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JP2022145659A - 水上中継機と水中航走体との連結システム及びその運用方法 - Google Patents

水上中継機と水中航走体との連結システム及びその運用方法 Download PDF

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JP2022145659A
JP2022145659A JP2022043770A JP2022043770A JP2022145659A JP 2022145659 A JP2022145659 A JP 2022145659A JP 2022043770 A JP2022043770 A JP 2022043770A JP 2022043770 A JP2022043770 A JP 2022043770A JP 2022145659 A JP2022145659 A JP 2022145659A
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waterborne
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JP2022043770A
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雅彦 篠野
Masahiko Sasano
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Original Assignee
National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
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Abstract

Figure 2022145659000001
【課題】水中航走体で取得された撮像画像等の情報を水上中継機を介して母船等に高速かつ安定に通信する。
【解決手段】中継機推進手段と中継機位置計測手段を有した水上中継機２００と、航走体位置推定手段を有した水中航走体１００と、水中航走体で得られた画像情報を含む取得情報の伝送を行う情報伝送線と、水上中継機と水中航走体に目標緯度及び目標経度を設定する位置設定手段と、水上中継機と水中航走体を制御する制御手段とを備え、設定された目標緯度及び目標経度と中継機位置計測手段で計測された水上位置に基づいて中継機推進手段を駆動し水上中継機の位置を制御手段で制御するとともに、設定された目標緯度及び目標経度と航走体位置推定手段で推定された水中位置に基づいて水中航走体の位置を制御手段で制御することで、水中航走体と水上中継機が目標緯度及び目標経度まで水面と水中における鉛直位置関係を保持しながら並走するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水上中継機と水中航走体との連結システム及びその運用方法に関する。
近年、鉱物資源をはじめとするあらゆる資源の供給源として海底等の水底が注目を集めている。それに伴って、水底調査の必要性も高まりつつある。そこで、水中を航走する水中航走体の位置を高い精度で制御する技術が必要とされている。
母船から電波により誘導制御される無人艇と、当該無人艇からケーブルを介して連結された水中航走体とを備え、母船から無人艇を介して水中航走体へ制御信号を伝達することによって水中航走体の位置を制御する技術が開示されている（特許文献１）。
水中を走行する水中航走体と、当該水中航走体に追従して水面を航走する水上艇とを備え、水上艇はＧＰＳ処理部によって自己位置を取得すると共に、水中音響通信により当該自己位置を水中航走体へ送信するシステムが開示されている（特許文献２）。水上艇の自己位置に基づいて、水中航走体は、水中を自律航走することが可能とされている。
同様に、水中を走行する水中航走体と、当該水中航走体に追従して水面を航走する水上航走体とを備え、水上航走体は水中音響通信により水中航走体の位置を取得し、当該水中航走体の位置に基づいて水中航走体に水上航走体を追従させるように制御するシステムが開示されている（特許文献３）。
また、遠隔操作ビークル（ＲＯＶ）、通信中継局として機能するように構成された自律型水上艦（ＡＳＶ）を使用して海中を調査するシステムが開示されている（特許文献４）。自律型水上艦（ＡＳＶ）は、制御ステーションから遠隔操作ビークル（ＲＯＶ）にデータを送信するための中継局として使用される。
特開昭５７－１９６３０９号公報 特開平８－２４９０６０号公報 特開２０１７－１６５３３３号公報 国際公開第２０１８／１１２０４５号
ところで、従来の自律型水中航走体は、無索の独立した水中航走体であり、母船との通信手段として主に水中音響通信が用いられる。しかしながら、通信速度が限られるため、水中カメラによる映像等の情報を母船上においてリアルタイムに十分な速度で確認することができなかった。
請求項１に対応した水上中継機と水中航走体との連結システムは、中継機推進手段と中継機位置計測手段を有した水上中継機と、航走体位置推定手段を有した水中航走体と、前記水上中継機と前記水中航走体とを接続し、前記水中航走体で得られた画像情報を含む取得情報の伝送を行う情報伝送線と、前記水上中継機と前記水中航走体に目標緯度及び目標経度を設定する位置設定手段と、前記水上中継機と前記水中航走体を制御する制御手段とを備え、設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記中継機位置計測手段で計測された水上位置に基づいて前記中継機推進手段を駆動し前記水上中継機の位置を前記制御手段で制御するとともに、設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記航走体位置推定手段で推定された水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を前記制御手段で制御することで、前記水中航走体と前記水上中継機が前記目標緯度及び前記目標経度まで水面と水中における鉛直位置関係を保持しながら並走することを特徴とする。
ここで、前記位置設定手段を有する母船を備え、前記母船と前記水上中継機とが無線通信を利用して前記目標緯度及び前記目標経度及び前記取得情報の伝送を行うことが好適である。
また、前記母船から前記水上中継機及び前記水中航走体の少なくとも一方の遠隔操作が可能であることが好適である。
また、前記中継機位置計測手段は、衛星測位システム受信機と姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を有することが好適である。また、前記航走体位置推定手段は、慣性航法装置(ＩＮＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)、又は姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)を有することが好適である。
また、前記航走体位置推定手段は、深度計を有し、前記位置設定手段で設定された深度に前記水中航走体が位置するように前記制御手段で前記水中航走体を制御することが好適である。
また、前記水上中継機は、前記水中航走体を撮像可能な中継機撮像手段を有することが好適である。
また、前記水中航走体は、水に対して中性浮力を有することが好適である。
また、前記水上中継機、前記水中航走体、前記情報伝送線、及び前記制御手段を複数組備え、前記位置設定手段で前記複数組ごとの前記目標緯度及び前記目標経度を設定することが好適である。
また、前記情報伝送線の中間に他の前記水中航走体を備えることが好適である。
また、前記情報伝送線の複数箇所に複数の受振手段と、音響を水中に発振する音響発振手段を前記母船に有し、前記音響発振手段による音響発振に伴う地層からの反射音響振動を複数の前記受振手段で取得し、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線を利用して伝送することが好適である。
請求項１２に対応した水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法は、前記水中航走体を水中に投入する航走体投入ステップと、前記水中航走体を水底に接近させ所定の位置に保持する航走体下降ステップと、前記水上中継機を水面に投入する中継機投入ステップと、前記水上中継機と前記水中航走体とを前記鉛直位置関係に臨ませる鉛直位置確保ステップと、前記鉛直位置関係に臨ませたのちに前記中継機位置計測手段で計測した前記水上位置を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置の初期位置として入力する初期位置入力ステップとを備える。
ここで、前記複数組ごとに、前記航走体投入ステップ、前記航走体下降ステップ、前記中継機投入ステップ、前記鉛直位置確保ステップ、及び前記初期位置入力ステップを繰り返すことが好適である。
また、前記航走体投入ステップと航走体下降ステップとの間に、他の前記水中航走体を水中に投入する中間水中航走体投入ステップと、他の前記水中航走体を前記水面と前記水底との中間の位置に保持する中間水中航走体下降ステップを備え、前記鉛直位置確保ステップで他の前記水中航走体を前記鉛直位置関係に臨ませ、前記初期位置入力ステップで前記水上位置を前記情報伝送線を介して他の前記水中航走体に伝送することが好適である。
また、前記航走体投入ステップの前に前記水中航走体及び前記水上中継機の動作が正常かを確認するステータス確認ステップを備えることが好適である。
また、前記航走体投入ステップと前記航走体下降ステップとの間に、前記水中航走体の前記航走体位置推定手段の前記水中位置の推定値が妥当な値かを判断する推定値判断ステップを備えることが好適である。
また、前記鉛直位置確保ステップにおいて、前記水上中継機と前記水中航走体とが前記鉛直位置関係に臨んでいない場合、操作者が前記水上中継機を操作して前記水中航走体が前記鉛直位置関係に臨むように位置補正して前記鉛直位置関係を確保することが好適である。
また、前記初期位置入力ステップの後、前記位置設定手段から前記水上中継機に前記目標緯度及び前記目標経度を設定する目標位置設定ステップと、設定された前記目標緯度及び前記目標経度を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し入力する目標位置入力ステップと、前記目標緯度及び前記目標経度に前記水上中継機と前記水中航走体が前記鉛直位置関係を保持しながら等速で並走して向かうように制御する航走制御ステップと、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置保持を行う位置保持ステップをさらに備えることが好適である。
また、前記航走制御ステップは、前記中継機位置計測手段で計測された前記水上位置に基づいて前記水上中継機の位置を制御するとともに、前記航走体位置推定手段で推定された前記水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を制御することが好適である。
また、前記航走制御ステップは、前記水上中継機の前記水上位置が前記目標緯度及び前記目標経度の到達範囲内であるか否かを判断する中継機到達判断ステップと、前記水中航走体の前記水中位置が前記目標緯度及び前記目標経度の前記到達範囲内であるか否かを判断する航走体到達判断ステップを有し、前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至った場合に前記位置保持ステップに移行することが好適である。
また、前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至っていない場合に前記水上中継機と前記水中航走体を前記目標緯度及び前記目標経度に向かわせる制御を続行することが好適である。
また、操作者が撮像手段を用いて前記水中航走体の位置を確認する航走体位置確認ステップと、前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置しているかを判断する位置判断ステップと、前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置している場合に、前記中継機位置計測手段で得られた前記水上位置を情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置を制御して前記水上中継機と前記水中航走体の前記鉛直位置関係を補正する水中位置補正ステップを備えることが好適である。
また、前記航走体位置確認ステップにおいて前記操作者が前記水中航走体の位置を確認できない場合に、前記水中航走体の位置を制御して前記水中航走体を前記撮像手段で確認できる位置にまで上昇させる航走体上昇ステップを備えることが好適である。
