(57)【要約】【課題】フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムを提供することを課題とする。【解決手段】  フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムであって、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備え、水中測定装置は観測プラットフォームと、測定機構と、を備えており、観測プラットフォームは、フレーム型本体（１０）と、フレーム型本体に取り付けられた浮体（２０）、ウイングプレート（３０）、フローティングボールキャビン（４０）、レベリング機構（５０）、釣り合い重り（６０）および解放機構（７０）と、を備え、フローティングボールキャビンは、システム回路を密封し、ウイングプレート（３０）は水中測定装置が海底から設定された高さまで下降した時に張り出し、水中測定装置を安定して着陸させ、レベリング機構（５０）は、フレーム型本体（１０）が海底に到着した時水中測定装置を海底に水平に立つように調整させ、解放機構（７０）は、水中測定装置が水中作業を完了した後、釣り合い重りを廃棄して回収を実現する。測定機構は、コーン貫入測定機構（１００）、球形貫入測定機構（２００）、クロスプレートせん断測定機構（３００）またはサンプリング機構（４００）が挙げられる。上記測定システムを用いることで、フルデプスの海底堆積物の力学的性質測定を実現できる。【選択図】  図１１
2022502672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムであって、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備え、前記水中測定装置は、観測プラットフォームと、前記観測プラットフォームに搭載された測定機構と、を含み、
前記観測プラットフォームは、フレーム型本体と、前記フレーム型本体に取り付けられた浮体、ウイングプレート、高さ測定装置、フローティングボールキャビン、レベリング機構、釣り合い重り、及び解放機構と、水中音響通信装置と、を備えており、前記高さ測定装置は、海底からの水中測定装置の高さを検出するために用いられ、前記フローティングボールキャビンはフローティングボールの形を呈し、浮力を提供しながらシステム回路を密封するために用いられ、前記システム回路が水中音響通信装置を介して水上監視ユニットと通信し、海底からの水中測定装置の高さおよび力学的性質の測定データをアップロードし、海底からの水中測定装置の高さが設定された高さに達した時、前記水上監視ユニットは、低速下降命令を発行し、フレーム型本体に対して前記ウイングプレートを外側に張り出すように制御することで、水中測定装置の下降速度を低下させ、水中測定装置が海底に到着した時、前記システム回路は前記レベリング機構を制御してフレーム型本体の姿勢を調整して、前記フレーム型本体が海底堆積物に安定して立てられるようにさせ、前記水上監視ユニットは、測定作業を終了した後、除荷命令を発行し、前記解放機構を制御して前記釣り合い重りを廃棄させ、前記ウイングプレートの引込みを制御して、水中測定装置が前記浮体の浮力作用の下で水面から浮上させるようにさせ、
前記測定機構としては、海底堆積物の力学的性質を測定するためのコーン貫入測定機構、球形貫入測定機構、クロスプレートせん断測定機構のうちの１種または複数種、および／または海底堆積物試料を採取するためのサンプリング機構が挙げられることを特徴とする、フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項２】
前記観測プラットフォームは、低速下降用油圧シリンダを更に備え、前記低速下降用油圧シリンダの一端が前記フレーム型本体とヒンジ結合し、他端が前記ウイングプレートとヒンジ結合し、前記システム回路が水上監視ユニットから発行された低速下降命令または除荷命令を受け取った後、前記低速下降用油圧シリンダのピストンロッドの伸縮を制御することによって、前記ウイングプレートを張り出しまたは引き込ませることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項３】
前記レベリング機構は、複数のレベリング支持脚と、複数のレベリング用油圧シリンダと、を備え、前記レベリング支持脚がフレーム型本体の底部に位置し、各前記レベリング支持脚が１つの前記レベリング用油圧シリンダに接続され、
前記フローティングボールキャビン内に前記フレーム型本体の姿勢を検出し、姿勢データを生成して前記システム回路に送信するための姿勢センサーが取り付けられ、前記システム回路は、前記フレーム型本体が海底に到着した時、受信した姿勢データに基づき前記レベリング用油圧シリンダを制御して前記レベリング支持脚を伸縮させることで、前記フレーム型本体を海底に安定して立たせるように調整することを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項４】
前記解放機構は、解放用油圧シリンダと、定滑車と、ロープと、フックと、を備え；前記定滑車は、前記フレーム型本体に取り付けられ、前記ロープが定滑車に巻回され、前記ロープの一端が解放用油圧シリンダに接続され、他端がフックに接続され、前記フックは、デフォルト状態で釣り合い重りの吊り穴内に挿入して、前記釣り合い重りを掛止することで、前記観測プラットフォームの重量を増やし、前記水中測定装置が海底に自ら降下させ、前記水中測定装置を回収する時、前記システム回路が前記解放用油圧シリンダを制御して前記ロープを下ろし、前記フックを自重の下で回転させることで、前記釣り合い重りの吊り穴から外させ、釣り合い重りを前記フレーム型本体から分離させることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項５】
前記浮体は、フローティングボールと、フローティングプレートと、を備えており、前記フレーム型本体の頂部に取り付けられ、前記フローティングボールが複数あり、アレイ構造を形成するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項６】
前記フレーム型本体の頂部にイリジウムビーコンおよび光学ビーコンも取り付け、前記イリジウムビーコンは、前記水中測定装置の水から出た後前記水上監視ユニットに測位信号を発信し、前記水中測定装置の地理座標を研究船に通知し、前記光学ビーコンは、前記水中測定装置が水から出た後、自動的に可視光を放射することを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項７】
前記コーン貫入測定機構は、支持体と、コーンプローブと、コーンプローブに連結されたプローブロッドと、前記コーンプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記コーンプローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記球形貫入測定機構は、支持体と、球形プローブと、球形プローブに連結されたプローブロッドと、前記球形プローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記球形プローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記クロスプレートせん断測定機構は、支持体と、クロスプレートプローブと、クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと、前記クロスプレートプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、前記クロスプレートプローブの回転を駆動するためのせん断駆動装置と、を備え、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記せん断駆動装置内に前記クロスプレートプローブのせん断トルクを検出するためのトルクセンサーが取り付けられ、
前記サンプリング機構は、支持体と、試料採取管と、前記試料採取管の上下運動を駆動するための貫入駆動機構と、海底堆積物を前記試料採取管に抽出するための油圧装置と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、
前記システム回路は、データ収集ユニットと、制御ユニットと、動力駆動ユニットと、電池と、を含み、前記電池は前記データ収集ユニット、前記制御ユニットおよび前記動力駆動ユニットに電力を供給し、前記データ収集ユニットは、前記間隙水圧センサー、前記貫入抵抗センサーおよび前記トルクセンサーから出力されたセンシング信号を収集して、それを前記制御ユニットに伝送し、海底堆積物の力学的性質を計算するために用いられ、前記動力駆動ユニットは、前記制御ユニットに接続され、前記水中測定装置に必要な駆動電圧を生成するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項８】
前記貫入駆動機構は、貫入油圧シリンダと、プーリーブロックと、前記プーリーブロックに巻回されたワイヤロープと、前記ワイヤロープによって引っ張られたスライドプレートと、を備えており、前記プーリーブロックは、定滑車組と、動滑車組と、を備え、前記動滑車組が前記貫入油圧シリンダのピストンロッドに接続され、前記システム回路が前記貫入油圧シリンダの前記ピストンロッドの伸縮を制御して、前記動滑車組を上下に移動させることで、前記ワイヤロープを駆動して前記スライドプレートを上下に移動させるよう引っ張り、
前記コーン貫入測定機構内の前記プローブロッド、前記球形貫入測定機構内の前記プローブロッドおよび前記サンプリング機構内の前記試料採取管は、各自の貫入駆動機構のスライドプレートに固着され、
前記せん断駆動装置は、モータと、カップリングと、を備え、前記モータが前記クロスプレートせん断測定機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記駆動電圧を受け取り、前記モータの回転軸が前記カップリングを介して前記クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと軸方向に連結し、
前記油圧装置は、油圧シリンダと、シールプラクと、を備え、前記油圧シリンダが前記サンプリング機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記シールプラクが前記試料採取管内に位置し、前記油圧シリンダの前記ピストンロッドに接続され、前記システム回路を通じて前記油圧シリンダを制御して前記シールプラクを上に移動させ、前記試料採取管内の空気圧を減少させることで、海底堆積物を抽出することを特徴とする、請求項７に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項９】
