】
１．  ３  精密位置速度制御
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、図２４（ｃ）図４４（ｃ）は深海クレーン００１に働く力を示す。
精密位置速度制御を行う前にバラストを調整して深海クレーンの浮力と重力を均衡させ、一旦、静止させてから精密位置速度制御によるランデブーに移行する。貨物室００５の位置と速度を制御するが、図２４では貨物室００５が浮力タンクに索で吊下されている。吊上げフック０４７および撮像装置２３５の構造上姿勢制御は行う必要がない。図４４では貨物室005が浮力タンクに索で吊下されている吊上げフック０４７および撮像装置２３５がランデブー目標（図４４（ｅ））に正対するよう姿勢制御を行う。
精密位置速度制御では図４４（ｂ）の垂直スラスターＡ〜Ｄの推力をTA, TB, TC, TD, 水平スラスターａ〜ｆ  の推力をTa, Tb, Tc, Td, Tｅ, Tf  とする。（図２４（ｂ）の場合は、Tｅ ＝Tf  =0）
鉛直方向の制御は水平姿勢を維持しながら行うので、垂直スラスタの推力は全て同一となる。
Tz= TA =TB =TC =TD
上記ベクトルの成分を表記して、
【数０１２】
2019199250.tif 000014
【０１０１】
水平方向のスラスターはX軸又はY軸上にあるため、水平方向の移動のため、各軸に対しては同一推力としてよい。
Ta = Tc 
Tb = Td 
Tｅ = ―Tｆ
ベクトル表記して、
【数０１３】
2019199250.tif 000015
各成分を統合して下記が得られる。
【数０１４】
2019199250.tif 000016
姿勢制御がある場合はｚ軸（鉛直軸）トルクをRz とすると  Rz  ＝  2Tｅ・b
ここでbはスラスターのｚ軸からの距離である。
【０１０２】
ランデブー機構
精密位置速度制御は鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の回収リング０３７を深海クレーン００１の貨物室の吊上フック１７７で吊上げるために用いる。図２４（d）図４４（ｄ）ランデブー機構はこの目的に特化して構成してある。回収リング０３７を吊下フック０４７にくぐらせて引き上げる。回収リングは吊上げる対象物体の上側に存在し上部にLED４個による発光体があり、吊上フック０４７の上部にある撮像素子２３５で視界に捉え光学方法により深海クレーン００１を誘導して吊上フック０４７を回収リング０３７にくぐらせる。発光LEDは撮像素子２３５が捉えやすいように高さを設定する。
【０１０３】
１．  ４  制御則
深海クレーン００１、は比重１．０近辺に保たれており、移動速度が１ｍ／秒程度で低速であり、低抵抗の対称形状であるが、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の移動に関しては、速度に比例する水抵抗を受ける。Rは水抵抗係数で運動方程式は（数０１５）で表現できる。
【数０１５】
2019199250.tif 000017
ここで、Mは深海クレーン００１の質量、Rは抵抗係数、X（ｔ）は重心G 053の基準座標系での位置を示す。T（ｔ）は深海クレーン００１に対する航法制御系および浮上制御系から求められる基準座標系における推力である。r はｚ軸回りのトルクであり、mは回転モーメント、sは回転に対する抵抗トルクである。（r(t)は姿勢制御を行う場合のみ考慮する）
は
（数０１５）の動特性に対して制御系として構成する。
下記を最小化するT（ｔ）を求めればよい。姿勢制御を行う場合はr(t)も求める。
【０１０４】
【数０１６】
2019199250.tif 000018
Aは対角成分が  aij >0  i=0,5  である６ｘ６定数行列である。
(数０１６)におけるWT(t), XT(t)，rT(t)における右下添え字は目標値を示し、右上添え字は転置行列を示す。
【０１０５】
VI  監視制御系
海底資源揚収を構成する機材を以上述べてきたが、これら機材に関して監視制御すべき内容には下記がある。これらは全て監視制御系２８７により海上司令船０１０で実施される。海上司令船０１０は標準鉱石運搬船を使用することを考え、ＰＣベースの小型可搬システムとして標準鉱石運搬船を海上司令船に変更して運用しやすいようにする。
（１）航法制御
（２）資源収集装置制御
（３）音響位置標識管理
（４）電源制御
（５）海上司令船制御
監視制御系２８７は図３５に示す深海クレーン制御装置２８４に関する部分と図３０に示す鉱物収集装置制御装置２８５に関する部分から構成される。
【０１０６】
図３５の監視制御系で示す深海クレーン制御装置２８４に関する部分は、海上指令船０１０上の深海クレーンコンソール２１０が光インターフェイス２１１を介して深海クレーン００１の次の監視制御を行う。
（１）深海クレーン００１の状態を監視し、海底への離着床を制御し、鉱石搭載などの運用管理、バラスト制御情報を管理制御する。
（２）精密速度位置制御に際して撮像装置２３５の画像をモニターし、必要に応じて手動制御を行う。
深海クレーン制御装置２８４に関する機能に加えて図３５の監視制御系の深海クレーンコンソール２１０は下記を行う。
（１）深海クレーン監視制御システム２０９が取り込んだＧＰＳ測位データ４０２に基づき、海上司令船０１０へ定点維持のために、海流と風の影響を打消すための速度、操舵指令を出す。
（２）位置標識船０７０が設定した音響位置標識の認識番号（ＩＤ）、緯度経度、設置時期を一括管理する。音響位置標識の設置および回収ごとに位置標識船０７０の音響位置標識制御装置（図３８、図４８）と媒体で情報更新を行う。音響位置標識は電池駆動なので電池消耗を管理して浮上回収指令情報を管理して位置標識船０７０に付与する。
（３）海底機材管理として、鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の認識番号（ＩＤ）、緯度経度、設置時期等情報を管理する。
（４）海底の地理情報（映像情報、資源掘削情報）を収集管理する。
【０１０７】
図３０のの監視制御系で示す鉱物収集装置制御装置２８５に関する部分は、海上指令船０１０上の深海クレーンコンソール２１０が光インターフェイス２１１を介して鉱物収集装置０１５の次の監視制御を行う。
（１）超音波高精細ビデオカメラ０５０の映像をテ゛ィスフ゜レイ２５５で見ながら操縦桿２７０で鉱物収集装置０１５を操作する。海底視界が良好な場合は撮像装置２３５の映像を用いる。
（２）深海クレーンコンソール２１０の指示に従い、鉱物積載対象を選択して鉱物積載を行う。
（３）資源収集装置制御インターフェイス２６２を介して操縦桿２７０と資源収集装置コンソール４４１の操作により資源収集装置０１５を遠隔操縦する。
図３５に示す電源装置監視制システム２５０により電源制御盤２５１で発電機４７０を制御して下記を行う。
（１）送電インターフェイス２５３と海中電源ケーブル２６９を介して鉱物収集装置０１５の資源収集装置動力機構２６７に電源を供給する。
（２）送電インターフェイス２５３と海中電源ケーブル２６９を介して深海クレーン制御装置２８４に電源を供給する。詳細位置速度制御用のアタッチメントにはスラスターがあり駆動用の電力を要するが高性能の二次電池を搭載して海中電源ケーブル２６９を省略する方法もある。
電源装置監視制御システム２５０は電源制御盤２５１を介して充電装置２５２を制御して音響位置標識、深海クレーン制御装置２８４用の二次電池を充電する。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の海底資源揚収装置は海底に分布する鉱物資源を収集して揚収することができるが、構成要素に気体を含まず液体と固体のみで構成するため構成装置の内圧と海水圧を特段の耐圧機構を持たずに任意の海底深度で等しくすることができ、また流体の圧送を含まないため機械的な制約がない。海底資源の揚収を周囲海水の比重より若干軽くすることにより浮力を用いて行うので、揚収に必要なエネルギーが深度によって増大することがない。すなわち、海底資源が存在する深度１０００未満から６５００ｍを超える深度まで運用することができる。このように運用に柔軟性があるため、高品位の鉱物のある海域を選択的に移動して揚収することができ採算効果が大きい。
実施例中で示した数値は実現可能性を示すためのものであり、規模を拡大または縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の深海クレーンの外形図を示す図である。
【図２】本発明の海底資源揚収システム全体図を示す図である。
【図３】本発明の浮力タンク体積と浮力諸元を示す図と表である。
【図４】本発明の深海クレーンの鉱石積載（貨物室）を示す図である。
【図５】本発明の深海クレーン貨物室の鉱石積載を示す図である。
【図６】本発明の貨物室の水流機構の例を示す図である。
【図７】本発明の貨物室の排出絞り機構の例を示す図である。
【図８】本発明の貨物室制御処理部を示す図である。
【図９】本発明の貨物室積載物構成の時間推移を示す図である。
【図１０】本発明の貨物室制御処理部の処理フローを示す図である。
【図１１】本発明の深海クレーンの鉱石積載（収集鉱物容器）を示す図である。
【図１２】本発明の鉱物収集容器制御装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の鉱物収集容器制御装置の処理フローを示す図である。
【図１４】本発明の監視制御系のブロックダイアグラムを示す図である。
【図１５】本発明の深海クレーンの航法制御系の処理フローを示す図である。
【図１６】本発明の深海クレーンの慣性航法系の動作を示す図である。
【図１７】本発明のセンサの実装例を示す図である。
【図１８】本発明の音響航法の原理を示す図である。
【図１９】本発明の音響航法系の動作を示す処理フローである。
【図２０】本発明の音響測距の原理と動作を示す図である。
【図２１】本発明の光学測距の原理（１）を示す図である。
【図２２】本発明の光学測距の原理（２３５）を示す図である。
【図２３】本発明の深海クレーンの制御系の動作を示す図である。
【図２４】本発明の精密制御用アタッチメントを示す図である。
【図２５】本発明の深海クレーンの制御（その１）を示す図である。
【図２６】本発明の深海クレーンの制御（その2）を示す図である。
【図２７】本発明の鉱物収集装置の海底設置を示す図である。
【図２８】本発明の鉱物収集装置および収集鉱物容器の海底からの回収を示す図である。
【図２９】本発明の鉱物収集装置  （海底パワーショベル）を示す図である。
【図３０】本発明の監視制御装置（その２）を示す図である
【図３１】本発明の深海クレーンの浮力タンクの分割を示す図である。
【図３２】本発明の海上司令船の例  ガットクレーン船を示す図である。
【図３３】本発明の深海クレーンの荷役用機材を示す図である。
【図３４】本発明の深海クレーンの荷役手順を示す図である。
【図３５】本発明の監視制御装置（その１）の構成図を示す図である。
【図３６】本発明の音響誘導音響位置標識の設置を示す図である。
【図３７】本発明の音響誘導音響位置標識の構成例を示す図である。
【図３８】本発明の音響誘導音響位置標識制御装置を示す図である。
【図３９】本発明の音響誘導音響位置標識の誘導論理を示す図である。
【図４０】本発明の音響誘導音響位置標識設置システムの信号処理・制御システムの構成を示す図である。
【図４１】本発明の音響誘導音響位置標識設置システムの信号処理・制御システムの処理フローを示す図である。
【図４２】本発明の音響トランスポンダ共通インフラの処理フローを示す図である。
【図４３】本発明の鉱物収集装置（電動パワーショベル）の海底からの回収運用の例を示す図である。
【図４４】本発明の精密制御用アタッチメント（その２）を示す図である。
【図４５】本発明の慣性誘導音響位置標識の設置を示す図である。
【図４６】本発明の慣性誘導音響位置標識の構成例を示す図である。
【図４７】本発明の慣性誘導音響位置標識制御装置の構成を示す図である。
【図４８】本発明の慣性誘導音響位置標識制御装置の処理フローを示す図である。
【図４９】本発明の慣性誘導音響位置標識位置標識船制御装置の処理フローを示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
001  深海クレーン
002 浮力タンク
003 吊下ネット
004 吊下索
005  貨物室
006  制御翼兼着床用脚  （制御翼） 
007  開閉機構兼重量センサ 
008 積載物排出機構
009 海底床
010  海上司令船
011 着床点
012 電源信号ケーブル
015 鉱物収集装置
016  仕切機構
017 バラスト
018 採集鉱物
019 水流発生器1
020 水流発生器2
021-1 モーター１
021-2  モーター2
022 スクリュー
023 注水機構１
025 注水機構２
026  注水管
027  注水孔
028  絞り板１
029 絞り板２
030 回転駆動機構1
031 回転駆動機構2
032 海面
033-1 ウォームギア１
033-2 ウォームギア2
034 鉱物収集容器
035 重量センサ
036 シュラウド
037 回収リング
038 開閉機構
040 ロック機構
041 着床点
042 音響測距範囲
043 下降目標経路
044 下降（実際）経路
045  浮上目標経路
046  浮上（実際）経路
047 吊上フック
048 開度調整範囲
049 電池
050 超音波高精細ビデオカメラ
051 リモコン雲台
052 カメラ支柱
053 採集鉱物積込用空隙
054 電動油圧機構
055  主浮力タンク1
056  主浮力タンク2
057  主浮力タンク3
059  サブ浮力タンク
060 浮力タンク切替スイッチ
061 マーカ浮き
062 貨物室吊上フック
062  垂直スラスター
063 水平スラスター
064 減速パラシュート
065 クレーン
066 船倉
067 ガットクレーン船０
068 回収リング照準
069
070 位置標識船
071 補助位置標識船  Ａ
072 補助位置標識船  Ｂ
073 補助位置標識船  C
074 補助位置標識船  D
075 音響位置標識゛
076 X軸操舵翼
077 Y軸操舵翼
078 爆発ボルト
079 貫入錘
080 離脱機構
081 浮力タンク
082 補助位置標識船Ａ発振音
083 補助位置標識船B発振音
084 補助位置標識船C発振音
085 補助位置標識船D発振音
086 音響位置標受振音
087 音響位置標受振音
088 補助位置標識船Ａ発振音発振音タイミング  
089 補助位置標識船Ｃ発振音発振音タイミング
090 慣性航法区間
091 音響航法区間
092 鉱物投入間隙
093  Δt
094 ディジタル出力装置
100 スラスター
101 方向制御装置  
102 推進力制御装置  
103 自動追尾装置
104 レーザ位置標定装置
105 コンソール
106 GPS
107 無線通信装置
108 通信アンテナ
109 送振回路
110 圧電振動子スタック
111 鉛直線
112 音響位置標識降下軌跡
113 音響位置標識吊下索
【０１１１】
200 演算装置
201 ROM
202 RAM
203 インターフェイス
204 モーター制御装置
205 回転位置取込装置
206 データ取込回路
207 ストレーンゲージ
208 電源及び制御装置
209 深海クレーン監視制御システム
210 深海クレーンコンソール
211 光インターフェイス
212 航法制御系
213 航法センサ
214 姿勢センサ 
215 統括制御 
216 位置速度制御系
217 姿勢制御系
218 推進器個別制御量計算 
219 制御翼個別制御量計算
220 減速器個別制御量計算 
221 個別推進機制御系
222 制御翼制御系
223 推進機特性
224 制御特性
225 減速器特性
226 深海クレーン動特性
227 慣性航法
228 音響航法
229 光学航法
230 発音素子
231 感音素子A
232 感音素子B
233 感音素子C
234 感音素子D
235 撮像装置（カメラ）
236 トランスポンダ
237 音波伝達面１
238 音波伝達面2
239 トランスポンダ方位ベクトル
240 発光素子A
241 発光素子B
242 発光素子C
243 発光素子D
244 偏差計算
245 操舵量計算
246 電源制御回路
247 相関演算処理
248 ストレンゲージインターフェース
249 パルスジェネレータ
250 電源装置監視制御システム
251 電源制御盤
252 充電装置
253 送電インターフェイス
254 資源収集装置インターフェイス
255 テ゛ィスフ゜レイ
256 受電インターフェイス
257 音響インターフェイス/トランスホ゜ンタ゛
258 駆動装置制御装置
259 貨物室制御処理部
260 超音波ビデオ雲台
261 回収リング制御
262 資源収集装置制御インターフェイス
263 音響航法装置
264 光学航法装置
265 超音波ビデオ雲台
266 回収リング制御
267 資源収集装置動力機構
268 光ケーブル
269 海中電源ケーブル
270 操縦桿
271 X軸操舵翼サーボドライブ装置
272 Y軸操舵翼サーボドライブ装置
273 電源制御回路
274 受振制御 
275 送振制御 
276 発音素子
277 感音素子
278 深海クレーン電源及び制御装置
279 ロック状態インターフェイス
280 ロックリッミットスイッチ
281 音響トランスポンダ共通処理部
282 鉱物収集容器制御装置
283 監視制御系
284 深海クレーン制御装置
285 鉱物収集装置制御装置
286 鉱石収容容器制御部
287 鉱物収集装置制御部
288 音響位置標識制御装置
289 音響位置標識制御部
290 深海クレーン航法制御部
