JP6371895B1 - 風況の計測方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】任意の位置及び任意の高さの風速及び風向を計測するための方法を提供する。【解決手段】風速を計測するための方法である。少なくとも１つの無人航空機１を飛行させる飛行工程Ｓ１と、飛行時の無人航空機１の姿勢の時系列データＤを記録する記録工程Ｓ２と、記録された時系列データＤから、無人航空機１が時系列データＤを記録した位置における風速を計算する計算工程Ｓ３とを含んでいる。このような風況の計測方法は、広い範囲の風速を短時間で計測することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、風速及び風向を計測するための方法に関する。
例えば、風力発電においては、効率よく発電するために、十分な風速と安定した風向の場所に風力発電設備を設置することが求められている。このため、風力発電設備を設置するときには、設置予定地において、風速及び風向として把握される風況を事前に計測することが重要である。
下記特許文献１には、ポールに取り付けられた風速計及び風向計により、ポールが立設された位置における予め定められた高さの風況を計測する方法が記載されている。特許文献１では、ポールの立設方法を改善して、より高い高さのポールを簡単に立設することを提案している。
特開２００９−１５６５７５号公報
しかしながら、特許文献１のようにポールを立設するには、多大な時間とコストとが必要であった。また、特許文献１のようにポールを用いた計測では、風況を計測可能な位置や高さが制限されてしまい、広い範囲の風況を計測することが困難であった。
本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、無人航空機を飛行させることを基本として、任意の位置及び任意の高さの風速及び風向を計測するための方法を提供することを主たる目的としている。
本発明は、風速を計測するための方法であって、少なくとも１つの無人航空機を飛行させる飛行工程と、飛行時の前記無人航空機の姿勢の時系列データを記録する記録工程と、記録された前記時系列データから、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風速を計算する計算工程とを含むことを特徴とする。
本発明の風況の計測方法において、前記計算工程は、記録された前記時系列データから、さらに、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風向を計算するのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記飛行工程は、前記無人航空機をホバリングさせ、前記記録工程は、ホバリング時の前記無人航空機の前記姿勢の前記時系列データを記録するのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記時系列データは、前記無人航空機のピッチ角及びロール角を含むのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記計算工程は、前記時系列データと、前記無人航空機の前記姿勢及び実際の風速の相関関係に基づいて、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における前記風速を計算するのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記飛行工程の前に、前記相関関係を予め定める準備工程が行われるのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記飛行工程は、複数の無人航空機を同時に飛行させ、前記記録工程は、前記複数の無人航空機のそれぞれの姿勢の時系列データを記録し、前記計算工程は、これらの時系列データから、それぞれの前記無人航空機の位置における風速を計算するのが望ましい。
本発明の風況の計測方法において、前記計算工程は、複数の前記無人航空機の位置から、それらの間の位置における風速を計算するのが望ましい。
