JP6224061B2 - 水位測定システムおよび水位制御システム、並びに、これらを用いた水位測定方法および水位制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の回転翼を備える無人航空機を用いた水位測定システムおよび水位制御システム、並びに、これらを用いた水位測定方法および水位制御方法に関する。

河川、用水路、水田、または貯水池などにおける水位の計測は、多くの場合、目盛りが付された量水標（量水板ともいう）を付近から視認可能な場所に設置し、その目盛りが示す水面の位置を人が目視で読み取ることにより行われている。その他、いわゆるフロート式、超音波式、または圧力式の水位計を用いた計測も一般に行われている。これらの水位計は通常、計測対象となる水域の水辺付近に設置され、現場において作業員がこれら水位計が示す値を読み取ることで水位を確認している。

また、従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機（ＵＡＶ）は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操縦に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、加速度センサや角速度センサなどの機体部品の高性能化および低価格化が進み、また、機体の制御操作の多くが自動化されたことによりその操作性が飛躍的に向上した。こうした背景から現在、特に小型のマルチコプターについては、趣味目的だけでなく、広範な分野における種々のミッションへの応用が試行されている。

特開平８−１４５７６５号公報 特開２０１４−２２８４００号公報

上述の水位測定方法のように、作業員が現場に出向いて赴いて水位を確認する方法では、現場への移動に工数を要するとともに、増水時には作業員に危険が及ぶおそれもある。さらに、水位を確認する目的が単に水位の異常監視である場合、その確認作業のほとんどはその後の具体的なアクションにはつながらず、費用対効果が高いとはいえない。

水位の監視を自動化する試みとしては、例えば量水標の付近にその量水標を撮影する固定カメラを設置し、かかるカメラが撮影した画像を解析することで量水標が示す水位を読み取る方法がある。しかし撮影画像から水位を読み取る場合、量水標の全長のうち、水面上に露出した部分と水中を透過して見えている水面下の部分、または、水面上に露出した部分と水面に映ったその写像部分との区別がつきにくいという課題がある。

上記特許文献１には、水面に垂直に設置された量水標（量水板３）と、量水標の真横に並べて斜めに設置された補助板（サブ量水板８）とを組み合わせることにより、量水標の水面上の部分と水面下の部分、および、量水標の水面上の部分と水面に映ったその写像部分とを判別する方法が開示されている。特許文献１の方法では、波浪などにより水面が揺らぐ環境下では、水面に映った量水標の写像が乱れるという特徴を利用して、量水標の画像を複数回撮影し、各画像を比較してその変動部を写像部分と認識する。また、水面が静止した環境においては、斜めに設置された補助板の屈折位置を基準として、それより下の部分を水中に潜った部分であると認識する。

特許文献１の方法を用いることにより、水位の監視を自動化し、例えば水位に異常が検出されたときにのみ作業員に報知する仕組みを構築することも可能と考えられる。しかし、特許文献１の方法を用いる場合、量水標の数だけカメラを用意する必要がある。また、カメラの設置場所には、水位標との間に障害物がなく、また、人や鳥獣の往来の影響を受けない場所を選ぶ必要がある。さらに、カメラの設置に適した場所が他者の所有地である場合、カメラの設置が困難となるおそれがある。さらに、設置したカメラの清掃や消耗品の交換など、定期的なメンテナンスも必要であり、その際には作業員が現場に出向く必要がある。

上述の固定カメラによる撮影の課題に対しては、複数の回転翼を備えた無人航空機にカメラを搭載し、かかる無人航空機で量水標を撮影することが有効であると考えられる。しかし、橋脚や港湾の壁面などに設置された既設の量水標は、鉛直上方からは認識することができず、また、かかる量水標を斜め上空から撮影する場合、対象ごとにその撮影方位や撮影角度を調節する必要があり、作業が煩雑となる。また、この場合、無人飛行機に比較的低空を飛行させる必要があるため、地上の構造物や通行人との衝突の危険性も高くなる。

上記特許文献２には、レーダー観測装置を備えた航空機や人工衛星などを用いて、レーダーで得られた観測値から河川の水面の高さおよび橋梁の高さを算出して、河川の水位を測定する方法が開示されている。かかる方法は上空から水位を計測するものであるが、可視画像ではなくレーダーの観測値を利用しており、また、水面で散乱する電磁波を基準としていることから、上述の無人航空機に搭載されたカメラによる量水標の撮影とは技術的思想が本質的に異なっている。

尚、上記いずれの特許文献においても、水位の測定の結果を水位の調節に連動させる技術については何ら言及されていない。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、作業員が現場に出向くことなく無人航空機を用いて遠隔から水位の計測が可能な水位測定システム、および、その測定結果を受けて遠隔から水位を調節可能な水位制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の水位測定システムは、水面から上方に向かって所定の傾斜角度で延出するように設置される測量部を有する水位計と、前記測量部を上空から撮影する撮影手段および複数の回転翼を有する無人航空機と、を備えることを特徴とする。

水位計の測量部を水面から斜め上方に延出させることにより、鉛直上方からでも測量部を視認することができる。つまり、複数の回転翼を有する無人航空機を使って上空から撮影した測量部の画像から水位を読み取ることができるようになる。これにより、人が現場の環境に応じて測量部を撮影する位置や方向を調節する必要や、無人航空機の操縦に高度な操縦技術を用いる必要がなくなり、測量部の撮影作業の自動化を容易かつ高い精度で実現することが可能となる。

