(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022158359
(43)【公開日】2022-10-17
(54)【発明の名称】自律型無人潜水機および制御プログラム
(51)【国際特許分類】
B63C 11/00 20060101AFI20221006BHJP
B63C 11/48 20060101ALI20221006BHJP
B63G 8/14 20060101ALI20221006BHJP
G05D 1/00 20060101ALI20221006BHJP
B25J 5/00 20060101ALI20221006BHJP
【ＦＩ】
B63C11/00 B
B63C11/48 D
B63G8/14
G05D1/00 A
B25J5/00 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021063183
(22)【出願日】2021-04-01
(71)【出願人】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000556
【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中村 和行
(72)【発明者】
【氏名】加賀 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】福井 厚市
(72)【発明者】
【氏名】岡矢 紀幸
【テーマコード（参考）】
3C707
5H301
【Ｆターム（参考）】
3C707AS14
3C707BS10
3C707CS08
3C707KT01
3C707KT05
5H301AA05
5H301CC04
5H301CC07
5H301GG08
5H301GG10
(57)【要約】
【課題】ＡＵＶの前方で水中構造物がどのような方向に延在しているかをＡＵＶ側で即時に把握してＡＵＶの動作に反映させる。
【解決手段】ＡＵＶは、艇体と、推進装置と、艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、制御装置および記憶装置とを備え、制御装置は、艇体が移動する間、所定間隔おきに輪郭検出器により検出された輪郭を取得する取得部と、取得した輪郭ごとに、輪郭上の特定点を記憶装置に記憶する特定部と、記憶された複数の特定点から、艇体の現在位置より前方に位置する複数の特定点を抽出する抽出部と、抽出した複数の特定点の近似直線を算出する直線算出部と、艇体を上面視して艇体の前後方向と近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、艇体を上面視して艇体の所定箇所と近似直線との距離が小さくなるように、推進装置を制御する推進制御部と、を含む。
【選択図】図４
【解決手段】ＡＵＶは、艇体と、推進装置と、艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、制御装置および記憶装置とを備え、制御装置は、艇体が移動する間、所定間隔おきに輪郭検出器により検出された輪郭を取得する取得部と、取得した輪郭ごとに、輪郭上の特定点を記憶装置に記憶する特定部と、記憶された複数の特定点から、艇体の現在位置より前方に位置する複数の特定点を抽出する抽出部と、抽出した複数の特定点の近似直線を算出する直線算出部と、艇体を上面視して艇体の前後方向と近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、艇体を上面視して艇体の所定箇所と近似直線との距離が小さくなるように、推進装置を制御する推進制御部と、を含む。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水中にて延在する水中構造物の上方で前記水中構造物に沿って航走する自律型無人潜水機であって、
艇体と、
前記艇体に設けられ、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、
前記艇体に設けられ、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、
前記艇体に設けられた制御装置および記憶装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、
取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、
抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、
前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、を含む、自律型無人潜水機。
艇体と、
前記艇体に設けられ、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、
前記艇体に設けられ、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、
前記艇体に設けられた制御装置および記憶装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、
取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、
抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、
前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、を含む、自律型無人潜水機。
【請求項2】
