計測自動制御学会東北支部 第 299 回研究集会 (2015.12.05)
資料番号 299-5

湖沼調査用モジュール構造型小型水中ロボットの開発-スラスタモジュール及び水中通信方法の改善Development of a small and modular UROV for enviromental
surveying-Improvement of thruster module and under watercommunication method○棚木瑞輝，Dam Quang Manh，Luis Canete，高橋隆行○ Mizuki Tanaki，Dam Quang Manh，Luis Canete，Takayuki Takahashi
福島大学

Fukushima University
キーワード : 水中ロボット (Underwater Robot)，モジュール構造 (Modular Structure)，スラスタ
モジュール (Thruster Module)，スクリュープロペラ (Screw Propeller)，水中通信 (UnderwaterCommunication)

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

棚木瑞輝，Tel/Fax:(024)548-5259，E-mail:tanaki@rb.sss.fukushima-u.ac.jp

1.

緒言

福島県には，猪苗代湖や桧原湖をはじめとした多くの湖沼が存在する．これらの湖沼では主に水質や水生生物の調査が行われてきたが，2011 年に福島第一原子力発電所の事故が発生して以降，放射線量の調査も行われるようになった．
筆者らは調査での負担を軽減するため，多Fig. 1

Underwater robot

様な調査に対応可能で持ち運びに便利なモジ
ュール構造型小型水中ロボットの開発を行っラにより潜航，採泥，浮上を行うことができている 1) ．Fig.1 に本研究室で開発した水中るが，以下の問題点が挙げられる．

ロボット 2 号機の外観，Table1 に仕様を示す．

• 水中ロボットの重量

現在の水中ロボットでは専用のコントロー• 通信の信頼性–1–

Table 1

Underwater robot specification
Item
Unit Value
HeightWideDepthWeight[mm][mm][mm][kg]

830
77063067.52• 移動方法
現在大きな問題点としてロボットの重量が挙Fig. 2

げられる．水中ロボットの重量は Table1 にThruster module

示す通り約 70kg となっている．これは船上ており，このモジュール部分を軽くできればなどから水中ロボットを湖沼に投下する際にロボットの軽量化が図れると考えられる．

ユーザの負担になってしまう．このことから，軽量化を目指す際に課題となるのは，採泥さらなる軽量化及び小型化が求められる．まに必要な推力の確保である．先行研究 2) よた，今年の 7 月に行われたはやま湖での実験

り採泥に必要な推力は約 40[N] であることがではモジュール間の通信が不安定になってしわかっている．現在のスラスタは採泥時に 4まい，水中ロボットの操作が困難になった．

本のスラスタを同時に駆動させて推力を得てそこで，水中での通信の信頼性を向上させるいる．よって，1 本あたりの推力を上げるこ必要がある．現在の水中ロボットは連続稼働とができればスラスタの数を減らし軽量化が時間が 2 時間と短く，移動範囲は 800[m] が限可能であると考えられる．そこでスラスタの度である．水中ロボットの最終目標としてロスクリュープロペラに着目した．推力を T ，ボットを岸から放すと全ての調査ポイントへ

水の密度を ρ，回転数 n，プロペラの直径 D，自律的に移動し，試料を採取して岸まで戻っ必要なトルク Q，CT は推力係数，CQ はトてくることを目指している．そのため，更にルク係数とすると以下の関係式で表すことが省エネルギ−で広い範囲を行動できるようなできる．

移動方法が必要となる．
本研究では以上の問題を解決し，改良することを本研究の目標とする．そこで，本論文

T = ρn2 D4 CT(1)

Q = ρn2 D5 CQ(2)では上記の問題を解決するための方法についCT ，CQ は，プロペラごとに固有の値を持ち，て述べる．

羽の形状及び枚数が変わらなければ直径が変わっても変化しない．そこで，Fig.3 に示す

2.