また、前記測量部の表面の色は、水に濡れることによりまたは表面温度に応じて、可逆的に変化することが好ましい。

測量部の全長のうち、水面よりも上に延出した部分と水中の部分とが異なる色で表示されることにより、例えば透明度が極めて高く水面が静止した環境においても、測量部が示す水面の位置を容易に判別することが可能となり、特に、その水位の読み取りを自動化する場合には、上記特許文献１のような複雑な画像解析を行うことなく水面の位置を判別することが可能となる。

また、前記無人航空機はさらに、前記複数の回転翼による自律飛行を制御する制御部と、前記測量部の設置位置が記憶された記憶部と、自機の飛行位置を測定する飛行位置測定手段と、を有することが好ましい。

無人航空機が測量部の設置場所に自動的に移動して測量部の撮影を行うことにより、作業員が無人飛行機を操縦する手間を省くことができる。また、当然、撮影を終えた無人航空機は発着場に戻ってくるように設定されることから、無人航空機の機体や撮影手段のメンテナンスも、作業員が現場に出向くことなく発着場で行うことができる。

また、前記無人航空機は、前記記憶部に記憶された前記測量部の設置位置へと自律飛行し、該測量部の鉛直上方で滞空しつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影することが好ましい。

測量部の鉛直上方から真下の測量部を撮影することにより、水面に測量部の写像が映り込むことを防ぐことができる。これにより、測量部が示す水面位置の判別が容易になり、特に、その水位の読み取りを自動化する場合には、上記特許文献１のような複雑な画像解析を行うことなく水面の位置を判別することが可能となる。

また、前記水位計には、上方から視認可能な位置に、該水位計の個体識別情報を示す一次元または二次元の情報コードが表示されており、前記無人航空機は、前記撮影手段で撮影した前記情報コードの画像から前記個体識別情報を読み取るデコード手段を有している構成としてもよい。

各水位計にその個体識別情報を示す情報コードが表示されていることにより、例えば棚田や小規模な農業用水路など、比較的狭い範囲内に複数の水位計が設置されている場合でも、水位計およびその水域を正確に特定することが可能となる。

また、前記無人航空機の前記撮影手段により撮影された前記測量部の画像を解析し、その撮影時における水位を判定する水位判定部をさらに備えることが好ましい。

測量部の撮影画像から作業員が目視で水位を読み取る場合、作業員は全ての撮影画像に目を通さなければならないため、作業が非効率となる。測量部の撮影画像から自動的に水位を読み取る水位判定部を備えることにより、水位に異常がある場合や、作業員の何らかのアクションが必要になったときにのみその旨を報知することが可能となる。

上記課題を解決するため、本発明の水位制御システムは、前記無人航空機が前記水位判定部を備える上記水位測定システムと、前記水位計が設置された水域の水量を調節可能な水位調節設備と、を備え、前記無人航空機は、前記水位調節設備を無線通信により遠隔操作する水位制御手段を有していることを特徴とする。

無人航空機が水位判定部を備え、また、水位調節設備を無人航空機から遠隔操作可能とすることで、無人航空機は、水位の測定と水位の調節とを、必要に応じて連続的に、または同時に行うことが可能となる。これにより、無人飛行機により単に水位を計測するのみでなく、水位を然るべき値に自動的に制御することが可能となる。

また、前記水位調節設備は、前記水位制御手段による遠隔操作が開始されてから、その操作の終了を示す信号を受信する前に、前記水位制御手段からの信号が所定の時間以上途絶えたときには、予め定められた動作状態に自動的に移行するフェールセーフ手段を有することが好ましい。

水位調節設備がフェールセーフ手段を有し、無人航空機による水位調節設備の操作中に無人航空機に何らかの障害が発生したときには、例えば水位をその状態で維持するなどの緊急措置を自動的に実行することにより、不測の事態における被害の拡大を抑えることが可能となる。

また、本発明の水位制御システムは、自律飛行が可能な無人航空機を備える上記水位測定システムと、前記水位計が設置された水域の水量を調節可能な水位調節設備と、前記無人航空機および前記水位調節設備と通信可能に接続された指令部と、を備え、前記無人航空機と前記指令部とは移動体通信網により接続されており、前記指令部は、前記無人航空機から受信した情報を表示する表示手段と、前記水位調節設備を遠隔操作する水位制御手段と、を有する構成としてもよい。

全国に広く敷設されている移動体通信網を介して、指令部と無人航空機とを接続することにより、指令部は通信距離による制約を実質的に受けることなく、無人航空機から測量部の撮影画像や水位判定部の出力値などの情報を受信することができる。これにより遠方の水域の水位測定と水位の調節とを現地に出向くことなく指令部から行うことが可能となる。

