

自律型水中機(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、無人水中機と呼ばれる海中システムのより大きなグループに属し、この分類には、オペレーター/パイロットが水面からアンビリカルケーブルまたは遠隔操作装置を介して操縦・駆動する非自律型遠隔操作型水中機(ROV)が含まれます。軍事用途では、AUVは無人水中機(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されます。
最初のAUVは、1957年という早い時期に、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、そして後にテリー・エワートによって開発されました。「自走式水中調査機」(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。
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のハート海洋博物館に展示されています。同時期には、ソビエト連邦でもAUVが開発されていました[ 1 ](ただし、このことはずっと後になってから広く知られるようになりました)。
このタイプの水中ロボットは、有人ロボットよりも安価であるため、近年、水中の探索・探査における魅力的な代替手段となっています。過去数年間、海洋における探査・採掘プログラムの課題に対応するために、水中ロボットの開発が盛んに行われてきました。最近では、海洋学や沿岸管理における長期データ収集を目的としたAUVの開発に研究者が注力しています。[ 2 ]
石油・ガス業界では、海底インフラの建設に着手する前に、AUVを用い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仕上げを、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することが可能になります。AUVの導入により、調査会社は従来の海底地形測量では効果が低い、あるいは費用がかかりすぎる海域でも、精密な調査を実施できるようになりました。また、パイプライン敷設後の調査も可能になり、パイプラインの検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おけるAUVの利用は、ますます一般的になりつつあります。また、海底採掘や多金属団塊岩の採取を目的としたAUVの開発も進められています。[ 3 ]

科学者はAUVを用いて湖、海洋、海底を調査します。AUVには様々なセンサーを搭載することができ、様々な元素や化合物の濃度、光の吸収・反射、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され、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年代からシーグライダーAUVプラットフォームの開発に取り組んできました。シーグライダーはもともと海洋研究用に設計されましたが、近年ではアメリカ海軍や石油・ガス業界などの組織から大きな関心を集めています。[ 4 ]
AUVが環境と直接相互作用する例として、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用いてヒトデを識別し、胆汁酸塩を注入して駆除します。[ 5 ]
クイーンズランド工科大学は、COTSBotの前身となるRangerBot AUVを開発し、グレートバリアリーフや世界中のサンゴ礁の監視に役立てています。RangerBotは単独での運用を想定して開発され、航行、障害物検知、管理作業のためのリアルタイムのオンボードビジョン機能を備えています。[ 6 ]
多くのロボット研究者は趣味としてAUVを製作しています。これらの自作AUV同士が目的を達成しながら競い合う競技会もいくつか開催されています。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]市販のAUVと同様に、これらのAUVにはカメラ、ライト、ソナーなどを搭載できます。しかし、限られたリソースと経験不足のため、趣味用のAUVは運用深度、耐久性、洗練度において市販モデルと競合することはほとんどありません。さらに、これらの趣味用のAUVは通常外洋航行は行わず、ほとんどの時間をプールや湖底で運用します。シンプルなAUVは、マイクロコントローラ、PVC製圧力ハウジング、自動ドアロックアクチュエータ、注射器、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を活用した設計を行う人もいます。[ 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 ]
自律型水中車両、例えばAUV ABYSSは、エールフランス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 ]また、ブルーフィン21 AUVはマレーシア航空370便の捜索に使用された。[ 17 ]
アメリカ海軍の無人潜水艇(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。
2014年までに海軍マスタープランは全てのUUVを4つのクラスに分類した。[ 19 ]
2019年、海軍は5隻のオルカUUVを発注した。これは海軍にとって初の戦闘能力を備えた無人潜水艦の取得となる。[ 20 ]
2022年から23年にかけてのロシアによるウクライナ侵攻の間、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艦(USV)技術において数々の進歩を遂げ、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複数のUSVによる攻撃[ 24 ]が行われ、2023年8月にはノヴォロシースクへの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を開発していました。[ 29 ]
過去50年ほどの間に数百種類ものAUVが設計されてきましたが[ 30 ]、まとまった台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社あり、Kongsberg Maritime、HII(旧Hydroid、以前はKongsberg Maritimeが所有)[ 31 ]、Bluefin Robotics、Teledyne Gavia(旧Hafmynd)、 International Submarine Engineering (ISE) Ltd、Atlas Elektronik、RTsys、[ 32 ] 、 MSubs [ 33 ]、OceanScanなどです[ 34 ] 。
機体のサイズは、人が持ち運びできる軽量AUVから、全長10メートルを超える大型機まで様々です。大型機は耐久性とセンサー搭載量の点で有利であり、小型機はロジスティクス(例:支援船の設置面積、発射・回収システム)の削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3つの分野に分かれており、科学研究(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)、そして防衛関連用途(機雷対策、戦闘空間整備)です。これらの用途の大部分は同様の設計を採用し、巡航(魚雷型)モードで運用されます。これらの機種は、事前に計画された航路を1~4ノットの速度で航行しながらデータを収集します。
