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 28 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 27 年 度 実 施 内 容 4 2.1 小 型 航 行 型 AUV 開 発 後 半 5 2.1.1 ハードウェア 5 2.1.2 ソフトウェア 7 2.1.3 後 半 の 進 捗 状 況 9 2.2 自 律 小 型 船 開 発 10 2.2.1 Wi-Fi 通 信 関 連 10 1
1. 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 際 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 既 に 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 4 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 することである 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 1 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 3 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 能 2
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 1 開 発 するシステムの 概 念 図 3
2. 平 成 27 年 度 実 施 内 容 今 年 度 は 1 小 型 航 行 型 AUV 開 発 後 半 5 自 律 小 型 船 開 発 について 実 施 した 当 初 予 定 のタイムラインを 表 1 に 示 す 表 のうちマルチコプタとマルチホップ 通 信 に 関 する 項 目 につい て 検 討 と 開 発 を 進 めてはいるものの 陸 上 にて 飛 行 実 験 を 実 施 することに 制 約 がかかり 海 上 試 験 も 含 めて 極 端 に 実 験 機 会 が 限 られてしまったため AUV の 開 発 と 自 律 小 型 船 の 開 発 に マンパワーを 集 中 して 実 施 をした この 部 分 は 平 成 28 年 度 に 主 に 実 施 する 表 1 平 成 27 年 度 (28 年 度 含 む)の 実 施 計 画 4
2.1 小 型 航 行 型 AUV 開 発 後 半 2.1.1 ハードウェア 設 計 した 小 型 航 行 型 AUV の 概 略 図 を 図 2 および 図 3 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 2 設 計 した 小 型 航 行 型 AUV 図 3 AUV の 構 成 図 5
この 設 計 に 基 づき 今 年 度 製 作 した AUV の 写 真 を 図 4 に メイン 容 器 の 内 部 に 搭 載 するた めに 組 み 立 てた 装 置 一 式 を 図 5 に 主 推 進 器 の 内 部 機 構 を 図 6 図 7 に 示 す 図 4 製 作 した AUV 図 5 内 部 機 器 6
図 6 主 推 進 器 内 部 機 構 ( 写 真 ) 図 7 主 推 進 器 内 部 機 構 ( 断 面 図 ) 2.1.2 ソフトウェア AUV の 制 御 ソフトウェアは 各 種 機 能 をそれぞれ 独 立 したスレッドとして 構 成 し メインス レッドで 全 てのスレッドを 管 理 する ソフトウェアの 概 要 を 図 8 に 示 す 各 スレッド 間 で 共 用 するデータは セマフォを 用 いてデッドロックが 起 こらないように 同 期 管 理 する 以 下 実 装 し た 機 能 を 示 す Get_Ahrs 姿 勢 センサからシリアル 通 信 で 送 られてくる 情 報 を 取 得 する その 情 報 から 現 在 の X Y Z 軸 の 加 速 度 と Z 軸 の 角 速 度 を 取 得 して 共 有 メモリに 書 き 込 む 7