また、前記位置判断ステップにおいて前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置していないと判断された場合に、前記操作者の操作によって前記水上中継機の位置を制御して前記水中航走体の直上に移動させる位置ずれ補正ステップを備えることが好適である。
また、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置を制御して、前記水中航走体の航走体撮像手段で水中を探査する探査ステップと、前記探査で得られた画像情報を含む取得情報を、前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることが好適である。
また、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記母船に有した前記音響発振手段から音響を発振する音響発振ステップと、複数の前記受振手段で前記地層からの前記反射音響振動を取得する反射音響振動取得ステップと、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることが好適である。
請求項１に対応した水上中継機と水中航走体との連結システムによれば、中継機推進手段と中継機位置計測手段を有した水上中継機と、航走体位置推定手段を有した水中航走体と、前記水上中継機と前記水中航走体とを接続し、前記水中航走体で得られた画像情報を含む取得情報の伝送を行う情報伝送線と、前記水上中継機と前記水中航走体に目標緯度及び目標経度を設定する位置設定手段と、前記水上中継機と前記水中航走体を制御する制御手段とを備え、設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記中継機位置計測手段で計測された水上位置に基づいて前記中継機推進手段を駆動し前記水上中継機の位置を前記制御手段で制御するとともに、設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記航走体位置推定手段で推定された水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を前記制御手段で制御することで、前記水中航走体と前記水上中継機が前記目標緯度及び前記目標経度まで水面と水中における鉛直位置関係を保持しながら並走することによって、前記水中航走体で取得された撮像画像等の大容量の画像情報を前記水上中継機を介して母船等に高速かつ安定に伝送することができる。
ここで、前記位置設定手段を有する母船を備え、前記母船と前記水上中継機とが無線通信を利用して前記目標緯度及び前記目標経度及び前記取得情報の伝送を行うことによって、前記母船から前記水上中継機までをケーブル等の有線で接続することなく、前記母船と前記水上中継機との間の通信を行うことができる。
また、前記母船から前記水上中継機及び前記水中航走体の少なくとも一方の遠隔操作が可能であることによって、前記水上中継機及び前記水中航走体をそれぞれの目標位置に移動させ、前記水上中継機と前記水中航走体を適切な相対的な位置関係とすることができる。
また、前記中継機位置計測手段は、衛星測位システム受信機と姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を有することによって、前記衛星測位システム受信機と前記姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を用いて前記水上中継機の位置を計測することができる。また、前記航走体位置推定手段は、慣性航法装置(ＩＮＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)、又は姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)を有することによって、前記慣性航法装置(ＩＮＳ)と前記ドップラー対地速度計(ＤＶＬ)、又は前記姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)と前記ドップラー対地速度計(ＤＶＬ)を用いて前記水中航走体の位置を計測することができる。
また、前記航走体位置推定手段は、深度計を有し、前記位置設定手段で設定された深度に前記水中航走体が位置するように前記制御手段で前記水中航走体を制御することによって、前記水中航走体を目標となる深度に向けて航走させることができる。
また、前記水上中継機は、前記水中航走体を撮像可能な中継機撮像手段を有することによって、前記中継機撮像手段によって撮像された画像において前記水中航走体を確認し、確認された状況に応じて前記水中航走体と前記水上中継機を移動させることができる。
また、前記水中航走体は、水に対して中性浮力を有することによって、前記水中航走体の浮力を容易に確保することができる。
また、前記水上中継機、前記水中航走体、前記情報伝送線、及び前記制御手段を複数組備え、前記位置設定手段で前記複数組ごとの前記目標緯度及び前記目標経度を設定することによって、同時に広い範囲の資源や水底ケーブル等の検査対象物を調査することができ、調査時間を短縮することができる。
また、前記情報伝送線の中間に他の前記水中航走体を備えることによって、中間の他の水中航走体の水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）を制御することによって水上中継機に対してより高い精度の位置制御を実現することができる。
また、前記情報伝送線の複数箇所に複数の受振手段と、音響を水中に発振する音響発振手段を前記母船に有し、前記音響発振手段による音響発振に伴う地層からの反射音響振動を複数の前記受振手段で取得し、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線を利用して伝送することによって、ＶＣＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｂｌｅ Ｓｅｉｍｉｃ）解析等の解析を適用して水底や反射面の構造を高い精度で把握することができる。
請求項１２に対応した水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法によれば、前記水中航走体を水中に投入する航走体投入ステップと、前記水中航走体を水底に接近させ所定の位置に保持する航走体下降ステップと、前記水上中継機を水面に投入する中継機投入ステップと、前記水上中継機と前記水中航走体とを前記鉛直位置関係に臨ませる鉛直位置確保ステップと、前記鉛直位置関係に臨ませたのちに前記中継機位置計測手段で計測した前記水上位置を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置の初期位置として入力する初期位置入力ステップとを備えることによって、前記水中航走体で取得された撮像画像等の情報を前記水上中継機を介して母船等に高速かつ安定に通信することができる。
ここで、前記複数組ごとに、前記航走体投入ステップ、前記航走体下降ステップ、前記中継機投入ステップ、前記鉛直位置確保ステップ、及び前記初期位置入力ステップを繰り返すことによって、同時に広い範囲の資源や水底ケーブル等の検査対象物を調査することができ、調査時間を短縮することができる。
また、前記航走体投入ステップと航走体下降ステップとの間に、他の前記水中航走体を水中に投入する中間水中航走体投入ステップと、他の前記水中航走体を前記水面と前記水底との中間の位置に保持する中間水中航走体下降ステップを備え、前記鉛直位置確保ステップで他の前記水中航走体を前記鉛直位置関係に臨ませ、前記初期位置入力ステップで前記水上位置を前記情報伝送線を介して他の前記水中航走体に伝送することによって、同時に広い範囲の資源や水底ケーブル等の検査対象物を調査することができ、調査時間を短縮することができる。
ここで、前記航走体投入ステップの前に前記水中航走体及び前記水上中継機の動作が正常かを確認するステータス確認ステップを備えることによって、前記水中航走体及び前記水上中継機が正常であることを確認したうえで前記水中航走体及び前記水上中継機を投入することができる。
また、前記航走体投入ステップと前記航走体下降ステップとの間に、前記水中航走体の前記航走体位置推定手段の前記水中位置の推定値が妥当な値かを判断する推定値判断ステップを備えることによって、前記水中航走体の前記航走体位置推定手段の動作を確認したうえで前記水中航走体を水中に降下させることができる。
また、前記鉛直位置確保ステップにおいて、前記水上中継機と前記水中航走体とが前記鉛直位置関係に臨んでいない場合、操作者が前記水上中継機を操作して前記水中航走体が前記鉛直位置関係に臨むように位置補正して前記鉛直位置関係を確保することによって、前記水上中継機と前記水中航走体を適切な前記鉛直位置関係にすることができる。
また、前記初期位置入力ステップの後、前記位置設定手段から前記水上中継機に前記目標緯度及び前記目標経度を設定する目標位置設定ステップと、設定された前記目標緯度及び前記目標経度を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し入力する目標位置入力ステップと、前記目標緯度及び前記目標経度に前記水上中継機と前記水中航走体が前記鉛直位置関係を保持しながら等速で並走して向かうように制御する航走制御ステップと、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置保持を行う位置保持ステップをさらに備えることによって、前記水上中継機及び前記水中航走体を目標位置に移動させ、前記水上中継機と前記水中航走体の位置関係を保持することができる。
また、前記航走制御ステップは、前記中継機位置計測手段で計測された前記水上位置に基づいて前記水上中継機の位置を制御するとともに、前記航走体位置推定手段で推定された前記水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を制御することによって、前記水上位置に基づいて前記水上中継機を目標位置に移動させると共に前記水中位置に基づいて前記水中航走体を目標位置に移動させ、前記水上中継機と前記水中航走体の位置関係を保持することができる。
また、前記航走制御ステップは、前記水上中継機の前記水上位置が前記目標緯度及び前記目標経度の到達範囲内であるか否かを判断する中継機到達判断ステップと、前記水中航走体の前記水中位置が前記目標緯度及び前記目標経度の前記到達範囲内であるか否かを判断する航走体到達判断ステップを有し、前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至った場合に前記位置保持ステップに移行することによって、前記水上中継機及び前記水中航走体をそれぞれ目標位置の到達範囲内に移動させ、前記水上中継機と前記水中航走体の位置関係を保持することができる。
また、前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至っていない場合に前記水上中継機と前記水中航走体を前記目標緯度及び前記目標経度に向かわせる制御を続行することによって、前記水上中継機及び前記水中航走体をそれぞれ目標位置の到達範囲内に移動させ、前記水上中継機と前記水中航走体の位置関係を保持することができる。
また、撮像手段を用いて前記水中航走体の位置を確認する航走体位置確認ステップと、前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置しているかを判断する位置判断ステップと、前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置している場合に、前記中継機位置計測手段で得られた前記水上位置を情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置を制御して前記水上中継機と前記水中航走体の前記鉛直位置関係を補正する水中位置補正ステップを備えることによって、前記撮像された画像において前記水中航走体を確認し、前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置するように前記水上中継機と前記水中航走体の鉛直方向の位置関係を補正することができる。
また、前記航走体位置確認ステップにおいて前記操作者が前記水中航走体の位置を確認できない場合に、前記水中航走体の位置を制御して前記水中航走体を前記撮像手段で確認できる位置にまで上昇させる航走体上昇ステップを備えることによって、前記水中航走体を上昇させて前記撮像された画像において前記水中航走体を確認できる状況とすることができる。
また、前記位置判断ステップにおいて前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置していないと判断された場合に、前記操作者の操作によって前記水上中継機の位置を制御して前記水中航走体の直上に移動させる位置ずれ補正ステップを備えることによって、前記水中航走体の直下に前記水上中継機が位置するように前記水上中継機と前記水中航走体の鉛直方向の位置関係を補正することができる。
