(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜水機を前進かつ上昇または下降しつつ、潜水機により水温または水質指標値を検出し、
この検出値が予め定めた目標値と一致したときに、その深度から予め定めた移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつつ上昇または下降させたのち、
潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方向に下降または上昇させ、
この下降または上昇中に、検出値が前記目標値と一致したときに、その深度から前記移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつつ下降または上昇させたのち、
再び潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方向に上昇または下降させ、
この上昇または下降中に検出値が前記目標値と一致したときに、その深度から前記移動深度分だけ潜水機を前進させつつ上昇または下降させて、
前記の動作を繰り返すことを特徴とする無人潜水機の航行方法。
【請求項２】
前記潜水機を前記移動深度分だけ上昇または下降させたのちに、前記潜水機を反対方向に下降または上昇させた場合に、予め定めた限界深度に達しても前記検出値が前記目標値と一致しなかったときは、前記潜水機の上昇動作または下降動作を停止することを特徴とする請求項１に記載の無人潜水機の航行方法。
【請求項３】
潜水機に搭載されて水温を検出する水温センサ、またはｐＨ値や濁度などの水質指標値を検出可能な水質検出センサと、
前記水温センサまたは水質検出センサの検出値を予め定めた目標値と比較し、両者が一致したときに一致信号を出力する比較部と、
前記潜水機に搭載されて潜水機の深度を検出する深度計と、
この深度計の検出深度に基づいて、前記潜水機が上昇中であるか下降中であるかを判断する上下動方向判別部と、
この上下動方向判別部と前記比較部との出力信号が入力し、前記潜水機の上昇中に前記比較部から一致信号を受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに上昇させたのち、潜水機を下降させる信号を出力するとともに、前記潜水機の下降中に前記比較部から一致信号を受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに下降させたのち、潜水機を上昇させる信号を出力する目標深度演算部と、
を有することを特徴とする無人潜水機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無人潜水機に係り、特に水中の環境調査、生物学的調査などに好適な無人潜水機の航行方法および無人潜水機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
湖沼などのｐＨ値や濁度（透明度）など、または植物プランクトンなどの水質指標値や魚類などの水生生物を調査することは、環境破壊の実態を把握したり、湖沼に与える周囲環境の影響の把握、環境保全を図る上で欠かすことができない。また、水中の深さ方向の温度分布を検出し、水温と水質や水中生物との関係、あるいはｐＨ値と植物プランクトンの量や濁度（透明度）との関係などを知ることは、湖沼の保護や環境保全にとって重要である。
【０００３】
従来、湖などにおいて、水温とｐＨ値や濁度などの水質指標、水中生物との関係などを調査する場合、湖面にボートを浮かべ、ボートから水中に温度計を取り付けたロープを垂らして水温を検出し、調査目標とする水温の深さの水を容器に入れて引き上げ、それを研究室などに持ち帰って分析するようにしている。また、海洋における調査の場合、前記のようにして採取した水を船上で分析するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のロープを垂下して水を採取して分析する方法は、水のサンプリングに多くの労力と時間を必要とするため、広い範囲を詳細に調査することが困難である。また、サンプルを研究室などに持ち帰って分析するため、結果を得るのに長時間を要するとともに、水質が変化したり試料を取り違えたりする危険も大きい。
【０００５】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、水温と水質と水生生物などとの相互関係を容易、迅速に求められるようにすることを目的としている。
【０００６】
