自然災害科学 J. JSNDS 38 -1 87 -97（2019 ）自動水文観測を実現するロボット
流速・流量計の研究－中小直線河道における実証試験－
山上 路生1・磯部 駿佑2・重田 明日香1・岡本 隆明1・戸田 圭一1

Study on Autonomous Boat-Type Robot for Automatic
Measurements of Velocity and Discharge in Natural Rivers－ Field Performance Test in Small/Middle
Scale Straight Rivers －Michio SANJOU1, Shunsuke ISOBE2, Asuka SHIGETA1,
Takaaki OKAMOTO1 and Keiichi TODA1
Abstract
The present study focuses on examination about field performance of autonomousboat-type robot. This epoch-making robot system allows to measure automatically velocity
and discharge in small / middle scale natural rivers. A combination of the camera-tracking
system and the Proportional/Integral/Derivative (PID) control could enable the boat-type
robot to remain in position against the mainstream. This results in reasonable evaluation of
the mean velocity by a duty ratio which corresponds to rotation speed of the screw propeller.
We conducted also velocity measurements using electromagnetic velocimetry, and examined
quantitatively measurement accuracy by the present robot technique.
キーワード：自律制御ボート型ロボット，流量流速計測，観測技術，河川水文観測
Key words:

autonomous boat-type robot, discharge/velocity measurements, flow observation technique andhydrological observation in natural rivers

1 ．緒論

が残されている。特に増水時の有人観測は非常に河川の流況観測・流速計測は，災害対策の情報危険である。

としてとても重要であるが，技術的に多くの課題
1

これまで主流の浮子法1）を含めて複数の方法が2

京都大学大学院工学研究科 社会基盤工学専攻
Department of Civil and Earth Resources Engineering,
Kyoto University Graduate School of Engineering

株式会社野村総合研究所
Nomura Research Institute, Ltd

本論文に対する討議は 2019 年 11 月末日まで受け付ける。

87

88

山上・磯部・重田・岡本・戸田：自動水文観測を実現するロボット流速・流量計の研究

提案，開発されてきた。これらは大きく接触型とる自動制御にはじめて成功した。さらに既存の流非接触型に分類できる。接触型は実際に河川内に速計（電磁流速計）による実測も行い，この結果

プロペラ流速計や電磁流速計などの計測機器を投と比較することで観測精度を検証する。

入することで流速を計測し，非接触型は橋梁など

以下， 2 章では本システムの概要と計測原理をの外部施設や河岸などに画像センサー（ビデオカ説明する。 3 章では野外の人工河川で実施した流

メラ）2）や電波および超音波式の計測機器3）を設置

量観測テストより新試作機の流量観測の基本性能することで流速を評価するものである。

を検証する。 4 章では中規模河道におけるリモー

一方で著者らは既存の方法とは異なる，自動航ト流速計測の結果について詳述する。 5 章では本行するボートロボットを用いた流速計測法につい稿の結論に加えて今後の課題についてもまとめて研究を続けている4, 5）。このアイデアは非常にる。

シンプルである。図 1 に運用イメージを示す。ロボットは観測者のいる川岸から目標点まで自律移2 ．流速・流量計測の原理

動し，スクリュー推進力の調整によって静止する。

2. 1

後述するように，静止時に機体が受ける抗力とス

図 2 （a） に本研究で新規開発したボートロボッ

試作機の概要クリューの推進力がバランスするためスクリュートの試作機 SX-370の外観を示す。全長0.3 m 程度，

回転数は対向流速に比例する。先に回転数と流速

重さ 1 kg 程度とコンパクトなサイズである。図

の関係式（校正式）を室内試験で算出していれば，

2 （b） に示す主流方向の推進用モーターと横断方スクリューの回転数から実河川の流速を逆算でき

向のサイドスラスターにより二次元移動を行い，る。本システムはコンパクトで携行性に優れていラダー（舵）によって自律的に姿勢制御する。高ることから，モニタリングカメラや水理観測機器