前記水中構造物は、海底パイプライン、および、前記海底パイプラインを覆うカバー構造物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の自律型無人潜水機。
【請求項3】
前記特定部は、前記輪郭の左右方向における中心点であるという条件、および、前記輪郭の上下方向における最上点であるという条件のいずれかを満たす前記輪郭上の点を、前記特定点として特定する、請求項１または２に記載の自律型無人潜水機。
【請求項4】
前記近似直線は、３次元座標系における直線であり、
前記推進装置は、前記艇体のピッチ方向に姿勢変更可能であり、
前記推進制御部は、前記艇体を側面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなるように、前記推進装置を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
前記推進装置は、前記艇体のピッチ方向に姿勢変更可能であり、
前記推進制御部は、前記艇体を側面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなるように、前記推進装置を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
【請求項5】
前記艇体の速度を測定する速度測定器を有し、
前記抽出部は、前記速度測定器により測定された速度に応じて、記憶された複数の前記特定点の中から、抽出する複数の前記特定点の範囲または個数を変更する、請求項１～４のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
前記抽出部は、前記速度測定器により測定された速度に応じて、記憶された複数の前記特定点の中から、抽出する複数の前記特定点の範囲または個数を変更する、請求項１～４のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
【請求項6】
前記艇体から延びるロボットアームを更に備え、
前記抽出部および前記直線算出部は、それぞれ、第１抽出部および第１直線算出部であり、
前記制御装置は、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より後方の複数の前記特定点を、アーム用抽出点として抽出する第２抽出部と、
抽出した複数の前記アーム用抽出点の近似直線を、第２近似直線として算出する第２直線算出部と、
前記ロボットアームの可動範囲内の所定の曲面と前記第２近似直線との交点に、前記ロボットアームの先端部が位置するように、前記ロボットアームを制御するアーム制御部と、を更に含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
前記抽出部および前記直線算出部は、それぞれ、第１抽出部および第１直線算出部であり、
前記制御装置は、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より後方の複数の前記特定点を、アーム用抽出点として抽出する第２抽出部と、
抽出した複数の前記アーム用抽出点の近似直線を、第２近似直線として算出する第２直線算出部と、
前記ロボットアームの可動範囲内の所定の曲面と前記第２近似直線との交点に、前記ロボットアームの先端部が位置するように、前記ロボットアームを制御するアーム制御部と、を更に含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の自律型無人潜水機。
【請求項7】
前記所定の曲面は、前記ロボットアームの前記可動範囲を画定する境界面である、請求項６に記載の自律型無人潜水機。
【請求項8】
前記第２抽出部は、前記境界面の内側にある第１特定点、および、前記境界面の外側にあり且つ前記特定部が前記第１特定点を特定する直前に特定した第２特定点を、前記アーム用抽出点として抽出し、
前記第２直線算出部は、前記第１特定点と前記第２特定点とを通過する直線を前記第２近似直線として算出する、請求項７に記載の自律型無人潜水機。
前記第２直線算出部は、前記第１特定点と前記第２特定点とを通過する直線を前記第２近似直線として算出する、請求項７に記載の自律型無人潜水機。
【請求項9】
水中にて延在する水中構造物の上方で前記水中構造物に沿って航走する自律型無人潜水機の動作を制御するための制御プログラムであって、
前記自律型無人潜水機は、艇体と、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、記憶装置と、を備え、
前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、
取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、
抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、
前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、
をコンピュータに機能させる、制御プログラム。
前記自律型無人潜水機は、艇体と、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、記憶装置と、を備え、
前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、
取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、
記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、
抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、
