JP2017156303A - Water bottom altitude detection device, underwater sailing body, and water bottom altitude detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水底高度検知装置、水中航走体、及び水底高度検知方法に関するものである。 The present invention relates to a water bottom altitude detecting device, an underwater vehicle, and a water bottom altitude detecting method.
無人水中航走体(UUV:Unmanned Underwater Vehicle)は、ソーナーによって海底(水底)に超音波(音響ビーム)を発射し、海底から反射したエコーを受信して海域の水深を調査したり、海底に沈底した物体の捜索を行うことがある。
これらのソーナーには適正な海底高度があるため、ソーナーを搭載する水中航走体は、ソーナー運用に適正な範囲の海底高度を保つ必要がある。
また、図14に示すように、水中航走体100による調査エリア101に対する航走線102毎の捜索範囲の重複を最小限として調査効率を高めるためには、ソーナーによる捜索幅を保つ必要がある。このためにも、水中航走体は、海底の起伏に追従して高度制御を行う必要がある。
An unmanned underwater vehicle (UUV) emits ultrasonic waves (acoustic beams) to the sea floor (water bottom) by a sonar, and receives echoes reflected from the sea floor to investigate the depth of the sea area. May search for sinking objects.
Since these sonars have an appropriate seabed altitude, an underwater vehicle equipped with a sonar must maintain a seabed altitude within an appropriate range for sonar operation.
Further, as shown in FIG. 14, in order to increase the investigation efficiency by minimizing the duplication of the search range for each
水中航走体(UUV)の海底高度を制御するためには、水中航走体の海底高度を測定する必要がある。海底高度を測定する方法の一つに、シングルビームエコーサウンダ(Single-Beam Echo Sounder)やDVL(Doppler Velocity Log:ドップラー速度計)を用いて直下方向の現在高度を測定する方法がある。水中航走体の直下方向の高度を測定する方法は、一般に海底からの反射波の強度が強いため検出が確実で精度も高い。しかしながら、水中航走体の直下の現在高度の測定に基づいて水中航走体をフィードバック制御すると、水中航走体の進行方向に水深が変化している場合に制御に遅れが生じる。このため、水中航走体の前下方の海底高度を測定し、その結果を用いてフィードフォワード制御することが好ましい。 In order to control the seabed altitude of the underwater vehicle (UUV), it is necessary to measure the seabed altitude of the underwater vehicle. One of the methods for measuring the seabed altitude is a method of measuring the current altitude in the downward direction using a single beam echo sounder (Single-Beam Echo Sounder) or a DVL (Doppler Velocity Log). The method of measuring the altitude directly below the underwater vehicle is generally reliable and accurate because the intensity of the reflected wave from the seabed is strong. However, if feedback control is performed on the underwater vehicle based on the measurement of the current altitude immediately below the underwater vehicle, the control is delayed when the water depth changes in the traveling direction of the underwater vehicle. For this reason, it is preferable to measure the sea floor altitude in front of the underwater vehicle and perform feedforward control using the result.
水中航走体の前方高度を測定する方法としては、例えば、極細のペンシルビームを海底に発射するシングルビームエコーサウンダ(Single-Beam Echo Sounder)等の高度計を水中航走体の前下方に設置して前方の高度を測定する方法等がある。 As a method for measuring the forward altitude of an underwater vehicle, for example, an altimeter such as a single-beam echo sounder that launches a very thin pencil beam on the sea floor is installed in front of and under the underwater vehicle. To measure the altitude ahead.
また、特許文献1には、複数の距離センサ(シングルビームエコーサウンダ)と高度推定部とを備えた水中航走体が開示されている。この水中航走体において複数の距離センサは、水平方向に対して異なる俯角をなす複数の方向のそれぞれに関して、機体と海底との間の距離を計測する。また、高度推定部は、複数の方向のそれぞれについて計測された距離と俯角に基づいて、複数の前方位置のそれぞれにおける機体の海底からの高度を推定する。
さらに、2次元画像ソーナーを用いた方法がある。例えば、2次元画像ソーナーを水中航走体に対して鉛直面に設置し、画像処理等によって海底を検出して、前方の海底高度を算出するものである。また、2次元画像ソーナーを水中航走体に対して水平面に対して下方へチルトして設置し、画像処理等によって海底を検出して、前方の海底高度を算出するものである。 Further, there is a method using a two-dimensional image sonar. For example, a two-dimensional image sonar is installed in a vertical plane with respect to the underwater vehicle, and the sea bottom is detected by image processing or the like to calculate the front sea bottom altitude. In addition, a two-dimensional image sonar is installed to be tilted downward with respect to the horizontal plane with respect to the underwater vehicle, and the sea bottom is detected by image processing or the like to calculate the front sea bottom altitude.
しかしながら、シングルビームエコーサウンダ等による高度測定では、音響ビームの海底への入射角度が浅くなるに従って、すなわち、水中航走体の直下よりも遠方の前下方ほど、エコーレベルが低下する。このため、測定可能な前下方の海底までの水平距離が短く(高度の約1から2倍)、特に海底の起伏が大きい場合における水中航走体の追従性が劣ることとなる。
また、特許文献1に開示されている水中航走体は、距離センサを多数配置することとなるため、水中航走体の内部に大きな搭載スペースを必要とする。
また、2次元画像ソーナーでは、画像の濃淡で海底を検出するために測定精度が低く、UUVのような自律航行のための制御に用いることは難しい。
However, in altitude measurement using a single beam echo sounder or the like, the echo level decreases as the angle of incidence of the acoustic beam on the seabed becomes shallower, that is, the lower front of the underwater vehicle, the farther downward. For this reason, the measurable horizontal distance to the bottom of the sea floor is short (about 1 to 2 times the altitude), and the followability of the underwater vehicle is particularly poor when the sea bottom is large.
In addition, since the underwater vehicle disclosed in
Further, in the two-dimensional image sonar, the measurement accuracy is low because the seabed is detected based on the density of the image, and it is difficult to use the control for autonomous navigation such as UUV.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、水中航走体を水底の起伏に対して追従性を高く制御可能とする、水底高度検知装置、水中航走体、及び水底高度検知方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to control the underwater vehicle with high followability with respect to the undulation of the bottom of the water. The purpose is to provide an altitude detection method.
上記課題を解決するために、本発明の水底高度検知装置、水中航走体、及び水底高度検知方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the water bottom height detecting device, the underwater vehicle and the water bottom height detecting method of the present invention employ the following means.
本発明の第一態様に係る水底高度検知装置は、水中を航走する水中航走体に設けられ、該水中航走体の進行方向に対して、該水中航走体の直下及び前下方を含む所定角度範囲で送波ビームを送信する送信手段と、前記送波ビームが水底で反射した反射波を方向が異なる複数の受波ビームで受信する受信手段と、前記受信手段によって受信した前記反射波に基づいて、前記水中航走体の前方の複数の方向の水底高度を算出する処理手段と、を備える。 The water bottom altitude detecting device according to the first aspect of the present invention is provided in an underwater vehicle that travels underwater, and is located directly below and in front of the underwater vehicle with respect to the traveling direction of the underwater vehicle. A transmitting means for transmitting a transmission beam in a predetermined angle range, a receiving means for receiving a reflected wave reflected from the bottom of the water by a plurality of receiving beams having different directions, and the reflection received by the receiving means. Processing means for calculating bottom elevations in a plurality of directions ahead of the underwater vehicle based on the wave.
本構成によれば、水中航走体の進行方向に対して、水中航走体の直下及び前下方を含む所定角度範囲で送波ビームを送信する。そして、送波ビームが水底で反射した反射波に基づいて水中航走体の前方の水底高度を算出するので、本構成は、算出した水底高度を用いることで、水中航走体を水底の起伏に対して追従性を高く制御できる。 According to this configuration, the transmission beam is transmitted in a predetermined angle range including directly under and under the underwater vehicle with respect to the traveling direction of the underwater vehicle. And since the wave bottom height in front of the underwater vehicle is calculated based on the reflected wave reflected by the bottom of the transmitted beam, this configuration uses the calculated water height to make the underwater vehicle undulate. The followability can be controlled to a high level.
