1 氏 名( 本 籍 ) 専 攻 学 位 の 種 類 学 位 記 番 号 学 位 授 与 の 要 件 学位 授与の年月 日 学 位 論 文 題 目 論 文 審 査 委 員 顧 碩鑫（中華人民共和国） 知能機械システム工学専攻 博士（工学） 博甲第 138 号 学位規則第 5 条第 1 項該当者 令和元年 9 月 30 日
Study on Multi Spherical Underwater Robots with Hybrid-propulsion Devices and Acoustic Communication Systems (主査) 郭 書祥 (副査) 平田 英之 (副査) 鈴木 桂輔 (副査) 前山 祥一
論文内容の要旨
1.BackgroundUnderwater vehicles are able to operate underwater without a human occupant. They can be controlled by a human operator directly or be autonomous and operate independently of commands. According to vision devices, sensory system and communication device, underwater vehicles can move freely underwater, and have abilities to complete various underwater tasks. The Spherical Underwater Robot (SUR) has the advantages of good flexibility as zero turning radius and low noise with vectored water-jet thrusters. Nonetheless, the cruising speed of the SUR is relatively slow, which is not beneficial for approaching the target from a long distance. At the same time, the robot cannot be able to switch between high and low speed to cope with the different situation either. What’s more, the cooperation and collaboration of the multi SURs need to be realized to face the complex underwater task.
To solve these disadvantages mentioned above, studying on the acoustic communication of multi spherical underwater robots with the hybrid-propulsion device is very necessary.
2.Challenges
1) The current propulsion device doesn’t consider the speed issues in long-range cruising, nor does it consider the problem of the high and low speed switching for different situation.
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2) The computational fluid dynamics simulation (CFD) and performance evaluation of the novel SUR need to be carried out.
3) The current SUR doesn’t consider the cooperation and collaboration of the multi-robot system.
3.Research purposes and approaches
1) Focus on the propulsion device of the SUR and realize the high and low speed switching for different underwater task.
2) Achieve the hydrodynamic analysis and CFD simulation of the SUR and the underwater experiments with the novel spherical underwater robot.
3) Realize the cooperation and collaboration of multi-SUR system by using acoustic communication system.
4. Research topics
Topic1: Mechanical design and static model a hybrid propulsion device
Topic2: Hydrodynamic analysis and performance evaluation of the Spherical Underwater Robot
Topic3: Build and evaluate the acoustic communication system to realize cooperation motion between base station and multi-SURs
5. Conclusions and Future work
In this paper, a novel spherical underwater robot with hybrid propulsion device is developed and the multi-SUR system is established.
1) The hybrid propulsion device is based on a servo motor, a propeller and a water-jet thruster to realize the high and low speed switching for different situation. This propulsion device also can achieve four degrees of freedom for the SUR. The experimental results of the thrust of a single hybrid thruster show that the maximum thrust of the hybrid thruster is increased 2.27 times than before.
2) The hydrodynamic analysis of the SUR is for getting theoretical basis which will provide initial condition of the CFD simulation. The simulation results of the different DoF for SUR show that the drag coefficient is 0.386 and 0.394 in heave motion and surge motion respectively. In surge motion, the drag coefficient has a 1.5% error compared with the one which is selected according to the Reynolds number.
3) In order to evaluation the performance of the novel SUR underwater, some experiments in 3 DoF which include high-speed forward motion, dive and float
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motion, and rotation motion were completed were carried out in the swimming pool. The experimental results show that the linear speed of the hybrid propulsion mode is 33.3% higher than the previous SUR. In the dive and float motion, the buoyant cannot be ignored.
4) In addition, the Underwater Acoustic Communication System (UWAC) is established for cooperation and collaboration of multi-robot system. The Doppler shift of the UWAC of the SUR is analyzed and the influence of the frequency difference is less than 0.02%. The experiments as follow and command movement of the multi-robot system is carried out in the pool.