また、本発明は、水温と水質と水生生物などとの相互関係などを、容易に広い水域にわたって高精度で求められるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、深さ方向における水温や水質指標値の変化が大きな場合であっても、目標水温または目標水質指標値に対して容易、確実に追従できるようにすることなどを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１に係る無人潜水機の航行方法は、水中を自走可能な無人潜水機の航行方法であって、前記無人潜水機によって水温または水質指標値を検出し、予め定められた目標水温層または目標水質指標値層を航行することを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の第２に係る無人潜水機の航行方法は、潜水機を前進かつ上昇または下降しつつ、潜水機により水温または水質指標値を検出し、この検出値が予め定めた目標値と一致したときに、その深度から予め定めた移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつつ上昇または下降させたのち、潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方向に下降または上昇させ、この下降または上昇中に、検出値が前記目標値と一致したときに、その深度から前記移動深度分だけ、潜水機を同方向に前進させつつ下降または上昇させたのち、再び潜水機により水温または水質指標値を検出しつつ、潜水機を前進させつつ反対方向に上昇または下降させ、この上昇または下降中に検出値が前記目標値と一致したときに、その深度から前記移動深度分だけ潜水機を前進させつつ上昇または下降させて、前記の動作を繰り返すことを特徴としている。
【０００９】
潜水機を移動深度分だけ上昇または下降させたのちに、潜水機を反対方向に下降または上昇させた場合に、予め定めた限界深度に達しても検出値が目標値と一致しなかったときは、潜水機の上昇動作または下降動作を停止させるようにする。
【００１０】
そして、上記の航行方法を実施する本発明に係る無人潜水機は、潜水機に搭載されて水温を検出する水温センサ、またはｐＨ値や濁度などの水質指標値を検出可能な水質検出センサと、前記水温センサまたは水質検出センサの検出値を予め定めた目標値と比較し、両者が一致したときに一致信号を出力する比較部と、前記潜水機に搭載されて潜水機の深度を検出する深度計と、この深度計の検出深度に基づいて、前記潜水機が上昇中であるか下降中であるかを判断する上下動方向判別部と、この上下動方向判別部と前記比較部との出力信号が入力し、前記潜水機の上昇中に前記比較部から一致信号を受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに上昇させたのち、潜水機を下降させる信号を出力するとともに、前記潜水機の下降中に前記比較部から一致信号を受けたときに、潜水機を予め定めた深度だけさらに下降させたのち、潜水機を上昇させる信号を出力する目標深度演算部と、を有することを特徴としている。
【００１１】
【作用】
上記のごとく構成した本発明の第１に係る無人潜水機の航行方法によれば、潜水機を、予め定めた目標水温層または目標水質指標値層に追従して航行させるため、無人潜水機に各種の検出センサを搭載することにより、水温とｐＨ値や濁度（透明度）、植物性プランクトン、魚等の水生生物などとの関係、また例えばｐＨ値と水生生物との関係など、水温、水質指標値、水中生物などとの相互関係を容易、迅速に求めることができる。しかも、ほぼ連続的な測定、調査が可能となり広い水域にわたって水温、水質指標値、水中生物などとの相互関係を詳細に求めることができる。
【００１２】
本発明の第２によれば、水温や水質指標値が変化している水域であっても、容易に目標とする水温または水質指標値の層を捉えて追従することができる。すなわち、例えば湖沼における水温は、一般的に水深（深度）が大きくなるほど低下する傾向にある。しかし、ある水温の層が、広い水域にわたって一定の深度に存在していることは少なく、その水温層が場所、場所によって上下方向に大きく変化しているのが一般的である。しかも、ある場所における所定の水温層が深度の小さい方（浅い方）に存在しているか、深度の大きい方に存在しているかは予測することができない。
【００１３】
そこで、本発明の第２においては、目標水温または目標水質指標値を検出したときに、次の水温または水質指標の検出範囲を前回検出した深度の上下方向に広げることにより、目標とする水温層または水質指標値層を容易、確実に検出して目標水温層、目標水質指標値層に追従できるようにしている。
【００１４】