291 運航制御系
292進行方向曲面
293 撮像面
294 モノクロカメラインターフェース
295 位置加速度センサ
【０１１２】
300 浮力F
301 
302 制御翼抗力
303 沈降力
304 中心軸
305 抗力Ｒ
306 操舵分力Ｒｓ 
307 操舵分力Wｓ 
308 重心C
309 重力W
310 目標方位ベクトル
311 焦点距離
312 目標距離
313  視点Ｐ
314 翼推力
315 深海クレーン抗力
320 推力TA  
321推力TB
322推力TC
323推力TD
324推力Ta
325推力Tb
326推力Tc
327推力Td
328推力Te
329推力Tf
330推力Ra
331推力Rb
332推力Rc
333推力Rd
335回転トルクR
400 投入鉱石重量
401 バラスト残量推定値 
402 ＧＰＳ測位データ
403 深海クレーン制御指令・状態テ゛ータ
404 航法指令
500〜516 処理ブロック
520〜516 処理ブロック
530〜537 処理ブロック
540〜547 処理ブロック
550〜556 処理ブロック
560〜566 処理ブロック
570〜605処理ブロック
610〜632処理ブロック
640      音響トランスポンダ共通処理フロー
650〜669処理ブロック
670〜699処理ブロック
【図１】
2019199250.tif 000019
【図２】
2019199250.tif 000020
【図３】
2019199250.tif 000021
【図４】
2019199250.tif 000022
【図５】
2019199250.tif 000023
【図６】
2019199250.tif 000024
【図７】
2019199250.tif 000025
【図８】
2019199250.tif 000026
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月29日(2019.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底より鉱物資源を海面へ揚収する海底資源揚収装置であって、
深海クレーンおよび、海上司令船と海底資源収集装置と位置標識の一部または全部を含んで構成され、
前記深海クレーンは、常温において液相で水より比重の軽いｎ−シクロペンタンまたはガソリンを含む液体を密閉充填した浮力タンクと、海底より海底資源を揚収するための貨物室と、前記貨物室を浮力タンクと連接する機構と、前記貨物室を海底に着床させるためと海中での位置及び姿勢制御を行う制御翼兼着床用脚を含む制御装置を含み構成されることを特徴とし、
前記深海クレーンは前記貨物室に搭載したバラストとともに前記深海クレーン全体の比重を海水より大きくして海底に降下し、
海底において前記貨物室に搭載したバラストを海底資源と交換して、前記深海クレーン全体の比重を周囲海水より小さくして、浮力により海面に浮上して海底資源揚収を行い、
前記深海クレーンがすべて固体と液体で構成されることにより前記深海クレーンの内部圧力を周囲海水と等しくして高圧による機械的応力を回避することを特徴とする深海クレーンを含む海底資源揚収装置。
【請求項２】
請求項１の前記深海クレーンにおいて、
上方から下方に滑らかに積載物が重力で落下できる構造を有する前記貨物室を前記浮力タンク下部に空隙を空けて水中において吊下し、
当該空隙より前記海底資源収集装置が前記海底鉱物資源を上方より前記貨物室に投入し、
前記海底鉱物資源の重力を利用して前記貨物室に搭載した前記バラストを下方に押出し投棄することにより、前記バラストと前記海底鉱物資源を交換させる。
この目的のため、前記貨物室下端に通過阻止機能を含む排出制御機構を設け、さらに海面より持ち込んだバラストと、海底で上方より投入する採集鉱物の混合を防止するために、海面より降下する時にバラスト上面に可動型の膜状または伸縮可能で可動な区分機構を設け、
前記貨物室の下端にあるバラストの前記排出制御機構よりバラストを落下排出可能とする。
前記制御翼兼着床用脚着床脚の一部またはすべてに海底床に対する荷重を測定する重量計を設置し、その測定値から前記深海クレーン全体の水中重量を常時監視し、前記貨物室上方より投入する前記海底鉱物資源採集鉱物の重量に対応して前記貨物室が海底への着床を継続可能な範囲でバラスト量を制御し、
さらに、前記貨物室への採集鉱物の積込み完了後、海底よりの離床浮上時にはバラスト排出を制御し、前記深海クレーンの比重を周囲海水より小さくして浮上することを特徴とする深海クレーン。
【請求項３】
請求項１における前記制御翼兼着床用脚は前記貨物室の上部外周部に
半径方向に外周に向かって鉛直方向から水平方向に
個別に開度が制御可能な網目状の制御翼兼着床脚を設け、
各制御翼兼着床脚の支持柱周りに個別に回転制御することにより前記深海クレーンの水平方向移動、昇降速度を制御できることを特徴とする深海クレーン。
【請求項４】
請求項１の記深海クレーンは海底着床点と前記海上司令船との間の移動経路を誘導制御する経路誘導制御機能を含むことを特徴とし、
前記深海クレーンの海面からの下降時には下降時における目標点である前記海底着床点との位置関係に応じて慣性航法と音響航法を切り替えることを特徴とし、
前記深海クレーンが前記海底着床点から上昇する時には上昇時における目標点である前記海上司令船との位置関係に応じて慣性航法と音響航法を切り替えることを特徴とし、海中温度分布により音波が到達しないか直進性が目標方位を計測するのに十分でない範囲では深度データと慣性航法データを用い、音響測定が目標方位を計測するのに十分な範囲では深度データと音響測定データを用いることを特徴とし、
前記音響航法は前記海底着床点と前記海上司令船に音響トランスポンダを設置し、前記深海クレーンに設置した音響発振機に呼応してエコーを発生することにより往復時間より、
浮上時には前記深海クレーンと前記海上母船との距離を測定するほか、前記深海クレーンに位置を離して設置した受振素子間の位相差から前記海上司令船の存在方向を探知し、
下降時には前記深海クレーンと前記海底着床点を含む海底着床点との距離を測定する、前記深海クレーンに位置を離して設置した受振素子間の位相差から海底着床点を含む海底着床点の存在方向を探知することができることを特徴とする深海クレーン。
【請求項５】
請求項１における前記深海クレーンの前記浮力タンクを３個以上の等容積の各球に分割して炭素繊維樹脂を含む軽量強靭素材で構成し、
前記各球に対する吊下応力を分散させるため網を前記各球の上部から側部表面に覆い索に絞り込み、
前記各球より１本の索で貨物室を吊下し、前記各球が海面に浮上している状態で前記各球の中央部の空隙より貨物室を前記海上司令船の船上クレーンで釣り上げ、採集鉱物を船上に回収し、バラストを前記貨物室搭載して海面に浮上している前記各球の中央部の空隙より前記各球に接続して海底に降下させることを特徴とする深海クレーン。
【請求項６】
請求項１における位置標識は緯度経度に対応して海底に設置される音響標識であって、海面においてＧＰＳにより緯度経度が測定された標識船の直下に音響信号による誘導または慣性誘導を含む方法により設定されることを特徴とし、
前記音響信号誘導では、前記標識船を取り囲む緯度経度の異なる前記標識船を内包する多角形の頂点より音響信号を発振させ三角測量の原理で前記標識船直下の鉛直線からの偏位を求め、各軸操舵翼を制御して、前記標識船直下の直下点に着床させることを特徴とし、
前記慣性誘導では前記標識船の緯度経度を初期値として鉛直線からの偏位を求め、各軸操舵翼を制御して前記標識船の直下点に着床させることを特徴とし、
着床後は深海クレーンからの問合せ信号に応答してトランスポンダとして機能することを特徴とする位置標識。
【請求項７】
請求項１における前記海上司令船は、総合監視制御装置により、前記鉱物収集装置に電源を供給し、光ファイバーによる通信を行い、前記深海クレーンの前記海上母船から前記海底着床点への降下を指揮管制し、前記海底着床点からの離床と前記海上母船への浮上を指揮管制し、
前記海上母船の総合監視制御装置は発電装置と前記海上母船からの電源供給を管制し、
前記海上母船の総合監視制御装置は前記深海クレーンからの揚収鉱物の前記海上母船への移送の管制を実施することを特徴とする前記監視制御装置。
【請求項８】
請求項１の前記深海クレーンに
前記貨物室との分離および接続が可能で、水中重量を測定可能な鉱物収集容器を構成要素として加え、
前記深海クレーンの海面よりの海底への降下においては
前記貨物室に投棄用バラストを積載し、
前記海底資源採集装置または単数または複数の前記鉱物収集容器を吊下し、
前記深海クレーンの比重を海水より大きくし、
前記深海クレーンの海底着床後には、
陸上で使用される建設機械のパワーショベルの油圧機構の原動力を原動機から電動機に置き換え、油圧差圧モータによりにより駆動されることを特徴とする前記海底資源採集装置、または前記収集鉱物容器の貨物室からの吊下を解き、海底に設置し、
前記海上司令船より超音波高精細ビデオカメラを含む映像監視装置を用いて前記海底資源採集装置遠隔操作し、前記鉱物収集容器に採集鉱物を積載し、
前記鉱物収集容器の水中重量の浮上可能な限界を監視し、前記海底資源採集装置による採集鉱物の前記鉱物収集容器への搭載を停止すべき時期を検知し、以降の収集鉱物積載および前記投棄バラストの混入を妨げるシュラウドで前記鉱物収集容器の投入口を覆うことが可能な構造を持ち、
前記深海クレーンが前記海底資源採集装置または採集鉱物を積載した前記鉱物収集容器を海面に揚収する運用においては、
前記海底資源採集装置に設けたリングを含む吊り上げられる機構または、前記鉱物収集容器のシュラウドに設けたリングを含む吊り上げられる機構に、前記貨物室下部のフックを含む吊上げ機構を誘導して篏合させた後、
前記貨物室中のバラストを投棄して、前記深海クレーンの比重を周囲の海水より小さくして海上司令船の近辺に浮上し、
前記海底資源採集装置または採集鉱物を揚収することを特徴とする
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月29日(2019.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底から物体を揚収する装置に関する。特に、海底の鉱物資源を採取し揚収するシステムに関し、水より比重の軽い液体の浮力を利用して揚収エネルギーを投入せずに海面まで揚収する装置に関し、気体を構成要素より排することにより内外の圧力を均衡させて海底での耐圧の必要性を回避し、さらに自律的に航走することにより海面と海底間の構造物を不要とすることを特徴としている。
【背景技術】
【０００２】
海底より物体を回収する試みは従来から、サルベージ、浚渫、海底油田の掘削の分野で行われている。海底鉱物の採集については１０００ｍレベルの海底鉱物採集の試行が開始された状況で、２０００ｍから５０００ｍレベルの海底資源回収は方法論すら確立されておらず、経済的目処も立たないため行われていない。本発明は６５００ｍレベルまでの海底資源回収を経済的に行う装置に関するもので、従来、海洋開発では利用されていない他分野である、制御工学、宇宙工学、情報工学、音響光学の最先端技術を組み合わせることにより、高圧環境下での機械的挑戦を行わずに現存のハードウェア技術で実現すべく、新たに考案したものである。
【０００３】
以下、従来技術を述べる。サルベージ技術、浚渫技術、海底石油掘削技術の延長発展として海底鉱物の採集は従来議論されている。サルベージ技術については、非特許文献１に概観されているように、ワイヤーをかけて引き上げる「大廻し方式」、浮力を利用する「バルーン方式」、直接つかみあげる「つかみ方式」がある。「大廻し方式」はワイヤーをかける潜水作業を伴うため深海では行われない。「バルーン方式」は圧搾空気を入れた金属製またはゴム製バルーンで海中を引き上げるが、深度変化に伴う気体膨張があるため水平移動が主体で、深度も１００ｍ以浅である。「つかみ方式」は海底に直接アームを伸ばしてつかみあげる方法で、１９７０年代に海底５０００ｍから米国CIAがソ連の沈没原潜を核戦略情報収集のために採算を度外視して引き上げた例があるがこれが深海より引き上げた唯一の記録であり、その後の例はない。公開情報によると、海底石油掘削技術の延長とみられる。いずれの方式も水上の作業船が直接力学的に関与するため海面の静謐が不可欠であり、深海から鉱物資源を採集するのには適さない。
【０００４】
現状における海底からの鉱物採取は経済的に成り立たず、深海探索艇や無人ロボットのアームや、ボーリングによってサンプル採取するのがせいぜいである。例外的に、油田やガス田などでは穴を開ければ内圧に押し出されて噴出するので、開口部にパイプなど回収設備を設けることで比較的低コストで採掘できるため、海底石油掘削技術の延長として海底熱水だまりより鉱物資源が溶けた熱水をポンプアップする方法が提案されている（特許文献１）。この方法は、さらにシェールガス採掘等と同様に鉱床に特殊な溶剤を流し込み、溶けた鉱物を水上へバキュームした後で溶剤から分離させて採取することもできる。
【０００５】
海底表層地層より鉱物資源を回収する方法としては、浚渫技術の延長として、深度１０００ｍの海底熱水鉱床（チムニーなど）を掘削し、スラリー化して水中ポンプで海上に送り出すための要素技術の試験開発が行われている（特許文献２）（非特許文献５）。  海底１６００ｍの熱水鉱床採掘・揚収のパイロットプロジェクトが２０１７年に実施し、１．５か月で１６トン揚収したが商業的目途は立っていない。（非特許文献７）
【０００６】
海底鉱物の採掘採集は深度１６００ｍの海底熱水鉱床がようやく要素技術の試験開発が行われ始めた段階である。コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、レアアース堆積物は１０００ｍ以深の深海表面に分布するが、資源調査の段階であり、資源回収については方法論を含めて未着手である。（非特許文献３）
本発明と同様に高圧環境での機械的限界への挑戦を行わずに海底より物体を揚収する技術として本発明と同一出願人の特許文献３がある。特許文献３では海底で発生させた水素ガスの浮力を用いて揚収機材の内圧と周囲海水圧を同一として高圧環境下での耐圧技術など機械的・構造的問題を解決し、浮力を用い、さらに海底で発生させた水素ガスは揚収過程で余剰となるのでトルエンに吸収させてMCH（メチルシクロヘキサン）として回収し、水素エネルギー源として活用することによりて揚収エネルギー効率の問題を解決した。
【０００７】
【特許文献１】WO２０１３１１８８７６A1「海底熱水鉱物資源の回収方法及び回収システム」
【特許文献２】特開２０１１−１９６０４７「揚鉱システムおよび揚鉱方法」
【特許文献３】特開２０１７−０６６８５０  国際出願PCT/JP２０１６・０８３６「揚鉱資源揚収装置」
【非特許文献１】「サルベージ」清水信夫  日本造船学会誌  平成14年５月
【非特許文献２】「海底鉱物資源開発に係る揚鉱管内における大粒径粒子のスラリー移送評価」高野他  第14回  海上技術安全研究所研究発表会  平成２６年6月
【非特許文献３】「海洋エネルギー・鉱物資源開発計画」  経済産業省  平成25年12月
【非特許文献４】「最新の海底鉱物資源の開発動向」織田洋一  三井物産戦略研究所  2013４月
【非特許文献５】「海底熱水鉱床掘削要素技術試験機の開発」三菱重工技報２０１３年No.2
【非特許文献６】Satellite Attitude Tracking By Quaterion-Based Backstepping, Raymond Kristiansen, Norweigian University of Science and Technology, Norway, 2005
【非特許文献７】「海底熱水鉱床  採鉱・揚鉱パイロット試験」  ＪＯＧＭＥＣ  ＮＥＷＳ  ２０１８，Ｍａｒｃｈ
【非特許文献８】Sound Metrics http://www.soundmetrics.com/
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
コバルトリッチクラスト、マンガン団塊、レアアース堆積物は海底面に堆積しており、地上であれば採集自体はパワーショベルまたはブルドーザで可能である。熱水鉱床の採掘試行が先行しているのは、熱水鉱床が深度１０００ｍ内外と比較的浅いことが主因であり、１０００ｍ以深の海底鉱物資源開発は深度が障害となり従来のサルベージ技術、浚渫技術、海底石油掘削技術の延長では解決できていない。
生物の世界では、マッコウクジラは生体で特段の耐圧技術を使わず、エネルギーもほとんど使わずに、３０００ｍまで潜ってダイオウイカを捕食して海面に戻ってくる。マッコウクジラが深度を障害とせず深海底と海面を容易に往復できる理由は、第一に、生体内で液体と固体の内外圧を等しくして高圧環境での構造的問題を回避していること、第二に、海底や海上の物体と独立に移動でき、構造的にも運動体としても自律的であるため、構造物としての制約が少ないことにある。第三に、クジラは“脳油”の温度による比重変化を利用して浮力を調節してほとんどエネルギーを使わずに昇降しており、浮力を利用した昇降が海中のような液体内の上下移動手段として最もエネルギー効率が良いことを示している。
【０００９】
しかし、以上の問題意識で、海底で鉱石の水中重量を打消す浮力を得て鉱石を揚収するには、次の２方法以外はない。
第一は水中で無から浮力を発生させる方法であり、この視点から解決に取り組んだのが本特許と同一発明人の特許文献３の方法である。高圧環境の海底で最も効率が良いのは水の電気分解による分子量が最小の水素の発生であり、発生源の純水の海底への持ち込み、海底への送電、浮上過程での余剰水素の回収も効率的に行える。海底で水素ガスを発生させて、浮力源として海底資源の揚収に用い、浮上に伴い余剰となった水素ガスをトルエンに吸収させ、MCHとし、水素エネルギー源として回収再利用する。しかし、この方法では (ａ)海底で電気分解により水素ガスを発生させるための電力、（ｂ）海底での電気分解装置、（ｃ）浮上過程での水素吸収のための有機ハイドライド反応装置、(d)揚収過程での水素反応制御装置が不可欠となる。