本発明は、風向を計測するための方法であって、少なくとも１つの無人航空機を飛行させる飛行工程と、飛行時の前記無人航空機の姿勢の時系列データを記録する記録工程と、記録された前記時系列データから、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風向を計算する計算工程とを含むことを特徴とする。
本発明の風況の計測方法は、少なくとも１つの無人航空機を飛行させる飛行工程と、飛行時の前記無人航空機の姿勢の時系列データを記録する記録工程と、記録された前記時系列データから、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風速を計算する計算工程とを含んでいる。
このような風況の計測方法は、ポールを立設する必要がないので、風速の計測に要する時間及びコストを大幅に低減させることができる。また、本発明の風況の計測方法は、任意の位置及び任意の高さの風速を容易に計測することができる。このため、本発明の風況の計測方法は、広い範囲の風速を短時間で計測することができる。
本発明の風況の計測方法は、少なくとも１つの無人航空機を飛行させる飛行工程と、飛行時の前記無人航空機の姿勢の時系列データを記録する記録工程と、記録された前記時系列データから、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風向を計算する計算工程とを含んでいる。
このような風況の計測方法は、ポールを立設する必要がないので、風向の計測に要する時間及びコストを大幅に低減させることができる。また、本発明の風況の計測方法は、任意の位置及び任意の高さの風向を容易に計測することができる。このため、本発明の風況の計測方法は、広い範囲の風向を短時間で計測することができる。
本発明に用いられる無人航空機の一実施形態を示す斜視図である。 無人航空機のピッチ角を示す模式図である。 無人航空機のロール角を示す模式図である。 本発明の風況の計測方法のフローチャートである。 計算工程のフローチャートである。 他の実施形態の風況の計測方法のフローチャートである。 準備工程のフローチャートである。 散布図の一例である。
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき詳細に説明される。
本実施形態の風況の計測方法は、風速及び風向として把握される風況を計測するための方法である。図１は、本実施形態の風況の計測方法に用いられる無人航空機１の一例を示す斜視図である。図１に示されるように、本実施形態の風況の計測方法に用いられる無人航空機１は、本体２と、本体２の上面側に取り付けられた複数のプロペラ３と、本体２の下面側に取り付けられた撮影用のカメラ４と、本体２から下方に突出した脚部５とを有する一般的な無人航空機１である。
無人航空機１は、例えば、本体２の内部に全地球測位システム（以下、「ＧＰＳ」という。）６と高度計７とを備えている。このような無人航空機１は、ＧＰＳ６により、現在の位置を計測することができる。また、無人航空機１は、高度計７により、現在の高さを計測することができる。
さらに、無人航空機１は、本体２の内部にジャイロセンサ８を備えるのが望ましい。このようなジャイロセンサ８は、少なくとも無人航空機１のピッチ角Ｐとロール角Ｒとを計測することができる。このような無人航空機１は、ジャイロセンサ８により、現在の姿勢を計測することができる。
図２は、無人航空機１のピッチ角Ｐを示す模式図である。図２に示されるように、本実施形態の無人航空機１のピッチ角Ｐは、カメラ４の向きを正面として、無人航空機１の鉛直方向に対する前後方向の角度として計測される。
図３は、無人航空機１のロール角Ｒを示す模式図である。図３に示されるように、本実施形態の無人航空機１のロール角Ｒは、カメラ４の向きを正面として、無人航空機１の鉛直方向に対する左右方向の角度として計測される。
次に、上述の無人航空機１を用いて風況を計測する方法が説明される。図４は、本実施形態の風況の計測方法のフローチャートである。図４に示されるように、この実施形態の風況の計測方法は、少なくとも風速を計測するための方法である。