上記課題を解決するため、本発明の上記水位測定システムを用いた水位測定方法は、前記無人航空機を発着場から前記水位計の設置位置に向かって飛行させる往路工程と、前記無人航空機を、前記測量部の鉛直上方で滞空させつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影させる撮影工程と、前記無人航空機を前記発着場に帰巣させる復路工程と、を有することを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明の上記水位制御システムを用いた水位制御方法は、前記無人航空機が、発着場から前記記憶部に記憶された前記測量部の設置位置に向かって自律飛行する往路工程と、前記無人航空機が、前記測量部の鉛直上方で滞空しつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影する撮影工程と、前記撮影工程の結果に基づいて、前記水位制御手段により前記水位調節設備を遠隔操作する水位調節工程と、前記無人航空機が、自律飛行により前記発着場に帰巣する復路工程と、を有することを特徴とする。

以上のように、本発明にかかる水位測定システムによれば、作業員が現場に出向くことなく遠隔から水位を計測することが可能となり、また、本発明にかかる水中探査システムによれば、上記水位測定システムの測定結果を受けて、遠隔から水位を調節することが可能となる。

第１実施形態にかかる水位測定システムにより貯水設備の水位を測定する様子を示す模式図である。 水位計の構造、および本発明の水位計に適用可能な他の形態を示す模式図である。 第１実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 第２実施形態にかかる水位制御システムにより貯水設備の水量を調節する様子を示す模式図である。 第２実施形態にかかる水位制御システムの機能構成を示すブロック図である。 第３実施形態にかかる水位制御システムにより貯水設備の水量を調節する様子を示す模式図である。 第３実施形態にかかる水位制御システムの機能構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の実施形態にかかる水位測定システムおよび水位制御システム、並びに、水位測定方法および水位制御方法は、屋外に設置された貯水設備Ｗの水位の測定、およびその水位の制御を行う例である。本発明を利用可能な水域はこれには限られず、例えば河川、用水路、湖沼、水田、港湾などでも用いることができる。その他にも水（液体）が溜められた空間であれば屋内外を問わず利用可能である。

＜第１実施形態＞
［全体構成］
図１は、第１実施形態にかかる水位測定システムＳ１により貯水設備Ｗの水位を測定する様子を示す模式図である。水位測定システムＳ１は、主に、貯水設備Ｗの中に設置された水位計２００と、水位計２００を上空からカメラ１６０（撮影手段）で撮影するマルチコプターＭ１（複数の回転翼を備えた無人航空機）とにより構成されている。水位計２００の外面は、水位を示す目盛りが表示された測量部２１０とされており、測量部２１０は水面から上方に向かって外径が小さくなる円錐面とされている。

水位測定システムＳ１では、水位計２００の測量部２１０が水面から斜め上方に延出していることから、鉛直上方からでも測量部２１０を視認することができる。これにより、マルチコプターＭ１を使って水位計２００の真上から真下に向かって撮影した画像からでも測量部２１０が示す水位を読み取ることができる。水位計２００が上空からの撮影に最適化されていることにより、水位測定システムＳ１を用いた水位の測定では、測定対象の水域の環境条件に合わせて作業員が撮影方法を検討する必要がなく、また、マルチコプターＭ１の操縦に高度な操縦技術を用いる必要もない。

［水位計の構成］
図２は水位計２００の構造、および本発明の水位計として採用可能な他の形態を示す模式図である。本実施形態の水位計２００には、図２（ｂ）に示す円錐形状のものが用いられている。水位計の形態は円錐形状には限られず、水面から上方に向かって所定の傾斜角度で延出する測量部を備えていることを条件として他の形状を採用することもできる。例えば図２（ａ）には、水底に垂直に立設された支柱２２０ｂと、支柱２２０ｂの上端から水底に向かって斜めに設置された測量部２１０ｂとを有する水位計２００ｂが示されている。また、図２（ｃ）には、水底に垂直に立設された支柱２２０ｃと、支柱２２０ｃの上端に連結され、そこから同一の傾斜角度で水底に固定された複数のワイヤ状の測量部２２０ｃとを有する水位計２００ｃが示されている。これらは、測定対象の水域の広さや水深、撮影時における周囲の明るさ、水位計を撮影するカメラの性能、およびその撮影距離や角度、カメラの姿勢安定化装置（いわゆるジンバル）の有無、その他の条件に応じて適宜好適な形態のものを選択することができる。

また、本実施形態における水位計２００の上端部分には、図２（ｅ）に示すように、上方から視認可能な位置に二次元の情報コード２３０が表示されている。情報コード２３０は水位計２００の個体識別情報をその内容としており、後述するデコーダＤＥＣ（デコード手段）で復号することにより水位計２００の個体を一意に特定することができる。尚、本発明における情報コードは二次元の表示形態のものには限定されず、例えばバーコードなどの一次元のコードを採用することもできる。尚、水位計２００ｂ，２００ｃを用いる場合には、図２（ｄ）に示すように、その支柱２２０ｂ，２２０ｃの上面に情報コード２３０を配置するのがよい。本実施形態では、水位計２００にその個体識別情報を示す情報コード２３０が表示されていることにより、例えば棚田や小規模な農業用水路など、比較的狭い範囲内に複数の水位計２００が設置される環境でも、水位計２００の個体およびその水域を正確に特定することが可能とされている。

本実施形態における水位計２００は、その測量部２１０に目盛りが表示されているため、その目盛りを基準として水位を読み取ればよいが、測量部の目盛りは必須の構成ではない。例えば図２（ａ）に示すように、支柱２２０ｂの全長のうち水面よりも上の部分の長さをｈ、測量部２１０ｂの傾斜角度をθ、鉛直上方から計測可能な測量部２１０ｂの水平方向の長さをｘとした場合、ｈをｘ／tanθで求めることができる。予め支柱２２０ｂの全長が把握されていれば、このようにして水位を求めることも可能である。