上記第一態様では、前記処理手段が、前記水中航走体の直下からの前記反射波に基づいて算出された前記水底高度に応じた非算出範囲を設定し、該非算出範囲以遠の前記反射波に基づいて前記水底高度を算出してもよい。 In the first aspect, the processing means sets a non-calculation range according to the bottom height calculated based on the reflected wave from directly below the underwater vehicle, and the reflected wave beyond the non-calculated range is set. The bottom height may be calculated based on
水中航走体の直下及び前下方を含む所定角度範囲に送信された送波ビームの直下方向成分の反射波の強度は強いため、直下方向以外の前方の受波ビームはサイドローブで直下海底反射波を受信し、前方の水底高度の誤検出を招く可能性がある。本構成によれば、水中航走体の直下からの反射波の影響を受ける可能性がある範囲を設定し、この範囲以遠における反射波に基づいて水中航走体の前方の水底高度を算出するので、水底高度の誤検出を抑制できる。 Since the intensity of the reflected wave of the direct component of the transmitted beam transmitted in a predetermined angle range including directly under and under the underwater vehicle is strong, the received beam in front of other than directly below is reflected directly under the seabed by the side lobe. Waves may be received, leading to false detection of the water level at the front. According to this configuration, the range that may be affected by the reflected wave from directly under the underwater vehicle is set, and the water bottom height ahead of the underwater vehicle is calculated based on the reflected wave beyond this range. As a result, erroneous detection of the bottom height can be suppressed.
上記第一態様では、前記処理手段が、前記水中航走体の前下方として予め定められた角度範囲内で、複数点の前記水底高度を算出してもよい。 In the first aspect, the processing means may calculate the water bottom altitudes at a plurality of points within a predetermined angle range as a front lower part of the underwater vehicle.
本構成によれば、水中航走体の高度制御用として意味のある方向のみ、水底高度を算出するので、算出に要する演算時間を短縮でき、又、水底高度検知装置の消費電力を低減できる。 According to this configuration, since the bottom height is calculated only in a meaningful direction for controlling the altitude of the underwater vehicle, the calculation time required for the calculation can be shortened and the power consumption of the bottom height detector can be reduced.
上記第一態様では、前記水底高度が、同じ俯角の前記反射波に基づいて算出された複数の前記水底高度毎に平均化してもよい。 In the first aspect, the bottom height may be averaged for each of the plurality of bottom heights calculated based on the reflected wave having the same depression angle.
本構成によれば、算出される水底高度の誤差を小さくできる。 According to this configuration, it is possible to reduce an error in the calculated bottom height.
本発明の第二態様に係る水中航走体は、上記記載の水底高度検知装置と、複数の俯角で反射した前記反射波に基づいて算出された前記水底高度のうち、選択した一つの俯角に対応する前記水底高度を用いて、本水中航走体をフィードフォワード制御する制御手段と、を備える。 The underwater vehicle according to the second aspect of the present invention provides a selected one depression angle among the above-mentioned water bottom altitudes calculated based on the above-described water bottom height detection device and the reflected waves reflected at a plurality of depression angles. Control means for feedforward controlling the underwater vehicle using the corresponding bottom height.
本構成によれば、水中航走体を水底の起伏に対して追従性を高く制御できる。 According to this configuration, the followability of the underwater vehicle can be controlled with respect to the undulation of the bottom of the water.
上記第二態様では、本水中航走体の直下の水底高度を測定する高度計と、前記高度計による測定値と前記水底高度検知装置による前記水底高度とを比較することで前記水底高度検知装置による前記水底高度の精度を判定する精度判定手段と、を備え、前記制御手段で用いる前記水底高度の精度が低い場合は、前記制御手段で用いる前記水底高度を、より深い俯角の前記反射波に基づいて算出された前記水底高度に切り替え、前記制御手段で用いる前記水底高度の精度が高い場合は、前記制御手段で用いる前記水底高度を、より浅い俯角の前記反射波に基づいて算出された前記水底高度に切り替えてもよい。 In the second aspect, the altimeter that measures the bottom height of the underwater vehicle and the measured value by the altimeter and the bottom height by the bottom height detection device are compared to compare the bottom height by the bottom height detection device. An accuracy determining means for determining the accuracy of the water bottom altitude, and when the accuracy of the water bottom altitude used in the control means is low, the water bottom altitude used in the control means is determined based on the reflected wave having a deeper depression angle. When the water bottom altitude used in the control means is high, the water bottom altitude used in the control means is calculated based on the reflected wave at a shallow depression angle. You may switch to.
本構成によれば、過去に水底高度検知装置によって先読みした現地点の水底高度と現在の水底高度とを比較することで、先読みした水底高度の精度を判定し、精度に応じて水中航走体のフィードフォワード制御に用いる水底高度を算出する反射波の俯角を切り替えるので、水中航走体の制御を自動的に最適化できる。なお、高度計として、例えば、シングルビームエコーサウンダやドップラー速度計(DVL)等が適用可能である。 According to this configuration, the accuracy of the pre-reading water bottom altitude is determined by comparing the current water bottom height with the current water bottom height pre-read by the water bottom altitude detecting device in the past. The angle of the reflected wave used to calculate the water bottom altitude used for the feedforward control is switched so that the control of the underwater vehicle can be optimized automatically. As the altimeter, for example, a single beam echo sounder, a Doppler velocimeter (DVL), or the like is applicable.
上記第二態様では、本水中航走体が急速潜入を行う場合、前記水底高度検知装置が、水底を検出したか否かを判定する水底検出判定処理を行い、前記水底検出判定処理によって水底を検出した場合、前記水底高度検知装置は、前記水底検出判定処理を終了して、本水中航走体の前方の前記水底高度を算出する処理を行ってもよい。 In the second aspect, when the underwater vehicle performs a rapid infiltration, the bottom height detecting device performs a bottom detection detection process for determining whether or not a bottom has been detected, and the bottom is detected by the bottom detection determination process. When detected, the water bottom altitude detecting device may end the water bottom detection determination process and perform a process of calculating the water bottom altitude in front of the underwater vehicle.
本構成によれば、水底高度検知装置によって水底を測定できないほど水底が深いにもかかわらず、水底高度検知装置が水底高度を算出する処理を行って水底を誤検出することを防止できる。 According to this configuration, it is possible to prevent the water bottom altitude detecting device from performing the process of calculating the water bottom altitude and erroneously detecting the water bottom even though the water bottom is so deep that the water bottom altitude detecting device cannot measure the water bottom.
上記第二態様では、対地速度計による対地速度の計測が可能となる前記水底高度となった場合、本水中航走体の機体ピッチ角を起こして、急速潜入から緩やかな潜入に移行してもよい。 In the second aspect, when the water bottom altitude at which the ground speed can be measured by the ground speed meter is reached, the aircraft pitch angle of the underwater vehicle is raised, and even if the transition from rapid infiltration to gentle infiltration is made. Good.
本構成によれば、水中航走体は急速潜入状態から緩やかな潜入に無理なく移行できる。 According to this configuration, the underwater vehicle can easily shift from the rapid infiltration state to the gentle infiltration.
上記第二態様では、本水中航走体が潜入中であり、かつ前記水底検出判定処理によって水底が検出された状態において、前記水底高度検知装置が、俯角が深い前記反射波から順に前記水底高度の算出を行い、測定した水底位置までの直線距離が最大探知距離を超えた場合、それ以上浅い俯角における前記水底高度の算出を行わなくてもよい。 In the second aspect, in the state in which the underwater vehicle is infiltrated and the bottom of the water is detected by the bottom detection detection process, the bottom of the sea level detector detects the bottom height in order from the reflected wave having a deep depression angle. If the straight line distance to the measured bottom position exceeds the maximum detection distance, the bottom height may not be calculated at a shallower depression angle.
本構成によれば、俯角が浅く水底を測定できないにもかかわらず、水底高度検知装置が水底高度を算出する処理を行って水底の誤検出を防止できる。 According to this configuration, although the depression angle is shallow and the bottom of the water cannot be measured, the bottom of the sea level detection device can perform a process of calculating the bottom of the water to prevent erroneous detection of the bottom of the water.