前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、
をコンピュータに機能させる、制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自律型無人潜水機、および自律型無人潜水機の動作を制御するための制御プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１、２には、海底パイプラインに沿って航走しながら当該海底パイプラインを検査する自律型無人潜水機（ＡＵＶ：Autonomous Underwater Vehicle。以下、ＡＵＶともいう。）が開示されている。このＡＵＶの艇体には、マルチビームソーナや形状把握用レーザなどの検出部が設けられている。ＡＵＶの艇体は、検出部により得た情報に基づき海底パイプラインを辿るよう制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１３－６７３５８号公報
【特許文献2】特開２０１９－１８２２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
水中にて延在する水中構造物をＡＵＶが高速で辿るには、ＡＵＶの前方で水中構造物がどのような方向に延在しているかをＡＵＶ側で即時に把握してＡＵＶの動作に反映させる必要がある。上記特許文献１、２には、海底パイプラインを辿るためのＡＵＶの制御にマルチビームソーナや形状把握用レーザから得た情報をどのように利用するのかについて、具体的に示されていない。
【0005】
そこで本発明は、水中構造物をＡＵＶが高速で辿ることができるよう、ＡＵＶの前方で水中構造物がどのような方向に延在しているかをＡＵＶ側で即時に把握してＡＵＶの動作に反映させることができるＡＵＶおよび制御プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るＡＵＶは、水中にて延在する水中構造物の上方で前記水中構造物に沿って航走するＡＵＶであって、艇体と、前記艇体に設けられ、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、前記艇体に設けられ、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、前記艇体に設けられた制御装置および記憶装置と、を備え、前記制御装置は、前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、を含む。
【0007】
また、本発明の一態様に係る制御プログラムは、水中にて延在する水中構造物の上方で前記水中構造物に沿って航走するＡＵＶの動作を制御するための制御プログラムであって、前記ＡＵＶは、艇体と、前記艇体の前後方向に前記艇体を移動可能で且つ少なくとも前記艇体のヨー方向に姿勢変更可能な推進装置と、前記艇体から前斜め下に向かう方向に切断した断面における前記水中構造物の上面の輪郭を検出する輪郭検出器と、記憶装置と、を備え、前記艇体が移動する間、所定間隔おきに前記輪郭検出器により検出された前記輪郭を取得する取得部と、取得した前記輪郭ごとに、前記輪郭上の特定点を前記記憶装置に記憶する特定部と、記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より前方に位置する複数の前記特定点を抽出する抽出部と、抽出した複数の前記特定点の近似直線を算出する直線算出部と、前記艇体を上面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、前記艇体を上面視して前記艇体の所定箇所と前記近似直線との距離が小さくなるように、前記推進装置を制御する推進制御部と、をコンピュータに機能させる。
【0008】
上記の構成によれば、艇体の前方に位置する水中構造物の複数の特定点の近似直線を算出するという簡易な演算で、ＡＵＶの前方で水中構造物がどのような方向に延在しているかをＡＵＶ側で即時に把握できる。また、ＡＵＶ側で把握した情報をＡＵＶの動作に反映させて、艇体を上面視して艇体が水中構造物から離れるのを抑制できる。従って、ＡＵＶによる水中構造物の高速トラッキングを実現できる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、水中構造物をＡＵＶが高速で辿ることができるよう、ＡＵＶの前方で水中構造物がどのような方向に延在しているかをＡＵＶ側で即時に把握してＡＵＶの動作に反映させることができるＡＵＶおよび制御プログラムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の一実施形態に係るＡＵＶの概略側面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係るＡＵＶの概略上面図である。
【図4】自律航走処理の流れを示すフローチャートである。
【図5】（ａ）は、輪郭検出器により検出されたデータの極座標グラフであり、（ｂ）は、（ａ）に示す極座標グラフを直交座標系に変換した直交座標グラフである。
【図6】海底パイプラインと当該海底パイプラインに沿って航走するＡＵＶの概略上面図である。
【図7】海底パイプラインと当該海底パイプラインに沿って航走するＡＵＶの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るＡＵＶについて説明する。
【0012】
【0013】
水中構造物は、例えば海底パイプラインＰである。図１、２には、ＡＵＶ１の下方で延在する水中構造物として、その下半分が海底Ｇに埋まった海底パイプラインＰが示されている。海底パイプラインＰは、水中（海中）または水底（海底）において水平方向に延在している。海底パイプラインＰは、その下半分が海底Ｇに埋まっていたり、海底Ｇから上方に延びる支持部材により支持されていたりする。
