JP6729884B1 - 風向風速計測方法及び風向風速計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機を用いて風向・風速測定を効率良く行う方法を提供する。【解決手段】飛行機能を制御する制御手段と、位置情報を取得する位置情報取得手段と、を備える無人航空機を用いて風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法であって、前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段により前記無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま前記無人航空機を計測開始地点から計測終了地点まで自然風力によって水平移動させ、当該移動中に前記位置情報取得手段により取得した無人航空機の位置情報について解析を行うことにより、風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法及びシステム。【選択図】図１

Description

本発明は、風向風速計測方法及び風向風速計測システムに関する。

風力発電設備の建設においては、その立地場所や立地場所における設備の方向が重要であるが、特に山間部などでは事前に風向・風速などを測定することが困難となる。現地に赴いて測定したとしても、例えばプロペラ風車式の発電設備であると、プロペラが設置されるのは地表から数十メートル上空であるため、地表での風向・風速測定では正しい値を得ることが難しい。

近年無人航空機（ドローン）を用いて上空の風向・風速を計測する方法が提案されている。特許文献１では、複数のドローンを同時に定位置で飛行（いわゆるホバリング）させ、それら複数ドローンの姿勢を計測してドローン間のデータを解析することで風速を求める技術が開示されている。
また、特許文献２では、センサを設置したドローンを上空から自由落下させ、落下中にセンサから検出されたデータを解析することで風向や風速を推定する技術が開示されている。

特許第６３７１８９５号公報 特許第６１８２６９３号公報

しかしながら特許文献１の方法では、各ドローンをホバリングさせて計測するため、広範囲を測定したい場合は、大量のドローンを同時に飛ばす必要があり、その準備や制御が煩雑になる。また、得られたデータ間の解析も複雑になるという課題がある。特許文献２の方式では、一台のドローンで計測することはできるが、ドローンを自由落下させた場合、地表の人、動物、植物、建物等に衝突する危険性があり、また、ドローンの破損も考慮すると費用がかさむという課題がある。

本願は、無人航空機を用いた風向・風速測定を効率良く行う方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、所望の高度に無人航空機を上昇させた後、当該無人航空機の高度及び姿勢を保ったまま自然風力により水平移動させ、移動の変位量を解析することにより、風向・風速の推定が可能であることを見出し発明を完成するに到った。

上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。
〔１〕 飛行機能を制御する制御手段と、位置情報を取得する位置情報取得手段と、を備える無人航空機を用いて風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法であって、
前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段により前記無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま前記無人航空機を計測開始地点から計測終了地点まで自然風力によって水平移動させ、当該移動中に前記位置情報取得手段により取得した無人航空機の位置情報について解析を行うことにより、風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法。

〔２〕 前記無人航空機が、前記位置情報取得手段により取得した位置情報を記録する位置情報記録手段を備える、〔１〕に記載の風向風速計測方法。

〔３〕 前記無人航空機が、前記制御手段により制御された制御情報を記録する制御情報記録手段を備える、〔１〕又は〔２〕に記載の風向風速計測方法。

〔４〕 前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段による制御情報又は前記位置情報取得手段により取得した位置情報から少なくとも風向を推定し、計測開始地点の風上に前記無人航空機を移動させた後、前記無人航空機を自然風力によって水平移動させ、風上から計測開始地点を通過させた後計測終了地点まで移動させる、〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の風向風速計測方法。

〔５〕 高度を変更し、又は他の計測開始地点から繰り返し自然風力によって前記無人航空機を水平移動させ、風向及び／又は風速を計測する〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の風向風速計測方法。

〔６〕 飛行機能を制御する制御手段と、前記無人航空機の位置情報を取得する位置情報取得手段と、を備える無人航空機と、
前記位置情報取得手段により取得した前記無人航空機の位置情報に基づいて風向及び／又は風速を算出する解析手段と、
を備える風向風速計測システムであって、
前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段により前記無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま前記無人航空機を計測開始地点から計測終了地点まで自然風力によって水平移動させ、当該移動中に前記位置情報取得手段により取得した無人航空機の位置情報に基づいて前記解析手段により解析を行うことにより、風向及び／又は風速を算出する風向風速計測システム。