前記フローティングボールキャビンは、４つあり、透明ガラスで製造され、カメラまたはビデオカメラの取り付けスペースを残しておき、前記データ収集ユニット、前記制御ユニット、前記動力駆動ユニットおよび前記電池は、４つの異なる前記フローティングボールキャビン内に分けて置かれ、各前記フローティングボールキャビンに水密コネクタが取り付けられ、前記水密コネクタの間を防水ケーブルで接続し、異なるフローティングボールキャビンに内蔵された回路が前記防水ケーブルを通じて電気的に接続されることを特徴とする、請求項７に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項１０】
前記水中測定装置の測定作業が終了し、一定の時間を遅延した後、水上監視ユニットから発行された除荷命令を受信しなかった場合、前記システム回路は前記解放機構を自ら制御して前記釣り合い重りを廃棄し、
前記解放機構内に機械的タイミングトリガー装置が設けられ、前記機械的タイミングトリガー装置が前記水中測定装置を投げ込む時カウントを開始し、カウント値が設定された最大時間閾値に達した時、自動的に前記解放機構をトリガーして前記釣り合い重りを廃棄することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋観測技術分野に関し、特に、海底堆積物の力学的性質を探査する測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この段階で海洋研究は、フルデプス（全ての深度）の時代に入った。科学者に「超深海帯」（Ｈａｄａｌ  ｔｒｅｎｃｈ）と呼ばれる、地球上で最も深い海域である水深が６,０００ｍ〜１１,０００ｍの範囲の海域は、地球上の最も深い海域である。この海域は主に大陸の縁辺に分布され、海溝から成り、世界の海底面積の１〜２％しか占めていないが、垂直方向の深さが海の全深さ４５％を占めており、海洋生態系において重要な意味を持っている。現在、超深海帯に関する研究は、海洋研究の最新のフロンティア分野となり、海洋科学がフルデプスの科学研究の時代に入ったことも示している。海底土壌をベースにした海洋工学は時運に乗って現れ、海底堆積物の力学的性質を正確に得ることは、深海の科学研究、資源・エネルギー開発工学活動および海洋安全防衛工学においても非常に重要である。
【０００３】
海底堆積物の力学的性質測定装置は、この需要の下で継続的に開発され、作業地域が浅海から深海に向け継続的に開発されてきた。従来の測定装置の配置方法は、主にロープで配置され、深さ６,０００ｍの海底で長期かつ安定な観測を実現できる。ただし、作業水深の増加に伴い、特に、観測地域が超深海帯の場合、研究船上の地質ロープの長さに制限されると、作業できなくなる。深海堆積物のその場検出を実現するため、作業水深が６,０００ｍを超える堆積物の力学的性質の従来のその場測定装置は、潜水艇（例：「蛟龍号」）を組み合わせることによって配置を実現する。しかし潜水艇は、一度の使用につき費用がかかり、かつ長期連続作業のタスク需要を満たすことができないため、普及や応用が難しかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、その水中測定装置がロープレス配置方法を用い、任意の深度の海底堆積物に対し力学的性質測定を実施でき、かつ自動回収を実現し、科学研究コストも削減できるフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するために以下のような技術的手段を講じた。
【０００６】
フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムであって、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備え、前記水中測定装置は、観測プラットフォームと、前記観測プラットフォームに搭載された測定機構と、を含み；前記観測プラットフォームは、フレーム型本体と、前記フレーム型本体に取り付けられた浮体、ウイングプレート、高さ測定装置、フローティングボールキャビン、レベリング機構、釣り合い重り、解放機構と、水中音響通信装置と、を備え；前記高さ測定装置は、海底からの水中測定装置の高さを検出するために用いられ、前記フローティングボールキャビンはフローティングボールの形を呈し、浮力を提供しながらシステム回路を密封するために用いられ、前記システム回路が水中音響通信装置を介して水上監視ユニットと通信し、海底からの水中測定装置の高さおよび力学的性質の測定データをアップロードし；海底からの水中測定装置の高さが設定された高さに達した時、前記水上監視ユニットは、低速下降命令を発行し、フレーム型本体に対して前記ウイングプレートを外側に張り出すように制御することで、水中測定装置の下降速度を低下させ；水中測定装置が海底に到着した時、前記システム回路は前記レベリング機構を制御してフレーム型本体の姿勢を調整して、前記フレーム型本体が海底堆積物に安定して立てられるようにさせ；前記水上監視ユニットは、測定作業を終了した後、除荷命令を発行し、前記解放機構を制御して前記釣り合い重りを廃棄させ、前記ウイングプレートの引込みを制御して、水中測定装置が前記浮体の浮力作用の下で水面から浮上させるようにさせ、前記測定機構としては、海底堆積物の力学的性質を測定するためのコーン貫入測定機構、球形貫入測定機構、クロスプレートせん断測定機構のうちの１種または複数種、および／または海底堆積物試料を採取するためのサンプリング機構が挙げられる。
【０００７】
さらに、前記観測プラットフォームには、低速下降用油圧シリンダも設けられ、前記低速下降用油圧シリンダの一端が前記フレーム型本体とヒンジ結合し、他端が前記ウイングプレートとヒンジ結合し、前記システム回路が水上監視ユニットから発行された低速下降命令または除荷命令を受け取った後、前記低速下降用油圧シリンダのピストンロッドの伸縮を制御することによって、前記ウイングプレートを張り出しまたは引き込ませる。
【０００８】
好ましくは、前記ウイングプレートの数が４つあり、前記ウイングプレートはフレーム型本体に周設され、各ウイングプレートに２つの低速下降用油圧シリンダがヒンジ結合される。２つの低速下降用油圧シリンダの配置は、ウイングプレートにより大きな駆動力を提供し、大きな海水圧を克服して、深海作業要件を満たすことができる。
【０００９】
前記レベリング機構の好ましい構造設計として、本発明は、前記レベリング機構内に複数のレベリング支持脚および複数のレベリング用油圧シリンダを設け、前記レベリング支持脚がフレーム型本体の底部に位置し、各レベリング支持脚が１つのレベリング用油圧シリンダに接続され、前記フローティングボールキャビン内に前記フレーム型本体の姿勢を検出し、姿勢データを生成して前記システム回路に送信するための姿勢センサーが取り付けられ、前記システム回路は、フレーム型本体が海底に到着した時、受信した姿勢データに基づきレベリング用油圧シリンダを制御して前記レベリング支持脚を伸縮させることで、前記フレーム型本体の姿勢を調整し、海底に安定して立たせて水平状態に達することができる。
【００１０】
前記解放機構の好ましい構造設計として、本発明は、前記解放機構内に解放用油圧シリンダ、定滑車、ロープおよびフックを設ける。前記定滑車は、前記フレーム型本体に取り付けられ、前記ロープが定滑車に巻回され、ロープの一端が解放用油圧シリンダに接続され、他端がフックに接続され、前記フックは、デフォルト状態で釣り合い重りの吊り穴内に挿入して、前記釣り合い重りを掛止することで、観測プラットフォームの重量を増やし、水中測定装置が海底に自ら降下させ、水中測定装置を回収する時、前記システム回路が前記解放用油圧シリンダを制御してロープを下ろし、フックを自重の下で回転させることで、前記釣り合い重りの吊り穴から外させ、釣り合い重りをフレーム型本体から分離させて解放させる。
【００１１】
好ましくは、前記浮体は、フローティングボールと、フローティングプレートと、を備え、前記フレーム型本体の頂部に取り付けられ、前記フローティングボールが複数あり、アレイ構造を形成するように配置されることが好ましい。
【００１２】
研究船が水面に浮かんできた水中測定装置を速やかに探し出すことができるように、本発明は、前記フレーム型本体の頂部にイリジウムビーコンおよび光学ビーコンも取り付け、前記イリジウムビーコンは水中測定装置の水から出た後水上監視ユニットに測位信号を発信し、水中測定装置の地理座標を研究船に通知し、前記光学ビーコンは、水中測定装置が水から出た後、自動的に可視光を放射して、研究船に水中測定装置の現在位置を見つけるよう誘導する。
【００１３】
前記コーン貫入測定機構の好ましい構造設計として、前記コーン貫入測定機構は、支持体と、コーンプローブと、コーンプローブに連結されたプローブロッドと、前記コーンプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備え、前記支持体がフレーム型本体に取り付けられ、前記コーンプローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられる。
【００１４】
前記球形貫入測定機構の好ましい構造設計として、前記球形貫入測定機構は、支持体と、球形プローブと、球形プローブに連結されたプローブロッドと、前記球形プローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備え、前記支持体がフレーム型本体に取り付けられ、前記球形プローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられる。
【００１５】
前記クロスプレートせん断測定機構の好ましい構造設計として、前記クロスプレートせん断測定機構は、支持体と、クロスプレートプローブと、クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと、前記クロスプレートプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、前記クロスプレートプローブの回転を駆動するためのせん断駆動装置と、を備え、前記支持体がフレーム型本体に取り付けられ、前記せん断駆動装置内にクロスプレートプローブのせん断トルクを検出するためのトルクセンサーが取り付けられる。
【００１６】
