自律型水中車両

自律型水中車両( AUV ) は、オペレーターからの継続的な入力を必要とせずに水中を移動するロボットです。AUV は、無人水中車両と呼ばれる大規模な海中システム グループの一部です。この分類には、オペレーター/パイロットが臍の緒を介して、またはリモート コントロールを使用して水面から制御および電源供給する非自律型遠隔操作型水中車両(ROV) が含まれます。軍事用途では、AUV は無人水中車両( UUV )と呼ばれることがよくあります。 水中グライダーはAUV のサブクラスです。

最初の AUV は、1957 年にワシントン大学応用物理学研究所でスタン・マーフィー、ボブ・フランソワ、後にテリー・エワートによって開発されました。「自走式水中調査車両」またはSPURVは、拡散、音響伝達、潜水艦の航跡を研究するために使用されました。

他の初期のAUVは1970年代にマサチューセッツ工科大学で開発されました。そのうちの1台はMITのハート海洋ギャラリーに展示されています。同時期に、ソビエト連邦でもAUVが開発されました^[1]（ただし、これはずっと後になってから一般に知られるようになりました）。

このタイプの水中車両は有人車両よりも安価であるため、最近では水中の捜索や探査の魅力的な代替手段となっています。過去数年間、海洋での探査や採掘プログラムの課題に対応するために、水中車両を開発する試みが盛んに行われてきました。最近、研究者は海洋学や沿岸管理における長期データ収集のためのAUVの開発に焦点を当てています。^[2]

石油・ガス業界では、海底インフラの建設を始める前に、AUV を使用して海底の詳細な地図を作成しています。これにより、パイプラインや海底の完成は、環境への影響を最小限に抑えながら、最も費用対効果の高い方法で設置できます。AUV を使用すると、調査会社は、従来の水深測量では効果が低いか、費用がかかりすぎるエリアの正確な調査を行うことができます。また、パイプラインの検査を含む、敷設後のパイプ調査も可能になりました。パイプラインの検査や水中の人工構造物の検査に AUV を使用することは、ますます一般的になりつつあります。^{[要出典]また}、海底採掘や多金属団塊岩の採取を目的とした AUV の開発も行われています。^[3]

科学者は AUV を使用して湖、海洋、海底を調査します。AUV にはさまざまなセンサーを取り付けて、さまざまな元素や化合物の濃度、光の吸収や反射、微生物の存在を測定できます。例としては、導電率・温度・深度センサー (CTD)、蛍光計、pHセンサーなどがあります。さらに、AUV を牽引車両として構成して、カスタマイズされたセンサー パッケージを特定の場所に届けることもできます。

ワシントン大学応用物理学研究所は、1950 年代からSeaglider AUV プラットフォームの反復開発を行ってきました。Seagliderはもともと海洋学研究用に設計されましたが、近年では米国海軍や石油・ガス業界などの組織から大きな関心を集めています。これらの自律型グライダーの製造と運用が比較的安価であるという事実は、ほとんどの AUV プラットフォームがさまざまな用途で成功を収めることを示しています。^{[4] [曖昧な言葉] [曖昧] [明確化が必要]}

AUVが環境と直接相互作用する例としては、クイーンズランド工科大学（QUT）が開発したオニヒトデロボット（COTSBot ）がある。COTSBotは、グレートバリアリーフに被害を与えるオニヒトデ（Acanthaster planci）を見つけて駆除する。ニューラルネットワークを使用してヒトデを識別し、胆汁酸塩を注入して殺す。^[5]

クイーンズランド工科大学は、COTSBotの前身として、グレートバリアリーフや世界中のサンゴ礁の監視を支援するRangerBot AUVも開発しました。RangerBotは1人での展開用に開発され、ナビゲーション、障害物検出、管理タスクのためのリアルタイムのオンボードビジョンを提供します。^[6]

多くのロボット工学者は趣味として AUV を製作しています。これらの自家製 AUV が目的を達成しながら互いに競い合うことができる競技会がいくつか存在します。^{[7] [8] [9]}市販の AUV と同様に、これらの AUV にはカメラ、ライト、またはソナーを取り付けることができます。限られたリソースと経験不足の結果として、趣味の AUV は、運用深度、耐久性、または洗練度で市販モデルと競合することはほとんどありません。最後に、これらの趣味の AUV は通常、海洋を航行することはなく、ほとんどの時間をプールや湖底で操作します。シンプルな AUV は、マイクロコントローラー、PVC圧力ハウジング、自動ドアロックアクチュエーター、注射器、およびDPDTリレーから構成できます。^[10]競技会の参加者の中には、オープンソースソフトウェアに依存する設計を作成する人もいます。^[11]

