1. はじめに

 私たち深田サルベージ建設株式会社は、社名からイメージされる「海難救助」、「鉄構工事」、「海洋土木」、「重量物輸送・曳航」に加え、近年では「海洋開発」及び「洋上風力」といった海中・海底、オフショアにも事業範囲を広げている。新たな事業を展開していく中で、積極的に深海設備機器（海中ロボット）によるオペレーションにも挑戦し、現在に至っている。
 本稿では、2013年から商用運用を開始した自律型潜水探査機 (Autonomous Underwater Vehicle; AUV)「Deep1」の10年間の活用を振り返る。気が付けば2024年2月現在まで、計200回以上の潜航を経験してきた。探査計測の各論は参考文献に譲るとし、AUV「Deep1」の基本的な性能を紹介しながら、活用の変化や苦労した機材管理についてお話しするのでお付き合い願いたい。

2. AUV「Deep1」の導入（2013年）^{1), 2）}

 2000年以降、陸上資源の枯渇や希少金属への需要が高まり、世界的に海底資源への注目が高まってきた。これに伴い、従来の船舶(洋上船)による探査方法だけでなく、有索式潜水探査機(ROV)やAUVによる精密探査の役割が大きくなってきた。弊社は、2012年に水深3,000ｍ対応のAUVを購入し、2013年1月の業務から商業オペレーションを開始している。
 Deep1の外観の写真を図2に示す。このAUVはカナダInternational Submarine Engineering (I.S.E)社製Explorer型と呼ばれる機体であり、同じくカナダHawboldt Industories社とI.S.E社が共同開発した軽量Ramp型投入揚収装置(LARS)により海中投入・揚収される。AUV導入時、その支援母船は弊社所有船舶「新海丸(339トン)」であった。（後に新竜丸(698トン)に変更）

 I.S.Eエンジニアによると、（国防等を除けば）精密な海底地形図や洋上船では調査が困難な氷海下の環境調査のためにAUVを購入する顧客が多いという。一般に、AUVに求められる主要な計測は、マルチビーム測深機（MBES）、サイドスキャンソナー(SSS)、サブボトムプロファイラ(SBP)による海底地形図・海底堆積プロファイルであろう。弊社AUV「Deep1」運用開始についても、最初は海底熱水鉱床の調査、表層型メタンハイドレートの探査が中心であった。
 AUV「Deep1」の主要項目を表1にまとめる。Deep1にはセンサ類の追加搭載が可能なペイロードがある。表1の調査機器の項目にあるように、これまで顧客の要望に応えて多様な物理・化学センサを搭載し、調査潜航に貢献してきた実績がある。

 AUV「Deep1」の航行は、無線による「パイロットモード」と自律航行及び音響制御下による「ミッションモード」で制御される。
 パイロットモードは、支援母船上のオペレータが海上航行しているDeep1との無線操縦である。AUV投入してから潜航まで、調査潜航を終えて浮上してから揚収までの操縦はこのモードで実行される。
 ミッションモードとは、支援母船から懸架された音響トランスデューサとDeep1側との相互の音響通信で航行制御されるものと、事前に作成された潜航・調査プログラムをDeep1ビークル側にインストールすることでプログラムに沿った航行を行うものである。Deep1投入後は、潜航段階により使い分けている。例えば、潮流の影響を受けてDeep1が大きくドリフトした際には、音響通信による位置情報を更新することになる。また航行中、障害物回避システム(OAS)が作動することにより、水中衝突や接触を未然に防止することもミッションモードの自律制御によるものである。
 潜航中のDeep1の航行状況は、音響通信装置及び音響測位装置により支援母船のモニターで監視されている。