その他、測量部２１０の表面の色を、水面よりも上の部分と水面下の部分とで変化させる構成としてもよい。各部分を色で識別可能とすることにより、例えば透明度が極めて高く水面が静止した水域においても、測量部２１０が示す水面の位置を視覚的に認識することができる。特に、測量部２１０の撮影画像からの水位の読み取りを自動化する場合には、上記特許文献１のような複雑な画像解析を行うことなく水面の位置を判別することが可能となる。各部分の色を変化させる方法としては、例えば水に濡れている間は異なる色になる塗料や、温度変化により色が変わる塗料を測量部２１０の表面に塗布することが考えられる。水濡れにより色を変化させる塗料としては、例えば特開２００７−０３７８１４に開示されているように、吸湿によって変色する物質（例えば、塩化コバルト）を顔料として含む塗料を用いることが考えられる。その他、水分を含むことにより光の乱反射が抑止されて色が濃く見える構造や素材を利用してもよい。測量部２１０の表面温度によって色を変化させる塗料としては、例えば特開昭６３−０８９７５７に開示されているような可逆性示温材料を用いることが考えられる。

［マルチコプターの構成］
図３は本実施形態にかかるマルチコプターＭ１の機能構成を示すブロック図である。マルチコプターＭ１は、フライトコントローラＦＣ１（制御部）、複数のローターＲ（回転翼）、ローターＲごとに配置されたＥＳＣ１５３（Electric Speed Controller）、操縦者の操縦端末１７１（指令部Ｃ１）と無線通信を行う無線送受信器１７２、および電力供給源であるバッテリー１８０が筐体１９０に配設されることにより構成されている。

各ローターＲは、ＤＣモータであるモータ１５１、および、その出力軸に取り付けられたブレード１５２により構成されている。ＥＳＣ１５３はローターＲのモータ１５１に接続されており、フライトコントローラＦＣ１から指示された速度でモータ１５１を回転させる装置である。尚、本実施形態におけるマルチコプターＭ１は、４基のローターＲが搭載されたクアッドコプターであるが、ローターＲの数は４基には限定されず、求められる飛行安定性や許容されるコストに応じて、ローターＲが２基のヘリコプターから８基のオクトコプター、さらにそれ以上のローター数を備えるマルチコプターまで適宜変更可能である。

フライトコントローラＦＣ１は、マイクロコントローラである制御装置ＭＣ１を備えている。制御装置ＭＣ１は、中央処理装置であるＣＰＵ１１１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリＳＴ１、および、ＥＳＣ１５３を介して各モータ１５１の回転数および回転速度を制御するＰＷＭコントローラ１１３を備えている。

フライトコントローラＦＣ１はさらに、飛行制御センサ群１３０およびＧＰＳ受信器１４０（以下、「センサ等」（飛行位置測定手段）ともいう。）を備えており、これらは制御装置ＭＣ１に接続されている。本実施形態におけるマルチコプターＭ１の飛行制御センサ群１３０には、加速度センサ、角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）が含まれている。制御装置ＭＣ１は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。尚、本実施形態におけるマルチコプターＭ１は、その飛行高度を気圧センサにより取得することを想定しているが、気圧センサ以外にも、例えば赤外線、超音波、またはレーザーなど種々の方式を用いた測距センサを地表または水面に向けることで高度を取得することも可能である。

制御装置ＭＣ１のメモリＳＴ１には、マルチコプターＭ１の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する飛行制御アルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、操縦者（操縦端末１７１）の指示に従い、センサ等から取得した現在位置を基に各ローターＲの回転数および回転速度を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプターＭ１を飛行させる。マルチコプターＭ１の操縦は、操縦者が操縦端末１７１を用いて手動で行ってもよく、または、緯度経度、高度、飛行ルートなどのパラメータを飛行制御プログラムＦＣＰに予め登録しておき、目的地へ自律的に飛行させてもよい（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。

また、メモリＳＴ１には水位計２００の設置位置も記憶されている。より具体的には、水位計２００の緯度および経度がオートパイロット機能の目的地としてメモリＳＴ１に記憶されている。そのため、マルチコプターＭ１は、メモリＳＴ１に記憶された水位計２００の設置位置までオートパイロットで自動的に飛行し、その鉛直上方で滞空することができる。これにより、作業員がマルチコプターＭ１を手動で操縦する手間が省かれ、作業効率が高められている。

また、メモリＳＴ１には、マルチコプターＭ１が水位計２００の鉛直上方でホバリングを開始したことをトリガーに、自動的に水位計２００（測量部２１０）を撮影する自動撮影プログラムＡＰＰ、および、自動撮影プログラムＡＰＰで撮影した画像から水位計２００の情報コード２３０を読み取るデコーダＤＥＣも登録されている。