スラスタモジュールの改善

2.1

軽量化を目指すために3 枚羽，4 枚羽，5 枚羽のプロペラを用いて実験を行い CT と CQ を求め，プロペラごとの特性を調べた．

水中ロボットに搭載しているスラスタモジ

Fig.4 に実験装置の概略を示す．モータのュール部分を Fig.2 に示す．このモジュール先端にプロペラを取り付けたものをフォー

部分は 1 つで約 18[kg] あり，左右に 1 つずつスゲージの直下にくるように配置し，プロ取り付けるため全体の重量は約 36[kg] とな

ペラは水面下 25[cm] あたりに来るように装る．これはロボット全体の重量の半分を占め置をプール内に設置し実験を行った．電源装–2–

Table 2Num. ofblades
ThreeFig. 3PC
EncoderScrew propeller
Force gauge

Four

Motor

Power unit
Propeller

Five

25cm

Screw experiment result
P.D.
CTCQ[mm]700.255 0.0647
900.214 0.0621
1100.221 0.0637
1300.241 0.0603
average 0.233 0.0627
70
0.255 0.0722
900.189 0.0708
1100.216 0.0674
1300.259 0.0742
average 0.230 0.0711
700.241 0.0738
P.D.: Propeller Diameter

Table 3 Screw experiment result
P.D. R.S. Thrust Torque Power[mm] [rpm]
[N]
[Nm]
[W]
Fig. 4

130
110
90
70

Screw experimental device

置から 0.5[A] ずつ上げていき，0.5[A] から4.0[A] までの推力と回転数を 5 秒間とりそれぞれ平均をとった．実験により得られた推1325
1750
2445
3718

32.72
1.132 157.02
29.260.856 156.91
25.60
0.613 156.90
21.66
0.403 157.04
R.S.: Rotation Speed

力と回転数の値の値を式 (1)，(2) に代入しCT ，CQ の値を求めた．その結果を Table2 に示す．Table2 において 5 枚羽のプロペラの直径が 70[mm] のみであるのは 90[mm] から130[mm] までのプロペラが入手不可であった

したがって，現在スラスタには 4 枚羽のプロペラが使われているが 3 枚羽のプロペラを使うことで推力の上昇が期待できると考えられる．
次に，プロペラの直径について検討した．

ためである．しかし，得られたデータから傾向が見られたためデータとしては十分である

現在スラスタに使われているモータの最大出力は 157.05[W] である．よって式 (1)，(2) をと考えられる．

用いて，最大出力時に 70[mm] から 130[mm]の直径で出せる推力を比較した．その結果を2.2最適なプロペラについてTable3 に示す．結果よりプロペラの直径がTable2 の CQ の値に着目すると，羽の枚数大きくなるほど出せる推力が上がることがわが増えるにつれ CQ の値が増加していくことかった．よってスラスタに用いるプロペラ径がわかった．次に，CT の値に着目すると，羽は入手できる最大径である 130[mm] とする．の枚数によって違いはみられなかった．以上

また，モータを最大出力で動かす場合，回から，羽の枚数が少ないほど同じ推力を得る

転数は 6000[rpm] となる．一方で，最大出力ために必要なトルクは小さくなると言える．

でプロペラを回す場合，回転数は 1325[rpm]–3–

Fig. 5

Fig. 6

1st.Underwater robot

Patch antenna
In the waterとなるため，直径 130[mm] の三枚羽のプロPC

ペラを使う場合，1/4.5 の減速機を取り付ける必要があることがわかった．

2.3

Oscilloscope

ThrustermoduleMainmodule

XBee

XBee

Patch antenna

スラスタモジュールのまとめ
Fig. 7

現在用いているスラスタモジュールの最大推力は 20.7[N] であるが，実験結果から直径130[mm] の 3 枚羽のプロペラを用いると最大推力 32.72[N] を出力できることがわかった．
このことから安全率を含めて 4 本のスラスタを採泥時に用いているが，推力が上昇したぶ害が考えられる．そこでフレームに妨害されない通信方法として，モジュール間にアンテナを通し通信を行うことで信頼性が向上するか確かめた．Fig.6 に作成したパッチアンテ
ナ 3) を示す．

ん採泥時に用いるスラスタの数を減らすことができると考えられる．よって，水中ロボットに搭載するスラスタモジュールの数を減らし，軽量化することができるといえる．そのために，取り付ける 1/4.5 の減速機の設計が必要である．

Communication test system

通信実験を行った環境を Fig.7 に示す．この実験ではパソコンからプールに沈めたスラスタモジュール内の XBee を通してメインモ
ジュール側の XBee に 32bytes の文字列デー
タを 100 回送り，メインモジュール側の XBeeから送り返されてきたデータをパソコンで元データと比較し成功率を調べている．また，

3.

