計測自動制御学会東北支部 第 269 回研究集会 (2011.12.12)
資料番号 269-7

環境調査用モジュール構造型小型 UROV の開発-ワイヤレス通信型メインモジュールの開発Development of a small and modular UROV
for environmental surveying-Development of main module with wireless communications○猿田祐平 ∗ ，大室拓哉 ∗∗ ，高橋隆行 ∗○ Yuhei SARUTA∗ ,Takuya OMURO∗∗ ,Takayuki TAKAHASHI∗*福島大学，**福島大大学院*Fukushima University, **Graduate School of Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (Underwater Robot)，モジュール構造 (Modular Structure)，
無線通信 (Wireless Communication)

連絡先 : 〒 960-1296 福島県福島市金谷川 1 福島大学 理工学群共生システム理工学類 高橋研究室
猿田祐平 Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: saru@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒

言

沼が存在し，多くの場所で生物や水質などの環境調査がおこなわれている．また，福島第一原

現在，湖沼の環境調査において最も一般的な方法は，バンドーン採水器や水温計を人間が投下，回収し調査をおこなう方法である．この方法は大掛かりな装備を必要としない反面，位置子力発電所の事故による放射性物質の拡散，汚染状況の観測においても，水中ロボットを導入することで，より正確なデータを継続的，かつ効率的に得ることができると考えられる．

や深度などの正確性に欠けることに加え，多大な労力を要する．近年ではこれらの問題を解決するため，前述した作業を補佐，代替する水中ロボットが開発されている．浦らが開発した自律型水中ロボット「淡探」1) は琵琶湖の酸素濃度計測や生息するプランクトンの観察など，多くの成果を挙げている．また，坂上らが開発した「湖虎」2) は，2 本のロボットアームを用いて水中で作業をおこなうことを目的とし，現在も開発が進められている．

しかし，広大な海洋とは異なり運用できる船やロボットの大きさに制限のある湖沼では，多くの機能を持った大型の水中ロボットを使用し，同時に複数の情報を収集することは困難である．
さらにロボットの大型化による維持，運用費の増加も問題となる．一方で，小型の水中ロボッ
トは少人数での運用を可能にするが，内部容積が少ないため，搭載することのできる機能が制限されてしまい，情報を満足に得ることができないといった問題が挙げられる．

福島県には猪苗代湖をはじめとした様々な湖–1–

これらを踏まえ，本研究では Fig. 1 に示すよ

送量が少ないため，リアルタイムでの操作や観測が困難である．ROV は前述した超音波通信の欠点から，実質的にケーブルで接続された水中ロボットである．そのため船上または地上からのエネルギー供給やリアルタイムでの操作，観測が可能となる．しかしケーブルによって行動範囲が制限されてしまうことに加え，ケーブル自体の流体抵抗により AUV に比べ運動特性が低下してしまう．
これらの特徴を考慮し，本研究では ROV の派Schematic diagram of conceptual
Fig. 1model of the proposed underwater robot
うな環境調査を目的としたモジュール構造型小型水中ロボットの開発を目指している．本論文
ではその中でも特に，メインモジュールの開発について詳しく述べる．

生型である UROV(Untethered Remotely Oper-ated Vehicle) に着目した．UROV はロボット内にエネルギー源を内蔵し，船上または地上とロボットは通信線 1 本のみで接続されている．エ
ネルギーを供給するための電源線がない分，通常の ROV と比べてケーブルを細径化することができる．よって，ケーブルの流体抵抗を少なくでき，ロボットの運動特性が向上する．また，

2.

水中ロボットの概要

リアルタイムでの操作や観測も可能になる．

本研究で開発する水中ロボットの概要を示す．
重量は 30[kg] 以内，大きさは 500[mm]×500[mm]2.2

水中ロボットの構成×500[mm] 以内を目標としている．この水中ロボットは猪苗代湖の最深部である水深 93.5[m]3)とにモジュール化されている．また各モジューでの使用を想定しており，これをやや上回る水ルごとに電源と制御のためのコンピュータ，通深 100[m] に相当する水圧の 1.0[MPa] に耐えう信を行うための無線通信装置を搭載している．

る耐圧性能を持たせる．また環境調査を専門とそして本研究で開発する水中ロボットを構成すする研究者の要望により，リアルタイムでの水る各モジュールは大きく 3 つに分類することが中の調査，観測をおこなえることを条件とする．