3. Deep1のアップグレード（2020年）

 資源調査を中心にAUV「Deep1」を運用してきたが、客先からはより正確な情報が望まれるようになった。そこで2019年、Deep1をI.S.E社へ返送し、オーバーホールとともに搭載機器がアップグレードすることとなった。アップグレードの内容は、(1) MBES、(2) 光学式カメラシステム、(3) バッテリーシステムとなり、同時期に(4) HiPAPによるGAPSのバックアップ、(5) 支援母船の変更を行っている。
 R2Sonic社製MBESのビーム数を256本から1024本に増やすことで最大4倍の解像度を得た。この解像度から海底熱水鉱床のチムニーの「煙突状の形」がより得やすくなることが期待できる。加えて、ウォーターカラムを計測することにより、水中異常を取得することでプルームの可視化が可能となる。これまではSSSによる2D情報だけであったが、3Dで座標を取得することができる。
 通常、海底面の様子を知るには、SSSの音響によるイメージを取得する。一部、パイプライン等の保守整備を目的としたサーベイでは、安心して接近できる環境下で光学式カメラが使用されていると思う。このときDeep1に搭載した光学式カメラシステムはこれまで見たシステムより高性能であると感じた。
 AUV下面のトップとテールにストロボライト(省電力LEDライト)を搭載し、巡航しながら光学式カメラの写真、すなわち自然色に近い画像を得られるようになった。
 電力を消費する光学式カメラシステムを搭載することもあって、AUVビークル内に搭載されているバッテリーシステムも刷新した。バッテリー個数を9個から11個に増加し、潜航時間は最大24時間となった。
 海中を航行するビークルにとって、音響測位のデータは重要なファクタである。このデータによって、航行する機体の位置と深度が決定され、計測データと整合される。音響測位装置GAPSをフルメンテナンスすると同時に、そのバックアップシステムについて検討した。
 新たなAUV支援母船「新竜丸(698トン)」には、ROV用の音響測位装置HiPAP(Kongsberg社製)が既設であった。あるとき、AUV運用チームの一人から「このHiPAPをGAPSのバックアップに使用できないか」というアイデアが出され、Deep1でも利用可能となった。このHiPAPによる音響測位は、万一、GAPSが不調となった際の使用だけではない。GAPS/HiPAPを切り替えることにより、より高品質な測位データを取得することが可能になったのである。

次回に続く－

【著者紹介】
高橋　裕和（たかはし　ひろかず）
深田サルベージ建設株式会社　東京支社　海洋開発部　部長代理

1 はじめに

 近年、海上での基本的な作業を自動化しようという取り組みが、海中ロボット（Subsea Robotics）市場を急成長させている。この海上作業の自動化は、海上作業員の安全性向上、各作業員の負荷軽減、プロジェクトのコスト削減、そして、二酸化炭素排出量の削減といった環境負荷の削減につながることが期待されている。歴史的には、海中ロボットは石油・ガスなどの市場における無人探査機である遠隔操作型無人潜水機ROV（Remotely Operated Vehicle）に限定されていたが、近年ではより高度な機能を有するROVや人間の操作を必要としない自律型無人潜水機AUV（Autonomous Underwater Vehicle）へと多様化が進んでいる。これらの高度な水中ビークルが自身の挙動を決定する際には、機体に搭載している各種センサ類からの情報に大きく依存している。したがって、高精度な水中ナビゲーションを実現するために各種センサ類の性能に対する要求が年々高まってきている。本稿の前半では中でもドップラ速度ログ（DVL）センサについてそのしくみと性能向上への取り組みについて紹介し、後半では小型水中ビークルを対象として新開発されたDVLセンサとその使用事例について紹介する。

2 水中ナビゲーションについて

 水中ではGNSS衛星からの信号が届かないため、水中ビークルの自己位置を推定するためには、機体に搭載されたセンサ類から取得される情報を頼りに水中におけるナビゲーションを実行する必要がある。この水中ナビゲーションには、機体に搭載されたセンサ類と共に、水上・水中の位置を基準に自己位置を推定する方法や、推測航法（Dead Reckoning）と呼ばれる方法を用いるなど、水中ビークルの運用環境や用途に応じて選択されている（表１）。航続距離が長い自律航行や、複雑な水中構造物の中を航走するといった用途においては、推測航法が使用されることが多い。

 推測航法とは、方位、速度、タイミングセンサからの出力を統合し、演算処理を行うことで、移動体の時間的な位置変化を継続的に把握して行う航法である。これは多くの場合、GNSSまたは他の絶対測位システムより得られた既知の開始位置を基準として実行される。推測航法では、決められた時間間隔で位置の算出を行い、その積分を行うことで現在位置が算出されるため、各センサの誤差は時間と共に累積する（図１）。そのため、最終的な位置の誤差は、機体に搭載されているセンサの性能に密接に関係する。