【0014】
海底パイプラインＰの大部分は、基本的に水平方向に延びており、一部は水平方向に対して若干傾斜している。この延在方向に対して海底パイプラインＰの外表面の垂直な断面は円形である。海底パイプラインＰは、延在方向において一様な形状を有する。なお、本願の明細書および特許請求の範囲において、「水」とは、例えば海や湖などＡＵＶ１が航走可能な液体を意味しており、例えば「水中」は、海中や湖中などを含む。
【0015】
図１に示すように、ＡＵＶ１は、艇体２と、艇体２に設けられた推進装置３と、推進装置３を制御する制御装置４を備える。艇体２には、バッテリ（図示せず）が収容されている。
【0016】
艇体２に対して、予め座標系（以下、「ＡＵＶ座標系」と称する）が設定されている。ＡＵＶ座標系は、互いに直交する前後軸Ｘ１、左右軸Ｘ２および上下軸Ｘ３を含む。ＡＵＶ座標系の原点Ｏは、艇体２の所定の点である。艇体２が水平に直線状に延びる水中構造物に平行に航走する場合、艇体２は、基本的に、ＡＵＶ座標系の前後軸Ｘ１が水中構造物の延在方向に平行となり、ＡＵＶ座標系の左右軸Ｘ２が水平方向に平行となり、ＡＵＶ座標系の上下軸Ｘ３が鉛直方向に平行となるように航走する。本願の明細書および特許請求の範囲において、ＡＵＶ１の方向の概念は、ＡＵＶ座標系を基準とした方向である。
【0017】
例えば艇体２は、その前部が水の抵抗の少ない流線型をなしている。
【0018】
推進装置３は、艇体２の前後方向、左右方向および上下方向に艇体２を移動可能で、且つ艇体２のヨー方向およびピッチ方向に姿勢変更可能に構成されている。なお、艇体２のヨー方向とは、ＡＵＶ座標系の上下軸Ｘ３回りの回転方向であり、艇体２のピッチ方向とは、ＡＵＶ座標系の左右軸Ｘ２回りの回転方向である。推進装置３は、複数のスラスタを含む。なお、図面では、艇体２の後部に設けられたスラスタのみ示し、それら以外のスラスタは省略する。
【0019】
制御装置４は、艇体２に収容されている。制御装置４は、艇体２が海底パイプラインＰに対して非接触状態でこの海底パイプラインＰを辿りながら航走するように推進装置３を制御する。制御装置４は、艇体２に設けられた各種機器から取得したデータに基づき、推進装置３を制御する。制御装置４による推進装置３の制御方法について、詳細は後述する。
【0020】
艇体２には、輪郭検出器５、慣性航法装置６、速度測定器７および記憶装置８が設けられている。
【0021】
輪郭検出器５は、艇体２から前斜め下に向かう方向に切断した断面における少なくとも海底パイプラインＰの上面の輪郭を検出する。輪郭検出器５は、艇体２の前部のやや下側部分に設けられている。輪郭検出器５は、例えば、プロファイリングソーナーである。輪郭検出器５は、図２に一点鎖線で示すように上下軸Ｘ３に沿って見て音響ビームを放射状（扇形状）に照射して、海底パイプラインＰおよび海底Ｇの上面の輪郭を点群データとして取得する。すなわち、輪郭検出器５は、検出対象の輪郭を線として検出しなくてもよく、輪郭を把握可能な輪郭上の複数の点を検出するものでもよい。
【0022】
輪郭検出器５は、左右軸Ｘ２に沿って見たときに、輪郭検出器５によるビームの照射方向が、図１に一点鎖線で示すように、上下軸Ｘ３に沿った下向きに対して照射角θの角度をなす前斜め下方向となるように、艇体２に固定されている。例えば照射角θは、２０°以上７０°以下、好ましくは３０°以上４５°以下の範囲内における任意の角度である。
【0023】
慣性航法装置６（ＩＮＳ； Inertial Navigation System）は、艇体２の加速度や艇体２の姿勢を検出する。慣性航法装置６は、互いに直交する３軸の各軸の延びる方向への加速度を検出する加速度計と、当該３軸の各軸の回りの角速度を検出するジャイロセンサとを含む。本実施形態において、慣性航法装置６の座標系の原点および３軸は、上述のＡＵＶ座標系の原点Ｏおよび３軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３にそれぞれ一致している。ただし、慣性航法装置６の座標系の原点および３軸が、上述のＡＵＶ座標系の原点Ｏおよび３軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３にそれぞれ一致していなくてもよい。
【0024】
速度測定器７は、艇体２の速度を測定する。例えば速度測定器７は、ドップラー速度ログ（ＤＶＬ； Doppler Velocity Log）である。ドップラー速度ログは、海底Ｇにいくつかの音響ビームを放射して、海底Ｇからの反射波または散乱波から対地速度を計測するための装置である。
【0025】
制御装置４は、慣性航法装置６および速度測定器７を用いて、地理座標系（経度，緯度，高度）における艇体２の位置や姿勢を算出する。このため、制御装置４は、ＡＵＶ座標系の任意の座標を地理座標系の座標に変換可能である。
【0026】
記憶装置８は、艇体２に設けられた各種機器により得られた測定結果や演算結果などを記憶する。記憶装置８は、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ、光ディスク等である。
【0027】
艇体２の下部からは、ロボットアーム１０が延びている。ロボットアーム１０は、制御装置４により制御される。また、ロボットアーム１０の先端部には、ツール１４が設けられている。本実施形態では、艇体２が海底パイプラインＰに対して非接触状態で海底パイプラインＰに沿って航走する間、ロボットアーム１０は、海底パイプラインＰにツール１４を接触させる、あるいは、海底パイプラインＰとツール１４との距離が所定の範囲内に収まるように海底パイプラインＰにツール１４を接近させる。
【0028】
