計測自動制御学会東北支部 第 312 回研究集会 (2017.11.24)
資料番号 312-15

湖沼調査用グライダー型小型水中ロボットの開発—超音波ガイドを利用した小型位置推定システムの提案—
Development of a small glider type UROV
for environmental surveying-Proposal of a compact location system using an ultrasonic beam
guide○平尾 瑞穂，菅野 怜, 棚木 瑞輝, カニエテ ルイス, 高橋 隆行○ Mizuho Hirao, Ryo Kanno, Mizuki Tanaki, Luis Canete, Takayuki Takahashi
福島大学

Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (underwater Robot)，超音波 (ultrasonic)，自己位置推定 (self locationestimation)，音響測位 (acoustic positioning)

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

1.

はじめに把握が困難であり，精確な放射線量の分布マップの作成が困難であるという問題がある．

福島県には猪苗代湖をはじめとした，多くの湖沼が存在している．そこでは，水質調査や生態系調査といった様々な環境調査が継続的に行われており，2011 年の福島第一原子力発電所事故以降は，放射線量の調査も行われている．一般に放射性物質は底質中の土粒子表面へ付着していると言われる 1) ため，湖底泥の採取による調査が行われる．

これらの課題に対して，本研究ではモジュール構造型小型水中ロボットの開発を継続的に行ってきた 2) 3) ．調査に水中ロボットを導入することで，調査の省力化と精確なマッピングが可能になると考えられる．
現行機である水中ロボット 2 号機改良型を Fig. 1，
その仕様を Table 1 に示す．現行機は 2016 年 9月，実際に猪苗代湖の水深 30[m] の湖底で採泥採泥の方法には、潜水士による方法や採泥器を船から投下する方法などがある．しかし，潜水士による方法は調査深度に制限があり，広範囲かつ継続的に行う場合，人件費や設備費など多額のコストがかかる．また，採泥器による方法では，調査機器が水流に流されるなど位置の動作試験を行った．現行機の問題点として，活動時間が短く調査範囲が狭いこと，また重量が非常に重いことや採泥地点の位置推定ができないことが挙げられる．重量が約 68[kg] あるため，桟橋や船からの投下にはクレーンなどの設備が不可欠であり，数人がかりで作業にあたる必要–1–Fig. 1
provedUnderwater Robot Version 2 im-Fig. 2

Proposed under water glider concept

2.1

GPS(Global Positioning System)

複数の衛星から電波を受信することで測位を行う方法である．最新のものでは誤差は数セン

Table 1 Specification of robot
Item
Value[Unit]
HeightWidth
Depth
Weight

チメートルに収まると言われており高精度であるが，水中では電波が減衰してしまうため，水830[mm]
770[mm]
630[mm]67.52[kg]に潜っている間は使用ができない．

2.2

INS(Inertial Navigation System)がある．また，放射線量のマッピングを行うにあ加速度センサで検出した加速度を 2 回積分したり，採泥地点の位置推定は重要な課題である．
そこで，MANH らによる先行研究 2) では Fig. 2

距離を求め，ジャイロセンサで検出した角速度に示すようなグライダー型小型水中ロボットをトルを合成していくことにより起点からの移動提案した．グライダー方式の導入や，採泥管を距離を算出する方法である．外部電波による支減らすことで機体の小型化を図っている．しか援が必要なく，慣性計測装置のみを搭載するこし，これらのロボットには自己位置推定機能がとで自己位置の推定ができるため，悪天候時や搭載されていない．

水中での使用も可能である．しかし，積分によ

本論文では，小型水中ロボットに適した自己位置推定方法について検討を行った．

2.

を積分し角度を求める．移動距離と角度のベクる累積誤差が生じるため GPS 等を併用し補正をかける必要がある．

既存の位置推定方法

2.3

水中では電波が減衰してしまうため，水中音

既存の水中ロボットや潜水艦の自己位置推定方法について説明する．

音響測位

響を利用した音響測位が用いられる．

–2–

2.3.1

SBL(Short Base Line)

測位する機体に一定間隔で 3 個以上の超音波の送受波器を装備し，座標基準として水底に固定したトランスポンダから送受波器の相対位置を計測する方法である．各受波器間に到達する超音波の時間差を用いる．事前にトランスポンダを水底に設置する手間がかかる．

2.3.2

SSBL(Super Short Base Line)

母船等の基準点に送受波器を 1 つ装備し，測位する機体にトランスポンダを 1 つ装備する．
受波器内の素子がアレイになっており，トランスポンダから返る超音波の位相差を検出し，送受波器側でトランスポンダとの相対位置を計測する方法である．

3.