なお、例えば湧水や流れの存在などによって、目標水温層または目標水質指標値層が存在しないことも考えられる。このため、予め定めた限界深度まで潜水機を上昇、または下降させて水温または水質指標値を検出しても、検出値が目標値と一致しなかった場合、その追従を中止して例えば深度保持制御などに切り替える。これにより、潜水機が水底に衝突したりするのを防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る無人潜水機の航行方法および無人潜水機の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る無索無人潜水機の斜視図である。図１において、潜水機１０は、機体１２が中空の金属からなる円筒タンク状の耐圧容器１４と、この耐圧容器１４の下部に設けたフェアリング１６とからなっている。耐圧容器１４は、前端部に透明なプラスチック(例えばアクリル)からなる透明ドーム１８を有し、後端側の上部に尾翼の役割をなすブリッジ２０が設けてある。また、耐圧容器１４の中央部には、後述する垂直推進装置を駆動した際に水が通流するスラスト孔２２が上下方向に貫通している。そして、耐圧容器１４の上部には、長手方向のスラスト孔２２の両側に、図示しない母船により潜水機１０を吊下し、吊上げするための吊り金具２４が固定してある。
【００１６】
ブリッジ２０の上部には、母船との間で位置データや検出データなどを、超音波でやり取りするためのデータ伝送用トランスデューサ２６、２６が設けてある。さらに、ブリッジ２０には、後述するカメラ（テレビカメラ）によって撮影した画像データを、超音波の画像信号にして母船に送るための画像伝送用トランスデューサ２８と、潜水機１０が水上に浮上したときに自己の位置を求めるためのＧＰＳ（Global  Positioning  System）アンテナ３０がもうけてあるとともに、ＤＧＰＳ（Differential  Global  Positioning  System）アンテナ３２、浮上したときに母船などと交信するためのＳＳ無線（spread  spectrum  communication  system）アンテナ３４が取り付けてある。また、ブリッジ２０の後端部には、浮上した潜水機１０を容易に視認できるように点滅装置３６が設置してある。
【００１７】
透明ドーム１８の内部には、図２に示したように、耐圧容器１４に取り付けたテレビカメラ(カメラ)３８が収納してあり、テレビカメラ３８によって水中の状態を撮影することができるようになっている。そして、透明ドーム１８の周囲には、耐圧容器１４の上部先端部と、フェアリング１６の先端部とに取り付けた３つのバンパ４０が透明ドーム１８より突出するように設けてあって、透明ドーム１８がダムの堤体や水中の障害物などに衝突するのを防止している。
【００１８】
フェアリング１６は、図示しないフレームを介して耐圧容器１４に取り付けてあって、耐圧容器１４との間に間隙が形成され、内部に水が浸入するようになっている。そして、フェアリング１６には、前後方向中央部両側にブラケット４２を介して水平推進装置４４（４４ａ、４４ｂ）が設けてあり、水平推進装置４４を駆動することにより、潜水機１０を前進、後退および旋回することができるようになっている。また、フェアリング１６の前端部には、前方に明かりを照射するための照明灯４６、水中の微生物などを観察することができる水中顕微鏡４８、植物プランクトンなどの量を検出するクロロフィル計５０、水のｐＨ値や濁度（透明度）などを検出する環境センサ５２が配設してある。さらに、フェアリング１６の前端部の内部には、前方の障害物などを検知する前方ソナー５４、水圧から深度を求める深度計５６、母船から吊り下された際の着水を検知する着水センサ５８、水温を検出するための水温センサ５９（図３参照）が配置してある。また、フェアリング１６の左舷前側と後端とには、浮上の際に流木などの障害物を検知する流木センサ６０が取り付けてある(図２、図３参照)。
【００１９】
耐圧容器１４に設けたスラスト孔２２は、壁面が円筒状の壁材によって形成してあって、耐圧容器１４とフェアリング１６とを貫通している。そして、アラスト孔２２の内部には、図４に示したように、垂直推進装置６２が配設してあり、この垂直推進装置６２を駆動することにより、潜水機１０を下降または上昇させることができる。また、フェアリング１６のスラスト孔２２の左右方向両側には、常用バラスト投下装置６４が設けてあり(図３参照)、常用バラスト投下装置６４によってバラストを投下することにより、潜水機１０を軽くして所定の浮力が得られるようになっている。
【００２０】
さらに、フェアリング１６の常用バラスト投下装置６４より前方側の底部には、ドップラーソナー６６が取り付けてあって、潜水機１０の航行速度を求めることができるようになっている。このドップラーソナー６６の前方側には、高度ソナー６８が配置してあって、水底との距離(高度)を検出することができるようになっている。また、高度ソナー６８の前方側には、堆積土砂センサ７０が設けてあって、湖底などに堆積した土砂の厚さを検出できるようにしてある。そして、高度ソナー６８の上方には、シリンダ構造の浮力調整装置７２が配設してあって、シリンダ内に挿入したピストンの位置を変えることによって、シリンダ内の浮力調整室の大きさ（容積）を変化させて潜水機１０の浮力を微調整できるようになっている。
【００２１】