また、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置を制御して、前記水中航走体の航走体撮像手段で水中を探査する探査ステップと、前記探査で得られた画像情報を含む取得情報を、前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることによって、水中航走体によって得られた画像情報を映写したり、解析したりすることができる。
また、前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記母船に有した前記音響発振手段から音響を発振する音響発振ステップと、複数の前記受振手段で前記地層からの前記反射音響振動を取得する反射音響振動取得ステップと、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることによって、ＶＣＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｂｌｅ Ｓｅｉｍｉｃ）解析等の解析を適用して水底や反射面の構造を高い精度で把握することができる。
本発明の実施の形態における水上中継機と水中航走体との連結システムの構成概念図である。 本発明の実施の形態における水中航走体の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における水上中継機の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における母船の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における水中航走体及び水上中継機の投入時の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における水中航走体及び水上中継機の航走時の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における水中航走体及び水上中継機の鉛直位置の補正処理を示すフローチャートである 変形例１における水上中継機と水中航走体との連結システムの構成概念図である。 変形例２における水上中継機と水中航走体との連結システムの構成概念図である。 変形例２における水中航走体及び水上中継機の投入時の処理を示すフローチャートである。 変形例３における水上中継機と水中航走体との連結システムの構成概念図である。 変形例３における音響発振器及び受振器を用いた処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における水上中継機と水中航走体との連結システムを用いた測定処理を示すフローチャートである。
＜水上中継機と水中航走体との連結システム＞
本発明の実施の形態における水上中継機と水中航走体との連結システムは、図１に示すように、水中航走体１００、水上中継機２００及び母船３００を含んで構成される。水中航走体１００は、水面と水底４００との間の水中において使用される。また、水上中継機２００は、水面において使用される。
水中航走体１００と水上中継機２００とはケーブル５００によって連結される。なお、連結システムの連結とは、単にケーブル５００等で水中航走体１００と水上中継機２００とを連結することのみならず、水中航走体１００と水上中継機２００とが連係して航走すること、連携して作業を行うこと等も含むものである。また、ケーブル５００には、情報を伝送する機能以外に、電力の伝送や曳引の機能等を持たせることもできる。
水中航走体１００は、水中を自律航走して、目標物である資源や水底ケーブル等の検査対象物を調査するために使用される。水中航走体１００の利用範囲は、海中に限定されず、河川、湖、池、沼等や人工のプール等で利用してもよい。水上中継機２００は、水中航走体１００に追従して水上を航走して、水中航走体１００と母船３００との間の通信を中継するために使用される。母船３００は、水中航走体１００から調査に関する情報を受信すると共に、水中航走体１００及び水上中継機２００に対して航走のための情報を提供する。
なお、本実施の形態では、母船３００としたが、特に船舶に限定されるものではなく、陸上に配置された基地局であってもよいし、水中に配置した水中母艦であってもよいし、空中を飛行する飛行体としてもよい。特に、水中に配置した水中母艦の場合、例えば、水面近傍に水中母艦を配置し空中に臨ませたアンテナにより電波を利用して水上中継機２００と通信をすることや、完全に水中に配置し光通信を利用して水上中継機２００と直接通信することも可能である。
＜水中航走体の構成＞
本発明の実施の形態における水中航走体１００は、図２の構成概念図に示すように、艇体１０、制御手段１２、記憶手段１４、通信手段１６、航走手段１８、航走体位置推定手段２０及び航走体撮像手段２２を含んで構成される。水中航走体１００は、例えば、自律型無人潜水機（ＡＵＶ）であるが、これに限定されるものではない。
艇体１０は、艇室等の空間を構成する密閉可能な構造体である。艇体１０は、金属や強化プラスチック等により構成され、水中航走体１００の構成要素を機械的に支持する役割も果たす。艇体１０は、水中航走体１００が中性浮力を有するように構成されることが好適である。
制御手段１２は、水中航走体１００における各種機能を制御するための手段である。制御手段１２は、コンピュータにおけるＣＰＵ等とすることができる。制御手段１２は、予め定められた制御プログラムを実行することによって水中航走体１００に搭載された各手段を統合的に制御する。
記憶手段１４は、水中航走体１００において利用される情報や水中航走体１００の制御プログラムを記憶させておくための手段である。記憶手段１４は、例えば、半導体メモリ、ハードディスク等とすることができる。
記憶手段１４には、水中航走体１００の位置の制御において水中航走体１００の目標の位置を示す情報が記憶される。目標位置は、例えば、目標緯度及び目標経度を含む初期位置及びウェイポイント（潜航点）として記憶される。すなわち、水中航走体１００の艇体１０が水中を航走する際の初期位置及び航走の経路を示すウェイポイント（潜航点）が設定及び記憶される。初期位置及びウェイポイントは、艇体１０が航走する目標となる水中の経路を離散的な座標点で順に表した情報である。また、初期位置及びウェイポイントは、目標緯度及び目標経度に加えて、水面からの深度の組み合わせとして表してもよい。
また、記憶手段１４は、後述する航走体位置推定手段２０において推定された水中航走体１００の自己位置の推定値を記憶する。また、記憶手段１４は、後述する航走体撮像手段２２において取得された画像情報を記憶する。
通信手段１６は、水中航走体１００と水上中継機２００との間で情報を通信するための手段である。通信手段１６は、情報伝送線２４を介して水上中継機２００から情報を受信し、情報伝送線２４を介して水中航走体１００で取得された情報を水上中継機２００へ送信する。情報伝送線２４は、ケーブル５００の一部とすることができる。通信手段１６は、例えば、通信プロトコルとしてイーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）を採用すればよい。この場合、情報伝送線２４は、イーサネット（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）ケーブルとされる。
ここで、水中航走体１００と水上中継機２００との間を有線通信とすることで、水中を音響信号で伝達する方法に比べて高速で大容量の通信を行うことができる。これによって、水中航走体１００は、水上中継機２００及び母船３００と高速に通信すること、大容量の画像情報等を伝送することができる。特に、大容量の画像情報等は、時間をかければ水中音響通信により、水中航走体１００から水上中継機２００に伝送することも可能な技術が出現して来てはいるが、水中航走体１００が水中を航走しながら撮像した画像情報等を伝送する場合は、リアルタイム性に欠け水中調査をする目的に合わない。
なお、情報伝送線２４の長さは、水中航走体１００及び水上中継機２００の航走予定水域の最大水深に対して余裕を持たせておくことが好適である。例えば、水中航走体１００が航走する予定の最大水深が１５ｍである場合、情報伝送線２４のケーブル長を２０ｍとしておけばよい。これによって、水中航走体１００と水上中継機２００の位置関係を適切に保ちつつ並走することが可能になる。ただし、水上中継機２００に情報伝送線２４の繰り出し・巻き上げ装置を搭載し、水中航走体１００と水上中継機２００との距離に応じて情報伝送線２４を繰り出し又は巻き上げするような構成としてもよい。
航走手段１８は、艇体１０を推進させるための駆動力を発生させ、艇体１０を上下左右方向に旋回（回頭）させるための手段である。航走手段１８は、例えば、駆動力発生のための機構として主推進器駆動モータ、プロペラ、回転軸等を含んで構成される。主推進器駆動モータは、艇体１０に対して駆動力を与えるためのモータである。主推進器駆動モータは、電池からの電力によって、制御手段１２からの駆動制御信号に応じた回転数及びトルクで航走手段１８の回転軸を回転駆動させる。これにより、駆動軸に接続されたプロペラが回転されて艇体１０に推進力が与えられる。また、航走手段１８は、例えば、艇体１０を上下左右方向に旋回（回頭）させるための舵を含む。垂直舵を艇体１０に対して右又は左に傾けることによって、艇体１０を左又は右に回頭させることができる。垂直舵は、垂直舵駆動モータによって回転させることができる。垂直舵駆動モータは、制御手段１２からの垂直舵制御信号に応じた角度になるように垂直舵を回転駆動させる。水平舵を艇体１０に対して上又は下に傾けることによって、艇体１０を頭下げ（ピッチダウン）又は頭上げ（ピッチアップ）させることができる。水平舵は、水平舵駆動モータによって駆動することができる。水平舵駆動モータは、制御手段１２からの水平舵制御信号に応じた角度になるように水平舵を回転駆動させる。なお、左右にそれぞれ個別の航走手段１８を設けておき、垂直舵に依らず、左右の航走手段１８の推力のバランスを調整することにより艇体１０を左右方向に旋回（回頭）させる構成としてもよい。
航走体位置推定手段２０は、水中における艇体１０の現在の位置（水中位置）を自己位置として推定するため構成要素を含んで構成される。航走体位置推定手段２０は、例えば、プログラム可能なマイクロコンピュータによって実現することができる。航走体位置推定手段２０で推定された水中航走体１００の自己位置は制御手段１２に入力される。制御手段１２は、入力された水中航走体１００の自己位置を記憶手段１４に記憶させると共に、水中航走体１００の位置の制御に利用する。
航走体位置推定手段２０は、慣性航法装置(ＩＮＳ)を含む構成とすることができる。慣性航法装置は、水中航走体１００の速度を測定する速度計を含んで構成される。速度計は、例えば、ドップラー対地速度計(ＤＶＬ)によって構成することができる。慣性航法では、速度計で検出された水中航走体１００の速度を積分することで水中航走体１００の起点からの移動距離を求めることで水中航走体１００の自己位置を推定する。
また、航走体位置推定手段２０は、姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を含む構成とすることができる。姿勢方位基準装置は、ジャイロ等を利用した慣性航法装置の一種であり、ドップラー対地速度計(ＤＶＬ)等の速度計と組み合わされることによって水中航走体１００の水中における回転及び直線運動を演算して出力する。航走体位置推定手段２０は、姿勢方位基準装置で演算された水中航走体１００の回転及び直線運動を積分することで水中航走体１００の起点からの移動距離を求めることで水中航走体１００の自己位置を推定する。
また、航走体位置推定手段２０は、水中航走体１００の水中での深度を計測するための深度計を含んでもよい。深度計によって計測された水中航走体１００の深度は制御手段１２へ入力される。制御手段１２は、入力された水中航走体１００の深度を記憶手段１４に記憶させると共に、水中航走体１００の深度の制御に利用する。
航走体位置推定手段２０で推定された自己位置に基づいて艇体１０の航走制御が行われる。制御手段１２は、記憶手段１４に予め設定されたウェイポイントを順に読み出し、当該ウェイポイントと航走体位置推定手段２０で推定された艇体１０の自己位置との差が小さくなるように航走手段１８を制御する。
航走手段１８の制御は、艇体運動モデルに基づいて行ってもよい。艇体運動モデルは、ＡＵＶダイナミクスとも呼ばれ、水中における艇体１０の運動性能を表す運動方程式からなる。具体的には、航走手段１８における主推進器駆動モータ、垂直舵、水平舵等の応答特性や艇体１０の移動特性等に基づいて主推進器駆動モータ、垂直舵、水平舵等の制御を行うようにしてもよい。