前記サンプリング機構の好ましい構造設計として、前記サンプリング機構は、支持体と、試料採取管と、前記試料採取管の上下運動を駆動するための貫入駆動機構と、海底堆積物を試料採取管に抽出するための油圧装置と、を備え、前記支持体がフレーム型本体に取り付けられる。
【００１７】
さらに、前記システム回路は、データ収集ユニットと、制御ユニットと、動力駆動ユニットと、電池と、を含み、前記電池は前記データ収集ユニット、制御ユニットおよび動力駆動ユニットに電力を供給し、前記データ収集ユニットは、前記間隙水圧センサー、貫入抵抗センサーおよびトルクセンサーから出力されたセンシング信号を収集して、それを前記制御ユニットに伝送し、海底堆積物の力学的性質を計算するために用いられ、前記動力駆動ユニットは、前記制御ユニットに接続され、水中測定装置に必要な駆動電圧を生成するために用いられる。
【００１８】
前記貫入駆動機構の好ましい構造設計として、前記貫入駆動機構は、貫入油圧シリンダと、プーリーブロックと、プーリーブロックに巻回されたワイヤロープと、前記ワイヤロープによって引っ張られたスライドプレートと、を備え；前記プーリーブロックは、定滑車組と、動滑車組と、を備え、前記動滑車組が貫入油圧シリンダのピストンロッドに接続され、前記システム回路が前記貫入油圧シリンダのピストンロッドの伸縮を制御して、前記動滑車組を上下に移動させることで、前記ワイヤロープを駆動して前記スライドプレートを上下に移動させるよう引っ張る。前記コーン貫入測定機構内のプローブロッド、球形貫入測定機構内のプローブロッドおよびサンプリング機構内の試料採取管は、各自の貫入駆動機構のスライドプレートに固着され、スライドプレートによりプローブロッドまたは試料採取管を海底堆積物に挿入させるか、または海底堆積物から回収する。
【００１９】
前記せん断駆動装置の好ましい構造設計として、前記せん断駆動装置は、モータと、カップリングと、を備え、前記モータがクロスプレートせん断測定機構内の貫入駆動機構のスライドプレートに取り付けられ、前記駆動電圧を受け取り、モータの回転軸が前記カップリングを介してクロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと軸方向に連結し、前記クロスプレートプローブの回転を駆動させて、海底の土壌体を破壊し、土壌体を破壊するために必要なせん断トルクの測定を実現する。
【００２０】
前記油圧装置の好ましい構造設計として、前記油圧装置は、油圧シリンダと、シールプラクと、を備え、前記油圧シリンダがサンプリング機構内の貫入駆動機構のスライドプレートに取り付けられ、前記シールプラクが前記試料採取管内に位置し、前記油圧シリンダのピストンロッドに接続され、前記システム回路を通じて前記油圧シリンダを制御してシールプラクを上に移動させ、試料採取管内の空気圧を減少させることで、海底堆積物を抽出する。
【００２１】
測定装置の浮力をさらに増大するため、本発明は、好ましくは４つのフローティングボールキャビンを取り付け、前記データ収集ユニット、制御ユニット、動力駆動ユニットおよび電池を４つの異なるフローティングボールキャビン内に分けて置き、各フローティングボールキャビンに水密コネクタが取り付けられ、水密コネクタの間を防水ケーブルで接続し、異なるフローティングボールキャビンに内蔵された回路が前記防水ケーブルを通じて電気的に接続されることで電源および信号を伝送する。
【００２２】
写真撮影または映像撮影機器の取り付けを容易にするため、本発明は、好ましくは透明ガラスで前記フローティングボールキャビンを製造し、フローティングボールキャビン内にカメラまたはビデオカメラの取り付けスペースを残しておくため、観測プラットフォームにカメラまたはビデオカメラの密封のために特化した透明箱を別途設置する必要がなく、これによりプラットフォーム構造および取り付け操作を簡素化する目的を達成する。
【００２３】
水中測定装置の確実な回収を実現するため、本発明は、水中測定装置の測定作業が終了し、一定の時間を遅延した後、水上監視ユニットから発行された除荷命令を受け取らなかった場合、水中音響通信装置が異常であると判断するように前記システム回路を構成し、この時、システム回路が前記解放機構を自ら制御して前記釣り合い重りを廃棄し、回収作業を実行し、システム回路が故障して、解放機構に制御信号を送信できない場合、前記解放機構内に機械的タイミングトリガー装置が設けられ、前記機械的タイミングトリガー装置が水中測定装置を投げ込む時カウントを開始し、カウント値が設定された最大時間閾値に達した時、自動的に前記解放機構をトリガーして前記釣り合い重りを廃棄する。上記の２つの代替回収戦略を用いて、解放機構に対し補完的な制御を実現し、水中測定装置の確実な回収を確保できる。
【発明の効果】
【００２４】
有益な効果
本発明の海底堆積物の力学的性質測定システムは、ロープの長さに制限されることなく、水中測定装置のロープレス配置を実現でき、作業水深が１１,０００ｍ以上に達することができるため、フルデプスの海底堆積物に対し力学的性質のその場測定を実現し、様々な科学研究ニーズを満たすことができる。かつ、本発明は、水中測定装置に低速下降機構および解放機構を設けることによって、水中測定装置が自ら安定して沈下・着陸できることを保証し、また水中測定装置が自ら除荷・回収することも確保でき、研究船と潜水艇の補助を必要とせず、海底の深さを問わず独立して長期的で連続した観測作業をすることができ、海洋研究の効果的な実施のために包括的な保障を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によって提案されるフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム内の観測プラットフォームの一実施例の構造模式図である。
【００２６】
【図２】図１内のフレーム型本体の一実施例の構造模式図である。
【００２７】
【図３】図１内の釣り合い重りの一実施例の構造模式図である。
【００２８】
【図４】釣り合い重りおよび解放機構の一実施例の構造模式図である。
【００２９】
【図５】本発明によって提案されるフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム内の水中測定装置の一実施例の構造模式図である。
【００３０】
【図６】図５内のコーン貫入測定機構の一実施例の構造模式図である。
【００３１】
【図７】図５内の球形貫入測定機構の一実施例の構造模式図である。
【００３２】
【図８】図５内のクロスプレートせん断測定機構の一実施例の構造模式図である。
【００３３】
【図９】図５内のサンプリング機構の一実施例の構造模式図である。
【００３４】
【図１０】図６内の貫入駆動機構の一実施例の構造模式図である。
【００３５】
【図１１】本発明によって提案されるフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムの一実施例の回路原理ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の具体的実施形態を詳細に説明する。
【００３７】
本実施例の海底堆積物の力学的性質測定システムは、図１１に示すように、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備える。水上監視ユニットは、研究船に配置されることができ、上位コンピュータと、水中音響通信装置と、を備える。前記上位コンピュータは、水中音響通信装置を介して水中測定装置と通信することで、水中測定装置の運航軌跡、海底からの高さ、水中作業環境、作業状態に対するリアルタイム監視を実現し、またリモート命令の発行を通じて水中測定装置を制御して低速下降、貫入、回収等の動作を実行させ、かつ水中測定装置からアップロードされた海底堆積物の力学的性質の測定データに対し処理、表示およびデータベースへの保存と管理を実施する。水中測定装置は、ロープレス配置方法を用い、海底の任意の深さまで沈んで、海底堆積物の力学的性質を測定でき、また測定タスク終了後に自ら浮上して回収されることで、再利用を実現する。
【００３８】
本実施例において、水中測定装置は、図５に示すように、主に観測プラットフォームおよび観測プラットフォームに搭載されている測定機構で構成される。観測プラットフォームは、ロープレス海底観測プラットフォームであり、図１に示すように、主にフレーム型本体１０および前記フレーム型本体１０に取り付けられた浮体２０、ウイングプレート３０、高さ測定装置、フローティングボールキャビン４０、レベリング機構５０、釣り合い重り６０、解放機構７０および水中音響通信装置８０等で構成される。測定機構は、主に海底堆積物に対し力学的性質を測定するための様々な測定機器であり、コーン貫入測定機構１００、球形貫入測定機構２００、クロスプレートせん断測定機構３００内の１種または複数種が挙げられるが、これらに限定されず、後日の試験所の研究のため、海底堆積物試料採取用のサンプリング機構４００をさらに備えることもできる。
【００３９】
観測プラットフォームにおいて、フレーム型本体１０が支持本体として、チタン合金材料と高強度アルミ合金で溶接してから成り、支持力と圧縮強度を保証しながら、フレーム型本体１０の総重量をできる限り軽減して回収しやすくなる。本実施例は、好ましくは図２に示すようにフレーム型本体１０を矩形のケージ構造として設計し、その上に異なる測定機構および観測設備を取り付けやすくなる。本実施例の好ましい取り付け方法として、浮体２０をフレーム型本体１０の頂部に取り付けて、測定装置が回収されたときに測定装置に十分な上向きの浮力を与え、測定装置を浮上させるようにすることができる。本実施例は、フローティングボール２１とフローティングプレート２２との組み合わせを使用して前記浮体２０を構成することが好ましい。具体的には、フレーム型本体１０の頂面を矩形メッシュ状に設計し、各矩形メッシュ１１内に各々１つのフローティングボール２０を取り付けて、フローティングボール２０がアレイ構造を形成するように配置される。各矩形メッシュ１１に４本の組立用リブ１２が溶接され、各組立用リブ１２と矩形メッシュ１１のうちの１つの隅部とが１つの三角形を形成し、組立用リブ１２の設置は矩形メッシュ１１を補強するたけではなく、矩形メッシュ１１内でのフローティングボール２０の取り付けや固定を容易にすることができる。フローティングプレート２２は、フレーム型本体１０の頂部の周囲を覆い、浮力を増大しながら衝撃力を緩衝する効果も奏することができる。
【００４０】
