(57)【要約】【課題】  安全な陸上から無人航空機を用いて測定地点に移動可能で、遠隔操作による深浅測量、水深を管理した水質調査、試料採取を行うことができ、採取深度の管理が容易な無人航空機を用いた水文調査基地及び水文調査方法を提供すること。【解決手段】無人航空機を用いた水文調査基地は、無線により操作可能な無人航空機と、該無人航空機に設けられた牽引手段によって牽引される水文調査基地本体とからなる無人航空機を用いた水文調査基地であって、前記水文調査基地本体は、水面に浮かぶことができるとともに、前記無人航空機に牽引される浮力体と、少なくとも前記浮力体又は前記無人航空機のいずれかに接続された水文調査装置とで構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線により操作可能な無人航空機と、該無人航空機に設けられた牽引手段によって牽引される水文調査基地本体とからなる無人航空機を用いた水文調査基地であって、前記水文調査基地本体は、水面に浮かぶことができるとともに、前記無人航空機に牽引される浮力体と、少なくとも前記浮力体又は前記無人航空機のいずれかに接続された水文調査装置とで構成されている無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項２】
前記水文調査装置は、少なくとも調査位置の水深を測定することができる探深器具を有することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項３】
前記無人航空機は、ＧＰＳを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項４】
前記水文調査基地本体は、光波測量プリズム又は反射体のいずれかを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項５】
前記水文調査基地本体には、無人航空機の略鉛直下方に位置するように位置調節可能な位置調節手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項６】
前記水文調査基地本体には、ソナーを更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査基地。
【請求項７】
水文調査基地本体を無人航空機により所定の調査位置に移動させる水文調査基地移動工程と、所定の調査位置に移動完了後、前記水文調査基地本体により前記調査位置での水文調査を行う水文調査工程とで構成され、前記水文調査基地本体は、水面に浮かぶことができるとともに、前記無人航空機に牽引される浮力体と、少なくとも前記浮力体又は前記無人航空機のいずれかに接続された水文調査装置とで構成されている無人航空機を用いた水文調査方法。
【請求項８】
前記水文調査工程では、少なくとも調査位置の水深を探深器具を用いて測定することを特徴とする請求項７に記載の無人航空機を用いた水文調査方法。
【請求項９】
水文調査基地移動工程では、ＧＰＳを備えた無人航空機によって調査位置まで移動することを特徴とする請求項７又は請求項８のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査方法。
【請求項１０】
前記水文調査基地移動工程では、水文調査基地本体に備えた光波測量プリズム又は反射体のいずれかによって水文調査基地本体の詳細な座標を検知して、水文調査基地本体を調査位置まで移動させることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査方法。
【請求項１１】
前記水文調査工程では、水文調査基地本体に備えた位置調節手段によって、常時無人航空機の略鉛直下方に水文調査基地本体を位置させることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査方法。
【請求項１２】
前記水文調査工程では、水文調査基地本体に備えたソナーによって、所定の調査位置に移動するまでの水深も連続的に測定することを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の無人航空機を用いた水文調査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無人航空機を用いて、湖沼・溜池・河川等の深浅測量、水質調査、試料採取等を行う無人航空機を用いた移動式の水文調査基地及び水文調査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の深浅測量・水質調査、試料採取は、ボートを用いた作業や、潜水士による水中作業などにより行っており、多大な労力と時間を要していたほか、地形条件によってはボート等の搬入が困難で、資材搬入に危険が伴うケースもあるなど、作業効率や安全面が改善すべき課題であった。