また、航走体位置推定手段２０で推定された艇体１０の自己位置を修正する水中航走体修正情報に応じて航走手段１８は制御される。制御手段１２は、母船３００から送信される水中航走体修正情報に応じて航走の目標位置を修正することによって艇体１０を目標位置に近づけるように航走手段１８を制御する。すなわち、航走手段１８は水中航走体修正情報に応じて制御されることになり、艇体１０の初期位置やウェイポイントの設定に基づく位置誤差や航走体位置推定手段２０における自己位置の推定における位置誤差を補償することができる。
航走体撮像手段２２は、艇体１０の外部を撮像するための構成要素を含んで構成される。航走体撮像手段２２は、例えば、静止画像を撮像するためのカメラ、動画を撮像するためのビデオ等とすることができる。航走体撮像手段２２で得られた画像や動画に関する画像情報（撮像データ）は記憶手段１４に記憶される。また、航走体撮像手段２２で得られた画像や動画に関する画像情報（撮像データ）は、通信手段１６を用いて情報伝送線２４を介して水上中継機２００へ送信される。
なお、航走体撮像手段２２を複数設けて、ステレオ視に基づいて艇体１０と目標物との相対的な位置を取得できるようにしてもよい。当該相対的位置情報は、後述する航走体位置推定手段２０における水中航走体１００の自己位置の推定において誤差の修正に利用することができる。
また、本実施の形態として水中航走体１００に航走体撮像手段２２を設けた構成としたが、水中における状況を水中航走体１００において取得できる手段であればよい。例えば、音波や超音波を用いたソナーによって水底の形状等を取得するようにしてもよい。この場合、得られた情報は、記憶手段１４に記憶されると共に、通信手段１６を用いて情報伝送線２４を介して水上中継機２００へ送信される。
＜水上中継機の構成＞
本発明の実施の形態における水上中継機２００は、図３の構成概念図に示すように、機体３０、制御手段３２、記憶手段３４、通信手段３６、中継機推進手段３８、中継機位置計測手段４０及び中継機撮像手段４２を含んで構成される。水上中継機２００は、例えば、自律型無人洋上中継機（ＡＳＶ）であるが、これに限定されるものではない。
機体３０は、艇室等の空間を構成する密閉可能な構造体である。機体３０は、金属や強化プラスチック等により構成され、水上中継機２００の構成要素を機械的に支持する役割も果たす。
制御手段３２は、水上中継機２００における各種機能を制御するための手段である。制御手段３２は、コンピュータにおけるＣＰＵ等とすることができる。制御手段３２は、予め定められた制御プログラムを実行することによって水上中継機２００に搭載された各手段を統合的に制御する。なお、水上中継機２００の制御手段３２と水中航走体１００の制御手段１２とを集約していずれか一方を備える構成としてもよい。
記憶手段３４は、水上中継機２００において利用される情報や水上中継機２００の制御プログラムを記憶させておくための手段である。記憶手段３４は、例えば、半導体メモリ、ハードディスク等とすることができる。
記憶手段３４には、水上中継機２００の位置の制御において水上中継機２００の目標の位置を示す情報が記憶される。目標位置は、例えば、目標緯度及び目標経度を含む初期位置及びウェイポイント（航走点）として記憶される。すなわち、水上中継機２００の機体３０が水上を航走する際の初期位置及び航走の経路を示すウェイポイントが設定及び記憶される。初期位置及びウェイポイントは、機体３０が航走する目標となる水上の経路を離散的な座標点で順に表した情報である。
また、記憶手段３４は、後述する中継機位置計測手段４０において計測された水上中継機２００の自己位置の情報を記憶する。また、記憶手段３４は、後述する中継機撮像手段４２において取得された画像情報を記憶する。
通信手段３６は、水上中継機２００と水中航走体１００との間で情報を通信し、水上中継機２００と母船３００との間で情報を通信するための手段である。通信手段３６は、情報伝送線２４を介して水中航走体１００から情報を受信し、情報伝送線２４を介して情報を水中航走体１００へ送信する。また、通信手段３６は、無線通信器２６を介して母船３００から情報を受信し、無線通信器２６を介して情報を母船３００へ送信する。無線通信器２６を用いた通信は、例えば、２．４ＧＨｚの周波数帯を用いたＷｉ－Ｆｉシステムとすることができる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、ＵＨＦ通信、ＶＨＦ通信、光通信、衛星通信等の無線通信としてもよい。
なお、母船３００と水上中継機２００との間を無線通信とすることで、有線通信を適用した場合に比べて水中航走体１００及び水上中継機２００の移動可能範囲を拡げることができる。
中継機推進手段３８は、機体３０を推進させるための駆動力を発生させ、機体３０を左右方向に旋回（回頭）させるための手段である。中継機推進手段３８は、例えば、駆動力発生のための機構として主推進器駆動モータ、プロペラ、回転軸等を含んで構成される。主推進器駆動モータは、機体３０に対して駆動力を与えるためのモータである。主推進器駆動モータは、電池からの電力によって、制御手段３２からの駆動制御信号に応じた回転数及びトルクで中継機推進手段３８の回転軸を回転駆動させる。これにより、駆動軸に接続されたプロペラが回転されて機体３０に推進力が与えられる。また、中継機推進手段３８は、例えば、機体３０を左右方向に旋回（回頭）させるための舵を含む。垂直舵を機体３０に対して右又は左に傾けることによって、機体３０を左又は右に回頭させることができる。垂直舵は、垂直舵駆動モータによって回転させることができる。垂直舵駆動モータは、制御手段３２からの垂直舵制御信号に応じた角度になるように垂直舵を回転駆動させる。なお、左右にそれぞれ個別の中継機推進手段３８を設けておき、垂直舵に依らず、左右の中継機推進手段３８の推力のバランスを調整することにより機体３０を左右方向に旋回（回頭）させる構成としてもよい。
中継機位置計測手段４０は、水上における機体３０の現在位置を自己位置として計測するため構成要素を含んで構成される。中継機位置計測手段４０は、例えば、プログラム可能なマイクロコンピュータによって実現することができる。中継機位置計測手段４０で計測された水上中継機２００の自己位置は制御手段３２に入力される。制御手段３２は、入力された水上中継機２００の自己位置を記憶手段１４に記憶させると共に、水上中継機２００の位置の制御に利用する。
中継機位置計測手段４０は、衛星測位システム（ＧＰＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の受信機４０ａを含む構成とすることができる。中継機位置計測手段４０は、受信機４０ａによって受信されたＧＰＳ信号に基づいて水上中継機２００の現在の自己位置（水上位置）を計測する。計測された水上中継機２００の自己位置は制御手段３２に入力され、水上中継機２００の位置の制御に利用される。また、中継機位置計測手段４０は、姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を含む構成とすることができる。姿勢方位基準装置を用いて中継機位置計測手段４０で計測される水上中継機２００の自己位置の補正することができる。
中継機撮像手段４２は、機体３０の外部を撮像するための構成要素を含んで構成される。中継機撮像手段４２は、例えば、静止画像を撮像するためのカメラ、動画を撮像するためのビデオ等とすることができる。中継機撮像手段４２で得られた画像や動画に関する画像情報（撮像データ）は記憶手段３４に記憶される。また、中継機撮像手段４２で得られた画像や動画に関する画像情報（撮像データ）は、通信手段３６を用いて無線通信器２６を介して母船３００へ送信される。
中継機位置計測手段４０で計測された自己位置に基づいて機体３０の航走制御が行われる。制御手段３２は、記憶手段３４に予め設定されたウェイポイントを順に読み出し、当該ウェイポイントと中継機位置計測手段４０で計測された機体３０の自己位置との差が小さくなるように中継機推進手段３８を制御する。
中継機推進手段３８の制御は、艇体運動モデルに基づいて行ってもよい。艇体運動モデルは、ＡＳＶダイナミクスとも呼ばれ、水上における機体３０の運動性能を表す運動方程式からなる。具体的には、中継機推進手段３８における主推進器駆動モータ、垂直舵、水平舵等の応答特性や機体３０の移動特性等に基づいて主推進器駆動モータ、プロペラ、垂直舵等の制御を行うようにしてもよい。
また、中継機位置計測手段４０で推定された機体３０の自己位置を修正する水上中継機修正情報に応じて中継機推進手段３８は制御される。制御手段３２は、母船３００から送信される水上中継機修正情報に応じて航走の目標位置を修正することによって機体３０を目標位置に近づけるように中継機推進手段３８を制御する。すなわち、中継機推進手段３８は水上中継機修正情報に応じて制御されることになり、機体３０の初期位置やウェイポイントの設定に基づく位置誤差や中継機位置計測手段４０における自己位置の計測における位置誤差を補償することができる。
なお、水上中継機２００は、水中航走体１００の移動に連れて並走するようにしてもよい。水上中継機２００と水中航走体１００とが情報伝送線２４によって有線接続されている場合、水中航走体１００が移動すると情報伝送線２４によって水上中継機２００が引っ張られることによっても水上中継機２００を水中航走体１００に連動させることができる。
＜母船の構成＞
本発明の実施の形態における母船３００は、水中航走体１００及び水上中継機２００の基地となる船舶である。母船３００は、図４の構成概念図に示すように、艇体５０、測位手段５２、位置設定手段５４、画像表示手段５６、操作手段５８、連結手段６０及び通信手段６２を含んで構成される。
艇体５０は、母船３００の空間を構成する構造体である。艇体５０は、金属や強化プラスチック等により構成され、母船３００の構成要素を機械的に支持する役割も果たす。また、艇体５０には母船３００を移動させるための航走手段を設けてもよい。なお、母船３００の代わりに陸上に配置された基地局とする場合、艇体５０を設ける必要はない。また、母船３００の代わりに空中を飛行する飛行体とする場合、艇体５０の代わりに飛行体の機体としてもよい。
測位手段５２は、母船３００の現在位置を取得するための装置を含んで構成される。測位手段５２は、例えば、衛星測位システム（ＧＰＳ：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の測位手段とすることができる。ただし、これに限定されるものではなく、陸上に配置されている基準点からの距離及び方位に応じて母船３００の位置を測位できる構成としてもよい。
位置設定手段５４は、測位手段５２による測位の情報を水中航走体１００及び水上中継機２００に設定するための手段である。位置設定手段５４は、測位手段５２によって得られた母船３００の測位の情報を水中航走体１００の航走体位置推定手段２０に初期位置の情報として設定する。すなわち、母船３００に水中航走体１００が搭載されている状態において、測位手段５２による測位位置の情報を航走体位置推定手段２０に水中航走体１００の初期位置として設定する。また、位置設定手段５４は、水中航走体１００の航走体位置推定手段２０にウェイポイントを設定するためにも使用される。また、位置設定手段５４は、水上中継機２００の中継機位置計測手段４０にウェイポイントを設定するためにも使用される。
画像表示手段５６、操作手段５８及び連結手段６０は、母船３００における監視手段３０２を構成する。監視手段３０２は、水中航走体１００の位置、水上中継機２００の位置及び水中航走体１００と水上中継機２００の相対的な位置を監視すると共にこれらの位置を修正するために用いられる。
画像表示手段５６は、水中航走体１００の航走体撮像手段２２において撮像された画像を表示する装置を含む。すなわち、画像表示手段５６は、後述する通信手段６２を介して水中航走体１００から取得された画像情報に基づいて、水中航走体１００の航走体撮像手段２２において撮像された水中の画像を表示する。母船３００の搭乗者は、画像表示手段５６に表示された画像を観ることによって、水中航走体１００が撮像した画像を確認することができる。
また、画像表示手段５６は、水上中継機２００の中継機撮像手段４２において撮像された画像を表示する装置を含む。画像表示手段５６は、例えば、ディスプレイを含むことができる。すなわち、画像表示手段５６は、通信手段６２を介して水上中継機２００から取得された画像情報に基づいて、水上中継機２００の中継機撮像手段４２において撮像された水中の画像を表示する。母船３００の搭乗者は、画像表示手段５６に表示された画像を観ることによって、水上中継機２００が撮像した画像を確認することができる。
なお、画像表示手段５６は、水中航走体１００と水上中継機２００に対して別々に設けてもよいし、切替スイッチ等によって水中航走体１００と水上中継機２００を切り替えられる構成としてもよい。
操作手段５８は、水中航走体１００の位置を修正する操作を行う手段を含む。操作手段５８は、例えば、水中航走体１００の位置を修正するためのジョイスティックやマウス等のポインティングデバイスを含んで構成することができる。母船３００に搭乗している管理者が操作手段５８を操作することによって、連結手段６０において水中航走体１００を移動させるための水中航走体修正情報が生成される。