水中通信の改善

3.1

通信失敗の原因と改善案

スラスタモジュール側の XBee ではオシロスコープを使い電波受信強度 (以下 RSSI) を測っている．RSSI は XBee の通信限界である-

はやま湖の実験で通信が不安定になった原92[dBm] から最大で-47.3[dBm] までの値を因として，問題が生じなかった 1 号機と問題とる．メインモジュールとスラスタモジューが生じた 2 号機を比較した．Fig.5 に 1 号機のル間の距離は先行研究 4) より，水中で無線通外観を示す．比較の結果，1 号機ではモジュー信が行えるのは 17[cm] が限界であることがル間に金属製のフレームがないが，2 号機にわかっているので，アンテナ無しで無線通信はアルミフレームが間にあることがわかった．

が可能な 10[cm] と通信が不可能な 30[cm] のそこで，通信が不安定になった原因として水2 通りで測定を行った．

中ロボットのアルミフレームによる電波の妨–4–

Table 4 Result in air
10[cm]
30[cm]RSSI S.R. RSSI S.R.
[dBm] [%] [dBm] [%]-47.3

100-47.3
100
S.R.:Success Rate(a) Chip antenna

Table 5 Result in water
10[cm]
30[cm]RSSI S.R. RSSI S.R.
[dBm] [%] [dBm] [%]-78.8

100-106.1

Fig. 8(b) Dipole antenna

XBee antenna

Dipole antenna
Patch antenna

0Main module

3.2

XBee

予備実験

パッチアンテナを使った通信実験を行う前に予備実験としてアンテナ無しで空気中，水Fig. 9

Patch antenna layout

中での RSSI と通信成功率確かめた．予備実
験の結果を Table4 と Table5 に示す．Table4を送る必要がある．そのためメインモジューから空気中で行った通信結果は RSSI，成功ル側の XBee はアンテナをチップアンテナか率ともに最大となった．一方で，Table5 からら比較的指向性の少ないダイポールアンテナ

水中での通信は 10[cm] で成功率は 100[%] とに変更し，周囲に均一に電波が送れるようになったものの，RSSI は空気中と比べ大きく下モジュールの中心に配置した．実験では均等がっていた．また，30[cm] に関しては RSSI，に電波が届いているか確かめるため，パッチ成功率ともに最低の値となり通信は行えなアンテナを 45[deg] ずつずらし計 8 箇所で計かった．

測した．Fig.8(a) に XBee のチップアンテナ，Fig.8(b) ダイポールアンテナを示す．Fig.9 に3.3

パッチアンテナを用いるときの変更点次に，パッチアンテナを用いるにあたり考慮した点について述べる．スラスタモジュー

メインモジュールとパッチアンテナの配置図を示す．

3.4

ル側の XBee の配置に関して，本水中ロボッ

パッチアンテナを用いた通信実験
結果

トに使われている XBee はチップアンテナをパッチアンテナを使った通信実験の結果を用いているため表面側にアンテナの指向性がTable6 に示す．Table6 の結果より，パッチあり，裏面側は電波強度が弱くなる．そこで，アンテナの位置による RSSI のばらつきはほXBee の表面が外側を向くようにし一番電波とんどなかった．さらに，予備実験の結果との強い位置でパッチアンテナと対向するよう比べても全て向上していた．特に，水中にもに配置した．

関わらず 30[cm] で空気中と変わらない結果

また，他のモジュールと通信を行う必要があるメインモジュールでは周囲に均等に電波が得られていることから水中での通信の信頼性は向上したと言える．

–5–

Table 6
sult

Patch antenna communication re-Antennalayout10[cm]RSSI S.R.
[dBm] [%]

Top
T. right
Right
B. right
BottomB. left
Left
T. left

-48.4
-47.3
-48.0
-48.9
-47.9
-50.5
-47.3
-47.3

3.5

30[cm]RSSI S.R.
[dBm] [%]

ボットを水中グライダー方式とすることで移動範囲の拡大が期待できる．

4.2

浮力調整器について

水中グライダーを搭載するにあたり，浮力100-48.9100
100-47.3
100
100-47.3
100
100-48.8100
100-47.3
100
100-48.9100
100-47.3
100
100-47.3
100
T: Top , B: Bottom

