特開 2024-68028 遠隔水質計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024068028

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】遠隔水質計測方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 1/00 20230101AFI20240510BHJP

   G01N 33/18 20060101ALI20240510BHJP

   B64U 10/14 20230101ALI20240510BHJP

   B64U 60/10 20230101ALI20240510BHJP

   B64U 101/35 20230101ALN20240510BHJP

【ＦＩ】

C02F1/00 V

G01N33/18 A

G01N33/18 C

G01N33/18 D

B64U10/14

B64U60/10

B64U101:35

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022186921

(22)【出願日】2022-11-05

(71)【出願人】

【識別番号】522455294

【氏名又は名称】木口 倫

(72)【発明者】

【氏名】木口 倫

(72)【発明者】

【氏名】永吉 武志

(72)【発明者】

【氏名】間所 洋和

(72)【発明者】

【氏名】末継 淳

(72)【発明者】

【氏名】井上 誠

(57)【要約】

【課題】海や湖などの広い水域における複数地点の水質調査を、陸地などの離れた場所にいながら迅速・容易に複数地点の同時調査を安定に行うことができる水質計測方法を提供すること。
【解決手段】遠隔操作により飛行できかつ水面上で離着水が可能な無人飛行体と、無人飛行体に結合・分離可能な無線計測部を含んで構成される探査機を用い、複数の前記探査機を対象水域の複数の調査地点へ移動させ、一定間隔をあけて水面に浮遊させた状態で、水温、電気伝導度、溶存酸素、濁度及びｐＨ等のうち少なくとも１つを含む水質情報をリアルタイムで計測し、その水質情報を陸地に設置された受信端末に即時無線伝送および記録する、または探査機のどちらか一方は前記水質情報を即時受信端末に無線中継伝送する。図５は２台の無人飛行体によるメッシュ型ネットワークの例である。この無線通信と飛行制御のために、無人飛行体の上部に装着可能な防水容器が設けられる。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

遠隔操作により飛行できかつ水面上で離着水が可能な無人飛行体と、無人飛行体に結合・分離可能な無線計測部を含んで構成される探査機を用い、複数の前記探査機を陸地等から離れた複数の調査地点へ移動させ、一定間隔をあけて水面に浮遊させた状態で、水温、電気伝導度、溶存酸素、濁度及びｐＨのうち少なくとも１つを含む水質情報をリアルタイムで計測し、その複数の調査地点の水質情報を受信端末に即時無線伝送および記録することを特徴とする、水質計測方法。

【請求項2】

一定間隔をあけて水面に浮遊させた状態で、無線伝送の中継元の探査機と無線中継伝送する探査機それぞれの計測部により前記水質情報の少なくとも１つを同時にリアルタイムで計測し、これらの水質情報を即時受信端末に無線伝送および無線中継伝送すること、および無線中継伝送する探査機を水面に浮遊させることなく一定高度に空中保持させた状態で、無線伝送の中継元の探査機の水質情報のうち少なくとも１つを受信端末に即時無線中継伝送および記録すること、および無線中継伝送が可能なネットワーク型の無線通信装置とそのシステムを用いることを特徴とする、請求項１に記載の水質計測方法。

【請求項3】

請求項１に記載の水質情報を計測するシステム、もしくは請求項２に記載の無線中継伝送のみを行う通信システムを無人飛行体に搭載するために、無人飛行体の飛行と無線通信を妨げない材質と構造を持つ防水容器を用いることを特徴とする、水質計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、海や湖等の広い水域における複数地点の水質調査を、陸地等の離れた場所にいながら迅速・容易で、同時かつ安定に行う水質計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、海や湖などの陸域から離れた水域の環境調査として、その対象水域における水中の各種調査、例えば、水質や水文計測等を行っているが、これらの計測は、船から計測機器を懸架させての手作業で実施することが多かった。

【0003】

一定の規模、広さの海や湖などの水質は河川の流入や潮流・潮汐等の影響により変動するため、目的とする調査地点は、複数地点を同時かつ面的に調査することが必要である。このため、船で調査点に移動するための時間がかかり、これらの複数の調査地点での調査を、同時に調査しようとすると、複数の船や人員が必要であった。