提案手法

GPS は高精度であるが水中での使用は不可能である。また INS における累積誤差の影響を少Fig. 3

proposed system

なくするためには，高精度で高価なセンサを搭載し，さらに補正をかける必要がある．これら

るために水中機と水上機は同軸ケーブルで接続と比較すると，音響測位は水中での使用が可能する．

であり，累積誤差が生じないため水中ロボット位置推定を行うために，測位する水中機に 3の自己位置推定に適している．しかし，既存のつ以上の受波器を装備し，水上機に送波器を 1

音響測位装置は送受波器，トランスポンダを合つ装備する．各受波器間に到達する超音波の時わせると 10 キログラム以上の重量があり，小型間差と深度情報を組み合わせることにより水上の水中ロボットに搭載するのは困難である．そ機との相対位置を計測する．本方式では送波器こで，本研究では小型な音響測位方式の提案をが 1 つである (トランスポンダを用いない) こと，行う．

また水中機と水上機が同軸ケーブルで繋がっていることを利用して，指向角の狭い高周波の超3.1音波を使用することが特徴である．高周波の超概要

音波は低周波なものと比べ，トランスが小さく提案する方式では小型な水上機と水中機の 2台のロボットを使用する．概念図を Fig. 3 に示なりパルス幅も短くなるため，電力消費を抑えかつ小型化することが可能である．

す．水上機には GPS や陸上と無線通信を行うためのアンテナを搭載し，水中機は採泥を行うための採泥管や深度センサ (絶対圧センサ)，水中カメラを搭載する．水中カメラの映像を送信す

–3–

3.2

原理

2 つの受波器に到達する超音波の時間差から送波器のある点を含む双曲面を算出する．深度情報と組み合わせることで双曲線が得られ，別の組み合わせの受波器から得た双曲線との交点が送波器の推定位置となる．概略図を Fig. 4 に示す．各受波器 R1 , R2 , R3 , R4 から送波器 S までの距離をそれぞれ d1 , d2 , d3 , d4 とし, 対角に位置する２つの受波器に到達する超音波の時間差

t1 , t2 より, 各受波器から送波器までの距離の差を算出する.

d1 =√(x − R)2 + y 2 + z 2(1)Fig. 4

d2 =

d3 =

d4 =

√

√

√

x2 + (y − R)2 + z 2(2)4.

Principle of position measurement

精度評価実験

まず幅 2590[mm], 奥行き 1700[mm]，深さ 610[mm](x + R)2 + y 2 + z 2(3)のプールで精度の検証を行った．今回の実験では 2 つの受波器を用いて実験を行った。2 つの受x2 + (y + R)2 + z 2(4)波機で受信した信号の時間差から求められる送波機との距離の差と実測値の差を比較し精度を|d3 − d1 | = ct1(5)|d4 − d2 | = ct2(6)検証した．また 2 つの受波器をある軸を基準に90 度回転させてデータをとり，その 2 つのデータから送波器の位置を計測し，実測値と比較し提案手法の精度の検証を行った．

これらの情報から, 送波器のある点を含む双曲面を算出し, さらに深度情報 H を組み合わせ4.1ることで双曲線を得ることができる. 相対する２組の受波器を用いることで２つの双曲線を求めることができ, それらの交点が推定位置となる.
２つの双曲線の式を以下に示す．

実験装置

超音波の送波器，受波器の位置を固定するため，Fig. 5 のようにイレクターパイプ等を使用してフレームを製作した。パイプの枠の１辺は1.2[m] で，受波器間の距離は 315[mm] である．
受波器は 90 度回転ができるように Fig. 6 のよう

x2y2
H2−=1+( ct21 )2 R2 − ( ct21 )2R2 − ( ct21 )2(7)なジョイントを製作した．

4.2x2y2H2− 2 ct2 2 + ct2 2 = 1 + 2
R ( 2 )( 2 )
R − ( ct22 )2(8)