できる．1 つめはメインモジュールである．メ

本研究で開発する水中ロボットは，各機能ご

インモジュールは船上または地上のメインコン

2.1

水中ロボットの形式

ピュータとケーブルで接続されており，船上ま無人型の水中ロボットは大きく分けて AUV(Autonoumous Underwater Vehicle) と ROV(Remotely Operated Vehicle) の 2 種類に分類される．AUV は自律型の水中ロボットであり，船上または地上とロボットを繋ぐケーブルが存在しない．エネルギー源を内蔵し，ケーブルに拘束されずに自由に航行することができるが，水中で一般的に用いられる超音波通信は情報伝たは地上からの指令をメインモジュールに搭載したコンピュータで受け取った後，そこから各モジュールへ無線通信を用いて伝送する．2 つめはサンプリング・センサモジュールである．このモジュールは湖底の泥を回収する採泥器や，水を回収する採水器などを開発する予定である．3 つめはロボットを動かすためのスラスタモジュールである．このスラスタモジュールは，大室らによって開発されたものを用いる 5) ．

–2–

ロボットをワイヤレスのモジュール構造型にする利点として，(1) 故障やバッテリー切れなどのアクシデントに対し，予備のモジュールと交換することで容易に対応することができる(2) 現場でモジュールを付け替えることで，複数の調査項目に対応することができる(3) 電源および制御機能を各モジュールに分けることで，様々なリスクを分散できる

Fig. 2

Proposed design of main moduleといったことが挙げられる．(1) については，設備の整っていない現場や揺れる船上で，一般的

3.

メインモジュールの概要に強固に固定された耐圧容器の蓋を開閉して作業をする必要がなくなることを意味している．

開発するメインモジュールを Fig. 2 に示す．メ(2) については，従来のモジュール構造型水中インモジュールには水中の映像を撮影するためロボットはあらかじめ調査モジュールを交換しのビデオカメラや地上の光が届かない深度でもてから現場に移動していた．しかし，ワイヤレ視界を確保するための照明，水中ロボット全体ス化することでモジュールの載せ替えにおけるの制御を行うコンピュータなどを搭載する．ビケーブルの再接続作業がなくなり，使用者の現デオカメラについては，前方の様子を観察する場での判断によって容易にモジュールを付け替ものが１台，常に下方を向き湖沼の底質を観察えることが可能となる．(3) については，一般するものが１台の合計２台を搭載する．

的な水中ロボットはひとつの筐体に電源や制御機能を搭載している．そのため浸水が発生する

3.1と，全ての機能を一度に喪失してしまう危険性があった．しかし，各モジュールに電源や制御機能を分散させることで，そのようなリスクを大幅に低減することができる．

水中ロボットは，深度や水中浮遊物の影響により，太陽光が十分に届かない状況での活動が考えられる．しかし，本研究で開発する水中ロボッ
トは小型であり，内部容積が少ないことからバッ

また，この他の利点として耐圧容器に多くの孔を開ける必要がないということが挙げられる．
従来の水中ロボットは耐圧容器に孔を開けてケーブルを通していたが，高い水圧がかかるとその孔の隙間から浸水のリスクがあった．しかしモ
ジュール間をワイヤレス化することで，耐圧容器に孔を開ける必要がなく，浸水のリスクを減らすことができる．

ビデオカメラ

テリーの容量も制限されてしまう．そのため，照明も小型で低消費電力であることが求められる．
このことから，本研究で用いるビデオカメラは，より低照度で撮影することができることを条件とした．選定したビデオカメラ (WATEC 社製

WAT-250D2) を Fig. 3 に，主な仕様を Table 1 に示す．撮影可能な最低照度は 0.02[lx] となっており，これは晴天の夜間における半月の明るさに相当する．また本体サイズは 34[mm]×34[mm]×50[mm] であり，メインモジュールに搭載するにあたって十分小型であると言える．

–3–Fig. 3
Table 1

WAT-250D2 CCD camera
Specifications of WAT-250D2

Pick-up Element
Number of Eﬀective Pixels
Minimum Illumination
Power Supply
Power Consumption
Size

3.2

Fig. 4 YV2.8×2.8LA-SA2 Wide angle varifocal lens

[in]
[lx]
[V]
[W]
[mm]

1/3
768×494
0.02 F1.2
121.74 (145mA)
34×34×50

レンズ

カメラに取り付けるレンズを選定するにあたり，焦点距離と F 値を重視した．本研究で想定している使用者の要望により，焦点距離 28[mm]Fig. 5lamp

OSPR3XW3-W4XME1C1E LED(35[mm] 判換算)，F 値はより多くの光を取り込むことができるよう，なるべく小さいことを条件3.3とした．この条件から，Fig. 4 に示す FUJINON社製 YV2.8×2.8LA-SA2 を選定した．主な仕様
を Table 2 に示す．またこのレンズは焦点距離とフォーカスを手動で変えることのできるバリフォーカルレンズである．そのため，これらの値については実際の運用で得られた結果をもとに，適切な値を決定していく．