速側の計測レンジを拡大するために前報5）の旧試が整備されていない中小河川における運用が期待作機で用いたマブチ RE-280モーターではなく，される。

これの 2 倍近い最高回転スピードを有するマブチ

著者らはこれまで，実験水路における性能を検証してきたが，野外フィールドでの適用は限定的であった。
そこで本研究では，このシステムの中小河川における適用性に焦点を当てる。高回転・高トルクモーターを導入した新試作機と PTZ カメラシス
テムの開発が本稿の新規ポイントである。その結果，前報5）の試作機に比べて，計測レンジの拡大（高速流への対応）及びリモート計測の広範囲化が実現できた。特に20 m 幅の中規模河道におけ

図2
図1

ロボットによる自動流速計測のイメージ本研究で開発した試作機 SX-380型（a）：
外観，（b）：底面からみたモーターとラ
ダー配置

89

自然災害科学 J. JSNDS 38 -1（2019 ）RS-380モーターを推進動力として採用した。高出の回転により得られ，機体中央下部のモーター（以力モーターの場合，ピーキーな挙動となりやすい

下，サイドモーター）は主流に垂直方向の移動のため，重心バランスや PID パラメータを再調整際に駆動する。これらを用いて，機体が地上に固するとともに，流線形のフロントフロートをとり定された座標系に対して目標地点で静止するようつけるなど工夫を施した。

に，スクリューの回転数を自動制御する。

位置情報の取得と船体の動作制御にはワンボー

機体が受ける抗力とスクリューの推進力が釣り

ドマイコンの Arduino Uno-R3及びオープンソー

合う時に，機体が地上座標に対して静止する。こス ソ フ ト の Processing を 用 い た。Arduino に プのとき機体と流体の相対速度（対向流速）は，一ログラムを書き込み各種センサー及びモーターと様流の主流方向流速 U と等しくなるので，抗力接続した。さらに XBee の親子機ペアをロボット

D とスクリューの推進 F の関係は次式の通りにと制御用 PC にそれぞれ搭載し無線制御した。

なる。

またロボットの位置特定（ポジショニング）に（2）

は USB カメラによるカラートラッキング法を用いた。USB カメラは市販の遠隔会話用のもの

ここで F0：機体が静止した時のスクリューの推（Logicool 525 オートフォーカス）で制御 PC に

進力，D0：機体が静止した時の流体から受ける抗USB 接続して使用する。カラートラッキングは力，ρ：流体の密度，U：対向流速，S：機体の代撮影画像における指定した色の領域を時系列に表面積，CD：機体の抗力係数である。また，一追跡するものである4, 5）。ここでは赤色の布をロ

般的にスクリューによる推進力 F は次式のよう

ボット上面に取り付けて目印とした。本稿では後に表される9）。

述するように従来の射影変換を用いた固定カメラ（3）

法と，制御の長距離化をはかるため新規開発する
PTZ カメラ法の 2 通りの撮影法を適用した。さこ こ で n： ス ク リ ュ ー 回 転 数，Kt： 推 力 係 数，らに計測点におけるロボットの静止制御には PID

RS：スクリューの直径である。ここで F0と F が法6-8）を用いた。これらの詳細については，既往等しければ，式（ 2 ）と式（ 3 ）より，式（ 4 ）の

文献4, 5）を参考にされたい。

ように対向流速 U は n の一次関数 f(n) となる。
したがってスクリューの回転数 n を求めれば，以2. 2

局所ポイント水面流速の計測原理

下の式にしたがって主流方向流速 U を逆算する

一般的に機体にかかる抗力は機体の代表面積 Sことができる。

に比例し，以下の式（ 1 ）で表される。
(4)（1）
ここで D：抗力，ρ：流体の密度，U：機体と流また，ロボットにはスクリュー後方にラダー（舵）体の相対速度，S：機体の代表面積，CD：機体のとコンパスセンサ等による自動姿勢制御システム

抗力係数である。代表面積 S には，流線に垂直を搭載し，機体長軸方向と流線が一致した状態でな平面への機体の投影面積を用いる。機体後部で相対静止できるように機体の向きをコントロールの剥離渦を考慮すると，抗力の最小化のためにする。