市販の AUV には、米国のWoods Hole Oceanographic Institutionで最初に開発され、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 を含む HUGIN ファミリーの AUV 、Bluefin Robotics の直径 12 インチおよび 21 インチ (300 および 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、および 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を備えています。これは、サイズ、有効容積、流体力学的効率、そして取り扱いやすさのバランスが最も優れていると考えられています。モジュラー設計を採用し、オペレーターが容易にコンポーネントを交換できるAUVも存在します。近年の開発では、従来の円筒形から、サーブ社のSabretoothハイブリッドR/AUVや最近発売されたHUGIN Edgeなど、他の形状を採用するAUVも登場しています。これらのAUVは、運用要件に合わせて形状を最適化したもの(Sabretooth)と、低抵抗の流体力学的性能を活かすもの(HUGIN Edge)の2種類があります。
2010年以降、市場は成熟し、機体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に対する意識が高まり、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機体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、機上での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、ナビゲーションベースまたはイベントベースの自律性と考えられている機能を備えています。AUVは、センサーを操作し、進路を変更し、または水面に戻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、計画されたルート沿いの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機体です。
2008年現在、自然界に見られる設計を模倣した新しいクラスのAUVが開発されています。現在、そのほとんどは実験段階ですが、これらのバイオミメティック(またはバイオニック)な機体は、自然界で成功した設計を模倣することで、推進力と操縦性においてより高い効率性を実現しています。そのような機体としては、Festo社のAquaJelly(AUV)[ 35 ]とEvoLogics社のBOSS Manta Ray [ 36 ]が挙げられます。
AUVは、自律航行と海洋地形の地図作成に必要なセンサーを搭載しています。代表的なセンサーとしては、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、サーミスター、導電率プローブなどが挙げられます。一部のAUVには、蛍光計(クロロフィルセンサーとも呼ばれます)、濁度センサー、 pHセンサー、溶存酸素量センサーなどの生物センサーが搭載されています。
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。
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法を改善できます。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 ナビゲーションとして知られています。支援船などの水上参照が利用できる場合は、超短基線(USBL) または短基線 (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。位置の決定と正確な操縦の間に、 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。慣性計測装置(IMU)のデータを用いて推定値を算出することができますが、海底や湖底の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(車両の水深)を測定しますが、DVLの測定値から水深と高度を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 の構造に組み込まれている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または騒音低減のためのノズルが装備されている場合があり、また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もあります。[ 37 ]高度な AUV スラスタには冗長シャフト シーリング 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。
水中グライダーは直接推進するわけではありません。浮力とトリムを変化させることで、沈下と上昇を繰り返します。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、水を吸い込んだり押し出したりできるポンプを用いて行われます。機体のピッチ角は、機体の重心を動かすことで制御されます。スローカム・グライダーでは、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機体内部でピッチ角を制御します。[ 38 ]低速で低消費電力の電子機器を使用しているため、トリム状態を切り替え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間の航続距離と大洋横断距離を実現できます。
水中では電波の伝播が遅いため、多くのAUVは遠隔指揮統制を可能にする音響モデムを搭載しています。これらのモデムは通常、独自の通信技術と変調方式を採用しています。2017年、NATOは海中通信のためのANEP-87 JANUS規格を批准しました。この規格は、柔軟で拡張可能なメッセージフォーマットを備えた80BPSの通信リンクを可能にします。光通信、誘導通信、RF通信などの代替通信技術が検討されており、これらを組み合わせることでマルチモーダルソリューションを実現できます。[ 39 ]また、インフラを通信経路として利用し、車両からの代替通信経路や機会を提供できるような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)で駆動し、何らかのバッテリー管理システムが実装されています。一部の車両は一次電池を使用しており、寿命はおそらく2倍ですが、ミッションごとにかなりの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、これはメンテナンスが大変で、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も発生します。新たなトレンドとして、異なる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。