(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサを外界センサとして搭載する移動ロボットと、
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、
最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングに基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、
取得された複数の超音波画像を統合して推定された自己位置に基づいて環境地図を生成する環境地図生成手段と、
前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した２つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、流速ベクトル計測手段と、を含む、
計測システム。
【請求項２】
前記流速ベクトル計測手段は、下記式（１）に基づいて２次元流速ベクトルＶを計測する、請求項１に記載の計測システム。
0006516261.tif 000006
（上記式において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記単位ベクトルを示し、ｅαは前記第１のベクトルを示し、ｅβは前記第２のベクトルを示し、ｆＤαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。）
【請求項３】
さらに、前記環境地図と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
請求項１または２に記載の計測システム。
【請求項４】
複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサを外界センサとして搭載する移動ロボットと、
前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、
前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、
最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングに基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、
取得された複数の超音波画像を推定された自己位置に基づいて統合して環境地図を生成する環境地図生成手段と、
前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて互いに離間し、且つ、同一直線上にない第１の振動子、第２の振動子および第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した３つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した３つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第３の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第３の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを計測する、流速ベクトル計測手段と、を含む
計測システム。
【請求項５】
前記流速ベクトル計測手段は、下記式（２）に基づいて３次元流速ベクトルＶを計測する、請求項４に記載の計測システム。
0006516261.tif 000007
（上記式（２）において、ｆ０はパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは音速を示し、ｅｅは前記単位ベクトルを示し、ｅαは前記第１のベクトルを示し、ｅβは前記第２のベクトルを示し、ｅγは前記第３のベクトルを示し、ｆＤαは前記第１の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤβは前記第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示し、ｆＤγは前記第３の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を示す。）
【請求項６】
さらに、前記環境地図と前記流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを計測結果として出力する計測結果出力手段を含む、
