製品・技術解説

三井 E&S 技報 No. 3（2020）

無人海底探査システムの開発と運用
三井 E&S 造船 設計本部 艦船・特機設計部 各務 均

Development and Operation of Unmanned System for Seafloor Survey
Hitoshi KAKAMI
１．はじめに
三井 E&S 造船は，国内研究機関や民間企業で構成される「Team KUROSHIO1)」の一員として，海底探査技術を競う国際コンペティション「Shell Ocean Discovery XPRIZE2)」（以降、本コンペティション）に参画し，準優勝を獲得した．本コンペティ
ションは，超広域・超高速海底マッピングの実現を目標とするもので，決められた制限時間の中で海中ロボット等により取得した海底地形データの面積や正確性を競うものであった．
本報では，本コンペティションへの挑戦を通して開発した無人海底探査システム全体を概説するとともに当社が担当した部分について解説する．
２．現状の海底探査行により調査海域に進出する．調査海域到着後，予定ポイントでAUV を展開し，AUV は潜航して海底に接近しながら地形デー
タの取得を行う．AUV が航行中，ASV は AUV を追跡しながら海上で AUV を監視し，その様子を陸上管制局に伝送する．陸上管制局にいるオペレータは衛星通信を介して ASV と通信し，更にASV が装備する水中音響通信によりAUV と通信することで，陸上に居ながらにして ASV と AUV の管制が可能となる．
地形データ取得後，AUV は海面まで浮上し，ASV は再び AUVを結合して無人航行で岸壁に帰還する．
本システムの実現に向けて，Team KUROSHIO のチームメン
バがそれぞれ担当部分の課題解決に取り組んだ．課題の一つは，ASV と AUV を組合せた運用を行うことである．そのためにはASV によって AUV の展開回収を行う技術が必要となる．当社
は AUV だけでなく ASV についても開発・運用実績があり 5)，現在も社内で研究開発を進めていることから， その技術を活用して ASV と AUV 展開回収装置の開発を担当した．

海底地形データは，水深が比較的浅いところでは海上交通を支える重要な基礎データである．また，水深が深いところでは海底ケーブル・パイプラインの敷設や油田開発における事前情報とし ４．ASV の概要て利用されているほか，防衛分野においても非常に利用価値の高いものとなっている．従来，海底地形データは，調査船が時間をASV は洋上中継器とも呼ばれるとおり，陸上管制局と通信し，かけて測量を行うことで得られるものであったが，水上船舶から また，AUV と通信することで，本システム全体の中継器としての音響測深による特性上，特に大水深においては詳細な地形デー の役割を持つ．写真 1 と表 1 に ASV の外観と主要目を示す．まタを得ることは困難であった．
た，図 2 に ASV の主要装備品を示す．
そこで近年では，海底により接近して調査ができる自律航行型
本 ASV は当社が所有するもので，無人操船技術を評価・検証の海中ロボット（Autonomous Underwater Vehicle：AUV ）の するために開発された機体がベースとなっている．複合艇利用が注目されており，当社でもこれまで様々な AUV の開発・ （RHIB）の船体に様々な機器・機能が搭載されており，主な特製造・運用支援を行ってきた 3)．
長は下記のとおりである．
しかしながら，AUV を運用するためには，調査海域まで AUV①無人運用のための豊富な操船機能を運搬し，展開・回収することや，AUV が海中を航行している②柔軟性・拡張性の高いプラットフォーム
間，監視を行うために運用者や研究者が母船に乗り込む必要があ③コンテナ輸送できるコンパクトな船体るといった制約が課題となっていた．
このような背景から，
海中ロボットによる海底探査をより効率化し，広域な調査を短時間で行う技術開発を促進する目的で開催されたのが本コンペティションである．
３．課題解決に向けた取り組み
Team KUROSHIO で開発した無人海底探査システムの概要を図 1 に示す 4)．本システムは，従来，有人母船が担ってきたAUV の運搬と展開・回収及び監視を無人の洋上中継器（Autonomous Surface Vehicle：ASV）が担当することで海底探査を実現するものである．
以下に示す手順で本システムを運用することで，オペレータ自身は調査海域に行くことなく，海底地形データの取得が可能となる．
まず，ASV と AUV が結合した状態で岸壁を出港し，無人航図 1 無人海底探査システムの概要

