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めぐのすえがら
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1 海から迅速な展開が可能な陸海域自律調査システムの開発に関する研究報告書平成 7 年月日東京海洋大学海洋工学部一般社団法人日本海事検定協会 ( 検査第一サービスセンター )

2 目次. 研究目的および概要. 平成 6 年度実施内容. マルチコプタへの組み込みコンピュータの搭載. 海上飛行通信試験 6. 電波通信システムソフトウェア開発およびシミュレーション環境構築 8.. ソフトウェア開発 8.. シミュレーション環境構築 8. 小型航行型 AUV 開発前半 0.. ハードウェア設計 0.. 搭載品.. 電気系統設計.. 前半の進捗状況.5 自律小型船開発 5.5. 画像処理関連 5.5. Wi- Fi 通信関連 6.5. 船舶関連 0

3 . 研究目的および概要震災や事故などで起きる異変を迅速に調査し状況を正確に把握することは対応策を講じるための初期段階に非常に重要である我が国がこれまでに経験した大震災では交通網が寸断されて当該区域に近づくことが困難になったり陸のインフラストラクチャが破壊されることにより電気の供給ができなくなるなどの問題が具体的に浮かび上がった海や河川に面する陸域や島嶼地域では海域からの迅速なアクセスが可能であり震災などの非常時にはこれを有効に活用することが可能と考えられている船舶の発電機から陸へ給電する試みなども始まっている本研究は陸域や沿岸域あるいは接近が危険な活動中の海底火山海域や石油流出の起きた海域などを想定しここに海上の船舶を起点として迅速に展開する無人自律型の調査システムを開発するものである本研究で開発する調査システムは空へ展開するマルチコプタ編隊海上へ展開する自律小型船海中へ展開する自律型水中ロボットにより構成するマルチコプタとは枚 6 枚など複数のロータを持って安定した飛行が行える飛行体であり無人空撮プラットフォームとして知られるようになっているこの役割は調査域を迅速に撮影してリアルタイムにこれを船舶へ無線通信により伝送するとともに複数台のマルチコプタを空へ展開して長距離のアドホック通信網を確保するために用いる自律小型船は海上にある船舶では接近困難な海域や沿岸の浅海域へ展開して海上から画像撮影を行ったり環境センサなどにより空中や水中のモニタリングを行ったりソーナーを使って海底の概要を調査したりする海上の船舶から陸へ給電するケーブルを導くためのヒービングラインを陸まで届け渡す役割も想定する自律型水中ロボットは水中や海底の様子をソーナーやカメラを使って詳細に把握する役割を果たす本研究で提案するシステムは海上の船舶を基点に展開することを想定している点が特徴であり船舶から手の届かないところ ( 浅い沿岸域や危険域 ) に自律観測システムを展開するものであるシステムの構成要素それぞれは自律的な自動制御機能を持つとともにこれにより構成される調査システムはネットワークとして船舶側から統括制御するすなわち空中海上水中に展開するシステムはそれぞれ個別に調査行動を指示することができ船舶からその個体までは空中と水中のネットワークで通信が確保されるように自動的に配置が再構成される開発するシステムの概念図を図に示す具体的には本学の保有する練習船をモデルケースとしてこの調査システムの基本形を構築するこのシステム開発にあたってはこれまでに培ってきた小型船や自律型水中ロボットに関する技術および資産を有効に活用しながら年間で開発するテストシステムを使った海域試験により自律調査システムの基礎技術確立を目指す本提案の調査システムが開発されれば災害時の対応や危険地域の調査のみならず国民の生活に不可欠な物資を輸送する商船の安全運航を確保するための有効かつ安価なツールとしても活用できるすなわち霧の立ちこめたような視界が悪い海域や夜航海にあって進路の前方上空にマルチコプタを飛行させ赤外線カメラにより監視を行うと目視では発見できないものまではっきりと確認できるようになる大型のコンテナ船タンカー LNG 船などでは進路前方の広い範囲に死角が生じるがこれをマルチコプタのカメラで補うことも可