請求項４または５に記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測システムに関し、より詳細には、流体に浸漬する物体の形状・位置を計測する計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、福島第一原子力発電所の廃炉に向けて作業が進められている。福島第一原子力発電所では、溶け落ちた燃料が構造材や制御棒と共に冷えて固まってなる燃料デブリが原子炉格納容器内に散在していることが予想されており、格納容器から燃料デブリを回収するための技術が種々検討されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４８０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料デブリを回収するためには、まずもって、格納容器内に散在する燃料デブリの位置および形状を調査する必要がある。この点につき、本発明は、外界センサを搭載した自律型移動ロボットを使用して燃料デブリの位置および形状を計測することを目的とする。
【０００５】
ここで、燃料デブリは、格納容器の冠水によって水没していることが前提となるが、滞留水の透明度が低いため、移動ロボットに搭載する外界センサとして、レーザレンジファインダ（ＬＲＦ）やデジタルカメラなどの光学センサを採用した場合、過大なノイズのために正確な計測ができないという問題がある。
【０００６】
また、高放射線下の格納容器内では、ロータリーエンコーダなどの内界センサが使用不能となるため、デッドレコニングによる移動ロボットの自己位置推定ができないという問題がある。
【０００７】
一方で、格納容器の冠水作業は、格納容器の破損箇所からの漏水により困難を極めており、燃料デブリの位置・形状を検知する計測系で同時に漏水箇所を検知することが求められる。
【０００８】
本発明は、上記の問題や要請に鑑みてなされたものであり、本発明は、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる新規な計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を同時的に計測することができる計測システムの構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。
【００１０】
すなわち、本発明によれば、複数の振動子が列をなして配置されたアレイセンサを外界センサとして搭載する移動ロボットと、前記複数の振動子の駆動を制御して順次異なる位置の振動子からパルス超音波を発信させるとともに、該パルス超音波のエコー信号を各振動子を介して検出するパルサ・レシーバと、前記アレイセンサにおける２以上の振動子を介して検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことにより超音波画像を経時的に取得する超音波画像取得手段と、最新の超音波画像が取得される度に、該最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングの結果に基づいて前記移動ロボットの自己位置を推定する自己位置推定手段と、推定された各自己位置において取得された複数の超音波画像を統合して環境地図を生成する環境地図生成手段と、前記アレイセンサにおいて所定以上の距離をおいて離間する第１の振動子および第２の振動子を介して検出されたエコー信号のドップラー周波数を検出し、検出した２つのドップラー周波数に基づいて流速ベクトルを計測する手段であって、検出した２つの前記ドップラー周波数と、前記パルス超音波の反射位置と該パルス超音波を発信する前記振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第１の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第１のベクトルと、前記パルス超音波の反射位置と前記第２の振動子の中心を結ぶ方向の単位ベクトルである第２の単位ベクトルと、に基づいて流速ベクトルを算出する、流速ベクトル計測手段と、を含む、計測システムが提供される。
【発明の効果】
【００１１】
上述したように、本発明によれば、流体に浸漬する物体の形状・位置と当該流体の流速分布を超音波アレイセンサを用いて同時的に計測する新規な計測システムが提供される。また、本発明によれば、超音波アレイセンサを外界センサとするＳＬＡＭ（Simultaneous Location And Mapping）により、高放射線下の原子炉格納容器内における移動ロボットの自己位置推定と環境地図の作成が同時的に実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の計測システムの構成を示す模式図。
【図２】本実施形態の超音波アレイセンサの駆動制御を説明するための概念図。
【図３】本実施形態の計測システムの使用態様を説明するための模式図。
【図４】エコー信号の波形を模式的に示す図。
【図５】開口合成の原理を説明するための概念図。
【図６】超音波画像を取得する態様を示す図。
【図７】流速ベクトル計測部を説明するための模式図。
【図８】流速ベクトルの算出原理を説明するための概念図。