〔７〕 前記無人航空機が、前記位置情報取得手段により取得した位置情報を記録する位置情報記録手段を備える、〔６〕に記載の風向風速システム。

〔８〕 前記無人航空機が、前記制御手段により制御された制御情報を記録する制御情報記録手段を備える、〔６〕又は〔７〕に記載の風向風速計測システム。

〔９〕 前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段による制御情報又は前記位置情報取得手段により取得した位置情報から少なくとも風向を推定し、計測開始地点の風上に前記無人航空機を移動させた後、前記無人航空機を自然風力によって水平移動させ、風上から計測開始地点を通過させた後計測終了地点まで移動させる、〔６〕〜〔８〕のいずれかに記載の風向風速計測システム。

〔１０〕 高度を変更し、又は他の計測開始地点から前記無人航空機を自然風力によって繰り返し水平移動させ、風向及び／又は風速を計測する請求項〔６〕〜〔９〕のいずれかに記載の風向風速計測システム。

本発明によれば、現地に赴いて風向・風速の測定が困難な場所であっても、無人航空機を高度及び姿勢を一定に保った状態で自然風力により移動させ、移動中の位置情報を取得して解析を行うという簡便な方法により、風向・風速を計測することが可能である。更に、これを繰り返し行うことで広範囲にわたって効率よく風向・風速を計測することができる。

図１は、本発明における無人航空機の動作の一例を示す説明図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ無人航空機の位置情報取得地点の例を模式的に示す図である。 図３は、本発明の風向風速計測システムの構成の一例を示すブロック図である。 図４は、本発明の風向風速計測システムの構成の他の例を示すブロック図である。

本発明で使用する無人航空機は、遠隔操作あるいは自動制御等により無人で飛行できる小型航空機であって、水平方向の推力を発生させずに高度を維持できるもの、すなわちホバリング能力を備えるものであれば、公知の無人航空機をいずれも使用することができる。かかる無人航空機としては小型ヘリコプターや、回転翼を複数有するマルチコプター（いわゆるドローン）等を挙げることができる。中でも、３つ以上のローターを搭載したマルチコプターを使用することが好ましく、４つ以上のローターを搭載したものがより好ましい。

本発明で使用する無人航空機は飛行機能を制御する制御手段を備えている。飛行機能を制御する制御手段は、飛行中の機体の高度、速度、飛行方向、空中姿勢等の制御を行う手段である。マルチコプターを使用する場合、一般に各センサからの情報を受けてフライトコントローラが演算を行い各ローターの回転速度（回転数）を制御することにより、飛行機能の制御が行われる。飛行機能を制御する方法としては、無線による遠隔操作、プログラムによる自律制御、これらを組み合わせた半自律制御のいずれも採用することが可能であるが、無人航空機が自然風力を受けて移動する際に高度、姿勢を維持する制御を遠隔操作で行う場合は熟練を要するので、少なくとも高度及び姿勢の制御については自律制御を採用することが好ましい。

無人航空機が備える位置情報取得手段としては、例えばデジタルカメラ、ビデオカメラ等のイメージセンサ、ＧＰＳ（全地球測位システム）、ＧＬＯＮＡＳＳ、準天頂衛星システム等のＧＮＳＳ（全地球航法衛星システム）を利用して測位を行うＧＮＳＳセンサ（測位センサ）、加速度センサ等を用いることができる。本発明においては、ＧＮＳＳを利用して測位を行う測位センサを使用することが好ましい。なお、無人航空機が温度、湿度、気圧等の各種の環境センサを備える場合、測位センサや加速度センサから得られる位置情報について、適宜補正を行ってもよい。

本発明で使用する無人航空機は、位置情報取得手段により取得した位置情報を記録する記録手段を備えていてもよい。記録手段としては、内蔵ハードディスクの他、ＭｉｃｒｏＳＤカード等の公知の記録媒体を使用することができる。

更に、本発明で使用する無人航空機は、制御機能を制御する制御手段が行う制御情報を記録する記録手段を備えていてもよい。制御情報の記録手段としては、位置情報の記録手段と同様の記録媒体を挙げることができる。位置情報を記録する記録手段と、制御情報を記録する記録手段は、同じものであってもよいし、異なっていてもよい。

無人航空機が無線信号を送信する機能を備えている場合、位置情報又は制御情報を無人航空機から送信させて、受信機で受信した信号を地上で記録する記録手段としてもよい。かかる記録手段としては、ＰＣ、タブレット端末、スマートフォン等を挙げることができる。