Get_Depth 深 度 センサからシリアル 通 信 で 送 られてくる 情 報 を 取 得 する その 情 報 から 現 在 の 圧 力 を 取 得 して 共 有 メモリに 書 き 込 む Get_DVL ドップラ 式 速 度 計 からシリアル 通 信 で 送 られてくる 情 報 を 取 得 する その 情 報 から 現 在 の X Y Z 軸 の 対 地 速 度 を 取 得 して 共 有 メモリに 書 き 込 む System 共 有 メモリから X Y Z 軸 の 加 速 度 対 地 速 度 Z 軸 の 角 速 度 圧 力 を 取 得 する また その 情 報 を 処 理 することで 現 在 の 姿 勢 スタート 地 点 からの 位 置 変 化 スタート 地 点 からの 針 路 変 化 現 在 の 深 度 情 報 を 取 得 する この 情 報 をもとに 4 枚 の 舵 の 向 き スラスタの 回 転 数 を 決 定 する 駆 動 部 への 駆 動 命 令 は 共 有 メモリへ 指 令 値 を 書 き 込 む また モータドライ バからモータ 異 常 の 検 出 信 号 を 常 に 受 信 する モータに 異 常 があった 場 合 緊 急 事 態 用 の 行 動 を 行 う Rudder 共 有 データである 舵 向 きデータを 読 み 込 んで その 向 きに 舵 を 回 転 させる サーボモータへ はシリアル 通 信 により 指 令 値 を 与 える サーボモータは 数 珠 つなぎに 接 続 することによって 一 つの 通 信 経 路 から 4 つ 同 時 に 制 御 することが 出 来 る Motor 共 有 メモリからモータの 運 動 データを 読 み 込 み モータ ON/OFF 回 転 方 向 モータに 送 信 する 電 流 値 を 制 御 する モータに 送 る 電 流 値 に 応 じてモータの 回 転 数 は 変 化 する モータへは 電 圧 値 によって 指 令 値 を 与 える Acoustic Modem 水 中 音 響 通 信 装 置 を 制 御 する System スレッドから 指 令 があった 時 に 実 行 する 水 中 音 響 通 信 装 置 は シリアル 通 信 によって 専 用 の 回 路 にコマンドを 送 信 することで 使 用 が 可 能 になる Log AUV の 状 態 を 記 録 する 各 種 センサ 値 駆 動 部 への 指 令 値 カメラ 水 中 音 響 装 置 の 使 用 時 間 を 1 秒 間 隔 で 記 録 する Camera カメラとライトを 制 御 する このスレッドは 唯 一 運 動 制 御 用 コンピュータ(KOLABOARD) ではなく 画 像 用 コンピュータ(Apalis T-30)で 実 行 する UDP 通 信 によって System スレッ ドからカメラ 撮 影 の 指 令 が 送 信 された 時 に 実 行 する カメラを 起 動 してその 時 の 状 況 を 撮 影 す る それと 同 時 に 水 中 ライトを 点 灯 させる 画 像 用 コンピュータに 搭 載 された GPIO を 使 用 して 水 中 ライトを ON/OFF させる 8
図 8 ソフトウェア 概 要 2.1.3 後 半 の 進 捗 状 況 小 型 航 行 型 AUV 開 発 後 半 では 上 述 のように 圧 力 容 器 をはじめ 全 ての 機 械 部 品 の 加 工 と 圧 力 容 器 内 部 に 搭 載 する 機 器 と 電 気 系 統 を 製 作 して 配 線 作 業 等 を 終 了 した このほかの 照 明 装 置 カメラ 部 駆 動 部 分 についても 製 作 を 終 了 し 各 部 の 動 作 確 認 等 を 終 えた その 後 全 体 の 組 み 立 て 作 業 を 実 施 して その 際 に 不 具 合 が 見 出 された 箇 所 の 設 計 を 修 正 して 再 製 作 を 行 い これらをほぼ 完 了 した ソフトウェアについて 基 本 的 な 部 分 を 構 築 して 動 作 試 験 までを 完 了 した 今 後 ミッションを 統 括 するソフトウェアを 組 み 込 み 基 本 的 な 水 槽 試 験 制 御 系 を 設 計 して 組 み 込 み 自 律 航 行 を 可 能 にする 予 定 である 9