【図９】マトリックス状に振動子を配置した超音波アレイセンサを示す図。
【図１０】環境地図と流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態である計測システム１００の構成を示す模式図である。本実施形態の計測システム１００は、自律型の移動ロボット１０と、パルサ・レシーバ２０と、ＡＤコンバータ３０と、コンピュータ４０を含んで構成されている。ここで、コンピュータ４０は、超音波画像取得部４２、自己位置推定部４３、環境地図生成部４４、流速ベクトル計測部４５、および計測結果出力部４６を含んで構成されている。
【００１５】
移動ロボット１０は、自律的に移動するための移動機構を備える。なお、図１は、移動ロボット１０が備える移動機構として４輪駆動の車輪を例示しているが、移動ロボット１０の移動機構は、車輪型に限定されるものではなく、クローラ型、多脚型、ヘビ型など、他の適切な移動機構であってもよい。
【００１６】
また、移動ロボット１０は、外界センサとして機能するセンサユニット１２を搭載する。本実施形態におけるセンサユニット１２は、矩形のセンサ面を有しており、そのセンサ面には、図１に拡大して示すように、２つの超音波アレイセンサ１４ａおよび１４ｂが配置されている。ここで、各超音波アレイセンサ１４は、複数の振動子１６が列をなして配置されたリニアアレイセンサとして構成されており、センサ面の高さ方向に超音波アレイセンサ１４ａが配置され、センサ面の幅方向に超音波アレイセンサ１４ｂが配置されている。
【００１７】
本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０が超音波アレイセンサ１４ａおよび１４ｂのいずれか一方を排他的に駆動制御する。超音波アレイセンサ１４は、パルサ・レシーバ２０が超音波アレイセンサ１４を構成する各振動子１６をパルスドップラー方式で駆動することによって各振動子１６が超音波の短パルス信号を発信するように構成されている。一方、各振動子１６が発信した超音波のエコー（反射波）は、各振動子１６によって受信されるように構成されており、各振動子１６は、受信したエコーを電気信号（以下、エコー信号という）に変換してパルサ・レシーバ２０に出力する。パルサ・レシーバ２０は、各振動子１６を介して検出したエコー信号（アナログ信号）をＡＤコンバータ３０に出力し、ＡＤコンバータ３０は、これをデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力する。
【００１８】
本実施形態において、パルサ・レシーバ２０は、超音波を発信する期間（以下、発信期間という）とエコーを受信する期間（以下、受信期間という）が交互に繰り返されるように振動子１６の駆動タイミングを制御する。パルサ・レシーバ２０は、発信期間が到来する度に、超音波アレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６の中から順次異なる位置に配置される１つの振動子１６を選択して駆動し、受信期間が到来する度に、２以上Ｎ以下の振動子１６を介してエコー信号を検出する。例えば、パルサ・レシーバ２０は、図２に示すように、発信期間が到来する度に、列の左端（１ｃｈ）から右端（Ｎｃｈ）にかけて、走査方向に隣接する振動子１６を１つずつ順番に駆動し、受信期間が到来する度に、全ての（Ｎ個の）振動子１６を介してエコー信号を検出することができる。
【００１９】
なお、本実施形態においては、Ｎ個の振動子１６のそれぞれに対して固有のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を１組ずつ用意し、Ｎ個の振動子１６から検出されるエコー信号を同時に処理することが望ましいが、１組のパルサ・レシーバ２０とＡＤコンバータ３０を使用して計測を行う場合は、マルチプレクサ（Ｎ対１）を用いて、Ｎ個の振動子１６から検出されるエコー信号を時分割で処理するようにしてもよい。
【００２０】
また、本実施形態は、発信期間における振動子１６の駆動順序を限定するものではなく、発信期間が到来する度に異なる位置の振動子１６からパルス超音波が発信される態様であればよい。なお、図２に示すように、受信期間において全ての振動子１６からエコー信号を検出することは必須ではなく、計測値に関して所望の精度を達成しうる態様（数および位置）で振動子１６からエコー信号を検出するように構成すればよい。
【００２１】
以上、本実施形態の計測システム１００の構成の概要を説明してきたが、本実施形態の計測システム１００を格納容器内に散在する燃料デブリの調査に使用する場合、まず、図３に示すように、ペデスタル外側の１Ｆグレーチングの隙間から移動ロボット１０を下に降ろして水没させ、格納容器（ＰＣＶ）の底部に着地させる。この時点で、移動ロボット１０の初期位置と姿勢（世界座標系）を適切な方法により取得する。その後、移動ロボット１０は、格納容器内を移動してその位置を変えながら、各位置においてセンサユニット１２を介した超音波の送受信を繰り返す。一方、コンピュータ４０は、センサユニット１２を介して検出されたエコー信号に基づいて所定の処理を実行する。