フェアリング１６の後端部の内部には、ウエイト９０が設けてある（図３参照）。このウエイト９０の上部には、非常用バラスト投下装置９２が配設してある。そして、ウエイト９０の直下のフェアリング１６には、孔(図示せず)が設けてあって、潜水機１０の緊急浮上の際などに、非常用バラスト投下装置９２によって非常用バラストをフェアリング１６の外部に投下できるようになっている。さらに、フェアリング１６の内部には、ウエイト９０の前方側に図示しない耐圧容器に収納した駆動電源となる電池９４が収納してある。
【００２２】
なお、ブリッジ２０の内部には、母船との交信をするためのトランスポンダ送受波器９６と制御装置９８と、地磁気によって潜水機１０の方位を求める方位センサ９９とが収納してある。そして、制御装置９８には、水温追従制御部が設けたある。
【００２３】
水温追従制御部１００は、図５に示したように、目標水温記憶部１０２、水温比較部１０４、基準深度出力部１０６を有している。目標水温記憶部１０２は、図示しない水上の母船や湖岸などから与えられた目標水温θ0 を記憶する。また、水温比較部１０４は、所定の周期（例えば、１０ｍｓごと）に水温センサ５９が検出した水温θを読み込み、目標水温記憶部１０２に格納してある目標水温θ0 と比較し、両者が一致したときに一致信号を出力する。そして、基準深度出力部１０６は、水温比較部１０４と深度計５６との出力信号が入力するようになっていて、水温比較部１０４が一致信号を出力したときに、深度計５６が出力した深度Ｄを基準深度Ｄ0 として出力する。
【００２４】
また、水温追従制御部１００には、上下動方向判別部１０８と、目標深度演算部１１０と、上下動速度演算部１１２と、定速度航行指令部１１４、水温追従制御停止判断部１１６、後述する第２の移動深度量ＨM を記憶する第２移動深度量記憶部１１８が設けてある。
【００２５】
上下動方向判別部１０８は、深度計５６の出力信号から潜水機１０が上昇中であるか、下降中であるかを判断し、目標深度演算部１１０と上下動速度演算部１１２とに出力する。目標深度演算部１１０は、基準深度出力部１０６が出力した基準深度Ｄ0 と、上下動方向判別部１０８が出力した潜水機１０の上昇中・下降中の判別信号と、予め与えられている第１の移動深度量Ｈとを用い、基準深度出力部１０８が基準深度Ｄ0 を出力してから、すなわち水温比較部１０４が一致信号を出力してから所定時間内の各時刻における潜水機１０の目標深度を求め、ルートトラッキング制御部１２６の深度制御部１２８に出力する。また、上下動速度演算部１１２は、水温比較部１０４（または基準深度出力部１０６）と上下動方向判別部１０８との出力信号を受け、所定時間内の各時刻における潜水機１０の上昇速度または下降速度を演算し、演算結果を推力制御部１２０の垂直推力演算部１２２に出力する。
【００２６】
推力制御部１２０は、ルートトラッキング制御部１２６からも制御信号が入力するようになっていて、上下方向の垂直推力、前進・後退のための水平推力、旋回推力を演算し、垂直推進装置６２と水平推進装置４４ａ、４４ｂに出力し、予め与えられた三次元的な航行ルートに沿って潜水機１０を航行させる。また、ルートトラッキング制御部１２６は、深度制御部１２８が目標深度演算部１１０から潜水機１０の目標深度Ｄd が入力すると、深度計５６の出力を読み込み、目標深度Ｄd が得られるように、垂直推力演算部１２２が上下動速度演算部１１２の出力に基づいて求めた推力を補正する。そして、推力制御部１２０を構成している水平推力演算部１２４は、この水温追尾制御の場合、潜水機１０を任意の方向（方位）に前進させる場合、予め与えられた一定の前進推力を出力するようにしてある。
【００２７】
定速度航行指令部１１４は、深度計５６と水温比較部１０４との出力信号に基づいて、詳細を後述するように、潜水機１０を予め与えられた一定の速度で上昇または下降させる定速度航行開始信号を上下動速度演算部１１２と水温追従制御停止判断部１１６とに出力する。また、定速度航行指令部１１４の出力信号が入力する水温追従制御停止判断部１１６は、後述するように、深度計５６と上下動方向判別部１０８との出力信号と、第２移動深度量記憶部１１８に格納してある第２移動深度量とから、定速度航行指令部１１４が信号を出力してから潜水機１０が上昇または下降した深度が、所定の限界深度に達したか否かを判断して水温追従制御を停止する信号を出力し、例えば深度保持制御部１３０に潜水機１０の深度保持制御を開始させる信号を与える。
【００２８】
上記のごとく構成してある実施形態の潜水機１０は、湖などの水中における水温追従制御を、次のようにして行なう。なお、この水温追従制御の説明においては、図７に示したように、水深（深度Ｄ）が大きくなる方向を正方向（プラス方向）としている。また、この水温追従制御の説明においては、潜水機１０を一定の方向（方位）に向けて航行する場合について説明するが、蛇行させたり、あるいは岸に沿って航行させる場合も同様にして行なうことができる。
【００２９】