【０００３】
通常行われる深浅測量は、超音波ソナーを装備したボートと、地上に設置した光波測量装置との連携により、水深と超音波ソナーの三次元位置を測量する。また、必要に応じてレッドと呼ばれる錘が附属した専用のロープを水上から水底まで下ろし、直接水深を測定する。
【０００４】
水質調査では、ボートで観測位置に赴き、採水装置を用いて所定の水深から水試料を採取したものを持ち帰って室内分析をする場合や、水中に分析装置を投下して、現地で化学的な計測を行うなどの方法が一般的である。
底質の採取では、グラブやピストンサンプラー等の簡易的な装置を船上から投下して行うのが一般的である。
【０００５】
ここに示した一般的な手法は、いずれも船上から人の手で作業を行うものであり、大変手間のかかる作業である。定期的または災害発生後に速やかに実施するためには、作業の効率化と安全に観測地点にアプローチする手法が必要である。
【０００６】
無人航空機を用いた水文調査手法としては、観測点水上に設置した観測装置から水位情報を無人航空機で回収する方法がある（特許文献１）。
しかしながら、この手法では、水位測定する地点に観測用の水位計を設置しておく必要があり、また、この水位計では設置した１点の水位のみしか計測することができず、他の地点の水位を測定することや、水位以外の水文調査をすることができないという欠点があった。
【０００７】
また、その他の無人航空機を用いた調査方法等としては、無人飛行機でつり下げた水中カメラを調査地点に投下して目視調査する手法が知られている（特許文献２）。
しかしながら、この方法では浮力体を介してカメラの姿勢制御を行われているものの、単なる浮力体としての機能しか有しておらず、水文調査で必要な水深、位置情報を得るための機能を有していない。
【０００８】
その他にも、無人航空機に採水ポンプや採水装置を搭載して、無人航空機で直接採水する手法の研究がなされているが、この手法では水深を基準とした採取深度の管理が難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１７−１１６３０５号公報
【特許文献２】特開２０１７−８５２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は以上のような従来の欠点に鑑み、安全な陸上から無人航空機を用いて調査地点に移動可能で、遠隔操作による深浅測量、水深を管理した水質調査、試料採取を行うことができ、採取深度の管理が容易な無人航空機を用いた水文調査基地及び水文調査方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の無人航空機を用いた水文調査基地は、無線により操作可能な無人航空機と、該無人航空機に設けられた牽引手段によって牽引される水文調査基地本体とからなる無人航空機を用いた水文調査基地であって、前記水文調査基地本体は、水面に浮かぶことができるとともに、前記無人航空機に牽引される浮力体と、少なくとも前記浮力体又は前記無人航空機のいずれかに接続された水文調査装置とで構成されている。
【００１２】
また、本発明の無人航空機を用いた水文調査方法は、水文調査基地本体を無人航空機により所定の調査位置に移動させる水文調査基地移動工程と、所定の調査位置に移動完了後、前記水文調査基地本体により前記調査位置での水文調査を行う水文調査工程とで構成され、前記水文調査基地本体は、水面に浮かぶことができるとともに、前記無人航空機に牽引される浮力体と、少なくとも前記浮力体又は前記無人航空機のいずれかに接続された水文調査装置とで構成されている。
【発明の効果】
【００１３】
以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。
（１）請求項１、請求項２、請求項７及び請求項８に記載された各発明においては、安全な陸上から無人航空機を用いて任意の調査地点に水文調査基地を移動させることができ、遠隔操作による深浅測量、水深を管理した水質調査、試料採取等の水文調査を行うことができる。
（２）請求項３及び請求項９に記載された発明も、前記（１）と同様な効果が得られるとともに、ＧＰＳを用いることにより正確な調査位置で水文調査をすることができる。
（３）請求項４及び請求項１０に記載された発明も、前記（１）〜（２）と同様な効果が得られるとともに、より正確な調査位置で水文調査をすることができる。
（４）請求項５及び請求項１１に記載された発明も、前記（１）〜（３）と同様な効果が得られるとともに、調査位置の水の流れや風の影響により水文調査基地本体が移動してしまっても、適切な調査位置に戻して水文調査を行うことができる。
（５）請求項６及び請求項１２に記載された発明も、前記（１）〜（４）と同様な効果が得られるとともに、連続的に水深を調査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