【００２２】
以下、コンピュータ４０を構成する各機能部が実行する処理を説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図１を参照するものとする。
【００２３】
本実施形態においては、移動ロボット１０は、格納容器の底部に着地した初期位置・姿勢を起点とし、その後、微小距離だけ移動しては静止することを繰り返しながら、格納容器内をくまなく探索する。移動ロボット１０が静止している期間（起点において静止している期間を含む）、超音波アレイセンサ１４を構成する複数の振動子１６のうち、発信期間に１つの振動子１６がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１６がそのエコーを受信する。図４は、受信期間に各振動子１６から検出されるエコー信号の波形を模式的に示す。図４に示すように、各振動子１６から検出されるエコー信号は、水没する静止物体に反射したエコーに対応する成分Ｅ１を含む。ここで、静止物体は、例えば、格納容器内に散在する燃料デブリである。
【００２４】
一方、超音波画像取得部４２は、移動ロボット１０が静止している期間にコンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ１に基づいて移動ロボット１０の周囲環境の超音波画像を取得する。具体的には、超音波画像取得部４２は、２以上の振動子１６を介して検出された成分Ｅ１に基づいて開口合成処理を行うことによって超音波画像を取得する。ここで、開口合成とは、異なる位置で受信した受信信号を合成することにより仮想的に大口径の開口（受信素子）を得る手法である。以下、図５に基づいて、本実施形態に適用される開口合成の原理を概説する。
【００２５】
ここでは、センサユニット１２のセンサ面の幅方向に配置された超音波アレイセンサ１４ｂを構成する複数の振動子１６のうち、振動子１６ａが発信したパルス超音波が燃料デブリ５２上の位置Ｘで反射し、３つの振動子１６ｂ、１２ｃ、１２ｄがそのエコーを受信する場合について考える。
【００２６】
この場合、振動子１６ａがパルス超音波を発信してからそのエコーが振動子１６ｂで受信されるまでの所要時間Ｔｂと、流体の媒質の音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｂの中心の離間距離Ｌａｂから位置Ｘが存在しうる曲線ｂが幾何学的に求まる。同様に、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１６ｃで受信されるまでの所要時間Ｔｃと、音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｃの中心の離間距離Ｌａｃから位置Ｘが存在しうる曲線ｃが幾何学的に求まり、パルス超音波が発信されてからそのエコーが振動子１６ｄで受信されるまでの所要時間Ｔｄと、音速ｃと、振動子１６ａの中心と振動子１６ｄの中心の離間距離Ｌａｄから位置Ｘが存在しうる曲線ｄが幾何学的に求まる。そして、この場合、３つの曲線ｂ、ｃ、ｄが交差する領域近傍に位置Ｘの存在が推定されることになる。
【００２７】
なお、ここでは、３つの振動子１６から検出されたエコー信号を合成する態様を示したが、合成するエコー信号を多くするほど推定の確度が高くなることはいうまでもない。超音波画像取得部４２は、計測値に関して所望の精度を達成するために必要と考えられる２以上の振動子１６を選択し、そこから検出されたエコー信号に基づいて開口合成処理を行う。
【００２８】
本実施形態においては、先述したように、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子１６の位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、超音波画像取得部４２は、計測線の走査に同期して、複数の振動子１６から検出されるエコー信号を開口合成し、これにＤＢＦ法やＭＵＳＩＣ法といった既知の位置推定アルゴリズムを適用することで各計測線上の位置Ｘを推定する処理を繰り返す。その結果、燃料デブリ５２の超音波画像が取得される。
【００２９】
図６は、本実施形態の計測システム１００によって燃料デブリ５２の超音波画像が取得される態様を模式的に示す。対象となる物体が複雑な形状を有する場合、パルス超音波が入射する位置によって、そのエコーの伝搬方向が大きく異なることがある。例えば、図６（ａ）に示すように、パルス超音波が位置Ｘ１に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上を戻るように伝搬する。この場合、高い強度のエコー信号が検出されるので位置Ｘ１につき確度の高い位置情報が得られる。
【００３０】