調整機について検討した．浮力調整器には大きくわけて 3 つの方式がある．

• ガスバラスト方式• ポンプバラスト方式• ピストンバラスト方式
ガスバラスト方式とは，圧縮気体によりバラ水中通信方法のまとめ

ストタンク内の排水を行う方式である．潜航

指向性を考慮することで，XBee の配置を· 浮上がスムーズに行える，バルブの開閉の改善した．また，パッチアンテナを取り付けみなので省エネルギーで行えるといった利点

ることで水中でも空気中と変わらない通信結があるが，調査ごとに新しいガスボンベが必果を得ることができた．以上から水中での無要になるためランニングコストがかかること線通信の信頼性が向上したと言える．

や用いるガスによっては環境への考慮が必要といった欠点が挙げられる．

4.

効率の良い移動方法について

4.1

水中グライダーの利点

ポンプバラスト方式は，ポンプを使いバラストタンク内に注水 · 排水を行う方式である．
深度を一定に保つことが容易といった利点が水中での移動方法として現在はスクリューあるが，バラストタンク容量の全てを浮力調スラスタを使用しているが，連続稼働時間は整に使えるわけではないといった欠点がある．

2 時間，移動距離は 800[m] が限界である．そピストンバラスト方式はポンプバラストののため，広い範囲の調査を行うことは難しい．

ポンプの代わりにピストンを使って注水 · 排

そこで，より広い範囲を移動できる省エネル

水を行う方式である．ポンプバラストと同様ギーな移動方法として水中グライダーに着目に深度を一定に保つことが容易，小型バラスした．

トに向いているといった利点があるが，空気

水中グライダーとは，浮力調整器により浮室を設ける必要がある，注水 · 排水によって上と潜水を繰り返し，上昇 · 下降時にロボッ重心が変化してしまうなどの欠点がある．

トに取り付けた翼により水中を滑走しながら以上のことを踏まえて，ガスボンベの重量進む機構である．スクリューなどのように移が加わる，ランニングコストといった負担が動中常に電力を消費する必要はなく，浮上と増えるという点があるガスバラスト方式は本潜水時の浮力調整のみ電力を消費するためエ水中ロボットには適していないと考えられる．

ネルギー効率が高い 5) ．そのため，本水中ロしたがって，今後残り 2 つの方式について更に検討する予定である．

–6–

結言

5.

3) 根 日 屋 英 之:

平面アンテナの設計 ，東 京 電 気 大 学 ユ ビ キ タ ス 無
本論文では，スラスタモジュール及び水中での通信方法の改善について述べた．

線 工 学 講 義 資 料 ，(2011/06/25)

http://amplet.com/tu/pdf/PATCHANT.pdf

まず，スクリュープロペラの再検討を行い，3 枚羽のプロペラ径 130[mm] に変えることで

4) 大室拓哉，高橋隆行: モジュール構造型

現在のスラスタより推力を出力することがで小型水中ロボットのための電源内蔵型ワきる改良策を提案した．また，パッチアンテ

イヤレススラスタモジュールの開発，日ナを用いた水中での通信システムを構築し，

本機械学会ロボティクス・メカトロニク

水中ロボットの通信の信頼性を向上させるこス講演会 11,1A2-M13,2011とに成功した．

5) 浅川賢一，渡健介，大内英俊中村昌彦，

今後の予定として，スラスタモジュールに取り付けるための減速機の設計と浮力調整機の検討及び設計を進めて行く．

百留忠洋: 長期定域観測用水中グライ
ダーと浮力エンジンの開発，第 32 回日
本ロボット学会学術講演会,2M1-02

謝辞
水中ロボットの開発にあたり，多方面でご協力頂いた日本オートマチックマシンの五十嵐伸一様，但野洋一様，協栄精機の但野政光様，タケルソフトの山崎潤一様，タカワ精密の鈴木鉄雄様，ゆめサポートの松本克己様，山崎正典様，中城孝司様，NEC ネットワー
クプロダクツの小関正典様，佐梁智昭様，小泉聡様にこの場をお借りして心より厚く御礼申し上げます．

参考文献
1) 猿田祐平，大室拓哉，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−試作機の開発と水中での基本動作の確認−，計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会

SI2012,3K2-32) 安西香保里，神尾柊太，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−採泥方の検討及び採泥モジュールの開発−，SICE 東北支部 50周年記念学術講演会，B303,2014.12.12–7–