4 能である視点を変えて監視の対象を船舶に移すとマルチコプタにより大型船の積荷の状態や船体外板から艤装の状態までを迅速に撮影したりセンサを搭載して船舶の煙突から排出されるガスをモニタリングすることも可能となり船舶の検査にも活用が考えられる外航船の場合には海賊船が自船に接近する前に対策を講じるための監視システムとしての役割も想定され物資輸送の安全確保に貢献できる図開発するシステムの概念図

5 . 平成 6 年度実施内容今年度はマルチコプタへの組み込みコンピュータの搭載海上飛行通信試験電波通信システムソフトウェア開発およびシミュレーション環境構築小型航行型 AUV 開発前半 5 自律小型船開発について実施したタイムラインを表に示す表平成 6 年度の実施計画. マルチコプタへの組み込みコンピュータの搭載昨年度構築した枚翼機に自律機能とマルチホップ通信機能を実装するため組み込みコンピュータを搭載した機体の運動制御とあらかじめウェイポイントを与える自動飛行制御を行ういわゆるオートパイロット用のコンピュータとしては D Robotics 社の APM.6 を搭載しておりラジコン受信機からの入力とテレメトリ通信装置からの指示を飛行中に切り替え可能であるラジコン受信機と APM の間に東京エレクトロンデバイス株式会社の

には 90Mhz 帯の無線通信装置である双葉電子工業株式会社の FEP0 通信モデムを接続して

6 TB-7Z-00-EMC(GEMINI) を挿入し GEMINI にて動作するソフトウェアにてラジコン受信機からの信号をそのままスルーする動作と GEMINI による自律航行制御を切り替えられるようにしたさらに GEMINI には 90Mhz 帯の無線通信装置である双葉電子工業株式会社の FEP0 通信モデムを接続して複数機体と船舶との相互通信を可能としたマルチコプタへ実装した様子を図に通信機の構成を図に示す図組み込みコンピュータを実装したマルチコプタ FEP0 GEMIN 図組み込みコンピュータと通信装置 5

. 海上飛行通信試験海上の船舶と飛行するマルチコプタとの通信では電波の性質から飛行高度と距離および姿勢に応じて通信エラーの頻度が変化することが予想される複数の機体が編隊で通信ネットワークを構築する場合この特性をあらかじめ把握しておき電波通信の状況を良好に保つ位置関係を保持しながら編隊を構成する必要があるこのための基礎データを収集するために東京海洋大学の保有する練習船汐路丸を使って

7 . 海上飛行通信試験海上の船舶と飛行するマルチコプタとの通信では電波の性質から飛行高度と距離および姿勢に応じて通信エラーの頻度が変化することが予想される複数の機体が編隊で通信ネットワークを構築する場合この特性をあらかじめ把握しておき電波通信の状況を良好に保つ位置関係を保持しながら編隊を構成する必要があるこのための基礎データを収集するために東京海洋大学の保有する練習船汐路丸を使って平成 6 年 7 月に千葉県富浦湾にて海上飛行通信試験を行った汐路丸デッキからマニュアルにて離船と着船を行いあらかじめ設定したウェイポイント間を自動飛行させ汐路丸船橋に設置した通信装置とマルチコプタに搭載した通信装置間で自動的に通信を繰り返しながら通信状況を記録した自動飛行の際には万一に備えてマニュアル操縦用のラジコンプロポを持つオペレータが乗った小型船にて伴走した実験の様子を図 5 6 に示す平成 7 年月にも神奈川県八景島沖にて実験航海を行ったが期間中強風のために飛行通信試験は断念した図汐路丸から飛び立つマルチコプタ 6

8 図 5 小型船にてマルチコプタに伴走している様子図 6 汐路丸へ帰還していくマルチコプタを見守る 7

実装した APM では Mavlink と呼ばれる通信プロトコルが使用されており飛行状態を地上局と機体との間でやり取りする仕組みになっているこのプロトコルをペイロードとして

APM に受け渡される船舶と複数のマルチコプタはこの独自パケットのヘッダ情報を使ってマルチホップ機構を実現するパケットの流れを図 7 にプロトコルスタックを図 7 にそれぞれ示す図 7