一方、パルス超音波が位置Ｘ２に入射する場合、そのエコーはパルス超音波の伝搬線上からずれた方向に伝搬する。この場合、パルス超音波の伝搬線上近傍の振動子１６から検出されるエコー信号の強度は弱くなるが、エコーの伝搬方向に配置された複数の振動子１６から検出されるエコー信号に基づいて開口合成処理を行うことで位置Ｘ２の位置情報が得られるので、図６（ｂ）に示すように、複雑な形状を有する物体について鮮明な超音波画像を取得することができる。
【００３１】
以上、説明したように、超音波画像取得部４２は、移動ロボット１０が静止する度に超音波画像を取得する。その結果、移動ロボット１０が格納容器内を移動する間に、複数の超音波画像が経時的に取得されることになる。一方、自己位置推定部４３は、超音波画像が取得される度に移動ロボット１０の自己位置を推定する。なお、ここでいう自己位置とは、移動ロボット１０の位置と姿勢を含む概念である。
【００３２】
具体的には、自己位置推定部４３は、まず、起点において取得された０番目の超音波画像と、移動ロボット１０が起点から移動した１番目の静止点において取得された１番目の超音波画像を比較し、両者の間の対応する特徴点（ランドマーク）のマッチングの結果に基づいて移動ロボット１０の移動量を推定する。なお、このマッチングは、ＩＣＰ（Iterative Closest Point）アルゴリズムなど、任意の手法を用いて行うことができる。自己位置推定部４３は、予め取得しておいた起点の位置・姿勢に対して推定した移動量を加算してなる位置・姿勢を１番目の静止点における移動ロボット１０の自己位置として推定する。
【００３３】
続いて、自己位置推定部４３は、１番目の静止点において取得された１番目の超音波画像と、移動ロボット１０が１番目の静止点から移動した２番目の静止点において取得された２番目の超音波画像についても同様のマッチングを行って移動量を推定し、第１の静止点における移動ロボット１０の自己位置（推定値）に対して推定した移動量を加算してなる座標を２番目の静止点における移動ロボット１０の自己位置として推定する。以降、自己位置推定部４３は、最新の超音波画像が取得される度に、当該最新の超音波画像と直前に取得された超音波画像のマッチングによって推定される移動量に基づいて移動ロボット１０の最新の自己位置を推定する処理を繰り返す。ここで、自己位置推定部４３は、推定した移動ロボット１０の自己位置と、当該自己位置において取得された超音波画像を紐付けて蓄積する。
【００３４】
一方、環境地図生成部４４は、自己位置推定部４３が蓄積したＮ個（Ｎ＝移動ロボット１０が静止した回数）の超音波画像を、各超音波画像に紐付いた自己位置に基づいて位置合わせを行って統合することによって環境地図を生成する。本実施形態においては、センサユニット１２のセンサ面の幅方向に配置された超音波アレイセンサ１４ｂを駆動した場合、移動ロボット１０の移動面に平行な超音波画像が連続して取得され、これらが統合される結果、２次元の環境地図が生成される。一方、センサユニット１２のセンサ面の高さ方向に配置された超音波アレイセンサ１４ａを駆動した場合、移動ロボット１０の移動面に垂直な超音波画像が連続して取得され、これらが統合される結果、３次元の環境地図が生成される。なお、環境地図の生成は、バッチ処理で行うようにしてもよいし、リアルタイム処理で行うようにしてもよい。
【００３５】
以上、説明したように、本実施形態の計測システム１００は、移動ロボットに搭載する外界センサとして超音波センサを採用するため、高放射線下の格納容器内の透明度の低い水中においても燃料デブリの位置および形状を精度良く計測することが可能になる。
【００３６】
以上、超音波画像取得部４２、自己位置推定部４３および環境地図生成部４４が実行する処理を説明してきたが、続いて、流速ベクトル計測部４５が実行する処理を説明する。
【００３７】
本実施形態においては、先述したように、超音波アレイセンサ１４を構成する複数の振動子１６のうち、発信期間に１つの振動子１６がパルス超音波を発信し、受信期間に複数の振動子１６がそのエコーを受信する。このとき、振動子１６が発信したパルス超音波は、流体内を移動する微小粒子に反射し、そのエコー（反射波）を各振動子１６が受信する。各振動子１６から検出されるエコー信号は、図４に示すように、微小粒子に反射したエコーに対応する成分Ｅ２を含む。
【００３８】
ここで、流速ベクトル計測部４５は、コンピュータ４０に入力されたエコー信号の成分Ｅ２に基づいて流体の２次元流速ベクトルを計測する。具体的には、流速ベクトル計測部４５は、所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子１６を介して検出された成分Ｅ２に基づいて流体の２次元流速ベクトルを計測する。以下、図８に示す概念図に基づいて、２次元流速ベクトルの算出原理を説明する。
【００３９】