GPSナビゲーションによって目的地まで自律的に移動する潜水艦は、違法麻薬密売人によって製造されたことがある。^{[12] [13] [14] [15]}

自律型水中探査機、例えばAUV ABYSSは、エールフランス航空447便などの行方不明の飛行機の残骸の発見に使用されており、^[16] Bluefin -21 AUVはマレーシア航空370便の捜索に使用されました。^[17]

米海軍の無人潜水艇（UUV）マスタープラン^[18]では、2004年に以下のUUVミッションが特定されました。

• 情報収集、監視、偵察
• 地雷対策
• 対潜水艦戦
• 検査・識別
• 海洋学
• 通信/ナビゲーションネットワークノード
• ペイロードの配信
• 情報操作
• 時間的に重要な攻撃

2014年までに、海軍マスタープランはすべてのUUVを4つのクラスに分類しました。^{[19] [全文引用が必要]}

• 携帯型車両クラス: 排水量 25～100 ポンド、持続時間 10～20 時間、小型水上艇から手動で発射可能 (例: Mk 18 Mod 1 ソードフィッシュ UUV)
• 軽量車両クラス: 最大排水量 500 ポンド、20 ～ 40 時間の持続時間。RHIB から発射回収システムを使用して発射するか、水上艦 (Mk 18 Mod 2 キングフィッシュ UUV など) からクレーンで発射します。
• 重量級車両クラス: 排水量最大3,000ポンド、航続時間40～80時間、潜水艦から発射
• 大型車両クラス：排水量10英トンまで。水上艦艇および潜水艦から発射可能。

2019年に海軍は5隻のオルカUUVを発注し、戦闘能力を備えた無人潜水艦の初の取得となった。^[20]

2022年から23年にかけてのロシアのウクライナ侵攻中、ウクライナ軍は自律制御アーキテクチャを使用した無人水上艦（USV）技術の多くの進歩を遂げ、時には任務中の遠隔ロボットによるアップデートも行われた。2022年10月にはセヴァストポリ海軍基地のロシア海軍艦艇に対する複数のUSV攻撃に使用され^{[21] [22] [23]}、2022年11月にはノヴォロシースクのロシア海軍施設に対する攻撃にも使用され^[24]、2023年8月にはノヴォロシースクへの追加攻撃があった。^{[25] [26]} ロシア海軍はこれらの攻撃の結果、防御と艦隊戦略の両方を適応させ、^{[27] [28] [29]}、2024年1月までにウクライナ海軍はロシアのUSV防御の強化に対する攻撃能力を高めるためにAUVを開発していた。^[30]

過去50年ほどの間に何百種類ものAUVが設計されてきましたが^[31]、まとまった数の車両を販売している企業はほんのわずかです。国際市場でAUVを販売している企業は約10社あり、その中にはKongsberg Maritime、HII（旧Hydroid、以前はKongsberg Maritimeが所有していた）^[32]）、Bluefin Robotics、Teledyne Gavia（旧Hafmynd）、International Submarine Engineering（ISE）Ltd、Atlas Elektronik、RTsys、^[33] MSubs ^[34]、OceanScanなどがあります。^[35]

車両の大きさは、人が持ち運びできる軽量 AUV から、長さ 10 メートルを超える大口径車両までさまざまです。大型車両は耐久性とセンサー積載量の点で有利ですが、小型車両はロジスティクス (例: 支援船の設置面積、発射および回収システム) の低減という大きなメリットがあります。

ブルーフィンやコングスベルグなど、一部のメーカーは国内政府の支援の恩恵を受けています。市場は実質的に、科学（大学や研究機関を含む）、商業オフショア（オフショアエネルギー、海洋鉱物など）、防衛関連アプリケーション（機雷対策、戦闘空間準備）の 3 つの分野に分かれています。これらの用途の大半は同様の設計を採用し、巡航（魚雷型）モードで動作します。1 ノットから 4 ノットの速度で事前に計画されたルートをたどりながらデータを収集します。

市販の AUV には、米国のウッズホール海洋研究所で開発され、現在は HII で商業生産されている小型のREMUS 100 AUV、Kongsberg Maritime とNorwegian Defence Research Establishmentが開発した HUGIN、HUGIN Edge、HUGIN Superior、HUGIN Endurance で構成される HUGIN ファミリーの AUV 、Bluefin Robotics の直径 12 インチと 21 インチ (300 mm と 530 mm) の車両、ISE Ltd. Explorer、Cellula Robotics の Solus LR、RT Sys Comet および NemoSens AUV、Teledyne の Gavia、Osprey、SeaRaptor、L3 Harris Ocean Server Iver シリーズの AUV など、さまざまな設計があります。

