工学部 ロボティクス学科

太田和彦 研究室

OTA KAZUHIKO
LABORATORY

水中ロボットに最適なセンシングと水中音響による通信制御の実現を目指して

水中生物は陸上生物とは異なる優れたセンサ・知覚能力を備えており、そのセンシングやメカニズムを参考に新たな水中ロボットの研究を進めている。光や電波は水中における伝搬時の減衰が大きいのに対し、遠方まで伝わりやすい音波を上手く利用して水中生物はセンシングやコミュニケーションを図っており、その特性を反映させた機能・性能を水中ロボットに導入できればと考えている。

キーワード

  • 水中センシング
  • 水中ロボット
  • 音響通信・信号処理

ニュース&トピックス

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研究紹介

RESEARCH

音響画像を用いた水中目標検出のための小型水上ROVに関する研究

研究内容

水中では光波や電波による捜索が困難な目標物の位置同定のため、遠隔操作可能な移動式小型プラットホームにサイドスキャンソーナーを搭載させてリモートセンシングし、その出力の音響画像から目標を自動検出、これにアプローチできるような捜索用水上ROV(Remotely Operated Vehicle)に関する研究を進めている。この試作器による水槽実験及び穴水自然学苑での海上実験から水中や海底上の静止目標の検出は可能であることを確認した。今後は目標が移動した場合に、その補足探知と追尾を可能とさせるような制御システムについて検討し、将来的には遠隔操作ではなく自律的に移動目標を探知・トラッキングできるような自律型ASV(Autonomous Surface Vehicle)システムの実現を目指す。

水中探索用遠隔操作式小型船(ROV)を利用したアマモ群生域把握のための研究

研究内容

アマモは沿岸砂泥地の水深数m以浅の浅い海域に群生するイネ科と同じ顕花・種子植物で、水質を浄化させることから海辺環境の指標となるだけではなく、魚類や頭足類の産卵場所や稚魚の生育場所を提供するため水産資源確保の観点からも重要である。しかしながら、近年、護岸工事や沿岸域の埋め立てなどにより全国的にアマモ場は減少しており、この復元のための試みや実験が国内各所で行われつつある。石川県においては七尾市能登島向田町にアマモの群生している沿岸があるため、当該研究室で開発した水中探索用遠隔操作式小型船(ROV)を用いたアマモ場の調査についてその有効性を検討している。写真は平成28年8月に能登島曲海岸で海上実験を実施し得られた調査結果の一例である。サイドスキャンソーナーの適用により水中ビデオカメラでは把握し難いアマモの丈分布等が確認された。今後、各種ソーナーを組み合わせ、ROVによるアマモ群生エリアの把握に活用させていく予定である。

水中探索用トリマラン型遠隔操作式小型船(ROV)に関する研究

研究内容

前年度試作したモノハル型水中探索用ROVを穏やではない海面上を航走させると、ROV船底にマウントされた音響画像用ソーナー(サイドスキャンソーナー、ダウンスキャンソーナー)は船体の動揺に伴って音響ビームが不安定となり出力画像も劣化する。このため、船体形状をトリマラン型船体(三胴船)として安定性を向上させるとともにFRPを用いて船体の強化を図った。また、ROVの推進にプロペラを用いると水中で雑音が発生し、ソーナーの音響性能を低下させるため、モノハル型の場合と同様、プロペラ(直径:15インチ)による空力推進を採用し、一方、低速域での旋回性能を確保するためシリングラダー形状の水中舵をとりつけ、プロペラと水中舵を無線通信で制御し遠隔操作の可能なトリマラン型ROVを試作した。今後、本トリマラン型ROVを用いて海上実験を行い、各種ソーナー及び光学ビデオカメラの組み合わせによる水中探索能力の向上を確認する予定である。

水中音波のマルチパス伝搬を利用した音源位置同定の研究

研究内容

海中における音波の伝わり方は海水温や海底地形等海洋環境に応じて異なり、また音波の伝搬(群)速度も周波数によって異なることから、音響パルス信号も海中を伝搬する過程で大きく変化する。このような海洋環境下、特に浅海域において水中探査ロボット等の目標位置を同定するため,多経路伝搬に伴う複数の受信パルス信号の分別が必要となる.このためM系列信号の送波が可能な音響機器を利用することで、相関処理から受信信号のS/Nが改善できるとともに複数のマルチパス信号の分別が可能となる.本研究では伝搬経路の異なるマルチパス信号を利用し,直接波と海面反射波及び海底反射波間の伝搬時間差から、目標(音源)までの距離と深度を同定する方法について海上実験によりその有効性を確認した。今後は様々の海洋環境下で実験を行うとともに、移動音源の位置同定についても上記手法の有効性を確認する予定である。

合成開口音響アレイを利用した水路管の探傷に関する研究

研究内容

水路管の探傷のため、通常用いられている管径方向に超音波パルスを照射する方法は探傷範囲が限定されるため逐次照射・処理を繰り返し移動する必要があり、長い水路管には時間を要することになる。このような探傷時間を軽減するために単一周波数の連続波を用い、音源を管路方向に移動させて合成開口アレイを管内で形成し、その出力より計測される管路方向の波数スペクトルの変化から、水路管の損傷個所をより迅速に特定する方法について検討し、将来的には自律的に探傷を可能とさせる水中移動式自律型UGV(Autonomous Ground Vehicle)システムの実現を目指す。

教員紹介

TEACHERS

太田和彦  教授・Ph.D.

兵庫県神戸高校出身

略歴

京都大学理学部卒。防衛大学校数学物理学教室助手。防衛庁技術研究本部第5研究所研究職技官、同主任研究官、同第5研究所音響第2研究室長、技術研究本部副技術開発官(船舶担当)、艦艇装備研究所航走技術研究部長、同研究所研究企画官。その間、マサチューセッツ工科大学海洋工学部博士課程修了。2014年本学教授就任。

専門分野

専門:水中音響、信号処理、海洋音響トモグラフィー
論文・著書:“Modal Evolution and Inversion for Seabed Geoacoustic Properties in Weakly Range-Dependent Shallow-Water Waveguides”(学位論文)“Estimation of Shear Wave Speed in Ocean-Bottom Sediment Using Electromagnetic Induction Source”声を利用した海洋生物の音響観測部会の概要(共著)
受賞:防衛技術論文賞

横顔

音響と言うと究め尽くされた学問分野のようにも聞こえますが、電波や光波が伝わりにくい海の中という特殊な環境下で用いると、音響ならではの特殊な場が形成されます。これに魅せられ海洋音響に係る研究に長年携わってきましたが、海中では音響は通信や探知に不可欠で、水中ロボットや海洋資源探査など多岐の分野で利活用できるポテンシャルを有しており、水中音響の新たな分野での活用を探求していきたいと考えております。

趣味

テニス、歴史

近況

これまでの研究生活で習得した知識や技術を教育に反映させていけたらと考えています。

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