本実施形態の風況の計測方法は、まず、少なくとも１つ、本実施形態では１つの無人航空機１を飛行させる飛行工程Ｓ１が行われる。このような飛行工程Ｓ１は、無人航空機１を任意の位置及び任意の高さに飛行させることができる。このため、本実施形態の風況の計測方法は、風速を計測する位置及び高さの変更が容易である。
次に、風況の計測方法は、飛行工程Ｓ１で飛行させた時の無人航空機１の姿勢の時系列データＤを記録する記録工程Ｓ２が行われるのが望ましい。記録工程Ｓ２は、本体２の内部の記録領域に記録されてもよいし、無線接続された端末に記録されてもよい。このような記録工程Ｓ２は、予め定められた時間における無人航空機１の姿勢を、全て記録することができる。
次に、本実施形態の風況の計測方法は、記録工程Ｓ２で記録された時系列データＤから、無人航空機１が時系列データＤを記録した位置における風速を計算する計算工程Ｓ３が行われる。計算工程Ｓ３は、飛行工程Ｓ１で無人航空機１を飛行させている間に随時行われてもよいし、飛行工程Ｓ１の終了後にまとめて行われてもよい。このような計算工程Ｓ３は、記録工程Ｓ２で記録された時系列データＤの時間分の風速を計算することができる。
上述の風況の計測方法は、ポールを立設する必要がないので、風速の計測に要する時間及びコストを大幅に低減させることができる。また、本実施形態の風況の計測方法は、任意の位置及び任意の高さの風速を容易に計測することができる。このため、本実施形態の風況の計測方法は、広い範囲の風速を短時間で計測することができる。
好ましい態様として、飛行工程Ｓ１は、無人航空機１を、風速を計測する位置及び高さで予め定められた時間ホバリングさせるのが望ましい。ホバリング時の無人航空機１は、旋回させずに、例えば、カメラ４の向きが一方向となるように保持されるのが望ましい。このような飛行工程Ｓ１は、風速を計測する位置及び高さをピンポイントに設定することができる。
本実施形態の記録工程Ｓ２は、ホバリング時の無人航空機１の姿勢の時系列データＤを記録している。時系列データＤは、少なくとも無人航空機１のピッチ角Ｐ及びロール角Ｒを含むのが望ましい。このような記録工程Ｓ２は、ホバリング時の無人航空機１のピッチ角Ｐ及びロール角Ｒの変化を記録することができる。
本実施形態の計算工程Ｓ３は、無人航空機１の姿勢の時系列データＤと、無人航空機１の姿勢及実際の風速の相関関係とに基づいて、無人航空機１が時系列データＤを記録した位置における風速を計算している。無人航空機１の姿勢及び実際の風速の相関関係は、予め定められるのが望ましい。
図５は、計算工程Ｓ３のフローチャートである。図５に示されるように、本実施形態の計算工程Ｓ３は、時系列データＤとして記録されたピッチ角Ｐ及びロール角Ｒから、無人航空機１の仮想移動距離ｄ１を計算する仮想パラメータ計算工程Ｓ３１が行われる。仮想パラメータ計算工程Ｓ３１では、例えば、ピッチ角Ｐ及びロール角Ｒから、下記数式１に基づき仮想移動距離ｄ１が計算される。
（数１） ｄ１ ＝ （Ｐ２ ＋ Ｒ２）１／２
計算工程Ｓ３は、仮想パラメータ計算工程Ｓ３１で計算された仮想移動距離ｄ１に対応する実際の風速を求める相関関係対比工程Ｓ３２が行われるのが望ましい。相関関係対比工程Ｓ３２は、例えば、予め定められた仮想移動距離ｄ１及び実際の風速の相関関係に基づき、計算された仮想移動距離ｄ１に対応する実際の風速を求めている。
計算工程Ｓ３は、記録工程Ｓ２で記録された時系列データＤから、さらに、無人航空機１が時系列データＤを記録した位置における風向を計算するのが望ましい。この場合、仮想パラメータ計算工程Ｓ３１では、例えば、時系列データＤとして記録されたピッチ角Ｐ及びロール角Ｒから、下記数式２に基づき仮想移動方位ｄ２が計算される。
（数２） ｄ２ ＝ ｔａｎ−１（Ｐ／Ｒ）
風向についても風速と同様に、仮想パラメータ計算工程Ｓ３１で計算された仮想移動方位ｄ２に対応する実際の風向を求める相関関係対比工程Ｓ３２が行われるのが望ましい。相関関係対比工程Ｓ３２は、例えば、予め定められた仮想移動方位ｄ２及び実際の風向の相関関係に基づき、計算された仮想移動方位ｄ２に対応する実際の風向を求めている。
このような計算工程Ｓ３は、風速及び風向を同時に計算することができる。このため、本実施形態の風況の計測方法は、一度の飛行工程Ｓ１を行うことで、風速及び風向を同時に計測することができる。