図１は、本発明の風向風速計測方法における、無人航空機の動作の一例を示す説明図である。

無人飛行機を離陸させた後、無人航空機を計測開始地点の上空に移動させる。所望の高さとなるまで無人航空機の高度を上昇させた後、制御手段により無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま、自然の風に流されつつ、計測終了地点上空まで移動させる。このとき、少なくとも計測開始地点から計測終了地点の間は、位置情報取得手段により、無人航空機の位置情報を、取得した時刻又は基準時刻からの経過時間等の時間データと共に取得する。必要に応じて無人航空機を同一又は別の計測開始地点に移動させ、上記動作を繰り返し行う。無人航空機の高度又は測定開始地点を変更して繰り返し上記動作を行うことにより、広範囲の風向・風速を二次元又は三次元的に計測することができる。

本発明においては、計測開始地点から計測終了地点の間で無人航空機の姿勢を保持する必要があるが、機体の姿勢は一定であればよく、水平であっても傾いていてもよい。但し、測定誤差を極力少なくし、微弱な風を検出する観点から、機体は水平に近い方が好ましく、水平であることが最も好ましい。

機体が水平である場合に測定誤差を少なく、微弱な風を検出できる理由は、以下の通りである。
機体質量をｍ、重力加速度をｇとすると、機体が高度を維持している間、下降流によって発生する推力はｍｇと表すことができる。水平からの機体の傾き角をθとすると、水平方向にｍｇ・ｓｉｎθの推力が発生し、環境風より受ける水平方向の力に対して外乱となることから、微弱な風を検出するためには機体の傾きは小さいほど好ましい。

本発明においては、移動中に測位センサ等の位置情報取得手段により取得した無人航空機の位置情報に基づいて解析を行うことにより、計測開始地点から計測終了地点の間の所望の地点あるいは２地点間における風向及び／又は風速を連続的又は断続的に算出する。無人航空機の移動中の高さは一定であるので、位置情報としては水平方向における二次元の位置情報を取得すればよく、高さ方向についての位置情報の取得を必ずしも必要とはしない。測位センサが三次元測位の機能を有し、機体の高さ方向の位置情報（機体の高度）についても情報が取得できる場合は、風向・風速の計測開始時に機体を所望の高度とするため、又は計測中の機体が所望の高度を維持しているかどうかの確認を行うために、高さ方向の位置情報を取得してもよい。あるいは、測位センサを使用して位置情報を取得する際の測位誤差を見積もるために、高さ方向の位置情報を取得しても良い。

風向及び風速は、自然風力を受けて移動する無人航空機の位置の変位量から算出することが可能である。風向は無人航空機の移動方向から、風速は無人航空機が自然の風力を受けて移動する際の機体の位置情報から算出することができる。
一定方向・一定速度で風が吹いていると仮定した場合、無人航空機は風力を受けて除々に加速され、理論上は風速と同じ速度になった時点で一定速度に到達する。加速の度合い（風に流される度合い）は、現在の速度と風速の差に依存するので、その過渡的変化を表す曲線又は数理モデルを理論的あるいは実験的に求めておき、無人航空機の測位により得られる実際の加速度と比較することにより風速を算出することができる。移動開始直後の機体は通常風力を受けて加速されており、この方法によれば機体の移動速度が一定になるまで待つことなく、短時間で風速及び風向の推定を行うことができる。なお、加速度はベクトル量であるので、当然のことながら機体が風力を受けて移動する際の加速度の方向から風向の推定を行うことが可能である。

風速が一定の状態で十分長い時間が経過し機体の移動速度が一定となった後、あるいは機体の移動速度が一定に近く、加速度の影響が無視できると考えられる場合は、例えば以下の方法により風速、風向を推定することができる。
計測開始地点の位置情報（緯度経度）と、計測終了地点の位置情報とから直線距離を算出し、この直線距離を移動するに要した時間で除算することにより平均的な速度、つまり風速を算出する（図２（ａ）参照）。また、風向についても二点の位置情報に基づいて方位角を算出することで、計測開始地点から計測終了地点へ風が吹いていた方向を求めることができる。

なお、計測開始地点と計測終了地点の二点を用いた算出ではその間の平均的な風速を求めることになるが、例えば、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、計測開始地点と計測終了地点の間で複数地点の位置情報と時刻情報を用いることによって各区間での平均風速と風向をより細かく算出することもできる。図２（ｂ）は計測開始地点から計測終了地点まで風向が一定である場合、図２（ｃ）は計測開始地点から計測終了地点の間で風向が変化する場合を示している。