ロボットアーム１０は、垂直多関節型のロボットアームである。具体的には、ロボットアーム１０は、第１リンク１１、第２リンク１２、第３リンク１３を有する。すなわちロボットアーム１０は、３自由度をもつロボットアームである。
【0029】
本実施形態では、第１リンク１１は、関節１１ａにより艇体２に、上下軸Ｘ３に平行な第１軸Ｃ１回りに回転可能に連結されている。第２リンク１２は、関節１２ａにより第１リンク１１に、第１軸Ｃ１に垂直な第２軸Ｃ２回りに回転可能に連結されている。第３リンク１３は、関節１３ａにより第２リンク１２に、第１軸Ｃ１および第２軸Ｃ２の双方に垂直な第３軸Ｃ３回りに連結されている。第３リンク１３は、長尺なアーム部材である。ただし、ロボットアーム１０の位置や構成はこれに限定されない。例えば、第１リンク１１は、第１軸Ｃ１は、上下軸Ｘ３に平行な直線に対して直交または斜めに交差する方向に延びていてもよい。
【0030】
関節１１ａ，１２ａ，１３ａには、それぞれ、駆動部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂが設けられている（図３参照）。駆動部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂは、例えばサーボモータである。また、関節１１ａ，１２ａ，１３ａには、それぞれ、サーボモータの回転角度位置を検出する位置センサが設けられている。制御装置４は、位置センサからの回転角度位置情報に基づき、駆動部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂを制御する。ロボットアーム１０の先端部は、ロボットアーム１０の基端部よりも後方に位置するように制御される。
【0031】
ツール１４は、長尺な第３リンク１３の先端部に連結されている。ツール１４と第３リンク１３の先端部との間に、１以上の関節が介在していてもよい。この場合、ツール１４と第３リンク１３との間の１以上の関節のうちの１つまたは全部に、制御装置４により制御される駆動部が設けられてもよい。あるいは、ツール１４と第３リンク１３との間の１以上の関節のいずれにも、駆動部が設けられていなくてもよい。
【0032】
ツール１４は、海底パイプラインＰを検査またはメンテナンスするための１以上の検査機器を含む。例えばツール１４が有する検査機器は、海底パイプラインＰの防食処置（例えば防食塗装）の劣化の程度を検査するための防食検査器である。ツール１４が有する検査機器は、防食検査器に限定されず、海底パイプラインＰの外表面を撮像するためのカメラであってもよいし、例えば超音波を用いて海底パイプラインＰの肉厚を検査可能な肉厚検査器であってもよい。
【0033】
海底パイプラインＰにツール１４が接触しながら艇体２が海底パイプラインＰに沿って航走する場合、ツール１４は、海底パイプラインＰと接触する接触部として車輪などを有していてもよい。
【0034】
図３は、図１に示すＡＵＶ１の制御系統の構成を示すブロック図である。制御装置４は、推進装置３、輪郭検出器５、慣性航法装置６、速度測定器７、記憶装置８、およびロボットアーム１０に電気的に接続されている。なお、制御装置４は、輪郭検出器５、慣性航法装置６、速度測定器７からデータを直接的に取得しなくてもよい。例えば、輪郭検出器５、慣性航法装置６、速度測定器７により計測されたデータは、記憶装置８に記憶されてもよく、制御装置４は、記憶装置８を介して輪郭検出器５、慣性航法装置６、速度測定器７から間接的に取得してもよい。
【0035】
制御装置４は、ハードウェア面において、例えば、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及びＩ／Ｏインターフェース等を有する。また、制御装置４は、機能面において、取得部３１、特定部３２、第１抽出部３３、第１直線算出部３４、推進制御部３５、第２抽出部３６、第２直線算出部３７およびアーム制御部３８を有する。取得部３１、特定部３２、第１抽出部３３、第１直線算出部３４、推進制御部３５、第２抽出部３６、第２直線算出部３７およびアーム制御部３８は、不揮発性メモリに記憶された制御プログラムに基づいて、プロセッサ（コンピュータ）が揮発性メモリを用いて演算処理することで実現される。
【0036】
（自律航走処理）
取得部３１、特定部３２、第１抽出部３３、第１直線算出部３４、推進制御部３５は、ＡＵＶ１が海底パイプラインＰを辿るための自律航走処理を実行する。自律航走処理について、自律航走処理の流れを示す図４を参照して説明する。
取得部３１、特定部３２、第１抽出部３３、第１直線算出部３４、推進制御部３５は、ＡＵＶ１が海底パイプラインＰを辿るための自律航走処理を実行する。自律航走処理について、自律航走処理の流れを示す図４を参照して説明する。
【0037】
取得部３１が、艇体２が移動する間、所定間隔おきに輪郭検出器５により検出された輪郭を取得する（ステップＳ１）。取得部３１が輪郭を取得する間隔は、予め定めた時間間隔（例えば数十ミリ秒）でもよいし、艇体２が航走する予め定めた距離間隔でもよい。取得部３１は、複数の輪郭を取得する所定間隔を、ＡＵＶ１の速度に応じて変更してもよい。
【0038】
図５（ａ）は、輪郭検出器５により検出されたデータの極座標グラフである。図５（ａ）において、横軸は、音響ビームの照射口を通過する左右軸Ｘ２に垂直な面に対する音響ビームの角度αであり（図２も参照）、縦軸は、音響ビームの照射口から反射面（すなわち海底Ｇまたは海底パイプラインＰの上面）までの距離である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す極座標グラフを直交座標系に変換した直交座標グラフである。取得部３１は、輪郭検出器５から直交座標系データを取得し、ＡＵＶ座標系に変換する。
【0039】