【００１０】
第二は本発明のように海面から“浮力”＋“バラスト”の形で浮力を打消して海底に浮力源を持ち込み、“バラスト”を切り離して海底でそれまで存在していない浮力を発生させる方法である。バラストは比重の重い固体または液体と考えてよいので海面から海底に持ち込む過程で水圧の影響は受けないと考えてよく比重も一定である。浮力源としては液体であれば海底でも水圧の影響を受けないので、常温で液体の最も比重が軽いｎ−ペンタン（沸点が36.1℃、比重0.626）、コスト的に安価なガソリン（比重０．７０）が最も目的に会う。
本発明の方法では、第一の方法で必要な（ａ）から（ｄ）の水素関連機材を省略できコストが削減でき、また、液体の浮力源は終始密閉状態にして置いてよいので取扱い容易という利点もあるが、次の２点を解決する必要があり、本発明の課題となる。
（１）海底にバラストと共に持ち込んだ浮力源からバラストを切り離して揚収すべき鉱石への接続換えを遠隔操作で、大浮力を発生している浮力源に対して実施する。
（２）商業的に海底資源を揚収するためには、連続的にプロセスを繰り返すことができる。
なお、海面から気体を浮力源として海底に持ち込むのは耐圧殻を用いざるを得ず、試算すれば効率とコストが引き合わないことが分かる。海面からパイプで高圧空気を吹き込むのもこの変形といえる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第一は、高圧環境の障害を根源的に回避するために、構成機材より気体を排除して、内外圧を等しくして耐圧機材を無くし、耐圧要件を回避した。このため揚収の浮力源として常温で水より比重の軽い液体（例えばｎ−ペンタン、ガソリン）を用いた。浮力源を海底まで到達させるために浮力を打消すバラストと共に沈下させ、海底でバラストと揚収鉱石を置き換える。本発明の方法では機構的に高応力の箇所がないので装置のスケールアップが容易となった。
【００１２】
第二は、浮力による揚収方法は鉱物資源を海中でスラリー化してポンプで海面に持ち上げる方法に対比して、高揚程ポンプが不要となる。圧力差の大きい可動機構、高圧配管、摩擦機構、耐圧機構がなくなり、スラリー輸送による輸送パイプの摩耗、シーリングの問題も生じない。さらに、本発明の方法では、海底より回収する物体をそのまま持ち上げるので、回収物体に対する寸法形状および物性の制約がない。海底資源については情報が少なく、海底では視程も悪く、情報収集手段が限られるので、鉱物破砕とスラリー化によるエネルギーの投入と海水汚染も回避できる。海底でのスラリー化を行うなどの海底での鉱物加工を排除し、原石のまま揚収する利点は大きい。さらに海底から高揚程の鉱物圧送を回避して、エネルギーの浪費を回避した。
【００１３】
第三に、構成機材の水中重量を軽量化し、定常運用の一環として全機材が浮力により自力で海面に浮上できるようにした。この結果、全機材の保守点検が容易となる。さらに自律航法で昇降できるので、揚鉱管のような海中および海底構造物と海上船舶との力学的連結がなく、海洋条件および海上指令船（母船）の位置制御条件の緩和を実現し、海上指令船のコストダウンになる。このことは同時に海底設置機材の移動を容易化するので、海底に薄く広く広がっている鉱物の収集に適した機動性が実現可能となった。
第四に、浮力差による移動速度を向上させて設備稼働率を向上する一方、水の抵抗を積極的に利用して抵抗翼の展開による終端速度の減速を行い、海底着床と海上指令船への帰還を安全化する。
【００１４】
しかしながら、上記の第一から第四の手段は、現実の世界で具体的に実現できて初めて課題を解決する手段となりうる。以下に実現を担保する方法について記述する。海底資源揚収システムの運用の全容は図０２に示す通りであり、主たる機材である深海クレーンの構成は図０１に示すとおりである。洋上の海上司令船０１０より気球状の形状の深海クレーン００１の浮力タンク００２に比重が水より軽い液体を充填して貨物室にバラストを積んで海底に降下させ、海底でバラストと採集鉱物を交換して海面に浮上させる。
（１）  軽量化による実現性の担保
浮力を利用するのためには装置の比重を１．０近辺にする必要があり、装置全体の軽量化が不可欠であり、比重が１．８程度の強靭な炭素繊維樹脂を含む軽量強靭な材料を構造材として用いる。とくに、海中より採集鉱物を揚収する深海クレーンの実現においては、全体比重海底と海面を往復するに際して、全体重量を１．０近辺に保ちながら、バラスト＝揚収鉱石の重量比率をどこまで高められるかが経済性の面で重要なカギとなる。すなわち、比重が１．０近辺というのは、自重による自由降下で海底への軟着床が可能であることを意味する。
【００１５】
軽量化は実現化のための重要要件であり、実現性のカギとなるので以下に検討する。
（ａ）  浮上時
試算例として、海底から一回の揚収で１０トン程度の資源を１０００から６５００ｍの海底から回収する典型的な深海クレーンの諸元例（単位mm）図１に示す。充填する液体はガソリン（比重０．７０）とする。浮力源として、浮力タンク００２の容量は３３．５１ｍ３であり、重量は厚さ５ｍｍの炭素繊維樹脂を用いた場合、容積は、６．４  ｘ  １０６  ｃｍ３であり、代表的な比重１．８とすると水中重量は、５．１トンとなる。
（  V     =  ２．０x２．０x２．０xπ  ｘ  ４／３  ＝  ３３．５１  ｍ３
浮力＝  ３３．５１x０．３０  ＝１０．０５トン
S =  ４ｘ２．０ｘ２．０ｘπ    ＝  ５０．２６ｍ２
水中重量  Ｗ  ＝  ５０．２６  ｘ０．００５ｘ０．８  =０．２０トン
外壁にかかる最大せん断応力は、１０．０５／２トンの浮力を得て上昇中に  球中央外壁部に上下方向にかかる。外壁円柱部断面積は肉厚５ｍｍの場合３１４．２ｃｍ2であり炭素繊維樹脂の代表的せん断応力を１５０ｋｇｆ／ｍｍ2、圧縮破壊応力を１００ｋｇｆ／ｍｍ2当該すると３１４０トンまで耐えられる。荷重に対して３０倍の強度がある。以上、本発明は現在の技術で十分実現性があると言える。
【００１６】
（ｂ）  下降時
下降時は浮力ユニットにガソリンを３３．５１ｍ３充填してあるので、貨物室００５にバラストとあわせて深海クレーンの機材重量を３３．５１トンであれば全体の比重が１．０となり、若干の重量を付加して比重を１．０＋αとすることにより、緩やかに海底に向けて降下させることができ、海底に軟着床させることができる。（図２）  浮力タンクは0．２トンと見積れるので貨物室と付加機材が０．５トンまでであれば、バラストは９．３５トンであり、海底で９．３トンの鉱石を積載できる。深海クレーン００２は物理的な制約がないため資源を自由に取ることができて、図０３に示すように直径９．０ｍの浮力タンクを使用すれば海底から１００トンの鉱物を揚収することができる。
【００１７】
（２）商業運転の実現
本発明になるシステムは継続的かつ連続的に、海底の鉱物資源を揚収し採集するシステムであるので、かかる運用を具体的に実現するものでなくてはならない。
この目的に沿う運用形態を図４に示した。
深海クレーン  ００１は、ガソリンの浮力を用いて海底００９より海底資源を揚収するクレーンの役割を行うものであるが、深海クレーン００１に加えて海底資源を海底で収集して深海クレーン００１に積み込む機能が必要である。この目的で、鉱物収集装置（海底パワーショベル）０１５を海底に設置して対応する。
海底資源は深度１０００ｍから６５００ｍの海底に広範に存在する。海底熱水鉱床は岩塊として、マンガン団塊は、海底に礫状に散在して、またコバルトリッチクラストは海底に薄く枕状溶岩として堆積して、レアアース泥は海底数メートルの深度に数〜１０ｍにわたって堆積している。
【００１８】
地上であればこれら海底資源はパワーショベルで収集できるが、海底では、揚収手段である深海クレーン ００１に積み込む手段がないので、鉱物収集装置（海底パワーショベル）０１５を用いる。
海底では一般に視程は保証されていない。この対策として超音波高精細ビデオカメラを海底パワーショベル０１５に搭載して海上司令船０１０より遠隔操縦で操作する。本発明の出願時点では商用で視程３５〜８０ｍ、視界２９°、ビーム数９６（分解能）、２０フレーム／秒のものまで実用化されている。（非特許文献８）
図２９は電動パワーショベルの例である。パワーショベルは油圧機構で駆動するが、駆動機構は差圧で動作するので、原理的に周囲の圧力環境に依存しないので海底の高圧環境でも電動油圧機構と移動機構をモータ駆動にすれば動作可能である。海上指令０１０より電力供給と遠隔制御を行う。超音波高精細ビデオカメラ０５０は海上指令船０１０より遠隔操縦で操作するリモコン雲台２６５の上に設置され、任意の方向の視界が海上指令船０１０で得られる。電動パワーショベル０１５の重心の上方には回収リング０３７を設け海底からのパワーショベル回収運用で用いる。
【００１９】
図２で、海底を離床した深海クレーン００１は浮上経路０４６で海上指令船０１０に向かって上昇し、海面０３２に到着する。海上司令船船０１０は深海クレーン００１より、採集鉱物０１８を回収する。回収後は、貨物室００５にバラストを搭載し沈降経路０４４で海底に降下させる。
海上司令船０１０は、バラストを出発港より運び、採掘点海上で採集鉱物０１８を回収して出港地にもどり、この往復を繰り返す。
【００２０】
海上指令船０１０は、海底の鉱物資源を採取の中核となる基地船で、採集海底の海上に占位し、鉱物資源を採取の指揮、機材の保守、電源の供給を行う。複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を搭載して鉱物採集地点に進出して、複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を海中および海面に展開する。海上指令船０１０は関連するすべての機材の運用を管制し、その目的のためのシステムを装備する。
海上指令船０１０は、海底の資源状態によって位置を変えることができる。深海クレーン００１のいずれも比重１．０近辺にすることができるため、一旦海面に浮上させて揚収した後、新地点で展開することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、海底から物質の揚収を浮力により行うため、エネルギー消費が少なく、海底を往復する機材に気体を含まないため海底深度による機械的影響が少なく、１０００ｍ未満から５０００ｍ超まで広範に適用できる。また、構造的に強度が制約される部分がないため、スケールアップが容易である。さらに揚収鉱石を微粉化しないので海中汚染も起こさない。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明を行う。なお、本発明は以下の説明に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々に変形を加えて実施することが可能である。深海底と海面の間を往復して、繰り返し資源を揚収する装置を本書では、以下、「深海クレーン」と呼び、周辺の支援装置を含めて全体を「海底資源揚収システム」と呼ぶ(図２ 海底資源揚収システム全体図）。深海クレーンはマッコウクジラから学ぶべき次の３点は全て採用している。
（１）  内外圧を均衡させる
（２）  浮力を利用する
（３）  自律的に移動する（自律航法）
【００２３】
本発明の揚収は密閉した常温で液体の低比重液体の浮力をバラストによる重力と組み合わせ操作することにより行う。陸上より海面上を運搬したバラストを海底にあるほぼ等重量の鉱石と交換するシステムであり、エネルギーの投入自体を行わないのが特徴である。また浮力源は密閉しているので方式上新規に浮力源を追加発生させることはできない。
（１）  比重制御
a.      搭載しているバラストを放棄して水中重量を減少させて比重を軽くすることにより比重を減少させることができる。
b.      浮上または降下中は比重を増加できない。
（２）  終端速度制御
【００２４】
水のような粘性流体中を重力または浮力を受けて移動する時、抗力と均衡して一定速度になる終端速度がある。比重は海水比重の近辺に設定する運用を行うが、海水比重より小さい分をαとすると、αと深海クレーンの形状に規定される一定の最終速度で浮上する。海水比重より大きい場合大きい分をαとすると、αと深海クレーンの形状に規定される一定の最終速度で降下する。αの調節および減速器があれば減速器展開による抵抗増減で終端速度を調整する。
（３）  海面からの降下および着床
a.      降下時は比重を海水比重＋αに設定する。αは大きいほど降下時間は短縮されるが消費バラスト量が増大すること、ｂ．の制御が難しくなる欠点があり最適値を調整で求める。
b.      着床が近づくと、バラストを投棄して終端速度を０に近づけ軟着床する。
（４） 海底から海面への浮上
浮上時は比重を海水比重−αに設定して浮上し、制御翼兼着床用脚００６で速度調整しながら海上母船０１０の近傍に到着させる。海底から空荷で浮上するような浮力過多の場合は減速パラシュート０６４（図２７）を利用する。
【００２５】
Ｉ  海底資源揚収装置の構成機器
１．深海クレーン
深海クレーン００１は図１に示すように気球と類似の構造を持ち、海面と海底を往復する球状の浮力タンク００２に貨物室００５を吊下ネット００３、吊下索００４で吊り下げた無人潜航体で、鉱物揚収を行う。球形の浮力タンク００２を採用するのは製造が容易であること、表面積に対する容積が大きいこと、他の形状に比べて強度が得やすいこと、水中航走体としての特性が単純で、構造計算が簡単であることによる。海中深度によらず内外圧をほぼ等しくして運用するために耐圧能力は必要ない。浮力タンク００２はジュラルミンなどの軽量金属または軽量で強度の得られる炭素繊維樹脂で構成され、常温において液体で、水より比重の軽いｎシクロペンタン（比重０．６３）またはガソリン（比重０．７０）を密閉充填する。ガソリンは得られる浮力が劣るが価格が低い利点がある。
【００２６】
深海クレーン００１は自律航法で海底と海面を往復するが、下降時は水より大きい比重に設定され、上昇時には水より小さい比重に設定される。海面からの下降時にはバラストを積載して沈下し、上昇時にはバラストの替わりに鉱物を積載して上昇する。上昇時の積載鉱物に見合う浮力は海底でバラストを投棄することによって得る。
また貨物室００５には開閉可能な制御翼兼着床脚００６が設置され、制御用と減速用の翼が設置される。図１、図２３（ａ）で深海クレーン００１の貨物室００５のZ軸対称にX軸の正負方向に各２個、Y軸の正負方向に各２個の制御翼兼着床脚００６ａ，ｂ，ｃ，ｄ を設ける。制御翼兼着床用脚００６は浮力タンク００２と貨物室００５内の積載物重量をバランスさせる運用なので、着床時負担する荷重は少ない。深海クレーン００１の最大の特徴はバラストと採集鉱物を、重力を利用して軽量簡単な機構で置き換えることである。海底では制御翼兼着床用脚００６を用いて貨物室００５が着床し、浮力タンクは上方に浮いている。浮力タンク００２と貨物室００６の間には鉱物投入用間隙０９２があり、貨物室の上方より採集鉱物を投入することにより下方よりバラストを押し出してバラストを採集鉱物に置き換える。バラストの投棄量を調節して海底への着床維持と浮上を制御する。
【００２７】
深海クレーン００１は自律水中航走体であるため誘導制御が不可欠で、水中音響、画像処理、慣性航法のほか、制御理論を適用する。海上司令船０１０との制御・画像信号の通信のためには光ファイバケーブルを用いる
図１７（ａ−１）は深海クレーン００１の上面図であり、浮上時に海上司令船母船０１０に誘導するための発音素子２３０、感音素子A〜D  ２３１〜２３４を設置する。また、図１７（ａ−２）は深海クレーン００１の貨物室００５の下面図であり、降下時に着床点０１１に誘導するために同様に、発音素子２３０、感音素子A〜D  ２３１〜２３４、撮像素子２３５を設置する。これらの運用法、実施例は「ＩＩ  航法系」の項で詳述する。
図２で電源信号ケーブル０１２は深海クレーン００１に連接し、制御信号と電源を海上指令船０１０より供給する。信号ケーブルは光ファイバにより軽量化を図る。なお、電気機器は完全油浸ないし水浸である必要があり、電子回路もレジン封入を含む方法で耐圧性を確保する。
【００２８】
１．  １  貨物室による鉱石揚収
深海クレーン００１は浮力タンク００２の浮力と貨物室００５に搭載したバラストの重量が水の比重より若干大きい状態で海底に近づく。貨物室の下部より投下するバラストの量を微調整することにより着床速度を調整できるが、ひとたび水の比重より軽くなると比重を増したり下方に推進する手段を持たせていないので、着床速度は深海クレーンの機械的強度により定められる一定値、概ね毎秒０．７メートル程度に設定する。制御翼兼着床用脚００６は海底の起伏に応じて開度を自動調整する。
【００２９】
深海クレーン００１の降下経路及び浮上経路の制御は図２３（ａ）の制御翼兼着床脚００６の開脚度と回転角を制御して行う。制御翼兼着床脚００６には網目状の翼が設置されていて水流の制御と制動を行う。エネルギーを投入する制御は行わず下降又は浮上時の位置エネルギーを制御翼により変換して制御力にする。図２３（ｃ）は制御翼兼着床脚００６による制御力の発生メカニズムを示す図であり、（ａ）は重力ベクトル３０９が浮力ベクトル３００より沈降力３０３だけ大きい沈降過程を示す。このとき（ｂ）に示すような傾いた制御翼００６が存在すると制御翼００６に直角に制御翼抗力３０２が発生し、その結果、翼推力３１４が発生する。（ｃ）翼推力３１４により斜め下に移動するが翼推力３１４を反対方向に打消す深海クレーン抗力３１５が働くことにより、翼推力３１４方向に一定速度で降下する。図２３（ｂ）は翼推力を各制御翼兼着床脚に記載したものである。