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写真 1 ASV（外観）製品・技術解説

船体表 1 ASV（主要目）
RHIB（複合艇）

主寸法

5.3m×2.2m×2.9m

重量

1 800kg（満載時）

最大速力

20kt

連続航行時間24h 以上推進器

船外機（90 馬力）

燃料

ガソリン

操船機能

遠隔操縦機能自律航行機能直接操船機能4.1 無人運用のための豊富な操船機能
本 ASV は人が乗って直接操船ができるほか，遠隔操縦機能と自律航行機能が搭載されている．
遠隔操縦機能には直接舵角を指示する方法のほか，方位を指示することで自動的に保針制御を行う機能や，緯度経度によって指定したポイントに向かわせる機能がある．
使用する無線帯域によって通信遅延が発生する環境では，オペレータによる指示は，ASV に遅れて伝わることになり，また，ASV からのフィードバックも遅れてオペレータに伝わることになるため，遠隔操作で舵を切って操船することは困難を極める．
そのためオペレータが方位や位置といった目標情報を与えるだけで，ASV が自動的に航行を制御する操縦方法が効果的に活用できる．
また，自律航行機能には事前に設定したルートに沿って航行す
図 2 ASV（主要装備品）るプログラム航行機能や，一定のエリア内に位置をキープしようとする簡易的な位置保持機能を備えている．AUV の調査ルートに沿って航行させる場合や，狭い港湾での入出港において活用で① 仕様の異なる AUV に対応できる装置であることきる機能である．
② 取扱いしやすいコンパクトな装置であること
4.2 柔軟性・拡張性の高いプラットフォーム
第 1 の課題はチームメンバの各機関が所有する AUV に対応
本ASVはセンサやバッテリー等の搭載機器をミッションに応するためであり，AUVに改造を伴わずに，ASV と結合できるじて適宜交換して運用できるように設計されている．
艇体内部に装置を開発することで解決した．
これにより様々な AUV の運用搭載されたバッテリーシステムは，運用時間に応じて搭載する容量を変更することができ，容量が少なくてよい場合は，空きスペ ができるようになり，既存の他の AUV にも適用が可能である．
ースを他の搭載機器に充当するといったことも可能である．
今回 第 2 の課題は，本コンペティションのルールで設けられた機材組立て分解できるのプロジェクトにおいてもチームメンバが開発した様々な機器 の持ち込みサイズ制限を考慮したものであり，装置とすることで解決した．
人力で運搬できるサイズに分解できを搭載して運用した．
るため，運用上の取り扱いもしやすくなっている．また，展開と4.3 コンテナ輸送できるコンパクトな船体単独又は同時に使用する
本 ASV は，本コンペティションにおいて設定された 40ft コン 回収はそれぞれ個別装置として開発し，ことができる．
テナに格納できることという条件を満たすコンパクトな機体である．船体後部のマストは折りたたみ式となっており，また，船 5.1 AUV 無人展開装置
首部に装備する音響測位／通信装置は組み立て式となっている． 開発した AUV 無人展開装置を図 3 に示す．本装置は，AUV上部の吊環を切離し装置で把持しながら曳航する方式となっている．遠隔指令信号によって切離し装置の爪を開くことで AUV
５．AUV 無人展開回収装置 6)を切離すことができる．AUV に従来装備されている吊環を利用することで，AUV側に改造は必要なく，また，写真 2 のように有人母船に代わって ASV により AUV を管制する手法は，こ本装置を複数台つなぐことによって，大きさの異なる様々なれまでにも開発事例があるが 7)，Team KUROSHIO の提案するシステムが従来と最も異なる点は AUV の展開回収までも無人 AUV を同時に曳航して展開することが可能である．また，本装で行うところである．
この装置の開発に当たっては下記に示す課 置に AUV を結合した状態では，AUV の垂直尾翼に装備した通信装置が海面に出る位置関係となり，曳航中でも ASV を中継し題を考慮した．て AUV と通信ができる利点がある．
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図 3 AUV 無人展開装置