図８に示すように、振動子ｅが基本周波数ｆ０のパルス超音波を発信する場合、当該パルス超音波が流れを速度Ｖで移動する微小粒子Ｓに反射し、その反射波が所定以上の距離をおいて離間する２つの振動子αおよび振動子βによって受信される。流速ベクトル計測部４５は、２つの振動子α、βから検出される２つのエコー信号（成分Ｅ２）について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆＤを検出する。ここでいう所定以上の距離とは、以下に述べる算出原理に照らして適切な距離を意味する。
【００４０】
ここで、振動子αのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆＤαは下記式（１）で表すことができ、振動子βのエコー信号から検出されるドップラー周波数ｆＤβは下記式（２）で表すことができる。
【００４１】
【数１】
0006516261.tif 000002
【００４２】
上記式（１）、（２）において、ｆ０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅαは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅβは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルを示す。
【００４３】
ここで、上記式（１）と上記式（２）を連立し、行列を用いて表すと下記式（３）の様になる。
【００４４】
【数２】
0006516261.tif 000003
【００４５】
そして、上記式（３）を整理すると、流速ベクトルＶは、下記式（４）で表される。
【００４６】
【数３】
0006516261.tif 000004
【００４７】
本実施形態において、流速ベクトル計測部４５は、２つの振動子α、βのエコー信号から検出したドップラー周波数ｆＤαおよびｆＤβを上記式（４）に投入して微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを算出する。ここで、上記式（４）におけるｅｅ、ｅαおよびｅβは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、αおよびβのぞれぞれの中心位置と、２つの振動子α、βのそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。
【００４８】
本実施形態においては、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を１次元的に走査する。一方、流速ベクトル計測部４５は、計測線の走査に同期して、上記式（４）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの２次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流体の２次元平面上の流速ベクトルが計測される。
【００４９】
なお、流速ベクトル計測部４５は、超音波アレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６のそれぞれについて、その振動子１６が発信したパルス超音波のエコー信号を検出する２つの振動子１６からなる組を予め決定しておく。本実施形態においては、１つの振動子１６に対して、エコー信号を検出する振動子１６の組を２組以上決定してもよい。その場合、１つの計測点に対して２以上の流速ベクトルが算出されることになるが、算出された２以上の流速ベクトルをエコー信号の強度に応じて適宜合成することで計測精度を向上させることができる。
【００５０】
なお、超音波アレイセンサとして、図８に示したリニアアレイセンサに代えて、図９に例示するような複数の振動子がマトリックス状に配置されたアレイセンサを採用することによって流れの３次元流速ベクトルを計測することができる。
【００５１】
この点を図６（ｂ）に基づいて説明すると、流速ベクトル計測部４５は、振動子ｅから基本周波数ｆ０のパルス超音波を発信した場合において、所定以上の距離をおいて離間する３つの振動子（α、β、γ）から検出される３つのエコー信号について、自己相関法等の適切な方法により周波数分析を行い、それぞれのエコー信号からドップラー周波数ｆＤを検出する。流速ベクトル計測部４５は、３つの振動子（α、β、γ）のエコー信号から検出したドップラー周波数ｆＤα、ｆＤβ、ｆＤγを下記式（５）に投入して微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを算出する。
【００５２】
【数４】
0006516261.tif 000005
【００５３】
上記式（５）において、ｆ０は振動子ｅが発信するパルス超音波の基本周波数を示し、ｃは媒質の音速を示し、ｅｅは微小粒子Ｓと振動子ｅの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅαは微小粒子Ｓと振動子αの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅβは微小粒子Ｓと振動子βの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、ｅγは微小粒子Ｓと振動子γの中心を結ぶ方向の単位ベクトルを示し、Ｖは微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルを示す。