また、操作手段５８は、水上中継機２００の位置を修正する操作を行う手段を含む。操作手段５８は、例えば、水上中継機２００の位置を修正するためのジョイスティックやマウス等のポインティングデバイスを含んで構成することができる。母船３００に搭乗している管理者が操作手段５８を操作することによって、連結手段６０において水上中継機２００を移動させるための水上中継機修正情報が生成される。
なお、操作手段５８は、水中航走体１００と水上中継機２００に対して別々に設けてもよいし、切替スイッチ等によって水中航走体１００と水上中継機２００を切り替えられる構成としてもよい。
連結手段６０は、画像表示手段５６に表示されている画像と操作手段５８によって操作される水中航走体１００に対する水中航走体修正情報及び水上中継機２００に対する水上中継機修正情報とを連結させるための手段である。連結手段６０は、例えば、プログラム可能なマイクロコンピュータによって実現することができる。マイクロコンピュータは、画像表示手段５６及び操作手段５８を制御するための制御装置と共通としてもよい。連結手段６０は、操作手段５８の操作量に応じて水中航走体１００の航走体位置推定手段２０で推定された自己位置情報を修正するための水中航走体修正情報を生成する。連結手段６０は、操作手段５８の操作量が大きい程、水中航走体１００の自己位置情報の修正量が大きくなるような水中航走体修正情報を生成する。また、連結手段６０は、操作手段５８の操作量に応じて水上中継機２００の中継機位置計測手段４０で計測された自己位置情報を修正するための水上中継機修正情報を生成する。連結手段６０は、操作手段５８の操作量が大きい程、水上中継機２００の自己位置情報の修正量が大きくなるような水上中継機修正情報を生成する。
例えば、操作手段５８がジョイスティックやマウス等のポインティングデバイスである場合、その操作量と方向に基づいて当該方向に向けて当該操作量に対応する距離だけ水中航走体１００を移動させるように水中航走体修正情報を生成する。また、例えば、操作手段５８がジョイスティックやマウス等のポインティングデバイスである場合、その操作量と方向に基づいて当該方向に向けて当該操作量に対応する距離だけ水上中継機２００を移動させるように水上中継機修正情報を生成する。また、例えば、操作手段５８が画像表示手段５６と一体化されたタッチパネルである場合、画像表示手段５６に表示された目標位置を画面内で移動（スワイプ）させた操作量と方向に基づいて水中航走体１００を当該方向と反対の方向（目標位置を撮像画像内で移動させた方向に水中航走体１００が移動する方向）に向けて当該操作量に対応する距離だけ水中航走体１００を移動させるように水中航走体修正情報を生成する。操作量に対する水中航走体１００の移動距離の修正量の関係は予め設定しておけばよい。例えば、操作手段５８が画像表示手段５６と一体化されたタッチパネルである場合、画像表示手段５６に表示された目標位置を画面内で移動（スワイプ）させた操作量と方向に基づいて水上中継機２００を当該方向と反対の方向（目標位置を撮像画像内で移動させた方向に水上中継機２００が移動する方向）に向けて当該操作量に対応する距離だけ水上中継機２００を移動させるように水上中継機修正情報を生成する。操作量に対する水上中継機２００の移動距離の修正量の関係は予め設定しておけばよい。
これによって、画面内に表示されている目標位置に対して水中航走体１００及び水上中継機２００に移動させ、正しい位置に臨ませることができる。また、画面内に表示されている目標位置に対して水中航走体１００及び水上中継機２００をリアルタイムに移動させることができる。
通信手段６２は、水上中継機２００から母船３００へ送信されてくる情報を受信したり、母船３００から水上中継機２００へ情報を送信したりするための装置を含んで構成される。本実施の形態では、水上中継機２００を介して水中航走体１００と母船３００との間の通信が行われるので、母船３００は水上中継機２００の通信を行う無線通信手段として利用される。水上中継機２００の通信が無線で行われる場合、通信手段６２は、電波等の通信方法を用いた無線通信のための装置を含む。具体的には、例えば、ＷｉＦｉ通信、ＵＨＦ通信、衛星通信等の無線通信装置を含めばよい。
なお、本実施の形態では、管理者による操作手段５８の操作に基づいて連結手段６０にて水中航走体修正情報及び水上中継機修正情報を生成する態様としたが、管理者の操作に依らず連結手段６０（又は操作手段５８）において自動的に水中航走体修正情報及び水上中継機修正情報を生成するようにしてもよい。
例えば、水中航走体１００から送信されてきた撮像画像を画像処理して、目標物の特徴（形状、色等）から画像内において目標物が表示されている目標位置を特定し、当該目標位置が撮像画像の中心に位置するように水中航走体１００を移動させるための水中航走体修正情報を生成するようにしてもよい。すなわち、画像内において画像の中心位置から現在の目標位置のずれの方向及び大きさに基づいて当該方向に向けて当該ずれ量に対応する距離だけ水中航走体１００を移動させるように水中航走体修正情報を生成してもよい。同様に、例えば、水上中継機２００から送信されてきた撮像画像を画像処理して、目標物（例えば、追従する水中航走体１００）の特徴（形状、色等）から画像内において目標物が表示されている目標位置を特定し、当該目標位置が撮像画像の中心に位置するように水上中継機２００を移動させるための水上中継機修正情報を生成するようにしてもよい。すなわち、画像内において画像の中心位置から現在の目標位置のずれの方向及び大きさに基づいて当該方向に向けて当該ずれ量に対応する距離だけ水上中継機２００を移動させるように水上中継機修正情報を生成してもよい。
このとき、撮像画像内における目標物の大きさに基づいて水中航走体１００や水上中継機２００と目標物との距離を求め、当該距離に応じて水中航走体修正情報や水上中継機修正情報を修正する量を調整するようにしてもよい。
なお、連結手段６０（又は操作手段５８）において自動的に水中航走体修正情報や水上中継機修正情報を生成する場合、画像表示手段５６に撮像画像を表示させることによって管理者に状況を把握させる必要がないので、画像表示手段５６に実態としての画像を表示しないようにしてもよい。
［水中航走体及び水上中継機の投入時の処理］
以下、図５のフローチャートを参照して、水中航走体１００及び水上中継機２００の投入時の処理について説明する。本実施の形態では、水上の母船３００から水中航走体１００及び水上中継機２００を投入する処理を行う態様について説明する。
なお、図５～図７のフローチャートでは、水中航走体１００を自律型無人潜水機（ＡＵＶ）、水上中継機２００を自律型無人洋上中継機（ＡＳＶ）として示すが、上記のとおりこれらに限定されるものではない。
ステップＳ１０では、起動処理が行われる。水中航走体１００、水上中継機２００及び水上の母船３００のシステム電源や各部の電源がオンにされる。ステップＳ１１では、母船３００において水中航走体１００及び水上中継機２００のステータスの確認処理が行われる。当該ステップは、ステータス確認ステップに相当する。ステップＳ１２では、水中航走体１００及び水上中継機２００のステータスが正常であるか否かが判定される。水中航走体１００及び水上中継機２００の動作が正常であればステップＳ１３に処理を移行させ、正常でなければステップＳ１０に処理を戻す。
ステップＳ１３では、母船３００から水中航走体１００を水中に投入する作業が行われる。当該ステップは、航走体投入ステップに相当する。ステップＳ１４では、水中航走体１００による深度（高度）及び速度の計測値が妥当な値であるか否かが判定される。当該ステップは、推定値判断ステップに相当する。水中航走体１００の航走体位置推定手段２０の水中位置の推定値において深度（高度）及び速度の推定値が妥当な値であればステップＳ１５に処理を移行させ、妥当な値でなければステップＳ１０に処理を戻す。
ステップＳ１５では、水中航走体１００を水中に降下させる処理が行われる。当該ステップは、航走体下降ステップに相当する。母船３００における操作手段５８を用いて水中航走体１００に対して水中航走体修正情報を送信することによって水中航走体１００を水底に接近させ水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）を所定の位置に保持する。また、当該ステップにおいて、航走体撮像手段２２による水底の撮像を行い、撮像処理及び撮像画像の送受信処理が適切に実行できるかを確認すると共に、水中航走体１００が水底付近に位置していることを確認してもよい。
ステップＳ１６では、母船３００から水上中継機２００を投入する作業が行われる。当該ステップは、中継機投入ステップに相当する。水上中継機２００を水上に投入して水平位置（緯度及び経度）を所定の位置に保持する。また、当該ステップにおいて、中継機撮像手段４２による水中の撮像を行い、撮像処理及び撮像画像の送受信処理が適切に実行できるかを確認する。
ステップＳ１７では、水中航走体１００と水上中継機２００の鉛直位置関係を確認する処理が行われる。当該ステップは、鉛直位置関係確認ステップに相当する。母船３００において、水上中継機２００を介して水中航走体１００から送信されてくる自己位置における水平位置（緯度及び経度）と水上中継機２００から送信されてくる自己位置における水平位置（緯度及び経度）から水中航走体１００と水上中継機２００とが互いに鉛直な位置関係にあるか否かが判定される。ここで、鉛直な位置関係とは、水中にある水中航走体１００と水上にある水上中継機２００とが互いに鉛直な位置にあることを意味する。ただし、水中航走体１００と水上中継機２００とが完全に鉛直な位置関係にある必要はなく、情報伝送線２４の余裕等に応じて水中航走体１００及び水上中継機２００の航走や処理の障害とならない程度に略鉛直な位置関係にあればよい。水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係にある場合にはステップＳ１９に処理が移行され、そうでない場合にはステップＳ１８に処理が移行される。
ステップＳ１８では、水中航走体１００と水上中継機２００の鉛直位置関係を確保する処理が行われる。当該ステップは、鉛直位置確保ステップに相当する。母船３００における操作手段５８を用いて水上中継機２００に対して水上中継機修正情報を送信することによって水上中継機２００を水中航走体１００に対して略鉛直な位置となるように移動させ、略鉛直な位置を保持するようにする。当該ステップの処理が終了すると、ステップＳ１７に処理を戻す。
ステップＳ１９では、水上中継機２００の位置情報を水中航走体１００の初期位置の位置情報として設定する処理が行われる。当該ステップは、初期位置入力ステップに相当する。水中航走体１００と水上中継機２００とが略鉛直な位置に保持された状態において、母船３００は水上中継機２００の自己位置（緯度及び経度）を取得し、水上中継機２００の自己位置（緯度及び経度）を水中航走体１００へ送信する。水中航走体１００は、水上中継機２００の自己位置（緯度及び経度）を初期位置（緯度及び経度）として設定する。ステップＳ２０では、母船３００において水中航走体１００及び水上中継機２００のステータスの確認処理が行われる。
以上のように、本実施の形態の水上中継機と水中航走体との連結システムにおいて母船３００から水中航走体１００及び水上中継機２００の投入する処理が実現される。なお、本実施の形態では、母船３００から水中航走体１００及び水上中継機２００を投入する処理を行う態様について説明したが、母船３００に代えて陸上や他の浮体上から水中航走体１００及び水上中継機２００を投入する態様としてもよい。
［水中航走体及び水上中継機の航走時の処理］
以下、図６のフローチャートを参照して、水中航走体１００及び水上中継機２００の航走時の処理について説明する。
ステップＳ３０では、母船３００から水上中継機２００へ目標位置の情報が送信される。当該ステップは、目標位置設定ステップに相当する。操作者の操作等によって、母船３００の位置設定手段５４によって水上中継機２００の目標位置となる初期位置及びウェイポイントの情報が設定され、母船３００の通信手段６２及び水上中継機２００の通信手段３６を介して水上中継機２００に対して目標位置の設定が行われる。目標位置の情報は、記憶手段３４に記憶される。具体的には、水上中継機２００に搭載された無線通信器２６を用いた無線通信によって水上中継機２００に目標位置の設定が行われる。水上中継機２００の目標位置は、初期位置及びウェイポイントを示す目標緯度及び目標経度の情報を含む。
ステップＳ３１では、水上中継機２００を介して母船３００から水中航走体１００へ目標位置の情報が送信される。当該ステップは、目標位置入力ステップに相当する。操作者の操作等によって、母船３００の位置設定手段５４によって水中航走体１００の目標位置となる初期位置及びウェイポイントの情報が設定され、母船３００の通信手段６２、水上中継機２００の通信手段３６を介して水上中継機２００に当該目標位置が送信される。さらに、水上中継機２００の通信手段３６及び水中航走体１００の通信手段１６を介して水上中継機２００から水中航走体１００へ当該目標位置が入力される。具体的には、水上中継機２００と水中航走体１００とを接続する情報伝送線２４を用いた有線通信によって水中航走体１００に目標位置が入力される。目標位置の情報は、記憶手段１４に記憶される。水中航走体１００の目標位置は、初期位置及びウェイポイントを示す目標緯度、目標経度及び目標深度の情報を含む。