本発明の第三態様に係る水底高度検知方法は、水中を航走する水中航走体に設けられた送信手段から、該水中航走体の進行方向に対して、該水中航走体の直下及び前下方を含む所定角度範囲で送波ビームを送信する第1工程と、前記送波ビームが水底で反射した反射波を方向が異なる複数の受波ビームで受信手段によって受信する第2工程と、前記受信手段によって受信した前記反射波に基づいて、前記水中航走体の前方の複数の方向の水底高度を算出する第3工程と、を有する。 The underwater altitude detection method according to the third aspect of the present invention includes a transmitting means provided in an underwater vehicle that travels underwater, and a position immediately below the underwater vehicle with respect to the traveling direction of the underwater vehicle. And a first step of transmitting a transmission beam in a predetermined angle range including the front and lower sides, and a second step of receiving a reflected wave reflected from the bottom of the water by a receiving means with a plurality of reception beams having different directions. And a third step of calculating bottom heights in a plurality of directions in front of the underwater vehicle based on the reflected wave received by the receiving means.
本発明によれば、水中航走体を水底の起伏に対して追従性を高く制御可能とする、という効果を有する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it has the effect that followability can be controlled highly with respect to the undulation of a bottom of water.
以下に、本発明に係る水底高度検知装置、水中航走体、及び水底高度検知方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, one embodiment of the water bottom altitude detection apparatus, underwater navigation body, and water bottom altitude detection method which concern on this invention is described with reference to drawings.
図1は、本実施形態に係る水中航走体の構成を示す側面図である。なお、本実施形態では、水中航走体の一例として慣性航法で自律航走する無人潜水機(Unmanned Underwater Vehicle:UUV)とする。また、本実施形態では、一例として、UUVが海中を航走するものとして説明するが、これに限らず、UUVは川や湖等を航走してもよい。 FIG. 1 is a side view showing the configuration of the underwater vehicle according to the present embodiment. In the present embodiment, as an example of an underwater vehicle, an unmanned underwater vehicle (UUV) that autonomously travels by inertial navigation is used. Moreover, although this embodiment demonstrates as an example that UUV navigates in the sea, it is not restricted to this, UUV may sail a river, a lake, etc.
本実施形態に係るUUV1は、機体2、推進器3、前方水平舵4、後方水平舵5、前方垂直舵6、後方垂直舵7、DVL(Doppler Velocity Log)8、及びFLS(Forward Looking Sonar)9を備える。
The
機体2は、推進器3、前方水平舵4、後方水平舵5、前方垂直舵6と、及び後方垂直舵7を駆動するための駆動源を内部に備えている。駆動源としては、例えば、電力を蓄電するバッテリーと、バッテリーからの電力により駆動する電動モータ等があるが、他の種類の駆動源であってもよい。また、機体2は、機体軸A1に直交する平面における断面形状が略円形である。なお、各舵は必ずしも前後に備えられる必要はなく、後方のみに備えられてもよい。
The
UUV1は、図1中の矢印で示す方向を進行方向とし、推進器3が備えるプロペラを機体2の内部の駆動源により回転させることにより推進力を得て水中を航走する。
The
前方水平舵4及び後方水平舵5は、昇降舵であり、断面視翼型を有する板状の部材である。前方水平舵4は、機体2の前部において機体2の左右方向(幅方向)に延びる図示しない水平軸に沿って、左右に一枚ずつ設けられている。同様に、後方水平舵5は、機体2の後部において機体2の左右方向(幅方向)に延びる図示しない水平軸に沿って、左右に一枚ずつ設けられている。
The front
前方垂直舵6及び後方垂直舵7は、方向舵であり、断面視翼型を有する板状の部材であり、各々機体2の上下に一枚ずつ設けられている。
The front
前方垂直舵6は、機体2の内部に設けられた駆動モータにより、前方水平軸まわりに回動するように構成されている。また、後方垂直舵7は、機体2の内部に設けられた駆動モータにより、後方水平軸まわりに回動するように構成されている。前方垂直舵6と後方垂直舵7を制御することにより、UUV1の左右方向の進行方向を任意に制御することができる。
The front
DVL8は、機体2の下側に設けられ、3〜6本の音響ビームを送受波する送受波器を有し、海底に対してドップラー効果によって対地速度を測定する対地速度計である。また、DVL8は、対地速度と同時に、3〜6本の音響ビームで測定した海底までの直線距離の方向余弦を平均化することによってUUV1の直下の高度も測定する。
The
FLS9は、UUV1の先端近傍に設けられた前方ソーナーであり、海底高度検知装置として機能する。
FLS9は、UUV1の直下及び前下方を含む所定角度範囲(以下「送波角度範囲」という)で送波ビーム(音響ビーム)を送信し、送波ビームが水底で反射した反射波(「海底エコー」ともいう。)を方向が異なる複数の受波ビームで受信する。そして、FLS9は、それぞれの受波ビームの受信信号を処理し、UUV1の前方の受波ビーム方向、すなわち複数の方向の海底高度を測定する。
The
The
図2は、本実施形態に係るFLS9から送信される送波ビームの形状を示す模式図である。図2(A)は上方視であり、図2(B)は側方視(鉛直面)である。なお、UUV1の機体軸A1に対して上下方向の面を鉛直面という。また、水平軸に対して上方向の角度を仰角といい、水平軸に対して下方向の角度を俯角という。なお、機体ピッチ角が0°の場合、機体軸A1と水平軸は一致する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the shape of a transmission beam transmitted from the
図2(A)に示すように、FLS9から送信される送波ビームは、UUV1の左右方向に対する広がりが相対的に小さい。一方、図2(B)に示すように、送波ビームは、鉛直面に対してUUV1の直下及び前下方を含む角度範囲で広がりを有する。
As shown in FIG. 2A, the transmission beam transmitted from the
具体的には、FLS9の取付け向き(以下「FLS機械軸」という。)Bは、UUV1のロール角が0°の状態において俯角約30°とされる。そして、FLS機械軸Bを中心軸として、±60°の送波角度範囲で送波ビームがシート状に送信され、送波ファンビーム面が形成される。この送波ファンビーム面は、鉛直面と一致する。なお、送波角度範囲±60°一例であり、これに限定されない。
なお、図2(B)に示されるように、FLS機械軸Bを中心軸とした−60°(送波角度範囲の上向きを正とした場合である。)に向けて送信された送波ビームは、UUV1の直下の海底高度を測定することとなる。UUV1の直下で反射して得られた受波ビームは、最も強度が高いため海底高度検知の基準とできる。換言すると、FLS9のFLS機械軸Bは、UUV1の直下から前方へ向けて送波ビームを送信できるように、FLS機械軸Bが決定される。本実施形態では、この一例として、FLS機械軸Bが俯角30°とされている。
ここで、機体ピッチ角が0°の場合を例に、送波ビームと受波ビームの関係をより具体的に説明する。
例えば、送波角度範囲±60°で連続的に広く送信した送波ビームのうち、−60°方向の成分は、UUV1直下の海底で反射し、直下方向を向いた受波ビームで受信される。FLS9は、この受波ビーム信号を処理してUUV1直下の海底高度を測定する。同様に、送波ビームのうちFLS機械軸Bが0°方向の成分は、俯角30°の方向に伝搬し、その方向の海底で反射する。FLS9は、これをFLS機械軸Bが0°(=俯角30°)の方向を向いた受波ビームとして受信し、この受波ビーム信号を処理して俯角30°方向の前方高度を測定する。
Specifically, the mounting direction of the FLS 9 (hereinafter referred to as “FLS machine shaft”) B is set to a depression angle of about 30 ° when the roll angle of the
As shown in FIG. 2 (B), the transmission beam transmitted toward −60 ° (when the upward direction of the transmission angle range is positive) with the FLS mechanical axis B as the central axis. Will measure the seafloor height just below UUV1. The received beam obtained by reflecting directly under UUV1 has the highest intensity, and can be used as a reference for detecting the seabed altitude. In other words, the FLS machine axis B is determined so that the FLS machine axis B of the
Here, the relationship between the transmitted beam and the received beam will be described more specifically by taking the case where the airframe pitch angle is 0 ° as an example.