【0004】

このため、陸域から調査地点まですばやく移動でき、簡易で、人員を要しないシステムが望まれている。

【0005】

一方、近年、ドローンなど遠隔操作の無人飛行体に水質センサを搭載した探査機による方法が、特許文献１と２に紹介されている。特許文献１は、様々な場所における複数箇所の水中の調査を、迅速かつ容易に行うことができる水中調査システムとその方法を紹介している。特許文献１は、ドローンなどの無人飛行体と、これに結合され水中地形情報や水質情報を計測可能な計測部と、無人飛行体に取り付けられた浮体と、を備えた水中調査システムを特徴とする。また、無人飛行体は、本体部と、本体部から放射状に延びた複数のアーム部と、各アーム部の先端に設けられた回転翼部と、を含み、浮体は、本体部側面に取り付けられている。この水中調査システムでは、無人飛行体を水面に浮遊させた状態で計測部を用いて水中地形情報や水質情報の計測を行っている。特許文献２は、特許文献１の改良型であり、無人飛行体を水面に浮遊させる浮体と、当該無人飛行体に対してその下方にて昇降可能に接続され、無人飛行体が水面に浮遊した状態で水中地形情報及び水質情報の少なくとも一方を取得することで水中を調査可能な水中調査ユニットと、を備えており、水中調査の際、水面に浮遊した無人飛行体の波風による転覆を抑制することができ、無人飛行体を空中で一定高度に空中保持させることなく水中調査を行うことができるため、無人飛行体の作動時間を可能な限り延ばしつつ安定した水中調査を行うことができることを特徴とする。

【0006】

しかし、特許文献１および２の方法では、探査機で陸地等から離れた沿岸水中の様々な項目の調査が可能だが、特に複数地点での調査を１台の探査機で行うには移動時間がかかるという問題が想定される。また、複数地点での調査を同じ時間帯に行うためには、複数の探査機を用意し、探査機ごとに水質情報を計測する必要がある。他方、海や湖等のより広い水域の水質情報を、無線伝送機能を持った探査機により計測する場合、陸地等に設置された無線受信端末と探査機との距離が離れるほど電波が届かなくなったり、弱くなったりして調査地点の水質情報が欠損し、複数地点のリアルタイムかつ安定な水質情報が得られにくくなる、調査範囲が狭くなる等の問題が想起される。この無線通信において、日本国内では許可・承認を得ずに使用できる周波数帯（例えば、２．４ＧＨｚ帯のＩＳＭバンド）は限られている。そのため、探査機本体の飛行や付属カメラでの撮影等に用いられる周波数帯に近い電波を使用して、水質情報の計測データを高出力で無線送信した場合、電波干渉・感度抑制をもたらすノイズが探査機本体の通信システムの（ノイズに対する）妨害余裕度を超え、探査機の飛行やカメラ撮影等に影響を与える可能性がある。また、通信の即時性を確保し、水質情報の計測データの安定性評価（例えば、着水直後からセンサの計測値が安定するまでの評価）を行うためには、高周波での無線通信が必要になる。しかし、高周波での無線通信では地形や障害物等（例えば、山・樹木・建物・船舶等）による影響を受けやすくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１８－１７６９０５号公報

【特許文献2】特開２０２１－４１８６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、海や湖などの広い水域における複数地点の水質調査を、陸地などの離れた場所にいながら迅速・容易で、同時かつ安定に行うことができる水質計測方法を提供することをその目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明による水質計測方法は、遠隔操作により飛行できかつ水面上で離着水が可能な無人飛行体と、無人飛行体に結合・分離可能な無線計測部を含んで構成される探査機を用い、複数の前記探査機を陸地などの離れた場所から対象水域の複数の調査地点へ移動させ、一定間隔をあけて水面に浮遊させた状態で、水温、電気伝導度、溶存酸素、濁度及びｐＨのうち少なくとも１つを含む水質情報をリアルタイムで計測し、その複数の調査地点の計測結果を陸地等に設置された受信端末に即時無線伝送および記録することを、および無線中継伝送が可能なネットワーク型の無線通信装置とそのシステムを用いること特徴とする。