ウイングプレート３０をフレーム型本体１０の中央に取り付け、フローティングプレート２２の下方に位置させ、ウイングプレート３０からフレーム型本体１０の底部までの距離が、フレーム型本体１０の全高の２／３を占めるところにウイングプレート３０を設置することが好ましく、このように機械構造の安定性を向上させることができる。本実施例は、フレーム型本体１０に４枚のウイングプレート３０を取り付け、フレーム型本体１０の周囲に分布させることが好ましい。各ウイングプレート３０は、流線型の翼面として設計され、内側がフレーム型本体１０とヒンジ結合する。低速下降用油圧シリンダ３１でフレーム型本体１０に対してウイングプレート３０を外側に張り出すか、または内向きに引っ込むように駆動させ、具体的には、低速下降用油圧シリンダ３１の一端（例えば、例えば、シリンダの底部）をフレーム型本体１０とヒンジ結合し、他端（例えばピストンロッド３２）をウイングプレート３０の底面とヒンジ結合することができる。低速下降用油圧シリンダ３１のピストンロッド３２の伸張を制御すると、ウイングプレート３０を押して張り出して、測定装置の下降速度を低下できる。それと対照して、低速下降用油圧シリンダ３１のピストンロッド３２の引込みを制御すると、ウイングプレート３０を引き戻すことで、測定装置の下降抵抗を減少させ、測定装置を速やかに海底に沈めさせることができる。低速下降用油圧シリンダ３１をフレーム型本体１０とヒンジ結合すると、低速下降用油圧シリンダ３１は、ウイングプレート３０の張り出しまたは引込みに追動してフレーム型本体１０との間の角度を自動的に調整してウイングプレート３０の運動軌跡に適応することができる。測定装置の潜行深度に基づき、低速下降用油圧シリンダ３１のピストンロッド３２の伸張長さを調整すると、ウイングプレート３０の張り出し角度を調整して、多段速度調整効果を奏し、海底への測定装置の安定した着陸を実現できる。
【００４１】
深海作業の時、海底の圧力が非常に大きく、ウイングプレート３０が張り出す時非常に大きな阻力を克服する必要があることを考慮し、ウイングプレート３０が深海環境で確実に張り出すことができるのを確保するため、本実施例は、好ましくは図１に示すように各ウイングプレート３０に各々２つの低速下降用油圧シリンダ３１を配置し、ウイングプレート３０の底面の左右両側にヒンジ結合され、ウイングプレート３０に大きな押し力を提供する。
【００４２】
図２に示すようにフレーム型本体１０の底部に有孔ボード１３が取り付けられ、有孔ボード１３にフローティングボールキャビン４０、レベリング機構５０および搭載に必要な測定機構１００、２００、３００、４００を取り付けるための異なるサイズの複数の取り付け孔を穿設する。
【００４３】
観測プラットフォームのシステム回路を密封し、システム回路を水中作業環境に適応できるようにさせるため、本実施例は、前記システム回路をパッケージするためのフローティングボールキャビン４０を設計した。前記フローティングボールキャビン４０は、好ましくは透明なガラスで製造され、フローティングボールの形として設計され、フレーム型本体１０の底部の有孔ボード１３上に取り付けられる。システム回路をパッケージするためのキャビンをフローティングボールの形状に設計すると、パッケージ要件を満たしながら測定装置に補助浮力を提供できる。フローティングボールキャビン４０を透明状に設計することにより、写真撮影またはビデオ機器を取り付けなければならなくなった時、カメラまたはビデオカメラをフローティングボールキャビン４０内に直接配置でき、観測プラットフォームにカメラまたはビデオカメラのパッケージのために特化した箱を別途設置する必要がなく、これによりプラットフォーム構造全体を簡素化する目的を達成する。
【００４４】
より大きな浮力を得るため、本実施例は、好ましくはフレーム型本体１０底部の有孔ボード１３にシステム回路内の異なる機能回路を各々パッケージするための４つのフローティングボールキャビン４０を取り付ける。図１１に示すように、本実施例のシステム回路は、主にデータ収集ユニットと、制御ユニットと、動力駆動ユニットと、電池と、を備え、これらの４つの機能回路を４つの異なるフローティングボールキャビン４０内に分けて置くことで、データ収集キャビン、制御キャビン、動力駆動キャビンおよび電池キャビンを形成する。各フローティングボールキャビン４０に各々少なくとも１つの水密コネクタ４１が設けられ、異なるフローティングボールキャビン４０上の水密コネクタ４１の間を防水ケーブルで接続し、異なるフローティングボールキャビン内に内蔵される機能回路が防水ケーブルを通じて電気的な接続を実現することで、電源、アナログ信号および／またはデジタル信号を伝送する。
【００４５】
主に、観測プラットフォームに搭載された様々な測定機構を接続して、様々な測定機構で検出された測定データを収集し、データを処理した後、前記制御ユニットに送信してデータを分析と保存するための様々なインターフェースボード、インターフェース回路、収集機器などのデータ収集ユニットがデータ収集キャビンに内蔵される。本実施例は、高さ測定装置（図示せず）をシステム回路から独立させ、フレーム型本体１０に配置させ、前記データ収集ユニットに接続することが好ましい。前記高さ測定装置は、高度計、音響距離計等であり得、高さ測定装置で海底からのフレーム型本体１０の高さを検出し、高さ検出信号を生成してデータ収集ユニットに送信し、制御ユニットの受信要件に適合したデータ形式に処理してから、制御ユニットに送信することで、測定装置の下降位置に対するリアルタイム監視を実現する。データ収集キャビンにおいて、カメラまたはビデオカメラを取り付けるためのスペースを残しておくことで、データ収集ユニットでカメラまたはビデオカメラでキャプチャした画像データを収集して、前記制御ユニットに送信できる。
【００４６】
制御キャビン内には、着陸後の観測プラットフォームの傾斜角およびフローティングボールキャビン４０内の環境パラメータを検出するための制御ユニット、前記制御ユニットに接続された姿勢センサー（３軸ジャイロスコープ、３軸加速度計、３軸電子コンパスなど）、温度センサー、湿度センサー、空気圧センサー、漏水センサーなどのセンサー素子が内蔵される。前記制御ユニットは、コントローラ（例えばＣPU、ＭＣＵ、ＤＳＰ等）と、メモリと、を備え得、コントローラがシステム回路全体の制御コアとして、各機能回路を調整および制御し、処理後の測定データをメモリに送信して格納する。
【００４７】
動力駆動キャビン内には、主に観測プラットフォームに搭載された測定機構と外部で接続するための動力駆動ユニット（例えばモータの作動を駆動するためのモータ駆動回路など）が内蔵される。いくつかの測定機構内のモータの作動を制御する必要がある時、制御ユニットによって制御信号を前記動力駆動ユニットに出力して、駆動電圧を生成し、測定機構内のモータの作動を制御することで、海底堆積物の力学的性質の測定またはサンプリング作業を実施する。
【００４８】
前記電池キャビン内には、主に観測プラットフォームおよび観測プラットフォームに搭載された測定機構に電力を供給するためのリチウム電池と海水電池が内蔵される。海水電池の使用は、測定装置の水中長期連続作業の電力需要を満たすことができる。
【００４９】
観測プラットフォームが海底に着陸した後水平状態を保持させ、いくつかの測定データの正確さを確保するため、本実施例では、図１に示すようにフレーム型本体１０の底部にレベリング支持脚５１と、レベリング用油圧シリンダ５２と、を備えたレベリング機構５０が取り付けられる。本実施例は、４つのレベリング用油圧シリンダ５２を配置して、４つのレベリング支持脚５１を制御してフレーム型本体１０のバランス状態に合わせて調整することが好ましい。具体的には、レベリング用油圧シリンダ５２をフレーム型本体１０の底部の有孔ボード１３に取り付け、ピストンロッドを下に向けて、レベリング支持脚５１に連結する。レベリング用油圧シリンダ５２のピストンロッドの伸張長さを調整することによって、フレーム型本体１０の姿勢を変更し、フレーム型本体１０を水平状態に調整する。
【００５０】
フレーム型本体１０の底部に釣り合い重り６０に取り付けられ、フレーム型本体１０に解放機構７０が取り付けられ、解放機構７０で釣り合い重り６０を掛着する。測定装置が海に入った後、釣り合い重り６０の重量で測定装置を海底に引き下げて、海底堆積物の力学的性質測定を実施する。測定作業の終了後、釣り合い重り６０を廃棄し、釣り合い重り６０をフレーム型本体１０から分離させるよう解放機構７０を制御する。その後、測定装置のフローティングボール２１、フローティングプレート２２、フローティングボールキャビン４０の共同作用により浮上させ、海面に浮上して、研究船による引き揚げ・回収を待つ。
【００５１】
前記解放機構７０の好ましい構造設計として、本実施例は、図１に示すように、フレーム型本体１０に支持体７１が固着される。図４を参照すると、固定された支持体７１に定滑車７２およびフック７３が取り付けられる。定滑車７２にロープ７４が巻回され、ロープ７４の一端をフック７３に接続させ、他端を解放用油圧シリンダ７５に接続させる。前記解放用油圧シリンダ７５は、フレーム型本体１０に取り付けることができ、解放用油圧シリンダ７５のピストンロッドの伸縮を制御することによって、ロープ７４を引き上げまたは下ろすことで、フック７３の角度を変え、釣り合い重り６０の掛入または解放を実現する。具体的には、図３、図４を併せて参照すると、釣り合い重り６０に吊り穴６１を穿設でき、デフォルト状態では、解放用油圧シリンダ７５がピストンロッドの引込みを制御して、ロープ７４を引き上げ、フック７３を上向きかつ釣り合い重り６０の吊り穴６１内に挿入させ、釣り合い重り６０を吊り上げる。釣り合い重り６０を廃棄する必要がある時、解放用油圧シリンダ７５を制御してピストンロッドを伸張させ、ロープ７４を下ろす。この時、フック７３が自重の作用において一定角度を回転することで、釣り合い重り６０の吊り穴６１から外させ、図４に示される状態となり、釣り合い重り６０の解放を実現する。その後、測定装置は、浮体２０およびフローティングボールキャビン４０の作用において浮上し、釣り合い重り６０を廃棄して回収を実現する。
【００５２】
本実施例の好ましい設計解決策として、フレーム型本体１０に加えた下向きの引張力のバランスを取り、水中測定装置の潜行過程の姿勢の安定性を確保するため、前記釣り合い重り６０および解放機構７０は、矩形フレーム型本体１０の四底角に配置された４セッで構成されることが好ましい。
【００５３】