図２６（ａ）は各制御翼が軸回りに同一方向に傾いていて深海クレーンの回転を行う。回転方向は下降時と浮上時は逆となる。図２650（ｂ）は対向する制御翼二枚を水平座標面で同一方向に傾ける。残りの二枚は鉛直に向けて水平方向に制御力が発生しないようにする。図２５（ａ）は開脚度を最小にして制動力を最小にする場合であり、図２５（ｂ）は開脚度を最大にして制動力を最大にする場合である。図１で制御翼兼着床用脚００６の各付け根に着床用脚の開閉機構兼重量センサ００７を設けて制御翼兼着床用脚００６の開傘角度を開度調整範囲０４８の範囲で深海クレーン制御装置２８４により制御する。制動力の調節は深海クレーン００１に対する図１４減速器個別制御量計算２２０による制御翼制御系２２２による。
【００３０】
図４は深海クレーン００１に対する採集鉱物積載の状況を示している。採集鉱物は電動パワーショベルにより貨物室００５の上方より投入されるが、着床用脚の根元にある重量計（開閉機構兼重量センサ００７）で投入量を監視し、投入量に見合った量のバラストを積載物排出機構より投棄する。全てのバラストを投棄しても深海クレーンの比重が海水より大きくなると浮上できなくなるので、制御翼兼着床翼の根もとにある重量計計測値の変化から残余バラスト量をアルゴリズムにより常時監視して採集鉱物投入を中止して浮上する。
【００３１】
（１）貨物室の構成と運用
貨物室００５は下記方針で構成する。
第一に自然の重力を利用して海底でバラストと揚収すべき鉱物を交換するために、バラストと揚収鉱石を搭載する貨物室００５の構造を決定する。貨物室００５は重力を用いてバラストを放棄し、揚収鉱物を搭載するために上方に開いた形状を持ち下端に開閉可能な放出口がある。この目的に合う形状は上方に開けた円錐台である。揚収鉱石は上方より投入され、下端にある放出口からバラストが放出できるようにする。バラストは流動性を確保するため粒度が細かい土砂を用いる。
第二にバラストと揚収鉱石と混合することを避け防止するため、貨物室００５の上方を覆う隔壁を設ける隔壁は貨物室００５.の上縁部を隙間なく上辺部を覆い上方から揚収鉱石を投入するにつれバラストとの境界を占めながら下端の排出口に移動する構造とする。隔壁は蛇腹式で下方に伸長するものでも、膜状のものでもよい。
【００３２】
第三にバラストと揚収鉱石を交換するに際しては、浮力源が発生する浮力をバラスト、揚収鉱物、揚収機材（深海クレーンと以下呼称する）の重量の総和（深海クレーン全体重量と呼称する）より小さくするようにバラストの投棄量を制御する。この目的で深海クレーン全体重量を計測するセンサを設け、計算機によりバラストの投棄量を予測し制御する。揚収鉱石の搭載が完了して浮上を開始する場合は深海クレーン全体重量を水より小さくする。
第四にバラストの流動性の確保する必要がある。これは搭載する揚収鉱石に対応して深海クレーン全体重量を正確に制御する必要があるためで、バラスト排出口を制御してバラスト排出量を正確に制御できなくてはならず、バラストの流動性が必須となる。この目的のためバラストの粒度を細かくすると同時に流動性を増すために水流を噴射する構造とする。
【００３３】
図５はバラストと投入したバラストと採集鉱物を交換するための機構を示しており、下側に絞る構造の円錐台の形をしている。図５（ａ）は着床時の貨物室００５がバラストで充填されていることを示す。バラストは細粒状の土砂で貨物室００５の下端に設けた排出物排出機構００８により投棄量の微調整が可能である。バラストの投棄は重力によって行われ、採集鉱物の選鉱滓、精錬滓を用いると輸送コストと環境負荷を削減できる。上部を仕切機構０１６で覆い、上部より採集鉱物を投入し下端の積載物排出機構００８よりバラスト投棄を行っても両者の混合と採集鉱物が投棄されるのを防止する。図５（ｄ）（ｅ）は下方に延長可能な蛇腹構造の仕切機構の例を示しているが膜構造でもよい。図５（ｂ）は採集鉱物投入の途中過程で図５（ｃ）は採集鉱物投入の終了時を示す。実際の運用では浮上時に深海クレーンの比重を海水より軽くする必要があるので投棄用のバラストを残しておく必要がある。
【００３４】
図７（ａ−２）はＡ−Ｂでの断面図である。減速器兼着床用脚００５の各付け根に開閉機構兼重量センサ００７を設けて制御翼兼着床用脚００６の開傘角度を開度調整範囲０４８の範囲で制御する。図２は図１の深海クレーン００１の運用例を示したものである。海上指令０１0より貨物室００５の制御翼兼着床用脚００６を畳んだ状態（図２（ａ））で貨物室００５にバラストを搭載して全体の比重を１．０＋αの状態で海底に降下させる。航法制御につては慣性航法区間０９０、および音響航法区間０９１を経て、海底に近接したところで制御翼兼着床用脚００６を開き（図２（ｃ）、減速し、必要に応じてバラストを投下して軟着陸する(図２（ｃ）)。
【００３５】
図３に海底に於ける鉱石搭載の例。を示す。浮力タンク００２と貨物室００９の鉱石投入間隙０９２より採集鉱物０１８を海底パワーショベル０１５により投入する。海底パワーショベル０１５は電動モータにより油圧システムを駆動する。重量約６〜８トンであり、浮力タンク００２に充填したガソリンによる浮力が図１のシステムの場合約１０トンであるので貨物室００５に吊下して海底に持ち込むこともできる。貨物室００５は浮力タンク００２の浮力と均衡するバラストを搭載して海底に軟着床する。海底パワーショベル０１５は採集鉱物０１８を貨物室００５に投入するが、深海クレーン００１は投入された採集鉱物０１８に見合ったバラストを積載物排出機構００８より投棄しつつ深海クレーン００１が浮上しないように投棄量を調整する。図１の制御翼兼着床用脚００６の各付け根には開閉機構兼重量センサ００７があり、各着床用脚の重量計測値の和が正であれば着床状態である。着床状態で深海クレーン００１に採集鉱物０２３を投入すると重量計測値が増加するので、増加量に見合った重量を積載物排出機構００８より投棄する。
【００３６】
海底パワーショベル０１５には採集鉱物投入作業に便利なように各種アタッチメント（図２７（ｂ））を予め取り付けることも可能である。図４の採集鉱物投入ではバラスト０１７が採集鉱物０１８に最大限置き換わることが望ましい。このためには次の対策が有効である。
（１）        積載物排出機構００８出口に開口度を調節可能な排出絞り機構を設置し、バラストを細粒で準備することにより、バラストのみを投棄させ、最終鉱物の積載空間を確保する。
（２）        採集鉱物０１８がレアアース泥のような細粒の場合にも対応できるように、バラスト上面に遮断用のシートまたは伸縮可能な仕切り機構で上面を覆い、仕切機構０１６より下の部分を投棄するようにする。
図２（ｄ）で深海クレーン００１への採集鉱物０１８搭載が終了すると残余のバラストを投下して浮力を得て浮上する(図２（ｅ）)。さらに制御翼兼着床用脚００６をたたんで(図２（ｆ）)抵抗を減らして上昇し、海面への接近に伴い、制御翼兼着床用脚００６を開傘して減速し、図１４海上指令船０１０近傍に誘導する。
【００３７】
図４を用いて海底に於ける鉱石搭載の運用例を説明する。貨物室００５は３本の吊下索００４で浮力タンク００２より吊下されているので浮力タンク００２と貨物室００５の間に鉱物投入間隙０９２があり、採集鉱物０１８を海底パワーショベル０１５で投入することができる。図５(ａ)は貨物室００５へバラスト０１７を積載して海底に持ち込んだ時の状態を示す。バラスト０１７の上を覆う形で仕切機構０１６がある。図５（ｅ）は上方より見た上面図であり、図５（ｄ）仕切機構０１６は切断である。仕切機構０１６は図５（ｄ）に示すように伸縮可能な蛇腹機構であり、圧縮時は図５（ａ）の状態である。貨物室００５に上方より採集鉱物０２３を投入すると図５（ｂ）に示すように積載物排出機構００８によりバラスト０１７が重力により下方に廃棄され、採集鉱物０１８が仕切機構０１６の上側に搭載される。図５（ｃ）は採集鉱物積載完了時の状態であり、バラスト０１７は積載物排出機構００８より完全に下方に廃棄され、採集鉱物０１８が仕切機構０１６の上側に搭載され、仕切機構０１６は伸長し、貨物室００５の内側に密着した状態となる。採集鉱物０１８が重力によりバラスト０１７を押し出す。
【００３８】
図６は貨物室００５の内壁に仕切機構０１６の下側に設置される水流機構の例であり、注水機構１    ０２３および注水機構２  ０２５より注水管０２６の注水孔０２７より注水を行いバラスト０１７の流動性を増し、積載物排出機構００８から重力により採集鉱物０１８によりバラスト０１７が押し出されやすくする。図６の例では水流機構を信頼性向上のため２系統に分割し、１系統が動作しなくても深海クレーン総重量制御に支障が無いようにしている。水流を駆動する水流発生器1，２  ０２３，０２５も各系統に設置し２重化している。
図７は排出絞り機構の構成例を示したものである。図7（ａ−２）は排出口開口時の状態を示す。開閉機構は構成例の場合、円板に扇状の開口部を２２．５度おきに空け（ａ−３）Ｃ−Ｄ断面図に示すように上下に重ねて配置する。（ａ−２）Ａ−Ｂ断面図のように絞り板１  ０２８と絞り板２  ０２９を重ねると開状態となる。（ｂ−２）Ａ−Ｂ断面図のように配置すると閉状態となる。開閉の操作は（ａ−１）上面図、（ｂ−１）上面図に示す。
【００３９】
回転駆動機構１  ０２８により絞り板１  ０２８をモーター１  ０２１−１、ウォームギア１  ０３３−１を介して絞り板１  ０２８周辺部に刻んだ歯車を動かして回転させ、回転駆動機構２  ０３１により絞り板２  ０２９をモーター２  ０２１−２、ウォームギア２  ０３３−２を介して絞り板２  ０２９周辺部に刻んだ歯車を動かして回転させ、積載物排出機構００８の開閉状態を制御する。貨物室００５の排出絞り機構００８の開閉は深海クレーン００１全体重量の制御に極めて重要で、バラスト放出に失敗して比重を海水より小さくできないと海面への浮上が不可能となり、鉱石積載終了前に比重が海水以下になると意図しない浮上が発生する。このような事態を防止するためには、貨物室の排出絞り機構は絞り板を２分し、回転駆動機構の片系が動作不良の場合にも残存系を利用して浮上できるようにしている。２重系は図６貨物室の水流機構においても導入されており、注水機構１ ０２３、注水機構２ ０２５のいずれか一方が故障しても機能停止に陥らないように構成している。
【００４０】
図８に記載する貨物室制御システムが揚収鉱物積込み機構全体を制御する。システム自体はマイコン制御システムで、開閉機構兼重量センサ００７のストレーンゲージで制御翼兼着床用脚００６の各脚にかかっている荷重を計測する。水中重量の計測がプラスであると着床が継続する。初めて着床した時点の水中重量は採集鉱物０１８を投入するごとに投入分増大する。積載物排出機構００８から放出するバラスト重量は計測できるので、着床時に海底に持ち込んだ既知のバラスト重量から、残余のバラスト量が計算できる。残余のバラストを全量廃棄すれば浮上できる範囲で採集鉱物０１８を投入すればよい。図７の貨物室排出絞り機構の開閉度を調整してバラストの放出量を調整するので、回転駆動機構１ ０３０および回転駆動機構２ ０３１を２チャンネルのモーター制御装置２０４で制御し、回転位置を回転位置取込装置２０５で取り込む。図６の２チャンネルの水流機構を制御するため、水流発生器1  ０１９および水流発生器２  ０２０を２チャンネルのモーター制御装置２０４で制御し、回転数取込装置２０５で取り込む。インターフェイス２０３を介して深海クレーン電源及び制御装置２７８に深海クレーン００１の全体重量を含む状態値を報告すると同時に深海クレーンの浮上命令に基づき、図７の貨物室の排出絞り機構を制御してバラスト放棄による深海クレーン００１の全体重量の比重を海水より少なくして浮上を行う。
【００４１】
図９は貨物室積載物構成の時間推移の例を示すグラフであり、実際に計測可能なのは海底に持ち込んだバラスト重量と着床用脚展開及び重量計測機構０１４に設置されたストレーンゲージ０５０より求められた深海クレーン全体の水中重量（以下、“全体水中重量”と称す）である。図９の実太線は全体水中重量の時間変化を示し、実測可能値である。（ホ）は全体水中重量＝０を示し、全体水中重量がこの値を下回ると浮上する。（ニ）全体水中重量閾値 は海底滞在中に計画外の浮上を避けるために全体水中重量を（ニ）全体水中重量閾値を下回らないように制御する。（チ）は深海クレーンが海底に着床した時の状態であり、全体水中重量＞０である。全体水中重量＞（ニ）全体水中重量閾値 であればバラストを投棄する。（イ）バラスト投棄制御による全体水中重量変化はこの時の重量変化を示す。この時の減少値を以てバラスト残量推定値を減ずる（図中太線点線の曲線）。貨物室００５に採集鉱物が投入されると１回の鉱石投入量分 だけ全体水中重量が増大する。この増大に対応して全体水中重量が（ニ）全体水中重量閾値になるまでバラストを投棄する。この時点で貨物室００５への採集鉱物の投入を許可すると、全体水中重量は（ロ）１回の鉱石投入量分増加する。このプロセスを繰り返して、（ト）の時点でバラスト残量推定値が（ハ）バラスト残量推定値閾値に達した時点でこれ以上の鉱石投入量を停止して残余のバラストを投棄しないと浮上できなくなるので、全体水中重量が（ヘ）浮上用閾値になるようにバラストを投棄する。
【００４２】
図９に示した貨物室積載物構成の時間推移を実現するためのシステム構成は図８貨物室制御システムであり、ソフトウェアは図１０貨物室制御システムの処理フローで示される。処理系の動作はタイマによる周期処理であり、図１０（ａ）で初期起動時に周期処理を起動する。図１０（ｂ）は周期処理の全体を規定する。図１０処理ブロック５０２でプラント計測データである重量計測データ取込、回転駆動機構１，２の回転位置、ジェットポンプ１，２の回転数を取り込む。処理ブロック５０３では合理性チェック、雑音除去を含んだプラント計測データの変化量・変化率計算を行う。処理ブロック５０４で鉱石投入許可するのはバラスト廃棄可能量が1回の採集鉱物投入量上限値より大きく、バラストの投棄が停止され全体水中重量が整定している場合である。バラスト廃棄可能量は海底に持ち込んだバラスト重量から投棄したバラストの積算値を引いて、安全値を引いたものである。
処理ブロック５０５は鉱石を貨物室００５への投入を阻止するために、海上母船０１０の鉱物収集装置コンソール４４１に採集鉱物投入禁止の警報を表示するためで、図８インターフェイス２０３より深海クレーン電源及び制御装置２７８経由で送信される。
【００４３】
処理ブロック５０４は揚収鉱石投入を許可しているかを判定する。揚収鉱石投入許可はバラスト投棄の停止中しか許可しないので、周期的に取り込んでいるストレーンゲージ０４９の値が整定していることと、海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０から採集鉱物投入許可か出ていないことを以て、鉱石投入許可でないと判定し、処理ブロック５０５へ移行する。鉱石投入許可中であると判断されたときは、プラント（深海クレーン）制御を行うのは状態が変動中で危険であると判断して処理ブロック５０７に移行する。
【００４４】
処理ブロック５０７ではバラスト投棄の要求が無く、かつバラスト投棄が進行中でないことを判定する。バラスト投棄が無い場合のみ鉱石投入を許すので、処理ブロック５０８で鉱石投入不許可表示
消去を海上指令船０１０の遠隔操作盤で行う。バラスト投棄がある場合は、処理ブロック５１３で貨物室の排出絞り機構を閉鎖し、処理ブロック５１４で鉱石投入不許可表示を海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０に要求する。
【００４５】
処理ブロック５０４で鉱石投入を不許可としている場合はバラスト投棄制御を許可し、処理ブロック５０５で  鉱石投入不許可警報表示要求を海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０に行う。処理ブロック５０６は浮上指令でなくかつ鉱石投入中でなくかつ重量計測データが正常であるか判定する。YESであるとはバラスト投棄制御をを行い、NOであるとは緊急による海上指令船０１０の深海クレーンコンソール２１０からの指令または、揚収鉱石搭載完了による浮上制御を意味する。処理ブロック５０９では図９（ニ）全体水中重量閾値をバラスト投棄制御の目標値に設定する。処理ブロック５１０では図９（ヘ）浮上用閾値をバラスト投棄制御の目標値に設定する。
【００４６】
処理ブロック５１１は深海クレーン全体水中重量が閾値以下となった場合、処理ブロック５１３に移行してバラスト投棄を停止する。すなわち、図７の貨物室００５の排出絞り機構の回転駆動機構１，２  ０３１  ０３２を駆動して絞り機構を閉鎖し、バラストの流動化を行うための図６貨物室００５の水流機構も停止する。深海クレーン全体水中重量が閾値以上の場合、処理ブロック５１２で閾値に向けたPID制御演算を実施する。タイマで周期起動するディジタル系のPID制御は公知の技術であり、図７の貨物室００５の排出絞り機構の開度を制御し、同時に図６貨物室００５の水流機構に注水を行ってバラストの流動性を増加させる。
処理ブロック５１５では次回のサンプル周期の処理に備えて今回プラント値を前回プラント値として記憶し、処理ブロック５１６で次回のサンプル周期の処理を起動するためにタイマを設定する。
【００４７】
１．２  収集鉱物容器による鉱石揚収運用