まず、図６のステップ１４０に示したように、潜水機１０を追従させる目標水温θ0 （例えば１５℃）を水温追従制御部１００の目標水温記憶部１０２に記憶させ、また後述するように、目標水温θ0 を検出したときに、潜水機１０を一定量だけ上昇または下降させる第１移動深度量Ｈを水温追従制御部１００の目標深度演算部１１０に与え、水温追従制御を停止する判断基準の１つとなる第２移動深度量ＨM を第２移動深度量記憶部１１８に記憶させるとともに、潜水機１０の前進速度などを設定する。
【００３０】
その後、潜水機１０を潜降させつつ水温センサ５９によって水温を検出する。そして、検出水温θ＝目標水温θ0 となったならば、その深度よりもやや深い位置まで潜降させ、水温追従制御のプログラムを起動し、ステップ１４２に示したように、潜水機１０を前進させつつ正弦波上に一周期分上下移動させる。この場合、確実に目標水温θ0 が検出できるように、潜水機１０の上昇から開始することが望ましい。なお、水温追従制御開始の指令は、水上において潜水機１０からの検出データをもらい、水上からから超音波無線を利用して与えてもよいし、θ＝θ0 となったときに、自動的に起動するようにしてもよい。
【００３１】
水温追従制御部１００の水温比較部１０４は、所定の周期（例えば１０ｍｓごと）に水温センサ５９の出力する検出水温θを読み込み、目標水温記憶部１０２に格納してある目標水温θ0 と比較する（ステップ１４４）。検出水温が目標水温と一致しないときには、ステップ１４２、１４４が繰り返される。そして、水温センサ５９の検出水温θが目標水温θ0 と一致すると、水温比較部１０４は一致信号を基準深度出力部１０６と、上下動速度演算部１１２と、定速度航行指令部１１４とに送出する。
【００３２】
基準深度出力部１０６は、水温比較部１０４が一致信号を出力すると、そのときの深度計５６が出力する潜水機１０の深度を基準深度Ｄ0 として目標深度演算部１１０に出力する。また、水温追従制御部１００は、上下動方向判別部１０８が深度計５６の出力に基づいて、潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを示す信号を、目標深度演算部１１０、上下動速度演算部１１２、水温追従制御停止判断部１１６に出力している。そして、目標深度演算部１１０は、基準深度出力部１０８から基準深度Ｄ0 が入力すると、すなわち水温比較部１０４が一致信号を出力すると、内部タイマを後述する所定の時刻にリセットするとともに、ステップ１４６に示したように、上下動方向判別部１０８の出力信号から潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを判断する。また、上下動速度演算部１１２も、水温比較部１０４が一致信号を出力すると、内部タイマを所定の時刻にリセットし、上下動方向判別部１０８の出力信号によって潜水機１０が上昇中であるか下降中であるかを判断する。
【００３３】
例えば、図７に示したように、潜水機１０が前進しつつ上昇しているときの時刻τ1 において、すなわちａ点において、水温センサ５９の検出水温θが目標水温θ0 と一致し、水温比較部１０４が一致信号を出力したとする。このとき、目標深度演算部１１０は、基準深度出力部１０６から基準深度Ｄ0 （Ｄ0a）が入力すると、ステップ１４８に進んで、所定の時間内に基準深度Ｄ0aより予め与えられた第１移動深度量Ｈ分だけ潜水機１０を上昇させる時々刻々の目標深度Ｄd を演算し、ルートトラッキング制御部１２６の深度制御部１２８に出力する。また、上下動速度演算部１１２は、所定時間内における潜水機１０の目標上昇速度Ｖd を演算し、推力制御部１２０の垂直水力演算部１２２に与える。ステップ１４６において、潜水機１０が下降中である場合は、後述するようにステップ１６２の処理を行なう。
【００３４】
この実施形態の場合、潜水機１０が目標深度よりオーバーシュートするのを防止するため、時間の経過とともに目標深度の変化率、上昇速度の変化率が小さくなるようにしてある。すなわち、潜水機１０が上昇中にθ＝θ0 を検出した場合、目標深度演算部１１０が出力する目標深度Ｄd は、
【数１】
0004445635.tif 000002
となる。また、上下動速度演算部１２２は、
【数２】
0004445635.tif 000003
により、潜水機１０の目標上昇速度を求める。ただし、ここにωは任意に設定された周期であり、ｔは時間、ｔ0 は前記したａ点における基準の時刻（リセットした時刻）であって、例えばｔ0 ＝０である。
【００３５】
そして、潜水機１０は、前進しつつ基準深度Ｄ0 からさらに上昇し、時刻τ1から
【数３】
0004445635.tif 000004
の時間が経過して時刻τ2 になると、図７のｂに示したように、深度が極小値の（Ｄ0a −Ｈ）になるとともに、上昇速度が０となる（ステップ１４８）。
【００３６】
潜水機１０は、目標水温θ0 が検出されてから、
【数４】
0004445635.tif 000005