図 4 AUV 無人回収装置

写真 2 AUV2 機の曳航（試験時）
図 5 AUV 回収の仕組み
5.2 AUV 無人回収装置開発した AUV 無人回収装置を図 4 に示す．展開装置と同様に回収装置も ASV により曳航する方式となっており，先端に捕獲フックが装備されている．AUV が海面付近まで浮上し，ブイや重りを射出した後，ブイや重りと AUV をつなぐ回収索をこのフックで引っかけることで AUV を回収する．AUV を引っかけると，捕獲フックは装置本体から外れて，別途繫がれている曳航索によって AUV を曳航する仕組みである（図 5 及び写真 3）．
本装置では，左右 2 か所にフックがあり，2 機の AUV を回収できる．曳航索の長さを左右で調整し，AUV を直列に曳航することで 2 機を衝突させることなく帰還できる．

写真 3 AUV 回収の様子（試験時）６．本コンペティションでの運用事例最後に，無人海底探査システムを実際に運用した結果を示す．
特に当社が担当した ASV の運用結果を中心に報告する．
6.1 システム構成
本コンペティションの最終ラウンド（決勝）はギリシャ共和国のカラマタ沖で開催された．Team KUROSHIO は運用深度4,000m 級 AUV として海洋研究開発機構が開発した AUVNEXT と，東京大学生産技術研究所が開発した AE-Z 及び当社の ASV の構成で競技に臨んだ（図６）．
図６ 最終ラウンドでの構成
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6.2 最終ラウンドでの運用結果
図 7 に競技における ASV の航跡を示す．また，図 8 に示す帯状に色がついている部分が AUV-NEXT が取得した海底地形図である．当初の計画では，AUV2 機体制で臨む予定であったが，AE-Z に機器トラブルがあり，本番は AUV-NEXT 及び ASV の体制で実施した．
陸上管制局では，ASV に搭載されたカメラ・レーダ映像により周辺監視を行い，また，電子海図上で位置を確認しながら ASVを運用した．
予定ポイントにおいて AUV の展開に成功した後は，海中を航行する AUV と協調行動を取りながら，陸上管制局と AUV の間で通信中継を行った．図 7 に示す航跡及び図 8 に示す AUV が取得した海底地形図の範囲を比較すると分かるように，ASV とAUV はほぼ同じ経路を航行しており，これは競技中，ASV が音響測位装置によって，海中を航行する AUV の位置を監視しながら並走しているためである．
調査した海域が大きく北側のエリアと南側のエリアに分かれているのは，競技中の海象の影響で調査海域を変更したことによるものである．これは，航行中のAUV と陸上管制局の間を ASV が常に通信中継を行うことで，運用中であっても調査ルートをリアルタイムに変更できるシステムとなっていることで対応できたものである．
なお，調査本番では，AUV を安全に回収し，調査データを確実に取得するため，無人回収にはトライせず岸壁付近まで AUVを自走させ，ASV は単独で帰港するという戦略をとった．
競技中，ASV と陸上管制局は衛星通信によって通信を行っており，通信遅延もある中で前述した二つの操船機能を適宜切り替えることによって運用を行った．図 9 に AUV を曳航して出港する際の事前設定ルートと ASV の航跡を示す．図中には参考としてチームの拠点であるカラマタの岸壁及び防波堤の位置関係も示している．ASV は港を出るまでルートに沿って航行しており，狭い港湾の中でも安全に航行できていることが分かる．港を出た後は，他船がいた場合に回避行動がとれるように遠隔操縦によって AUV を展開する予定ポイントに向けて航行した．写真 4が調査海域に向けて航行中の ASV の様子である．