 水中ナビゲーションが用いられる例としては、潜水士用のハンドヘルド・システムといったコンパクトな機材から、数千キロもの航続距離を持つような全長数メートル級の探査・測量用大型AUVまで様々である。また、自己位置の把握は、自律的な航行の用途の他、探査・測量データに地球上の座標情報を付与するために必要とされている。

3 ドップラ速度ログDVL（Doppler Velocity Log）とは

推測航法など、各種水中ナビゲーションにおいて重要な役割を担うのがDVLである。DVLは、ボトムトラッキング （Bottom Tracking、海底検知）と呼ばれる、水中の基準となる面（海底等）に対する相対速度を計測する技術を用いた音響センサである。なお、この「水中の基準となる面」は、垂直配置された壁面や水中構造物の天井など、海底に限られないため、本稿では以降「基準面」と記載する。大きな特徴として、基準面に対する相対速度を経時的なドリフトや偏りが発生すること無く計測できる。

DVLは、音波の送受波器となっているトランスデューサ（探触子）を3つ以上持ち、それぞれ異なる方向を向くように配置している（図２）。この３つ以上のトランスデューサから音波パルスをそれぞれ基準面へ送信し、この面から反射されてトランスデューサへ到達した反射波（エコー）に対してドップラ効果を用いて周波数解析を行う。この結果、各トランスデューサ面に対し垂直方向の速度が得られる。その後、設計上既知となっているトランスデューサの配置された角度（向き）から、DVLの正面方向を基準とした３軸の直行座標成分へ速度を分解し、最終的にDVLの基準面に対する移動速度が得られる（図２）。３つ以上のトランスデューサを用いることで、基準面に対する三次元速度が得られる。

推測航法は、この速度情報と共に、方位センサから得られるDVL（または機体）の方位情報（進行方向）と組み合わせて演算処理を行うことで、実行することができる。そのため、DVLは方位センサを含む慣性センサを持つ慣性航法装置（Inertial Navigation System、INS）と組み合わせて使用されることが多い。近年では、DVLとINSの接続の際に必要な接続・校正作業を不要とする、DVLとINSが一体化された製品も登場している。

一方、DVLを単独で水中ビークルに搭載し、速度計として用いる場合もある。特に、水中ビークルを水流がある環境下において運用する場合、位置を自動で保持する定点保持（ステーションキーピング）と呼ばれる機能が有効になる。速度情報は、水中ビークルがスラスタ等の駆動部を水流に対抗するように自律的に動作させるために使用される。

4 DVLの性能を決定する主な要素

DVLの性能は、1）計測レンジ、2）計測精度、3）計測時間管理の３つの要素が重要であるとされる。

5 Nortek社製DVLの例

 DVLには様々な形状、サイズ、音響周波数を持つ機種が存在する。DVLの音響周波数は、計測可能な距離をある程度決定付ける。低周波数の音波パルスに対応した機種は高周波数に対応した機種よりも長い計測距離を持つが、低周波数の音波パルスを発生させるためにトランスデューサの寸法を大きくする必要があるため、機器の重量と寸法が高周波数の機器よりも増加する傾向にある。 INS等の慣性センサと接続することで水中ナビゲーションを実現するNortek社製DVLには、計測レンジや耐圧性能により合計８種類の機種がある（図３）。機種名「DVL」に続く数字は、各機種が使用する音響周波数がkHzにて表示され、製品名となっている。DVL1000の場合、1MHz（1000kHz）の音響周波数を使用している。これらDVLシリーズは長期精度0.1%を実現しており、長期間の自律航行への貢献が期待される。

次回に続く－

【著者紹介】
國分　祐作（こくぶ　ゆうさく）
Nortekジャパン合同会社　代表

■執筆歴
センサイトWEBジャーナル：
「超音波ドップラー式流向流速プロファイラー（ADCP）の技術とその応用」
(1) https://sensait.jp/12234/
(2) https://sensait.jp/12235/