だけ時間が経過すると、すなわち、時刻τ2 になって潜水機１０が深度の極小値（Ｄ0a −Ｈ）まで上昇すると、一定の前進推力によって前進しつつ下降を開始するとともに、水温追従制御部１００の水温比較部１０４が水温センサ５９の検出水温θを読み込んで目標水温θ0 との比較を再開する（ステップ１５０、１５２）。このときの潜水機１０の目標深度Ｄd および目標下降速度Ｖd は、数式１、数式２によって求められる。そして、ステップ１５２において水温比較部１０４がθ＝θ0 を判断して一致信号を出力すると、ステップ１６２にスキップして後述するステップ１６２の処理が開始される。
【００３７】
ステップ１５２において一致信号が出力されない場合、ステップ１５４の処理が行なわれる。すなわち、定速度航行指令部１１４は、水温比較部１０４から一致信号を受け取ると、内部タイマを所定の時刻ｔ0 にリセットし、その時刻からπだけ時間が経過したか、すなわち、
【数５】
0004445635.tif 000006
となったか否かを判断する。時間πが経過していない場合、ステップ１５０〜１５４の処理が繰り返される。そして、定速度航行指令部１１４は、時刻τ1 から時間πを経過するまでに水温比較部１０４が一致信号を出力しない場合、すなわち潜水機１０が図７のｃ点である深度Ｄ0a まで下降すると、上下動速度演算部１１２と水温追従制御停止判断部１１６とに定速度航行開始信号を入力する。上下動速度演算部１１２は、定速度航行指令部１１４から信号が入力すると、潜水機１０を予め定められた一定速度で下降させる目標速度Ｖd ＝Ｈωを推進制御部１２０の垂直推力演算部１２２に出力する。これにより、潜水機１０は、ステップ１５６に示したように、毎秒Ｈωずつ深度が増加するように一定速度で下降する。このため、潜水機１０は、目標水温θ0 を有する水の層に迅速に降下することができる。
【００３８】
この定速度航行中においても、水温比較部１０４は、水温センサ５９の検出水温を目標水温と比較している（ステップ１５８）。そして、潜水機１０が一定速度で下降中に、図７のｄに示したように、θ＝θ0 となって水温比較部１０４が一致信号を出力すると、ステップ１６２の処理が行われ、一致信号を出力しない場合には、ステップ１６０の処理がなされる。ステップ１６０の処理においては、水温追従制御停止判断部１１６が、深度計５６の出力から読み取った潜水機１０の現在深度Ｄと、第２移動深度量記憶部１１８に格納されている第２移動深度量ＨM とを用いて水温追従制御を中止するか否かを判断する。
【００３９】
すなわち、水温追従制御停止判断部１１６は、定速度航行指令部１１４から定速度航行開始信号が入力すると、上下動方向判別部１０８の出力から潜水機１０が下降中であることを確認し、そのときの深度計５６の出力する深度を読み出して潜水機１０の基準深度Ｄ0aとする。さらに、水温追従制御停止判断部１１６は、この基準深度Ｄ0aに第２移動深度量記憶部１１８に記憶されている第２移動深度量ＨM を加えた限界深度（Ｄ0a＋ＨM ）を求め、深度計５６の出力する深度検出信号から潜水機１０がこの限界深度に達したか否かを判断する。検出深度Ｄが（Ｄ0a＋ＨM ）に達していない場合には、ステップ１５６に戻ってステップ１５６〜１６０の処理が繰り返される。また、水温追従制御中止判断部１１６は、Ｄ≧（Ｄ0a＋ＨM ）であると判断した場合、湧水や流れの存在などによって目標水温θ0 を有する水の層が存在しないものとして、ステップ１６０からす１８０に進んで水温追従制御を中止し、深度保持制御部１３０に深度保持制御を開始させる。なお、第２移動深度量ＨM は、例えば第１移動深度量Ｈの２倍または３倍等、任意に設定することができ、水上から所望のときに変更可能となっている。第１移動深度量Ｈも同様である。
【００４０】
ステップ１４６において、すなわち最初の一周期の上下動における下降中、またはステップ１５２、ステップ１５８のように、潜水機１０の下降中に水温センサ５９の検出水温θが目標水温θ0 となった場合、例えば図７のｄ点（時刻τ4）においてθ＝θ0 となった場合、水温比較部１０４は基準深度出力部１０６に一致信号を出力する。基準深度出力部１０６は、水温比較部１０４から信号が入力すると、前記と同様にして深度計５６の検出したそのときの深度Ｄを基準深度Ｄ0 （Ｄ0d）として目標深度演算部１１０に入力する。
【００４１】
目標深度演算部１１０は、基準深度が入力すると、上下動方向判別部１０８の出力信号から潜水機１０が下降中であることを確認する。そして、目標深度演算部１１０は、そのときの内部タイマの時刻をｔ0 とするとともに、予め与えられた第１移動深度量Ｈと基準深度Ｄ0 とにより、所定の時間内における潜水機１０の目標深度Ｄd を次の数式６のように演算してルートトラッキング制御部１２６に与える。また、上下動速度演算部１１２は、水温比較部１０４から一致信号を受け取ると、そのときの内部タイマの時刻をｔ0 とし、所定の時間内における潜水機１０を上下動させる目標速度Ｖd を求め、次の数式７によって求め、垂直推力演算部１２２に送出する。
【数６】
0004445635.tif 000007
