自律型無人潜水機
自律型無人潜水機(じりつがたむじんせんすいき、autonomous underwater vehicle、AUV)は、水中で活動するロボットである。UUV(unmanned undersea vehicle)ともよばれる。これは蓄電池や燃料電池や閉鎖型内燃機関を動力として深度6000mで活動する物もある。推進装置と動力源の発達により活動距離と時間が伸びた。
初期のAUVがマサチューセッツ工科大学で1970年代に開発された。それらの一つがMITのHart Nautical Galleryに展示されている。同時期にAUVはソビエト連邦でも開発された(その事は後に明らかになった)。軍用のAUVはUnmanned Undersea Vehicles (UUVs)として知られる。それらは水上からオペレータもしくはパイロットが制御する遠隔操作無人探査機(ROV)とは異なる。
石油とガス産業は海洋掘削施設を建造する前にAUVを海底地図の作成に利用するために利用する。AUVによってもたらされる詳細な地図は石油会社にパイプラインや海洋施設の建設において最小の経費と環境への影響を減らす資料を与える。
従来の軍用のAUVは機雷のありかを認識するために地図を作成する。科学者達はAUVを海洋と大陸棚の調査に使用する。他に漁業の資源量把握や海流の調査にも使用される。
随時オペレーションが必要ないことにより自動的に海中でのデータを収集できる。海中の開発において深海での油田開発や修繕経費をこれらの機材で削減可能である。
100種類に及ぶ異なるAUVが20年から30年間に設計されたがいくつかの少数の企業から販売されているに過ぎない。ウッズホール海洋研究所が開発して現在はHydroid社が販売している小型のREMUS 100 AUVは軍用、科学用に現在最も普及しているAUVである。Kongsberg MaritimeとNorwegian Defence Research Establishment(FFI)が開発した大型のHUGIN 3000 AUV は石油、ガス産業において広範に使用されている。他に特筆すべきAUV製造会社としてアメリカのBluefin RoboticsとカナダのInternational Submarine Engineering Ltd.がある。
現在では海洋研究開発機構が、自律型無人潜水機である「うらしま」「ゆめいるか」「じんべい」「おとひめ」を海底調査に使用している。
近年に至るまで技術的な要因によりAUVは複数の限られた用途でしか使用できなかった。より先進的な計算能力と大電力の供給によりAUVは徐々に活躍の場を広げつつある。
石油とガス産業はAUVを掘削施設やパイプライン等の建設前に海洋底の詳細な地図の作成に用いる事で環境に与える影響を最小化し費用対効果を高めることが出来る。AUVは従来の潜水艇を使用した精密な海底測量や海底の地形調査と比較して大幅に費用を低減することが可能である。同様に既に敷設したパイプラインの点検も現在では可能である。他に通信用海底ケーブルの点検等にも使用される。
典型的な軍用のAUVの用途は機雷の敷設状況や沿岸域の防衛領域での未確認物体の把握である。AUVは同様に対潜水艦戦や有人潜水艦の哨戒にも使用される。
科学者達はAUVを湖沼や海洋や海底の調査に使用する。多種多様なセンサーを元素や化合物の濃度、光の減衰や反射や微生物の存在を測定する為にAUVに搭載可能である。他に鯨や魚類の生態調査にも使用される。
多くのロボット愛好家達がAUVを趣味として製作する。複数の競技会が存在し、これらの自家製のAUVが目標を達成する為に互いに競う。市販されている同種の潜水機のようにこれらのAUVはカメラやセンサーを備える。限られた資源や経験不足の結果、趣味で作られたAUVの大半は運用深度、耐久性において洗練された市販の機種に及ばない。最終的にこれらのAUVは通常は海洋では運用されず大半はプールや池で運用される。単純なAUV
はマイクロコントローラー、PVC耐圧容器、自動ドアロックアクチュエータ、注射器、継電器を使用して製作可能である。
100以上の異なるAUVが過去50年あまりの間に設計されたが、しかし、有意な数の販売の実績のあるのは数社に限られる。AUVを国際的な市場で販売するこれらの会社はKongsberg Maritime, Hydroid (現在はKongsbergによって所有される), Bluefin Robotics, International Submarine Engineering Ltd.とHafmyndを含む約10社である。
機体の大きさは人が携行出来る軽量のAUVから全長10m以上の大型の機種まである。かつて軍用と商業用で一般的だった小型機は現在人気を失いつつある。これはAUVの運用効率を高める為には長航続距離と長期間の運行が必要でその為にはより大型の機体が必要であるとの認識が受け入れられてきたからである。しかし、小型軽量のAUVは廉価なので現在も予算の限られる大学等では一般的である。
Bluefin や Kongsbergを含むいくつかの製造会社は政府の支援の恩恵を受ける。市場は3分野に分類される。:科学分野(大学や研究機関を含む)、商業分野(石油とガス)と軍用分野(機雷対策、戦闘海域の準備)である。これらの任務の大部分は類似の設計で巡航モードで使用される。予め設定されたルートに沿って1から4ノットで航行しながらデータを収集する。
市販されているAUVはウッズホール研究所によって開発され現在はHydroid, Incによって販売されるREMUS 100 AUVのような小型の設計から大型のKongsberg MaritimeのHUGIN 1000 と 3000 AUVやノルウェー防衛研究所によって開発されたBluefin Roboticsの直径12と21インチ(300と530mm)の機体やInternational Submarine Engineering Ltd.のエクスプローラーまである。大半のAUVは従来の魚雷のような外観でこれは最適の大きさで流体力学的効率と扱いやすさの最良の妥協点であるように見られる。これらのいくつかの機体ではモジュラー設計を採用することによって運用者によって手軽に構成を変更できる。
