計測自動制御学会東北支部 第 346 回研究集会 (2023.12.20)
資料番号 346-11

湖沼調査用グライダー型水中ロボットのためのロール姿勢制御機構の開発―開発のための予備実験と小型模型機の基本設計―
Development of Roll Attitude Control Mechanism for
Glider-type Underwater Robot for Lake Survey-Preliminary Experiments for the Development and Basic Designof the Model Underwater Glider○伊東 智哉 ∗ ，稲見 ひかり ∗ ，高橋 隆行 ∗○ Tomoya Ito∗ ，Hikari Inami∗ ，Takayuki Takahashi∗*福島大学*Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (underwater robot)，水中グライダー (underwater glider)
連絡先 : 〒 960-1296 福島県金谷川 1 福島大学 共生システム理工学類 高橋研究室
伊東智哉，Tel.: (024)548-5259，Fax.: (024)548-5259，E-mail: ito@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

きいため，深い水深での採泥が困難である．そこ
で本研究室では湖沼調査用グライダー型水中ロ

福島県には，猪苗代湖や桧原湖をはじめ多くの湖沼が存在しており，水質調査や生態系調査が行われている．また，2011 年の東京電力福島
第一原子力発電所の事故以降，湖沼の放射線量の調査も行われるようになった．水中の放射性セシウムは，一般に底質の土粒子表面に付着しボット，G-TURTLE（Glider-Type Underwater

RoboT for Lake Environmental survey）の開発を進めている．G-TURTLE の構想図を Fig. 1 に示す．

G-TURTLE は水平移動に水中グライダー方式 2) ，垂直移動・採泥にスラスタ方式を採用すているといわれることから，湖底泥の採取による調査が必要である．
従来の採泥方法として，水上の船から採泥器を投下する方法や，潜水士が採泥地点まで潜水し，直接採泥を行う方法などが存在する 1) ．前者の方法では水上の船や採泥器が風や水流によって流されてしまう場合があり，正確な採泥位置の把握が困難である．また後者では，人体への負担が大–1–Fig. 1: The concept of G-TURTLE

る．G-TURTLE の運用方法の詳細については
B<G

次章で述べる．先行研究において，G-TURTLEの水平移動時の水中グライダー方式による推進方法 3) については検討されている．しかし，水平移動時の旋回方法については未検討であった．
そこで本論文では，G-TURTLE を旋回移動させるためのロール姿勢制御機構を提案し，開発のための予備実験と基本設計について述べる．

(a)Horizontal motion

2.

G-TURTLE

Fig. 2: The motion of G-TURTLE

2.1

G-TURTLE の構想(b)Verticalmotion

ある．G-TURTLE では浅深度で浮力調整を行

G-TURTLE は，湖岸まで成人男性 2 人でのい，水中グライダー方式を利用することを想定運搬が可能となるよう，目標質量を 30[kg] とししている．一方，垂直移動・採泥に利用するスている．採泥対象である猪苗代湖は湖岸から中ラスタ方式は，スクリューによって推進力を得心地点まで約 5[km]，最大水深は約 100[m] である移動方式である．

り，湖岸から採泥地点上までの水平移動距離は，G-TURTLE の移動時の模式図を Fig. 2 に示

垂直移動距離に比べ長距離である．また，ロボッ

す．Fig.2(a) に示す水中グライダー方式の移動

トの小型・軽量化のためにロボットに搭載するでは，浮力調整時のみエネルギを必要とする．一バッテリはできるだけ小さくすることが望まし方，Fig.2(b) に示すスラスタ方式の移動では常い．このことから，長距離の移動である水平移にスラスタを稼動し続けるため，常にエネルギ動には水中グライダー方式を採用する．水中グ消費が発生する．よって，同じバッテリ容量でライダー方式については次節で詳しく述べる．

は水中グライダー方式を用いることで，より長水平移動に対して，採泥管の抜去・貫入には大距離の移動が可能になると考えられる．

きな力が必要であるため，垂直移動・採泥にはスラスタ方式を採用する．

3.