【数７】
0004445635.tif 000008
【００４２】
これにより、潜水機１０は、時間が時刻τ4 から
【数８】
0004445635.tif 000009
が経過しすると、図７のｅに示したように、深度（Ｄ0d ＋Ｈ）に達する。このとき、潜水機１０の下降速度は０となる。そして、潜水機１０は、
【数９】
0004445635.tif 000010
を満足する時間が経過すると、数式６、数式７に基づいて図７のｅ−ｆのように前進しつつ浮上を開始する（ステップ１６４）。
【００４３】
潜水機１０が上昇を開始すると、水温比較部１０４は、水温センサ５９の検出水温を読み込んで目標水温と比較する（ステップ１６６）。この潜水機１０の上昇過程において、水温センサ５９の検出水温が目標水温と一致すると、水温比較部１０４が一致信号を基準深度出力部１０６に出力し、ステップ１６６からステップ１４８に戻り、ステップ１４８以降の潜水機１０が上昇時にθ＝θ0 となったときと同じ処理が行なわれる。また、ステップ１６６において水温比較部１０４が一致信号を出力しない場合、定速度航行指令部１１４が水温比較部１０４から一致信号を受けてから、
【数１０】
0004445635.tif 000011
の時間が経過したか否かを判断する。数式１０を満足する時間が経過していない場合、ステップ１６４に戻ってステップ１６４からステップ１６８の処理が繰り返される。そして、定速度航行指令部１１４は、図７に示したように、時刻τ4からπの時間が経過して潜水機１０がｆ点まで、すなわち基準深度Ｄ0d まで上昇すると、定速度航行開始信号を上下動速度演算部１１２と水温追従制御停止判断部１１６とに出力する。
【００４４】
上下動速度演算部１１２は、定速度航行指令部１１４から信号を受けると、予め与えられた一定の目標速度Ｖd ＝−Ｈωを推力制御部１２０の垂直推力演算部１２２に出力する。これにより、潜水機１０は、一定の水平推力によって前進するとともに、深度が毎秒Ｈωずつ減少するように一定の速度で上昇する（ステップ１７０）。また、水温比較部１０４は、この潜水機１０の上昇中において、水温センサ５９が出力する検出水温と目標水温とを比較する（ステップ１７２）。そして、図７のｇに示したように、この定速度航行中に、水温センサ５９の検出水温θが基準水温θ0 と一致すると、水温比較部１０４が一致信号を出力し、ステップ１４８に戻って前記したステップ１４８以降の処理が行なわれる。
【００４５】
一方、水温追従制御停止判断部１１６は、定速度航行指令部１１４から定速度航行開始信号を受け取ると、ステップ１７４に示したように、水温比較部１０４が次の一致信号を出力しない間、潜水機１０が所定の限界深度まで上昇したか否かを判断する。すなわち、水温追従制御停止判断部１１６は、低速航行指令部１１４から信号が入力すると、上下動方向判別部１０８の出力信号を読み込んで潜水機１０が上昇していることを確認するとともに、そのときの深度計５６の検出深度Ｄを基準深度Ｄ0dとし、第２移動深度量記憶部１１８に格納されている第２移動深度量ＨM を読み出し、潜水機１０の現在深度Ｄが限界深度（Ｄ0d−ＨM ）となったか否かを判断する。深度Ｄ＞（Ｄ0d−ＨM ）である場合、ステップ１７０に戻ってステップ１７０からステップ１７４の処理を繰り返す。そして、ステップ１７４において、Ｄ≦（Ｄ0d−ＨM ）となると、水温追従制御停止判断部１１４は水温による追従制御の停止信号を出力し、ステップ１８０に進んで深度保持制御部１３０に深度保持制御を行なわせる。
【００４６】
このように、実施の形態においては、予め定めた水温層に沿って潜水機１０を追従させて航行させることができるため、この水温層におけるｐＨ値や濁度（透明度）、植物性プランクトンの量や水中生物の種類などを潜水機１０に搭載した計測器類等によって知ることができ、湖の周囲環境による影響の調査や環境保全のための資料等を容易、迅速に得ることができる。しかも、無人で自律航行するため、広い範囲を精度よく迅速に調査することが可能である。また、実施形態においては、潜水機１０の上昇時に目標水温θ0 を検出した場合、その検出位置より予め定めた深度量だけさらに上昇したのち下降を開始し、潜水機１０の下降時に目標水温を検出した場合、その検出深度よりさらに深い位置まで下降したのち上昇を開始するようにしているため、目標水温の層が場所によって大きく変化している場合であっても、確実に目標水温を検出することができる。さらに、実施形態においては、目標水温θ0 が検出され、潜水機１０をさらに同方向に上昇または下降させたのちに、反対方向に下降または上昇させたときに、限界深度に下降または上昇しても目標水温が検出できない場合、水温追従制御を停止するようにしているため、潜水機１０が水底に衝突したりするのを避けることができる。
【００４７】