以下、ステップＳ３２～ステップＳ３５の処理において水上中継機２００の移動処理について説明する。水上中継機２００の制御手段３２は、記憶手段３４に記憶されている初期位置及びウェイポイントを所定の周期毎に順に読み出して現在の目標位置とし、ステップＳ３２～ステップＳ３５の処理を繰り返すことによって水上中継機２００を移動させる処理を行う。
ステップＳ３２では、水上中継機２００において位置の計測が行われる。水上中継機２００では、衛星測位システム（ＧＰＳ）等を含む中継機位置計測手段４０によって機体３０の現在の位置が計測される。ステップＳ３３では、水上中継機２００が現在の目標位置の到達範囲にあるか否かを判定する処理が行われる。当該ステップは、中継機到達判断ステップに相当する。制御手段３２は、中継機位置計測手段４０から機体３０の現在の位置を取得し、現在の位置が現在の目標位置から所定の到達範囲内にあるか否かを判定する。到達範囲は、現在の目標位置からある程度広がった範囲に設定することができ、例えば、現在の目標位置から所定の半径の円内に設定される。現在の位置が現在の目標位置から所定の到達範囲内にあればステップＳ４０に処理を移行させ、所定の到達範囲内になければステップＳ３４に処理を移行させる。
ステップＳ３４では、水上中継機２００の航走方向の方位が計測される。当該ステップは、航走制御ステップの一部に相当する。水上中継機２００では、姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)等を含む中継機位置計測手段４０によって機体３０の現在の航走方向の方位が計測される。ステップＳ３５では、水上中継機２００を現在の目標位置に向けて航走させる処理が行われる。当該ステップは、航走制御ステップの一部に相当する。水上中継機２００の制御手段３２は、ステップＳ３２において計測された現在の位置とステップＳ３４で計測された現在の方位に基づいて、水上中継機２００を現在の目標位置へ移動させるように目標進行方向及び目標速度を決定する。そして、制御手段３２は、水上中継機２００が目標進行方向に対して目標速度で移動するように中継機推進手段３８を制御することによって現在の目標位置に向けて水上中継機２００を航走させる。
以下、ステップＳ３６～ステップＳ３９の処理において水中航走体１００の移動処理について説明する。水中航走体１００の制御手段１２は、記憶手段１４に記憶されている初期位置及びウェイポイントを所定の周期毎に順に読み出して現在の目標位置とし、ステップＳ３６～ステップＳ３９の処理を繰り返すことによって水中航走体１００を移動させる処理を行う。
ステップＳ３６では、水中航走体１００において位置の計測が行われる。水中航走体１００では、航走体位置推定手段２０によって初期位置からの移動に基づいて艇体１０の現在の位置が推定される。ステップＳ３７では、水中航走体１００が現在の目標位置の到達範囲にあるか否かを判定する処理が行われる。当該ステップは、航走体到達判断ステップに相当する。制御手段１２は、航走体位置推定手段２０から艇体１０の現在の位置の推定値を取得し、現在の位置の推定値が現在の目標位置から所定の到達範囲内にあるか否かを判定する。到達範囲は、現在の目標位置からある程度広がった範囲に設定することができ、例えば、現在の目標位置から所定の半径の球内に設定される。現在の位置が現在の目標位置から所定の到達範囲内にあればステップＳ４０に処理を移行させ、所定の到達範囲内になければステップＳ３８に処理を移行させる。
ステップＳ３８では、水中航走体１００の航走方向の方位が計測される。当該ステップは、航走制御ステップの一部に相当する。水中航走体１００では、姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)等を含む航走体位置推定手段２０によって艇体１０の現在の航走方向の方位が計測される。ステップＳ３９では、水中航走体１００を現在の目標位置に向けて航走させる処理が行われる。当該ステップは、航走制御ステップの一部に相当する。水中航走体１００の制御手段１２は、ステップＳ３７において推定された現在の位置とステップＳ３８で計測された現在の方位に基づいて、水中航走体１００を現在の目標位置へ移動させるように目標進行方向及び目標速度を決定する。そして、制御手段１２は、水中航走体１００が目標進行方向に対して目標速度で移動するように航走手段１８を制御することによって現在の目標位置に向けて水中航走体１００を航走させる。
なお、ステップＳ３９における水中航走体１００の目標速度は、ステップＳ３５における水上中継機２００の目標速度と一致させるようにしてもよい。これにより、水中航走体１００と水上中継機２００とが同じ速度で航走することになり、航走時においても水中航走体１００と水上中継機２００とを略鉛直な位置関係に維持することができる。ただし、水中航走体１００と水上中継機２００と間の距離が離れたとしても、情報伝送線２４によってより速く航走している方がより遅く航走している方を引っ張ることになり、水中航走体１００と水上中継機２００との略鉛直な位置関係は大きくずれることはない。
ステップＳ４０～ステップＳ４２では、水中航走体１００及び水上中継機２００を目標位置に維持する処理が行われる。当該ステップＳ４０～ステップＳ４２の処理は、目標保持ステップに相当する。
ステップＳ４０では、水中航走体１００及び水上中継機２００が共に目標位置に到達して位置を保持しているか否かが判定される。ステップＳ３３において水上中継機２００が目標位置の到達範囲内にあることが確認され、ステップＳ３７において水中航走体１００が目標位置の到達範囲内にあることが確認されたうえで、水上中継機２００及び水中航走体１００が共に目標位置を維持しているか否かが判定される。水中航走体１００及び水上中継機２００が共に目標位置を維持している場合には航走処理を終了する。水上中継機２００が目標位置を維持していない場合にはステップＳ４１に処理を移行させる。ステップＳ４１では、水上中継機２００が目標位置を維持するように制御を行い、ステップＳ４０へ処理を戻す。水中航走体１００が目標位置を維持していない場合にはステップＳ４２に処理を移行させる。ステップＳ４２では、水中航走体１００が目標位置を維持するように制御を行い、ステップＳ４０へ処理を戻す。
なお、水中航走体１００及び水上中継機２００が目標位置に到達した後、水中航走体１００を操作することによって移動させて作業を行う際、水上中継機２００は水中航走体１００の水平位置（緯度及び経度）に追従する水中航走体１００の追尾モードに設定する。この場合、水中航走体１００の航走体位置推定手段２０にて推定された自己位置（緯度及び経度）が水上中継機２００へ送信し、当該推定された自己位置（緯度及び経度）を目標位置として中継機位置計測手段４０で計測された自己位置が当該目標位置に近づくように水上中継機２００を航走させればよい。
ただし、水中航走体１００の航走に伴って水上中継機２００が過度に敏感に動き回ることを防ぐために、水中航走体１００の水平位置（緯度及び経度）と水上中継機２００の水平位置（緯度及び経度）の間の距離に許容範囲を設定してもよい。例えば、水中航走体１００の水平位置（緯度及び経度）と水上中継機２００の水平位置（緯度及び経度）の間の距離が５ｍ以内であれば水上中継機２００が水中航走体１００を追尾しないように設定すればよい。
以上のように、本実施の形態の水上中継機と水中航走体との連結システムにおいて水中航走体１００及び水上中継機２００の航走処理が実現される。
［水中航走体及び水上中継機の鉛直位置の補正処理］
以下、図７のフローチャートを参照して、水中航走体１００と水上中継機２００の鉛直位置の補正を行う処理について説明する。当該処理は、水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置を保持できていないとき、また略鉛直な位置を保持できているか否かが不明なときに実行することができる。また、水中航走体１００及び水上中継機２００が航走した後、一定時間毎に水中航走体１００と水上中継機２００の鉛直方向の相対的な位置関係を揃えるときに実行してもよい。また、水中航走体１００及び水上中継機２００を投入する際に水中航走体１００と水上中継機２００の水平位置を補正して互いに略鉛直な位置にするときに実行してもよい。
ステップＳ５０では、水上中継機２００において水中航走体１００を探索する処理が行われる。当該ステップは、航走体位置確認ステップの一部に相当する。母船３００から水上中継機２００へ撮像制御信号を送信することで、水上中継機２００の中継機撮像手段４２によって水上中継機２００の近傍領域の水中が撮像される。例えば、水上中継機２００の直下近傍の領域が撮像される。撮像された画像は、水上中継機２００から母船３００へ送信され、当該画像が母船３００の画像表示手段５６に表示される。
ステップＳ５１では、水中航走体１００を確認可能か否かが判定される。当該ステップは、航走体位置確認ステップの一部に相当する。母船３００上の操作者は、ステップＳ５０において画像表示手段５６に表示された画像において水中航走体１００が確認できるか否かを判定する。また、既存の画像処理によって、ステップＳ５０において画像表示手段５６に表示された画像において水中航走体１００が確認できるか否かを自動判定する。画像において水中航走体１００が確認できればステップＳ５３に処理を移行させ、確認できなければステップＳ５２に処理を移行させる。
ステップＳ５２では、水中航走体１００を上昇させる処理が行われる。当該ステップは、航走体上昇ステップに相当する。ステップＳ５１において水中航走体１００が確認できなかった場合、水上中継機２００を介して母船３００から水中航走体１００へ上昇制御信号が送信される。水中航走体１００の制御手段１２は、上昇制御信号を受信すると、航走手段１８を制御して水中航走体１００を上昇させる。このとき、水中航走体１００の水平位置（緯度及び経度）は保持することが好適である。そして、水上中継機２００によって撮像された画像に水中航走体１００が確認できるまで上記ステップＳ５０～Ｓ５２を繰り返す。
ステップＳ５３では、水中航走体１００と水上中継機２００とが適切な鉛直位置の関係にあるか否かが判定される。当該ステップは、位置判断ステップに相当する。母船３００上の操作者は、ステップＳ５０において画像表示手段５６に表示された画像において水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係にあるか否かを判定する。また、既存の画像処理によって、ステップＳ５０において画像表示手段５６に表示された画像において水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係にあるか否かを自動判定する。画像において水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係にあればステップＳ５５に処理を移行させ、略鉛直な位置関係になければステップＳ５４に処理を移行させる。
ステップＳ５４では、水上中継機２００を移動させて、水中航走体１００と水上中継機２００を略鉛直な位置関係にする処理が行われる。当該ステップは、位置ずれ補正ステップに相当する。ステップＳ５３において水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係になかった場合、母船３００において画像表示手段５６に表示された画像を確認しながら操作者が操作手段５８を操作することによって水上中継機２００へ移動制御信号が送信される。また、既存の画像処理によって、画像表示手段５６に表示された画像に基づいて水中航走体１００へ水上中継機２００を向かわせる移動制御信号が自動送信される。水上中継機２００の制御手段３２は、移動制御信号を受信すると、中継機推進手段３８を制御して水中航走体１００に対して水上中継機２００が略鉛直な位置関係となるように水上中継機２００を航走させる。そして、水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置関係となるまで上記ステップＳ５３とステップＳ５４を繰り返す。
ステップＳ５５では、水中航走体１００の自己位置を補正する処理が行われる。当該ステップは、水中位置補正ステップに相当する。水上中継機２００の中継機位置計測手段４０によって計測された水上中継機２００の自己位置（緯度及び経度）を情報伝送線２４を介して水中航走体１００へ送信する。水中航走体１００では、水上中継機２００の自己位置（経度及び緯度）の入力を受けて、水中航走体１００の現在の自己位置（緯度及び経度）を水上中継機２００の自己位置（経度及び緯度）に一致するように補正する。これにより、水中航走体１００と水上中継機２００の水平位置（緯度及び経度）の情報が一致し、水中航走体１００の航走体位置推定手段２０において推定される水中航走体１００の自己位置の確度を高めることができる。