［水位の測定方法］
以下に、水位測定システムＳ１を用いた貯水施設Ｗの水位測定方法について説明する。まず、上でも述べたように、水位計２００の緯度および経度を、オートパイロット機能の目的地として事前にメモリＳＴ１に登録しておく。貯水施設Ｗの水位測定を行うときは、作業員は操縦端末１７１を用いてマルチコプターＭ１のオートパイロット機能を始動させる。これによりマルチコプターＭ１は発着場Ｔから水位計２００の設置位置に向かって自動的に飛行する（往路工程）。そして、マルチコプターＭ１が水位計２００の設置位置に到着し、その場でホバリングを開始すると、自動撮影プログラムＡＰＰは、真下に向けたカメラ１６０で水位計２００の測量部２１０を撮影する（撮影工程）。ここで、マルチコプターＭ１は、デコーダＤＥＣを用いて、撮影した測量部２１０（および水位計２００）の画像から情報コード２３０を識別し、水位計２００の個体識別情報を復号する。尚、情報コード２３０の撮影は、測量部２１０の撮影とは別に行ってもよく、また、撮影した測量部２１０の画像内に、情報コード２３０から複合した個体識別情報を付記的に組み込んでもよい。撮影を終えたマルチコプターＭ１は、オートパイロット機能により発着場Ｔに自動的に帰巣する（復路工程）。作業員は発着場Ｔに戻ってきたマルチコプターＭ１の撮影画像を確認し、目視で貯水施設Ｗの水位を読み取る。

マルチコプターＭ１は、上記撮影工程において、情報コード２３０の位置が撮影画像の略中心となるように、そのホバリング位置を微調整する機能を別途実装してもよい。また、想定される水位計２００の設置位置の撮影画像から情報コード２３０が検出されなかった場合には、その位置を中心として渦巻き状に上空を旋回し、水位計２００の実際の位置を探索する機能を別途実装してもよく、その他、想定される水位計２００の設置位置の上空から、通常よりも広い範囲の撮影を行う機能を別途実装しても良い。

本実施形態の水位測定システムＳ１を用いた水位測定方法では、マルチコプターＭ１がオートパイロット機能により自動的に水位計２００の設置位置へと移動し、自動的に測量部２１０を撮影することから、作業員は現場に出向くことなく貯水施設Ｗの水位を確認することができる。また、撮影を終えたマルチコプターＭ１は発着場Ｔに戻ってくるため、マルチコプターＭ１の機体やカメラ１６０のメンテナンスも、作業員が現場に出向くことなく行うことが可能とされている。

尚、本実施形態におけるマルチコプターＭ１はオートパイロットで水位計２００の設置位置へと移動し、また、自動撮影プログラムＡＰＰにより測量部２１０の撮影も自動化されているが、これらは必ずしも自動的に実行される必要はない。例えば、水位計２００の設置位置が操縦端末１７１の電波圏内にあり、また、マルチコプターＭ１と水位計２００の位置関係を目視により正確に把握できる場合、もしくは、別途ＦＰＶ（First-Person View）システムを実装し、マルチコプターＭ１の撮影映像から間接的に水位計２００との位置を調節可能であるときは、手動でマルチコプターＭ１を操縦して測量部２１０の撮影を行うこともできる。

＜第２実施形態＞
以下に、本発明の第２実施形態について図面を用いて説明する。図４は第２実施形態にかかる水位制御システムＳ２により貯水設備Ｗの水量を調節する様子を示す模式図である。図５は第２実施形態にかかる水位制御システムＳ２の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、先の実施形態と基本的な機能が共通する構成については、先の実施形態の符号の末尾の番号のみを変更し、その基本的な機能についての説明を省略する。

［全体構成］
水位制御システムＳ２は第１実施形態の主要構成に加え、ポンプ装置３２０を用いて貯水施設Ｗの水量を調節する注排水設備Ｐ２（水位調節設備）を備えている。

［水位計の構成］
本実施形態における水位計２００の構成は第１実施形態と同様である。

［マルチコプターの構成］
水位制御システムＳ２のマルチコプターＭ２は、第１実施形態における機能に加え、カメラ１６０で撮影した測量部２１０の画像を解析して、その撮影時における水位を自動的に判定する画像解析プログラムＩＡＰ（水位判定部）と、注排水設備Ｐ２を無線通信により遠隔操作する水位制御プログラムＷＣＰ（水位制御手段）とを有している。画像解析プログラムＩＡＰによる水位の判定には、上記特許文献１など、公知の画像認識技術を用いることができる。

第１実施形態の水位測定システムＳ１を用いた貯水施設Ｗの水位測定方法では、マルチコプターＭ１が撮影した測量部２１０の撮影画像を、作業員が目視で確認してその水位を読み取る手順となっている。そのため、作業員は全ての撮影画像に目を通す必要がある。本実施形態における水位制御システムＳ２は、マルチコプターＭ２が画像解析プログラムＩＡＰを有していることにより、作業員が画像を目視確認する手間が省かれている。

水位制御システムＳ２のマルチコプターＭ２は、画像解析プログラムＩＡＰに加えて、注排水設備Ｐ２を遠隔操作する水位制御プログラムＷＣＰも有している。これにより、マルチコプターＭ２は、貯水施設Ｗの水位の測定と水位の調節とを、必要に応じて連続的に、または同時に行うことが可能とされている。