ロール姿勢制御機構の構想

G-TURTLE の運用方法は，湖岸から機体をグライダーが旋回をするためには機体をロー投下し，水中グライダー方式を用いた移動により採泥地点上まで移動を行い，スラスタ方式によって垂直移動・採泥を行うことを考えている．
湖岸まで戻る際には再度水中グライダー方式にことで，Fig. 3 に示すように翼が発生させる揚力の水平成分が向心力となり，機体は旋回することができる．

より移動する．

2.2

ル軸まわりに回転させる必要がある．そうする

グライダーにおけるロール姿勢制御の手法として，左右の主翼を独立に稼働させる方式 4) がG-TURTLE の移動方式ある．左右の主翼をピッチ軸まわりに独立に回G-TURTLE の水平移動に利用する水中グラ転させ，左右の主翼の取り付け角に差をつける．

イダー方式とは，浮力調整器により浮力を調整

その結果，左右の主翼で揚力差が発生し，機体することで潜水・浮上を繰り返し，翼回りに揚をロールさせるという方法である．しかし，水力を発生させることで推進力を得る移動方式で中ロボットにこの方法を搭載する場合，可動部–2–

Fig. 3: Holizontal component of liftの水密に高い加工技術が必要となる．また，設計が複雑化すると考えられる．
そこで筆者らは，機体の重心位置の変動により機体をロールさせる方法 5) をとることとした．この方式の利点は二つある．一つ目は，機構が機体内部で完結するため，ロール姿勢制御機構のための水密加工を必要としない点である．
二つ目は，錘を移動させる機構のみを搭載すればよいため，複雑な設計を必要としないというFig. 4: Concept of roll attitude control mechanism

点である．
機体正面から見たロール姿勢制御機構の構想

また，重心移動によるロール角の理論値計算

図を Fig. 4 に示す．機体内部に設置した錘を移のために小型模型機の重心位置を知る必要があ

動させて機体全体の重心位置を移動させることるため，はかりを用いた小型模型機の重心位置で，重心と浮心が鉛直方向に重なるような傾き測定も併せて行う．に機体がロールする．錘の移動にはサーボモータを用い，機体中心が回転中心となるように錘

4.1

実験に使用する小型模型機についてを移動させる．
小型模型機の外観図を Fig. 5 に，構成部品の4.

ロール姿勢制御機構の開発のた画像を Fig. 6 に示す．小型模型機の全長や質量などの仕様の詳細は Table 1 に示す．

めの予備実験

小型模型機は胴体，キャップ，矩形平板翼，垂ロール姿勢制御機構の開発のために，小型模直尾翼，電子基板，ピッチ方向重心移動装置，バ型機の胴体側面にロール角制御用の錘を取り付

ラスト，およびバラストの搭載と切り離しに用けて，ロール角の変化を測定する．実験方法のいる電磁石で構成されている．

詳細は 4.4.1 項で詳しく述べる．また，浮力を電子基板にはマイクロコンピュータ（Renesas，大きくした場合の水中でのロール角の変化の確RX220），傾斜センサ（村田製作所，SCL3300-

認，および横方向の重心位置の移動による機体D01），および無線装置（Digi International，XBee）のロールに伴う旋回運動の実現可否を確認する
予備実験を行う．予備実験では先行研究 3) におが搭載されている．

いて製作された小型模型機を使用する．

いため，バラストにより潜水と浮上の切り替え

小型模型機には浮力調整器が搭載されていなを行う．以下，重量から浮力を引いたものを水–3–

Table 1: Speciﬁcations of the model underwater
gliderFig. 5: Schematic of the model underwater glider

Item

Value

Unit

LengthWing span
Chord length
Fuselage width
Mass
Buoyancy
Ballast mass

388
300
100
56736
7.32
49.38

mm
mmmmmmg
Ng100[mm]300[mm]Wing
Body

75[mm]
Fuselagereference planeCap388[mm]BallastElectrical circuit
boardElectromagnet