【００５４】
ここで、上記式（５）におけるｅｅ、ｅα、ｅβおよびｅγは、計測線上の微小粒子Ｓの位置（超音波の反射位置）と、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置から幾何学的に求まる。そして、計測線上の微小粒子Ｓの位置は、振動子ｅ、α、βおよびγのそれぞれの中心位置と、３つの振動子（α、β、γ）のそれぞれで計測される超音波の伝播時間（振動子ｅがパルス超音波を発信してからそのエコーとして戻ってくるまでの時間）と、振動子ｅから発信されるパルス超音波の出射角度θから幾何学的に求まる。
【００５５】
この場合、パルサ・レシーバ２０がパルス超音波を発信する振動子ｅの位置を順次変更して計測線を２次元的に走査する。一方、流速ベクトル計測部４５は、計測線の走査に同期して、上記式（５）に則って各計測線上に存在する微小粒子Ｓの３次元流速ベクトルＶを計算する処理を繰り返す。その結果、流体の３次元空間内の流速ベクトルが計測される。
【００５６】
なお、超音波アレイセンサ１４としてマトリックスアレイセンサを使用する場合は、流速ベクトル計測部４５は、マトリックスアレイセンサ１４を構成するＮ個の振動子１６のそれぞれについて、その振動子１６が発信したパルス超音波のエコー信号を検出する３つの振動子１６からなる組を予め決定しておく。
【００５７】
以上、流速ベクトル計測部４５が実行する処理を説明してきたが、続いて、計測結果出力部４６が実行する処理を説明する。
【００５８】
本実施形態の計測結果出力部４６は、環境地図生成部４４が生成する環境地図と、流速ベクトル計測部４５が出力する流速ベクトルを合成して可視化データを生成し、生成した可視化データを計測結果として出力する。図１０は、計測結果出力部４６が出力する計測結果を例示的に示す。本実施形態によれば、図１０に示すように、計測結果として、流体内に存在する燃料デブリ５２の表面形状と当該流体の流速ベクトルを同時的に提示する可視化データがユーザに提供される。
【００５９】
なお、図１０は、燃料デブリ５２を含む環境地図と２次元流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを示したが、図９に示したマトリックスアレイセンサを採用する場合においては、計測結果出力部４６は、燃料デブリ５２の３次元表面形状と３次元流速ベクトルを同時的に提示する可視化データを生成・出力する。
【００６０】
以上、説明したように、本実施形態の計測システム１００によれば、格納容器内の環境地図（燃料デブリの位置および形状）と格納容器内の滞留水の流速分布を１つの外界センサ（超音波アレイセンサ）で取得することができ、取得した流速分布から漏水箇所を特定することができる。
【００６１】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、これまで、本発明の移動ロボットとして、専ら、水底を移動するロボットを例に挙げて説明してきたが、本発明の移動ロボットは、これに限定されるものではなく、水中を移動する潜水型のロボットであってもよいし、水上を移動する船型のロボットであってもよいし、空中を飛行移動するドローン型のロボットであってもよい。また、これまで、本発明の計測システムの適用シーンとして、専ら、原子力発電所の廃炉に伴う燃料デブリの回収作業を例に挙げて説明してきたが、本発明の計測システムは、その用途を限定するものではないことはいうまでもない。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００６２】
なお、上述したコンピュータ４０の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０…移動ロボット
１２…センサユニット
１４…超音波アレイセンサ
１６…振動子
２０…パルサ・レシーバ
３０…ＡＤコンバータ
４０…コンピュータ
４２…超音波画像取得部
４３…自己位置推定部
４４…環境地図生成部
４５…流速ベクトル計測部
４６…計測結果出力部
５２…燃料デブリ
１００…計測システム
【図１】
0006516261.tif 000008
【図２】
0006516261.tif 000009
【図３】
0006516261.tif 000010
【図４】
0006516261.tif 000011
【図５】
0006516261.tif 000012
【図６】
0006516261.tif 000013
【図７】
0006516261.tif 000014
【図８】
0006516261.tif 000015
【図９】
0006516261.tif 000016
【図１０】
0006516261.tif 000017