その後、特定部３２が、取得部３１が取得した輪郭ごとに、輪郭上の特定点を記憶装置８に記憶する（ステップＳ２）。本実施形態では、特定部３２は、海底パイプラインＰの輪郭の上下方向における最上点であるという条件を満たす輪郭上の点を、特定点として特定する。
【0040】
本実施形態では、特定部３２は、海底パイプラインＰおよび海底Ｇの上面の輪郭を点群データのうち、図２に二点鎖線で示すように、最小二乗法を使用して、海底パイプラインＰの上面の輪郭を構成すると推定される点群で近似される楕円を抽出する。そして、特定部３２は、抽出した楕円の最上点の位置座標を特定点の位置として算出する。
【0041】
特定部３２による海底パイプラインＰの輪郭の最上点の特定方法は、特に限定されない。特定部３２は、最小二乗法の代わりにハフ変換を使用して楕円を抽出してもよい。また、ハフ変換または最小二乗法を使用した楕円抽出のほか、テンプレートマッチングにより海底パイプラインＰの輪郭および最上点を算出してもよい。
【0042】
海底パイプラインＰの輪郭の最上点を特定点として特定した後、特定部３２は、ＡＵＶ座標系の特定点の座標を、地理座標系の座標に変換して、記憶装置８に記憶する。こうして、所定間隔おきに１つの特定点が記憶装置８に随時記憶されていく。
【0043】
第１抽出部３３が、記憶された複数の特定点（すなわち複数の特定点の位置座標）から、艇体２の現在位置（例えばＡＵＶ座標系における原点Ｏの位置）より前方に位置する複数の特定点を抽出する（ステップＳ３）。
【0044】
図６は、海底パイプラインＰと当該海底パイプラインＰに沿って航走するＡＵＶ１の概略上面図である。図６には、海底パイプラインＰにおいて、特定部３２が特定した特定点Ｘs-3，Ｘs-2，Ｘs-1，Ｘs，…，Ｘt-3，Ｘt-2，Ｘt-1，Ｘtが示されている。なお、艇体２の現在位置より前方に位置する特定点には、tを含む添え字を付し、艇体２の現在位置より後方に位置する特定点には、sを含む添え字を付して表記している。最新に特定された特定点はＸtという符合を付している。艇体２の現在位置は、例えばＡＵＶ座標系における原点Ｏの位置として定めてもよいし、ロボットアーム１０の基端部の位置として定めてもよい。
【0045】
ステップＳ３において、第１抽出部３３は、輪郭検出器５により検出された最新の輪郭の特定点Ｘtを含むように抽出する。本実施形態では、第１抽出部３３が、速度測定器７により測定された速度に応じて、記憶された複数の特定点の中から、抽出する複数の特定点の個数を変更する。例えば第１抽出部３３は、記憶装置８に記憶された複数の特定点から、最新のものから順に、艇体２の速度に応じた個数だけ特定点を抽出する。
【0046】
第１直線算出部３４が、抽出した複数の特定点の第１近似直線Ｌ１を算出する（ステップＳ４）。第１近似直線Ｌ１は、３次元座標系である地理座標系における直線である。図６には、第１直線算出部３４により算出される第１近似直線Ｌ１も示されている。
【0047】
推進制御部３５が、艇体２を上面視して艇体２の前後方向（すなわち前後軸Ｘ１）と第１近似直線とのなす角が小さくなり、且つ、艇体２を上面視してＡＵＶ座標系における原点Ｏと第１近似直線Ｌ１との距離が小さくなるように、推進装置３を制御する（ステップＳ５）。
【0048】
図７は、海底パイプラインＰと当該海底パイプラインＰに沿って航走するＡＵＶ１の概略側面図である。ステップＳ５では、推進制御部３５は、艇体２を側面視して艇体２の前後方向（すなわち前後軸Ｘ１）と第１近似直線Ｌ１とのなす角が小さくなるように、推進装置３を制御する。
【0049】
このようなステップＳ１～Ｓ５が繰り返されることで、ＡＵＶ１は、海底パイプラインＰに沿って自律航走する。
【0050】
（アーム制御処理）
制御装置４は、艇体２が移動する間、海底パイプラインＰにツール１４を接触させる、あるいは、ツール１４と海底パイプラインＰとの距離が所定の範囲内に収まるように海底パイプラインＰにツール１４を接近させるためのアーム制御処理を実行する。アーム制御処理は、取得部３１、特定部３２、第２抽出部３６、第２直線算出部３７、アーム制御部３８により実行される。以下、アーム制御処理について、図６、７を参照して説明する。
制御装置４は、艇体２が移動する間、海底パイプラインＰにツール１４を接触させる、あるいは、ツール１４と海底パイプラインＰとの距離が所定の範囲内に収まるように海底パイプラインＰにツール１４を接近させるためのアーム制御処理を実行する。アーム制御処理は、取得部３１、特定部３２、第２抽出部３６、第２直線算出部３７、アーム制御部３８により実行される。以下、アーム制御処理について、図６、７を参照して説明する。
【0051】
アーム制御処理でも、自律航走処理のステップＳ１、Ｓ２と同様、海底パイプラインＰの輪郭の取得と、特定点の特定および記憶を行う。つまり、自律航走処理のステップＳ２において記憶装置７に記憶された特定点が、アーム制御処理でも使用される。
【0052】
第２抽出部３６は、ステップＳ２で記憶された複数の特定点から、艇体２の現在位置より後方の複数の特定点を、アーム用抽出点として抽出する。第２直線算出部３７は、抽出した複数のアーム用抽出点の近似直線を、第２近似直線Ｌ２として算出する。図６、７には、第２直線算出部３７により算出される第２近似直線Ｌ２も示されている。第２近似直線Ｌ２は、３次元座標系である地理座標系における直線である。
【0053】
本実施形態では、第２抽出部３６は、２つの特定点を抽出する。具体的には、第２抽出部３６は、ロボットアーム１０の可動範囲を画定する境界面Ｂの内側にある第１特定点Ｘs、および、境界面Ｂの外側にあり且つ特定部３２が第１特定点Ｘsを特定する直前に特定した第２特定点Ｘs-1を抽出する。図６、７には、境界面Ｂが破線で示される。そして、第２直線算出部３７は、第１特定点Ｘsと第２特定点Ｘs-1とを通過する直線を第２近似直線Ｌ２として算出する。
