(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-26
(45)【発行日】2022-08-03
(54)【発明の名称】ドローンを用いた計測システムおよび計測方法
(51)【国際特許分類】
G01D 21/00 20060101AFI20220727BHJP
G01P 5/02 20060101ALI20220727BHJP
G01P 5/12 20060101ALI20220727BHJP
G01P 5/16 20060101ALI20220727BHJP
G01P 5/24 20060101ALI20220727BHJP
【ＦＩ】
G01D21/00 K
G01P5/02
G01P5/12 A
G01P5/16 B
G01P5/24 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2017220668
(22)【出願日】2017-11-16
(65)【公開番号】P2019090741
(43)【公開日】2019-06-13
【審査請求日】2020-07-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000000239
【氏名又は名称】株式会社荏原製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100118500
【弁理士】
【氏名又は名称】廣澤 哲也
(74)【代理人】
【識別番号】100091498
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 勇
(72)【発明者】
【氏名】能見 基彦
(72)【発明者】
【氏名】関野 夕美子
【審査官】菅藤 政明
(56)【参考文献】
【文献】特開平９－１９６９８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１９７４０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１０４８２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２９２６８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平９－１８９７３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５０１４８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－９０１３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－７７３４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２６１８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－５３５１１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｄ ２１／００－２１／０２
Ｇ０１Ｐ ５／００－ ５／２６
Ｇ０１Ｋ ３／００－ ３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ドローンと、前記ドローンに取り付けられた計測器と、
前記ドローンの位置を検出する位置検出装置と、
前記ドローンを、前記位置検出装置から送られてくる前記ドローンの位置情報に基づいて、立方空間の表面および内部に配列された、予め定められた複数の計測点に順次移動させて、各計測点における計測対象を前記計測器に計測させるドローンコントローラと、
前記複数の計測点で得られた複数の計測値を記録する記憶装置と、
前記複数の計測値と、前記複数の計測点の位置に基づいて前記立方空間内での前記計測値の分布を作成するデータ処理部と、
前記計測器と前記記憶装置とを接続する通信装置とを備え、
前記ドローンは、複数のプロペラと、前記複数のプロペラにそれぞれ連結された複数のモータと、前記ドローンの水平方向に対する傾き角度を検出する傾きセンサを備え、
前記計測器は、前記ドローン内に組み込まれた風速検出器であり、
前記風速検出器は、前記複数のモータに流れるモータ電流と、前記傾きセンサから取得した前記ドローンの傾き角度から、風速を推定するように構成されていることを特徴とする計測システム。
【請求項2】
前記データ処理部は、前記複数の計測値の平均を計算し、前記平均と各計測値との差を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
【請求項3】
ドローンを、位置検出装置から送られてくる前記ドローンの位置情報に基づいて、立方空間の表面および内部に配列された、予め定められた複数の計測点に順次移動させて、各計測点における計測対象を計測器で計測し、前記複数の計測点で得られた複数の計測値を記憶装置に記録し、
前記複数の計測値と、前記複数の計測点の位置に基づいて前記立方空間内での前記計測値の分布を作成することを含み、
前記計測対象を前記計測器で計測する工程は、
前記ドローンの複数のプロペラにそれぞれ連結された複数のモータに流れるモータ電流と、傾きセンサから取得した前記ドローンの水平方向に対する傾き角度から、風速を風速検出器で推定する工程であることを特徴とする計測方法。
【請求項4】