実験方法

フレームに送波器，受波器を固定し，送波器と各受波器間の距離をメジャーで測定し理論値–4–Fig. 5

equipment device

Fig. 6jointとした．次に送波器からファンクションジェネレータで生成したパルスを送信した．送信信号は 50[kHz] の PCW(Pulse Continuous Wave; 一定周波数連続波) を使用し，2 サイクルのパルス

Fig. 7を 1 秒おきに送信した．オシロスコープで送信

arrangement

信号と受信信号を同時に収録し，データ保存後，Table 2 Measured distancearrangement D1 * D2 * ∆d

受波器の角度を 90 度回転させてデータ収録を行う．送波器をパイプに沿って 200[mm] 移動させ

center(0◦ )405 350◦
center(90 )348 396◦side(0 )382 435◦side(90 )332 498*[mm], ∆d = D2 − D1た場合について，同じ手順で実験を行った．配置条件を Fig. 7 に示す．時間差は，収録した 2CHのデータの絶対値をとり，ローパスフィルタにかけて包絡線を求め，最大値の 1/3 を閾値とし-554853
166た時の値とする．
あったため，音速 c は 1470[m/s] とした．実測値

4.3
4.3.1と実験値の差を比較した．実測値を Table 2 に，結果実験値を Table 3 に示した．誤差を Table 4 に示時間差の精度した．

送波器と 1 つの受波器間の距離の実測値を D1 ，もう 1 つの受波器との距離を D2 とすると，距4.3.2

離の差は D2 − D1 となる．また 2 つの受波器へ到達した超音波の時間差 t から，水中での音速位置精度

次に center と side で受波器を回転させて得られた２組のデータを使って送波器の位置を推を c として距離の差を推定した．水温が 16 ℃で–5–Table 3 Calculated distancearrangement t [ms] ct[mm]center(0◦ )center(90◦ )side(0◦ )side(90◦ )-41.8334.63
25.44
105.81

-61
51
37160

Table 4Diﬀerence between measured andcalculated distancearrangement error[mm]center(0◦ )center(90◦ )side(0◦ )side(90◦ )Table 5 Positional error
arrangement measured actualvalue
value

error
[mm]

center(xaxis)
center(yaxis)side(xaxis)side(yaxis)

4
8
2321

5.

57
6774231

6175
51
210

おわりに

本論文では小型水中ロボットに適した音響測6-31016位方式の提案を行い，精度評価実験を行った。
今回の実験では，精度を評価するにはデータが不足しているため，さらに距離を離した配置等での実験を行う必要がある．

定した．実測値と実験値から式 (7)，式 (8) に値を代入して双曲面を描き，実測値と実験値から求めた位置の差を比較した．H は 340[mm] で本研究を進めるにあたり，多くのご助言を頂き，センサをお貸し頂きました株式会社 SGK シ
ステム技研の尾崎俊二様，福地鉄雄様，清水良次様にこの場をお借りして御礼申し上げます．

ある．

4.4

謝辞

考察

まず Table 4 より，実験値から求めた距離の誤差は最大で 16[mm] であり，理論値と 30 ％の参考文献誤差であった．また Table 5 より位置も x 軸 y軸共に最大 20[mm] 程度の誤差があり，実測値と比べて 30 ％ほどの差があった．位置の精度は時間差の精度に依存するため，より精確に時間差を計測することが位置精度の向上に繋がると考えられる．例えば，PCW で立ち上がりを検出するのではなく，LFM(Linear FrequencyModulation; 直線上周波数変調) を用いて相関をとることが有効だと考えられる。さらに実際
は，深度情報は圧力センサから計測した値を用いるため，圧力センサの誤差も考慮しなければならない．従って圧力センサについても評価実験を行う必要がある．

–6–1) いであ株式会社: 水環境中の放射性物質調査方法など検討業務報告書，平成 24 年度
2) DAM QUANG MANH, LUIS CANETE, 高橋隆行: 湖沼調査用モジュール構造型小型水中ロボットの開発-翼の基本特性とグライダー方式の基礎的検討-，ロボティクス・メカトロニクス講演会 2016，1A1-16b6
3) 棚木 瑞輝, LUIS CANETE, 高橋 隆行: 湖沼調査用モジュール構造型小型水中ロボットの開発，ロボティクス・メカトロニクス講演会 2016，
1P1-16b3