【0054】
アーム制御部３８は、境界面Ｂと第２近似直線Ｌ２との交点に、ロボットアーム１０の先端部、すなわちツール１４が位置するように、ロボットアーム１０を制御する。
【0055】
このように、アーム制御処理は、自律航走処理におけるステップＳ３の第１抽出部３３の処理を、第２抽出部３６の処理に置き換え、ステップＳ４の第１直線算出部３４の処理を、第２直線算出部３７の処理に置き換え、ステップＳ５の推進制御部３５の処理を、アーム制御部３８の処理に置き換えたものである。このようなステップが繰り返されることで、海底パイプラインＰを検査・メンテナンス可能な位置にツール１４を維持できる。
【0056】
以上に説明したように、本実施形態に係るＡＵＶ１では、艇体２の前方に位置する海底パイプラインＰの複数の特定点の第１近似直線Ｌ１を算出するという簡易な演算で、ＡＵＶ１の前方で海底パイプラインＰがどのような方向に延在しているかをＡＵＶ１側で即時に把握できる。また、ＡＵＶ１側で把握した情報をＡＵＶ１の動作に反映させて、艇体２を上面視して艇体２が海底パイプラインＰから離れるのを抑制できる。従って、ＡＵＶ１による海底パイプラインＰの高速トラッキングを実現できる。
【0057】
また、本実施形態では、艇体２の前方に位置する海底パイプラインＰの複数の特定点の第２近似直線Ｌ２を算出し、ロボットアーム１０の可動範囲内の所定の曲面Ｂと第２近似直線Ｌ２との交点にロボットアーム１０の先端部が位置するように、ロボットアーム１０が制御される。このため、簡単な演算で、ロボットアーム１０の先端部と水中構造物との距離が一定の範囲内に維持するようロボットアーム１０を制御できる。
【0058】
（その他の実施形態）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【0059】
例えば艇体２が辿る水中構造物は、海底パイプラインＰに限定されず、また、水中構造物の形状も断面円形のものに限定されない。艇体２が辿る水中構造物は、例えば、海底パイプラインＰを覆うカバー構造物であってもよい。
【0060】
艇体２が辿る水中構造物は、外表面が円形であるものに限定されない。例えば、水中構造物の外表面は、水平な２辺と鉛直な２辺とからなる方形状であってもよい。この場合、特定部３２は、輪郭の左右方向における中心点であるという条件を満たす輪郭上の点を、特定点として特定してもよい。特定点は、水中構造物の最上点でなくてもよい。水中構造物が水平な最上面を有する場合、水中構造物における延在方向に垂直な断面において、最上面の左右方向における一端を特定点としてもよい。水中構造物の上面に延在方向に延在する溝を有する場合、溝部分を特定点としてもよい。この場合、特定部３２は、テンプレートマッチングにより水中構造物の特定点を算出してもよい。
【0061】
また、上記実施形態では、艇体２が海底パイプラインＰに対して非接触状態でこの海底パイプラインＰを辿りながら航走したが、艇体２は、水中構造物に対して接触しながら当該水中構造物に沿って航走してもよい。
【0062】
艇体２、ロボットアーム１０およびツール１４の形状や構成も、上記実施形態で説明されたものに限定されるものではない。また、ロボットアーム１０は、艇体２の下部ではなく、艇体２の後部に連結されていてもよい。
【0063】
推進装置３は、複数のスラスタを含まなくてもよく、首振り式の１つのスラスタであってもよい。推進装置３は、艇体２の前後方向、左右方向および上下方向に艇体２を移動可能に構成されていたが、推進装置３は少なくとも前後方向に艇体２を移動可能に構成されていればよい。
【0064】
また、推進装置３は、艇体２のヨー方向およびピッチ方向に姿勢変更可能に構成されていたが、推進装置３は、艇体２の少なくともヨー方向に姿勢変更可能に構成されていればよい。推進制御部３５は、艇体２を側面視して艇体２の前後方向（すなわち前後軸Ｘ１）と第１近似直線Ｌ１とのなす角が小さくするピッチ方向の制御を行わなくてもよい。上記実施形態では、第１近似直線Ｌ１および第２近似直線Ｌ２は、３次元座標系における直線として算出されたが、例えば地理座標系における高さ方向の次元を除く２次元座標系の直線として算出されてもよい。
【0065】
上記実施形態では、推進制御部３５が、艇体２を上面視してＡＵＶ座標系における原点Ｏと第１近似直線Ｌ１との距離が小さくなるように推進装置３を制御したが、ＡＵＶ座標系における原点Ｏ以外の艇体２の点と第１近似直線Ｌ１との距離が小さくなるように推進装置３を制御してもよい。
【0066】
輪郭検出器５は、プロファイリングソーナーでなくてもよく、艇体２から前斜め下に向かう方向に切断した断面における水中構造物の上面の輪郭を検出する装置であればよい。例えば輪郭検出器５は、音響ビームではなく光ビームを艇体２から前斜め下に向かう方向に放射状に照射するレーザーレンジファインダーであってもよい。
【0067】
速度測定器７は、ドップラー速度ログでなくてもよい。慣性航法装置６が速度測定器７として機能してもよい。すなわち、慣性航法装置６が、検出した艇体２の加速度から艇体２の速度を算出してもよい。
【0068】
上記実施形態では、制御装置４が、慣性航法装置６および速度測定器７を用いて、地理座標系における艇体２の位置を算出したが、地理座標系における艇体２の位置情報を算出するために必要な情報を取得する装置（以下、「座標情報取得装置」）は、これに限定されない。例えば座標情報取得装置は、艇体２に設けられた音響測位装置であってもよい。例えば、制御装置４は、艇体に設けられた音響測位装置を用いて、地理座標系が既知である基準位置に対する艇体２の位置を音響測位してもよい。この場合、ＡＵＶ１は、座標情報取得装置として速度測定器７を備えなくてもよい。音響測位方式は、特に限定されず、ＬＢＬ (Long Base Line)、ＳＢＬ(Short Base Line)、ＳＳＢＬ(Super Short Base Line)のいずれでもよい。基準位置は、海底に予め設置されたトランスポンダの位置でもよいし、艇体２の上方において海上を航行する、ＧＰＳを搭載した母船の位置でもよい。