なお、前記実施の形態においては、潜水機１０を特定の水温層に追従して航行させる場合について説明したが、予め定めたｐＨ値や濁度（透明度）、植物プランクトン量の層等の水質指標値に追従した航行を行なわせてもよい。また、前記実施形態においては、潜水機１０の上昇過程と下降過程とのいずれにおいても水温を検出して目標水温と比較する場合について説明したが、深度による水温の変化が小さいときなどの場合、次のような航行制御を行なってもよい。
【００４８】
すなわち、前記と同様にして目標水温θ0 などを設定して潜水機１０を潜降させ、θ＝θ0 となったときに、さらにその深度より深い位置に潜降させる。その後、前記と同様にして潜水機１０を正弦波状に一周期上下動させて目標水温を検出する。潜水機１０の上昇中に目標水温θ0 が検出されたならば、そのときの深度を基準深度Ｄ0 、そのときの時刻をｔ0 とする。そして、目標温度θ0 を検出した深度Ｄ0 を中心にして、目標深度Ｄd と目標上下動速度Ｖd を、
【数１１】
0004445635.tif 000012
【数１２】
0004445635.tif 000013
のようにして潜水機１０を一定の振幅で上下運動させる。
【００４９】
一方、潜水機１０の下降中に目標水温θ0 が検出された場合、そのときの深度Ｄを基準深度Ｄ0 、そのときの時刻をｔ0 とし、基準深度Ｄ0 を中心にして目標深度Ｄd と目標上下速度Ｖd を、
【数１３】
0004445635.tif 000014
【数１４】
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のようにして潜水機１０を一定の振幅で上下運動させてもよい。
【００５０】
さらに、このＤ0 を中心に一定の深度範囲（Ｄ0 ±Ｈ）で潜水機１０を上下移動させたときに、さらに水温の検出を行ない、新たにθ＝θ0 となった深度を基準深度Ｄ0 とし、上記数式１１ないし数式１４による航行制御を行なってもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の第１に係る無人潜水機の航行方法によれば、潜水機を、予め定めた目標水温層または目標水質指標値層に追従して航行させるため、無人潜水機に各種の検出センサを搭載することにより、水温とｐＨ値や濁度（透明度）、植物性プランクトン、魚等の水生生物などとの関係、また例えばｐＨ値と水生生物との関係など、水温、水質指標値、水中生物などとの相互関係を容易、迅速に求めることができる。しかも、ほぼ連続的な測定、調査が可能となり広い水域にわたって水温、水質指標値、水中生物などとの相互関係を詳細に求めることができる。
【００５２】
本発明の第２の航行方法によれば、水温や水質指標値が変化している水域であっても、容易に目標とする水温または水質指標値の層を捉えて追従することができる。すなわち、本発明の第２においては、目標水温または目標水質指標値を検出したときに、次の水温または水質指標の検出範囲を前回検出した深度の上下方向に広げることにより、目標とする水温層または水質指標値層を容易、確実に検出して目標水温層、目標水質指標値層に追従できるようにしている。また、予め定めた限界深度まで潜水機を上昇、または下降させて水温または水質指標値を検出しても、検出値が目標値を一致しなかった場合、その追従を中止して例えば深度保持制御などに切り替えるようにしており、潜水機が水底に衝突したりするのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の正面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の側面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る無人潜水機の平面図である。
【図５】実施の形態に係る水温追従制御部のブロック図である。
【図６】実施の形態に係る水温追従制御部の作用を説明するフローチャートである。
【図７】実施の形態に係る水温追従制御部の作用を説明する図である。
【符号の説明】
１０………潜水機、１２………機体、１４………耐圧容器、
１６………フェアリング、３８………テレビカメラ、
４４ａ、４４ｂ………水平推進装置、４６………照明灯、
４８………水中顕微鏡、５０………クロロフィル計、５２………環境センサ、
５６………深度計、５９………水温センサ、６２………垂直推進装置、
６６………ドップラーソナー、６８………高度ソナー、
１００………水温追従制御部、１０２………目標水温記憶部、
１０４………水温比較部、１０６………基準深度出力部、
１０８………上下動方向判別部、１１０………目標深度演算部、
１１２………上下動速度演算部、１１４………定速度航行指令部、
１１６………水温追従制御停止判断部、１１８………第２移動深度量記憶部、
１２０………推力制御部、１２６………ルートトラッキング制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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