Center of gravity moving device
Fig. 6: Structure of the model underwater glider

Fig. 7: Movement of the center of gravity in x direction

中重量とよぶ．小型模型機はバラスト非搭載時に浮上するように，水中重量は -0.1[N] に調整状態で機体を垂直に倒立させて行う．

している．バラストを取り付けることで，小型アルミ製治具は，はかり（sartorius，TE3102S）

模型機の水中重量は 0.3[N] になり，潜水する．と真鍮製の台にまたがるように設置する．治具

さらに，重心移動装置により小型模型機の前の上面が水平になるように，はかりの高さを調後方向の重心位置の移動が可能である．Fig. 7

整する．また，アルミ製治具のがたつきを抑えに示す小型模型機後部の軸の回転に伴い，内部るため，Fig. 9 に示すように治具の下部は曲面の錘が小型模型機の前後方向に移動することでになっており，はかりと台に線接触するようにピッチ角を変化させることができる．軸を時計なっている．加えて，アルミ製の治具にはアク回りに回転させると，錘は小型模型機の後方へリル板が取り付けられており，アクリル板に小向かって移動する．

型模型機の胴体を接触させることで設置位置の再現性を得ている．

4.2

ここで，アルミ製治具の支持点間距離を l [mm]，小型模型機の z 軸方向重心位置測定

ロール角の理論値計算のために小型模型機の重心位置を求める．
ロール角制御用の錘非搭載時の小型模型機の重心位置は，はかりに加わる分力を用いて導出

小型模型機の質量を M [g]，小型模型機を載せたことによるはかりの測定値を m[g] としたとき，アルミ製治具と台の接触点である O 点から小型模型機の重心位置までの距離 c[mm] はする．実験装置を Fig. 8 に示す．z 軸方向の重心位置測定時は小型模型機のキャップを外した–4–c=lmM(1)Fig. 10: Roll angle in the air

小型模型機の y 軸方向の重心位置を yM [mm]，Fig. 8: Measurement method for the center ofgravity （z direction）

錘の y 軸方向の重心位置を ym [mm] とすると，小型模型機と錘の y 軸方向の合成重心位置 yG [mm]はyG =M yM + mym
M +m(2)と表せる．小型模型機の z 軸方向の重心位置を zM [mm]，錘の z 軸方向の重心位置を zm [mm]として，小型模型機と錘の z 軸方向の合成重心
位置 zG [mm] も同様に，zG =Fig. 9: Measurement method for the center ofgravity （jig）

M zM + mzm
M +m(3)と表せる．と表せる．O 点からの距離 c から，アクリル板の長さ 50[mm] を引いた値が小型模型機の z 軸4.4方向の胴体端点からの重心位置である．

空中におけるロール角測定実験

重心移動による小型模型機のロール角を空中また，小型模型機が垂直に倒立していない可で測定する．

能性を考慮し，小型模型機を胴体中心軸まわり機体のロール角は Fig. 10 に示すように，回に 180[deg] 回転させた状態においても測定を行

転中心 Oair と小型模型機と錘の合成重心位置う．そして，両者の平均値を測定結果として用Gmw を通る直線と，回転中心 Oair を通る鉛直いる．重心位置はバラスト搭載時と非搭載時で線との間になす角 ϕair と定義する．

それぞれ測定する．

4.4.1

4.3

錘を搭載した場合の小型模型機の重心位置

実験方法

実験装置の全体図を Fig. 11 に示す．小型模型機の前方と後方の回転中心には円柱型の軸を設

小型模型機とロール角制御用の錘の重心位置けており，そこにベアリングを圧入している．アを y 軸方向と z 軸方向でそれぞれ合成し，小型ルミフレームからは糸を垂らし，前後のベアリ模型機全体の重心位置を理論的に導出する．

ングに結ぶことで，ロールの回転動作のみを計

小型模型機の質量を M [g]，錘の質量を m[g]，測する．

–5–

30

Simulation
Experiment

Simulation
Experiment25

roll angle[deg]20151050Fig. 11: Experimental device for measuring rollangle in the air-5010