図 8 AUV が取得した海底地形

図 7 ASV の航跡

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図 9 出港時の ASV の航跡

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写真 4 調査海域に向けて航行中の様子

図 11 航行距離及び陸上管制局との離隔距離

図 12 入港時の ASV の航跡しており，総航行距離はおよそ 97NM（180km）であった．陸上局と ASV との距離が近づいたり離れたりしているのは，南北方
図 10 周辺監視用レーダによる障害物の検出向に移動する調査ルートであったためである．今回の運用では，調査中も音響測位によって得られた AUV の位置を監視しな 最大で陸上管制局からおよそ 20NM（37km）離れたところでがら，主に遠隔操縦機能により，方位・船速を調整しながら操船 ASV 及び AUV を運用することができた．
調査後，港への入港及び着岸は遠隔操縦によって行った．図 12を行った．
周辺監視用レーダによる障害物の検出は常時行っており，特に出入港時や夜間航行において活用した．搭載するレーザ に入港時の ASV の航跡を示す．着岸は岸壁にいる監視員と陸上レーダは周囲の障害物を無数の点群データとして検出するため， 管制局にいるオペレータが連絡を取り合いながら ASV を操船
伝送容量に限りのある衛星通信環境では直接検出データを伝送 し，微速で岸壁に近接させたところで，ボートフックにより確保することは困難であったが，点群データに対してグルーピング， した．写真 5 に示すのが，ASV が着岸する際の様子である．
フィルタリング処理により統合・抽出して伝送容量を削減するこ 6.3 本コンペティションにおける成果
ASV と AUV の協調運用による無人調査は約 23 時間で，約とで，陸上管制局において周囲状況を把握することを実現している．図 10 に ASV が港湾内を航行しているときのレーダ画像を 5km×33.5km の範囲を調査し，海底地形データを取得した．ま示す．図において ASV は設定ルートに沿って右方向に航行して た，ASV の総航行時間は約 32 時間で，総航行距離は約 97NMいるが，すぐ後方に曳航中の AUV 展開装置，右舷後方に出港を （180km）を記録した．調査後の AUV 無人回収は実施を見送っ
調査開始時のAUV の無人展開に成功した．
調査中はAUV見守る主催者の船舶を検出している．
右舷前方には防波堤の一部 たが，の監視，陸上管制局との通信中継を行うことで海底データの取得を検出している．
図 11 に競技中の ASV の航行距離及び ASV と陸上管制局と を支援した．ASV は離岸から出港，夜間航行，入港，着岸までの距離を示す．出港から入港まで終始およそ 3kt で安定して航行 全て無人運用を達成した．

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本コンペティションに参加するに当たって，スポンサー，サプライヤー，そして多くのサポーターの皆様にご協力，ご支援いた
だいたことをチーム一同深く感謝する．
参考文献

写真 5 着岸の様子

1) Team KUROSHIO：Team KUROSHIO 公式ホームページ，
https://www.jamstec.go.jp/team-kuroshio/，(2020-1-8)
2) XPRIZE Foundation: Discovering the mysteries of thedeep sea, Phase Awarded，https://oceandiscovery.
xprize.org/prizes/ocean-discovery/，(2020-1-8)3) 小山：水中機器製品の開発，三井造船技報，211(2014-2)，p.1
4) T. Ohki，et al.：Fast and ultra-wide area bathymetric survey
system without support vessel, OCEANS'18 MTS/IEEE
Kobe / Techno-Ocean 2018 (OTO'18)，(2018)5) 東京電力ホールディングス株式会社：福島第一原子力発電所
無人調査船運航開始について，
https://photo.tepco.co.jp/date/2011/201111-j/111121-01j.html，(2020-1-8)6) 各務．外：Team KUROSHIO の挑戦 知と情熱で挑む超広域海底探査，第 89 回マリンエンジニアリング学術講演会，(2019)7) 百留．外：洋上中継器 (ASV)の開発，日本ロボット学会
誌，36 , 4，(2018)，p.286

７．おわりに今回提案した無人海底探査システムは，従来の海底調査に代わる，より効率的に短時間で広域の海底データを取得できる手法として開発を行った．
そして本コンペティションにおいて開発したシステムを用いて実海域で実際に運用を行った．
その結果，オペレータが調査海域に立ち入ることなく，陸上に居ながら ASV 及び AUV を運用し，海底地形データを取得できたことで，その有効性を確認することができた．
当社が中心となって開発した ASV，AUV 無人展開回収装置についても，最終ラウンドでは AUV の無人展開と洋上中継器としての役割を果たすことで成果に大きく貢献した．
今後も引き続き開発を続け， 特に実施を見送った AUV の無人回収についての実証を行うとともに，信頼性の向上と，オペレータにとってよ [問い合わせ先]り運用しやすいシステムの構築を目指していきたいと考えてい 三井 E&S 造船 設計本部 艦船・特機設計部
TEL 0863-23-2246 各務 均る．
本報は，共同研究「超広域高速海底マッピングに関する研究―
Shell Ocean Discovery XPRIZE への挑戦―」に基づく成果である．

本報は，2020 年 2 月 28 日に以下のホームページに公開しました．
https://www.mes.co.jp/solution/research/
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