For widespread use of the spherical underwater robot, the development of the cooperation and collaboration as formation arrangement and mission planning of a swarm of SURs are the potential areas for future research.
審査結果の要旨
審査申請者の博士学位論文「多球型水中ロボットのハイブリッド推進装置と音響通信シ ステムに関する研究」(Study on Multi Spherical Underwater Robots with
Hybrid-propulsion Devices and Acoustic Communication Systems) について、本審査委 員会にて審査を行った。その結果として、本論文はマルチウオータージェット推進器とプ ロペラスラスタを用いるハイブリッド推進装置と音響通信システムを備えた第 4 世代の水 中球型ロボット（SUR IV）を提案した。水中ロボットに関する基礎研究をベースにして、 ハイブリッド推進装置の作動効率を解析し、効率解析のための新たなモデリング方法を提 案し、その有効性を提案したシミュレーション及び試作したシステムのハードウェア実験 により実証し、さらに球型水中ロボットの動力学モデリングと基本動作制御手法に関する 研究として高く評価できると考えられる。このロボットは複雑な環境にも適用は可能、実 用化はより簡単に実現できる。 以下に本論文の特徴的な成果を要約する。 1. ウォータージェットとプロペラを備えた新しいハイブリッド推進装置を開発した。プ ロペラとウォータージェットモードによりマルチ推進モードを実現した。静力学的シ ミュレーション結果は、従来の推進装置より安定性が高いことを示した。 CFD シミュ レーション結果は新たな推進装置の良好な流体力学的性能を示した。 実験結果は新し いハイブリッド推進装置の高安定性、高効率および静かな性能の特性も示した。提案 した推進装置は、高速運動と低速運動を迅速に切り替えることが可能である。 2. 水中球型ロボットに対する流体力学的の解析を行い、抗力係数を計算した。 CFD シミュ レーションの結果は、SUR IV は完全な閉じた球体ではないが、それぞれの dfs におけ
4 る係数は球面特性に適合することが示されている。球型ロボットの水中のプロペラ係 数についての理論と実験の基礎を築いた。球型水中ロボットの最適設計の指針を確立 した。 3. 新型 SUR IV の特性を検証するために、プールで SUR IV の多自由度の遊泳実験を行っ た。先行研究の球型ロボット SUR-III と比べ、SUR IV の運動精度が向上したことを実 証した。実験により、新たなハイブリッドモードの高い作業効率で、前進、潜水、浮 遊、回転などの基本動作を実現した。特に、前進とダイビングする時の安定性が優れ て、その有効性と応用の可能性を実証した。 4. ベースステーションと多球型水中ロボットとの間の音響通信システムは、位置特定シ ステムより、構築された。音響モデムは、500 メートルの水平通信と 150 メートルの垂 直通信を可能にするように装備されている。実験結果により、提案されたシステムの 正確性、有効性、時間的コミュニケーションの有効性を実証した。ベースステーショ ンとマルチ SUR との間の通信および協調動作の基礎としての通信方法を確立した。ま た小型ソナーを使い、新たな通信システムを構築し、複数ロボットの協調作業が可能 となった。マルチロボットシステム制御方法を提案し、実験により、複数ロボットの 協調作業の動作を実現し、その有効性を実証した。 本論文の特徴的な成果とこの分野の技術進化に対する貢献は以下のようにまとめられる。 1. 本研究では、新しいハイブリッド推進装置を持ち、柔軟な運動ができる小型化が可能 な球型水中ロボットを開発し、特性評価モデルを提案した。球型水中ロボットの設計 指針、水平、垂直、回転運動のための推進器最適制御方法と、２階層型の制御ハード ウェア・ソフトウェア構造を確立した。モジュール化により、多用途球型水中ロボッ トの設計・開発、機能増設などを可能にした。 2. ハイブリッド推進システムを開発し、流体動力学評価モデルを提案した。３次元的に 流体モデルのパラメータを検討できるモデリング方法を提案し、新しい認識実験シス テムを設計、水平、垂直、回転運動制御時の、個々の推進システムの制御信号に対す る出力の関数モデルを確立した。 3. ベースステーションおよびマルチ SUR を備えた多レベル音響通信システムを提案、開 発した。複数ロボットの協調作業動作の制御方法が提案され、小型ソナーを使い、新 たな通信システムを構築した結果、複数ロボットの協調作業が可能となった。 以上により、本論文はその新規性、発展性が高く評価され、本審査委員会は審査申請者 が香川大学大学院から博士（工学）学位授与に値するものであると判定した。 本学位論文に関する内容として、学会誌に英文 1 編、および国際会議論文 2 編を含む複数 の学術論文を掲載された。研究成果はいずれも独自に完成したものである。
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for the Spherical Underwater Robot (SUR III)”, Applied Sciences, Vol. 7, Issue 11, 1196, 2017. SCI, Impact Factor (IF): 2.077.