. シミュレーション環境構築マルチホップ通信ネットワークを開発するにあたり試験を行いながらシステムをブラシアップしていく作業は必須であるしかしながら

9 . 電波通信システムソフトウェア開発およびシミュレーション環境構築.. ソフトウェア開発マルチコプタによるマルチホップ通信ネットワーク構築のために GEMINI において通信パケットを自動処理する仕組みを構築するこのために必要となるプロトコルスタックを設計実装した APM では Mavlink と呼ばれる通信プロトコルが使用されており飛行状態を地上局と機体との間でやり取りする仕組みになっているこのプロトコルをペイロードとしてマルチホップのためのヘッダを付加した独自のパケットを定義する通信モデムである FEP0 を介して GEMINI に到達したデータはこのヘッダ情報に基づいて処理され Mavlink の形式で APM に受け渡される船舶と複数のマルチコプタはこの独自パケットのヘッダ情報を使ってマルチホップ機構を実現するパケットの流れを図 7 にプロトコルスタックを図 7 にそれぞれ示す図 7 パケットの流れ図 8 プロトコルスタック.. シミュレーション環境構築マルチホップ通信ネットワークを開発するにあたり試験を行いながらシステムをブラシアップしていく作業は必須であるしかしながら通信エラーが起きる実環境において複数のマルチコプタを飛行させながら試行錯誤を繰り返すことはマンパワーの不足と墜落などのリスクを伴うという課題を抱えることになるこのためできる限り通信エラーの状況を現実の環境に近づけた形で再現しながら実験できるシミュレーション環境が必要であるシミュレーション環境は PC 上で動作する ArduCopter の SITL(Software in the loop) シミュレータと実物の FEP0 通信機を MH( マルチホップ ) 層のドライバソフトウェアを介して 8

10 接続したものをマルチコプタ機分として機分用意し地上局に使用される Mission Planner と呼ばれるソフトウェアをインストールした PC を介してマルチホップ通信環境とする各通信機へはそれぞれのマルチコプタの仮想の相対位置姿勢に応じてあらかじめ計測した通信エラーを MH 層で注入し海上でのマルチホップ通信環境を模擬するこのシミュレーション環境の概念図を図 9 に実際に構築したシステムを図 0 に示す図 9 シミュレーション環境の概念図図 0 構築したシミュレーション環境 9

11 . 小型航行型 AUV 開発前半.. ハードウェア設計 AUV の設計にあたっては以下を設計要件とした数人が人力で運搬着水揚収できるサイズと重量であること本研究に必要な水中通信機能を持つことペイロードセンサとして最低限海底を撮影するカメラを有すること極力水中コネクタは少なくし圧力容器が構造部材を兼ねること極力浮力材を用いずに圧力容器の浮力で成立する構造とすること水深 00m までの海水および淡水で使用できること設計した小型航行型 AUV の概略図を図に示す円筒形の圧力容器をリングで連結する構造とし鏡蓋の数は必要最低限として軽量化を図る機首から順に頭部カメラセクションドップラ式速度計 (DVL) および音響通信用トランスデューサセクション電気回路およびバッテリ搭載セクション照明ライト中間セクション舵および推進器セクションで構成する頭部および中間セクションは内部に水が満ちる構造で前後は鏡蓋で区分けするカメラセクション DVL 音響通信セクション主要機器セクションまでは空気で満たされる耐圧区画で蓋では区切らずに貫通させる舵および推進器セクションは軸を貫通させて舵とプロペラを回転させるため油漬けによる均圧機構とする機器を搭載するために容器の肉厚が厚く複雑な機械加工を必要とする箇所は重量の軽量化と加工性を考慮してポリアセタール樹脂 (POM) を使用する電気回路とバッテリを搭載する主要セクションは構造部材としての強度を確保しつつ加工性を考慮してアルミニウム合金を使用する図設計した小型航行型 AUV 後述する搭載品のサイズ重量から AUV に必要な容積を確保しつつかつ全体の重量と 0