【0010】

また、本発明による水質計測方法では、無線伝送の中継元の探査機と無線伝送の中継器を有する探査機の両方で同時かつリアルタイムに前記水質情報の少なくとも１つを計測し、その計測結果をひとつの受信端末に即時無線伝送および無線中継伝送し、計測データを可視化・集約し、比較できることを特徴とする。この通信において低出力で高周波の無線通信機器を用いた場合でも、データを中継しあうことで広域の水質調査が可能となる。また、無線伝送の中継器を有する前記探査機で無線中継伝送の機能のみを用いる場合は、水面に浮遊させることなく一定高度に空中保持させた状態で探査機を用いてもよく、あるいは水面上で離着水ができない無人飛行体に無線中継器を搭載し、水面に浮遊させることなく一定高度に空中保持させた状態の探査機を用いても良い。この無線中継伝送には、ネットワーク型の無線通信装置とそのシステムを用いることができる。

【0011】

センサ計測部と無線通信部を離・着水可能な無人飛行体に装着するために、無人飛行体の制御用に用いられるＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）受信機や高度計（気圧計）を妨害しない防水容器が用いられる。この防水容器は、無人飛行体に装着されるセンサ計測部を保護するため、着水時の無人飛行体の喫水位より上部に配置され、着水状態での水面反射等による無線通信の妨害を軽減する。また、探査機のＧＮＳＳによる飛行制御を妨害しないように、ＧＮＳＳアンテナとセンサ計測機器類の間の空間を保つための支持脚が設けられる。このセンサ計測部を有線にてセンサ制御装置に接続し、前記センサ制御装置をアンテナを有する無線通信機器に接続することで、水中にあるセンサからの計測データを感度良くかつ即時に無線伝送または無線中継伝送する。

【0012】

防水容器を無人飛行体に搭載したために生じる重心変化を抑制するために、無人飛行体本体に発泡スチロール製などの浮体を取り付けることもできる。この場合には、飛行時と着水時の浮力による重心変化を考慮して、浮体の取付け位置・体積・密度が決定される。

【発明の効果】

【0013】

本発明の遠隔水質計測方法によれば、海や湖等の広い水域で、複数の前記探査機を陸地などから離れた複数の調査地点へ移動させ、一定間隔をあけて水面に浮遊させた状態で、迅速・容易に複数地点の同時調査が可能になった。さらに、前記水質情報のいずれか１つを陸地等に設置された受信端末に即時無線伝送および無線中継伝送する機能を有する計測部により、海や湖等の広い水域で計測可能な範囲は拡大し、かつ無線伝送の中継機能を有する前記探査機が自由に空間移動可能なため、無線伝送不能に陥りにくく、複数地点の水質計測を、安定かつ確実に計測できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る、探査機が２台の場合のスター型ネットワークによる計測例である。

【図2】本発明に係る、探査機用計測・通信機器の構成例である。

【図3】本発明に係る、通信ネットワークの違いを示す概要図である。

【図4】本発明に係る、受信機の構成例である。

【図5】本発明に係る、探査機が２台の場合のメッシュ型ネットワークによる計測例である。

【図6】本発明に係る、計測システム用の防水容器の構成例（立面図）である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図１に探査機（例えば、前記離着水可能な無人飛行体に加えて、図２における探査機用アンテナ４１と探査機用通信部４２と探査機用制御部４３およびセンサ４４等で構成される）が２台の場合の計測例を示す。単純なスター型ネットワーク（例えば、図３のスター型ネットワーク５１）による無線通信では、図１の探査機２と探査機３のそれぞれから受信機１（例えば、図４における受信機用アンテナ３１と受信機用通信部３２と受信機用制御部３３および受信機用表示・記録部３４で構成される）へ計測された水質情報が送信される。メッシュ型ネットワーク（例えば、図３のメッシュ型ネットワーク５２）を採用した場合には、複数の探査機（２台の場合、図５の探査機０２および探査機（中継機）０３）のセンサで計測された水質情報が中継されるため、操縦者から離れた遠隔の探査機で計測・伝送された水質情報を、図５における操縦者の受信機０１が受信可能となる。また，前記無人飛行体本体の飛行制御等に用いられる無線通信は、センサで計測された水質情報の無線通信に用いられる出力よりも十分に大きい出力で行われるか、あるいは他の電波からの妨害を受けにくい通信方式を採用することが望ましい。