は，機体形状には角を極力少なくした流線形状や以上より本研究で用いる流速計測原理は，ロ

涙目形状が適している。またロボットには機体のボットが地上座標に対し静止するときのモーター後方下部と中央下部にそれぞれスクリューを取りの回転数がその位置での主流方向流速値に比例す

付け，モーター駆動させる（図 2 （b））。推進力はることを利用するものである。本システムを用い

機体後方下部のモーター（以下，推進用モーター）る際には，校正水路において回転数と流速の関係

90

山上・磯部・重田・岡本・戸田：自動水文観測を実現するロボット流速・流量計の研究式を求めておく必要がある。ここでは実際のスクリューの回転数ではなく，モーターへの入力値

方向分布から流量評価ができる。
ここで河床からの高さを y，水深を h，高さ y（デューティ比）が回転数と比例するという仮定

での主流速を u(y) とすると，主流速 u のべき乗の下でモーターへの入力値 IP の関数 g(Ip) を用い則近似で以下のように表せる。

て，
(7)

（5）
とする。なお IP 値は無次元で，1500の時モーター

ここで umax は水面近傍の主流速，つまりロボッ

回転数はゼロとなる。また n と IP には対応関係

トによって計測する流速に対応する。u を鉛直方があることがわかっていることから4）モーター入向に積分すると単位幅流量 q は，

力値 IP は対向流速 U と対応関係をもつと考えられる。本研究ではこの関係式を，流速評価式とし
て用いる。

(8)

関係式を導出する校正試験の手順は次の通りである。主流方向流速が既知の室内の実験水路でロボットを水路センターライン上の目標点まで自動と表せる。ここで水深 h の区間で積分すると航行させ，そこで静止するように自動制御する。
この時のモーターへの入力値 IP と流速 U と記録する。以上の作業を，流速 U を変化させて繰り返し行い，モーターへの入力値 IP と流速 U を軸(9)にとりグラフを作成すると両者の関係を表す校正式 U＝g(Ip) が得られる。以降の室内水路および実河川での試験については，校正式とモーターへとなる。

の入力値を用いて流速を逆算評価することが可能

等流開水路流れにおいては m＝ 7 がよく用いとなる。本試作機については，京都大学乱流水理られる。そこで m＝ 7 を採用すると式（ 9 ）は次

実験室の1.5 m 幅水路で，流速を28.0〜80.0 cm/s式のように表すことができる。

に系統変化させて次式の校正式を得た。なお校正に用いる電磁流速計の精度より，以後，流速値(10)（cm/s）は有効桁数 3 桁で記述する。
（6）

したがって水深平均流速 umean は（11）

決定係数は0.85となり，IP 値と流速はおおむね比例する。試作機の形状デザインやモーター出力にと表される。次式に式（11）を代入すれば河道全依存するが，実河川での流速計測ではこの校正式

幅の Q が計算できる。

を用いて，IP 値から対向流速を逆算する。
(12)

3 ．野外フィールドにおける流量観測の
精度検証
3. 1

水面流速分布データを用いた流量評価

ここで k は分割区間番号であり，zk は番号 k の分
割区間の断面積である。

河道全域でロボットによる計測を行うことがで

以上より流量の推定には，河床形状の分割およ

きれば，計測によって得られた流速と水深の横断

び分割区間内での主流速の平均化が必要である。

91

自然災害科学 J. JSNDS 38 -1（2019 ）

計測断面の流速計測点と水深計測点の数によってにて計測データを得た。各点40秒間計測したデー

分割区間の数を決定する。区間ごとに断面を長方

タの時間平均値を実流速値とした。

形近似し，単位幅流量に分割区間幅を乗じること
で断面ごとに流量を算出し，全ての分割区間流量の和をとることで河道全幅の流量を算出すること
ができる。

3. 3

計測結果の検証

図 4 に点③において電磁流速計で実測した流速分布と式（ 7 ）で m＝ 7 を適用した場合の曲線を示す。実測値とべき乗則の決定係数は0.86となり，

3. 2

観測サイトと実施条件

m＝ 7 で良好なフィッティングが得られた。した

本節では，上述した流量評価の精度を検証すがって，べき乗則を通じて，ロボットで計測したる。野外試験は自然共生研究センターの実験用人

表面流速から水深平均流速を算定する。この水深工河川において行った。C 河川とよばれる人工河平均流速を分割区間の代表流速として分割区間の川の直線部を観測対象とした。観測当日（2017年