ステップＳ５６では、水中航走体１００を目標深度に降下させる処理が行われる。水中航走体１００の制御手段１２は、航走手段１８を制御することによって目標深度に水中航走体１００を降下させる。
以上のように、本実施の形態の水上中継機と水中航走体との連結システムにおいて水中航走体１００と水上中継機２００の鉛直位置の補正を行うことができる。これによって、水中航走体１００と水上中継機２００が略鉛直な位置を保持することができる。
＜変形例１＞
上記実施の形態では、水中航走体１００及び水上中継機２００を１組使用する構成を説明した。本変形例１では、図８に示すように、水中航走体１００及び水上中継機２００の組を複数使用する構成とする。
図５に示した水中航走体１００及び水上中継機２００の投入時の処理を繰り返して水中航走体１００及び水上中継機２００の各組について適用する。そして、水中航走体１００及び水上中継機２００の各組に対してそれぞれ目標緯度及び目標経度の情報を母船３００から送信すると共に、図６に示した水中航走体１００及び水上中継機２００の航走時の処理を水中航走体１００及び水上中継機２００の各組について適用する。
これによって、複数の組の水中航走体１００及び水上中継機２００によって、同時に広い範囲の資源や水底ケーブル等の検査対象物を調査することができ、調査時間を短縮することができる。
＜変形例２＞
上記実施の形態では、１つの水中航走体１００に対して１つの水上中継機２００を組み合わせた構成を説明した。本変形例２では、図９に示すように、１つの水中航走体１００に対して複数の水上中継機２００を組み合わせた構成とする。
図１０は、本変形例１における水中航走体１００及び水上中継機２００の投入時の処理を示す。図１０において、図５に示した水中航走体１００及び水上中継機２００の投入時の処理と同じ処理とするステップには図５と同じステップ番号を付して説明を省略する。
ステップＳ１３～ステップＳ１４の処理によって、母船３００から第１番目の水中航走体１００を水中に投入する作業が行われる。その後、ステップＳ６０では、母船３００から他の水中航走体１００、すなわち第１番目の水中航走体１００と水上中継機２００との間に配置される中間の水中航走体１００を水中に投入する作業が行われる。当該ステップは、中間航走体投入ステップに相当する。ステップＳ６１では、水中に投入された他の水中航走体１００による深度（高度）及び速度の計測値が妥当な値であるか否かが判定される。当該ステップは、他の水中航走体１００に対する推定値判断ステップに相当する。水中航走体１００の航走体位置推定手段２０の水中位置の推定値において深度（高度）及び速度の推定値が妥当な値であればステップＳ６２に処理を移行させ、妥当な値でなければステップＳ１０に処理を戻す。
ステップＳ６２では、他の水中航走体１００を水中に降下させる処理が行われる。当該ステップは、他の水中航走体１００に対する航走体下降ステップに相当する。母船３００における操作手段５８を用いて他の水中航走体１００に対して水中航走体修正情報を送信することによって当該他の水中航走体１００を所望の水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）に位置させ、水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）を当該位置に保持する。具体的には、第１番目の水中航走体１００、中間の水中航走体１００及び水上中継機２００が互いに鉛直位置となるように制御を行うことが好適である。また、当該ステップにおいて、航走体撮像手段２２による撮像を行い、撮像処理及び撮像画像の送受信処理が適切に実行できるかを確認すると共に、水中航走体１００が所望の水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）に配置されていることを確認してもよい。
他の水中航走体１００を２つ以上設ける場合、ステップＳ６０～ステップＳ６２の処理を繰り返せばよい。これらの処理の後、ステップＳ１５に処理を移行させる。
なお、本変形例２の構成においても、上記変形例１のように水中航走体１００及び水上中継機２００の組を複数使用する構成としてもよい。この場合、図１０に示した水中航走体１００、水上中継機２００の投入時の処理を繰り返して水中航走体１００及び水上中継機２００の各組について適用する。そして、水中航走体１００及び水上中継機２００の各組に対してそれぞれ目標緯度及び目標経度の情報を母船３００から送信すると共に、図６に示した水中航走体１００及び水上中継機２００の航走時の処理を水中航走体１００及び水上中継機２００の各組について適用する。
＜変形例３＞
本変形例３では、母船３００に有した発信源からの振動を受振器（ハイドロフォン）を用いて受振するために水中航走体１００の水平位置（緯度及び経度）及び深度（高度）を制御する構成とする。
図１１は、本変形例３における水上中継機と水中航走体との連結システムの構成を示す。本変形例３では、水中航走体１００、水上中継機２００及び母船３００に加えて、母船３００に水中に投入された音響発振器６００及びケーブル５００上に間隔をもって設けられた受振器（ハイドロフォン）６０２を備える。
音響発振器６００は、母船３００から水中に投入され、水中において音響振動を発生させる水中振源である。音響発振器６００は、例えば、エアガン、スパーカー、ブーマー等を含んで構成することができる。音響発振器６００から発せられる振動は、例えば、空間分解能の良い数百～数千Ｈｚの周波数帯域とすることが好適である。
図１１に示すように、音響発振器６００から発せられた音響振動は、水中、さらには水底４００下を伝搬し、地層境界である反射面４０２において反射音響振動として反射される。反射音響振動は、水底４００下から水中へと伝搬する。
受振器６０２は、水中を伝搬する振動を検知する。受振器６０２は、少なくとも１つ、好ましくは複数が水中航走体１００と水上中継機２００とを繋ぐケーブル５００に設けられる。受振器６０２は、それぞれに固有に与えられた識別子等のハイドロフォン情報と共に検知した振動の情報を水上中継機２００へ送出する。音響発振器６００と受振器６０２を組み合わせることによって、音響発振器６００から発せられ、反射面４０２において反射された音響振動を受振器６０２において検知することができる。
図１２は、本変形例３における音響発振器６００及び受振器６０２を用いた処理を示す。ステップＳ７０では、母船３００が目標緯度及び目標経度に到達する。母船３００が目標緯度及び目標経度に到達すると、音響発振器６００を水中に投入する作業が行われる。ステップＳ７１では、母船３００からの制御によって音響発振器６００から音響振動が発せられる。
ステップＳ７２では、受振器６０２において水底４００下の反射面４０２において反射された反射音響振動が検知される。このとき、複数の受振器６０２において反射音響振動を検知することが好適である。ステップＳ７３では、受振器６０２において検知された反射音響振動をハイドロフォン情報と共に音響情報として水上中継機２００へ送信する。複数の受振器６０２を備える場合、複数の受振器６０２からの音響情報が水上中継機２００へ集約される。ステップＳ７４では、水上中継機２００から母船３００へ音響情報が転送される。水上中継機２００は、自己の位置情報と共に音響情報を母船３００へ送信する。なお、複数の受振器６０２からの音響情報は、水上中継機２００の位置情報と共にリアルタイムで母船３００へ送信してもよい。
ステップＳ７５では、母船３００においてＶＣＳ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｂｌｅ Ｓｅｉｍｉｃ）解析が行われる。母船３００では、水上中継機２００から転送されてきた音響情報を用いてＶＣＳ解析が行われる。
ＶＣＳ解析では、反射面４０２の反射点の分布からケーブル５００を中心とする反射面４０２の構造イメージを得ることができる。このとき、水中航走体１００、水上中継機２００及びこれらを繋ぐケーブル５００の位置や音響発振器６００の分布を適切に変えること、又は母船３００が移動して音響発振器６００の位置を変えること等によって、対象となる範囲の３次元構造を効率的に把握することができる。このとき、鉛直方向に延ばされたケーブル５００に複数の受振器６０２が配置されることで、波動現象による分解能の劣化（フレネルボリュームの拡大）を抑制できる。また、水中に受振器６０２を配置することによって、波浪によるノイズを低減させることができる。これによって、鉛直方向及び水平方向ともに従来の海上反射法（ＭＣＳ）に比べて分解能を向上させることができる。
さらに、上記変形例１のように複数組の水中航走体１００、水上中継機２００及びこれらを繋ぐケーブル５００を同時に用いる構成に本変形例３の構成を組み合わせることによって、対象となる範囲の３次元構造をより効率的に把握することができる。また、上記変形例２のように複数の水中航走体１００、水上中継機２００及びこれらを繋ぐケーブル５００を同時に用いる構成に本変形例３の構成を組み合わせることによって、ケーブル５００を高い精度で鉛直方向に設置した状態でＶＣＳ解析を適用することができるので、対象となる範囲の３次元構造をより高い精度で把握することができる。
［水上中継機と水中航走体との連結システムを用いた測定処理］
図１３は、上記実施の形態及び各変形例における水上中継機と水中航走体との連結システムを用いた測定処理を示す。
ステップＳ８０では、母船３００が目標緯度及び目標経度に到達する。ステップＳ８１では、上記実施の形態における水中航走体１００及び水上中継機２００の投入時の処理及び水中航走体１００及び水上中継機２００の航走時の処理を適用することによって水中航走体１００及び水上中継機２００の位置制御が行われる。
ステップＳ８２では、水中航走体１００の航走体撮像手段２２を用いて水中の探査が行われる。ステップＳ８３では、水中航走体１００の航走体撮像手段２２を用いて水中や水底の画像が取得される。ステップＳ８４では、ステップＳ８３において取得された画像情報が水中航走体１００から水上中継機２００へ送信される。このとき、水中航走体１００から画像情報に関連する関連情報も併せて水上中継機２００へ送信することが好適である。関連情報は、例えば水中航走体１００の現在の緯度及び経度並びに水面からの深度等が挙げられる。また、関連情報は、例えば画像を取得した日時等が挙げられる。
ステップＳ８５では、水上中継機２００から母船３００へ画像情報が転送される。画像情報に関連情報が付加されている場合、水上中継機２００から母船３００へ画像情報と共に関連情報を転送することが好適である。ステップＳ８６では、母船３００において画像情報に対する処理が行われる。母船３００では、例えば、画像情報に基づく画像を映写する処理や画像情報の解析処理が行われる。画像情報に関連情報が付加されている場合、母船３００において関連情報に基づく映写や解析を行ってもよい。
本発明は、自律型水中航走体における高精度の航走制御や目標物の監視等に適用することができる。すなわち、水中航走体と水上中継機との位置関係を保持しつつ水中航走体による水中の目標物の検査、監視、修繕等において作業効率を高めることができる。例えば、水底の環境調査（海草、海藻、珊瑚等）、水底下の調査(水底下構造)、水産資源調査（底生魚、貝類等）、水産設備検査（生け簀、魚礁等）、港湾設備の水中部分の検査（岸壁、防波堤等）、洋上風力発電設備の水中部分の検査、石油ガス設備の水底パイプライン検査、船底検査、ダム湖の水中部分の検査等に利用することができる。
１０ 艇体、１２ 制御手段、１４ 記憶手段、１６ 通信手段、１８ 航走手段、２０ 航走体位置推定手段、２２ 航走体撮像手段、２２ 記憶手段、２４ 情報伝送線、２６ 無線通信器、３０ 機体、３２ 制御手段、３４ 記憶手段、３６ 通信手段、３８ 中継機推進手段、４０ 中継機位置計測手段、４０ａ 受信機、４２ 中継機撮像手段、５０ 艇体、５２ 測位手段、５４ 位置設定手段、５６ 画像表示手段、５８ 操作手段、６０ 連結手段、６２ 通信手段、１００ 水中航走体、２００ 水上中継機、３００ 母船、３０２ 監視手段、４００ 水底、４０２ 反射面、５００ ケーブル、６００ 音響発振器、６０２ 受振器。

Claims (26)

  1. 中継機推進手段と中継機位置計測手段を有した水上中継機と、
    航走体位置推定手段を有した水中航走体と、
    前記水上中継機と前記水中航走体とを接続し、前記水中航走体で得られた画像情報を含む取得情報の伝送を行う情報伝送線と、
    前記水上中継機と前記水中航走体に目標緯度及び目標経度を設定する位置設定手段と、
    前記水上中継機と前記水中航走体を制御する制御手段とを備え、