前記複数の計測値の平均を計算し、前記平均と各計測値との差を算出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、計測場での風速、圧力、温度、微粒子濃度などの物理量または化学量の分布を計測するための計測システムおよび計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
市街地の設計では、高層ビル間を吹き抜ける風の解析が行われる。このような風の流速を計測するために、機械式風速計、熱線流速計、レーザードップラー流速計（ＬＤＶ）、粒子画像流速計（ＰＩＶ）、またはピトー管などの風速計が用いられる。しかしながら、風速計を用いて、数十メートル～数百メートルの広い範囲に亘って流速分布を計測することは困難である。
【0003】
同様に、ある巨大な空間内での圧力、温度、微粒子濃度などの物理量または化学量の分布を計測器を用いて計測することは難しい。特に、数十メートル～数百メートルの大きさの四方面または立方空間内に、多数の計測器を設置することは極めて難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
そこで、本発明は、広い領域内での風速などの計測対象の計測値の分布を容易に作成することができる計測システムおよび計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様は、ドローンと、前記ドローンに取り付けられた計測器と、前記ドローンの位置を検出する位置検出装置と、前記ドローンを、前記位置検出装置から送られてくる前記ドローンの位置情報に基づいて、立方空間の表面および内部に配列された、予め定められた複数の計測点に順次移動させて、各計測点における計測対象を前記計測器に計測させるドローンコントローラと、前記複数の計測点で得られた複数の計測値を記録する記憶装置と、前記複数の計測値と、前記複数の計測点の位置に基づいて前記立方空間内での前記計測値の分布を作成するデータ処理部と、前記計測器と前記記憶装置とを接続する通信装置とを備え、前記ドローンは、複数のプロペラと、前記複数のプロペラにそれぞれ連結された複数のモータと、前記ドローンの水平方向に対する傾き角度を検出する傾きセンサを備え、前記計測器は、前記ドローン内に組み込まれた風速検出器であり、前記風速検出器は、前記複数のモータに流れるモータ電流と、前記傾きセンサから取得した前記ドローンの傾き角度から、風速を推定するように構成されていることを特徴とする計測システムである。
【0006】
前記データ処理部は、前記複数の計測値の平均を計算し、前記平均と各計測値との差を算出するように構成されている。
【0007】
本発明の一態様は、ドローンを、位置検出装置から送られてくる前記ドローンの位置情報に基づいて、立方空間の表面および内部に配列された、予め定められた複数の計測点に順次移動させて、各計測点における計測対象を計測器で計測し、前記複数の計測点で得られた複数の計測値を記憶装置に記録し、前記複数の計測値と、前記複数の計測点の位置に基づいて前記立方空間内での前記計測値の分布を作成することを含み、前記計測対象を前記計測器で計測する工程は、前記ドローンの複数のプロペラにそれぞれ連結された複数のモータに流れるモータ電流と、傾きセンサから取得した前記ドローンの水平方向に対する傾き角度から、風速を風速検出器で推定する工程であることを特徴とする計測方法である。
【0008】
前記計測方法は、前記複数の計測値の平均を計算し、前記平均と各計測値との差を算出する工程をさらに含む。
【発明の効果】
【0009】
ドローンを用いた計測は、計測場に複数の計測器を設置することを不要とする。したがって、本発明に係る計測システムは、巨大な計測場での計測対象の計測値の分布を容易に作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明に係る計測システムの一実施形態を示す模式図である。
【図2】計測システムの他の実施形態を示す模式図である。
【図5】計測システムの動作を説明するフローチャートである。
【図6】計測システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る計測システムの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、計測システムは、ドローン１と、ドローン１に取り付けられた風速計３と、ドローン１の位置を検出する位置検出装置としてのＧＰＳ受信機４と、ドローン１を予め定められた複数の計測点に順次移動させて、各計測点において風速を風速計３に計測させるドローンコントローラ５と、上記複数の計測点で得られた風速の複数の計測値を記録する記憶装置１１と、上記複数の計測値と対応する上記複数の計測点の位置に基づいて計測値の分布（すなわち風速分布）を作成するデータ処理部１２と、風速計３と記憶装置１１とを接続する通信装置１５とを備えている。
【0012】
ドローン１は、３つ以上のプロペラ２１と、これらプロペラ２１にそれぞれ連結された複数のモータ２２と、ドローン１の姿勢を制御するフライトコントローラ２３とを備えている。本実施形態では、４つのプロペラ２１および４つのモータ２２が設けられているが、図１では２つのプロペラ２１および２つのモータ２２のみが図示されている。４つのプロペラ２１は４つのモータ２２によって独立に回転される。モータ２２の回転速度、すなわちプロペラ２１の回転速度はフライトコントローラ２３によって制御される。
【0013】
ドローン１には計測器としての風速計３が固定されている。この風速計３は、空気などの気体の流速を計測する装置である。風速計３のタイプは特に限定されない。例えば、風速計３は、機械式風速計、熱線流速計、レーザードップラー流速計（ＬＤＶ）、粒子画像流速計（ＰＩＶ）、またはピトー管であってもよい。