For example, among the transmission beams transmitted continuously and widely in the transmission angle range ± 60 °, the component in the −60 ° direction is reflected by the seabed directly under UUV1 and received by the received beam directed in the direct downward direction. . The
このように、FLS9は、UUV1の進行方向に対して、UUV1の直下及び前下方を含む送波角度範囲で送波ビームを送信する。そして、FLS9は、送波ビームが海底で反射した反射波を方向が異なる複数の受波ビームで受信し、それぞれの受波ビーム信号に対してUUV1の前方の海底高度を算出する海底高度検出処理を行う。
As described above, the
換言すると、FLS9は、測深儀であるMBES(Multi-Beam Echo Sounder)と同様の機能を有するものの、それをUUV1の先端近傍に備え、UUV1の前方の海底高度の測定に用いている。なお、一般的に、UUV等に備えられるMBESの機械軸は、UUVの直下方向(俯角90°)であるため、UUVの前方高度を測定するために用いられるものではない。
また、高度計として一般的に用いられているシングルビームエコーサウンダをUUV1の前下方に設けても、一本の送波ビームしか送信しないので、前方の一点のみしか測深できない。一方、本実施形態に係るFLS9は、送波角度範囲でシート状に送波ビームを送信し、必要な方向に必要な数だけ受波ビームを電気的に形成することにより、前下方の必要な方向の海底高度を測定可能となる。
In other words, the
Even if a single beam echo sounder generally used as an altimeter is provided in front of and under UUV1, only one transmitted beam is transmitted, and therefore only one point in front can be measured. On the other hand, the
次に、UUV1の運用状態について図3を参照して説明する。
図3(A)は、UUV1が海底付近を略一定高度で巡航中の状態を示している。図3(B),(C)は、UUV1が潜入中の状態を示している。すなわち、UUV1の運用状態としては、大別して、UUV1が海底付近を巡航中の状態と潜入中の2つの運用状態がある。
Next, the operating state of the
FIG. 3A shows a state in which UUV1 is cruising around the seabed at a substantially constant altitude. 3B and 3C show a state in which the
図3(A)に示されるように、UUV1が海底付近を略一定高度で巡航している場合は、FLS9で計測可能な最大距離である最大探知距離内において、俯角がある程度以上の方向には必ず海底が存在している。このため、FLS9による海底高度の測定が可能である。 As shown in FIG. 3 (A), when UUV1 is cruising near the seabed at a substantially constant altitude, the depression angle is not more than a certain level within the maximum detection distance that is the maximum distance measurable by FLS9. There is always a seabed. For this reason, measurement of the seafloor altitude by FLS9 is possible.
図3(B)に示されるように、DVL8で対地速度を測定可能な程度に水深が浅い海域をUUV1が潜入する場合、UUV1は、DVL8によって対地速度が測定可能となるような緩やかな機体ピッチ角で潜入する。この場合も、FLS9の最大探知距離内において、俯角がある程度以上の方向には必ず海底が存在し、FLS9による海底高度の測定が可能である。
As shown in FIG. 3 (B), when UUV1 infiltrates a sea area that is shallow enough to measure the ground speed with DVL8, UUV1 has a gentle aircraft pitch that allows ground speed to be measured with DVL8. Infiltrate at the corner. Also in this case, within the maximum detection distance of the
図3(C)に示されるように、DVL8で対地速度を測定不可能なほど水深が深い海域をUUV1が潜入する場、UUV1は、DVL8によって対地速度が測定可能になるまで、急な機体ピッチ角(例えば俯角60°以上)で潜入する。
これは、DVL8による対地速度の測定結果を利用した速度ハイブリッド慣性航法に比べて、純慣性航法は航法誤差が発散しやすいので、DVL8で対地速度を測定不可能な場合には、急速に短時間で潜入する方が航法誤差の発散が抑制されるためである。この場合、FLS9の最大探知距離内において海底が存在しない場合もあり、FLS9による海底高度の測定が不可能な場合もある。
As shown in FIG. 3 (C), when UUV1 infiltrates a sea area where the ground speed cannot be measured by DVL8, UUV1 has a steep aircraft pitch until ground speed can be measured by DVL8. Infiltrate at an angle (for example, depression angle of 60 ° or more)
This is because the pure inertial navigation tends to diverge the navigation error compared to the speed hybrid inertial navigation using the measurement result of the ground speed by DVL8. This is because the divergence of navigation errors is suppressed by infiltration. In this case, the seabed may not exist within the maximum detection distance of the
図4は、UUV1の制御構成を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing a control configuration of UUV1.
UUV管制器30は、UUV1の全体を制御する制御部であり、例えばCPU(Central Processing Unit)等により構成されている。UUV管制器30は、ROM(Read Only Memory)等のプログラム格納部31に格納されたプログラムをRAM(Random Access Memory)32に読み出して実行する。UUV管制器30は、プログラムに基づいて、DVL8により測定した直下高度に応じたフィードバック制御量と、FLS9により測定した前方高度に応じたフィードフォワード制御量を演算し、各昇降舵への制御信号を生成する。なお、UUV管制器30から各部への制御信号の送信や、各部からのUUV管制器30への信号の送信は、制御バス50を介して行われる。
The
バッファ部33は、UUV管制器30がDVL8やFLS9から取得した情報に基づいて算出した海底高度や、機体深度センサ34が検出する機体深度等を格納するための複数のバッファを備える。
The
機体深度センサ34は、UUV1の水面からの深度を機体深度として検出するセンサである。UUV管制器30が機体深度センサ34に対して機体深度の取得を指示すると、機体深度センサ34は、機体深度を検出してUUV管制器30に通知する。
The
機体姿勢センサ35は、UUV1の姿勢を検出するセンサである。機体姿勢センサ35は、水平方向に対する機体軸A1の角度(機体ピッチ角)と、機体軸A1を中心とした機体2の回転角度(ロール角度)と、UUV1の中心位置Cを通過する機体軸A1に直交する中心軸A2を中心とした機体軸A1の角度(ヨー角度)とを検出可能である。
The
プロペラ駆動部36は、推進器3が備えるプロペラを回転させる駆動モータを制御するものである。UUV管制器30は、プロペラ駆動部36に制御信号を送信することにより、推進器3が備えるプロペラを回転させる駆動モータを制御する。
The
前方水平舵駆動部37は、前方水平舵4を回動させる駆動モータを制御するものである。UUV管制器30は、前方水平舵駆動部37に制御信号を送信することにより、前方水平舵4を回動させる駆動モータを制御する。
The front horizontal
後方水平舵駆動部38は、後方水平舵5を回動させる駆動モータを制御するものである。UUV管制器30は、後方水平舵駆動部38に制御信号を送信することにより、後方水平舵5を回動させる駆動モータを制御する。
The rear horizontal
前方垂直舵駆動部39は、前方垂直舵6を回動させる駆動モータを制御するものである。UUV管制器30は、前方垂直舵駆動部39に制御信号を送信することにより、前方垂直舵6を回動させる駆動モータを制御する。
The front vertical
後方垂直舵駆動部40は、後方垂直舵7を回動させる駆動モータを制御するものである。UUV管制器30は、後方垂直舵駆動部40に制御信号を送信することにより、後方垂直舵7を回動させる駆動モータを制御する。
The rear vertical
DVL8は、測定した対地速度及び海底高度をUUV管制器30に通知すると共に、バッファ部33に記憶させる。
The
FLS9は、測定した海底高度をUUV管制器30に通知すると共に、バッファ部33に記憶させる。
The
図5は、海底高度検出処理に関する機能を示す機能ブロック図である。
FLS9は、送波器20、受波器21、及び信号処理部22を備える。
FIG. 5 is a functional block diagram illustrating functions related to the seabed altitude detection process.
The
送波器20は、送波角度範囲(−60°〜+60°)に送波ビームを送信する。
受波器21は、一例としてフェーズドアレイアンテナであり、送波ビームが反射した反射波を受信し、各アンテナ素子で受信した反射波の位相を調整して加算することで、位相の調整量に応じた角度の受波ビームとする。受波器21は、この受波ビームの強度と位相を示す受波ビーム信号を信号処理部22へ出力する。なお、受波ビーム信号には、角度に応じた番号が順に付与される。
The
The
信号処理部22は、入力された受波ビーム信号に基づいて、UUV1の直下(俯角90°)から前方方向へ順番にUUV1の前方の海底高度を算出し、UUV管制器30へ出力する。また、信号処理部22は、算出した海底高度をバッファ部33へ出力し、バッファ部33に記憶させる。
The
UUV管制器30は、計測された海底高度に基づいてUUV1をフィードフォワード制御する。
The
なお、UUV1は、海底高度の算出に必要な各種情報、例えば機体ピッチ角、DVL8で測定された海底高度(以下「DVL測定値」という。)、送波角度範囲等の情報やコマンドを信号処理部22へ出力し、信号処理部22はこれら入力された各種情報も用いて海底高度を算出する。
例えば、機体ピッチ角は、受波ビームのFLS機械角と俯角の対応関係の補正に用いられる。
DVL測定値はUUV1の直下の海底高度であるため、信号処理部22は、DVL測定値とFLS9で測定した海底高度とを比較することで、FLS9で測定した海底高度が適切なものかが判定可能となる。
The
For example, the airframe pitch angle is used to correct the correspondence between the FLS mechanical angle and the depression angle of the received beam.