12 浮量を考慮して圧力容器の設計を行った以下に各部の次元設計データを示す図カメラセクションおよび照明ライト図ドップラ式速度計 (DVL) および音響通信用トランスデューサセクション図電気回路およびバッテリ搭載セクション

13 図 5 舵および推進器セクション.. 搭載品搭載品は研究室に保有する資産を有効活用するためサイズと重量があらかじめ与えられるものと設計に当たり機種選定を行って調達する物とがある主要な搭載品を以下に示す A. 航法系ドップラ式速度計 (Doppler Velocity Log : DVL) 対地速度対水速度高度を計測する姿勢方位センサ (Attitude and Heading Reference System : AHRS) 内蔵する振動ジャイロと加速度センサによりロールピッチヨーの角度および角速度 XYZ 軸に関する加速度および磁気を計測する機体の姿勢を求めるもの B. 通信系音響通信モデム船上や海底のモデムと音波を使ってデータ通信を行うもの光ファイバ通信装置主に開発期のデバッグ用データの取り出し用のために光ファイバを介したイーサネット通信を行うもの C. 駆動系プロペラ主軸用 DC ブラシレスモータ

14 舵用高トルクブラシレスサーボモータ D. 電源系リチウムポリマ二次電池および保護回路コストを抑える観点から市販されているラジコン用リチウムポリマ二次電池を使用し安全のために過放電等の防止用保護回路を搭載する DC/DC コンバータ電池から電源を得て各機器に必要な電圧に変換して供給する機器への電源スイッチの役割を兼ねる E. ペイロードセンサ系 CCD カラーカメラ海底面の撮影をするために下向きの CCD カラーカメラを搭載する LED 照明高輝度の面発光 LED ユニットを圧力容器に入れて使用する F. コンピュータ系自律行動制御および運動制御用組み込みコンピュータ研究室にて開発した制御用コンピュータ KOLABOARD を搭載するアナログ入出力デジタル入出力 RSC シリアル通信イーサネット通信等の I/O を搭載しリアルタイム OS である T-Kernel で動作させる画像処理等用 FPGA ボードマルチコプタに搭載した GEMINI を搭載し CCD カメラからの画像を低消費電力にて高速に処理する水中音響通信モデムを介して小型船等と通信を行う.. 電気系統設計搭載機器の電気容量と電圧市販ラジコン用リチウムポリマ二次電池の使用通常の電源 ON OFF と水中での非常時電源カット等さらに駆動系や通信系からの電気ノイズを考慮して系統毎に DC/DC コンバータを設けこの DC/DC コンバータに機器のスイッチの役割を兼ねさせる設計した電源系統の回路図を図 6 に示す.. 前半の進捗状況構造系のハードウェアとしては大型の樹脂加工品を除き加工を終了した次年度に残りのパーツを加工すると胴体全体が揃う搭載品の半分以上は既に揃えており組み込み作業を実施している次年度に残りの搭載品を調達して全体の組み込み作業を完了するソフトウェアに関しては研究室のソフトウェア資産を活用して基本的な計画を完了し次年度に総合的に実装組み込み動作試験へと移行する予定である