採集鉱物０１８の収集は貨物室００５を用いる代わりに図１１に示す鉱物収集容器０３４を用いて行うこともできる。深海クレーン００１により事前に海底に搬入されている鉱物収集容器０３４に鉱物収集装置０１５で採集鉱物０１８を集積しておき、深海クレーン００１で揚収することもできる。利点として、第一に鉱物収集装置０１５による採掘と深海クレーン００１による揚収作業を切り離せることで、深海クレーン００１による揚収を海象の静かな時に集中して行い、海象の影響を受けにくい海底での鉱物収集装置０１５による採掘を継続して行うことができる。第二に採集鉱物０１８を過積載した場合に深海クレーン００１が浮上できなくなり失われるリスクを解消できる。特に過積載した鉱物収集容器０３４から過剰鉱石を鉱物収集装置０１５で排出することが可能であり、誤操作に対する耐性が増える。一方、鉱物収集容器０３４の回収リング０３７に図２６（ｂ）の貨物室００５の吊上フック０４７をドッキングして吊上げる必要があり、深海クレーン００１の精密位置制御が必要となる（これは、鉱物収集装置０１５の海底からの揚収と共用できる）。貨物室００５のバラスト排出機構、採集鉱物０１８積込み機構は不要となるが、深海クレーン００１の精密位置制御機構（図２６精密制御用アタッチメント）が必要となる。さらに、鉱物収集容器０３４が追加で必要になり、採集鉱物０１８重量測定用の重量センサ０３５と回収リング０３７の制御および深海クレーン００１とのドッキング用通信機能が必要となる。
【００４８】
図２４による深海クレーン００１の位置速度制御は能動的な推進力がないため静止状態から上方へ移動することはできない。精密な位置合わせを行うため、図２４の精密制御用アタッチメントを貨物室００５に付加して下記機能を付与する。
（１）水平方向推力                      図２４（ａ）水平スラスターａ〜ｄ
（２）垂直方向推力                      図２４（ａ）垂直スラスターＡ〜Ｄ
（３）光学航法用撮像装置            図２４（ｄ）  撮像装置２３５
（４）吊上げフック                         図２４（ｄ）  
（１）（２）は精密な位置合わせの推力を付与するため、（３）は撮影画像から光学航法により位置合わせ用の目標位置を精密測定する。（４）吊上げフックは撮像装置２３５の直下に取り付けられ、図２４（ｅ）に精密位置合わせ回収リングを吊上げる。精密制御用アタッチメントを付加した場合の貨物室００５に作用する推力は図２４（ｃ）作用ベクトル図に示す。
図２８（ｂ）は鉱物収集容器０３４を海底に持ち込む場合の状況を示す。鉱物収集容器０３４は空荷であるので軽量でありバラストの替わりに大量に海底に持ち込める。
【００４９】
図１１は海底に設置した鉱物収集容器０３４を用いた鉱物採集の方法を示しており、海底床に鉱物収集容器０３４を設置し、シュラウド０３６が閉じた状態で先端にある回収リング０３７を鉱物収集装置０１５で軽く圧下するとロック機構０４０が解除されるので、シュラウド０３６を鉱物収集装置０１５で軽く押して開状態にする。ロック機構０４０は一回目押すと篏合ロックされ二回目に押すと篏合ロックが解除される、例えばプッシュラッチ機構のロックであり、開閉機構０３８はロック機構０４０が外れた時はバネで開くようにする。シュラウド０３６は鉱物収集容器０３４を吊下して深海クレーン００１が浮上する時、貨物室００５に積載しているバラストを投棄する必要があり、鉱物収集容器０３４の内部に入らないようにするためのものである。
鉱物収集容器０３４は、マイコンシステムを搭載して深海クレーン００１と下記情報を交換して鉱物収集容器０３４への鉱物積込みと海底離床までの管理を行う。
鉱物収集容器034に図１２に示す鉱物収集容器制御装置28６を設置して図１３の鉱物収集用容器制御装置の処理フローを行う。海底に設置された鉱物収集容器034の認識番号（ＩＤ）は事前に定義されている。
【００５０】
鉱物収集容器０３４の海底への持ち込みから鉱石搭載による揚収までの一連の動作は下記である。
（１）        図２８（ｂ）に示すように鉱物収集容器を複数海底に搬入する。海底に置いた場合の姿勢は保証されない。
（２）        鉱物収集装置０１５の撮像装置２８３または超音波高精細ビデオカメラ０５０で撮像した動画を図３０海上司令船０１６のディスプレイ２５５で監視し操縦桿２７０で鉱物収集装置０１５のアームを操作して各鉱物収集装置を正立させ整列する。
（３）        鉱物を投入する鉱物収集容器０３４の認識番号（ＩＤ）を知る必要があるので、順次に音響トランスポンダで問合わせを行う。該当鉱物収集容器０３４は回収リング０３７を点滅させる。
（４）        鉱物を投入する鉱物収集容器０３４がIDとともに確定したので、シュラウド０３６を開く必要があるので、ロック機構０４０はプッシュラッチ機構のロックであるのでロック状態でシュラウド０３６を上から鉱物収集装置０１５のアームで押し下げるとシュラウド０３６が開く。
【００５１】
（５）        鉱物収集容器０３４に採集鉱物を投入すると重量が増加する。重量センサ０３５で計測しているので鉱物収集容器制御装置２８２が重量を鉱物収集容器制御装置処理フロー（図１３）に基づき計算し、重量問合せに対して回答し、規定重量に達したと鉱物収集装置制御装置２８５を通じて判断されると鉱物収集装置０１５のアームを操作して各鉱物収集装置０３４のシュラウド０３６を閉じ上から押し下げロック機構０４０をロックする。鉱物収集容器制御装置２８２は揚収OKとなるので、OKであると鉱物収集装置制御装置285を通して鉱物収集装置コンソール４４１に表示し、鉱物収集容器０３４で吊上げる回収リング０３７の上方に隣接するLEDを点灯する。
（６）        深海クレーン００１を精密位置制御して吊上フックをLEDを点灯した回収リング０３７にドッキングして、図２８（ｄ）に示すように吊上フック０４７で釣り上げる。図４３は鉱物収集装置０１５を海底から回収する運用を示すが、鉱物収集装置０１５の替わりに収集鉱物容器０３４を揚収すればよい。
（７）        図２８（ｄ）の状態で貨物室００５のバラストを投棄すると深海クレーンの比重が海水より軽くなり、海面に浮上する。
【００５２】
２．  鉱物収集装置
深海クレーン００１では揚鉱管による揚収を行わないため鉱石をスラリー化、細粒化する必要がなく、原姿に近い状態で揚収できる。そのため鉱物収集装置０１５は地上での鉱物採掘の類推でそのノウハウを最大限適用できる。採掘自体は地上であれば鉱山採掘機器で行われ、各種の鉱脈状態に対応している。海底資源は次の種類があり採掘に際してそれぞれ異なった特徴がある。
（１）海水熱水鉱床はマウンド状に岩塊として存在
（２）コバルトリッチクラストは海底に枕石状に存在
（３）マンガン団塊は１０数センチメートルの団塊として散乱
（４）レアアース泥は海底泥の数メートルから１０メートル下に数メートルから１０メートルの層をなして存在する。
【００５３】
鉱山採掘機器はいずれも建機を大型化したものであり、建機、例えば図２９に示すパワーショベルに各種アタッチメント（バケット、ブレーカー、回転破砕機、岩用首振りグラスパーなど）を付加すれば海底資源の異なった存在形態に対応できる。建機の駆動機構は油圧機構で動作していて駆動力は差圧であるので海底の高圧は差圧に関係ないので原理的には障害とならない。地上の建機は原動機で油圧ポンプを動かしているので、これを電動機にすることにより水中での動作が可能である。すでにリモコンにより水中で動作する建機が実用化されている。図２９はリモコン式水中建機の例であり洋上司令船０１０より操作可能とするために電源信号ケーブル０１２で連接し洋上司令船上の発電機から送電し、信号は光ケーブルで送る。海底は光が届かず泥を巻き上げて視界が保証されないことがあるので投光器と光学式撮像装置に加えて超音波式のビデオカメラ（例えば、http://www.soundmetrics.com/）を装備する。回収リング017は深海クレーン００１により海底より揚収回収する時に用いるものであり、円形のリングの周囲にＬＥＤ発光体と音響トランスポンダを設け、深海クレーンを精密誘導して深海クレーンの引き上げフックが篏合しやすいように誘導する目的で用いる。
【００５４】
2．１    設置および回収運用
深海クレーン００１は海底より採集鉱物を揚収することに加え、鉱物揚収装置００５のバラスト（電動パワーショベル）を洋上から海底に持ち込む操作と、海底から洋上に回収する操作を行う必要がある。この操作を行うためには海底より採集鉱物を貨物室００５に積載して揚収する場合に比べ次の点が異なる。
（１）鉱物収集装置０１５の海底への持ち込み
海底への降下時には図２７（ａ）に示すように、貨物室００５に鉱物収集装置０１５を吊下して降下し海底に軟着陸させることができる。位置精度および着床速度は採集鉱物揚収運用時と同様でよい。降下時は浮力タンク００２の浮力に対して上記条件を満足するように調整用のバラストを搭載し、海底に近づくと制御翼兼着床用脚００６を開きバラストを調整しながら投棄して着床速度を調整する。鉱物収集装置０１５を海底に設置した後は貨物室００５のバラストはなく、また負荷であった鉱物収集装置０１５もないため浮力が過多となり急速に上昇し貨物室の破損、洋上浮上時の応力による浮力タンク破損が予想される。この事態を防止するために上昇時に制動用パラシュートを開傘する（図２７（ｂ））。なお、鉱物収集装置０１５はガットクレーン船０６７のクレーン０６５で海底に下すこともできる。
【００５５】
（２）鉱物収集装置の海底からの回収
海底に存在する鉱物収集装置０１５を回収するためには、貨物室００５の下部に設置したフック０４７に引っ掛ける必要があり、位置精度でミリメートルオーダー、相対速度で秒速数センチメートルオーダーの精密制御が求められる。鉱物収集装置０１５をフック０４７に引っ掛けたあとは貨物室００５のバラストを投棄して深海クレーン００１の比重を海水より軽くして浮上する。
鉱物収集装置０１５の（１）および（２）の操作は採集鉱物の揚収と異なり精密な制御が必要とされるため、貨物室００５の上部にバラストと採集鉱物を隔離する仕切機構０１６の替わりに図２４に示す精密制御用アタッチメントを設置する。図２４に示すように電動の垂直スラスター４基と水平スラスター４基を設け電源として二次電池を付属させる。スラスターはフック上部に設けた撮像素子２３５による映像で制御する。鉱物収集装置０１５を海底に設置した後、浮上する場合は浮力過多となり貨物室００５及び海面浮上時に浮力タンク００１を応力過多で破損するのを防ぐ目的で減速用パラシュート０６４を用意しておき開傘させる。
【００５６】
図２７（ａ）は鉱物収集装置０１５海底に設置する場合の運用を示す図である。図２８（ｃ）図４３は鉱物収集装置０１５でを海底から回収する場合の運用を示す図である。海底からの回収は頻繁に行われる操作ではないので、精密制御用アタッチメントを貨物室の上部に設置して行う。精密制御用アタッチメントと鉱物収集装置０１５の重量は深海クレーン００１の採集鉱物揚収能力より少ない必要がある。図４３はメインテナンス等の目的で鉱物収集装置０１５を海底より揚収する場合の運用例を示す。深海クレーン００１にバラストを搭載して海底に降下させる（図４３（１））。海底に近づくと精密位置誘導するために減速器兼着床用脚０４３を開傘して最大限減速し、バラストも調整して投棄して海底に停止する（図４３（２））。吊上フック０４７を吊下し先端の撮像素子２３５で鉱物収集装置（電動パワーショベル）０１５の上部につけた回収リング０３７に吊上フック０４７を精密光学誘導し、吊上フック０４７で回収リング０３７を吊り下げる(図４３（３）)。鉱物収集装置０１５分のバラストを投下して浮上する(図４３（４）)。
【００５７】
３．  海上指令船
３．１    船種の選定
本発明の深海クレーン００１の運用では、海洋掘削リグ等の海中構造物を使用しないのでムーンプール及びバウスラスター等の一定位置制御機構を要しない。また、荷役方法を工夫して船上の小型クレーンで対応可能として６９９トンクラスガット鉱石運搬船での運用を可能とすることにより、海上司令船０１０として利用可能とする。ガット鉱石運搬船は採集鉱石運搬船としても利用できる。運搬船はバラストを出発港より運び、海上司令船０１０として機能し、採集鉱物をバラストの替わりに搭載して出港地にもどり、この往復を繰り返す。バラストは貨物室００５下端の積載物排出機構００９より海底に自由落下させるので細粒のものが必須で、量的には金属を抽出した鉱滓を利用すると量的、運搬の都合から都合がよい。  
【００５８】
海上司令船０１０は、採集海底の海上に占位し、鉱物資源を採取の指揮、機材の保守、単数または複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５を搭載して鉱物採集地点に進出して、海中に展開する。海上司令船０１０は関連するすべての機材の運用を管制する。
海上指令船０１０の持つべき機能は下記である。
（１）母港より、複数の深海クレーン００１、海底パワーショベル０１５、発電設備搭載して鉱物採集地点に進出して、採集海底の海上に占位し、これら機材を海中および海面に展開し、また海中より自船に誘導し揚収する。
（２）鉱物採集を行う適地に深海クレーン００１を誘導するための音響位置標識０７５を投下設置する。
（３）海底資源の存在する太平洋海域の海流に対して自己位置を正確に保持し続ける。
（４）海底の資源状態によって位置を変え新地点で展開する。
（５）海中および海面に展開する機材を揚収して保守する。
（６）海中および海面に展開する機材に電源を供給する。
（７）深海クレーン００１、バラストを搭載して海底に向け沈降させ、海底より揚収した鉱物資源を回収する。
【００５９】
３．２  荷役方法
ガットクレーン船は図３２に示す砂利積載用の船倉が一区画ないし二区画設けられ船上に海底からの砂利引き上げように用いるクレーンを搭載した小型標準貨物船である。海底資源揚収を想定する運用想定海域は法律上「近海」に区分され、６９９トンクラス以上であることが必要である。積載量は１３００トン程度まで可能である。洋上の採掘点までバラストを搭載して進出し、採集鉱石と交換して戻ってくる運用を考える。ガットクレーン船は傭船費が安い利点があるが、以下に示すように荷役方法を含めた能力に合った運用方法でなくてはならない。
（１）定点維持機能
バウスラスターは装備していないのが海流及び風によって流される方向に逆らってＧＰＳで位置を測定して船舶位置を修正する。「みちびき」を利用することにより位置自体は高精度に把握できる。船舶の向きは海象によりが、海中構造物が無いので構わない。ＧＰＳによる自動位置保持機能を装備することが人員への負荷削減のためには必要である。
【００６０】
（２）荷役
図３２のクレーン０６５一つを用いて外洋で荷役を行うため風浪への対策が必要である。深海クレーン００１の浮力タンク００２は重量が３０トン以上あるので、深海クレーン００２全体を揚収するのは避け、海面に残し貨物室００５以下のみを揚収する。図３３に荷役用機材を示す。浮力タンク００１より貨物室００５を分離して揚収するためには、浮力タンク００１と貨物室００５の接続箇所が浮力タンクの中央の海面に来ることが望ましいので３１（ｂ）のように浮力タンクを３分し中心に空隙ができるようにする（図３１（ｂ）（ｃ））。
図３３（ａ）に示す3分した各主浮力タンク０５５〜０５７には各々貨物室吊上フック０６２付きのサブ浮力タンク０５９を設け海面に浮上させるようにし、サブ浮力タンク０５９についているフック０６２にクレーン０６５の先端を海面作業で引っ掛けて（図３４（ｂ））引き上げる。サブ浮力タンク０５９にかかる荷重が大きくなると、主浮力タンクとの接続が自動的に外れ（図３３（ｃ））て図３４（ｃ−２）のように主浮力タンクが切り離されて海面に浮かぶ状態となる。さらに図３４（ｄ）のように海面より釣り上げて鉱石を回収する。バラストを積載した貨物室００５は同じく図３４（ｄ）のように海面に吊り下げ、図３４（ｅ）で示すように海面にある主浮力タンクのマーカー浮きと浮力タンク切り替えスイッチが海面で隣接するので海面作業で接続を行う。さらに貨物室を海面に対して降下させると、浮力源が主浮力タンクに切り替わって降下を開始する（図３４（ｂ）（ａ））。
【００６１】
クレーンで釣り上げた貨物室００５は船上で荷役できる寸法重量となる。降下の場合図３４（ｂ）でクレーンワイヤの先端を解放する。海面に浮上してきた深海クレーンの貨物室に対してクレーンの先端を引っ掛ける作業（図３４（ａ）（ｂ））と海底への降下に先駆けて貨物室を主浮力タンクに接続する作業（図３４（ｅ））および、図３４（ｂ）でクレーンワイヤの先端を解放する作業は洋上で人手により行う必要がある。図３３及び図３４に示す工夫により、ガットクレーンによる荷役を可能とし、潜水作業も回避できたが、ガットクレーン船より小舟を下ろして行う作業であり、風浪がある程度穏やかな方向推力一用がある。海底では遠隔操作により電動建機を操作して採掘を行うが、貨物室に積み込むのに先立って、採掘、砕石、集積等の準備作業が必要である。海底での作業は海面での風浪の影響を受けないので、これら準備作業を風浪で海面での荷役作業ができないときの行い、海面での荷役ができるときに採集資源の揚収を集中的に行うようスケジュールする。
【００６２】
４．  音響位置標識
深海を含む海底はGPSなど電波による測位が不可能であるので、海面において精密な位置基準をGPSで求め、その直下に音響位置標識を誘導設置して設置し、精密な海底での位置基準となし、海底で位置情報を利用した作業を可能にする。海底に緯度経度を参照可能な形態で位置標識を打設し、海底における露天掘りを効率よく進めることである。GPS緯度経度情報を海面で高精度に得られるので海面上での高精度緯度経度を直下の海底の定点位置基準として利用することに技術的特徴がある。音響位置標識を海面上での高精度緯度経度の直下の海底に海面から誘導する方法には、以下に述べるように音響を用いて誘導する方法と慣性航法による方法がある。
４．１  音響誘導による設置
技術的特徴として、