照明

環境調査をおこなうにあたり，水や調査対象物の色を観察することは重要である．そのため，より実際の色に近い状態で観察することができるよう，色彩工学において標準的な色温度である 6500[K] の光を照射できることを条件とした．
この条件から Fig. 5 に示す OPTOSUPPLY 社
製 OSPR3XW3-W4XME1C1E を選定した．主な仕様を Table 3 に示す．なお，この LED の輝

Table 2Specifications of YV2.8×2.8LA-SA2Focal Length
Iris Range
Field Angle(Horizontal)
Field Angle(Vertical)
Size

[mm]
[deg]
[deg]
[mm]

2.8 - 8
F0.95 - T360
99.52 - 35.14
73.17 - 26.24
38.3×33.5×51.3

Table 3Specifications of LED lamp

Input Voltage(DC)Input Current(DC)Color Temperature
Whole Luminous Flux
Beam Pattern
Diameter

–4–

[V]
[mA]
[K]
[lm]
[deg]
[mm]

12400
6500
300
120
φ31.5

Fig. 6 VAD-SD201A.L1.TC/RC.8 Fiber optic repeater

Fig. 7
Table 5

Table 4[V]
[mA]
[Mbps][mm]

Specifications of XBee RF moduleIndoorOutdoor line-of-sight Range
RF Data Rate
Supply Voltage
Operating Frequency
Operating Current
Number of Channels

Specifications of fiber optic repeater

Voltage Supply
Operating Current
Data RateSize

XBee 802.15.4 OEM RF

DC9 - 12280
189×52.6×22.8[m][m][kbps]
[V]
[GHz]
[mA]

Up to 30
Up to 90250
2.8-3.4
ISM 2.44516

度は 300[lm] である．
載した XBee から複数のモジュールと通信をお3.4こなうことができる．またシリアルポートを備

光リピータ

えており，複雑な設定を行わずとも既存のシリ本研究では，船上または地上のコンピュータとロボット間の通信線には光ファイバを用いる．
そのため，電気信号と光信号を双方向に変換することのできる光リピータとして，Fig. 6 に示す JOBLE 社製 VAD-SD201A.L1.TC/RC.8 を用いる．主な仕様を Table 4 に示す．この光リピータはビデオカメラの映像 2 系統とシリアル通信 1 系統を，1 本の光ファイバで伝送することができる．電気信号を伝送する同軸ケーブルと比べて，ケーブルを細径化することができ，映アルケーブルを無線に置き換えることができる．
水中では電波の減衰が著しく，長距離での通信は困難なため，水中における一般的な通信方法として電波が用いられることはない．しかし，
本研究で想定するような，モジュール間の非常に短い距離に限れば通信が可能であることがわ
かっている 5) ．また，モジュール間に物体を挟み込み，水を排除することによって通信距離を伸ばすことができ，設計の自由度が増すと考えられる．

像の劣化も抑えることができる．

3.6
3.5

制御用コンピュータ

電波通信装置
ロボット全体の制御を行うコンピュータにはモジュール間の通信を行う電波通信装置にはFig. 7 に示す Digi International 社製 XBee 802.15.4 OEM RF モジュールを用いる．主な仕様
を Table 5 に示す．XBee はマルチポイント通信が可能で，これにより，メインモジュールに搭Fig. 8 に示す ALPHA PROJECT 社製 AP-SH41A を用いる．主な仕様を Table 6 に示す．CPUにはルネサステクノロジ社製 SH4 を搭載している．このコンピュータはシリアルインターフェー
スを 4ch 備えており，無線通信装置を複数系統–5–WALL

WIRE]
mm

1[Fig. 8

AP-SH4-1A Development board

Table 6Fig. 9
objectSpecifications of AP-SH4A-1A

Operating Frequency
Serial Interface
Supply Voltage
Operating Current
Interface[MHz][byte]
[V]
[mA]

266
16 - 4ch
5280
I2C SPI

4.