Since the DVL measurement value is the seafloor height immediately below UUV1, the
このような構成により、FLS9はUUV1の進行方向に対して、UUV1の直下及び前下方を含む送波角度範囲で送波ビームを送信し、送波ビームが海底で反射した反射波を受信する。そして、FLS9は、受信した反射波に基づいて、UUV1の前方の海底高度を算出する。UUV1は、この算出された前方の海底高度に基づいて、自身をフィードフォワード制御により自律航行する。
With such a configuration, the
次に、海底高度検出処理の詳細について説明する。
なお、以下の説明において、FLS9から送波ビームを送信して反射波(海底エコー)を受信して海底高度を測定する一連の処理を探信(ピング)ともいう。また、FLS9による海底高度の測定を測深ともいい、その結果をFLS測深値ともいう。
Next, details of the seabed altitude detection process will be described.
In the following description, a series of processes for transmitting a transmission beam from the
まず、1探信毎の処理について図6,7を参照して説明する。
図6は、FLS9による探信を示した模式図であり、一例として、UUV1が海底付近を略一定高度で巡航中の状態を示している。図7は、探信処理の流れを示すフローチャートである。
First, processing for each search will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a search by the
図6において、UUV1の直下でもあるz軸方向が俯角90°であり、UUV1の進行方向でもあるx軸方向が俯角0°である。俯角30°はFLS機械軸B(「FLS取付俯角」ともいう。)に相当し、FLS機械軸Bを基準とする受波ビームステアリング角は0°である。また、俯角90°は受波ビームステアリング角が−60°であり、俯角−30°は受波ビームステアリング角が+60°である。
なお、機体ピッチ角は上向きが正、受波ビームステアリング角は仰角側が正である。
In FIG. 6, the z-axis direction that is also directly under UUV1 is a depression angle of 90 °, and the x-axis direction that is also the traveling direction of UUV1 is a depression angle of 0 °. The
The aircraft pitch angle is positive upward, and the received beam steering angle is positive on the elevation side.
FLS9が送波ビームを送信し(S100)、反射波を受信すると(S102)、処理1としてUUV1直下の海底高度を算出する(S104)。
When the
処理1では、信号処理部22が機体ピッチ角を参照して俯角90°に最も近い受波ビーム番号を算出し、この受波ビームに基づいてUUV1直下の海底高度である直下測深値を算出する。なお、絶対空間における受波ビームの俯角(以下「受波ビーム俯角」という。)は下記(1)式に基づいて算出される。
受波ビーム俯角=FLS取付俯角−機体ピッチ角−受波ビームステアリング角
・・・(1)
In the
Received beam depression angle = FLS installation depression angle-body pitch angle-received beam steering angle
... (1)
次に、ステップ106において、処理2として直下測深値に応じた範囲であるレンジゲート(図6のハッチング領域)を設定する。レンジゲートは、直下測深値(UUV1の直下に送波ビームを送信してから反射波を受信するまでの時間)に一定のマージンを加算した値である。
このレンジゲートは、他の受波ビーム信号に基づく海底高度を算出する際に、レンジゲート以遠の受波ビーム信号のみを使用するためのものである。
Next, in step 106, as a
This range gate is for using only the received beam signal beyond the range gate when calculating the seafloor height based on other received beam signals.
このようなレンジゲートを設定する理由は以下のためである。
送波ビームの直下方向成分の反射波の強度(海底エコーレベル)は、他に比べて最も高いため、これが近傍の他の受波ビームのサイドローブから漏れ込んで、他の受波ビームに基づいて算出される海底高度の誤検出を招く可能性がある。
そこで、UUV1の直下からの反射波の影響を受ける可能性がある範囲を、海底高度を算出しない非算出範囲(レンジゲート)として設定する。このため、FLS9は、レンジゲート以遠における反射波に基づいてUUV1の前方の海底高度を算出するので、サイドローブ漏れ込みに起因する海底高度の誤検出を抑制できる。
また、レンジゲートは、直下測深値に基づいて決定されるが、通常、UUV1とこの直下の海底とを半径とした同心円上には、海底は存在しない。このため、レンジゲート内を測深から除外しても、海底高度の検出に影響はない。
The reason for setting such a range gate is as follows.
The intensity of the reflected wave (underwater echo level) of the component directly below the transmitted beam is the highest compared to the others, so this leaks from the side lobes of other received beams in the vicinity and is based on the other received beams. May cause false detection of the seabed altitude calculated by
Therefore, the range that may be affected by the reflected wave from directly under UUV1 is set as a non-calculated range (range gate) in which the seabed altitude is not calculated. For this reason, since the
In addition, the range gate is determined based on the depth measurement value immediately below, but usually there is no sea bottom on a concentric circle having the radius of UUV1 and the sea floor directly below. For this reason, even if the inside of the range gate is excluded from the depth measurement, the detection of the seabed altitude is not affected.
次のステップ108では、処理3として、レンジゲート以遠におけるUUV1の前下方の海底高度を算出する。
本実施形態では、UUV1の前下方として予め定められた角度範囲(以下「測深角度範囲」という。)内で、複数点の測深をする。測深角度範囲は、一例として、俯角10°から俯角45°までであり、5°ピッチで測深が行われる。
In the next step 108, as
In the present embodiment, depth measurement is performed at a plurality of points within an angle range (hereinafter referred to as “depth measurement angle range”) predetermined as the front lower side of UUV1. The depth measurement range is, for example, a depression angle of 10 ° to a depression angle of 45 °, and depth measurement is performed at a pitch of 5 °.
ここで、海底高度検知装置として使用されない通常のMBESのように、送波角度範囲全域において等角度間隔毎に測深すると、UUV1の直下付近も密に測深することとなる。一方、UUV1の海底高度検知としては、UUV1の直下を密に測深する必要はないため、測深角度範囲が設定される。
このように、本実施形態では、UUV1の海底高度制御用として意味のある方向として測深角度範囲でのみ、海中高度を算出する。これにより、FLS9の信号処理負荷が低下し、算出に要する演算時間を短縮でき、又、FLS9の消費電力を低減できる。
Here, if the depth is measured at equal angular intervals in the entire transmission angle range as in the case of a normal MBES that is not used as a seafloor altitude detecting device, the depth just below UUV1 is also measured closely. On the other hand, as the seafloor height detection of UUV1, it is not necessary to measure the depth directly under UUV1, so a depth measurement range is set.
As described above, in the present embodiment, the underwater altitude is calculated only in the depth measurement angle range as a meaningful direction for the UUV1 undersea altitude control. Thereby, the signal processing load of the
なお、特に俯角が浅い方向の海底高度の算出には、例えば、高度方向に音響中心位置が異なる2本の受波ビーム信号の位相差を用いる方法(例えば、Lurton, X., An Introduction to Underwater Acoustics Principles and Applications, Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2002. P.274-275)等、従来既知の方法が用いられる。 In particular, for calculating the seabed altitude in a direction with a shallow depression, for example, a method using a phase difference between two received beam signals having different acoustic center positions in the altitude direction (for example, Lurton, X., An Introduction to Underwater Known methods such as Acoustics Principles and Applications, Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2002. P.274-275) are used.
次のステップ110では、UUV1の直下及び前下方のFLS測深値をUUV管制器30へ出力し、ステップ100へ戻り、次の測深を行う。
In the next step 110, FLS sounding values immediately below and in front of UUV1 are output to the
次に、連続する複数探信のFLS測深値を平均化する平均化処理について、図8を参照して説明する。
平均化処理は、一例として、UUV管制器30で行うが、これに限らず、FLS9が備える信号処理部22で行われ、平均化されたFLS測深値がUUV管制器30に出力されてもよい。
Next, an averaging process for averaging FLS sounding values of a plurality of consecutive probes will be described with reference to FIG.