第一に位置標識の設定手段のため、情報伝達手段として唯一可能な音波を海面と海底の間で利用するが、音波の伝搬は海中の温度分布が一様でないため屈折し直進しない特徴がある。このため位置標定には海中音響伝搬特性に最大限注意を払う。すなわち、温度分布は海中深度に対して層状に変化しており、層に直角な方向には屈折が起こらず直進性が保証される特徴があり、直下点に近い範囲では音響信号を使用できることを利用する。
第二に、音響信号により信号処理と制御技術により音響標識を海面上の定点位置基準の直下に誘導設置する。
【００６３】
図３７で音響位置標識の構成と設置手順の例を説明する。図３７（ａ）に示すのは音響位置標識０７８の外形図であり、重力で海中を沈降する。沈降に際してＸ軸操舵翼０７６とＹ軸操舵翼０７７を制御して沈降の経路を変更する。図３６（ｃ）音響位置標識設定方法に示すように海面に位置標識船  ０７０に占位させ、直下に音響位置標識０７５を降下させ、海底００９に自重で貫入錘０７９により定位させる。海底の流速は深海では1〜２ｃｍ／秒であり、海底ではＸ軸操舵翼０７６とＹ軸操舵０７７を水平に設定することにより定位が継続できる。
【００６４】
図３７は音響位置標識０７９の構成を示したものである。図３７（ａ）は正面図で円柱状の音響位置標識０７５の長軸に直交して誘導用のX軸操舵翼０７６とＹ軸操舵翼０７７を設置していることを示す。図３７（ｂ）は音響位置標識０７９の側面断面図である。音響位置標識０７５外部にはX軸操舵翼０７５とＹ軸操舵翼０７５があり、誘導用に角度を制御するためにX軸操舵翼サーボドライブ装置２７１とY軸操舵翼サーボドライブ装置２７２が内蔵されている。音響位置標識０７９は深海の高圧環境に耐える必要があるので、内部は油浸とし、内部の機材は完全に油浸の状態で機能するものでなくてはならない。X、Ｙ軸操舵翼サーボドライブ装置はラジコン機で実現されている水準でよい。
発音素子２７６、感音素子２７７は音響位置標識０７９の尾部に設置する。誘導制御のための動特性は図３７(ｃ)運動特性作用力ベクトルで規定される。Ｘ軸操舵翼０７６、Ｙ軸操舵翼０７７および音響位置標識０７５を含めた抗力の中心を尾部に置くことにより、Ｘ軸操舵翼０７６、Ｙ軸操舵翼０７７を操作して音響位置標識０７５の落下方向を制御できる。操舵分力Wｓ と操舵分力Ｒｓ が音響位置標識０７５に対して回転モーメントとして働く。
【００６５】
音響位置標識０７５は海底に設置後、音響位置標識としてトランスポンダとして長期間使用する。このため長時間使用に耐える電池０３１を内蔵し、併せて電源制御回路０３９を設け、トランスポンダとして不可欠な回路以外を遮断して長期運用に備える。音響位置標識０７５は電池で作動するので電池が消耗した時の対応として海面への回収手段を用意している。図３７（ｂ）に示すように音響位置標識０７５にガソリンを充填した浮力タンク０８１と、例えば鉄製の重りとなる貫入錘０７９を離脱機構０８０で接続一体化し、貫入錘０７９を含めると音響位置標識０７５の比重が海水より大きく、貫入錘０７９を分離すると海水より軽くなり海面に浮上回収できる仕組みとする。離脱機構０８０は図３８（ｃ）の音響位置標識制御部２８７でディジタル出力がＯＮになると爆発ボルト０７８が分離する。貫入錘０７９以外の音響位置標識部分は浮上後再充電することにより再利用できる。図４２音響トランスポンダ共通インフラで「浮上命令」により貫入錘０７９を爆破ボルト等により離脱させる。浮上命令の発行は海上司令船０１０の深海クレーン監視制御システム２０９で音響位置標識０７５の投入後の動作時間を監視して行う。
【００６６】
図３８（ｃ）は音響位置標識０７５内のシステム構成を示したものである。演算装置２００、ROM２０１、RAM２０２は音響トランスポンダ共通処理部と同様であり、X軸操舵翼サーボドライブ装置２７１、Y軸翼サーボドライブ装置２７２はラジコンシステムで公然実施されている。受振制御２７４、送振制御２７５は圧電素子である発音素子、感音素子を駆動する回路であり公然実施されており、音波と電気信号の変換を行う。電源制御回路２７３は図３８（ｂ）に示す音響位置標識０７５内のシステム構成要素の電源供給のON/OFFを制御して海底設置後、トランスポンダとして動作する時の電池の電力消費を削減する。図３８(a-2)に記載されるソフトウェアで実施する。
【００６７】
音響位置標識０７５には下記の動作モードがある。
（１） 誘導制御モード
（２） トランスポンダモード
音響位置標識０７５を海中に投入する前に、図３８（ａ−１）で誘導制御モードに設定する初期化を行い、トランスポンダモードをＯＦＦにして誘導制御モードとする。
海面の位置標識船０７０、無人補助船Ａ〜Ｄより誘導音響信号を受振すると、図３８（ａ−２）誘導処理で誘導論理６８２（図３９）で操舵翼操作量計算６８２を行い、誘導信号受信監視タイマリセット６６７を行う。図３８（ａ−２）誘導監視処理は、誘導信号の受振がタイマ設定値のＮ回継続的に行われなかったときに誘導制御が行われなくなったと判断してトランスホ゜ンタ゛モードに移行（処理ブロック６５７）し、省エネモードに移行する（処理ブロック６５９）。タイマ設定値以内に受振した場合には継続的に誘導制御か行われていると判断し、処理ブロック６６７で受振がないことをチェックする監視タイマをリセットする。
【００６８】
図３９（ａ）で誘導システムの精度評価を行う。図３６（ａ）図３９（ａ）水面図（Ｘ−Ｙ）図に示すように位置標識船 ０７０を中心にＸ軸およびＹ軸方向にそれぞれｄの距離に補助位置標識船Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄ  ０７１〜０７４を配置し、無線で音響発振を位置標識船 ０７０より指令制御する。ｄの距離は大きくとることができるが、音響位置標識０７５は海底に向かって移動中であるので、補助位置標識船Ａ、Ｃおよび補助位置標識船Ｂ、Ｄの発振は同時でないと音響位置標識０７５に対する伝搬経路差を求めることができない。送振源がそれぞれ２つあり、かつ同時に発振し、かつ同時に受振識別するために、補助位置標識船ＡとＣの発振周波数を相違させ、それぞれ２．０ｋＨｚ〜２．４ｋＨｚおよび２．６ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのチャープ信号とする。図３９（ａ）は誘導の鉛直面（X-Z)図を示し、深度Ｄの音響位置標識０７５が鉛直線よりΔ偏位していた場合のそれぞれ補助位置標識０７０より  ｄ離れた補助位置標識船Ａ ０７１と補助位置標識船Ｃ ０７３からの伝搬経路差を求めると(数００１)となる。   
【数００１】
2019199250.tif 000068
（数００１）で伝搬経路差が示されるので、海底深度が大きい場合はｄを大きくとることにより海底での設置誤差を減らすことができる。ｄ＝１００ｍとすると、５０００ｍの深度に対しても１０ｍの誤差で伝搬経路差０．８ｍを確保可能で、十分実用に耐えうる。
【００６９】
図３８処理ブロック６６２誘導論理は図３９音響位置標識の誘導論理に示す通りである。補助位置標識船Ａ ０７１と補助位置標識船Ｃ ０7３とは同時に補助位置標識船Ａ 発振音０８２と補助位置標識船Ｃ 発振音０８４を発振する。音響位置標識０７５で識別可能とするため、補助位置標識船ＡとＣ、および補助位置標識船ＢとＤの発振周波数を相違させ、例えば、それぞれ２．０ｋＨｚ〜２．４ｋＨｚおよび２．６ｋＨｚ〜３．０ｋＨｚのチャープ信号とする。補助船Ａ発振音 ０８２、補助位置標識船Ｃ発振音  ０８４は周波数がリニアに時間的に増加し、補助位置標識船Ｂ発振音 ０８３、補助位置標識船D発振音０８５は周波数がリニアに時間的に減少することにより、X軸方向の偏差とY軸方向の偏差を識別する。図３９（ａ）音響伝搬図はX軸方向の偏差を求める場合であるが、Y軸方向についても同様に議論できる。
【００７０】
補助位置標識船A発振音０８２と補助位置標識船C発振音０８４は音響位置標識０７５に伝搬距離の相違から時間をずらして重複して音響位置標受振音０８６として受振される。受振された信号はディジタルサンプリングされ、相関演算処理２４７によりROM内に事前に記憶されている補助位置標識船A発振音０８２および補助位置標識船C発振音０８４のそれぞれと相関演算をすることにとり、補助位置標識船A 発振音タイミング０８８と補助位置標識船C発振音タイミング０８９を得ることができ、両者の差であるΔt  ０9３と補助位置標識船C ０２３と音響位置標識０７５の応答遅延より音響標識０７５の深度が知れるので処理ブロック２４４より鉛直線からの偏差△のX軸成分が求まる。この偏差に基づいて処理ブロック２４５でX軸の操舵量が求まり、、Δを解消するためのX軸操舵翼０７６、Y軸操舵翼０７７の操作を行うことができる。Y軸についても同様の処理を行い、X軸、Y軸を交互に処理して誘導制御する。
【００７１】
図４０（ａ）に示すように、音響位置標識０７５を設置する緯度経度の洋上に位置標識船 ０７０を配置し、直交するＸ軸およびＹ軸方向の両側ｄｍの位置に補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船D ０７４を配置する。位置標識船 ０７０は音響位置標識敷設時に洋上に下して運用する小型舟艇を想定しており、補助位置標識船A、B、C、Dは無人の自走ボートを想定している。
【００７２】
図４０（ｂ）は位置標識船 ０７０の制御システムであり、下記４機能を有している。
（１）指定した緯度経度への定点維持機能
（２）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する定点保持監視と制御指令機能
（３）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する精密誘導モード発振指令機能
（４）音響位置標識０７５追跡監視機能
【００７３】
（１）指定した緯度経度への定点維持機能
スラスター100の方向と推進力を方向制御装置101と推進力制御装置１０２で制御して、 GPS １０７で測定された現在位置緯度経度をコンソール１０５で指定された目標位置緯度経度に一致させる。スラスター １００の推進力は潮流等外乱に対して自己位置保持が可能であるレベルであるので、目標位置への移動は位置標識船 ０７０を操縦して行う。演算装置２００が図４１(C-b)の処理を実施して行う。
【００７４】
（２）補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４に対する定点保持監視と制御指令機能
補助位置標識船A ０７１、補助位置標識船B ０７２、補助位置標識船C ０７３、補助位置標識船D ０７４を位置標識船 ０７０より海面に下し定位置に展開する。展開するまでは公然実施されているリモコンボートの技術で実現できる。所定位置近辺に到達後は、図４１(C-c-1)の機能により周期的に処理ブロック５８７で補助位置標識船A〜Dの位置を測定し、処理ブロック５８８で定位置からの偏差を計算し、処理ブロック５８９で移動量を算出し、処理ブロック５８９で移動量を無線通信装置１０７経由で補助位置標識船A〜Dの各々に送信する。処理ブロック５９１は周期的に実行するためのタイマ設定である。処理ブロック５８７のレーザ測距レーザ方位測定は各々の補助位置標識船A〜Dに対してレーザ位置標定装置１０７で標定を行った後、ロックオンして自動追尾装置１０３で追尾することにより、補助位置標識船A〜Dが潮流、波浪で位置が擾乱してもレーザ位置標定装置１０４で追跡を継続でき、補助位置標識船A〜Dの距離・方位を継続的に自動取得できる。かかる自動追尾装置は公然実施されている。
【００７５】
無線通信装置１０７で補助尾位置標識船A〜Dの各々に送信された移動量は図４１（ＸＹ−ａ）の処理ブロック５８１で受信する一方、処理ブロック５８２でGSP  １０６の計測値から自船位置を標定する。GPSの精度は６ｃｍ精度まで向上しており、かかるGPSが利用可能であれば、レーザ位置標定装置１０４と自動追尾装置１０３による追尾の替わりに、図４０（ｃ）でGPS  １０６で緯度経度位置を測定し、図４１(XY-ａ)の処理ブロック５８４でＧＰＳによる自船位置標定値を使用する。処理ブロック５８４で移動量を算出して処理ブロック５８５でスラスタ制御指令を求め、図４０（ｃ）の方向制御装置１０１、推進力制御装置１０２によりスラスター１００により補助位置標識船A〜Dの位置を定位置に制御する。  
【００７６】
図４０（ａ）に示す位置標識船の位置が保持されていると、誘導モードで音響位置標識０７５を海底に誘導できる。図４０（ｂ）位置標識船 ０７０を図４１（C−ａ）で初期化処理する。処理ブロック１３６では一定深度Ｄｍを超えた場合に誘導を有効にできる（図４１（Ｃ−ｄ））。一定深度Dmを超えるまでは音波の伝搬経路の海面とのなす角が小さく正確な誘導ができないためである。
図４１（Ｃ−ｅ）は音響位置標識０７５に補助位置標識船A、B、C、Dから音響信号を発振する制御をおこなう。発振は周期的に行うため処理ブロック６０２でタイマをセットして周期的に起動する。処理ブロック５９５で誘導適格か判断する。発音体が水平距離ｄ離して設置するので一定深度がないと音波の直進性がないため誘導できないためである。処理ブロック５９６は補助位置標識船A、B、C、Dの位置が整定しているか判定して整定している場合に音響発振する。処理ブロック５９７から６０１は補助標識船A,Cの組と補助標識船A,Dの組を交互に発振させ、Ｘ軸とＹ軸を交互に偏差を計測して誘導するためである。
【００７７】
４．２  慣性誘導による設置
位置センサ、加速度センサとして固体振動体を利用した慣性航法センサがスマホ、ロボットなどを対象に小型低価格で固体パッケイジ化されたものが利用できる。降下時間による誤差蓄積が問題とならない範囲に収められれば、システムを簡略化できる慣性航法を利用することができる。図４５は慣性誘導による音響位置標識の設置方法を示したものである。まず、（ｂ−１）で、緯度経度が正確に測定できる位置標識船０７０より音響位置標識を索で吊下して静定させて、慣性航法センサを初期設定する。吊下索１１３を切断すると、（ｂ−２）に示すように海底に向けて鉛直線１１１に沿って降下する。X軸操舵翼０７６、Y軸操舵翼０７７により鉛直線１１１との偏差を解消するように制御し音響位置標識降下軌跡１１２をたどって海底床００９に貫入させる。
慣性誘導音響位置標識の外形は図４６に示すように位置加速度センサ２９５が追加となるが音響誘導音響位置標識（図３７）と外形は同じである。
慣性誘導音響位置標識の制御装置の構成を図４７に示す。図３８（ｃ）に対比して位置加速度センサ２９５が追加となる反面、図３９に示す音響誘導の誘導論理の処理が省略できる。図３９の誘導論理はソフトウェアで処理する場合は演算装置２００で実施するソフトウェアの変更（削除）となる。
【００７８】
図４８（ａ）（ｂ）で慣性誘導音響位置標識制御装置の処理フローを規定する。図４５（ｂ−１）に先立って図４８（ａ）の初期化処理を１回実行する。処理ブロック６７０の周期タイマ起動により、（ｂ）音響位置標識誘導処理を起動する。処理ブロック６７２で位置加速度センサ２９５の状態値を読込み、処理ブロック６７３で深度変化がない場合は図４８（ｂ−１）に対応して、音響位置標識の位置・速度変数の初期化を繰り返す。図４５（ｂ−２）で吊下索が切断されると深度が変化するので、処理ブロック６７３で降下誘導に分岐する。処理ブロック６７５の誘導論理は鉛直線１１１からX軸方向、Y軸方向の偏差を求め、周知のPID制御を含む制御論理によりにより処理ブロック６７６で操作量を計算して処理ブロック６７７でサーボ系出力を行い、図４７（ａ）X軸操舵翼サーボドライブ装置０７６、Y
軸操舵翼サーボドライブ装置０７７で操舵翼を駆動する。図４５（ｂ−３）で音響位置標識が海底床００９に到達すると深度が変化しなくなり、図４８（ｂ）の処理ブロック６７８で周期タイマを停止して（ｂ）の誘導処理を停止する。誘導制御を停止して以降、音響トランスポンダとして機能させるので、処理ブロック６７９でアクチュエータ電源をＯＦＦしてトランスポンダ処理（図４２）を起動する。 
慣性誘導音響位置標識を設置する位置標識船０７０の処理を図４９（ａ）に記す。図４７（ｂ）がハードウェアであって、ＧＰＳ１０６で精密緯度経度を取込み、吊下索１１３が切られていない間は処理ブロック６８３でＧＰＳ１０６より緯度経度を継続的に取込み、情報更新する（処理ブロック６８４）。吊下索１１３を切ると同時に図４７（ｂ）コンソール１０５（ＰＣキーボード）より吊下索１１３を切断した旨、設定する。吊下索１１３を切った段階で、監視のためにトランスポンダを周期起動（処理ブロック６８５）する。図４９（ａ−２）で設置した音響位置標識から応答があるまで応答要求を周期的に送る。図４９（ａ−３）は設置した音響位置標識からの応答信号があると起動され、当合わせのＩＤと一致した場合は設置完了と判断して音響位置標識のＩＤ，緯度経度、設置時期を登録する。（ＵＳＢメモリなどで海上司令船０１０の深海クレーン監視制御システム２０９に入力する）
【００７９】
ＩＩ．航法系
１．  構成の原則
本発明の浮力を利用した揚収では制御技術により、出発点と到着点（海面の支援船または海底の基地）の間を、揚収機材である深海クレーン００１を自律的に航走させて、昇鉱管のような力学的な連接のある構造物を不要とし、システムに要求される機構的な制約を緩和するる。
海中では次の物理的特性がある。
（１）海中では直進性のある電波が使えず位置センサとしてＧＰＳが使用できない。
（２）慣性位置センサは初期設定後時間経過とともに誤差が増大する
（３）磁性体の耐圧殻を使用していないので磁気コンパスは使用できる。
（４）海中で伝搬性の良い音波は上下方向から外れると直進性が悪くなり、測距と目標方位探知に適さない。
（５）精密な位置測量には光学測距が不可欠であるが、海中では直近以外視界の保証がない。