図１に示すように、低速下降用油圧シリンダ３１、レベリング用油圧シリンダ５２、解放用油圧シリンダ７５に作動油を供給するため、本実施例は、観測プラットフォームに油圧ステーション１４がさらに取り付けられ、好ましくはフレーム型本体１０底部の有孔ボード１３の中央位置に取り付けられ、異なるオイルホースを通じて前記低速下降用油圧シリンダ３１、レベリング油圧シリンダ５２および解放用油圧シリンダ７５に各々連通される。各油圧シリンダに接続されたオイルホースに各々電磁弁が取り付けられ、特定の油圧シリンダの動作を制御する必要がある場合、システム回路を通じてまず制御対象となる油圧シリンダのオイルホースに接続された電磁弁を開くように制御し、その後油圧ステーション１４を制御して制御対象となる油圧シリンダに給油または揚油して、制御対象となる油圧シリンダのピストンロッドの伸張または引込みを制御することで、制御対象となる油圧シリンダの作業需要を満たす。
【００５４】
なお、本実施例は、図１に示すように、フレーム型本体１０の頂部にイリジウムビーコン１５および光学ビーコン１６がさらに取り付けられる。イリジウムビーコン１５は、水中測定装置の水から出た後自動的にＧＰＳ信号などの測位信号を発信し、水中測定装置の地理座標を水上監視ユニットに送信することで、研究船が海域中で前記水中測定装置を速やかに見つけ出すことができる。前記光学ビーコン１６は、水中測定装置が水から出た後自動的に可視光を放射し、光信号の形で研究船に水中測定装置の現在位置を見つけるよう誘導し、夜間でも水中測定装置の安全かつ迅速な回収を確保できる。
【００５５】
フレーム型本体１０の頂部に研究船上の引き揚げ設備に合わせるための巻上機構１７が更に取り付けられることで、水中測定装置の投げ込みと引き揚げを容易にする。測定対象海域の海水が深くない場合、ロープあり方法で研究船上のロープを観測プラットフォームの巻上機構１７に接続し、ロープを介して前記水中測定装置を配置および回収し、本実施の水中測定装置にロープとロープレスの２つの配置方法をサポートし、測定システムの適用分野を拡大させることができる。
【００５６】
本実施例の水中測定装置において、海底堆積物の力学的性質を測定するための測定機構は、多種タイプを選択して、フレーム型本体１０の底部の有孔ボード１３に取り付け、様々な測定機構を制御することによって海底堆積物内に貫入させることで、海底堆積物の力学的性質を検出する。本実施例は、図５に示すように観測プラットフォームに搭載されたコーン貫入測定機構１００、球形貫入測定機構２００、クロスプレートせん断測定機構３００、サンプリング機構４００を例として説明する。
【００５７】
本実施例のコーン貫入測定機構１００は、図６に示すように主に支持体１１０と、コーンプローブ１０１と、コーンプローブ１０１に連結されたプローブロッド１０２と、前記コーンプローブ１０１を上下に動かせるように前記プローブロッド１０２を駆動するための貫入駆動機構１２０と、を備える。前記支持体１１０は、観測プラットフォームのフレーム型本体１０に取り付けられ、貫入駆動機構１２０が前記支持体１１０に取り付けられる。前記貫入駆動機構１２０内には、図６および図１０に示すように貫入油圧シリンダ１２１と、スライドプレート１２２と、プーリーブロックと、ワイヤロープ１２３と、を備える。貫入油圧シリンダ１２１は、支持体１１０の台座１１１に取り付けられ、プーリーブロック内に定滑車組と、動滑車組と、を備え、動滑車組がブラケット１３２に取り付けられ、前記ブラケット１３２が貫入油圧シリンダ１２１のピストンロッドに取り付けられ、貫入油圧シリンダ１２１が動滑車組の上下移動を駆動する。前記定滑車組内には、４つの定滑車を含み、第１定滑車１２４および第２定滑車１２５は支持体１１０の台座１１１に取り付けられ、第３定滑車１２６と第４定滑車１２７が支持体１１０の天板１１２に取り付けられ；前記動滑車組内には、２つの軸心が接続し、上下位置関係を呈する上動滑車１２８および下動滑車１２９を含む。前記ワイヤロープ１２３は、前記プーリーブロックに巻回され、その巻回順序は第１定滑車１２４→下動滑車１２９→第２定滑車１２５→第３定滑車１２６→上動滑車１２８→第４定滑車１２７である。ワイヤロープ１２３の両端は支持体１１０に固定され、前記スライドプレート１２２がワイヤロープ１２３に取り付けられ、好ましくは第２定滑車１２５と第３定滑車１２６との間にあるワイヤロープに取り付けられ、ワイヤロープ１２３で前記スライドプレート１２２を上下に移動するよう引っ張る。スライドプレート１２２の移動の安定性を向上するため、支持体１１０にガイドレール１３０をさら取り付けることができ、ガイドレール１３０でスライドプレート１２２を支え、スライドプレート１２２をガイドレール１３０に沿って上下に移動させることができる。スライドプレート１２２に挟持機構１３１が取り付けられ、挟持機構１３１でプローブロッド１０２の上半分を挟持し、プローブロッド１０２をスライドプレート１２２に追動して上下に移動させることができる。コーンプローブ１０１は、プローブロッド１０２の下端に取り付けられ、コーンプローブ１０１を支持体１１０の台座１１１に突出させ、かつコーンヘッドを下向きにさせる。
【００５８】
コーン貫入測定機構１００で海底堆積物の力学的性質を測定する必要がある場合、システム回路内の制御ユニットを通じて制御信号を出力し、貫入油圧シリンダ１２１に作動油を供給するよう油圧ステーション１４を制御し、貫入油圧シリンダ１２１のピストンロッドを伸張させ、動滑車組を上に移動するよう制御する。下動滑車１２９が上に移動した時、第２定滑車１２５と第３定滑車１２６との間にあるワイヤロープ１２３を下に動かせて、スライドプレート１２３を下に移動させると、プローブロッド１０２がコーンプローブ１０１と共に下降させるように駆動され、海底堆積物内に貫入させる。第３定滑車１２６に変位センサー（図示せず）をさらに取り付けることができ、第３定滑車１２６の回転角度の検出を通じて海底堆積物へのコーンプローブ１０１の貫入深度を計算する。本実施例において、システム回路内のデータ収集ユニットで前記変位センサーから出力された検出信号を受信して、制御ユニットに送信し、制御ユニット内においてコーンプローブ１０１の貫入深度を計算できる。
【００５９】
コーンプローブ１０２の内部には、間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーをパッケージでき、コーンプローブ１０２が海底堆積物に貫入する過程で間隙水圧センサーを介して海底堆積物の流動状態および水圧の大きさを検出し、貫入抵抗センサーを介してコーンプローブ１０２が受ける抵抗を検出する。前記間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーは、生成したセンシング信号をシステム回路内のデータ収集ユニットに送信し、処理された後で制御ユニットに送信することで、海底堆積物の力学的性質を計算する。具体的な計算方法は、従来技術であるため、本実施例において具体的に説明しない。制御ユニットは、変位センサー、間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーから出力された検出信号を組み合わせることで、異なる深度における海底堆積物の力学的性質を計算できる。
【００６０】
力学的性質の測定を終えた後、制御ユニットが制御信号を出力し、油圧ステーション１４が作動油を揚油して、貫入油圧シリンダ１２１のピストンロッドを引っ込ませ、動滑車組を引き下げることで、第２定滑車１２５と第３定滑車１２６との間にあるワイヤロープ１２３によってスライドプレート１２２を引っ張ることで、プローブロッド１０２がコーンプローブ１０１と共に上昇させるように駆動され、海底堆積物内から抜き出し、元の状態に戻して測定タスクを完了する。
【００６１】
本実施例の球形貫入測定機構２００は、図７に示すように、主に支持体２１０と、球形プローブ２０１と、球形プローブ２０１に連結されたプローブロッド２０２と、前記球形プローブ２０１を上下に動かせるように前記プローブロッド２０２を駆動するための貫入駆動機構２２０と、を備え、球形プローブ２０１の内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーがパッケージされる。前記球形貫入測定機構２００内の各要素の連結関係、貫入駆動機構２２０の具体的な構造および動作原理は、上述のコーン貫入測定機構１００と同じであるため、本実施例はここでその説明を省略する。
【００６２】
本実施例のクロスプレートせん断測定機構３００は、図８に示すよう支持体３１０と、クロスプレートプローブ３０１と、クロスプレートプローブ３０１に連結されたプローブロッド３０２と、前記クロスプレートプローブ３０１を上下に動かせるように前記プローブロッド３０２を駆動するための貫入駆動機構３２０と、前記クロスプレートプローブ３０１の回転を駆動するためのせん断駆動装置３３０と、を備える。前記支持体３１０は、フレーム型本体１００に取り付けられ、前記貫入駆動機構３２０が前記支持体３１０に取り付けられ、貫入駆動機構３２０の具体的な構造および動作原理が上述のコーン貫入測定機構１００内の貫入駆動機構１２０と同じであるため、本実施例はここでその説明を省略する。せん断駆動装置３３０は、貫入駆動機構３２０のスライドプレート３２２に取り付けられ、スライドプレート３２２によってせん断駆動装置３３０の上下移動を駆動させる。前記せん断駆動装置３３０内にモータ３３１およびカップリング３３２が設けられ、モータ３３１がスライドプレート３２２に取り付けられ、システム回路内の動力駆動ユニットから出力された駆動電圧を受け取ることで、モータ３３１の作動を制御する。モータ３３１の回転軸は、カップリング３３２を介してプローブロッド３０２と軸方向に連結し、モータ３３１を介してクロスプレートプローブ３０１の回転を駆動させる。せん断駆動装置３３０内にクロスプレートプローブ３０１を回転させて海底堆積物の土壌体構造を破壊した時に発生するせん断トルクを検出するためのトルクセンサーが取り付けられる。
【００６３】
前記クロスプレートせん断測定機構３００の動作原理：まずシステム回路内の制御ユニットを介してせん断駆動装置３３０を下に運ぶように貫入駆動機構３２０内のスライドプレート３２２を制御し、同時にせん断駆動装置３３０内のモータ３３１を起動させてクロスプレートプローブ３０１の回転を駆動させ、クロスプレートプローブ３０１を回転しながら海底堆積物内に貫入させる。変位センサーで検出した変位信号およびトルクセンサーで検出したトルク信号をシステム回路内のデータ収集ユニットに送信し、データ収集ユニットによって処理され後で制御ユニットに伝送することで、異なる深度における海底堆積物の力学的性質を計算する。
【００６４】