ほとんどの AUV は調査クラスまたは巡航 AUV に分類され、円筒形または魚雷型で動力プロペラが付いています。これは、サイズ、使用可能容積、流体力学的効率、および取り扱いやすさの間で最も妥協できると考えられています。モジュラー設計を採用した車両もあり、オペレーターがコンポーネントを簡単に変更できます。最近の開発では、従来の円筒形から離れ、Saab の Sabretooth ハイブリッド R/AUV や最近発売された HUGIN Edge などの他の配置が採用されています。これらは、運用要件に応じて形状を最適化するか (Sabretooth)、低抗力流体力学的性能のメリットを享受します (HUGIN Edge)。

2010 年以降、市場は成熟し、車両の特性よりもデータに重点​​が置かれるようになりました。オペレーターの技術意識が高まり、AUV の利用もそれに応じて増加しています。音響リンクを使用して車両を監視するのではなく、システムを自律的に使用するオペレーターが増えています。その結果、オンボード処理とミッション中の自律性が AUV のより重要な機能になりました。ほとんどの AUV は、ナビゲーションまたはイベントベースの自律性と見なされる機能を備えています。センサーを操作し、進路を変更したり、水面に帰還したりするための明確なイベントを含む地理的ミッション計画に従います。一部の AUV は、計画されたルートに沿って障害物を回避するために進路を調整する機能など、適応型自律性を備えています。現在の最先端技術は、オペレーターの入力なしに取得したデータを収集、処理し、それに基づいて動作する車両です。

2008年現在、自然界に見られるデザインを模倣した新しいクラスのAUVが開発されている。ほとんどはまだ実験段階だが、これらのバイオミメティック（またはバイオニック）車両は、自然界で成功したデザインを模倣することで、推進力と操縦性においてより高い効率を達成することができる。そのような車両としては、FestoのAquaJelly（AUV）^[36]とEvoLogicsのBOSS Manta Rayがある。^[37]

AUV は、自律的に航行し、海洋の特徴を地図に描くためのセンサーを搭載しています。一般的なセンサーには、コンパス、深度センサー、サイドスキャンおよびその他のソナー、磁力計、サーミスター、導電率プローブなどがあります。一部の AUV には、蛍光計(クロロフィルセンサーとも呼ばれる)、濁度センサー、 pHおよび溶存酸素量を測定するセンサーなどの生物学的センサーが装備されています。

2006 年 9 月にカリフォルニア州モントレー湾で行われたデモンストレーションでは、直径 21 インチ (530 mm) の AUV が 6 ノット (11 km/h) の巡航速度を維持しながら、長さ 400 フィート (120 m) の水中聴音機アレイを牽引できることが示されました。^{[引用が必要]}

電波は水中を遠くまで届かないため、AUV が潜るとすぐに GPS 信号が失われます。そのため、AUV が水中を航行する標準的な方法は推測航法です。ただし、水中音響測位システムを使用することで航行を改善できます。海底に配置されたベースライン トランスポンダのネットワーク内で動作する場合、これはLBL ナビゲーションと呼ばれます。サポート船などの水上参照が利用できる場合は、超短ベースライン(USBL) または短ベースライン (SBL)測位を使用して、音響範囲と方位測定により、水上艇の既知の位置 ( GPS )に対する海中車両の位置を計算します。位置推定を改善し、推測航法の誤差 (時間の経過とともに増大) を減らすために、AUV は浮上して独自の GPS 位置を取得することもできます。位置の修正と修正の間、および正確な操縦のために、 AUV に搭載された慣性航法システムが推測航法によって AUV の位置、加速度、速度を計算します。推定は慣性計測ユニットのデータを使用して行うことができ、海底や湖底の移動速度を測定するドップラー速度ログ(DVL) を追加することで精度を上げることができます。通常、圧力センサーは垂直位置 (車両の深さ) を測定しますが、深さと高度は DVL 測定から取得することもできます。これらの観測結果はフィルタリングされ、最終的なナビゲーション ソリューションが決定されます。

AUV にはいくつかの推進技術があります。ブラシ付きまたはブラシレスの電動モーター、ギアボックス、リップシール、ノズルで囲まれているプロペラ、または囲まれていないプロペラを使用するものもあります。AUV 構造に組み込まれたこれらの部品はすべて推進に関与しています。他の車両は、モジュール性を維持するためにスラスタユニットを使用しています。必要に応じて、スラスタにはプロペラの衝突防止や騒音低減のためのノズルが装備されている場合や、効率を最高レベルに保ち、騒音を最低レベルに保つためにダイレクトドライブスラスタが装備されている場合があります。^[38]高度な AUV スラスタには冗長シャフトシールシステムがあり、ミッション中にシールの 1 つが故障してもロボットの適切なシールが保証されます。^[要出典]