尚、本実施形態のマルチコプターＭ２は、第１実施形態におけるデコーダＤＥＣや、デコーダＤＥＣを応用した撮影位置微調節機能や水位計探索機能を備えていてもよい。

［注排水設備の構成］
注排水設備Ｐ２は、貯水施設Ｗの注水および排水を行うことにより、貯水施設Ｗの水量を調節する設備である。注排水設備Ｐ２はポンプ装置３２０を有しており、ポンプ装置３２０を用いて貯水施設Ｗの注排水を行う。ポンプ装置３２０の動作は注排水設備Ｐ２が有する注排水プログラムＷＡＰにより決定される。注排水プログラムＷＡＰは、注排水設備Ｐ２が備える制御装置３１０に登録されており、その実行が制御装置３１０により管理されている。さらに、注排水設備Ｐ２は、マルチコプターＭ２の水位制御プログラムＷＣＰからの制御信号を受信する無線送受信器３３０を備えている。注排水設備Ｐ２の制御装置３１０は、水位制御プログラムＷＣＰからの制御信号に基づいて注排水プログラムＷＡＰを実行し、ポンプ装置３２０を作動させる。

また、注排水設備Ｐ２の制御装置３１０にはさらに、Ｆ／ＳプログラムＦＳＰ（フェールセーフ手段）が登録されている。Ｆ／ＳプログラムＦＳＰは、水位制御プログラムＷＣＰによる注排水設備Ｐ２の遠隔操作が開始されてから、その操作の終了を示す信号を受信する前に、水位制御プログラムＷＣＰからの信号が所定時間継続して途絶えたときに、自動的に貯水施設Ｗの注排水を停止し、水位をそのときの状態で維持する。

注排水設備Ｐ２がＦ／ＳプログラムＦＳＰを有していることにより、注排水設備Ｐ２の操作中にマルチコプターＭ２に何らかの障害が発生したときでも、その被害の拡大を抑えることが可能とされている。尚、Ｆ／ＳプログラムＦＳＰが行う具体的な処理の内容は、本実施形態のような注排水の停止には限定されない。その水域の性質に応じて、例えば排水を行って水を完全に抜ききった方が安全な場合や、逆に、所定の水位まで注水を行った方が安全な場合もあると考えられる。

［水位の制御方法］
以下に、水位制御システムＳ２を用いた貯水施設Ｗの水位制御方法について説明する。まず、上でも述べたように、水位計２００の緯度および経度を、オートパイロット機能の目的地として事前にメモリＳＴ２に登録しておく。貯水施設Ｗの水位測定および水位制御を行うときは、作業員は操縦端末１７１を用いてマルチコプターＭ２のオートパイロット機能を始動させる。これによりマルチコプターＭ２は発着場Ｔから水位計２００の設置位置に向かって自動的に飛行する（往路工程）。そして、マルチコプターＭ２が水位計２００の設置位置に到着し、その場でホバリングを開始すると、自動撮影プログラムＡＰＰは、真下に向けたカメラ１６０で水位計２００の測量部２１０を撮影する（撮影工程）。引き続きマルチコプターＭ２は、画像解析プログラムＩＡＰにより、撮影した測量部２１０の画像から貯水施設Ｗの水位を読み取る。ここで水位に特に問題がなければ、マルチコプターＭ２は、オートパイロット機能により発着場Ｔに自動的に帰巣する（復路工程）。一方、貯水施設Ｗの水位が適正値にないときは、マルチコプターＭ２は水位制御プログラムＷＣＰにより注排水設備Ｐ２を操作し、貯水施設Ｗの注排水を行う（水位調節工程）。このとき、マルチコプターＭ２は、貯水施設Ｗの水量が適正値になるまで周期的に貯水施設Ｗの水位測定を繰り返し、貯水施設Ｗの水量が適正値になったら注排水操作の終了を示す信号を注排水設備Ｐ２に送信し、オートパイロット機能により発着場Ｔに自動的に帰巣する（復路工程）。一方、例えばマルチコプターＭ２のバッテリー１８０が足りず、注排水の途中でマルチコプターＭ２が強制的に帰巣制御されたような場合には、所定時間後に注排水設備Ｐ２のＦ／ＳプログラムＦＳＰが作動し、注排水が停止される。

本実施形態の水位制御システムＳ２を用いた水位制御方法では、マルチコプターＭ２が画像解析プログラムＩＡＰと、水位制御プログラムＷＣＰとを備えていることにより、途中で作業員の判断を加えることなく、貯水施設Ｗの水位を適正値に保つことが可能とされている。

さらに、本実施形態のマルチコプターＭ２は、測量部２１０の鉛直上方から真下の測量部２１０を撮影することから、例えば水が不透明で水面に測量部２１０の写像が映り込む環境下においても、写像による画像認識への影響が低減されている。これにより、撮影画像からの水面位置の判別が容易化され、上記特許文献１よりも簡易な手順で、かつ、より高い精度で水面の位置を判別することが可能とされている。尚、貯水施設Ｗの水の透明度が極めて高く、水面が静止している場合には、測量部２１０の水面よりも上の部分と水面下の部分とで測量部２１０表面の色を変化させる塗料を用いるか、または、測量部２１０を鉛直上空からではなく、斜め上空から撮影すればよい。本発明の測量部２１０は所定の傾斜角度をもって水中に設置されており、測量部２１０の水面下の部分は斜めから観察すると屈折して見えることから、その屈折位置を基準として、それよりも下の部分を水面下の部分と判別することができる。その他、マルチコプターＭ２に比較的低空（水面から３〜４ｍ程度）を飛行させ、ダウンウォッシュにより意図的に波を立たせる方法も考えられる。