本実施例のサンプリング機構４００は、図９に示すように、支持体４１０と、試料採取管４０１と、前記試料採取管４０１の上下運動を駆動するための貫入駆動機構４２０と、海底堆積物を試料採取管４０１に抽出するための油圧装置４３０と、を備える。前記支持体４１０は、フレーム型本体１００に取り付けられ、前記貫入駆動機構４２０が前記支持体４１０に取り付けられ、かつ貫入駆動機構４２０の具体的な構造および動作原理が上述のコーン貫入測定機構１００内の貫入駆動機構１２０と同じであるため、本実施例はここでその説明を省略する。油圧装置４３０および試料採取管４０１は、貫入駆動機構４２０のスライドプレート４２２に取り付けられ、スライドプレート４２２によって前記油圧装置４３０および試料採取管４０１の上下移動を駆動させる。前記油圧装置４３０内に油圧シリンダおよびシールプラクが設けられ、前記油圧シリンダがスライドプレート４２２に取り付けられ、オイルホースを介して油圧ステーション１４に接続される。シールプラクは、試料採取管４０１内に置かれ、前記油圧シリンダのピストンロッドに接続される。
【００６５】
海底堆積物を抽出する必要がある場合、システム回路内の制御ユニットは、まず貫入駆動機構４２０を制御して試料採取管４０１を下に移動させて、海底堆積物内に貫入させる。その後、油圧ステーション１４を制御することによって油圧シリンダのピストンロッドを駆動してシールプラクを上に移動させる。試料採取管４０１の下部開口部は、海底堆積物内に貫入されているため、シールプラクが上に移動すると、試料採取管４０１内の下部開口部からシールプラクまでの空間の体積を増大させることで、前記空間の空気圧が減少されるため、海底堆積物を外圧の影響下で自動的に試料採取管４０１内に入り、海底堆積物の試料採取を実現する。
【００６６】
本実施例は、好ましくは試料採取管４０１を円筒形に設計し、海底堆積物内への貫入を通じて、堆積物の乱されていない試料を得ることで、後日の室内測定に有益である。
【００６７】
本実施例は、観測プラットフォームに様々な測定機構を搭載することにより、異なるタイプの堆積物について、相応しい測定機構を選択して力学的性質を測定して、異なるタイプ堆積物の力学的性質の測定要件を満たすだけではなく、同じ地域の海底堆積物について、異なる測定機構で同時にまたは時分割で力学的性質を測定して、複数の測定データを得て相互検証でき、これにより海底堆積物の力学的性質測定結果の正確さを向上する。
【００６８】
以下、本実施例の海底堆積物の力学的性質測定システムの具体的動作業過程について詳細に説明する。
【００６９】
研究船で測定システムを測定対象海域の配置位置に運んだ後、船載ワイヤロープで水中測定装置を吊り上げて海面に移し、玉外し装置を制御して水中測定装置を外して、海に投げ込む。
【００７０】
水中測定装置が海に入った後、システム回路は、高さ測定装置を起動させて海底からの水中測定装置の高さを検出し、水中音響通信装置８０を介して水上監視ユニットとの通信を保持する。水中測定装置は、自体および釣り合い重り６０の重力作用により沈み、初期段階では水中測定装置は加速度的に潜行し、下降過程で浮力の作用を受け、水中測定装置が徐々に均一速度での潜行状態に入る。水中測定装置の潜行過程で、水上監視ユニットは、水中音響通信装置を通じてリアルタイムで水中測定装置の運動軌跡を追跡し、システム回路内の制御ユニットにフィードバックする。高さ測定装置は、海底からの水中測定装置の高さをリアルタイムで検出し、それを制御ユニットに伝送し、水中音響通信装置８０を経由して水上監視ユニットまでアップロードする。水上監視ユニットは、海底からの水中測定装置の高さが設定された高さに達することを検出した時、低速下降命令を発行する。水中測定装置内の制御ユニットは、低速下降命令を受信した後、低速下降制御信号を出力し、低速下降用油圧シリンダ３１のピストンロッド３２の伸張を制御して、ウイングプレート３０を押して張り出させることで、水中測定装置の潜行速度を低下させ、海底からの水中測定装置の高さの変化に基づき、ウイングプレート３０の張り出し角度を調整することで、多段速度調整による低速下降を実現する。例えば、水中測定装置が海底から２００ｍ程度離れている場合、フレーム型本体１０に対してウイングプレート３０を４５°の夾角で張り出すように制御することで、水中測定装置の潜行速度を低下させることができるが、速度を落としすぎない。水中測定装置が海底から１００ｍ程度離れている場合、ウイングプレート３０をさらに大きく張り出すよう制御して、フレーム型本体１０に対して９０°の夾角に張り出させ、水中測定装置を安定して着陸するまでゆっくりと潜行するように制御する。
【００７１】
水中測定装置が海底に安定して着陸した後、制御ユニットは、姿勢センサーを介して海底に着陸した後のフレーム型本体１０の傾斜角を検出して、レベリング制御信号を出力し、フレーム型本体１０を水平状態に調整するまで、レベリング用油圧シリンダ５２を制御して４つのレベリング支持脚５１の伸縮を駆動させる。
【００７２】
水上監視ユニットは、貫入命令を発行し、水中測定装置内の制御ユニットが貫入命令を受け取った後、制御信号を出力し、コーン貫入測定機構１００、球形貫入測定機構２００、クロスプレートせん断測定機構３００のうちの１種または複数種の作動を制御し、そのプローブを海底堆積物内に貫入させ、力学的性質を測定し、また力学的性質の測定データを収集並びに計算した後、水上監視ユニットにアップロードする。同時に制御ユニットは、サンプリング機構４００を制御して海底堆積物の試料を採取する。
【００７３】
水下測定機構（水面下測定機構）が測定作業を完了した後、制御ユニットは、まずウイングプレート３０の引込みを制御し、次に釣り合い重り６０を廃棄するよう解放機構７０を制御し、水中測定装置が浮体２０とフローティングボールキャビン４０の浮力作用において動力なく上方に浮くようにさせることで回収を実現する。
【００７４】
水中測定装置の確実な回収を確保するため、本実施例では、３つの補完的解放制御の技術的手段を提案する。
【００７５】
第１の技術的手段：主制御手段で、水上監視ユニットは、水中測定装置の測定作業が完了したことを検出した後、除荷命令を発行する。水中測定装置内の制御ユニットは、水中音響通信装置８０を介して前記除荷命令を受信した後、除荷制御信号を生成し、解放機構７０を制御して釣り合い重り６０を廃棄させる。
【００７６】
第２の技術的手段：挽回手段で、水中音響通信装置８０が故障し、水上監視ユニットまたは制御ユニットと正常に通信できなくなった場合、制御ユニットが水上監視ユニットから発行された除荷命令を受信することができない。このような状況について、本実施例は、水中測定装置が測定作業を完了した後、一定の待機時間（実際の状況に応じて決定）を残しておくよう制御ユニッを構成し、この待機時間が到達した後、制御ユニットがまだ水上監視ユニットから発行された除荷命令を受信しなかった場合、水中音響通信装置８０が故障していると判断し、除荷制御信号を自動的に生成して、解放機構７０を自ら制御して釣り合い重り６０を廃棄する。
【００７７】
第３の技術的手段：挽回手段で、解放機構７０内に機械的タイミングトリガー装置を設け、予め実際の作業状況に応じて最大時間閾値を設定する。水中測定装置を投げ込んだ時、機械的タイミングトリガー装置が起動され、水中測定装置の動作時間を記録する。カウント値が設定された最大時間閾値に達した時、システム回路に異常が起き、正常に除荷制御信号を発行できなくなると見なされる。この時、機械的タイミングトリガー装置を介して解放機構７０をトリガーして釣り合い重り６０を廃棄させることで、水中測定装置の確実な回収を確保できる。機械的タイミングトリガー装置による解放機構７０のトリガーを実現するため、１つの方法では、機械的タイミングトリガー装置はシステム回路を置き換えて除荷制御信号を生成し、油圧ステーション１４を制御して解放用油圧シリンダ７５に作動油を供給することで、解放用油圧シリンダ７５のピストンロッドの伸張を制御して、フック７３を釣り合い重り６０から外れ、釣り合い重り６０を開放させるように設計され得、別の方法では、機械的タイミングトリガー装置は、カウント値が設定された最大時間閾値に達した時ロープ７４を切断することで、釣り合い重り６０の解放を実現するように設計され得る。
【００７８】
水中測定装置が水面に浮上した後、イリジウムビーコン１５と光学ビーコン１６が起動され、水上監視ユニットに水中測定装置の地理座標を送信し、また光を発して研究船に水中測定装置の現在位置を見つけるよう誘導する。研究船が水中測定装置の位置に到着した後、索発射銃でケブラーロープを発射して、水中測定装置をつながって、水中測定装置を引き揚げて回収できる。
【００７９】
本実施例の水中測定装置構造の設計は、科学的かつ合理的であり、測定装置全体が安定して沈下および着陸することを保証でき、また水中測定装置の回収の成功を保証でき、海底堆積物の力学的性質測定を実現できるだけでなく、海底環境への長期連続観測作業も可能で、海底観測を効果的に発展するために包括的な保障を提供する。
【００８０】
もちろん、上記の説明は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、当業者にとって、本発明の原理から逸脱することなく、いくつかの改善および潤飾を行うことができ、かかる改善および潤飾もまた、本発明の保護範囲と見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年6月1日(2021.6.1)
【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】
フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムであって、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備え、前記水中測定装置は、観測プラットフォームと、前記観測プラットフォームに搭載された測定機構と、を含み、
前記観測プラットフォームは、フレーム型本体と、前記フレーム型本体に取り付けられた、浮体、ウイングプレート、高さ測定装置、フローティングボールキャビン、レベリング機構、釣り合い重り、及び解放機構と、水中音響通信装置と、を備えており、
前記高さ測定装置は、海底からの水中測定装置の高さを検出するために用いられ、前記フローティングボールキャビンはフローティングボールの形を呈し、浮力を提供しながらシステム回路を密封するために用いられ、前記システム回路が水中音響通信装置を介して水上監視ユニットと通信し、海底からの水中測定装置の高さおよび力学的性質の測定データをアップロードし、
フレーム型本体に４枚のウイングプレートが取り付けられ、前記ウイングプレートは、フレーム型本体の周囲に配置され、前記浮体の下に位置しており、ウイングプレートからフレーム型本体の底部までの距離が、フレーム型本体の全高の２／３を占めており、各ウイングプレートは、流線型の翼面として設計され、内側がフレーム型本体とヒンジ結合しており、各ウイングプレートには、それぞれ２つの低速下降用油圧シリンダが配置され、ウイングプレート底面の左右両側にヒンジ結合され、かつ低速下降用油圧シリンダの一端がフレーム型本体とヒンジ結合し、他端がウイングプレートの底面とヒンジ結合しており、