【0016】

図６に計測システム用の防水容器の構成例を示す。センサ電極等ｂ１（非特許請求対象）のケーブルは、防水容器ふた１１とスポンジゴムパッキン１２の間に挟まれ、防水容器密閉用ナット１０および防水容器密閉用ボルト１３にて防水容器本体１５に密着される。スポンジゴムパッキン１２の材質は独立気泡型で吸水性が低く、アスカーＣ硬度計による硬度が２０から４０の範囲にあることが望ましい。このスポンジゴムパッキン１２の表面には、センサのケーブルを嵌め込むためのスリットが設けられ、このスリットに嵌め込んだケーブルの上部はブチルゴムテープ等で密閉される。この密閉用テープは、スポンジゴムパッキン１２に直接貼付しても、防水容器ふた１１に貼付して使用しても良い。この密閉された防水容器は、着水可能な無人飛行体の喫水位より上側に、上部固定用フレーム１４と下部固定用フレーム２３で固定される。上部固定用フレーム１４と下部固定用フレーム２３は、上下フレーム結合板および固定用ベルトガイド２４で結合される。このように防水容器の固定用フレームが上下に分離されることで、無人飛行体のプロペラａ１（非特許請求対象）の回転は妨害されない。この防水容器を無人飛行機へベルト等で固定する場合には、上下フレーム結合板および固定用ベルトガイド２４の表面に設けられた溝によって、ベルトのずれが防止できる。ベルトのような接触面積の大きな固定資材を用いると、剛性が制限される樹脂製容器でも安定した固定が可能となるが、この他の固定方法を用いることもできる。また、無人飛行体のＧＮＳＳ受信への妨害を軽減するため、無人飛行体のＧＮＳＳアンテナと防水容器との間隔を保つための支持脚１７が設けられる。さらにＧＮＳＳ受信への妨害を抑制するためには、電磁波の選択的遮蔽層１６を設けることもできる。この防水容器から出されたセンサのケーブルは、ケーブル固定具１９で固定され、無人航空体のプロペラａ１との衝突が回避される。また、このケーブルとつながるセンサ電極等はセンサ電極等保護容器２０で保護される。このセンサ電極等保護容器には、センサ電極等挿入口１８と検水を導入するための検水用開口部２１が設けられる。さらに、下部固定用フレームへの滞水を防止するために、排水口２２が設けられる。

【0017】

上記の例では、センサ（図６の例ではセンサ電極等ｂ１）は水温、電気伝導度、溶存酸素、濁度及びｐＨの測定を行うものとしたが、他の物理量を測定するセンサを用いた場合においても、同様のシステム（無線センサシステム）を用いることができる。このような物理量として、目的に応じて、例えば、水中のＯＲＰ（酸化還元電位）、塩分や硝酸塩等の溶存物質濃度、クロロフィルａ等を測定してもよい。また、水中の水文状態の評価指標となるものとして、流速や水深を測定してもよい。あるいは、これらの測定を適宜組み合わせて同時に行ってもよい。

【符号の説明】

【0018】

１ 受信機１
２ 探査機２
３ 探査機３
０１ 受信機０１
０２ 探査機０２（中継機）
０３ 探査機０３
１０ 防水容器密閉用ナット（蝶ネジ）
１１ 防水容器ふた
１２ スポンジゴムパッキン
１３ 防水容器密閉用ボルト
１４ 上部固定用フレーム
１５ 防水容器本体
１６ 電磁波の選択的遮蔽層
１７ 支持脚
１８ センサ電極等挿入口
１９ ケーブル固定具
２０ センサ電極等保護容器
２１ 検水用開口部
２２ 排水口
２３ 下部固定用フレーム
２４ 上下フレーム結合板および固定用ベルトガイド
ａ１ 無人飛行体のプロペラ（非特許請求対象）
ｂ１ センサ電極等（非特許請求対象）
３１ 受信機用アンテナ
３２ 受信機用通信部
３３ 受信機用制御部
３４ 受信機用表示・記録部
４１ 探査機用アンテナ
４２ 探査機用通信部
４３ 探査機用制御部
４４ センサ
５１ スター型ネットワークの例
５２ メッシュ型ネットワークの例

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】