15 G D S pwr 0 pwr 0 pas G G G D S D S pas G G D S pas pas pas G pas pas D S S D pas G pas pas pas pas 0 G pas pas pas pas pas G pas pas G S D S D S D S D S D 9.6V(VX_G^ LiPo) 000pF PE 5VDC/DC +VIN +VOUT -VIN TRIM 6 ON/OFF -VOUT TRACO_TEN0-WIN 000pF 5 U$ R pas pas 0k U 8 VCC NRES/PB5 PB PB 7 PB 6 PB 5 GND PB0 ATTINY85-0PU VCC GND VOUT A0 pas OK FOD87A Q MTPP0HDLG R pas MedConv_V+ 500 MedConv_V- LanHB_V+ LanHB_V- KOLB_ip_V+ KOLB_ip_V- 0V F 0A F VCC00BG-BL -IN 5 -OUT PR 6 SC PC 7 +OUT +IN VCC00BG-BL KOLB_V+ KOLB_V- Gyro_V+ Gyro_V- KOLB_DIO Q IRLD0PbF OK 0V 0V 500 FOD87A F A Q MTPP0HDLG F VCC50BG-BL() -IN 5 -OUT PR 6 SC PC 7 +OUT +IN VCC50BG-BL GND DVL_V+ DVL_V- KOLB_DIO Q IRLD0PbF OK 0V 500 FOD87A F A Q5 MTPP0HDLG F VCC50BG-BL() -IN 5 -OUT PR 6 SC PC 7 +OUT +IN VCC50BG-BL GND Modem_V+ Modem_V- KOLB_DIO Q7 IRLD0PbF OK 0V R5 500 FOD87A F 0A Q6 MTPP0HDLG F VCC00BG-BL -IN 5 -OUT PR 6 SC PC 7 +OUT +IN VCC00BG-BL Depth_V+ Depth_V- Gemini_V+ Gemini_V- Cam_DIO Q8 MTPP0HDLG Gemini_DIO GND Cam_V+ Cam_V- 0A F VC8C00BG-BL -IN 5 -OUT PR 6 SC PC 7 +OUT +IN VC8C00BG-BL GND LED_V+ LED_V- KOLB_DIO Q0 IRLD0PbF OK5 500 FOD87A 0V F6 0A Q9 MTPP0HDLG VCC00BG-BL() -IN 5 -OUT PR F 6 SC PC 7 +OUT +IN VCC00BG-BL GND5 KOLB_DIO5 Emg_Switch S Q IRLD0PbF 0V MD_RD_V+ MD_RD_V- MD_PP_V- MD_PP_V+ pas R pas R F5 R6 図 6 電源系統回路図

.5 自律小型船開発.5. 画像処理関連船舶を自律航行させるためには周囲の船舶がどちらの方向に移動しているかを認識することが重要である人間であれば船舶の向いている方向を即座に認識できるためどちらの方向に移動するか予測することは容易であるこの機能を機械化するためには少々データ処理を行う必要があるレーダーを用いる場合 Target Tracking

16 .5 自律小型船開発.5. 画像処理関連船舶を自律航行させるためには周囲の船舶がどちらの方向に移動しているかを認識することが重要である人間であれば船舶の向いている方向を即座に認識できるためどちらの方向に移動するか予測することは容易であるこの機能を機械化するためには少々データ処理を行う必要があるレーダーを用いる場合 Target Tracking 機能のように自船の移動情報と時系列レーダー計測データを計算処理することが必要であるしかし夜間であれば船舶は航海灯を備えており左舷灯は赤右舷灯は緑と決まっているのでこれらの色を認識することができれば夜間において船舶の進行方向を容易に認識することができる特に近年 0.00lux でもカラー映像を撮影することができ明転する際もハレーションをほとんど起こすことなく追従することが可能な超低照度カメラが販売されているこれに加えて画像処理技術も非常に進歩しており逆光や霧中においても画像処理を行うことによってある程度まで認識できるようになる平成 6 年度はこれら機材のうち画像処理装置に関して検証を行った使用した画像処理装置は ( 株 ) レッツコーポレーション製造の映像鮮明化装置 Pro であるダイアルによって処理具合を調整できる機器と新型ではあるが三段階にしか調整できない機器の二種類を用いて比較を行った検証には水中作業現場で撮影された水中映像を使用したその結果水中画像に関しては微調整が必要であることがわかり旧型のほうが有効であった平成 7 年度は霧中夜間等に船舶を運航し超低照度カメラならびに画像処理装置の洋上使用における自律船の視覚としての性能を検証する図 7 映像鮮明化装置 Pro( 旧型 ) 5

はフェーズドアレイ技術を用いたビームフォーミングによりアンテナの指向性を電子的に左右に振ることができるためカタログ性能としては水平約 0 垂直約

17 図 8 映像鮮明化装置 Pro( 新型 ).5. Wi- Fi 通信関連長距離 Wi-Fi 通信実験に関しては GoNet 社製 GoBeam8000 を利用し実験を行った GoBeam8000 はフェーズドアレイ技術を用いたビームフォーミングによりアンテナの指向性を電子的に左右に振ることができるためカタログ性能としては水平約 0 垂直約距離最大約.5km 範囲の通信が可能となるまた.GHz 帯と 5GHz 帯のデュアルバンドに対応しさらに SS MIMO 方式採用 IEEE80.n に対応することで最大 50Mbps の通信速度が可能である表 GoBeam 8000 仕様 6