さらに、海底資源揚収での移動は上下方向が主体で、距離的にも高々６．５ｋｍという近距離であるが着床点制御ではｍオーダーの精度が要求されるという特徴がある。また、航法制御は伝送情報量要求が大きいが、海中は電波が通らず伝搬性のよい音波は情報量が少ないので光ファイバ通信が適している。海中で利用可能なセンサには、（１）慣性位置センサ、（２）深度計、（３）音響センサ、（４）光学センサ、（５）地磁気センサがあり、これらを用いた航法制御には慣性航法、音響航法、光学航法があり、これらセンサと航法の特質の長短を組み合わせて使用する。
【００８０】
図１６（ａ）は深海クレーン００１が海上指令船０１０と着床点０１１との間で往復するための航法制御について全容を示したものである。
慣性航法区間０９０の間は出発より時間経過が少なく、かつ初期位置を正確に知ることができるので、慣性センサ、深度計、地磁気センサ（磁気コンパス）を用いて位置・速度・姿勢を求め下降目標経路０４３との偏差を最小にするように誘導する。
下降目標経路０４３は初期の慣性航法区間０９０で降下時の目標である海底での着床点の直上に近い範囲、浮上時には目標である海上母船０１６の直下に近い範囲に占位するよう設定する。引き続く音響航法区間０９１では降下時には目標の直上、浮上時には目標の直下からのずれを少なくして、海中温度分布による音線の屈曲の影響を排除する。深海クレーン００１の海面０３２への浮上時には、海底では海水はほとんど停止しているので位置・速度に対する擾乱は小さいが、海面では波浪による支援船との相対運動を考慮する必要が出てくる。海面の波浪の影響を避けるため、海象の穏やかな時に海底からの揚収を集中し、海象が適さないときは海底での採掘に集中する方法もある。
３．航法制御系
【００８１】
図１４の航法制御系２１２は図１５航法制御系の動作フローチャートに従い動作する。
処理ブロック520では、深海クレーン００１が海上指令船０１０を離れる前か離れた後かを判断して離れる前であれば、降下開始までは処理ブロック５２４により海上指令船０１０にある深海クレーン監視制御システム２０９のＧＰＳ測位データ４０２を初期化データとして取得する。深海クレーン００１が海底からの浮上開始前であれば、処理ブロック５２６により深海クレーン００１が保持している位置データを初期化データとする。浮上または下降開始後は慣性航法系のドリフト蓄積で時間経過とともに精度が劣化することへの対策である。処理ブロック５２１では慣性センサ、デジタルコンパス、深度計を含む航法データを取得する。処理ブロック５２２で、航法モード（慣性航法、音響航法、光学航法）により分岐する。処理ブロック５２３で航法指令４０４を計出し運行制御系２９１の統括制御２１５に与える。浮上または下降開始時の初期設定は慣性航法である。光学航法は深海クレーン００１を精密誘導して鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および収集鉱物容器０３４回収リング０３７に吊上フック０４７をドッキングさせる場合のみに使用する。
【００８２】
４  慣性航法
慣性航法系の動作については図１６に記述する。深海クレーン００１に図２３（ａ）に記すピッチ、ヨー、ロールを割り当てる。水中ではGPSが使えないため慣性航法は基準座標に対して初期化後、時間とともにドリフトにより位置の誤差が蓄積する。このため、浮上および降下のいずれにおいてもドリフトが蓄積しない初期の段階で使用し（慣性航法区間０９０）、水平面内で深海クレーン００１を可能な限り目標に近づけ、次段階の音響航法で目標への近接が直上ないし直下に近くなるようにする。
音波の伝搬経路が鉛直により近くすることにより音波伝搬の屈折の影響を排除する。経路の初期段階の慣性センサのドリフト誤差が少ない時期に降下または上昇しつつ、目標の直上または直下に誘導し、音響誘導に切り替えることにより海水温度分布による音波伝搬の屈折を最小化する。
【００８３】
慣性航法２２７の処理は図１６（ｂ）慣性航法系の動作の処理フローに従う。ＧＰＳは使用できないので図１５処理ブロック５２４または５２６で得た初期位置に慣性航法系で得た移動距離を加算して現在位置を計出する（処理ブロック５３０）。処理ブロック５３１で深度系データと電子コンパスより求めた移動方位より慣性航法センサのドリフトを推定する。処理ブロック５３２でドリフト推定値により補正した最尤緯度経度深度、速度、姿勢を求め,、さらに目標経路との偏差を求める。
音響測距範囲０９１は、音波伝搬経路の屈折を考慮して、直進性の高い、最終目標点（降下時は海底着床点０１１、浮上時は海上指令船０１０位置）の直上または直下に円錐状に設定し、処理ブロック５３３で慣性航法系で音響測距範囲０４２の範囲に深海クレーン００１が入ったことを確認すると、処理ブロック５３４で音響航法系２２８に発音命令を出す。
処理ブロック５３５で目標地点に設置された音響位置標識（トランスポンダ）からのエコーを受信し確認し、さらに処理ブロック５３６で信号レベルが閾値を超え、距離が閾値以下であることを確認して、処理ブロック５３７で音響航法モードへ切替えを行う。
【００８４】
５  音響航法
音響測距の原理と実現方法については図１７〜１９に記述する。
感音素子Ａ〜Ｄ  ２３１〜２３４および発音素子２３０を深海クレーン００１の頂部(図１７（ａ−１）)および深海クレーン００１の底部(図１７（ａ−２）に配置した。これに伴う音波の伝搬は図１７（ｂ）（ｃ）に記す。音響航法は慣性航法に引き続き図１６の音響航法区間０４２で浮上時と降下時に使用する。これは、海水の温度分布により音波の直進性が保証されないため位置標定には誤差が生じるが誤差特性に対応して中短距離で利用するのが適しているためと、海中では光が直近以外には到達しないことによる。海水の温度分布は深度方向に存在するが、一般に水平方向は均一である。トランスポンダを用いて目標との測位をする場合、水平方向の方位は比較的に正確に把握できるが、鉛直方向との角度が増えると俯角方向の誤差が増える。音波伝搬は直上ないし直下より２０°以上離れると目標への到達が確実でなくなる。
【００８５】
音響航法２２８の原理と実現方法を図１７（ｂ）（ｃ）に示す。深海クレーン００１の進行方向（曲）)面２９２に感音素子A  ２３１、感音素子B  ２３２、感音素子C  ２３３、感音素子D  ２３４を設置する。これらの中央に発音素子２３０を設置し、音響航法区間 ０９１に入った時点で周期的に発音する。到着目標（海底着床位置）に設置されたトランスポンダかエコーを返すと、図１７（ｂ）（ｃ）に示すように各感音素子に対するエコー信号の到着に時間的ずれが生じる。すなわち図１７（ｂ）においてトランスポンダ２３６よりのエコーは感音素子C  ２３３に音波伝達面１  ２３７で到達し、感音素子A  ２３２には音波伝達面２  ２３８で到達し、時間的ずれ生じる。この状況を３次元的に示したのが図１８であり、XY面上の原点Oを囲む４点の感音素子A〜Ｄ  ２３１〜２３４へのエコー信号の到達時間のずれから演算により、トランスポンダ方位ベクトル２３９が求められることを示している。なお発音時刻とエコーの到着時刻の差より、トランスポンダ２３６までの距離も求められる。音源を点音源とすると計算は簡単ではないが、感音素子間の距離に比べて音源が十分遠くて面音源と近似できる場合は、図１８の説明に記載するように比較的単純に音源の方位と距離を求められる。音響測距はアクティブソーナーと同様の原理を用いているが、（１）目標の像を作る必要がないこと、（２）目標にトランスポンダを設置できること。（３）目標の直下または直上に誘導することが目的であること  （４）精密な目標の標定は光学航法にゆだねる  の理由により、簡略化と低出力化が可能となる。
【００８６】
図２０に音響航法で用いる装置の構成と動作を示す。
図２０(ｂ)音響航法装置の感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４, 発音素子 ２３０として広くアクティブソーナーで用いられている圧電セラミックスであり、最近では一般民需要として高出力のものが市販されている。図２０（ａ）の送振信号パターンの一定周波数電圧を圧電振動子に印加して音波を発振させる。図２０（ｂ）では送振と受振を別の圧電素子で行っているが共通にしてもよい。深海クレーン００１の制御のためには図２０(ｂ)音響航法装置を深海クレーン００１に設置し、図４２トランスポンダは海上指令船０１０側に設置する。音響航法の動作は図２0（ｃ）処理シーケンスに記載の通りで、航法制御系からの送振指令により音響航法装置が（２）信号送振を行う。往路伝搬時間後、トランスポンダが（３）受振検知し、ただちに（４）エコー送振する。復路伝搬時間後、（５）〜（８）Ｃｈ０〜３エコー受振が音響航法装置１４１で行われる。受振信号は送振後ただちに（９）待受により  ＣＨ０〜３データが記録される。待ち受け記録データと送振信号との相関を（１０）（１１）で行い、受振素子別の伝搬遅延時間を求める。（図２０（ｅ１）〜（ｅ３）処理フロー１〜３）
【００８７】
図１９は音響航法装置を用いた音響航法系の動作を記した処理フローである。図２０処理ブロック５４６で得たＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各受振素子の往復音波伝搬遅れを取得（処理ブロック５５０）し、処理ブロック５５１で各素子の平均遅延時間と海中音速より目標との距離を求める。
音源を面音源で近似した場合、図１８（ａ）〜（ｃ）の図を用いて詳細に説明する。
図１８（ａ）にてトランスポンダ方位ベクトル２３９は音波の侵入方向を示し、ＸＹ面となす角をφとし、ＸＹ面への投影がＸ軸となす角をθとする。ＡＢが音波の到来方向で、図１８（ｂ）はＺ軸上方より見た図である。図１８（ｂ）を音波到来方向ＡＢとＺ軸を含む面で切断したのが図１８（ｃ）であり、感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４に対して音波伝搬経路と遅延時間の関係を示している。感音素子Ａ〜Ｄ ２３１〜２３４の受振時刻（秒）をそれぞれｔa，ｔb，ｔc，ｔd，とし、海中音速をｓ  ｍ／秒とすれば、
感音素子ＡとＣの伝搬距離と伝搬時刻差による距離と
感音素子ＢとＤの伝搬距離と伝搬時刻差による距離より、それぞれ下記が得られる。
【００８８】
【数００２】
2019199250.tif 000069
となり、処理ブロック５５１が求まる。（数００２）は感音素子に対する伝搬遅延時間差がないとcosφ=0となってsinθが求まらない。cosφ=0とはトランスポンダが直下ないし直上にあることで、制御目的が達成されている状態である。
処理ブロック５５２で慣性センサより得られた姿勢データでトランスポンダ方位を補正し、処理ブロック５５３にて既知のトランスポンダ位置より制御対象である送振側の深海クレーン００１の位置を求める。
【００８９】
６  光学航法
特に海底では巻き上がる泥により光の到達距離が短くなるが、１０〜数ｍ以下の近距離では正確な測位が可能であるのでＬＥＤの発光素子を用いて精密位置制御に利用する。光学航法の原理を図２１（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を用いて説明する。深海クレーン００１の貨物室００５の吊上フック０４７の先端の撮像素子２３５で回収リング０３７の発光素子A〜Ｄ  ２４０〜２４３の発光を撮像装置２３５が感知すると光学航法２２９に移行する。
発光素子Ａ〜Ｄ  ２４０〜２４３は回収リングが鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の引上げ用に用いられるため、図２４（ｅ）の上下関係にあることを前提にしてよい。
撮像装置２３５を深海クレーン００１の貨物室００５の吊上フック０４７の上部に設置し、９０度を隔てて水平面内に設置されて４台の撮像装置２３５の一つが発光素子Ａ〜Ｄ  ２４０〜２４３からなる回収リング照準０６８を視界内にとらえるようにする。撮像装置２３５の中心軸が
発光素子ＡＢ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d１）の画像となり、
発光素子ＢＣ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d２）の画像となり、
発光素子ＣＤ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d３）の画像となり、
発光素子DＡ側にずれている場合は図２１（ｃ）の（d４）の画像となり、
中心軸にずれがないときは図２１（ｃ）の（d０）の画像となる。
【００９０】
図２１（ｂ）は光学航法の原理を示す。吊上フック０４７の先端に設置される撮像装置２３５は通常の電子カメラであり、１000x1000〜4000x4000pixelで視野角９０°を想定する。図２１（ｂ）のFaFbFcFdが撮像面２９３であり、発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の像が図２１（ｃ）のように結像する。
光学航法では図２１、図２２において；
（１）撮像面２９３上の発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の像の画素位置
発光素子Ａ(Ha,Va)、発光素子Ｂ(Hb,Vb)、発光素子Ｃ(Hc,Vc)、発光素子Ｄ(Hd,Vd)
（２）発光素子Ａ〜Ｄ ２４０〜２４３の識別情報
（３）撮像装置２３５の焦点距離Lf   １５５
（４）撮像装置２３５の縦横画角（αＶ，αＨ）と縦横画素数(Vmax，Hmax)
（５）発光素子Ａ，Ｃ ２４０〜２４３を結ぶ線ACがXY面となす角β
（６）発光素子Ｂ，Ｄ２４０〜２４３を結ぶ線BDがXY面となす角γ
（７）直線BDがY軸となす角δ
から下記データ（Ａ）（Ｂ）を以下に記す方法で求めることができる。
上記（１）（２）は撮像装置２３５の計測データであり、（３）（４）は撮像装置２３５の固有データでありすべて既知である。
【００９１】
クオテリオンを用いて上記（A）（B）を求める。
撮像装置２３５の位置における基準座標系（XYZ  X軸：水平  Y軸：鉛直  Z軸：前後）Pを定義し、撮像装置２３５の姿勢を表す座標系（XbYbZb  ）Pｂを定義する。
図２１（ｂ）における回収リング照準０６８は基準座標P に対してクオテリオンQT回転させて目標方位ベクトル１５７の視界座標 Pｔ  となったものとする。
【数００３】
2019199250.tif 000070
この座標系における回収リング標準０６８が撮像面２９３に投影されて図２１（ｃ）の像が得られる。回収リング照準０６８は基準座標P のZ軸に直交する平面上にあり、基準座標P のZ軸よりずれた位置にあるため、目標方位ベクトル３１０と回収リング照準０６８のなす面は垂直とならない。図２１（ｂ）のPAC  およぼPBDを詳しく書いたのが図２２（ａ）（ｂ）である。
【００９２】
Ａは発光素子A ２４０の存在する点であり、ＢＣＤも以下同様である。ＭはＡＣとＢＤの交点である。Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの撮像面２９３における結像座標を図２２（ｃ）に示した。HV座標は左上が(０,０)で右下が(Hmax,Vmax)である。発光素子Ａ，Ｃを結ぶ線ACと発光素子Ｂ，Ｄを結ぶ線BDの交点Mの座標は下記で与えられる。
【数００４】
2019199250.tif 000071
図２２（ａ）（ｂ）において視点Ｐより、線分ＡＭ，ＭＣを見込む角度をα，β、線分ＢＭ，ＭＤを見込む角度をγ，δとすると（数００３）で与えられる。ここで、Ｒは視点ＰからＡＣとＢＤの交点Ｍまでの距離、ｒ は発光素子とＭまでの距離、ω、φは、視線ベクトルＰＭに対する直交面に対して線分ＡＣ、ＢＤがなす角とすると（数００５）で与えられる。
【００９３】
【数００５】
2019199250.tif 000072
一方、α，β、γ，δは、（数００５）のように撮像面２９３上の発光素子の像の座標から求められるので、（数００６）のＲ，ω、φは値が確定する。
【数００６】
2019199250.tif 000073
なお、ρは、視線ベクトルＰＭ周りの基準座標に対する回転を示す。
（数００５）では回収リング標準０６８をXY面上仮定しているが、一般にはある姿勢角を持って傾いている。図２１（ａ）に示すように X* 軸が水平に対してα、Ｙ* 軸が水平に対してβ傾いている場合には、ｒの替りに ｒcosε，ｒcosτを用いればよい。
【００９４】
図２２（ｃ）より、深海クレーン００１の姿勢を表す座標系（XbYbZb  ）でPｂと目標方位ベクトル１５７の視界座標 Pｔ  の(数００７)の関係を求めることができる。Pitch,Yaw,Rollの定義は図２３に従う。
【数００７】
2019199250.tif 000074
(数００７)の回転のクオテリオンをQt とすれば(数００８)となる。
【数００８】
2019199250.tif 000075
【００９５】
(数００８)と(数００３)より(数００９)が得られ、基準座標Pに対する撮像装置２３５の姿勢が明らかとなる。
【数００９】
2019199250.tif 000076
(数００５)(数００６)より図２１（ｄ）処理ブロック５６１が求まり、（数００８）より処理ブロック５６２が求まる。
光学航法２２９ の結果、図１５処理ブロック５２３で運行制御系への指令値計出が行われ、図１４の運行制御系により、深海クレーン００１は回収リング標準０６８に近接する。
【００９６】
ＩＩＩ  制御系
１．  制御の原則
１．１ 制御系の構成  
図１４は制御論理をブロックダイアグラムで示したものである。
慣性位置センサ、深度計、音響センサ、光学センサおよび地磁気センサによる航法センサ１１５の計測値が位置速度制御系２１６に入力される。姿勢センサ２１４ によるピッチ、ヨー、ロール信号は姿勢制御系２１７に入力される。航法制御系１１０は図１５の処理ブロック５２２選択された航法モードにより、位置速度制御系２１６に航法指令４０４を与える。航法指令４０４は目標位置の時間関数であり、到達目標位置である海底着床位置、制御対象である深海クレーン００１の現在位置と目標位置の間の時間関数である移動軌跡を含む。姿勢制御系２１７は深海クレーン００１の形状が貨物室００５を浮力タンク００２に吊下した気球類似の形状（図１、図３１）であり、姿勢については鉛直軸回りの回転以外は実用上無視してもよい。
慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、位置速度制御系 ２１６は(数０１５) (数０１６)により制御量を計出し、制御翼個別制御量計算２１９と減速器個別制御量計算２２０で制御翼制御系２２２への指令信号を計出する。慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、図２２（ａ）に示すように貨物室に制御翼兼着床脚の開脚角度及び回転角を制御して制動と回転または水平方向推力を得る（図２６（ａ）（ｂ））。
【００９７】
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、位置速度制御系 ２１６は(数０１５) (数０１６)により制御量を計出し、個別推進機制御系２２１で個別推進器への指令信号を計出する。
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、図２４（ｂ）、図４４（ｂ）に示すようにスラスターを追加した精密制御用アタッチメントを貨物室００５に付加して精密位置制御を行う。精密制御は鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の回収リング０３７を回収フック１７７で吊上げるためにランデブー制御を行う場合に限定して行い、それ以外の海面と海底の揚収往復はスラスターを用いないで位置エネルギを受動的に変換して用いる。
深海クレーン００１の制御は個別推進器の推力、制御翼への指令値を制御して行う点で、下記運用モード（慣性航法、音響航法、光学航法）にすべて共通であるため、運用フェーズごとの個別要求は統括制御２１５が位置速度制御系２１６、姿勢制御系２１７で、(数０１６)の対角行列Aの状態変数に対応した対角成分、（数０１６）のフィードバック係数を変更することにより実現できる。
【００９８】
図１４に記載されている運行制御系２９１につき詳説する。
構造と座標系は図２３、図２４による。図２３（ｂ）、図２４（ｃ）、図４４（ｃ）は深海クレーン００１の貨物室００５に作用する外力ベクトルをモデル化した。
姿勢制御は深海クレーンの形状が軸対称であり姿勢制御は鉛直軸回りの回転以外、事実上意味がないが、精密位置速度制御により貨物室００５の吊下フック０４７で鉱物収集装置０１５または鉱物収集容器０３４を吊上げる場合にはランデブー目標（図２４（ｅ）、図４４（ｅ））の回収リング０３７に正対する必要がある。この解決策として下記の２つの対応がある。
（１）深海クレーンは形状が軸対称であり姿勢制御の意味が少ないこと、さらに軸方向の回転制御を行うと吊下索の捻じれに吸収されて挙動の制御が困難であることから軸回りの回転制御も行わない方針とし、軸方向の回転位置がいかなる場合でも、ランデブー目標（図２４（ｅ））の回収リング０３７に正対できるように図２４（ｂ）（ｄ）に示すように貨物室００５に吊下する撮影装置２３５が全周を視界に収めることができるように例えば、視野角９０度のものを直交して４個配置し、吊上げフック０４７を撮影装置２３５の視野の中心に向くよう複数、例えば４つ設けて、ランデブー目標（図２４（ｅ））をとらえた撮影装置２３５を選択して精密位置速度制御を行う。この場合、図２４（ａ）の水平スラスターには貨物室００５を軸回りに回転させるスラスターは設けない。
（２）深海クレーンの軸回りの回転制御を行う方針とし、回転制御速度を遅くして吊下索の捻じれによる問題が生じないようにし、ランデブー目標（図４４（ｅ））の回収リング０３７に正対できるように図４４（ｂ）（ｄ）に示すように貨物室００５に吊下する撮影装置２３５が視界に収めるように姿勢制御（回転制御）を行う。この場合、図４４（ａ）の貨物室００５を軸回りに回転させるスラスターｅ、ｆを設ける。
【００９９】
１．  ２  位置速度制御
慣性航法２２７および音響航法２２８の場合、図２３（ａ）に示す４枚の制御翼着床用脚００６の開脚度と制御翼の回転角を制御して制動と横方向の推力を得る。開脚度、制御翼回転角は制御翼兼着床用脚aとcで同一、制御翼兼着床用脚bとdで同一である。
Ra = Rc 
Rb = Rd 
上記ベクトルの成分を下記の通り定義する。
【数０１０】
2019199250.tif 000077
下記パラメタにより抗力を定義する。
開脚度                         αa   （添え字は制御翼着床用脚を示す）
制御翼回転角              βa      （添え字は制御翼着床用脚を示す）
沈降力または浮上力    S = W-F
貨物室重量                  W
関数Fxy  は水平面に対する推力成分を発生する実験式である。
関数Fz  は鉛直方向に対する推力成分を発生する実験式である。鉛直方向の推力は、受動的な抵抗翼により発生するので、浮力と重力の差を減殺する抵抗としてのみ働く。
Ray = Fxy(S,W, αa, βa)
Raz = Fz(S,W, αa, βa)
各成分を統合して下記が得られる。
【数０１１】
2019199250.tif 000078
【０１００】
１．  ３  精密位置速度制御
光学航法２２９で精密位置速度制御を行う場合、図２４（ｃ）図４４（ｃ）は深海クレーン００１に働く力を示す。
精密位置速度制御を行う前にバラストを調整して深海クレーンの浮力と重力を均衡させ、一旦、静止させてから精密位置速度制御によるランデブーに移行する。貨物室００５の位置と速度を制御するが、図２４では貨物室００５が浮力タンクに索で吊下されている。吊上げフック０４７および撮像装置２３５の構造上姿勢制御は行う必要がない。図４４では貨物室005が浮力タンクに索で吊下されている吊上げフック０４７および撮像装置２３５がランデブー目標（図４４（ｅ））に正対するよう姿勢制御を行う。
精密位置速度制御では図４４（ｂ）の垂直スラスターＡ〜Ｄの推力をTA, TB, TC, TD, 水平スラスターａ〜ｆ  の推力をTa, Tb, Tc, Td, Tｅ, Tf  とする。（図２４（ｂ）の場合は、Tｅ ＝Tf  =0）
鉛直方向の制御は水平姿勢を維持しながら行うので、垂直スラスタの推力は全て同一となる。
Tz= TA =TB =TC =TD
上記ベクトルの成分を表記して、
【数０１２】
2019199250.tif 000079
【０１０１】
水平方向のスラスターはX軸又はY軸上にあるため、水平方向の移動のため、各軸に対しては同一推力としてよい。
Ta = Tc 
Tb = Td 
Tｅ = ―Tｆ
ベクトル表記して、
【数０１３】
2019199250.tif 000080
各成分を統合して下記が得られる。
【数０１４】
2019199250.tif 000081
姿勢制御がある場合はｚ軸（鉛直軸）トルクをRz とすると  Rz  ＝  2Tｅ・b
ここでbはスラスターのｚ軸からの距離である。
【０１０２】
ランデブー機構
精密位置速度制御は鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の回収リング０３７を深海クレーン００１の貨物室の吊上フック１７７で吊上げるために用いる。図２４（d）図４４（ｄ）ランデブー機構はこの目的に特化して構成してある。回収リング０３７を吊下フック０４７にくぐらせて引き上げる。回収リングは吊上げる対象物体の上側に存在し上部にLED４個による発光体があり、吊上フック０４７の上部にある撮像素子２３５で視界に捉え光学方法により深海クレーン００１を誘導して吊上フック０４７を回収リング０３７にくぐらせる。発光LEDは撮像素子２３５が捉えやすいように高さを設定する。
【０１０３】
１．  ４  制御則
深海クレーン００１、は比重１．０近辺に保たれており、移動速度が１ｍ／秒程度で低速であり、低抵抗の対称形状であるが、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の移動に関しては、速度に比例する水抵抗を受ける。Rは水抵抗係数で運動方程式は（数０１５）で表現できる。
【数０１５】
2019199250.tif 000082
ここで、Mは深海クレーン００１の質量、Rは抵抗係数、X（ｔ）は重心G 053の基準座標系での位置を示す。T（ｔ）は深海クレーン００１に対する航法制御系および浮上制御系から求められる基準座標系における推力である。r はｚ軸回りのトルクであり、mは回転モーメント、sは回転に対する抵抗トルクである。（r(t)は姿勢制御を行う場合のみ考慮する）
は
（数０１５）の動特性に対して制御系として構成する。
下記を最小化するT（ｔ）を求めればよい。姿勢制御を行う場合はr(t)も求める。
【０１０４】
【数０１６】
2019199250.tif 000083
Aは対角成分が  aij >0  i=0,5  である６ｘ６定数行列である。
(数０１６)におけるWT(t), XT(t)，rT(t)における右下添え字は目標値を示し、右上添え字は転置行列を示す。
【０１０５】
VI  監視制御系
海底資源揚収を構成する機材を以上述べてきたが、これら機材に関して監視制御すべき内容には下記がある。これらは全て監視制御系２８７により海上司令船０１０で実施される。海上司令船０１０は標準鉱石運搬船を使用することを考え、ＰＣベースの小型可搬システムとして標準鉱石運搬船を海上司令船に変更して運用しやすいようにする。
（１）航法制御
（２）資源収集装置制御
（３）音響位置標識管理
（４）電源制御
（５）海上司令船制御
監視制御系２８７は図３５に示す深海クレーン制御装置２８４に関する部分と図３０に示す鉱物収集装置制御装置２８５に関する部分から構成される。
【０１０６】
図３５の監視制御系で示す深海クレーン制御装置２８４に関する部分は、海上指令船０１０上の深海クレーンコンソール２１０が光インターフェイス２１１を介して深海クレーン００１の次の監視制御を行う。
（１）深海クレーン００１の状態を監視し、海底への離着床を制御し、鉱石搭載などの運用管理、バラスト制御情報を管理制御する。
（２）精密速度位置制御に際して撮像装置２３５の画像をモニターし、必要に応じて手動制御を行う。
深海クレーン制御装置２８４に関する機能に加えて図３５の監視制御系の深海クレーンコンソール２１０は下記を行う。
（１）深海クレーン監視制御システム２０９が取り込んだＧＰＳ測位データ４０２に基づき、海上司令船０１０へ定点維持のために、海流と風の影響を打消すための速度、操舵指令を出す。
（２）位置標識船０７０が設定した音響位置標識の認識番号（ＩＤ）、緯度経度、設置時期を一括管理する。音響位置標識の設置および回収ごとに位置標識船０７０の音響位置標識制御装置（図３８、図４８）と媒体で情報更新を行う。音響位置標識は電池駆動なので電池消耗を管理して浮上回収指令情報を管理して位置標識船０７０に付与する。
（３）海底機材管理として、鉱物収集装置０１５（電動パワーショベル）および鉱物収集容器０３４の認識番号（ＩＤ）、緯度経度、設置時期等情報を管理する。
（４）海底の地理情報（映像情報、資源掘削情報）を収集管理する。
【０１０７】
図３０のの監視制御系で示す鉱物収集装置制御装置２８５に関する部分は、海上指令船０１０上の深海クレーンコンソール２１０が光インターフェイス２１１を介して鉱物収集装置０１５の次の監視制御を行う。
（１）超音波高精細ビデオカメラ０５０の映像をテ゛ィスフ゜レイ２５５で見ながら操縦桿２７０で鉱物収集装置０１５を操作する。海底視界が良好な場合は撮像装置２３５の映像を用いる。
（２）深海クレーンコンソール２１０の指示に従い、鉱物積載対象を選択して鉱物積載を行う。
（３）資源収集装置制御インターフェイス２６２を介して操縦桿２７０と資源収集装置コンソール４４１の操作により資源収集装置０１５を遠隔操縦する。
図３５に示す電源装置監視制システム２５０により電源制御盤２５１で発電機４７０を制御して下記を行う。
（１）送電インターフェイス２５３と海中電源ケーブル２６９を介して鉱物収集装置０１５の資源収集装置動力機構２６７に電源を供給する。
（２）送電インターフェイス２５３と海中電源ケーブル２６９を介して深海クレーン制御装置２８４に電源を供給する。詳細位置速度制御用のアタッチメントにはスラスターがあり駆動用の電力を要するが高性能の二次電池を搭載して海中電源ケーブル２６９を省略する方法もある。
電源装置監視制御システム２５０は電源制御盤２５１を介して充電装置２５２を制御して音響位置標識、深海クレーン制御装置２８４用の二次電池を充電する。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の海底資源揚収装置は海底に分布する鉱物資源を収集して揚収することができるが、構成要素に気体を含まず液体と固体のみで構成するため構成装置の内圧と海水圧を特段の耐圧機構を持たずに任意の海底深度で等しくすることができ、また流体の圧送を含まないため機械的な制約がない。海底資源の揚収を周囲海水の比重より若干軽くすることにより浮力を用いて行うので、揚収に必要なエネルギーが深度によって増大することがない。すなわち、海底資源が存在する深度１０００未満から６５００ｍを超える深度まで運用することができる。このように運用に柔軟性があるため、高品位の鉱物のある海域を選択的に移動して揚収することができ採算効果が大きい。
実施例中で示した数値は実現可能性を示すためのものであり、規模を拡大または縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の深海クレーンの外形図を示す図である。
【図２】本発明の海底資源揚収システム全体図を示す図である。
【図３】本発明の浮力タンク体積と浮力諸元を示す図と表である。
【図４】本発明の深海クレーンの鉱石積載（貨物室）を示す図である。
【図５】本発明の深海クレーン貨物室の鉱石積載を示す図である。
【図６】本発明の貨物室の水流機構の例を示す図である。
【図７】本発明の貨物室の排出絞り機構の例を示す図である。
【図８】本発明の貨物室制御処理部を示す図である。
【図９】本発明の貨物室積載物構成の時間推移を示す図である。
【図１０】本発明の貨物室制御処理部の処理フローを示す図である。
【図１１】本発明の深海クレーンの鉱石積載（収集鉱物容器）を示す図である。
【図１２】本発明の鉱物収集容器制御装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の鉱物収集容器制御装置の処理フローを示す図である。
【図１４】本発明の監視制御系のブロックダイアグラムを示す図である。
【図１５】本発明の深海クレーンの航法制御系の処理フローを示す図である。
【図１６】本発明の深海クレーンの慣性航法系の動作を示す図である。
【図１７】本発明のセンサの実装例を示す図である。
【図１８】本発明の音響航法の原理を示す図である。
【図１９】本発明の音響航法系の動作を示す処理フローである。
【図２０】本発明の音響測距の原理と動作を示す図である。
【図２１】本発明の光学測距の原理（１）を示す図である。
【図２２】本発明の光学測距の原理（２３５）を示す図である。
【図２３】本発明の深海クレーンの制御系の動作を示す図である。
【図２４】本発明の精密制御用アタッチメントを示す図である。
【図２５】本発明の深海クレーンの制御（その１）を示す図である。
【図２６】本発明の深海クレーンの制御（その2）を示す図である。
【図２７】本発明の鉱物収集装置の海底設置を示す図である。
【図２８】本発明の鉱物収集装置および収集鉱物容器の海底からの回収を示す図である。
【図２９】本発明の鉱物収集装置  （海底パワーショベル）を示す図である。
【図３０】本発明の監視制御装置（その２）を示す図である
【図３１】本発明の深海クレーンの浮力タンクの分割を示す図である。
【図３２】本発明の海上司令船の例  ガットクレーン船を示す図である。
【図３３】本発明の深海クレーンの荷役用機材を示す図である。
【図３４】本発明の深海クレーンの荷役手順を示す図である。
【図３５】本発明の監視制御装置（その１）の構成図を示す図である。
【図３６】本発明の音響誘導音響位置標識の設置を示す図である。
【図３７】本発明の音響誘導音響位置標識の構成例を示す図である。
【図３８】本発明の音響誘導音響位置標識制御装置を示す図である。
【図３９】本発明の音響誘導音響位置標識の誘導論理を示す図である。
【図４０】本発明の音響誘導音響位置標識設置システムの信号処理・制御システムの構成を示す図である。
【図４１】本発明の音響誘導音響位置標識設置システムの信号処理・制御システムの処理フローを示す図である。
【図４２】本発明の音響トランスポンダ共通インフラの処理フローを示す図である。
【図４３】本発明の鉱物収集装置（電動パワーショベル）の海底からの回収運用の例を示す図である。
【図４４】本発明の精密制御用アタッチメント（その２）を示す図である。
【図４５】本発明の慣性誘導音響位置標識の設置を示す図である。
【図４６】本発明の慣性誘導音響位置標識の構成例を示す図である。
【図４７】本発明の慣性誘導音響位置標識制御装置の構成を示す図である。
【図４８】本発明の慣性誘導音響位置標識制御装置の処理フローを示す図である。
【図４９】本発明の慣性誘導音響位置標識位置標識船制御装置の処理フローを示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
001  深海クレーン
002 浮力タンク
003 吊下ネット
004 吊下索
005  貨物室
006  制御翼兼着床用脚  （制御翼）