図１乃至図４は本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
図５乃至図７は本発明の第２の実施形態を示す説明図である。
図８乃至図１０は本発明の第３の実施形態を示す説明図である。
図１１及び図１２は本発明の第４の実施形態を示す説明図である。
図１３及び図１４は本発明の第５の実施形態を示す説明図である。
【図１】第１実施形態の無人航空機を用いた水文調査基地の概略図。
【図２】第１実施形態の無人航空機を用いた水文調査方法の工程図。
【図３】水文調査基地移動工程の説明図。
【図４】水文調査工程の説明図。
【図５】第２実施形態の無人航空機を用いた水文調査基地の概略図。
【図６】第２実施形態の無人航空機を用いた水文調査方法の工程図。
【図７】水文調査工程の説明図。
【図８】第３実施形態の無人航空機を用いた水文調査基地の概略図。
【図９】第３実施形態の無人航空機を用いた水文調査方法の工程図。
【図１０】水文調査工程の説明図。
【図１１】第４実施形態の無人航空機を用いた水文調査基地の概略図。
【図１２】第４実施形態の無人航空機を用いた水文調査方法の工程図。
【図１３】位置調整手段の説明図。
【図１４】第５実施形態の無人航空機を用いた水文調査基地の概略図。
【図１５】第５実施形態の無人航空機を用いた水文調査方法の工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面に示す本発明を実施するための形態により、本発明を詳細に説明する。
図１乃至図４に示す本発明を実施するための第１の形態において、１は調査地点に移動可能で、遠隔操作による深浅測量、水深を管理した水質調査、試料採取等の水文調査を行うことができる無人航空機を用いた水文調査基地（以下、「水文調査基地」という）である。
【００１６】
この水文調査基地１は、図１に示すように、無線により操作可能な小型の無人航空機２と、該無人航空機２に設けられた牽引手段３によって牽引される水文調査基地本体４とで構成されている。
【００１７】
この無人航空機２は、いわゆる小型のドローンで、本発明においては、公知のドローンを用いることができる。
【００１８】
水文調査基地本体４は、水面に浮かぶことができるとともに、無人航空機２に牽引される浮力体５と、該浮力体５に設けられた水文調査装置６と、浮力体５に設けられた指標９とで構成されている。
【００１９】
この浮力体５は、本実施形態では略球状で、この球体の中心を通過するように貫通孔７が形成されている。浮力体５の素材としては、無人航空機２による牽引の容易さを考慮すると、計量の樹脂等が望ましいが、金属製、ガラス製の浮力体５を用いることもできる。
この浮力体５の貫通孔７には、前記無人航空機２に一端部が固定されたケーブル８が挿入される。
【００２０】
このケーブル８は貫通孔７を貫通し、その先端部分（他端部）には貫通孔から脱落しない（上方に抜けない）ように脱落防止具が固定される。本実施形態においては、後述する探深器具６ａが脱落防止具としての機能を有する。
本実施形態では、このように脱落防止具を備えるケーブル８が浮力体５を牽引する牽引手段３が構成している。
【００２１】
このケーブル８の先端部分には、水文調査装置６が取り付けられる。本実施形態においては、水深を測定するための探深器具６ａとしての探深錘６ａを水文調査装置６として用いている。
【００２２】
なお、水文調査装置６としては、探深錘６ａの他にも、水を採取するための採水器６ｂ、底質を採取するための底質サンプラー６ｃ、水質を分析するための水質測定装置６ｄ等を用いることができる。
【００２３】
これらの水文調査装置６は１つのみ取り付けてもよいし、複数種類取り付けてもよい。
ところで、本実施形態においては前記浮力体５の貫通孔７付近に、探深錘６ａが底に到達した際に、ケーブル８に指標９を固定する指標固定手段（図示せず）を備えている。この指標固定手段により、着底した時にケーブル８に指標９を固定することにより、指標９から探深錘６ａまでの距離を測定することで水深を調査することができる。
【００２４】
この指標９は、ケーブル８に締め付け状態で取り付けられており、一旦ケーブル８に固定した後は、ケーブル８に連動して動く（ケーブルの他端部からの距離は一定となる）ものである。この指標９は、ケーブル８を締め付ける程度の張力を持つ弾性体や、逆止弁を有する管状体、クリップなどが適当である。
【００２５】
この水文調査基地本体４を使用して行われる無人航空機を用いた水文調査方法１０（以下、「水文調査方法」という）は、本実施形態においては図２に示すように、水文調査基地本体４を無人航空機２により所定の調査位置に移動させる水文調査基地移動工程１１と、所定の調査位置に移動完了すると、前記無人航空機２は前記調査位置の上空付近でホバリング状態にするとともに、前記水文調査基地本体４により前記調査位置での水文調査を行う水文調査工程１２とで構成されている。