【0069】
上記実施形態では、特定部３２は、ＡＵＶ座標系の特定点の座標を、地理座標系の座標に変換して、記憶装置８に記憶したが、特定部３２は、ＡＵＶ座標系の特定点の座標をそのまま記憶装置８に記憶してもよい。ただし、この場合、記憶した過去の特定点は、ＡＵＶ１の移動に応じた補正を行ってから近似直線の算出などに用いる必要がある。
【0070】
上記実施形態では、第２直線算出部３７が、第１特定点Ｘsと第２特定点Ｘs-1とを通過する直線を第２近似直線Ｌ２として算出したが、第２近似直線Ｌ２の算出方法はこれに限定されない。例えば第２直線算出部３７が、第１特定点Ｘsと第２特定点Ｘs-1とを含む３つ以上の特定点の近似直線を第２近似直線Ｌ２として算出してもよい。
【0071】
アーム制御部３８は、ロボットアーム１０の可動範囲を画定する境界面Ｂと第２近似直線Ｌ２との交点に、ロボットアーム１０の先端部が位置するように、ロボットアーム１０を制御したが、アーム制御部３８は、ロボットアーム１０の可動範囲内の別の曲面と第２近似直線Ｌ２との交点に、ロボットアーム１０の先端部が位置するように、ロボットアーム１０を制御してもよい。ロボットアーム１０は４以上の自由度をもつロボットアームでもよい。
【0072】
前記水中構造物は、海底パイプライン、および、前記海底パイプラインを覆うカバー構造物のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【0073】
前記特定部は、前記輪郭の左右方向における中心点であるという条件、および、前記輪郭の上下方向における最上点であるという条件のいずれかを満たす前記輪郭上の点を、前記特定点として特定してもよい。この構成によれば、上面視したときの水中構造物の中心線上に特定点を設定しやすい。
【0074】
前記近似直線は、３次元座標系における直線であり、前記推進装置３は、前記艇体のピッチ方向に姿勢変更可能であり、前記推進制御部は、前記艇体を側面視して前記艇体の前後方向と前記近似直線とのなす角が小さくなるように、前記推進装置３を制御してもよい。この構成によれば、艇体を側面視したときの艇体の進む向きを、艇体の前方の水中構造物の延在方向に近づけることができる。このため、艇体を側面視して、艇体が水中構造物に対して近づきすぎたり離れすぎたりすることを抑制できる。
【0075】
ＡＵＶ１は、前記艇体の速度を測定する速度測定器を有し、前記抽出部は、前記速度測定器により測定された速度に応じて、記憶された複数の前記特定点の中から、抽出する複数の前記特定点の範囲または個数を変更してもよい。この構成によれば、艇体が水中構造物から離れるのを抑制するのに適した近似直線を算出することができる。
【0076】
ＡＵＶは、前記艇体から延びるロボットアームを更に備え、前記抽出部および前記直線算出部は、それぞれ、第１抽出部および第１直線算出部であり、前記制御装置は、記憶された複数の前記特定点から、前記艇体の現在位置より後方の複数の前記特定点を、アーム用抽出点として抽出する第２抽出部と、抽出した複数の前記アーム用抽出点の近似直線を、第２近似直線として算出する第２直線算出部と、前記ロボットアームの可動範囲内の所定の曲面と前記第２近似直線との交点に、前記ロボットアームの先端部が位置するように、前記ロボットアームを制御するアーム制御部と、を更に含んでもよい。この構成によれば、簡単な演算で、ロボットアームの先端部と水中構造物との距離が一定の範囲内に維持するようロボットアームを制御できる。
【0077】
前記所定の曲面は、前記ロボットアームの前記可動範囲を画定する境界面であってもよい。
【0078】
前記第２抽出部は、前記境界面の内側にある第１特定点、および、前記境界面の外側にあり且つ前記特定部が前記第１特定点を特定する直前に特定した第２特定点を、前記アーム用抽出点として抽出し、前記第２直線算出部は、前記第１特定点と前記第２特定点とを通過する直線を前記第２近似直線として算出してもよい。この構成によれば、水中構造物におけるロボットアーム先端部近傍部分と同じ方向に延びる第２近似直線を算出しやすい。
【0079】
制御プログラムは、記憶器に記憶される。前記記憶器は、コンピュータに内蔵または外付けされる読み書き可能または読み取り可能な装置であり、例えば、ハードディスク、フラッシュメモリ、光ディスク等を用いることができる。前記記憶器に記憶されたプログラムは、前記記憶器が直接接続されるコンピュータにおいて実行されてもよいし、前記記憶器とネットワーク（例えば、インターネット）を介して接続されたコンピュータにおいてダウンロードされて実行されてもよい。
【符号の説明】
【0080】
１ ：ＡＵＶ（自律型無人潜水機）
２ ：艇体
３ ：推進装置
４ ：制御装置
５ ：輪郭検出器
６ ：慣性航法装置
７ ：速度測定器
８ ：記憶装置
１０ ：ロボットアーム
３１ ：取得部
３２ ：特定部
３３ ：第１抽出部
３４ ：第１直線算出部
３５ ：推進制御部
３６ ：第２抽出部
３７ ：第２直線算出部
３８ ：アーム制御部
Ｐ ：海底パイプライン
Ｇ ：海底
２ ：艇体
３ ：推進装置
４ ：制御装置
５ ：輪郭検出器
６ ：慣性航法装置
７ ：速度測定器
８ ：記憶装置
１０ ：ロボットアーム
３１ ：取得部
３２ ：特定部
３３ ：第１抽出部
３４ ：第１直線算出部
３５ ：推進制御部
３６ ：第２抽出部
３７ ：第２直線算出部
３８ ：アーム制御部
Ｐ ：海底パイプライン
Ｇ ：海底
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】