    設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記中継機位置計測手段で計測された水上位置に基づいて前記中継機推進手段を駆動し前記水上中継機の位置を前記制御手段で制御するとともに、設定された前記目標緯度及び前記目標経度と前記航走体位置推定手段で推定された水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を前記制御手段で制御することで、前記水中航走体と前記水上中継機が前記目標緯度及び前記目標経度まで水面と水中における鉛直位置関係を保持しながら並走することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  2. 請求項１に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記位置設定手段を有する母船を備え、
    前記母船と前記水上中継機とが無線通信を利用して前記目標緯度及び前記目標経度及び前記取得情報の伝送を行うことを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  3. 請求項２に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記母船から前記水上中継機及び前記水中航走体の少なくとも一方の遠隔操作が可能であることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記中継機位置計測手段は、衛星測位システム受信機と姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)を有することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記航走体位置推定手段は、慣性航法装置(ＩＮＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)、又は姿勢方位基準装置(ＡＨＲＳ)とドップラー対地速度計(ＤＶＬ)を有することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記航走体位置推定手段は、深度計を有し、
    前記位置設定手段で設定された深度に前記水中航走体が位置するように前記制御手段で前記水中航走体を制御することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、前記水上中継機は、前記水中航走体を撮像可能な中継機撮像手段を有することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、前記水中航走体は、水に対して中性浮力を有することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記水上中継機、前記水中航走体、前記情報伝送線、及び前記制御手段を複数組備え、前記位置設定手段で前記複数組ごとの前記目標緯度及び前記目標経度を設定することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  10. 請求項１～８のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記情報伝送線の中間に他の前記水中航走体を備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  11. 請求項２及び請求項２を引用する請求項３～１０のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムであって、
    前記情報伝送線の複数箇所に複数の受振手段と、音響を水中に発振する音響発振手段を前記母船に有し、前記音響発振手段による音響発振に伴う地層からの反射音響振動を複数の前記受振手段で取得し、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線を利用して伝送することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システム。
  12. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記水中航走体を水中に投入する航走体投入ステップと、
    前記水中航走体を水底に接近させ所定の位置に保持する航走体下降ステップと、
    前記水上中継機を水面に投入する中継機投入ステップと、
    前記水上中継機と前記水中航走体とを前記鉛直位置関係に臨ませる鉛直位置確保ステップと、
    前記鉛直位置関係に臨ませたのちに前記中継機位置計測手段で計測した前記水上位置を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置の初期位置として入力する初期位置入力ステップとを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  13. 請求項９を引用する請求項１２に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記複数組ごとに、前記航走体投入ステップ、前記航走体下降ステップ、前記中継機投入ステップ、前記鉛直位置確保ステップ、及び前記初期位置入力ステップを繰り返すことを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  14. 請求項１０を引用する請求項１２に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記航走体投入ステップと航走体下降ステップとの間に、他の前記水中航走体を水中に投入する中間水中航走体投入ステップと、他の前記水中航走体を前記水面と前記水底との中間の位置に保持する中間水中航走体下降ステップを備え、前記鉛直位置確保ステップで他の前記水中航走体を前記鉛直位置関係に臨ませ、前記初期位置入力ステップで前記水上位置を前記情報伝送線を介して他の前記水中航走体に伝送することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  15. 請求項１２～１４のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記航走体投入ステップの前に前記水中航走体及び前記水上中継機の動作が正常かを確認するステータス確認ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  16. 請求項１２～１５のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって
    前記航走体投入ステップと前記航走体下降ステップとの間に、前記水中航走体の前記航走体位置推定手段の前記水中位置の推定値が妥当な値かを判断する推定値判断ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  17. 請求項１２～１６のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記鉛直位置確保ステップにおいて、前記水上中継機と前記水中航走体とが前記鉛直位置関係に臨んでいない場合、操作者が前記水上中継機を操作して前記水中航走体が前記鉛直位置関係に臨むように位置補正して前記鉛直位置関係を確保することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  18. 請求項１２～１７のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記初期位置入力ステップの後、前記位置設定手段から前記水上中継機に前記目標緯度及び前記目標経度を設定する目標位置設定ステップと、
    設定された前記目標緯度及び前記目標経度を前記情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し入力する目標位置入力ステップと、
    前記目標緯度及び前記目標経度に前記水上中継機と前記水中航走体が前記鉛直位置関係を保持しながら等速で並走して向かうように制御する航走制御ステップと、
    前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置保持を行う位置保持ステップをさらに備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  19. 請求項１８に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記航走制御ステップは、前記中継機位置計測手段で計測された前記水上位置に基づいて前記水上中継機の位置を制御するとともに、前記航走体位置推定手段で推定された前記水中位置に基づいて前記水中航走体の位置を制御することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  20. 請求項１９に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記航走制御ステップは、
    前記水上中継機の前記水上位置が前記目標緯度及び前記目標経度の到達範囲内であるか否かを判断する中継機到達判断ステップと、
    前記水中航走体の前記水中位置が前記目標緯度及び前記目標経度の前記到達範囲内であるか否かを判断する航走体到達判断ステップを有し、
    前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至った場合に前記位置保持ステップに移行することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  21. 請求項２０に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記水上中継機と前記水中航走体が前記到達範囲内に至っていない場合に前記水上中継機と前記水中航走体を前記目標緯度及び前記目標経度に向かわせる制御を続行することを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  22. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    撮像手段を用いて前記水中航走体の位置を確認する航走体位置確認ステップと、
    前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置しているかを判断する位置判断ステップと、
    前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置している場合に、前記中継機位置計測手段で得られた前記水上位置を情報伝送線を介して前記水中航走体に伝送し、前記水中航走体の水中位置を制御して前記水上中継機と前記水中航走体の前記鉛直位置関係を補正する水中位置補正ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  23. 請求項２２に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記航走体位置確認ステップにおいて操作者が前記水中航走体の位置を確認できない場合に、前記水中航走体の位置を制御して前記水中航走体を前記撮像手段で確認できる位置にまで上昇させる航走体上昇ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  24. 請求項２２又は請求項２３に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記位置判断ステップにおいて前記水上中継機の直下に前記水中航走体が位置していないと判断された場合に、前記操作者の操作によって前記水上中継機の位置を制御して前記水中航走体の直上に移動させる位置ずれ補正ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  25. 請求項２又は請求項３を選択する請求項１１に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記水上中継機と前記水中航走体の位置を制御して、前記水中航走体の航走体撮像手段で水中を探査する探査ステップと、前記探査で得られた画像情報を含む取得情報を、前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
  26. 請求項２又は請求項３を選択する請求項１１に記載の水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法であって、
    前記目標緯度及び前記目標経度に到達後に前記母船に有した前記音響発振手段から音響を発振する音響発振ステップと、複数の前記受振手段で前記地層からの前記反射音響振動を取得する反射音響振動取得ステップと、取得した前記反射音響振動を音響情報として前記情報伝送線と前記無線通信を介して前記母船に伝送する情報伝送ステップを備えることを特徴とする水上中継機と水中航走体との連結システムの運用方法。
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