【００２６】
水文調査基地移動工程１１は、図３に示すように、無人航空機２によって水文調査基地本体４を牽引し、所定の調査位置に移動させる工程である。
【００２７】
本実施形態では、ケーブル８を水文調査基地本体４の浮力体５の貫通孔７に貫通状態で挿入し、その後ケーブル８の先端部に探深錘６ａを固定することにより、水文調査基地本体４を牽引可能としている。この状態で無人航空機２をリモコン操作し、無人航空機２に搭載したＧＰＳ（図示せず）等を参照しながら、調査位置へと無人航空機２を飛行させる。
【００２８】
無人航空機２が調査位置に到着し、その地点にホバリング状態とし、その略鉛直下方に水文調査基地本体４が移動したことを確認したら、水文調査工程１２へ移行する。
【００２９】
水文調査工程１２は、図４に示すように、調査位置の水文調査を行う工程である。本実施形態では、無人航空機２を徐々に下降させ、ケーブル８の先端部に固定した探深錘６ａを底方向へ移動させ、着底したところでケーブル８に指標９を固定する。この指標９から探深錘６ａまでの距離を測定することによって調査位置の水深を調査できる。
【００３０】
本実施形態では水深のみを調査しているが、例えば、水を採取するための採水器６ｂ、底質を採取するための底質サンプラー６ｃ、水質を分析するための水質測定装置６ｄ等の水文調査装置６を用いて、その他の水文調査を行ってもよい。
【００３１】
［発明を実施するための異なる形態］
次に、図５乃至図１５に示す本発明を実施するための異なる形態につき説明する。なお、これらの本発明を実施するための異なる形態の説明に当って、前記本発明を実施するための第１の形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３２】
図５乃至図７に示す本発明を実施するための第２の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、中央に貫通孔７を備え、上面と底面が略フラットの浮力体５Ａと、この浮力体５Ａの上面に固定され、その先端部が探深錘６ａに接続された巻取り式変位計１３と、浮力体５Ａの上面に設けられた着底検知装置１４と、浮力体５Ａの上面に設けられた光波測量プリズム又は反射体１５と、浮力体５Ａの底面に設けられた水質測定装置６ｄと、前記浮力体５Ａよりも下方のケーブル８の所定位置に固定された採水器６ｂとで構成された水文調査基地本体４Ａを用いた水文調査基地１Ａ及び水文調査方法１０Ａにしても前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られる。
【００３３】
本実施形態では、無人航空機２に接続されたケーブル８及び巻取り式変位計１３のワイヤー１３ａの先端部のいずれもが探深錘６ａに接続されている。そのため、無人航空機２が降下するとともに、巻取り式変位計１４のワイヤー１３ａを送り出し、着底したことを着底検知装置１４が検知した際の巻取り式変位計１３の送り出し量から水深を測定する水文調査工程１２Ａにしている。
【００３４】
ここで着底検知装置１４は、喫水面の変化等を検知して着底を検知する装置である。具体的には、探深錘６ａが水中につり下げられている際の喫水は安定しているが、探深錘６ａが着底すると喫水面が変化する。着底検知装置１４は、浮力体５Ａの喫水の変化や、巻取り式変位計１３の張力の変化のどちらか、または両方を検知して水深を計測する。
【００３５】
調査位置の座標は、無人航空機２に内蔵されたＧＰＳを用いて概要の把握が可能であるが、無人航空機２は高度があるため、ＧＰＳだけでは無人航空機２と水文調査基地本体４Ａの位置が乖離し、無人航空機２がＧＰＳによる調査位置に位置していても、水文調査基地本体４Ａは実際の調査位置から乖離してしまう可能性がある。
【００３６】
そのため、本実施形態においては、浮力体５Ａに取り付けた光波測量プリズム又は反射体１５を地上から光波測量することで、水文調査基地本体４Ａのより詳細な座標を検知することにより、無人航空機２を用いて水文調査基地本体４Ａを正確な調査位置まで移動させる水文調査基地移動工程１１Ａを採用している。
【００３７】
図８乃至図１０に示す本発明を実施するための第３の形態において、前記本発明を実施するための第２の形態と主に異なる点は、無人航空機２に固定されたケーブル８の先端部を浮力体５Ａに直接接続した牽引手段３Ａにするとともに、巻取り式変位計１３のワイヤー１３ａの先端部のみが探深錘６ａに接続されており、調査位置において巻取り式変位計１３のワイヤー１３ａを伸長し着底した際の変位を測定することで水深を測定する水文調査工程１２Ｂにした点で、このような水文調査基地１Ｂ及び水文調査方法１０Ｂにしても前記本発明を実施するための第２の形態と同様な作用効果が得られる。