The averaging process is performed by the
図8(A)に示されるような、1探信毎のFLS測深値には誤差(レンジ誤差)が含まれている。このため、平均化処理は、UUV1の海底高度制御が受ける誤差の影響を低減するものである。誤差の影響を低減することによって、UUV1がFLS測深値の誤差に過敏に反応して、機体2の高度やピッチ角が不必要に変動することが防止される。
As shown in FIG. 8A, an error (range error) is included in the FLS depth value for each probe. For this reason, the averaging process reduces the influence of errors that the UUV1 seafloor height control receives. By reducing the influence of the error, it is possible to prevent the
本実施形態に係る平均化処理は、同じ俯角の複数のFLS測深値毎に平均化する。
具体的には、平均化処理は、測深によって得られたスラントレンジ(FLS9からFLS9によって測定した海底位置までの直線距離)を地球固定の局所座標O−xyに座標変換した後、同じ俯角毎にx方向(RFLS(θ))及びy方向(HFLS(θ))に加算平均し、平均化したFLS測深値を得る。
同じ俯角毎にFLS測深値を平均化する理由は、受信ビームの誤差の大きさが俯角毎に異なるためである。一般的に俯角が深いほどFLS測深値の誤差が小さく、俯角が浅いほどFLS測深値の誤差が大きくなる傾向がある。なお、UUV1は移動しながら探信を行っているため、同じ俯角の複数のFLS測深値は、測定した海底の位置が異なる。すなわち、本実施形態に係る平均化処理は、誤差の影響を低減すると共に、測定した海底空間も平均化するので、機体2の制御が海底高度の影響を受け難くなり、よりUUV1の制御が安定する。
In the averaging process according to the present embodiment, averaging is performed for each of a plurality of FLS depth measurement values of the same depression angle.
Specifically, in the averaging process, the slant range obtained by sounding (straight line distance from the FLS9 to the seafloor position measured by the FLS9) is transformed into the fixed earth local coordinates O-xy, and then the same depression angle. Addition averaging is performed in the x direction (R FLS (θ) ) and y direction (H FLS (θ) ) to obtain an averaged FLS depth measurement value.
The reason why the FLS depth values are averaged for each same depression angle is that the magnitude of the error of the received beam differs for each depression angle. In general, the deeper the depression angle, the smaller the error of the FLS depth measurement value, and the shallower the depression angle, the larger the error of the FLS depth measurement value. In addition, since UUV1 is searching while moving, a plurality of FLS sounding values having the same depression angle have different measured seabed positions. That is, the averaging process according to the present embodiment reduces the influence of errors and also averages the measured seabed space, so that the control of the
図8(B)は、俯角15°から45°における5ピッチ毎の5回分のFLS測深値であり、これの平均を示した模式図が図8(C)である。
図8の例では、5回探信毎にFLS測深値を平均化しており、新たな探信が行われると、新たな探信と過去4回の探信におけるFLS測深値を平均化する。すなわち、本実施形態に係る平均化処理は、1探信毎にFLS測深値の移動平均を算出するので、算出した海底高度の誤差を小さくできる。
FIG. 8B shows five FLS depth measurement values for every five pitches at a depression angle of 15 ° to 45 °, and FIG. 8C is a schematic diagram showing an average of these values.
In the example of FIG. 8, the FLS sounding values are averaged every five searches, and when a new search is performed, the FLS sounding values in the new search and the past four searches are averaged. That is, since the averaging process according to the present embodiment calculates the moving average of the FLS depth measurement values for each search, an error in the calculated seabed altitude can be reduced.
ここで、UUV管制器30によるフィードフォワード制御を用いたUUV1の海底高度制御の一例について図8(C)を参照して説明する。
海底高度制御は、測深角度範囲内でより遠くの海底高度を測定することとなる俯角15°のFLS測深値を用いる。すなわち、先読みした前方海底高度HFLS(15)及び先読みした水平距離RFLS(15)と、DVL8や他の高度計により測定したUUV1の現在における直下海底高度H0を用いて海底高度制御が行われる。
このように、UUV管制器30は、複数の俯角で反射した反射波に基づいて算出された海底高度のうち、選択した一つの俯角に対応する海底高度を用いて、UUV1をフィードフォワード制御する。
Here, an example of UUV1 seabed altitude control using feedforward control by the
The seafloor altitude control uses FLS sounding values with a depression angle of 15 °, which will measure the seafloor altitude farther within the sounding angle range. That is, the pre-read front seafloor altitude H FLS (15) and pre-read horizontal distance R FLS (15), seabed altitude control is performed using a direct seabed altitude H 0 in the current UUV1 measured by DVL8 or other altimeter .
Thus, the
次に、UUV1の海底高度制御に用いるFLS測深値を切り替える測深値切替処理について説明する。 Next, a depth measurement value switching process for switching the FLS depth measurement value used for UUV1 seafloor height control will be described.
一般的に、FLS9が受信する海底で反射した反射波(海底エコー)は、送波ビームの海底への入射角(受信ビーム俯角)が浅いほど強度が低下し、算出されるFLS測深値の精度が低下する。しかしながら、浅い俯角のFLS測深値を海底高度制御に用いるほど、UUV1にとってはより遠方の海底高度を先読みした制御となるため、海底高度に対する追従性が向上する。すなわち、FLS測深値の精度と先読みの距離はトレードオフの関係にある。 In general, the reflected wave (seafloor echo) reflected by the seabed received by FLS9 decreases in intensity as the incident angle (received beam depression angle) of the transmitted beam to the seabed becomes shallower, and the accuracy of the calculated FLS depth measurement value Decreases. However, as the FLS depth value at a shallow depression is used for seabed altitude control, UUV1 performs control in which the seabed altitude farther away is read ahead, and thus the followability to the seabed altitude is improved. That is, there is a trade-off relationship between the accuracy of the FLS depth measurement value and the distance of prefetching.
図9は、測深値切替処理を含む海底高度制御に係るUUV管制器30の機能を示す機能ブロック図である。
UUV管制器30は、フィードフォワード制御部25、平均化処理部26、及び精度判定部27を備える。
FIG. 9 is a functional block diagram showing functions of the
The
フィードフォワード制御部25は、海底高度制御として、上述したようにDVL8による測定値(以下「現在直下高度」という。)、FLS測深値等を用いてフィードフォワード制御を行う。
As described above, the
平均化処理部26は、上述した平均化処理を行い、平均化した後のFLS測深値をバッファ部33へ出力し、記憶させる。
すなわち、上述した海底高度検出処理及び平均化処理を繰り返すことで、俯角15°の受波ビームに基づいて算出した前方海底高度HFLS(15)、俯角20°の受波ビームに基づいて算出した前方海底高度HFLS(20)、以下同様に前方海底高度HFLS(25)、前方海底高度HFLS(30)、前方海底高度HFLS(35)、前方海底高度HFLS(40)、前方海底高度HFLS(45)が時系列データとして生成され、これがバッファ部33に記憶される。
また、平均化処理部26は、フィードフォワード制御に用いる予め選択した俯角に応じたFLS測深値を、フィードフォワード制御部25及び精度判定部27へ出力する。
The averaging
That is, by repeating the above-described seafloor height detection process and averaging process, the forward seabed height H FLS (15) calculated based on the received beam with a depression angle of 15 ° was calculated based on the received beam with a depression angle of 20 °. Forward seafloor height H FLS (20) , forward seafloor height HFLS (25) , forward seafloor height HFLS (30) , forward seafloor height HFLS (35) , forward seafloor height HFLS (40) , forward seabed The altitude H FLS (45) is generated as time-series data and stored in the
In addition, the averaging
DVL8は、UUV1の直下の海底高度を測定して得られた現在直下高度を、フィードフォワード制御部25及び精度判定部27へ出力する。
The
精度判定部27は、DVL8による現在直下高度とFLS9によるFLS測深値とを比較することで、FLS9によるFLS測深値の精度を判定する。
The
そして、平均化処理部26は、精度判定部27の判定結果に応じて、フィードフォワード制御で用いるFLS測深値の俯角を切り替える。
And the
図10を参照して、より具体的に測深値切替処理について説明する。
UUV1が位置Aのときに、FLS9が海底高度検出処理を行い、俯角15°から45°における5ピッチ毎のFLS測深値を得る。位置Bは、俯角45°に応じたFLS測深値に対応する位置であり、位置Cは、俯角15°に応じたFLS測深値に対応する位置である。
UUV1が位置Bを通過したとき、精度判定部27は、バッファ部33に記憶した時系列データから俯角45°に応じたFLS測深値(過去に先読みした現地点のFLS測深値)を読み出す。そして、精度判定部27は、俯角45°に応じたFLS測深値に基づく先読みした現地点の水深とDVL8による現在直下高度に基づく現在の水深を比較し、その差分が所定閾値未満であるか否かを判定する。所定閾値未満の場合は、FLS測深値の精度が高いと判定され、所定閾値以上の場合は、FLS測深値の精度が低いと判定される。
精度判定部27は、このような判定をUUV1が位置Cを通過するまで、各俯角のFLS測深値毎に行う。
なお、先読みした現地点の水深、及び現在の水深は下記の式によって算出される。
先読みした現地点の水深=過去に先読みしたFLS測深値+過去のUUV1の航走深度
現在の水深=現在の水底高度+現在のUUV1の航走深度
The depth measurement value switching process will be described more specifically with reference to FIG.
