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自律型水中ビークル（AUV）は、オペレーターからの継続的な操作を必要とせずに水中を移動するロボットです。AUVは、無人水中ビークルとして知られるより大きな水中システム群の一部であり、この分類には、アンビリカルケーブルを介して、またはリモートコントロールを使用してオペレーター/パイロットによって水上から制御および給電される非自律型遠隔操作水中ビークル（ROV）が含まれます。軍事用途では、AUVは無人水中ビークル（UUV ）と呼ばれることが多いです。水中グライダーはAUVのサブクラスです。ホーミング魚雷もAUVのサブクラスとみなすことができます。
最初の自律型水中ビークル（AUV）は、1957年という早い時期に、ワシントン大学応用物理研究所でスタン・マーフィー、ボブ・フランソワ、そして後にテリー・ユーワートによって開発されました。「自走式水中調査ビークル」（SPURV）は、拡散、音響伝達、潜水艦の航跡の研究に使用されました。
他の初期の自律型水中ロボット（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つは、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るまで一般には知られていませんでした）。
この種の水中ビークルは、有人ビークルよりも安価であるため、近年、水中の捜索や探査において魅力的な代替手段となっている。過去数年間、海洋における探査および採掘プログラムの課題に対応するため、水中ビークルの開発が数多く試みられてきた。近年、研究者たちは、海洋学および沿岸管理における長期データ収集のためのAUVの開発に注力している。[ 2 ]
石油・ガス業界では、海底インフラの構築を開始する前に、AUVを使用して海底の詳細な地図を作成します。パイプラインや海底完成設備は、環境への影響を最小限に抑えつつ、最も費用対効果の高い方法で設置できます。AUVにより、測量会社は、従来の測深調査では効果が低い、または費用がかかりすぎるエリアの精密な調査を実施できます。また、パイプライン検査を含む、敷設後のパイプ調査も可能になりました。パイプライン検査や水中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っています。また、多金属団塊岩の海底採掘や採取の可能性を秘めたAUVの開発も進められています。[ 3 ]
科学者たちは、湖、海洋、海底の研究に自律型水中ロボット（AUV）を使用しています。AUVには様々なセンサーを取り付けることができ、様々な元素や化合物の濃度、光の吸収や反射、そして微生物の存在などを測定できます。例えば、導電率・温度・深度センサー（CTD）、蛍光光度計、pHセンサーなどが挙げられます。さらに、AUVは曳航機として構成することもでき、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運搬することが可能です。
ワシントン大学応用物理研究所は、1950年代からシーグライダーAUVプラットフォームの改良版を開発してきた。シーグライダーはもともと海洋学研究用に設計されたものだが、近年では米海軍や石油・ガス業界などの組織から大きな関心を集めている。[ 4 ]
環境と直接相互作用する自律型水中ロボットの例として、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 ）が挙げられます。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）を発見し、駆除します。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します。[ 5 ]
クイーンズランド工科大学は、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ために、COTSBot の前身として RangerBot AUV も開発しました。RangerBot は一人で運用できるように開発され、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。これらの自作AUVが目標を達成しながら互いに競い合うことができるコンテスト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、趣味のAUVは、動作深度、耐久性、または洗練度において市販モデルと競争することはめったにありません。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、ほとんどの場合、プールまたは湖底で運用されます。シンプルなAUVは、マイクロコントローラ、PVC圧力ハウジング、自動ドアロックアクチュエータ、注射器、およびDPDTリレーから構築できます。[ 10 ]コンテストの参加者の中には、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ナビゲーションを使用して目的地まで自律的に航行する潜水艦は、違法薬物密売人によって作られている。[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]
自律型水中ビークル、例えばAUV ABYSS は、行方不明の航空機の残骸を見つけるために使用されており、例えばエールフランス 447 便[ 16 ]や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 ]
米国海軍の無人潜水艇（UUV）マスタープラン[ 18 ]は、2004年に以下のUUVミッションを特定した。
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 ]
2019年、海軍は戦闘能力を持つ無人潜水艦を初めて取得し、5機のOrca UUVを発注した。[ 20 ]
2022年から2023年にかけてのロシアによるウクライナ侵攻中、ウクライナ軍は自律制御アーキテクチャを用いた無人水上艇（USV）技術において数々の進歩を遂げ、時には任務途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でロシア海軍艦艇に対する複数USVによる攻撃[ 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[ 24 ]にUSVが使用され、 2023年8月にもノヴォロシースクに対する追加攻撃が行われた。[ 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 ] [ 21 ] [ 28 ] 2024 年 1 月までに、ウクライナ海軍はマリチカ多目的 AUVなどの改良されたロシア USV 防御に対する攻撃能力を高めるために AUV を開発していた。[ 29 ]
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[ 30 ]、実際にかなりの数を販売している企業はごくわずかです。国際市場で AUV を販売している企業は約 10 社で、Kongsberg Maritime、HII (旧 Hydroid、以前は Kongsberg Maritime が所有) [ 31 ] )、Bluefin Robotics、Teledyne Gavia (以前は Hafmynd として知られていた)、International Submarine Engineering (ISE) Ltd、Atlas Elektronik、RTsys [ 32 ] 、 MSubs [ 33 ]、OceanScan [ 34 ]などが含まれます。
車両のサイズは、人が持ち運び可能な軽量の自律型水中ロボット（AUV）から、直径が10メートルを超える大型車両まで多岐にわたる。大型車両は航続距離とセンサー搭載容量の点で優位性があり、小型車両はロジスティクス（例えば、支援船の設置面積、発進・回収システムなど）の面で大きなメリットがある。
ブルーフィンやコングスベルグなど、国内政府の支援を受けているメーカーもある。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る。これらの役割の大部分は同様の設計を採用し、巡航（魚雷型）モードで運用される。1～4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する。