【００３８】
なお、本実施形態のようにケーブル８が浮力体５Ａに直接取り付けられ、巻取り式変位計１３のワイヤー１３ａの先端部のみが探深錘６ａに接続されている場合には、浮力体５Ａの中央部に貫通孔７を必ずしも設ける必要はなく、例えば浮力体５Ａの縁部分に巻取り式変位計１３を固定し、貫通孔７等を形成しない状態で探深錘６ａを接続してもよい。また、浮力体５Ａに凹所を形成して、この凹所から巻取り式変位計１３のワイヤー１３ａを下方へ送り出し、探深錘６ａを接続してもよい。
【００３９】
図１１乃至図１３に示す本発明を実施するための第４の形態において、前記本発明を実施するための第２の形態と主に異なる点は、位置調整可能な位置調整手段１６を備える水文調査基地本体４Ｂを用い、この位置調整手段１６を用いて水文調査基地４Ｂが無人航空機２の略鉛直下方に位置するように位置調整しながら水文調査を行う水文調査工程１２Ｃにした点で、このような構成を用いた水文調査基地１Ｃ及び水文調査方法１０Ｃにしても前記本発明を実施するための第２の形態と同様な作用効果が得られる。
【００４０】
この位置調整手段１６は、浮力体５Ａの底面に固定された補助動力１７と、浮力体５Ａの上面の貫通孔７付近に設けられ、無人航空機２に設けられたケーブル８の角度を検知する角度検知装置１８と、この角度検知装置１８によりケーブル８の傾きが検知された場合に、前記補助動力１７を作動させ、ケーブル８が略垂直になった場合には補助動力１７を停止させる制御装置（図示せず）とで構成されている。
【００４１】
ところで、この制御装置は、本実施形態では角度検知装置１８によって検知したケーブル８の傾きに応じて、補助動力１７の出力の調整も行うことができる。すなわち、ケーブル８の傾きが大きい（浮力体５Ａとケーブル８の成す角が小さい）場合には、補助動力１７の出力を大きくし、ケーブル８の角度が略垂直（浮力体５Ａとケーブル８の成す角が略垂直）に近づくにつれて、補助動力１７の出力も小さくなるように調整して、浮力体５Ａを調査位置に適切に移動させることができる。
【００４２】
このような位置調整手段１６を備えることにより、調査位置の水の流れや風の影響により水文調査基地本体４Ｂが移動してしまっても、適切な調査位置に戻すことができる。
なお、本実施形態においては水文調査装置６としてケーブル８に底質サンプラー６ｃを取り付けている。
【００４３】
図１４及び図１５に示す本発明を実施するための第５の形態において、前記本発明を実施するための第４の形態と主に異なる点は、ソナー１９を備える水文調査基地本体４Ｃを用い、このソナー１９を用いて調査位置まで移動する間の水深も連続的に測定する水文調査工程１２Ｄにした点で、このような構成を用いた水文調査基地１Ｄ及び水文調査方法１０Ｄにしても前記本発明を実施するための第４の形態と同様な作用効果が得られる。
【００４４】
なお、ソナーによる測量結果は、気象条件や水質条件によって誤差が生じるため、調査位置における探深錘６ａの測定値とソナー１９の測定値の誤差を測定することにより、連続的に測定した水深の測定値の補正を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は水文調査を行う産業で利用される。
【符号の説明】
【００４６】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ：無人航空機を用いた水文調査基地、
２：無人航空機、                  ３、３Ａ：牽引手段、
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ：水文調査基地本体、              
５、５Ａ：浮力体、                ６：水文調査装置、
６ａ：探深器具（探深錘）、          ６ｂ：採水器、
６ｃ：底質サンプラー、            ６ｄ：水質測定装置、
７：貫通孔、                      ８：ケーブル、
９：指標、
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ：無人航空機を用いた水文調査方法、
１１、１１Ａ：水文調査基地移動工程、
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ：水文調査工程、
１３：巻取り式変位計、            １４：着底検知装置、
１５：光波測量プリズム又は反射体、１６：位置調整手段、
１７：補助動力、                  １８：角度検知装置、
１９：ソナー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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