【0014】
プロペラ２１によって発生する下降流の影響を受けないように、風速計３はドローン１から外側に延びるアーム２６の先端に保持されている。各計測点においてドローン１の向きを変えることにより、風速計３は多方向での風速を計測することができる。
【0015】
風速は計測対象の一例であり、本発明の計測器は風速計３に限定されない。本発明は、風速以外の計測対象を計測する計測システムにも適用可能である。一実施形態では、計測器は、風速計、圧力計、温度計、湿度計、濃度計、またはこれらの組み合わせであってもよい。
【0016】
ＧＰＳ受信機４は、ドローン１の位置を検出する位置検出装置である。ＧＰＳ受信機４は、複数のＧＰＳ衛星から発信された複数の信号を受け取ることで、ドローン１の位置を検出することができる。一実施形態では、ＧＰＳ受信機４に代えて、位置検出装置は、慣性航法装置、レーダー、光学式測距器、または画像システムであってもよい。光学式測距器としては、複数のレーザー測距器が使用できる。画像システムは、異なる位置に配置された複数のカメラと、カメラによって生成されたドローン１の複数の画像からドローン１の位置を特定する画像処理装置を備える。
【0017】
本実施形態では、ドローンコントローラ５は、ドローン１内に組み込まれてり、フライトコントローラ２３に接続されている。ドローン１は、飛行を開始すると、自動的に複数の計測点に順次移動し、各計測点において風速を風速計３で計測し、全ての計測点で風速の計測が終了すると、自動的に地上に帰投する。このようなドローン１の動作はドローンコントローラ５によって制御される。複数の計測点は、空間中に予め設定された計測点である。各計測点の位置情報は、ドローンコントローラ５の図示しないメモリ内に予め格納されている。
【0018】
ＧＰＳ受信機４によって検出されたドローン１の位置情報はドローンコントローラ５に送られる。ドローンコントローラ５は、自身のメモリに格納されている各計測点の位置情報と、ＧＰＳ受信機４から送られてくるドローン１の位置情報とに基づいて、ドローン１が上記計測点に順次移動するようにフライトコントローラ２３に指令を発する。フライトコントローラ２３はドローンコントローラ５からの指令を受けて、モータ２２の動作を制御し、ドローン１を各計測点に移動させる。
【0019】
一実施形態では、ドローンコントローラ５は地上に配置されてもよい。この場合は、ドローンコントローラ５は、無線通信装置または有線通信装置（図示せず）でドローン１のフライトコントローラ２３に接続される。
【0020】
風速の計測値は、通信装置１５により風速計３から記憶装置１１に伝送される。通信装置１５は、ドローン１に組み込まれたデータ送信機１５Ａと、地上に配置されたデータ受信機１５Ｂを備えている。本実施形態では、通信装置１５は無線通信装置である。一実施形態では、通信装置１５は、データ伝送ケーブルなどの有線通信装置であってもよい。ドローンコントローラ５は、計測値が取得された計測点の位置情報を通信装置１５を介して記憶装置１１に伝送する。記憶装置１１は、風速の計測値と、対応する計測点の位置情報を記録する。
【0021】
本実施形態では、記憶装置１１とデータ処理部１２は、専用または汎用のコンピュータ２７から構成されている。記憶装置１１は通信装置１５のデータ受信機１５Ｂに接続されており、さらに記憶装置１１はデータ処理部１２にも接続されている。本実施形態では、記憶装置１１は、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）またはハードディスクドライブ（ＨＤＤ）から構成され、データ処理部１２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）から構成される。
【0022】
図２は、計測システムの他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、記憶装置１１は、ドローン１内に組み込まれている。風速計３は記憶装置１１にデータ伝送ケーブル２８を介して接続される。このデータ伝送ケーブル２８は、風速計３と記憶装置１１とを接続する通信装置の一例である。ドローンコントローラ５は、通信装置としてのデータ伝送ケーブル２９を介して記憶装置１１に接続されている。ドローンコントローラ５は、計測値が取得された計測点の位置情報をデータ伝送ケーブル２９を介して記憶装置１１に伝送する。風速の計測値、および対応する計測点の位置情報はドローン１内の記憶装置１１に記録される。ドローン１が地上に帰投した後に、記憶装置１１内に記録された風速の計測値、および対応する計測点の位置情報はデータ処理部１２に読み込まれる。
【0023】
図３は、図１または図２に示す実施形態の計測システムを用いて、高層ビル間を吹き抜ける風の流速を計測する一例を示す模式図である。複数の計測点は、高層ビル３１と高層ビル３２との間にある立方空間３３内に設定される。立方空間３３の幅、高さ、奥行きは、それぞれ、数十メートル～数百メートルの範囲内である。一実施形態では、複数の計測点は、高層ビルと高層ビルとの間にある平面上に設定されてもよい。
【0024】
図４は、図３に示す立方空間３３内に設定された複数の計測点を示す図である。図４に示すように、黒丸で表される計測点ＭＰは、立方空間３３の表面および内部に格子状に配列されている。図４では、立方空間３３の表面上の計測点ＭＰのみが描かれているが、立方空間３３の内部にも計測点ＭＰが同様に配列されている。これらの計測点ＭＰは予め設定されたものである。各計測点ＭＰの位置情報は、ドローンコントローラ５の図示しないメモリ内に予め格納されている。ドローンコントローラ５は、図４に示す全ての計測点ＭＰに順にドローン１を移動させ、各計測点ＭＰにおいて風速計３に風速を計測させる。