面積を乗じることで分割区間流量を算出する。図11月23日）の水温は14.0 ℃であり，流速30.0 cm/s，

5 は分割断面と長尺で実測した河床高のデータで水深30 cm 程度と比較的穏やかな条件であった。

ある。この分割区間流量の総和を全幅流量とした。

USB カメラは右岸に設置した。図 3 に自然共生

分割区間断面積は各断面を台形近似することで求研究センター実験河川の写真を示す。計測サイト
における川幅は320 cm であり，本システムによって，植生が繁茂する側岸近接部を除く全幅域をカバーできた。点①から点⑤の計測点を図中では丸で示している。この 5 点では比較検証のために電磁流速計による計測も行った。水路に脚立を入れて，プローブを水深方向に移動できるようにした。
流速の横断分布を積算して流量の真値を求めるた
め，各点について，水深方向にトラバースして水面近傍，半水深，河床近傍の 3 点を計測した。さらに河川中央部の 1 点（点③）については水深方向の流速分布を考察するために，水深方向の 9 点

図3

流量計測テストを実施した自然共生研究センターの実験河川（①〜⑤は流量算出に用いた流速計測点）

図4

電磁流速計で実測したセンターライン（図3 の③）における主流速の水深方向分布

図5分割断面と河床形状（数値は局所水深，
単位 cm），計測点番号は図 3 に対応

92

山上・磯部・重田・岡本・戸田：自動水文観測を実現するロボット流速・流量計の研究

表1
計測点

各断面積
（cm2）

分割横断面の情報と計測結果（自然共生研究センター）

水深平均流速（電磁流速計）（cm/s）

水深平均流速（ロボット）（cm/s）

各断面の流量（電磁流速計）（L/s）

各断面の流量（ロボット）（L/s）①

1160.27

21.96

27.40

25.48

31.79

②

2375.31

31.33

28.09

74.42

66.72

③

2572.51

31.33

35.31

80.6

90.83

④

2595.41

26.8

29.08

69.56

75.46

⑤

1092.54

14.18

25.79

15.49

電磁流速計によって算出された総流量（L/s）

28.17
265.55ロボットによって算出された総流量（L/s）

10.33

誤差（％）

292.97めた。今回は分割区間の数を 5 とした。表 1 に分

4 ．中規模河川域における流速計測

割断面積，各区間に含まれる計測点①〜⑤におけ4. 1

るロボット，電磁流速計それぞれによって得られ

4. 1. 1射影変換法（固定カメラ）による位置制御
観測サイトと実施条件

た水深平均流速値，流量値を示す。本ロボットで中規模スケールの河川域である桂川の観測サイ算出された全区間の総流量は290 L/s となった。

トにおける適用を検証する。図 6 に桂川の松尾橋

また電磁流速計を用いて算出した流量は270 L/s

上流側の計測ポイントの航空写真を示す。中州にであり，誤差は7.4％となった。

よって分断された片側の礫床河道である。川幅は

この誤差は主として，ロボットで計測した流速20 m 程度である。観測時において水深は0.3 m 程

値が電磁流速計によるものよりも全体的に大きく度で流れは穏やかであった。また下流の桂観測所なったことによる。これは自然共生研究センターの水位より類推される本川流量はおよそ11 m3/sの実験用人工河川において20分以上連続計測をであった。時折体感で 1 m/s 程度の北風が吹いた。