市場は拡大しており、現在では純粋な開発よりも商業的な需要に応じた設計になりつつある。次の段階ではハイブリッド式AUV/ROVが調査や権利介入の用途に用いられると予想される。これはより多くの制御と水中停止能力が必要である。再び市場は金融的な需要と節約と高価な船の時間を節約する目的で動く。
現在、大半のAUVは大半の運用者の投資を維持する為に音響伝送システムの伝達範囲内で非監視任務対応能力を備える。これは万能ではない。一例として、カナダは海洋法に関する国連条約の76条における彼らの主張を裏付ける為に北極海の氷山の下の海底の測量の為に2機のAUV(ISE Explorers)を受領した。
同様に水中グライダーのような超低出力、長航続距離の機体は回収されるまでに数週間から数ヶ月間、潜航してデータを収集して衛星中継でデータを伝送する能力を持つ。
2008年の時点で自然界に見られるデザインを模倣した新型のAUVが開発中である。大半は現在実験段階であるがこれらの生体工学に基づく機体は自然界において成功したデザインを模倣することによってより高い推進効率や優れた機動性が得られる。これらはフェスト社のAquaJelly社のバイオニック マンタである。
主に海洋学の道具としてAUVは自動航法の為のセンサーと海洋の地図機能を持つ。一般的なセンサーには方位磁石、水深計、サイド･スキャン･ソナー、や他のソナーや磁力計、温度計、導電計がある。カリフォルニア州のモントレー湾で2006年9月に直径21のAUVが全長300のハイドロフォンアレイを巡航速度3で曳航する実演が行われた。
AUVは海底に設置された発信機からの信号を用いる水中音響測位システムで誘導される。これは長基線音響測位システム(LBL)航法として知られる。水上の支援船から得られる超短基線(USBL)または短基線測位は海中の潜水機が水上の支援船のGPSによる位置との相対的な位置を音の到達時間と方位で算出する物である。
運用は完全に自動化されておいており、AUVは浮上時には備えられたGPSを使用する。GPSの電波を受信できない潜航時には搭載された慣性航法装置で測位する。圧力センサーで垂直方向の測位を行う。これらの観測データはカルマンフィルターでふるいにかけてから最終的な航法に用いる。慣性航法装置とGPS受信機を組み合わせたりGPS信号の受信が途切れた場合には方位磁石を併用する。
AUVは複数の推進技術に依存する事が出来るがプロペラを基にした推進器やコートノズルが圧倒的に普及している。これらの推進器は通常電気モーターを動力としていて、モーター内部が錆びないように水密構造によって水の進入を防ぐ構造になっていたり、モーター内に油を満たす事により水の進入を防ぐ構造になっている。
現在の大部分のAUVはリチウムイオン、リチウムイオンポリマー、ニッケル・水素等の蓄電池をバッテリーマネジメントシステムを備えて使用している。いくつかのAUVは1回ごとのミッションにおいて余分な費用がかかるが、おそらく2倍の活動時間が得られる一次電池を動力源として使用する。いくつかの大型のAUVはアルミニウム系の準燃料電池を動力としているが整備や高価な再充填が必要で安全に処理する必要のある廃棄物を生成する。新たな潮流は異なる蓄電池と電気二重層コンデンサを備えた電力システムである。
日本でも東京大学生産技術研究所の浦環研究室や大学の海洋関係の研究室や国際電信電話(KDD)の研究所等で研究が行われてきた。1990年代以降にはやややKDDのが開発された。その為、この分野では世界的に見ても高い水準にある。
2016年には東京大学生産技術研究所、海洋研究開発機構、九州工業大学、海上・港湾・航空技術研究所、三井造船、日本海洋事業、KDDI総合研究所、ヤマハ発動機による超広域高速海底マッピングをミッションとする共同研究チーム“Team KUROSHIO"がShell Ocean Discovery XPRIZEに参加する。
防衛省は情報収集用の無人潜水機を開発する予定。
川崎重工業が十数年ぶりに開発したプロトタイプAUV は、世界で初めて水深2,000m の環境下でAUV で土壌採取することを可能にした。2020年には水深3,000m の水圧に堪え得る、三洋化成工業製の全樹脂リチウムイオン電池の実証試験を開始、従来型のリチウムイオン電池に比べ、航行時間を約8時間から約16時間に倍増させた。2021年には海底パイプライン検査用AUV(“SPICE": Subsea Precise Inspector with Close Eyes)の商品化が見込まれている。
Xプライズ財団が主催する自律型無人潜水機による4000mまでの水深の海洋底の高精度の3次元地図を作成する競技で水深2000mまでをRound 1、4000mまでをRound 2として実施する。超広範囲(100km2 以上)の海底地図作成(解像度:水平 5m, 垂直 50cm 以上)の実現
調査海域へのロボットの展開・回収も含めて、有人支援母船を使用せず、調査海域への人の立ち入りは禁止される
機材の持込みは 40feet コンテナ 1つまでに制限される
調査後48時間以内で海底地形図の作成、提出
精度と速度が要求され、最も高精度な地図の作成チームに400万ドルが授与され、次点チームには100万ドル、上位10チームまではマイルストーン賞として100万ドルが分配され、さらに海洋大気庁(NOAA)から、生物学的、科学的、地質学的な新発見をしたチームに対して100万ドルが授与される。
日本からは東京大学生産技術研究所、海洋研究開発機構、九州工業大学、海上・港湾・航空技術研究所、三井造船、日本海洋事業、KDDI総合研究所、ヤマハ発動機による共同研究チーム“Team KUROSHIO"がRound 1を通過し、Round 2へ挑戦、次点となり100万ドルとマイルストーン賞を獲得した。