海底からの水中測定装置の高さが設定された高さに達した時、前記水上監視ユニットは、低速下降命令を発行し、フレーム型本体に対して前記ウイングプレートを外側に張り出すように制御し、
また水中測定装置が海底に安定して着陸するまで、前記ウイングプレートの張りだし角度を調整して、水中測定装置の多段速度調整による低速下降を制御するため、水中測定装置の潜行深度に基づき、低速下降用油圧シリンダのピストンロッドの伸張長さを調整し、
前記レベリング機構は、複数のレベリング支持脚と、複数のレベリング用油圧シリンダと、を備え、前記レベリング支持脚がフレーム型本体の底部に位置し、各前記レベリング支持脚が１つの前記レベリング用油圧シリンダに接続されており、前記フローティングボールキャビン内に前記フレーム型本体の姿勢を検出し、姿勢データを生成して前記システム回路に送信するための姿勢センサーが取り付けられ、前記システム回路は、前記フレーム型本体が海底に到着した時、受信した姿勢データに基づき前記レベリング用油圧シリンダを制御して前記レベリング支持脚を伸縮させることで、前記フレーム型本体を水平状態で海底堆積物に立てられるように調整し、
前記水上監視ユニットは、測定作業を終了した後、除荷命令を発行し、前記解放機構を制御して前記釣り合い重りを廃棄させ、前記ウイングプレートの引込みを制御して、水中測定装置が前記浮体の浮力作用の下で水面から浮上させるようにさせ、
前記解放機構は、解放用油圧シリンダと、定滑車と、ロープと、フックと、を備えており、前記定滑車は、前記フレーム型本体に取り付けられ、前記ロープが定滑車に巻回され、前記ロープの一端が解放用油圧シリンダに接続され、他端がフックに接続され；前記フックは、デフォルト状態で釣り合い重りの吊り穴内に挿入して、前記釣り合い重りを掛止することで、前記観測プラットフォームの重量を増やし、前記水中測定装置が海底に自ら降下させ、前記水中測定装置を回収する時、前記システム回路が前記解放用油圧シリンダを制御して前記ロープを下ろし、前記フックを自重の下で回転させることで、前記釣り合い重りの吊り穴から外させ、釣り合い重りを前記フレーム型本体から分離させ、
前記フレーム型本体底部の有孔ボードの中央位置に油圧ステーションが取り付けられ、前記油圧ステーションは、異なるオイルホースを通じて前記低速下降用油圧シリンダ、レベリング油圧シリンダおよび解放用油圧シリンダに各々連通され、各油圧シリンダに接続されたオイルホースに各々電磁弁が取り付けられ、特定の油圧シリンダの動作を制御する必要がある場合、システム回路を通じてまず制御対象となる油圧シリンダのオイルホースに接続された電磁弁を開くように制御し、その後油圧ステーションを制御して制御対象となる油圧シリンダに給油または揚油して、制御対象となる油圧シリンダのピストンロッドの伸張または引込みを制御し、
前記測定機構としては、海底堆積物の力学的性質を測定するためのコーン貫入測定機構、球形貫入測定機構、クロスプレートせん断測定機構のうちの１種または複数種、および／または海底堆積物試料を採取するためのサンプリング機構が挙げられることを特徴とする、フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項２】
前記浮体は、フローティングボールと、フローティングプレートと、を備えており、前記フレーム型本体の頂部に取り付けられ、前記フローティングボールが複数あり、アレイ構造を形成するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項３】
前記フレーム型本体の頂部にイリジウムビーコンおよび光学ビーコンも取り付け、前記イリジウムビーコンは、前記水中測定装置の水から出た後前記水上監視ユニットに測位信号を発信し、前記水中測定装置の地理座標を研究船に通知し、前記光学ビーコンは、前記水中測定装置が水から出た後、自動的に可視光を放射することを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項４】
前記コーン貫入測定機構は、支持体と、コーンプローブと、コーンプローブに連結されたプローブロッドと、前記コーンプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記コーンプローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記球形貫入測定機構は、支持体と、球形プローブと、球形プローブに連結されたプローブロッドと、前記球形プローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記球形プローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記クロスプレートせん断測定機構は、支持体と、クロスプレートプローブと、クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと、前記クロスプレートプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、前記クロスプレートプローブの回転を駆動するためのせん断駆動装置と、を備え、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記せん断駆動装置内に前記クロスプレートプローブのせん断トルクを検出するためのトルクセンサーが取り付けられ、
前記サンプリング機構は、支持体と、試料採取管と、前記試料採取管の上下運動を駆動するための貫入駆動機構と、海底堆積物を前記試料採取管に抽出するための油圧装置と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、
前記システム回路は、データ収集ユニットと、制御ユニットと、動力駆動ユニットと、電池と、を含み、前記電池は前記データ収集ユニット、前記制御ユニットおよび前記動力駆動ユニットに電力を供給し、前記データ収集ユニットは、前記間隙水圧センサー、前記貫入抵抗センサーおよび前記トルクセンサーから出力されたセンシング信号を収集して、それを前記制御ユニットに伝送し、海底堆積物の力学的性質を計算するために用いられ、前記動力駆動ユニットは、前記制御ユニットに接続され、前記水中測定装置に必要な駆動電圧を生成するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項５】
前記貫入駆動機構は、貫入油圧シリンダと、プーリーブロックと、前記プーリーブロックに巻回されたワイヤロープと、前記ワイヤロープによって引っ張られたスライドプレートと、を備えており、前記プーリーブロックは、定滑車組と、動滑車組と、を備え、前記動滑車組が前記貫入油圧シリンダのピストンロッドに接続され、前記システム回路が前記貫入油圧シリンダの前記ピストンロッドの伸縮を制御して、前記動滑車組を上下に移動させることで、前記ワイヤロープを駆動して前記スライドプレートを上下に移動させるよう引っ張り、
前記コーン貫入測定機構内の前記プローブロッド、前記球形貫入測定機構内の前記プローブロッドおよび前記サンプリング機構内の前記試料採取管は、各自の貫入駆動機構のスライドプレートに固着され、
前記せん断駆動装置は、モータと、カップリングと、を備え、前記モータが前記クロスプレートせん断測定機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記駆動電圧を受け取り、前記モータの回転軸が前記カップリングを介して前記クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと軸方向に連結し、
前記油圧装置は、油圧シリンダと、シールプラクと、を備え、前記油圧シリンダが前記サンプリング機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記シールプラクが前記試料採取管内に位置し、前記油圧シリンダの前記ピストンロッドに接続され、前記システム回路を通じて前記油圧シリンダを制御して前記シールプラクを上に移動させ、前記試料採取管内の空気圧を減少させることで、海底堆積物を抽出することを特徴とする、請求項４に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項６】
前記フローティングボールキャビンは、４つあり、透明ガラスで製造され、カメラまたはビデオカメラの取り付けスペースを残しておき、前記データ収集ユニット、前記制御ユニット、前記動力駆動ユニットおよび前記電池は、４つの異なる前記フローティングボールキャビン内に分けて置かれ、各前記フローティングボールキャビンに水密コネクタが取り付けられ、前記水密コネクタの間を防水ケーブルで接続し、異なるフローティングボールキャビンに内蔵された回路が前記防水ケーブルを通じて電気的に接続されることを特徴とする、請求項４に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項７】
前記水中測定装置の測定作業が終了し、一定の時間を遅延した後、水上監視ユニットから発行された除荷命令を受信しなかった場合、前記システム回路は前記解放機構を自ら制御して前記釣り合い重りを廃棄し、
前記解放機構内に機械的タイミングトリガー装置が設けられ、前記機械的タイミングトリガー装置が前記水中測定装置を投げ込む時カウントを開始し、カウント値が設定された最大時間閾値に達した時、自動的に前記解放機構をトリガーして前記釣り合い重りを廃棄することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【手続補正書】
【提出日】令和3年10月21日(2021.10.21)
【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】
フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システムであって、水上監視ユニットと、水中測定装置と、を備え、前記水中測定装置は、観測プラットフォームと、前記観測プラットフォームに搭載された測定機構と、を含み、
前記観測プラットフォームは、フレーム型本体と、前記フレーム型本体に取り付けられた、浮体、ウイングプレート、高さ測定装置、フローティングボールキャビン、レベリング機構、釣り合い重り、及び解放機構と、水中音響通信装置と、を備えており、