なお、計算工程Ｓ３は、記録工程Ｓ２で記録された時系列データＤから、無人航空機１が時系列データＤを記録した位置における風向のみを計算してもよい。この実施形態の風況の計測方法は、風向を計測するための方法である。このような風況の計測方法は、例えば、風向の安定性を事前に確認したい場合に適しており、計算時間を短縮することができる。この場合の実施形態においても、図４に示されるように、飛行工程Ｓ１、記録工程Ｓ２及び計算工程Ｓ３が行われるのが望ましい。
図６は、他の実施形態の風況の計測方法のフローチャートである。図６に示されるように、この実施形態の風況の計測方法は、飛行工程Ｓ１の前に、無人航空機１の姿勢並びに実際の風速及び風向の相関関係を予め定める準備工程Ｓｐが行われる。なお、無人航空機１の姿勢並びに実際の風速及び風向の相関関係が予め明らかである場合には、上述の実施形態のように準備工程Ｓｐを省略してもよい。
図７は、準備工程Ｓｐのフローチャートである。図７に示されるように、準備工程Ｓｐは、例えば、無人航空機１を低空で予め定められた時間ホバリングさせる事前飛行工程Ｓｐ１が行われる。事前飛行工程Ｓｐ１では、無人航空機１を、風向風速計を用いて実際の風速及び風向を計測可能な高さで、予め定められた時間ホバリングさせるのが望ましい。事前飛行工程Ｓｐ１で無人航空機１をホバリングさせる時間は、飛行工程Ｓ１で無人航空機１を飛行させる時間よりも短くてもよい。
本実施形態の準備工程Ｓｐは、事前飛行工程Ｓｐ１で飛行させた無人航空機１の姿勢の時系列データＤ１を記録する事前記録工程Ｓｐ２が行われる。事前記録工程Ｓｐ２は、例えば、記録工程Ｓ２と同様に、無人航空機１のピッチ角Ｐ及びロール角Ｒの時系列データＤ１を記録している。
準備工程Ｓｐは、事前飛行工程Ｓｐ１と同時に、無人航空機１がホバリングしている位置の近傍で実際の風速及び風向を計測する実測工程Ｓｐ３が行われるのが望ましい。実測工程Ｓｐ３は、無人航空機１のホバリングしている高さと同じ高さで計測されるのが望ましい。
実測工程Ｓｐ３において、実際の風速は、例えば、風速計で計測される。また、実際の風向は、例えば、風向計で計測される。本実施形態の実測工程Ｓｐ３では、ポータブル式の風向風速計を用いて、実際の風速及び風向を同時に計測し、その時系列データＤ０を記録している。
準備工程Ｓｐは、次に、無人航空機１の姿勢と実際の風速及び風向との相関関係を定める相関関係計算工程Ｓｐ４が行われるのが望ましい。相関関係計算工程Ｓｐ４は、例えば、事前記録工程Ｓｐ２で記録された無人航空機１のピッチ角Ｐ及びロール角Ｒの時系列データＤ１と、実測工程Ｓｐ３で計測された実際の風速及び風向の時系列データＤ０とに基づいて、無人航空機１の姿勢と実際の風速及び風向との相関関係を定めている。
相関関係計算工程Ｓｐ４は、例えば、ピッチ角Ｐ及びロール角Ｒの時系列データＤ１から、各時間における仮想移動距離ｄ１と仮想移動方位ｄ２とを計算している。この計算は、上述の数式１及び数式２に基づくのが望ましい。
そして、相関関係計算工程Ｓｐ４は、仮想移動距離ｄ１と、同じ時間における実際の風速との散布図に基づき、仮想移動距離ｄ１と実際の風速との相関関係を求めるのが望ましい。同様に、相関関係計算工程Ｓｐ４は、仮想移動方位ｄ２と、同じ時間における実際の風向との散布図に基づき、仮想移動方位ｄ２と実際の風向との相関関係を求めるのが望ましい。
図８は、仮想移動距離ｄ１と実際の風速との散布図の一例である。図８に示されるように、この散布図は、縦軸が実際の風速であり、横軸が仮想移動距離ｄ１である。散布図では、計算された仮想移動距離ｄ１と同じ時間の実際の風速との点が時系列データＤ０の数だけプロットされている。
本実施形態の相関関係計算工程Ｓｐ４は、散布図から近似式を求めることで、仮想移動距離ｄ１を風速に換算するための補正係数を求めている。近似式は、例えば、１次（線形）近似式である。近似式は、２次近似式やその他の近似式であってもよい。このような相関関係計算工程Ｓｐ４は、仮想移動距離ｄ１と実際の風速との相関関係を、明確にすることができる。
このような準備工程Ｓｐは、飛行工程Ｓ１に先立ち、計測当日の無人航空機１の姿勢と実際の風速及び風向との相関関係を求めることができるので、より精度の高い風況の計測が可能である。