20304050

weight[g]Fig. 13: Experimental results of measuring rollangle in the air （ballast-mounted）

90

SimulationExperiment

80

Simulation
Experimentroll angle[deg]70Fig. 12: Jig for mounting weight6050403020100

小型模型機に搭載する錘は SS400 製の立方体-10型のものを 5 種類用いる．5 種類の錘の質量は7.86，17.31，24.06，32.14，39.14[g] である．錘
は小型模型機胴体側面に配置する．胴体は曲面

01020304050

weight[g]Fig. 14: Experimental results of measuring rollangle in the air （ballast-unmounted）

形状となっているため，Fig. 12 に示すような，離する結果が読み取れる．

平面を有する治具を用いて錘を配置する．
ロール角の測定は錘を搭載した小型模型機をこのような結果が生じた原因として，小型模実験装置に設置後，小型模型機を空中で完全に型機の重心位置測定の際の測定誤差が考えられ静止させた状態で行う．ロール角は模型機内部のるため，錘非搭載時の小型模型機の z 軸方向の電子基板に搭載された傾斜センサを用いて，サ重心位置を変化させ，理論値の再計算を行う．

ンプリング周期 25[ms] で 30[sec] 間測定し，そ4.4.3の平均値を実測値とする．

小型模型機の重心位置補正

錘非搭載時の小型模型機の重心位置を補正し4.4.2

実験結果た場合の理論値と実測値の比較を Fig. 15 に示バラスト搭載時と非搭載時について，空中です．バラスト非搭載時の理論値に関して，小型のロール角測定結果を，Fig. 13 と Fig. 14 に示模型機の重心位置を鉛直上向きに 0.8[mm] の補す．グラフの縦軸はロール角 [deg]，横軸は錘の正をかけることで理論値と実測値がおおよそ一質量 [g] を示している．グラフより，搭載する錘致する結果となった．この結果から，0.8[mm]の重量を増やすにつれ，理論値と実測値がかい程度の重心位置の差がロール角に大きく影響を

–6–

90

Simulation
Compensate Simulation
Experiment

80

Simulation
Compensate Simulation
Experimentroll angle[deg]706050403020100-10010203040

Fig. 16: Model underwater glider with buoyancy

50

weight[g]Fig. 15: Experimental results of measuring rollangle in the air （after compensate）及ぼすということがいえる．
バラスト搭載時に関しては，バラストの取り付け誤差の影響が生じている可能性が考えられるため，今回は議論の対象外とする．
Fig. 17: Model underwater glider with buoyancy

4.5

Table 2: Diﬀerence in roll angle with and withoutbuoyancy

浮力を付加した場合のロール角測定

G-TURTLE では機体前方と後方に浮力調整Ballast器を搭載することを想定している．そのため，小型模型機に浮力調整器を用いて増加できる最大

mountedunmountedの浮力に相当する浮力を付加した場合の水中でBuoyancy
mountedunmounted
15.16 [deg]23.60 [deg]23.44 [deg]50.89 [deg]のロール角の測定を行う．
小型模型機上方へ移動し，Bmb となる．前章に4.5.1

おける機体のロールの考え方に基づくと，浮力実験方法実験装置を Fig. 16 に示す．小型模型機上部の前方と後方に発砲ポリスチレンを取り付け，疑を搭載することで浮力非搭載時よりもロール角は小さくなる．