水中グライダーは直接推進するわけではない。浮力とトリムを変化させることで、グライダーは沈下と上昇を繰り返し、翼型の「翼」がこの上下運動を前進運動に変換する。浮力の変化は通常、水を吸い込んだり押し出したりできるポンプを使用して行われる。機体のピッチは機体の重心を動かすことで制御できる。スローカムグライダーの場合、これはスクリューに取り付けられたバッテリーを動かすことで内部的に行われる。^[39]低速で低電力の電子機器のため、トリム状態を循環させるために必要なエネルギーは通常のAUVよりもはるかに少なく、グライダーは数か月の耐久性と大洋横断距離を持つことができる。^[要出典]

電波は水中ではうまく伝わらないため、多くのAUVには遠隔指揮統制を可能にする音響モデムが組み込まれている。これらのモデムは通常、独自の通信技術と変調方式を利用している。2017年にNATOは海中通信用のANEP-87 JANUS規格を批准した。この規格では、柔軟で拡張可能なメッセージフォーマットで80 BPSの通信リンクが可能になっている。 ^[要出典]光、誘導、RFベースの技術など、代替通信技術が検討されており、これらを組み合わせてマルチモーダルソリューションを実現できる。^[40]また、インフラストラクチャを通信パスとして利用して、車両からの代替通信パスと機会を提供できる新しい通信技術の評価も行われている。^[41]

現在使用されているほとんどの AUV は充電式バッテリー (リチウムイオン、リチウムポリマー、ニッケル水素など) で駆動され、何らかのバッテリー管理システムが実装されています。一部の車両は一次バッテリーを使用しており、耐久性はおそらく 2 倍ですが、ミッションごとにかなりの追加コストがかかります。以前はアルミニウムベースの半燃料電池を使用していたシステムもありましたが、これにはかなりのメンテナンスが必要で、高価な補充が必要であり、安全に処理しなければならない廃棄物が発生します。新たな傾向として、さまざまなバッテリーと電源システムをスーパーキャパシタと組み合わせるというものがあります。^[要出典]

• 介入型AUV  – 自律的な介入が可能な自律型水中車両の一種
• 水中グライダー – 自律型水中車両の一種
• バイオニクス – 自然システムの技術への応用
• バイオミメティクス – 人間の問題を解決するために生物システムを模倣する
• モントレー湾水族館研究所 – アメリカ海洋学研究所
• 海軍研究局 – アメリカ海軍省内の局
• サウサンプトン国立海洋学センター – 海洋と地球科学の研究、教育、技術開発のセンターリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• DeepC  – 燃料電池で動く自律型水中車両
• ゴーストシャーク（潜水艦）  - 自律型水中車両
• 国立海底科学技術研究所 – NOAA 内の研究機関
• AUV-150  – 中央機械工学研究所が開発中の無人水中車両
• REMUS (AUV)  – 自律型水中車両シリーズ
• MAYA AUV  – インド国立海洋研究所の自律型水中車両
• 魚雷 – 自走式水中兵器
• テセウス（AUV）  – 光ファイバーケーブル敷設用の大型自律型水中車両
• Eelume  – Eelume AS が開発中の自律型水中車両

• 自律型水中車両の技術と応用 グウィン・グリフィスISBN 978-0-415-30154-1 
• 自律型水中車両（AUV）開発のレビューdoi :10.5962/bhl.title.39207 OCLC  227209412
• 極地科学のためのAUV技術マスタークラスISBN 978-0-906940-48-8 
• 自律型水中車両の運用2 ISBN 978-0-906940-40-2 
• 1996 自律型水中車両技術シンポジウムISBN 978-0-7803-3185-3 
• 自律型水中車両の開発ISBN 978-3-639-09644-6 
• 半自律型水中車両の最適制御システムISBN 978-3-639-24545-5 
• 自律型水中車両ISBN 978-1-4398-1831-2 
• 自律型海洋車両の運用に関する推奨行動規範ISBN 978-0-906940-51-8 
• オートノマー モビール ロボットISBN 978-1-158-80510-5 
• 遠隔操作型水中車両ISBN 978-613-0-30144-6 
• 水中ロボットISBN 978-3-540-31752-4 
• 世界AUV市場レポート2010-2019 ISBN 978-1-905183-48-7 
• 自律型水中車両：設計と実践 ISBN 978-1-78561-703-4 

ウィキメディア・コモンズには、自律型水中車両に関連するメディアがあります。

• 大西洋を横断した初のAUVがスミソニアン博物館に展示
• AUV Abyss のプレゼンテーション (IFM-GEOMAR キール)
• 石油産業における自律型水中探査機（AUV）技術の応用 - ビジョンと経験