図７に示されるように、この実施形態の風況の計測方法は、準備工程Ｓｐの後に、飛行工程Ｓ１、記録工程Ｓ２及び計算工程Ｓ３が行われる。飛行工程Ｓ１、記録工程Ｓ２及び計算工程Ｓ３は、それぞれ、上述の実施形態と同一であるので、ここでの説明は省略される。
次に、図４を参酌しながら、さらに他の実施形態が説明される。上述の実施形態では、飛行工程Ｓ１において、１つの無人航空機１が飛行される態様が説明されたが、この実施形態の風況の計測方法では、飛行工程Ｓ１は、複数の無人航空機１を同時に飛行させている。
この実施形態の風況の計測方法において、記録工程Ｓ２は、複数の無人航空機１のそれぞれの姿勢の時系列データＤ２を記録している。計算工程Ｓ３は、これらの時系列データＤ２から、それぞれの無人航空機１の位置における風速を計算するのが望ましい。それぞれの無人航空機１における計算工程Ｓ３は、上述の計算工程Ｓ３と同一であるのでここでの説明は省略される。
計算工程Ｓ３は、複数の無人航空機１の位置から、それらの間の位置における風速を計算することもできる。このような風況の計測方法は、短時間の計測で、線上又は面上の風況を把握することができる。また、この実施形態の風況の計測方法は、同じ時間の風況を計測しているので、その精度が向上し得る。
なお、この実施形態においても、図６に示されるように、準備工程Ｓｐが行われてもよい。この実施形態の準備工程Ｓｐは、それぞれの無人航空機１ごとに順番に行われてもよいし、複数の無人航空機１で同時に行われてもよい。
上述の各実施形態の風況の計測方法は、無人航空機１の発着場所を確保すれば目的の位置の風況を計測できるので、例えば、山間地や海上における風況の計測に適している。このため、上述の各実施形態の風況の計測方法は、例えば、風力発電装置、鉄塔、吊り橋等の設置予定地やビル、マンション等の建築物の建設予定地等において、候補地の風況を容易に計測することができる。
以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施し得る。
１ 無人航空機
Ｓ１ 飛行工程
Ｓ２ 記録工程
Ｓ３ 計算工程

Claims (6)

  1. 風速を計測するための方法であって、
    少なくとも１つの無人航空機を飛行させる飛行工程と、
    飛行時の前記無人航空機の姿勢の時系列データを記録する記録工程と、
    記録された前記時系列データから、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風速を計算する計算工程とを含み、
    前記飛行工程は、複数の無人航空機を同時に飛行させ、
    前記記録工程は、前記複数の無人航空機のそれぞれの姿勢の時系列データを記録し、
    前記計算工程は、これらの時系列データから、それぞれの前記無人航空機の位置における風速を計算し、
    前記計算工程は、複数の前記無人航空機の位置から、それらの間の位置における風速を計算する、
    風況の計測方法。
  2. 前記計算工程は、記録された前記時系列データから、さらに、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における風向を計算する、請求項１に記載の風況の計測方法。
  3. 前記飛行工程は、前記無人航空機をホバリングさせ、
    前記記録工程は、ホバリング時の前記無人航空機の前記姿勢の前記時系列データを記録する、請求項１又は２に記載の風況の計測方法。
  4. 前記時系列データは、前記無人航空機のピッチ角及びロール角を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の風況の計測方法。
  5. 前記計算工程は、前記時系列データと、前記無人航空機の前記姿勢及び実際の風速の相関関係とに基づいて、前記無人航空機が前記時系列データを記録した位置における前記風速を計算する、請求項１〜４のいずれかに記載の風況の計測方法。
  6. 前記飛行工程の前に、前記相関関係を予め定める準備工程が行われる、請求項５に記載の風況の計測方法。
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