行ったことで電池が大きく消費され，推進用モー

本システムの特性上，計測範囲はカメラの撮影

ターにかかる電圧が低下したことが原因であると領域に限定される。そこで今回は，図 6 に示すよ考えられる。推進用モーターへの供給電圧が小さ

うに右岸側の川幅の半分を計測エリア（川幅方向

くなると，推進用モーターの回転やトルク性能が5 m ×流下方向 6 m の点線領域）とした。右岸に低下する。その結果，PID 制御によってモーター

USB カメラを設置して，射影変換法を用いてロへの入力値は適性電圧であるときのそれよりも大ボット位置を検知した。また電磁流速計による表

きく計算されてしまう。一定時間以上の計測によ

面流の流速計測を行い，横断方向に 5 点トラバー

り電池の電圧が低下すると計測に誤差が生じるこ

スした。この際，観測者が流水中に入って計測すとが今回のテストより推察される。

るため，足元の安全性を考慮して計測点を選定し電圧変化への今後の対応策として，スクリュー

た。したがって計測グリッドは不等間隔である。

軸の回転速度をエンコーダ等で直接検知すること

各点40秒間の連続計測を行い，その時間平均値をが有効と考える。校正試験でも供給電圧に対応す

実流速とした。

る IP 値でなく，スクリュー回転速度と対向流速の関係を求めておけば，電源変動に関わらず正確な対向流速の算定が期待できる。

4. 1. 2

結果と考察

右岸側でのロボットの軌跡を図 7 に示す。図中の丸数字は目標点番号であり，色付き部分は各目標点近傍で静止しているときのロボットの軌跡である。スタート地点から上流側の点①まで進み静止する。流速計測に必要な推進力（IP 値）をサン

93

自然災害科学 J. JSNDS 38 -1（2019 ）図6

桂川の計測エリア（google map より作成）
図8

図7

桂川テストにおけるロボットと電磁流速計による主流速の横断方向分布の比較

桂川テストにおけるロボットの軌跡（グラフ枠は図 6 の点線枠に対応）

プリングして，次の点に移動する。①から④まで
は岸辺から流心方向へ移動し④から⑦までは折り

図9

PTZ カメラシステムの外観

返して岸辺方向へ戻るような航路を設定した。本合，カメラ撮影範囲からロボットが外れてしまうロボットは観測者の指示通りに自律航行できた。

と，制御不能に陥る問題点がある。そのため計測

図 8 に，ロボットと電磁流速計による主流速の領域が撮影範囲に依存し，数十 m オーダーの計

横断方向分布を比較する。ロボットで計測した流測領域には対応できない。また洪水時の迅速な速の方が概ね大きくなっているが，横断方向に対

データ取得を想定した際には，時間的ロスや安して同様の傾向があることがわかる。流向が河道全性の問題が残る。そこで計測可能域を大幅にに対して必ずしも平行でない可能性があり，これ大きくする PTZ 技術の導入を検討する。PTZ とが誤差の一つの原因かもしれない。また局所的なは Pan，Tilt，Zoom の略であり，USB カメラを乱流の影響や風の影響も無視できない。今後これ

2 軸のサーボモーターで，横振りおよび縦振りのらの対策が必要である。

角度を変化させるものである。本研究で自作した
PTZ カメラシステムを図 9 に示す。

4. 2 PTZ 技術を用いた制御領域の広範囲化の検討
4. 2. 1

計測結果の検証

前節までの自動計測に用いた射影変換法の場

この PTZ システムを用いて得られたロボット
位置の主流方向の座標 xi，横断方向の座標 zi は水面からカメラのレンズまでの距離 H と Pan の動
作角度 βi，Tilt の動作角度 αi によって以下の式で

94

山上・磯部・重田・岡本・戸田：自動水文観測を実現するロボット流速・流量計の研究動作を担当する。これらの動作制御も Arduino で実距離として求めることができる。
（13）
（14）
（15）

行った。この PTZ 用 Arduino は制御用 PC と有線でシリアル通信を行った。カラートラッキングによって得られた画像内の位置と画面中央座標を用いた PID 制御を行い，適切な Pan および Tiltの角度を算出し，サーボモーターをリアルタイム
で駆動制御した。

ここで添え字 i は時間ステップ数，Ri はカメラ直PTZ カメラを用いる最大の利点としては，撮下における水面の高さの点を原点 O としたとき

影範囲からロボットが出てしまうことがなく，射のステップ i における原点 O とロボット位置（xi,

影変換法に比べて広範囲での計測ができる点にあzi）との距離である。Tilt 角および Pan 角と Ri のる。これは従来の射影変換法を含む方法では実現

位置関係を図10および図11に示す。

が難しく，この計測システムの大きな課題となっこの距離算出を正確に行うためには，常にロていた。理論的には横断方向全域を計測範囲にでボットを画面中央に位置するよう，カメラの Pan