似的に浮力を増加させる．発砲ポリスチレンは，1 辺が約 27[mm] の立方体とする．これによって4.5.2

全体で 0.4[N] 浮力が増加する．胴体側面には前章の実験でも用いた 39.14[g] の錘を搭載する．

浮力搭載・非搭載時における水中でのロール角の実測値を Table 2 に示す．

ロール角の測定は，小型模型機を水中に完全に静止させた状態で行う．前節と同様に，模型実験結果浮力を搭載したことにより，ロール角が小さくなる結果が得られた．

機内部の傾斜センサを用いて 30[sec] 間ロール角

Table 3 に浮力付加時の小型模型機のロール角の測定を行い，その平均値を実測値とする．の理論値と実測値の結果を示す．両者の差はバ

Fig. 17 に示すように，小型模型機上方に浮力ラスト搭載時で 3.64[deg]，非搭載時で 1.91[deg]体を搭載すると，小型模型機の浮心位置 Bm は，となっている．バラスト搭載時の差が非搭載時–7–Table 3: Simulation and experimental results ofroll angle when buoyancy is applied

BallastSimulation

Experimentmountedunmounted

11.52 [deg]21.69 [deg]15.16 [deg]23.60 [deg]に比べ大きい値となっている．これについてはバラストの取り付け誤差の影響が考えられる．
バラストは人の手で設置しているため，バラス
Fig. 18: Glide experimentトの中心軸が電磁石の中心軸と一致せず，誤差が発生したと考えられる．
理論値と実測値の差は十分に小さいと考えられるため，今後新たに模型機の設計を行う際には，以上の実験から得られたロール角の理論値の考え方を適用できる．

いないときに小型模型機はほぼ水平を保ったまま鉛直方向に沈下する．ただし，今回は旋回動作の実現可否のみを確認するため，詳細な浮心位置および重心位置の測定は行っていない．浮力体は小型模型機の中心より後方に搭載することで，後方の浮力が大きくなり，機首が下がっ4.6

簡易滑空実験た状態になる．滑空は，できるだけ水平になる

先行研究 5) においては機体前後方向と横方向の重心位置を変化させることにより，機体の前ように人の手で小型模型機を水面に配置した状態から，静かに手を放すことで開始する．

後および左右方向の姿勢を制御していた．しか実験の結果，Fig. 18 に示すような旋回に近いし，G-TURTLE では前後方向の姿勢制御は重動作を確認することができた．同条件で小型模心位置の制御ではなく浮力調整器を用いた浮心型機を 3 回滑空させ，挙動に再現性が見られたた

位置の制御により行うことを想定している．そめ，前後方向の浮心移動と左右方向の重心移動のため，機体前後方向の浮心移動と左右方向のによる旋回運動は実現可能であると考えられる．

重心移動のみで機体の旋回運動が実現可能であるかを確認するための簡易的な滑空実験を行う．

5.

新型小型模型機の設計

機体をロールさせるために，前節の実験と同予備実験の結果から，左右方向の重心移動に様に小型模型機の胴体側面にロール制御用の錘を搭載する．また，小型模型機が潜水するような重量となるように小型模型機内部にも錘を搭載している．実験は本学のプールで行い，水中で小型模型機を滑空させ，その様子を動画で記

よる旋回運動が実現可能であると考えられるため，ロール姿勢制御機構を搭載した新型小型模型機の設計を行う．設計は，稲見ら 6) が製作した浮力調整器を搭載した小型模型機を基本とし，ロール姿勢制御機構を追加する形で行う．

録する．

また，3DCAD 上で浮心および重心位置を求小型模型機の浮心位置の移動は前節の実験で使用した浮力体を搭載することで行う．浮力体の搭載により前後方向の姿勢を変化させるため，小型模型機前後方向の重心位置は浮力体を搭載

め，新型小型模型機のロール角の理論値計算を行う．今回は目標ロール角を 45[deg] 以上と設定した．

していない時の浮心位置とおおよそ一致するよ
うにしている．これにより，浮力体を搭載して–8–

Table 4: Speciﬁcations of servo motor

Item
Operatingspeed
OutputtorqueDimensions
WeightValue

Unit

0.10

sec/60[deg]1.5kg・cm

21.8 × 11.0 × 19.8
7.8mm
g

Fig. 19: Schematic of the new model underwater
gliderFig. 21: Maximum roll angle of new model underwater glider
Fig. 20: Cross section of the new model underwater glider

