1. 水中ロボットと水中ドローン

　最近の水中・海中調査では遠隔型操作無人探査機(ROV)や自律型無人潜水機(AUV)がよく利用されています。ROVとAUVはそれぞれ水中ロボットと水中ドローンと呼ばれます。水中ロボットは海中の映像を見ながら遠隔操作を行い、ケーブルを介した通信制御を行います。水中ロボットの用途としては近距離の海中調査や作業支援が挙げられます。水中ドローンはあらかじめ計画された経路を装置に記録しておき、海中投入後に自動操縦を行います。水中ドローンの用途としては海底地形の測量など広域な海洋探査が挙げられます。
　水中ロボットは小型・低価格化が進み、漁業、インフラ業、造船業など様々な分野や場面で活用されています。養殖漁業の活用例として、水中ロボット(BlueRobotics社BlueROV2)で魚を回収している様子を図１に示します。この機種はロボットアームだけではなく、スラスター、カメラ、耐圧容器、センサなどの各種部品を自由に組み立てることのできるカスタマイズ性の高いことが特徴です。

図1 水中ロボットの養殖漁業活用例

2. 水中音響通信・測位技術

　水中ロボットにあると便利な機能として「有線ケーブルを使用せずに無線化する」という水中無線伝送があります。水中の無線伝送は陸上や空中での無線伝送と比べて通信速度や通信範囲に制約があり、それほど普及はしていません。水中無線伝送の手段として電磁波、光、音波があります。電磁波は海中で著しく減衰して遠くに届かない問題が生じます。可視光は電磁波よりも遠くに届きますが、海中の濁度に依存し、指向角が狭い（装置が対向するように常に向きを合わせる必要がある）という短所があります。音波は海中では数km以上と遠方まで伝搬しますが通信速度が遅く、映像伝送が困難となります。どの手段も一長一短なのですが、著者らの研究グループではロボット制御やセンサデータ取得などそれほど大きな通信速度を必要としない場合を想定し、水中音響通信の高度化に取り組んでいます。
　他に水中ロボットにあると便利な機能として「水中での位置把握」が挙げられます。陸上や空中で自分の位置を知るにはGPSと呼ばれる衛星測位システム(GNSS)受信機を使うのが一般的です。GNSS受信機は現在のスマートフォンに標準搭載されています。GNSS衛星の電磁波は海中では著しく減衰するので水中ロボットの使用には不向きであり、代替手段として水中音響測位が使用されます。水中音響測位は測位対象に音を発信する装置を取り付けて、遠く離れた場所でその音波を受信することで位置を把握します。

3. 水中音響通信の研究開発

　水中音響通信の妨害要因としてマルチパス干渉とドップラーシフトが挙げられます。マルチパスは「経路が複数あること」を意味し、水中音響では送信機から受信機に音波が直接到達する直接波と海面や海底で反射した後に受信機に到達する反射波の2つが重畳する現象を指します。マルチパス干渉があるときはデータ伝送効率が低下するため、その対策技術が必要となります。図2は北海道北見市サロマ湖で水中音響試験を行っているときの様子です。サロマ湖は2月中旬～３月上旬の間は全面結氷しますが、その湖氷に穴をあけて送波器や受波器（水中スピーカーや水中マイク）を投入しています。この試験では多数の送波器や受波器を並べて音波ビームの方向を制御するビームフォーミング技術を用いてマルチパス干渉の影響を抑えるように工夫しています。

図2 サロマ湖氷上での水中音響通信試験

　ドップラーシフトは音波の発生源と観測者との間に相対的な速度が存在するときに、波の周波数が異なって観測される現象を指します。音波は電磁波と比べてはるかに伝搬速度が遅く（水中の音速は1500m/s）、水中音響通信はドップラーシフト影響が大きいことが知られています。図3は京都府舞鶴市海域(舞鶴湾)で水中音響通信試験を行っている様子です。この試験では二隻の船に送波器と受波器を取り付けて大きなドップラーシフトが発生している状況下での音響通信試験を行っています。当試験では特許を取得したドップラーシフトに強い通信方式(文献1)を評価しています。水中ロボットの航行速度は人が歩く程度の速さなのでそれほど大きなドップラーシフトは発生しませんが、大型水中ドローンの最大航行速度は10ノット(18.5km/h)に達します。高速航行している水中ドローンをリアルタイムで制御するためにはドップラーシフト対策が必須となります。現行の試験では船舶を用いていますが、最終的には水中ドローンに音響通信装置を搭載した実証試験を行うことを目指しています。