GHz 帯と 5GHz 帯ともに行ったアンテナ設置条件は以下の通りである GoBeam8000 とパソコンの両方の高さを地表から 60cm

18 図 9 GoBeam 8000 概観本機器を用いて実際にどの程度の性能があるのか検証を行った実験場所は見通し電源を確保できることより本学グラウンドとし計測は.GHz 帯と 5GHz 帯ともに行ったアンテナ設置条件は以下の通りである GoBeam8000 とパソコンの両方の高さを地表から 60cm 程度で向かい合わせた場合 GoBeam8000 を地表から 50cm の高さに設置しパソコンを地面に置いた状態で向かい合わせた場合 GoBeam8000 を地表から 00cm の高さに設置しパソコンを地面に置いた状態で向かい合わせた場合図 0 設置条件 7

実験場所が都内であり周囲に他の Wi-Fi 電波が発信されていることによる影響もあるこのため 5GHz 帯を使用した実験の場合には

19 図設置条件図設置条件実験結果を以下の図に示す設置条件で比較すると.GHz 帯を使用した実験の場合距離が遠くなると極端に通信速度が遅くなっているこれは距離による電波の減衰による影響だけでなく実験場所が都内であり周囲に他の Wi-Fi 電波が発信されていることによる影響もあるこのため 5GHz 帯を使用した実験の場合にはそれほど通信速度は遅くなっていないまた設置条件において距離が長くなると通信ができなくなる理由はフレネルゾーンが確保できていないためと考えられるこれらの結果より送信側受信側ともにアンテナはできる限り高い位置に設置したほうが良いことが確認できた 8

20 図通信速度計測結果比較 [.GHz] 図通信速度計測結果比較 [5GHz] さらに GoBeam8000 を本学第実験棟 7 階 ( 約高度 0m) にパソコンをらいちょう S 船尾側の海面から 0cm の高さに設置し.GHz 帯と 5GHz 帯を用いて通信を行った結果を示す GoBeam8000 側に十分な高度があるため距離 500m 程度でも 5GHz 帯において 5Mbps 以上の通信速度を得ることができた.GHz 帯において距離 500m 付近で通信ができない理由は上記と同様周囲の電波状況の影響を受けてしまったためであるさらに距離 500m 付近においてパソコンを水面から m 程度の場所に設置した場合 5GHz 帯において 5Mbps 以上の通信速度を確保することができた 9

21 図 5 洋上実験環境図 6 洋上通信結果.5. 船舶関連平成 6 年度は 00 年に建造した初代電池推進船らいちょう I に関しても無人操船が行えるよう改造を開始したこれまでらいちょう I は人間が操船することを想定し操舵機は手動であったがこれを自動で操船できるよう操舵用のアクチュエータを増設したさらに電池の増設 GPS コンパスの設置 Wi-Fi 通信装置の整備を行った今後らいちょう N とあわせて複数台の無人観測が行える船舶を利用した海洋観測システムとして利用できるようにするためにらいちょう I も整備する予定である 0

22 図 7 電池推進船らいちょう I 改造後のらいちょう I の主要目は以下の通りである表らいちょう I 改造後仕様全長 0.0 m 全幅. m 全深さ. m 電動機推進機出力 5 kw 蓄電池容量 5 kwh

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H28Houkoku 海から迅速な展開が可能な陸海域自律調査システムの開発に関する研究報告書平成 29 年 3 月 31 日東京海洋大学海洋工学部一般社団法人日本海事検定協会 ( 検査第一サービスセンター ) 目次 1. 研究目的および概要 2 2. 平成 28 年度実施内容 4 2.1 マルチコプタ群と船舶による海上マルチホップ通信試験 4 2.1.1 試験概要 4 2.1.2 試験方法 5 2.1.3 試験結果