When UUV1 is at position A, the
When the UUV1 passes the position B, the
The
In addition, the water depth of the local point read ahead and the current water depth are calculated by the following formula.
Pre-reading water depth at the local point = FLS sounding value pre-read in the past + past UUV1 travel depth Current water depth = current bottom height + current UUV1 travel depth
そして、フィードフォワード制御部25で用いるFLS測深値の精度が低いと判定された場合、平均化処理部26は、フィードフォワード制御部25で用いる(出力する)FLS測深値を、より深い俯角の受波ビームであって、フィードフォワード制御に用いるに足る精度を有する受波ビームに基づいて算出されたFLS測深値に切り替える。
一方、フィードフォワード制御部25で用いるFLS測深値の精度が高いと判定された場合、平均化処理部26は、フィードフォワード制御部25で用いる(出力する)FLS測深値を、より浅い俯角の受波ビームに基づいて算出されたFLS測深値に切り替える。
When it is determined that the accuracy of the FLS depth measurement value used by the
On the other hand, when it is determined that the accuracy of the FLS depth measurement value used by the
なお、平均化処理部26は、フィードフォワード制御部25で用いるFLS測深値の精度が十分な場合には、フィードフォワード制御部25へ出力するFLS測深値の俯角を切り替えなくてもよい。
The averaging
このように測深値切替処理は、過去に先読みした現地点のFLS測深値と現在直下高度とを比較することで、FLS測深値の精度を判定し、精度に応じてUUV1のフィードフォワード制御に用いるFLS測深値を算出する受波ビームの俯角を切り替えるので、UUV1の制御を自動的に最適化できる。
In this way, the depth measurement switching process determines the accuracy of the FLS depth measurement value by comparing the FLS depth measurement value of the local point prefetched in the past with the current direct altitude, and uses it for feedforward control of UUV1 according to the accuracy. Since the depression angle of the receiving beam for calculating the FLS depth value is switched, the control of the
次に、上述した図3(B),(C)で示したような、UUV1が潜入する場合の制御について説明する。
Next, the control when the
図11は、UUV1が急速潜入から緩やかな潜入に移行する状態を示した図である。
本実施形態に係る信号処理部22は、UUV1が急速潜入を行う場合、受波ビームに基づいて水底を検出しているか否かを判定する海底検出判定処理を行う。そして、信号処理部22は、海底検出判定処理によって海底を検出した場合に、海底検出判定処理を終了して、UUV1の前方の海底高度を算出する海底高度検出処理を行う。
FIG. 11 is a diagram showing a state in which UUV1 shifts from rapid infiltration to gentle infiltration.
When the
ここで、上述した図3(A)等のように、FLS9によって海底が確実に検出できる場合には、例えば、受波ビーム信号について、TVG(Time Valuable Gain)により近いレンジから遠いレンジまでの海底エコーレベルを略平滑化した状態で、受波ビーム信号の強度がピークを取るレンジを検出して、これをFLS測深値(スラストレンジ)とする。
一方、急速潜入状態とは、FLS9が海底を測定できないほど深い海底に向かって潜入している状態である。このような状態では、FLS9の測定距離の最大値である最大探知距離内に海底が無い。そこで、信号処理部22は、急速潜入状態において海底高度検出処理を行わずに海底検出判定処理を行う。これにより、FLS9によって海底を測定できないほど海底が深いにもかかわらず、FLS9が海底高度を算出する処理を行って海底の誤検出を防止できる。
Here, when the seabed can be reliably detected by the
On the other hand, the rapid infiltration state is a state in which the
具体的には、信号処理部22は、機体ピッチ角が予め定められた閾値(例えば60°)を超える場合、急速潜入状態と判定する。または、UUV管制器30からFLS9への制御コマンドに急速潜入フラグを設け、急速潜入フラグがオンのときに、信号処理部22は急速潜入状態と判定してもよい。
Specifically, when the aircraft pitch angle exceeds a predetermined threshold (for example, 60 °), the
そして、急速潜入状態(図11の状態A)において信号処理部22は、機体ピッチ角を参照して、俯角90°(UUV1の直下方向)に最も近い受波ビーム番号を算出し、この受波ビーム番号を含む複数の受波ビームに基づいて海底検出処理を行う。なお、複数の受波ビームは、少なくともUUV1の直下とUUV1の機体軸A1の方向(機軸方向)の2つであればよい。
In the rapid infiltration state (state A in FIG. 11), the
そして、海底検出判定処理では、受波ビームの強度が予め設定された閾値以下の場合に、海底未検出を示す信号を出力し、受波ビームの強度が上記閾値を超えた場合に、海底検出を示す信号を出力する。なお、この閾値は、固定値であってもよいし、UUV管制器30からFLS9への制御コマンドに含め、UUV1の運用海域の海底底質等に応じて変化してもよい。
In the seabed detection determination process, when the intensity of the received beam is equal to or lower than a preset threshold, a signal indicating that the seabed has not been detected is output, and when the intensity of the received beam exceeds the threshold, the seabed detection is performed. A signal indicating is output. Note that this threshold value may be a fixed value or may be included in a control command from the
そして、海底が検出された場合(状態B)、信号処理部22は、海底検出判定処理を海底高度検出処理に切り換え、FLS9による海底高度の測定を行う。
海底高度検出処理によって、UUV1直下の海底高度又は機軸方向の海底高度がDVL8による対地速度の計測が可能となったと判定された場合(状態C)、UUV管制器30は、UUV1の機体ピッチ角を起こして、急速潜入から緩やかな潜入に移行し、緩やかな潜入を継続する。
これにより、UUV1は、急速潜入状態から、DVL8による対地速度の計測が可能な緩やかな潜入に速やかに移行でき、航法誤差の発散を最小限に抑えることが可能となる。
When the seabed is detected (state B), the
When it is determined by the seafloor height detection processing that the seafloor height directly below UUV1 or the seafloor height in the axial direction can be measured by the DVL8 (state C), the
As a result, the
図12は、UUV1が緩やかな潜入を行っている状態を示した図である。
緩やかな潜入とは、機体ピッチ角が例えば10°から15°くらいの潜入であり、UUV1の現在の海底高度が目標とする海底高度に達していない状態である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which UUV1 performs a gentle infiltration.
Slow infiltration is a state in which the aircraft pitch angle is about 10 ° to 15 °, for example, and the current seafloor height of UUV1 does not reach the target seafloor height.
このような潜入では、俯角の浅い方向では海底までの距離がFLS9の最大探知距離よりも長く、海底高度を測定できない可能性がある。
In such infiltration, the distance to the sea floor is longer than the maximum detection distance of the
そこで、本実施形態に係る信号処理部22は、UUV1が潜入中であり、かつ海底検出判定処理によって海底が検出された状態において、俯角が深い受波ビームから順に海底高度の算出を行い、測定されたスラントレンジがFLS9の最大探知距離を超えた場合、それ以上浅い俯角における海底高度の算出を行わない。
Therefore, the
具体的には、緩やかな潜入状態となったら、まず、UUV1の直下方向の受波ビームによって海底高度を測定し、この測深値に基づいて他の受波ビームに対するレンジゲートを設定する。
そして、俯角が深い受波ビームから順に海底高度の測定を行い、測定された海底までのスラントレンジがFLS9の最大探知距離から所定のマージンを引いた値である設定探知可能距離以下となった場合に、その受波ビームまでで海底高度の測定を終了する。図12の例では、俯角25°でスラントレンジが設定探知可能距離以下となるので、それより浅い俯角における海底高度の測定は行われない。
Specifically, when a gentle infiltration state is reached, first, the seafloor height is measured by a received beam in the direction directly below UUV1, and a range gate for other received beams is set based on this depth measurement value.