きるが，現実的には Tilt の動作角度 αi が大きく

および Tilt をスムーズに制御する必要がある。本なると，単位角度当たりのカメラからロボットまユニットにはサーボモーター（HiTEC 社製 HS-

での水平距離 Ri の増加量が大きくなる。例とし311）を 2 つ使用し，それぞれが Pan および Tiltて，H＝200 cm の条件下では，Tilt 角 αi と Ri の関係は図12のようになる。仮に Ri＝30 m とすれば，次の時刻ステップ i＋ 1 において Tilt 角がわ
ずか0.1度（本システムにおける最小制御角度）大きくなるだけで Ri ＋1は40 m を超えてしまう。これでは cm オーダーでの制御は困難である。一方
で，Ri＝15 m では，0.1度の Tilt 角変化で Ri の変化は約 2 cm となる。したがって直線距離で15 m程度までであれば cm オーダー程度の空間解像度
でロボット制御を行えることが期待できる。これ
図10

Pan 角とロボットまでの距離の関係（水平面図，x 軸は主流方向，y 軸は横断方向）

以上の長距離制御を目指す場合，理論的にはカメラユニットの高さ H の増加で対応できるが，被写体のロボットの大きさが過小となり，トラッキ

図11

Tilt 角とロボットまでの距離関係（鉛直
面図，横軸はカメラからロボットへの方
向）図12

Tilt 角によるロボットまでの距離の増加
特性（H＝200 cm とした場合の例）

95

自然災害科学 J. JSNDS 38 -1（2019 ）ング精度が低下する。ただし今回登載していないができても，画像がぼやけてしまい正確なトラッ

ズーム機能を用いればトラッキングの問題は解決

キングを行うことは困難である。PTZ 法ではこできる。また橋梁などにカメラを設置する場合，の問題に対応できる。

比較的簡単に大きな H を設定できるため，長距

図13に対岸から撮影したロボットを示す。ここ

離位置における自動計測にとって有利となる。

では20 m 程度の自動計測をカバーするため水面からカメラまでの高さは H＝ 4 m とした。図14

4. 2. 2PTZ システムの性能検証

は PTZ カメラを用いた際の制御用 PC の画面でPTZ カメラシステムの実河川での適用を確認ある。ロボットが画面の中心に位置する様に 2するために，4.1節と同じ桂川の観測サイトにおつのサーボモーターを PID 制御する。なおテス

いて動作検証を行った。河川流量や風のコンディ

ト当日は流速が，前節までに用いた SX-380の最ションは4.1節の計測時とほぼ同じであった。射

大推進速度より大きいため，モーターをマブチ

影変換法を用いた4.1節の計測ポイントの川幅は

RS540に換装した試作機 SL-540型を用いた。

15〜20 m 程度であり，固定カメラの射影変換法

図15にこのときのロボットの軌跡を示す。主流

では この河道を単一画面内に収めることができ

方向座標値は下流側を正，上流側を負としている。

ないか，あるいは河道全体を画面内に収めること

対岸の陸域に軌跡が生じているのはカラートラッ
キングが不安定化した時のものであり，一時的なエラー値である。目標点から外れることもあったが，これは流れ方向の非一様性や風の影響が考えられる。流向が非一様な流れ場においてコンパス
方式の姿勢制御は安定性が悪く，また風もヨー角制御の大きな阻害要因であり，これによってヨー角が安定しないことで大きく流されてしまったものと考えられる。これらが目標点からのずれの要因と考えられ，今後の検討課題としたい。
しかし，図中の目標点よりも 1 m 程度カメラから遠い位置で概ね静止することがわかった。この領域を静止領域として，図15において青色の点