5.1

加えて，錘はできるだけ省スペースで可動させるため鉄鋼材料より比重が大きい真鍮製の錘

新型小型模型機の構成を搭載する．また，できるだけシンプルに重心設計した新型小型模型機の外観図を Fig. 19 に位置を求めるために錘の形は円柱形とする．

示す．予備実験で用いた小型模型機と同様に矩形平板翼を搭載し，加えて機体の前後に浮力体5.2

新型小型模型機のロール角理論値を持つような浮力調整器を配置した構成となっ前章のロール角の理論値の導出と同様に，新ている．
新型小型模型機の断面図を Fig. 20 に示す．内部の電子基板，およびロール姿勢制御機構はユニットにすることで整備性を向上させている．

型小型模型機のロール角の理論値を導出する．
導出に使用する浮心および重心位置は 3DCAD上で求めたものを用いる．
新型模型機の胴体内径は 48[mm] となってい錘の移動は 3 章でも述べたようにサーボモータを用いる．使用するサーボモータは Futaba 社
製 S3114 である．サーボモータの仕様の詳細はTable 4 に示す．サーボモータの回転軸は胴体回転中心から錘の重心位置までの距離 low は 15〜20[mm] の範囲で考える．また，構成部品への干渉を考慮し，錘の可動範囲は Fig. 21 に示すの円筒中心軸となるように設計した．
また，機体の安定性を高めるため，重心位置は浮心位置より下側にあることが望ましい．よって，錘は胴体下側で移動させる．

ることや，錘のサーボモータへの干渉を考慮し，ように胴体中心を通る鉛直線に対して± 60[deg]を最大移動角とする．移動する錘の質量は，予備実験で用いた錘の質量に合わせ，40[g] として設計を行う．

–9–2) 有馬正和ほか: 主翼独立制御型水中グライダー
実験機の設計と開発，第 2K 号，57/60，2006K0S3-4（2006）

52.5

Roll angle[deg]3) 西出航陽ほか: 湖沼調査用グライダー型水中ロボットの開発―小型模型機の特性計測に基づく運動の推定と水中滑空実験の結果の比較検討―，日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講
演会，2A1-B02（2022）

Roll angle[deg]5251.55150.54) 小畠かな子ほか: 主翼独立制御型水中グライ
ダーの制御システム開発，日本船舶海洋工学会
論文集，33 巻，191/197（2021）

5049.5491415161718lob[mm]19205) 中村昌彦ほか: シャトル型水中グライダーの旋回性能に関する考察，日本船舶海洋工学会講演
会論文集，第 26 号，331/336（2018）

21Fig. 22: Roll angle of new model underwaterglider (simulation)

low を 0.5[mm] ずつ変更した場合の新型小型模型機のロール角の理論値の計算結果を Fig. 22に示す．結果より，40[g] の錘を 60[deg] 移動させた場合，新型小型模型機のロール角は 50[deg]程度となる．今回は錘の直径や構成部品への干渉を考慮し，low =17[mm] として設計を行っている．このときのロール角の理論値は 50.70[deg]となる．よって，今回のロール角の目標は十分に満たしているといえる．

6.

結言

本稿では，重心移動によるロール姿勢制御機構の提案を行い，開発のための予備実験と基本設計について述べた．
予備実験においては重心移動によるロール角を空中と水中それぞれについて確認した．また，
簡易滑空実験においては重心移動による旋回運動が可能であることを確認した．さらに，予備実験の結果をもとに新型小型模型機の基本設計を行った．
今後は設計した新型小型模型機の製作を行い，水中での滑空実験を行う予定である．

参考文献
1) いであ株式会社，平成 24 年水環境中の放射性物質調査方法等検討業務 報告書– 10 –6) 稲見ひかりほか: 湖沼調査用水中ロボットのためのベローズを用いた浮力調整器の開発―基本特性の検討と滑空実験―，日本機械学会ロボティ
クス・メカトロニクス講演会，1A1-B20（2023）