Setup for testing visibility of small

ビデオカメラの性能の確認

本研究で開発する水中ロボットのビデオカメ
ラには様々な用途が考えられるが，本論文では以下の 2 点に着目した．

接続することで，より多くの情報伝送量を確保(1) 小さな物体の撮影することができる．また，各種センサを接続するために使用することのできる I2C や SPI 方式(2) 操縦に必要な視界の確保の通信ポートも備えている．
この 2 つの用途に選定したビデオカメラを用い3.7ることを想定し，ビデオカメラと照明の性能がバッテリー十分であるかの確認および，調整をおこなった．
バッテリーの選定にあたり，必要な容量の計算をおこなった．作業時間を 6 時間とし，搭載する機器の消費電流を合計したものに，冗長性や今4.1画角およびフォーカスの設定後の拡張性を考慮し，経験的に 1.5 倍の容量を確

環境調査をおこなっている研究者によると，水保すると，16.5[Ah] 以上の容量が必要となる．こ

棲植物を観察するにあたっては 1.0[mm] の大きれを踏まえ，SHORAI JAPAN 社製 LFX18A1-さを判別することができれば十分であるという．

BS12 を選定した．主な仕様を Table 7 に示す．

このことから，選定したビデオカメラと LED 照

電圧は 12[V] で容量は 18[Ah] であり必要容量を明を用いた場合，1.0[mm] の大きさを判別する満たしている．

ことができるか検証した．

Table 7

4.1.1

Specifications of LFX18A1-BS12
Voltage
Capacity
Size
Weight

[V]
[Ah]
[mm]
[kg]

12
18
148×105×66
0.997

実験方法

Fig. 9 に示すように，2 本のワイヤーを 1.0[mm]の隙間を開けて配置し，実環境を模擬し，部屋の照明を消した上で LED 照明のみを点灯し撮影をおこなった．

–6–

0.4
0.39[m]

x[m]

0.3
0.2
0.1
1.3[s]0Fig. 10 Actual photograph of small object
using camera

00.20.40.6 0.8t[s]1.01.2

Fig. 11Graph of displacement

00.4

1.4

0.60.5

実験結果

0.4v[m/s]

4.1.2

実験結果を Fig. 10 に示す．LED 照明のみを用いた場合，300[mm] まで接近することで，目0.2的とする 1.0[mm] の大きさの判別が可能である

0.1

ことが確認された．

4.2

0.3

00.2

視界の確認
Fig. 124.1 で設定した画角およびフォーカスで，ど0.6 0.8t[s]1.01.2

1.4

Graph of velocityの程度の視界を確保することができるか確認を計算をおこなうにあたり，ロボットの質量 Mおこなった．ここでは特に操縦に必要な視界にを 30[kg]，初速度 ẋ(0) は，スラスタの最大推力ついて考慮する．操縦に必要な視界については，を考慮し，0.6[m/s]，またスラスタの逆推力 F

水中ロボットが航行中に前方に障害物を発見しは合計で-14[N] としシミュレーションを行った．

た際，スラスタの逆推力のみで停止することがFig. 11 は縦軸が距離，横軸が時間を表すグラフできる距離が見えること，と定義する．

である．また，Fig. 12 は縦軸が速度，横軸が時間を表すグラフである．このグラフを見ると，

4.2.1

水中ロボットの運動特性

1.3[s] 後の 0.39[m] の時に速度が 0.0[m/s] とな

航行する水中ロボットには流体による抵抗がり，停止することがわかる．

作用する．抗力はロボットを減速させる力としこのことから，操縦者が障害物を認識してかて働くが，ここでは抗力を考慮せず，スラスタら逆転方向に操作するまでの時間とスラスタがの逆推力のみで減速，停止することを条件とし正回転から逆回転になるまでの時間を合計 2.0[s]た．この条件より運動方程式は，式 (1) のようとしても，2.0[m] 先の物体を見ることができれに表すことができる．

ば問題ないと考えられる．

M ẍ = F(1)–7–

WALL

2.
0[m]

Fig. 13fish

Setup for testing visibility of modelFig. 15

5.

container for main module

耐圧容器の設計設計した耐圧容器を Fig. 15 に示す．耐圧容器は円筒容器と平板蓋，そして球面窓の 3 点で構成されている．円筒容器の材料には透明性や加工性を考慮してアクリル樹脂を用いる．円筒容器を透明な材料にする理由として，耐圧容器の蓋を開けなくとも，浸水や故障の有無など内部の様子を確認できることがあげられる．また前述した円筒容器や球面窓と異なり，水圧によりFig. 14