位置情報取得手段として測位センサを用いた場合に記録手段に記録された無人航空機の位置情報の一例を表１に示す。
ＧＮＳＳを利用して測位を行う測位センサは、人工衛星が送信する時刻を含む電波データを受信するので、記録手段には位置情報を取得した時刻と、位置情報として緯度および経度が記録されている。表１の例では、２０個のデータが１０秒刻みで記録されており、計測開始地点は「北緯３９．４９５３３４：、東経：１４０．１３２１９８」、１９０秒後の計測終了地点は「北緯：３９．４９２７２３、東経：１４０．１４４５１０」となっている。この場合、移動距離は２１３４．３３８メートル、計測開始地点から計測終了地点への方位角は１１２．０９３２９０と算出できるため、風速毎秒約１１．２３ｍの西北西方向からの風が吹いていたことが算出できる。なお、表１では説明の簡略化のため、データＩＤ００２以下の一部のデータ記載を省略しているが、各地点の時刻と位置情報を上記同様に算出することで、各地点間での風速と風向を求めることができる。

また、図２（ｄ）に示すように、記録された位置情報のうち、加速度の影響を受けたと推測される計測開始地点からある特定地点までのデータを用いずに、あるいはこの間のデータについては機体の加速度から風速及び風速を算出し、航空機の移動速度が一定に達した後については図２（ａ）と同様に二点の位置情報を用いて風速及び風向を算出しても良い。

図１においては、無人飛行機を計測開始地点から計測終了地点まで移動させる場合について示したが、計測開始地点の風上に前記無人航空機を移動させた後、前記無人航空機を自然風力によって水平移動させ、風上から計測開始地点を通過させた後計測終了地点まで移動させてもよい。加速度から風向・風速の計測を行う場合、計測開始地点から水平移動を開始させると計測開始地点における移動速度が０となり、計測開始地点近傍の加速度の測定が正確さに欠けるものとなり易い。図２（ａ）〜（ｃ）に記載の方法で計測を行う場合は、移動開始直後の加速の影響を取り除くことができるので、いずれの場合も風向・風速をより正確に計測することが可能となる。計測開始地点の風向は、制御手段による制御情報又は位置情報取得手段により取得した位置情報から検知することができる。位置情報から風向を検知する方法としては、風向・風速の計測前に、予備的に一旦機体を風により移動させる方法を挙げることができる。具体的には、機体を計測開始起点の直上に上昇させてから姿勢及び高度を維持する制御に切り替え、機体が流される方向により風向を判断する。風向に加えて風速を推定し、自然風力によって流され始める地点（計測開始地点からの距離）を決定してもよい。

本発明においては、無人航空機を計測開始起点から計測終了地点まで水平に移動させるので、無人航空機の位置情報から算出される風向・風速は、水平方向の風向・風速である。無人航空機の制御情報には高度を維持するためのフィードバック信号が含まれており、上述した位置情報に加えて制御情報についても解析を行う場合、垂直方向の風向・風速を算出することも可能である。しかしながら、機体の制御から得られるデータは、機体に搭載したセンサ情報をもとにフィードバックされる信号であるため、信号雑音が多く存在する。制御データを風向風速の計測に使用する場合、データは信号雑音に影響されるので、正確さに欠けるものとなり易い。位置情報から水平方向の風向・風速を算出する本発明は制御データに依存しておらず、その点で有利である。

図１においては１の無人航空機を用いて２地点間の風向・風速を一次元的に計測する場合を示したが、同時に複数の無人航空機を用いて計測を行ってもよい。複数の無人航空機を用いる場合、二次元又は三次元の風向・風速を同時に計測することも可能である。

本発明の風向風速計測方法は、図３に記載の風向風速計測システムを用いて実施することができる。本発明の風向風速計測システムの一例を図３に示す。

本発明の風向風速計測システムは、無人航空機１と、解析手段３０とを備えている。無人航空機１は、制御手段１０と、位置情報取得手段２０と、位置情報記録手段２１とを備える。位置情報取得手段２０により取得した無人航空機１の位置情報は、位置情報記録手段２１に記録される。位置情報記録手段２１に記録された位置情報は、無人航空機１による計測が終了した後位置情報ログとして位置情報記録手段２１から取り出され、解析手段３０により解析される。解析手段としては、ＰＣ、タブレット端末、スマートフォン等を挙げることができる。

本発明の風向風速計測システムの他の例を図４に示す。無人航空機１が位置情報送信手段２２を備える場合、無人航空機１の位置情報記録手段２４は、無人航空機１の外部に備えられていてもよい。この場合、位置情報取得手段２０により取得された位置情報は、位置情報送信手段２２により位置情報受信手段２３に送信され、位置情報受信手段２３から位置情報記録手段２４に送られた後、位置情報記録手段２４に記録される。