2.2 自 律 小 型 船 開 発 2.2.1 Wi-Fi 通 信 関 連 現 在 の 科 学 者 のニーズから 自 律 小 型 船 のあるべき 姿 を 考 えると 基 本 的 には 勝 手 に 動 作 して いるが 調 査 等 の 現 場 における 最 終 判 断 は 人 間 が 行 うことが 望 ましい これを 実 現 するには 自 律 小 型 船 そのものを 開 発 するとともに 自 律 小 型 船 で 取 得 したデータ 映 像 を 速 やかに 科 学 者 のいる 場 所 まで 送 信 する 必 要 がある 映 像 を 送 信 するためには 自 律 小 型 船 側 から 数 Mbps の 回 線 速 度 が 必 要 となるが 衛 星 通 信 では 数 百 Kbps 程 度 しかなく 映 像 送 信 のためには 不 十 分 であ る そこで 本 研 究 では 図 9 に 本 体 形 状 表 1 に 仕 様 を 示 した 日 本 無 線 (JRC) 製 の 長 距 離 Wi-Fi アンテナを 用 いることを 考 えた 拠 点 側 には 図 左 のハイゲインパッチアンテナ(NZA-661)を 設 置 し 自 律 小 型 船 には 図 中 央 のコリニアアンテナ(NZA-657)を 2 つ 設 置 する 形 で 使 用 する コリニアアンテナはオムニアンテナであり 2 つ 設 置 することで ダ イ バ ー シ テ ィ 効 果 を 得 る 図 10 に 示 すように 本 システムを 利 用 することで 36Mbps で 最 大 通 信 距 離 10km が 可 能 であ る このアンテナを 利 用 した 自 律 小 型 船 の 開 発 を 行 うとともに 船 舶 の 動 揺 や 海 面 反 射 の 影 響 を 受 ける 可 能 性 のある 洋 上 でも Wi-Fi を 使 用 できるか 検 証 を 行 った 図 9 Wi-Fi アンテナ 一 式 Table 1. Principal particulars Wi-Fi system NZA-661 NZA-657 Size φ260 43mm φ62.5x172mm Gain 15dBi 15dBi Directional angle H:30 V:30 H:omni-directional V:30 10
図 10 Wi-Fi アンテナ 性 能 Wi-Fi 通 信 に 用 いるアンテナの 特 性 上 長 距 離 まで 電 波 を 送 信 するためにはアンテナの 指 向 性 の 強 い( 送 信 できる 範 囲 が 狭 い)ものが 必 要 となる そのままで 使 用 すると 通 信 可 能 エリア が 狭 くなってしまうため 通 信 可 能 エリアを 広 くするために 図 11 に 示 すような 構 成 で 使 用 す ることとした 図 11 アンテナ 構 成 例 このときのネットワーク 構 成 図 を 図 12 に 示 す 図 12 に 示 すように 陸 上 側 と 自 律 小 型 船 との 間 に Wi-Fi による 無 線 通 信 部 分 があるが 論 理 的 には 一 つのネットワークとした このような 構 成 とすることによって 陸 上 自 律 小 型 船 と 意 識 することなく また 特 別 な 接 続 手 続 きを 経 11
ることなく IP アドレスを 指 定 するだけで 機 器 の 情 報 を 利 用 することが 可 能 となる 図 12 ネットワーク 構 成 図 また 無 線 通 信 を 行 う 上 で 電 力 損 失 をすることなく 電 波 を 到 達 させるにはフレネルゾーン 内 に 遮 蔽 物 があってはならないことが 知 られている また 以 下 に 示 す 式 によって 求 められるフ レネル 半 径 の 60% 以 内 に 障 害 物 がなければ 自 由 空 間 相 当 であることも 知 られている このため 長 距 離 の 無 線 通 信 をするためには アンテナの 高 さを 十 分 に 高 くし フレネルゾーンを 確 保 す る 必 要 がある 図 13 にフレネルゾーンの 概 略 図 を 示 す λは 波 長 である r1 = λ (d1 d2) (d1 + d2) 図 13 フレネルゾーン 12
洋上での Wi-Fi 通信実験は 図 14 に示す本学保有の実験船 らいちょうＩ および らい ちょうＮ を用いて実施した アンテナの高さはらいちょう N 側が約 5.7m らいちょうⅠ側 が約 3.5m であった 図 14 らいちょうＩ および らいちょうＮ 本実験のアンテナの高さで確保できるフレネルゾーンを用いて求め その結果から通信可能 距離を求めると約 1570m であった 通信速度を計測した結果が図 15 である 実験は東京港内 晴海沖 で実施した 図 15 中の赤線が理論通信可能距離を示している 図 15 を見てわかる ように理論通信可能距離を越え 約 1700m 離れても 3Mbps 程度の通信速度が出ていることが わかる このことから 本システムは海上で使用しても海面反射や船の動揺の影響を受けにく いことが明らかとなった 図 15 アンテナ間距離と通信速度の関係 13