市販されているAUVには、米国ウッズホール海洋研究所が開発し、現在HIIが商業生産している小型AUVであるREMUS 100 、コングスベルグ・マリタイムとノルウェー国防研究所が開発したHUGIN、HUGIN Edge、HUGIN Superior、HUGIN EnduranceからなるHUGINファミリーAUV 、ブルーフィン・ロボティクスの直径12インチと21インチ（300mmと530mm ）の車両、ISE Ltd.のExplorer、セルラ・ロボティクスのSolus LR、RT SysのCometとNemoSensのAUV、テレダインのGavia、Osprey、SeaRaptor、L3ハリスのオーシャンサーバー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、円筒形または魚雷形の形状で、動力付きプロペラを備えた調査用または巡航用AUVに分類されます。これは、サイズ、使用可能な容積、流体力学的効率、および操作の容易さの最適な妥協点と見なされています。モジュール設計を採用し、オペレーターがコンポーネントを容易に交換できる車両もあります。最近の開発では、従来の円筒形から離れて、サーブのSabretoothハイブリッドR/AUVや最近発表されたHUGIN Edgeなどの他の形状を採用しています。これらは、運用要件に応じて形状を最適化する（Sabretooth）か、低抵抗の流体力学的性能を活用する（HUGIN Edge）かのいずれかです。
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理解度が高まり、AUVの利用もそれに伴って増加しています。多くのオペレーターは、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しています。その結果、機上処理とミッション中の自律性がAUVにとってより重要な機能となっています。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を備えています。センサーの操作、進路変更、または水面への帰還といった明確なイベントを含む地理的なミッション計画に従います。一部のAUVは適応型自律性を備えており、たとえば、計画されたルート上の障害物を回避するために進路を調整する機能があります。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、および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。現在、ほとんどが実験段階にあるが、これらのバイオミメティック（またはバイオニック）ビークルは、自然界の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性を実現できる。そのようなビークルの2つは、FestoのAquaJelly（AUV）[ 35 ]とEvoLogicsのBOSS Manta Rayである。[ 36 ]
AUV （自律型水中ロボット）は、自律航行や海洋地形のマッピングを行う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、サイドスキャンソナーなどのソナー、磁力計、サーミスタ、導電率プローブなどがあります。一部のAUVには、蛍光光度計（クロロフィルセンサーとも呼ばれる）、濁度センサー、 pH値や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も搭載されています。
2006年9月にカリフォルニア州モントレー湾で行われた実証実験では、直径21インチ（530mm ）の自律型水中ビークル（ AUV ）が、時速6ノット（11km/h）の巡航速度を維持しながら、長さ400フィート（120m ）の水中聴音器アレイを牽引できることが示された。
電波は水中をあまり深く透過しないため、AUVが潜水するとすぐにGPS信号が途絶えます。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。しかし、水中音響測位システムを使用することで航行精度を向上させることができます。海底に展開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運用する場合、これはLBL航法と呼ばれます。支援船などの水上基準が利用可能な場合は、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、音響距離と方位の測定により、水上船舶の既知の（ GPS ）位置に対する水中ビークルの位置を計算します。位置推定精度を向上させ、推測航法の誤差（時間とともに増大する）を低減するために、AUVは浮上して独自のGPS測位を行うこともできます。位置測位の間、および精密な操縦のために、 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、および速度を計算します。慣性計測装置（IMU）のデータを用いて推定を行うことができ、海底／湖底における移動速度を測定するドップラー速度計（DVL）を追加することで精度を向上させることができます。通常、圧力センサーは垂直位置（車両の深度）を測定しますが、深度と高度はDVLの測定値からも取得できます。これらの観測データはフィルタリングされ、最終的な航法解が決定されます。
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気モーター、ギアボックス、リップシール、およびノズルで囲まれている場合と囲まれていない場合があるプロペラを使用するものもあります。AUVの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ます。必要に応じて、スラスタにはプロペラの衝突保護または騒音の低減のためにノズルが装備されている場合もあれば、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直接駆動スラスタが装備されている場合もあります。[ 37 ]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つが故障した場合でもロボットの適切なシールを保証します。
水中グライダーは直接推進力を得ません。浮力とトリムを変化させることで、繰り返し沈下と浮上を繰り返します。翼型の「翼」がこの上下運動を前進運動に変換します。浮力の変化は通常、水を吸入または排出できるポンプを使用して行われます。機体のピッチは、機体の重心を移動させることで制御できます。Slocumグライダーの場合、これはネジに取り付けられたバッテリーを移動させることで内部的に行われます。[ 38 ]低速で低電力の電子機器を使用しているため、トリム状態をサイクルさせるのに必要なエネルギーは通常のAUVよりもはるかに少なく、グライダーは数ヶ月の航続時間と大洋横断距離を実現できます。
電波は水中では伝搬しにくいため、多くのAUVには遠隔コマンドと制御を可能にする音響モデムが組み込まれています。これらのモデムは通常、独自の通信技術と変調方式を使用します。2017年にNATOは、水中通信用のANEP-87 JANUS規格を承認しました。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を備えた80 BPSの通信リンクが可能です。光、誘導、RFベースの技術など、代替の通信技術が検討されており、これらはマルチモーダルソリューションで組み合わせることができます。[ 39 ]また、インフラストラクチャを通信経路として利用して、車両からの代替通信経路と機会を提供する新しい通信技術の評価も行われています。[ 40 ]
現在使用されているほとんどの自律型水中ビークル（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、おそらく2倍の稼働時間を提供しますが、ミッションあたりのコストが大幅に増加します。以前は、アルミニウムベースの半燃料電池を使用するシステムもありましたが、これら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。最近の傾向としては、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ことが挙げられます。