前記高さ測定装置は、海底からの前記水中測定装置の高さを検出するために用いられ、前記フローティングボールキャビンはフローティングボールの形を呈し、浮力を提供しながらシステム回路を密封するために用いられ、前記システム回路が前記水中音響通信装置を介して前記水上監視ユニットと通信し、海底からの前記水中測定装置の高さおよび力学的性質の測定データをアップロードし、
前記フレーム型本体に４枚の前記ウイングプレートが取り付けられ、前記ウイングプレートは、前記フレーム型本体の周囲に配置され、前記浮体の下に位置しており、前記ウイングプレートから前記フレーム型本体の底部までの距離が、前記フレーム型本体の全高の２／３を占めており、各前記ウイングプレートは、流線型の翼面として設計され、内側が前記フレーム型本体とヒンジ結合しており、各前記ウイングプレートには、それぞれ２つの低速下降用油圧シリンダが配置され、前記ウイングプレート底面の左右両側にヒンジ結合され、かつ前記低速下降用油圧シリンダの一端が前記フレーム型本体とヒンジ結合し、他端が前記ウイングプレートの底面とヒンジ結合しており、
海底からの前記水中測定装置の高さが設定された高さに達した時、前記水上監視ユニットは、低速下降命令を発行し、前記フレーム型本体に対して前記ウイングプレートを外側に張り出すように制御し、
また前記水中測定装置が海底に安定して着陸するまで、前記ウイングプレートの張りだし角度を調整して、前記水中測定装置の多段速度調整による低速下降を制御するため、前記水中測定装置の潜行深度に基づき、前記低速下降用油圧シリンダのピストンロッドの伸張長さを調整し、
前記レベリング機構は、複数のレベリング支持脚と、複数のレベリング用油圧シリンダと、を備え、前記レベリング支持脚が前記フレーム型本体の底部に位置し、各前記レベリング支持脚が１つの前記レベリング用油圧シリンダに接続されており、前記フローティングボールキャビン内に前記フレーム型本体の姿勢を検出し、姿勢データを生成して前記システム回路に送信するための姿勢センサーが取り付けられ、前記システム回路は、前記フレーム型本体が海底に到着した時、受信した姿勢データに基づき前記レベリング用油圧シリンダを制御して前記レベリング支持脚を伸縮させることで、前記フレーム型本体を水平状態で海底堆積物に立てられるように調整し、
前記水上監視ユニットは、測定作業を終了した後、除荷命令を発行し、前記解放機構を制御して前記釣り合い重りを廃棄させ、前記ウイングプレートの引込みを制御して、前記水中測定装置が前記浮体の浮力作用の下で水面から浮上させるようにさせ、
前記解放機構は、解放用油圧シリンダと、定滑車と、ロープと、フックと、を備えており、前記定滑車は、前記フレーム型本体に取り付けられ、前記ロープが前記定滑車に巻回され、前記ロープの一端が前記解放用油圧シリンダに接続され、他端が前記フックに接続され；前記フックは、デフォルト状態で前記釣り合い重りの吊り穴内に挿入して、前記釣り合い重りを掛止することで、前記観測プラットフォームの重量を増やし、前記水中測定装置が海底に自ら降下させ、前記水中測定装置を回収する時、前記システム回路が前記解放用油圧シリンダを制御して前記ロープを下ろし、前記フックを自重の下で回転させることで、前記釣り合い重りの前記吊り穴から外させ、前記釣り合い重りを前記フレーム型本体から分離させ、
前記フレーム型本体底部の有孔ボードの中央位置に油圧ステーションが取り付けられ、前記油圧ステーションは、異なるオイルホースを通じて前記低速下降用油圧シリンダ、前記レベリング用油圧シリンダおよび前記解放用油圧シリンダに各々連通され、各油圧シリンダに接続された前記オイルホースに各々電磁弁が取り付けられ、特定の油圧シリンダの動作を制御する必要がある場合、前記システム回路を通じてまず制御対象となる油圧シリンダの前記オイルホースに接続された電磁弁を開くように制御し、その後前記油圧ステーションを制御して前記制御対象となる油圧シリンダに給油または揚油して、前記制御対象となる油圧シリンダのピストンロッドの伸張または引込みを制御し、
前記測定機構としては、海底堆積物の力学的性質を測定するためのコーン貫入測定機構、球形貫入測定機構、クロスプレートせん断測定機構のうちの１種または複数種、および／または海底堆積物試料を採取するためのサンプリング機構が挙げられることを特徴とする、フルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項２】
前記浮体は、フローティングボールと、フローティングプレートと、を備えており、前記フレーム型本体の頂部に取り付けられ、前記フローティングボールが複数あり、アレイ構造を形成するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項３】
前記フレーム型本体の頂部にイリジウムビーコンおよび光学ビーコンも取り付け、前記イリジウムビーコンは、前記水中測定装置の水から出た後前記水上監視ユニットに測位信号を発信し、前記水中測定装置の地理座標を研究船に通知し、前記光学ビーコンは、前記水中測定装置が水から出た後、自動的に可視光を放射することを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項４】
前記コーン貫入測定機構は、支持体と、コーンプローブと、コーンプローブに連結されたプローブロッドと、前記コーンプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記コーンプローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記球形貫入測定機構は、支持体と、球形プローブと、球形プローブに連結されたプローブロッドと、前記球形プローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記球形プローブの内部に間隙水圧センサーおよび貫入抵抗センサーが取り付けられ、
前記クロスプレートせん断測定機構は、支持体と、クロスプレートプローブと、クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと、前記クロスプレートプローブを上下に動かせるように前記プローブロッドを駆動するための貫入駆動機構と、前記クロスプレートプローブの回転を駆動するためのせん断駆動装置と、を備え、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、前記せん断駆動装置内に前記クロスプレートプローブのせん断トルクを検出するためのトルクセンサーが取り付けられ、
前記サンプリング機構は、支持体と、試料採取管と、前記試料採取管の上下運動を駆動するための貫入駆動機構と、海底堆積物を前記試料採取管に抽出するための油圧装置と、を備えており、前記支持体が前記フレーム型本体に取り付けられ、
前記システム回路は、データ収集ユニットと、制御ユニットと、動力駆動ユニットと、電池と、を含み、前記電池は前記データ収集ユニット、前記制御ユニットおよび前記動力駆動ユニットに電力を供給し、前記データ収集ユニットは、前記間隙水圧センサー、前記貫入抵抗センサーおよび前記トルクセンサーから出力されたセンシング信号を収集して、それを前記制御ユニットに伝送し、海底堆積物の力学的性質を計算するために用いられ、前記動力駆動ユニットは、前記制御ユニットに接続され、前記水中測定装置に必要な駆動電圧を生成するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項５】
前記貫入駆動機構は、貫入油圧シリンダと、プーリーブロックと、前記プーリーブロックに巻回されたワイヤロープと、前記ワイヤロープによって引っ張られたスライドプレートと、を備えており、前記プーリーブロックは、定滑車組と、動滑車組と、を備え、前記動滑車組が前記貫入油圧シリンダのピストンロッドに接続され、前記システム回路が前記貫入油圧シリンダの前記ピストンロッドの伸縮を制御して、前記動滑車組を上下に移動させることで、前記ワイヤロープを駆動して前記スライドプレートを上下に移動させるよう引っ張り、
前記コーン貫入測定機構内の前記プローブロッド、前記球形貫入測定機構内の前記プローブロッドおよび前記サンプリング機構内の前記試料採取管は、各自の貫入駆動機構のスライドプレートに固着され、
前記せん断駆動装置は、モータと、カップリングと、を備え、前記モータが前記クロスプレートせん断測定機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記駆動電圧を受け取り、前記モータの回転軸が前記カップリングを介して前記クロスプレートプローブに連結されたプローブロッドと軸方向に連結し、
前記油圧装置は、油圧シリンダと、シールプラクと、を備え、前記油圧シリンダが前記サンプリング機構内の前記貫入駆動機構の前記スライドプレートに取り付けられ、前記シールプラクが前記試料採取管内に位置し、前記油圧シリンダの前記ピストンロッドに接続され、前記システム回路を通じて前記油圧シリンダを制御して前記シールプラクを上に移動させ、前記試料採取管内の空気圧を減少させることで、海底堆積物を抽出することを特徴とする、請求項４に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項６】
前記フローティングボールキャビンは、４つあり、透明ガラスで製造され、カメラまたはビデオカメラの取り付けスペースを残しておき、前記データ収集ユニット、前記制御ユニット、前記動力駆動ユニットおよび前記電池は、４つの異なる前記フローティングボールキャビン内に分けて置かれ、各前記フローティングボールキャビンに水密コネクタが取り付けられ、前記水密コネクタの間を防水ケーブルで接続し、異なる前記フローティングボールキャビンに内蔵された回路が前記防水ケーブルを通じて電気的に接続されることを特徴とする、請求項４に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【請求項７】
前記水中測定装置の測定作業が終了し、一定の時間を遅延した後、前記水上監視ユニットから発行された除荷命令を受信しなかった場合、前記システム回路は前記解放機構を自ら制御して前記釣り合い重りを廃棄し、
前記解放機構内に機械的タイミングトリガー装置が設けられ、前記機械的タイミングトリガー装置が前記水中測定装置を投げ込む時カウントを開始し、カウント値が設定された最大時間閾値に達した時、自動的に前記解放機構をトリガーして前記釣り合い重りを廃棄することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のフルデプスに適した海底堆積物の力学的性質測定システム。
【国際調査報告】
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