Actual photograph of model fish

大きな引張応力が発生する平板蓋には，加工性なども考慮した上でアルミニウム合金 A5052-4.2.2

実験方法

H112 を用いる．なお水密性については平面部計算により導出した結果から，実際に 2.0[m]に O リングを用いることで確保する．

前方の物体を確認することができるか検証した．
実験は Fig. 13 に示すように，ビデオカメラから5.1

2.0[m] の位置に障害物に見立てた物体を配置し，4.1 の実験と同様に LED 照明のみを点灯した状
態で撮影を行った．

4.2.3

円筒容器

円筒容器の内径および長さは搭載する機器の寸法から決定し，板厚については以下の式 (2)を用いて求める．

実験結果[( )π4r 4×n4 (n2 − 1)l( )2 ]( )2n −1tt+×212(1 − ν )rr

Pk = E

実験結果を Fig. 14 に示す．このように，2.0[m]先の物体でも，LED 照明のみの点灯で十分確認することができた．

(2)

しかし，本論文での実験はあくまで空気中で計算に用いたパラメータの定義を Table 8 に示の結果であるので，今後は水中での見え方を検す．また安全率については欧米の無人型水中ロ証する実験をおこなう予定である．

ボットの基準を参考にし，円筒部，球面窓，平板蓋のすべてにおいて，1.5 を採用する．

–8–

Table 8SymbolPkEnνtrlσσB
Patpβ
Sf

[Variables and parameters

Unit
[MPa]
[MPa]
[2,3,4. . .]
[m]
[m]
[m]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[mm]
[mm]
[1,2,3. . .]P

RecitalElastic buckling pressure
Youngs modulus
Buckling mode number
Poisson’s ratio
Cylinder thickness
Cylinder inner radius + t/2
Cylinder length
Maximum stressTensile strength
Crushing pressure
Cylinder inner radius
Required thickness
Stress factor
Safety factor=2E3(1 − ν 2 )√]( )2tr(5)計算に用いたパラメータの定義を Table 8 に示
す．材料にはアクリル樹脂を用い，円筒容器と同様の圧壊圧力と材料条件で計算をおこなうと，必要最小板厚は 1.8[mm] となるので，設計値を2.0[mm] とした．

6.

結言

本論文では，湖沼調査を目的とした小型水中ロボットのメインモジュールの開発をおこなっここで弾性座屈圧力を圧壊圧力と考え，圧壊た．ビデオカメラと照明については，空気中の実圧力を 1.0[MPa]，アクリル樹脂のヤング率を験結果から必要な性能を備えていることが示唆

2800[MPa]，ポアソン比を 0.3 として計算するされた．今後は水中でも検証を行う必要がある．と，必要最小板厚は 12.9[mm] となるので，設搭載する機器については，現時点では運用に計値は 15.0[mm] とした．

最低限必要な機器のみの選定である．そのため，今後はロボットの状態を把握する内界センサに5.2平板蓋ついても選定をおこなう．これらを踏まえ，機

円筒部に取り付ける平板蓋には，中心にケーブルを通すための貫通孔を設ける．必要板厚は器の配置についても詳細な検討をおこなう必要がある．

式 (3) および (4) を用いて計算をおこなった．

参考文献
σ = βP a2 /t2p(3)

σ = σB /Sf(4)計算に用いたパラメータの定義を Table 8 に示す．材料にはアルミニウム合金 A5052-H112 を用い，引張強度は 260[MPa] とする．圧壊圧力は 1[MPa] とし，β は 1.8 とする 7) ．計算の結果，必要最小板厚は 9.2[mm] となり，O リングを取り付ける溝を考慮し，設計値を 10.0[mm] とした．

5.31) 浦 環:自律型海中ロボットの発展する方向,Journal of Geography, 109(6),pp900-906,2000.
2) 坂上憲光:水中ロボットマニピュレータの動作時における浮心移動機構を利用した本体姿勢保証,
日本機会学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会 2010，1P1-D26.
3) 国 土 地 理 院
猪 苗 代 湖 ，
http://www.gsi.go.jp/KOKUJYOHO/KOSYOinawashiro.html
4) 浦 環, 高川 真一 (編著): 海中ロボット総覧, 成山堂書店 (1994)
5) 大室 拓哉, 高橋 隆行: モジュール構造型小型水中ロボットのための電源内蔵型ワイヤレススラスタモジュールの開発, 日本機械学会ロボティ
クス・メカトロニクス講演会’11,1A2-M13,2011
6) 日本工業標準調査会 JIS 検索ページ,
http://www.jisc.go.jp/app/JPS/JPSO0020.
html,1.March,2011.

球面窓

円筒部に取り付ける球面窓の板厚については以下の式 (5) を用いて計算をおこなった．

–9–7) 日本機械学会,” 機械工学便覧/日本機械学会編
α: 基礎編”, 丸善,2007.