解析手段３０による解析は、位置情報が送信される間に随時行ってもよいし、全ての位置情報を取得後にまとめて行っても良い。随時解析を行う場合、本発明の風向風速計測システムは位置情報記録手段２４を備えていなくてもよい。

本発明によれば、現地に赴いて風向・風速の測定が困難な場所、例えば山間部や、地表から数十メートル上空の風向・風速を簡便な方法で測定することができる。風力発電設備の建設においては、その立地場所や設備の方向が発電効率の観点から重要であるが、本発明は、特に風力発電設備の建設候補地の選定、建設予定地の事前調査、設備の設計等において有益である。

１ 無人航空機
１０ 制御手段
２０ 位置情報取得手段
２１、２４ 位置情報記録手段
２２ 位置情報送信手段
２３ 位置情報受信手段
３０ 解析手段

Claims (14)

1. 飛行機能を制御する制御手段と、位置情報を取得する位置情報取得手段と、を備える無人航空機を用いて風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法であって、
   前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段により前記無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま前記無人航空機を計測開始地点から計測終了地点まで自然風力によって水平移動させ、前記位置情報取得手段により取得した無人航空機の少なくとも三点以上の位置情報と時刻情報とについて解析を行うことにより、風向及び／又は風速を計測する風向風速計測方法。
2. 前記無人航空機の移動速度が一定に達した後に各地点間の方位角及び／又は距離から風向及び／又は風速を算出する、請求項１に記載の風向風速計測方法。
3. 前記無人航空機が移動開始直後に風力を受けて加速されている間は数理モデルから風向及び／又は風速を算出する、請求項１又は２に記載の風向風速計測方法。
4. 前記無人航空機が、前記位置情報取得手段により取得した位置情報を時刻情報とともに記録する位置情報記録手段を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の風向風速計測方法。
5. 前記無人航空機を複数同時に飛行させ、前記無人航空機毎に風向及び又は風速を計測する、請求項１〜４のいずれかに記載の風向風速計測方法。
6. 前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段による制御情報又は前記位置情報取得手段により取得した位置情報から少なくとも風向を推定し、計測開始地点の風上に前記無人航空機を移動させた後、前記無人航空機を自然風力によって水平移動させ、風上から計測開始地点を通過させた後計測終了地点まで移動させる、請求項１〜５のいずれかに記載の風向風速計測方法。
7. 高度を変更し、又は他の計測開始地点から繰り返し自然風力によって前記無人航空機を水平移動させ、風向及び／又は風速を計測する請求項１〜６のいずれかに記載の風向風速計測方法。
8. 飛行機能を制御する制御手段と、前記無人航空機の位置情報を取得する位置情報取得手段と、を備える無人航空機と、
   前記位置情報取得手段により取得した前記無人航空機の位置情報に基づいて風向及び／又は風速を算出する解析手段と、
   を備える風向風速計測システムであって、
   前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段により前記無人航空機の姿勢及び高度を一定に保ったまま前記無人航空機を計測開始地点から計測終了地点まで自然風力によって水平移動させ、前記位置情報取得手段により取得した無人航空機の少なくとも三点以上の位置情報と時刻情報とに基づいて前記解析手段により解析を行うことにより、風向及び／又は風速を算出する風向風速計測システム。
9. 前記無人航空機の移動速度が一定に達した後に各地点間の方位角及び／又は距離から風向及び／又は風速を算出する、請求項８に記載の風向風速計測システム。
10. 前記無人航空機が移動開始直後に風力を受けて加速されている間は数理モデルから風向及び／又は風速を算出する、請求項８又は９に記載の風向風速計測システム。
11. 前記無人航空機が、前記位置情報取得手段により取得した位置情報を時刻情報とともに記録する位置情報記録手段を備える、請求項８〜１０のいずれかに記載の風向風速システム。
12. 前記無人航空機を複数同時に飛行させ、前記無人航空機毎に風向及び又は風速を計測する、請求項８〜１１のいずれかに記載の風向風速計測システム。
13. 前記無人航空機を所望の高度に上昇させた後、前記制御手段による制御情報又は前記位置情報取得手段により取得した位置情報から少なくとも風向を推定し、計測開始地点の風上に前記無人航空機を移動させた後、前記無人航空機を自然風力によって水平移動させ、風上から計測開始地点を通過させた後計測終了地点まで移動させる、請求項８〜１２のいずれかに記載の風向風速計測システム。
14. 高度を変更し、又は他の計測開始地点から前記無人航空機を自然風力によって繰り返し水平移動させ、風向及び／又は風速を計測する請求項８〜１３のいずれかに記載の風向風速計測システム。