図13

PTZ システムによる自動流速計測中のロボット（桂川観測サイト）

をプロットした。この静止領域における IP 値の平均をとると1685となり，校正式からこの領域での平均主流速は90.5 cm/s となった。電磁流速計

図14

PTZ システム使用時の制御 PC 画面（USB
カメラのライブ画像）

図15

PTZ システム使用時のボートロボットの軌跡（主流方向は左から右）

96

山上・磯部・重田・岡本・戸田：自動水文観測を実現するロボット流速・流量計の研究を用いてこの領域内の中心付近の点を40秒間連続能となる。ただしその精度は水流の濁度や底面形

計測し，その時間平均をとると，時間平均値は状に大きく依存するため，投下型の水圧センサー

93.0 cm/s であった。したがって，ロボットで計も含めて改良開発を進めたい。

測した流速と電磁流速計で計測した流速を比較す

また一般に流量増加とともに水面変動も大きくると，誤差は2.7％であった。前報 での野外フィーなる。その際には平面 2 次元制御の浮体システム

ルドでのテスト環境は，4.5 m 幅の小河川で30では対応が困難である。次のステージとして波のcm/s 程度の低流速場であった。一方で本研究で影響を避けるべく潜水型への移行開発を検討しては，20 m 幅における 1 m/s 前後の流速場でのリ

いる。

5）

モート制御に成功した。
静止領域はおよそカメラから水平距離で約10

謝辞

m 付近であり，従来の射影変換法ではカバーす

本研究は近畿地方整備局淀川河川事務所およびることのできなかった領域における流速計測を行土木研究所自然共生研究センターの協力の下で実えた。位置情報取得に関して実用レベルまで改善施した。ここに謝意を表する。

されたといえる。ロボットの高速化とあわせて，
低水時の中小河川における自動計測が可能となった。この点は前報からの大きな前進である。

5 ．おわりに本研究で開発した自律制御ボートロボットを用いて実河川の流量算出をある程度の精度で実施可
能であることが確認できた。特に PTZ 技術の導入によって，20 m 程度幅の中小河道における自動リモート制御を実証できた。
しかし，暴雨や風波などが発達する悪天候下における正確な計測を行うためには，今後とも継続して課題を一つずつクリアする必要がある。
今回の制御試験においては流向を目視確認してから，ロボットが流向と平行になるようにマニュ
アル的にロボットを配置し，計測を開始している。一方実河川において流向は一様であるとは限らず，流向が複雑な流れ場ではロボットは流れの向きに平行に静止しない場合や静止しても平行な場合とは異なる IP 値で流速を評価してしまうことも考えられる。さらに流向と平行な状態を維持できなければロボットの静止安定性は大きく損なわれる。より安定した挙動で正確な計測を行うた
めには，流向を自動検知し姿勢制御できるシステ
ムの開発が今後求められる。
本稿の試作機では水深センサーを搭載していな
いが，前報で報告したレーザー距離計や超音波センサーを用いることで流速と水深の同時計測が可

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御ボート型ロボットの開発と河川流速計測の試
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5 ）Sanjou, M. and Nagasaka, T.: Developmentof autonomous boat-type robot for automatedvelocity measurement in straight natural river,
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6 ）P o m e r n a c k i , C . L . : M i c r o c o m p u t e r -b a s e dcontroller for temperature programming thedirect inlet probe of a high-resolution mass
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7 ）Astrom, K.J., & Hagglund, T.H.: The future of
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8 ）W a n g , X . , & W a n g , H . : D e s i g n a n d

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自然災害科学 J. JSNDS 38 -1（2019 ）（投 稿 受 理：平成30年 6 月29日
訂正稿受理：平成30年11月 8 日）

implementation of intelligent PID control systemof high-efficiency comber, Procedia Engineering,24, 355-359, 2011.
9 ）東昭：航空工学（II），裳華房，1989．

要旨

本論文では自律制御ボート型ロボットの実河川における性能特性を検証する。本システムではボートロボットの位置をカメラの自動追跡装置でリアルタイムに検知し，PID 制御によってロボットを流水中で自律的に静止させる。静止に必要な推進力より対向流速を評価する点が本システムの特長である。ここでは中小河川における野外テストを実施して，電磁流速計の計測値を用いて，ロボットによる自動流速計測法の精度検証を定量的に行う。