【0025】
計測点は、球状などの他の形状の空間の表面および内部に配列されてもよい。一実施形態では、計測点は、正方形、長方形、三角形、円形などの平面上に配列されてもよい。計測点の配列パターンは、格子状、放射状などの様々なパターンがありうる。
【0026】
次に、上述のように構成された計測システムの動作について図５に示すフローチャートを参照して説明する。ステップ１では、予め設定された複数の計測点の位置情報は、ドローンコントローラ５内に保存される。ステップ２では、ドローン１の飛行が開始される。ステップ３では、ドローンコントローラ５は上記複数の計測点のうちの予め定められた１つにドローン１を移動させる。ステップ４では、計測点において風速計３により風速を計測する。ドローン１を計測点で回転させ、多方向の風速を計測してもよい。
【0027】
全ての計測点において風速の計測が終了するまで、ステップ３およびステップ４が繰り返される。風速の計測は、ドローン１が各計測点でとどまった（ホバリングした）状態で行われる。風速計３が瞬時に風速を計測可能である場合は、ドローン１は計測点でとどまることなく、ドローン１を連続的に移動させながら風速計３は各計測点で風速を計測してもよい。
【0028】
全ての計測点において風速の計測が終了した後、ステップ５では、ドローンコントローラ５はドローン１を地上に帰投させる。ステップ６では、データ処理部１２は、記憶装置１１から計測値および計測点の位置情報を読み込み、計測値と、対応する計測点の位置情報とに基づいて、空間内での風速の計測値の分布を作成する。
【0029】
データ処理部１２は、すべての計測点で取得された計測値の平均を計算し、平均と各計測値との差を求めてもよい。平均と各計測値との差は、計測場での風速の乱れを示しており、風の流れの解析に寄与する。また、上記ステップ２～ステップ６を複数回繰り返すことにより、計測場での風速の時間変化を取得することも可能である。
【0030】
上述した実施形態では風速計３が使用されているが、風速を計測するための計測器として、図６に示すように、ドローン１のモータ２２に流れる電流（以下モータ電流という）と、ドローン１の傾き角度から風速を推定する風速検出器３５を用いてもよい。風速検出器３５はドローン１内に組み込まれている。以下、風速検出器３５を用いた実施形態について説明する。
【0031】
風速の計測中、ドローン１は１つの計測点にホバリングしている。ドローン１をその計測点でホバリングするのに必要なモータ電流と、ドローン１の水平方向に対する傾き角度は、風速に依存して変わりうる。そこで、風速検出器３５は、モータ電流と、ドローン１の水平方向に対する傾き角度と、ホバリング姿勢データとに基づいて、風速および風向きを推定する。ホバリング姿勢データは、風速、風向き、モータ電流、およびドローン１の水平方向に対する傾き角度との関係を示すデータであり、実験によって予め作成される。ホバリング姿勢データは風速検出器３５の図示しないメモリ内に予め格納されている。ドローン１の水平方向に対する傾き角度は、フライトコントローラ２３に備えられている傾きセンサ（図示せず）から得ることができる。この風速検出器３５は、風速計３をドローン１の外部に配置する必要がないので、ドローン１の全体を軽量化することができる。図６に示す風速検出器３５は、図２に示す実施形態にも適用することができる。
【0032】
本発明の計測対象は、気体の流速に限らない。例えば、計測対象は、圧力、温度、湿度、空気中の成分の濃度、または空気中の微粒子の濃度であってもよい。圧力、温度、湿度は、例えば、大気の圧力、温度、湿度である。圧力、温度、湿度は、閉じられた空間内の気体の圧力、温度、湿度であってもよい。空気中の成分の濃度は、例えば、空気中の窒素、酸素、二酸化炭素、または空気に含まれる他の成分の濃度である。さらに、計測対象は、流速、圧力、温度、湿度、空気中の成分の濃度、および空気中の微粒子の濃度の組み合わせであってもよい。
【0033】
ドローン１を用いた計測は、計測場に複数の計測器を設置することを不要とする。したがって、上記各実施形態に係る計測システムは、巨大な計測場での計測対象の計測値の分布を容易に作成することができる。
【0034】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【0035】
１ ドローン
３ 風速計（計測器）
４ ＧＰＳ受信機（位置検出装置）
５ ドローンコントローラ
１１ 記憶装置
１２ データ処理部
１５ 通信装置
１５Ａ データ送信機
１５Ｂ データ受信機
２１ プロペラ
２２ モータ
２３ フライトコントローラ
２６ アーム
２７ コンピュータ
２８，２９ データ伝送ケーブル（通信装置）
３１，３２ 高層ビル
３３ 立方空間
３５ 風速検出器
ＭＰ 計測点
３ 風速計（計測器）
４ ＧＰＳ受信機（位置検出装置）
５ ドローンコントローラ
１１ 記憶装置
１２ データ処理部
１５ 通信装置
１５Ａ データ送信機
１５Ｂ データ受信機
２１ プロペラ
２２ モータ
２３ フライトコントローラ
２６ アーム
２７ コンピュータ
２８，２９ データ伝送ケーブル（通信装置）
３１，３２ 高層ビル
３３ 立方空間
３５ 風速検出器
ＭＰ 計測点
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】