＜第３実施形態＞
以下に、本発明の第３実施形態について図面を用いて説明する。図６は第３実施形態にかかる水位制御システムＳ３により貯水設備Ｗの水量を調節する様子を示す模式図である。図７は第３実施形態にかかる水位制御システムＳ３の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。また、先の実施形態と基本的な機能が共通する構成については、先の実施形態の符号の末尾の番号のみを変更し、その基本的な機能についての説明を省略する。

［全体構成］
水位制御システムＳ３の主要な構成は第２実施形態とほぼ同様である。水位制御システムＳ３の指令部Ｃ３は、マルチコプターＭ３が撮影した測量部２１０の画像情報を受信可能な無線送受信器１７２と、その画像を表示可能なモニター４２０（表示手段）を有している。また、第２実施形態では、画像解析プログラムＩＡＰおよび水位制御プログラムＷＣＰがマルチコプターＭ２に実装されていたが、水位制御システムＳ３ではこれらは指令部Ｃ３に実装されている。また、第２実施形態では、注排水設備Ｐ２はマルチコプターＭ２と無線通信可能に接続されていたが、水位制御システムＳ３では、注排水設備Ｐ３は指令部Ｃ３と有線接続されている。また、マルチコプターＭ３は指令部Ｃ３と移動体通信網を介して通信可能とされている。

全国に広く敷設されている移動体通信網を介して、指令部Ｃ３とマルチコプターＭ３とが接続されていることにより、指令部Ｃ３は通信距離による制約を実質的に受けることなく、マルチコプターＭ３が撮影した測量部２１０の画像情報を受信することができる。これにより遠方の水域の水位測定とその水位の調節とを現地に出向くことなく指令部Ｃ３から行うことが可能とされている。

［水位計の構成］
本実施形態における水位計２００の構成は第１実施形態と同様である。

［マルチコプターの構成］
本実施形態におけるマルチコプターＭ３の構成は第１実施形態とほぼ同様である。本実施形態のマルチコプターＭ３は、撮影した測量部２１０の画像を都度指令部Ｃ３へと転送する画像転送プログラムＰＴＰを別途備えている。尚、本実施形態のマルチコプターＭ３も、第１実施形態におけるデコーダＤＥＣや、デコーダＤＥＣを応用した撮影位置微調節機能や水位計探索機能を備えていてもよい。

［注排水設備の構成］
本実施形態における注排水設備Ｐ３の構成は、第２実施形態とほぼ同様である。本実施形態の注排水設備Ｐ３は、水位制御プログラムＷＣＰからの制御信号をマルチコプターＭ３からではなく、指令部Ｃ３から有線通信を介して受信する。尚、本実施形態の注排水設備Ｐ３は、第２実施形態におけるＦ／ＳプログラムＦＳＰを備えていないが、これは単に第２実施形態に比べて水位制御プログラムＷＣＰとの通信が安定しているからであり、備えていても構わない。

［水位の制御方法］
以下に、水位制御システムＳ２を用いた貯水施設Ｗの水位制御方法について説明する。まず、上でも述べたように、水位計２００の緯度および経度を、オートパイロット機能の目的地として事前にメモリＳＴ３に登録しておく。貯水施設Ｗの水位測定および水位制御を行うときは、作業員は指令部Ｃ３からマルチコプターＭ３のオートパイロット機能を始動させる。これによりマルチコプターＭ３は発着場Ｔから水位計２００の設置位置に向かって自動的に飛行する（往路工程）。そして、マルチコプターＭ３が水位計２００の設置位置に到着し、その場でホバリングを開始すると、自動撮影プログラムＡＰＰは、真下に向けたカメラ１６０で水位計２００の測量部２１０を撮影する（撮影工程）。マルチコプターＭ３は撮影した測量部２１０の画像情報を指令部Ｃ３へ都度転送する。かかる画像情報を受信した指令部Ｃ３は、画像解析プログラムＩＡＰにより画像情報から貯水施設Ｗの水位を自動的に読み取り、その水位が適正値であるか否かをマルチコプターＭ３へ通知する。ここで水位に特に問題がなければ、マルチコプターＭ３は、オートパイロット機能により発着場Ｔに自動的に帰巣する（復路工程）。一方、貯水施設Ｗの水位が適正値にないときは、指令部Ｃ３はその旨を図示しない報知手段により作業員へと報知する。報知を受けた作業員は指令部Ｃ３の水位制御プログラムＷＣＰを実行して注排水設備Ｐ３を操作し、貯水施設Ｗの注排水を行う（水位調節工程）。このとき、マルチコプターＭ３は、貯水施設Ｗの水位が適正値になるまで周期的に貯水施設Ｗの水位測定を繰り返し、貯水施設Ｗの水位が適正値である旨の通知を受信したら、オートパイロット機能により発着場Ｔに自動的に帰巣する（復路工程）。

本実施形態では、マルチコプターＭ３と指令部Ｃ３とが移動体通信網を介して接続されていることで、遠方の水域の状況をリアルタイムで確認することができる。また、指令部Ｃ３は、画像解析プログラムＩＡＰによりマルチコプターＭ３の撮影画像から水位を自動的に読み取り、作業員のアクションが必要なときにのみその旨を作業員に報知する構成とされていることから、水位監視の作業効率が高められている。