[2] Shuoxin Gu, Shuxiang Guo, Liang Zheng, “Characteristic Evaluation of the Mobile Acoustic Communication for Spherical Underwater Robots (SUR III)”, in Proceedings of 2018 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp. 2191-2196, 2018. (EI)
[3] Shuoxin Gu, Shuxiang Guo, Linshuai Zhang, Yi Yao “A Hybrid Propulsion Device for the Spherical Underwater Robot (SUR III)”, in Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp.2358-2363, 2017. (EI)
最終試験結果の要旨
令和元年 7 月 23 日に公聴会の開催を行った。公聴会では、審査申請者は、学位論文の内 容に関する発表を約 50 分間行い、引き続き口述試験による審査委員および参加者からの質 疑に的確に回答することを求めた。また、公聴会後、口述試験により、多球型水中ロボッ トのハイブリッド推進装置と音響通信システムの開発経緯、球型水中ロボットの特性評価 の理論モデルと流体シミュレーション、および多球型水中ロボットの通信と協調、評価結 果及び専門知識の確認を実施し、本審査委員会において、最終試験とした。 最終試験における学位論文に対する質疑応答の概要は以下のとおりであり、審査申請者 はすべて的確に回答した。 1. ロボットの通信プロセスにおける相対的な位置を確保する方法について、述べてくださ い。特に水中のロボットの場合はどう解決したか。 （回答）相対位置を保証するために 3D ローカライゼーションシステムが用いられる。 こ の研究では、マスターロボットは水の上に留まり、水中に潜ることはしないとする。 ジャイロスコープは水中で使用することができ、マスターロボットに相対位置を与える ことができる。GPS はグローバル座標を取得できる。そして、 圧力センサーはスレーブ ロボットの深さも計測できる。これらのデータは音響モデムによってマスターロボット に送信することにより、位置を確保できると考えられる。 2. 流体力学解析において、新規性は何か。 （回答）流体力学的係数は実験では測定できないため、水中ロボットの流体力学的解析 は非常に重要である。この部分では、Ansys Workbench で流体力学モデルが確立され、 CFD シミュレーションの方法は本研究の新規性に当たる。 3. SUR IV のハイブリッドモードの応用例を説明しなさい。 （回答）実際に、物体検出実験はウォータージェットモードの適用として解釈すること ができる。この実験では、ベースステーションとロボットの間の距離が短すぎたので、6 ウォータージェットモードを容易に制御するという利点を用いて、この問題を解決する ことができる。また、安全点検のため、水中パイプの中で移動する場合、管内を曲がる 際に、通常の水中ロボットより、我々が開発した球型水中ロボットは柔軟な動作ができ るので、屈曲部を通過し易い。 本審査委員会における審査は、学位論文の内容、研究方法論を確認しようとするもので ある。 本審査委員会は、提出された博士学位請求論文が博士（工学）の学位に値するものであ り、かつ審査申請者は専門領域に関する十分な学識と研究能力を有するものと判断した。 以上より、本最終試験の評価を合格とする。