Then, when the seafloor height is measured in order from the received beam with the deep depression angle, and the measured slant range to the seabed is less than the set detectable detectable distance, which is a value obtained by subtracting a predetermined margin from the maximum detectable distance of FLS9. Then, the measurement of the seabed altitude is completed up to the received beam. In the example of FIG. 12, since the slant range is less than the set detectable distance at a depression angle of 25 °, measurement of the seabed altitude at a depression angle shallower than that is not performed.
これにより、俯角が浅く海底を測定できないにもかかわらず、FLS9が海底高度を算出する処理を行って海底の誤検出を防止できる。
Thereby, although the depression angle is shallow and the seabed cannot be measured, the
なお、海底高度の測定を途中で終了した場合は、例えば、下記のいずれかの方法で前方の海底高度を定義し、フィードフォワード制御で用い、UUV1が目標高度に達するまで潜入を行う。
1.測定した海底高度の中で、最も俯角の浅い受波ビームに基づく海底高度
2.測定した海底高度の平均値
3.測定した海底高度の中で、最も低い海底高度
4.機軸方向の受波ビームに基づいて海底高度の測定が行われた場合、その海底高度
When the measurement of the sea bottom altitude is terminated halfway, for example, the front sea bottom altitude is defined by one of the following methods, used in feedforward control, and infiltrated until UUV1 reaches the target altitude.
1. Among the measured seafloor altitudes, the seabed altitude is based on the shallowest receiving beam. 2. Average measured
図13は、UUV1が急速潜入を行っている他の状態を示した図である。
図13に示されるように、UUV1は、急速潜入状態である(状態D)。しかし、UUV1の進行方向の海底が盛り上がり、海底高度が高くなっている。このような場合、UUV1直下の海底高度がDVL8による対地速度を計測可能な高度に達していなくても、UUV1の機軸方向、すなわちUUV1の進行方向の海底高度がDVL8による対地速度を計測可能な高度であれば、UUV1の機体ピッチ角を起こす(状態E)。
FIG. 13 is a diagram illustrating another state in which the
As shown in FIG. 13, UUV1 is in a state of rapid infiltration (state D). However, the seabed in the direction of travel of UUV1 rises and the seabed altitude is high. In such a case, even if the seafloor height just below UUV1 does not reach the altitude at which the ground speed can be measured by DVL8, the seafloor height in the direction of the axis of UUV1, that is, the traveling direction of UUV1, can measure the ground speed by DVL8 If so, the aircraft pitch angle of UUV1 is raised (state E).
以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using the said embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. Various changes or improvements can be added to the above-described embodiment without departing from the gist of the invention, and embodiments to which the changes or improvements are added are also included in the technical scope of the present invention. Moreover, you may combine the said embodiment suitably.
また、上記実施形態で説明した海底高度検出処理等の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。 In addition, the flow of the seabed altitude detection process described in the above embodiment is also an example, and unnecessary steps are deleted, new steps are added, or the processing order is changed within a range not departing from the gist of the present invention. Or you may.
1 UUV(水中航走体)
8 DVL(高度計)
9 FLS(水底高度検知装置)
20 送波器(送信手段)
21 受波器(受信手段)
22 信号処理部(処理手段)
25 フィードフォワード制御部(制御手段)
27 精度判定部(精度判定手段)
30 UUV管制器(制御手段)
1 UUV (underwater vehicle)
8 DVL (altimeter)
9 FLS (water bottom altitude detector)
20 Transmitter (Transmission means)
21 Receiver (Receiving means)
22 Signal processing unit (processing means)
25 Feedforward controller (control means)
27 Accuracy determination unit (accuracy determination means)
30 UUV controller (control means)
Claims (10)
前記送波ビームが水底で反射した反射波を方向が異なる複数の受波ビームで受信する受信手段と、
前記受信手段によって受信した前記反射波に基づいて、前記水中航走体の前方の複数の方向の水底高度を算出する処理手段と、
を備える水底高度検知装置。 A transmission means provided in an underwater vehicle that travels underwater, and that transmits a transmission beam in a predetermined angle range including directly under and under the underwater vehicle with respect to a traveling direction of the underwater vehicle; ,
Receiving means for receiving the reflected wave reflected by the water bottom with a plurality of received beams having different directions;
Based on the reflected wave received by the receiving means, processing means for calculating the bottom height in a plurality of directions ahead of the underwater vehicle,
Water bottom altitude detecting device.
複数の俯角で反射した前記反射波に基づいて算出された前記水底高度のうち、選択した一つの俯角に対応する前記水底高度を用いて、本水中航走体をフィードフォワード制御する制御手段と、
を備える水中航走体。 The water bottom altitude detecting device according to any one of claims 1 to 4,
Control means for feedforward controlling the underwater vehicle using the bottom height corresponding to one selected depression among the bottom elevations calculated based on the reflected waves reflected at a plurality of depressions;
Underwater vehicle equipped with.
前記高度計による測定値と前記水底高度検知装置による前記水底高度とを比較することで前記水底高度検知装置による前記水底高度の精度を判定する精度判定手段と、
を備え、
前記制御手段で用いる前記水底高度の精度が低い場合は、前記制御手段で用いる前記水底高度を、より深い俯角の前記反射波に基づいて算出された前記水底高度に切り替え、前記制御手段で用いる前記水底高度の精度が高い場合は、前記制御手段で用いる前記水底高度を、より浅い俯角の前記反射波に基づいて算出された前記水底高度に切り替える請求項5記載の水中航走体。 An altimeter that measures the bottom height of the underwater vehicle,
An accuracy determination means for determining the accuracy of the water bottom height by the water bottom height detection device by comparing the measurement value by the altimeter and the water bottom height by the water bottom height detection device;
With
When the accuracy of the bottom height used in the control means is low, the bottom height used in the control means is switched to the bottom height calculated based on the reflected wave of a deeper depression angle, and used in the control means. The underwater vehicle according to claim 5, wherein when the accuracy of the water bottom altitude is high, the water bottom altitude used by the control means is switched to the water bottom altitude calculated based on the reflected wave at a shallow depression angle.
前記水底検出判定処理によって水底を検出した場合、前記水底高度検知装置は、前記水底検出判定処理を終了して、本水中航走体の前方の前記水底高度を算出する処理を行う請求項5又は請求項6記載の水中航走体。 When the underwater vehicle makes a quick infiltration, the water bottom altitude detection device performs a water bottom detection determination process for determining whether or not the water bottom is detected,
6. The water bottom altitude detection device, when detecting a water bottom by the water bottom detection determination process, ends the water bottom detection determination process and performs a process of calculating the water bottom altitude in front of the underwater vehicle. The underwater vehicle according to claim 6.
前記水底高度検知装置は、俯角が深い前記反射波から順に前記水底高度の算出を行い、測定した水底位置までの直線距離が最大探知距離を超えた場合、それ以上浅い俯角における前記水底高度の算出を行わない請求項7又は請求項8記載の水中航走体。 In the state where the underwater vehicle is infiltrated and the bottom is detected by the bottom detection determination process,
The water bottom height detection device calculates the water bottom height in order from the reflected wave having a deep depression angle, and when the measured straight line distance to the bottom position exceeds the maximum detection distance, the water bottom height calculation at a shallow depression angle is performed. The underwater vehicle according to claim 7 or 8, wherein the underwater vehicle is not operated.
前記送波ビームが水底で反射した反射波を方向が異なる複数の受波ビームで受信手段によって受信する第2工程と、
前記受信手段によって受信した前記反射波に基づいて、前記水中航走体の前方の複数の方向の水底高度を算出する第3工程と、
を有する水底高度検知方法。 A transmission beam is transmitted from a transmission means provided in the underwater vehicle that travels underwater in a predetermined angle range including directly under and under the underwater vehicle with respect to the traveling direction of the underwater vehicle. A first step of
A second step of receiving the reflected wave reflected from the bottom of the water by the receiving means with a plurality of received beams having different directions;
A third step of calculating a bottom height in a plurality of directions ahead of the underwater vehicle based on the reflected wave received by the receiving means;
Water bottom altitude detection method.
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