尚、本実施形態においては、指令部Ｃ３近傍の発着場ＴからマルチコプターＭ３を発着させているが、遠方の注排水設備Ｐ３近傍に発着場Ｔを配置してもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Ｓ１ 水位測定システム
Ｓ２，Ｓ３ 水位制御システム
Ｍ１〜Ｍ３ マルチコプター（無人航空機）
ＦＣ１〜ＦＣ３ フライトコントローラ（制御部）
ＭＣ１〜ＭＣ３ 制御装置
１１１ ＣＰＵ
ＳＴ１〜ＳＴ２ メモリ（記憶部）
ＦＣＰ 飛行制御プログラム
ＤＥＣ デコーダ（デコード手段）
ＡＰＰ 自動撮影プログラム
ＰＴＰ 画像転送プログラム
１３０ 飛行制御センサ群（飛行位置測定手段）
１４０ ＧＰＳ受信器（飛行位置測定手段）
Ｒ ローター（回転翼）
１６０ カメラ（撮影手段）
１７１ 操縦端末
１７２ 無線送受信器
１７３ 無線送受信器
２００ 水位計
２１０ 測量部
２２０ 支柱
２３０ 情報コード
Ｐ２〜Ｐ３ 注排水設備（水位調節設備）
３１０ 制御装置
ＷＡＰ 注排水プログラム
ＦＳＰ Ｆ／Ｓプログラム（フェールセーフ手段）
３２０ ポンプ装置
３３０ 無線送受信器
Ｃ１〜Ｃ３ 指令部
４２０ モニター（表示手段）
ＩＡＰ 画像解析プログラム（水位判定部）
ＷＣＰ 水位調節プログラム（水位調節手段）
Ｗ 貯水施設
Ｔ 発着場

Claims (9)

1. 水面から上方に向かって所定の傾斜角度で延出するように設置される測量部を有する水位計と、
   前記測量部を上空から撮影する撮影手段および複数の回転翼を有する無人航空機と、を備える水位測定システムであって、
   前記撮影手段は姿勢安定化装置に支持されており、
   前記無人航空機はさらに、前記複数の回転翼による自律飛行を制御する制御部と、前記測量部の設置位置が記憶された記憶部と、自機の飛行位置を測定する飛行位置測定手段と、を有しており、
   前記無人航空機は、前記記憶部に記憶された前記測量部の設置位置へと自律飛行し、該測量部の鉛直上方で滞空しつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影することを特徴とする水位測定システム。
2. 前記測量部の表面の色は、水に濡れることによりまたは表面温度に応じて、可逆的に変化することを特徴とする請求項１に記載の水位測定システム。
3. 前記水位計には、上方から視認可能な位置に、該水位計の個体識別情報を示す一次元または二次元の情報コードが表示されており、
   前記無人航空機は、前記撮影手段で撮影した前記情報コードの画像から前記個体識別情報を読み取るデコード手段を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水位測定システム。
4. 前記無人航空機の前記撮影手段により撮影された前記測量部の画像を解析し、その撮影時における水位を判定する水位判定部をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水位測定システム。
5. 請求項４に記載の水位測定システムと、
   前記水位計が設置された水域の水量を調節可能な水位調節設備と、を備え、
   前記無人航空機は、前記水位判定部と、前記水位調節設備を無線通信により遠隔操作する水位制御手段と、を有していることを特徴とする水位制御システム。
6. 前記水位調節設備は、前記水位制御手段による遠隔操作が開始されてから、その操作の終了を示す信号を受信する前に、前記水位制御手段からの信号が所定の時間以上途絶えたときには、予め定められた動作状態に自動的に移行するフェールセーフ手段を有することを特徴とする請求項５に記載の水位制御システム。
7. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水位測定システムと、
   前記水位計が設置された水域の水量を調節可能な水位調節設備と、
   前記無人航空機および前記水位調節設備と通信可能に接続された指令部と、を備え、
   前記無人航空機と前記指令部とは移動体通信網により接続されており、
   前記指令部は、前記無人航空機から受信した情報を表示する表示手段と、前記水位調節設備を遠隔操作する水位制御手段と、を有していることを特徴とする水位制御システム。
8. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水位測定システムを用いた水位測定方法であって、
   前記無人航空機を発着場から前記水位計の設置位置に向かって飛行させる往路工程と、
   前記無人航空機を、前記測量部の鉛直上方で滞空させつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影させる撮影工程と、
   前記無人航空機を前記発着場に帰巣させる復路工程と、を有することを特徴とする水位測定方法。
9. 請求項６または請求項７に記載の水位制御システムを用いた水位制御方法であって、
   前記無人航空機が、発着場から前記記憶部に記憶された前記測量部の設置位置に向かって自律飛行する往路工程と、
   前記無人航空機が、前記測量部の鉛直上方で滞空しつつ、真下に向けられた前記撮影手段により該測量部を撮影する撮影工程と、
   前記撮影工程の結果に基づいて、前記水位制御手段により前記水位調節設備を遠隔操作する水位調節工程と、
   前記無人航空機が、自律飛行により前記発着場に帰巣する復路工程と、を有することを特徴とする水位制御方法。
   

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