JP6950389B2

JP6950389B2 - 計測装置及び計測方法

Info

Publication number: JP6950389B2
Application number: JP2017175811A
Authority: JP
Inventors: 小野　英雄; 英雄小野; 孝義沼崎; 裕作青山
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019052882A

Description

本発明は、風向を計測する風向計を備えた計測装置及びこの計測装置の計測方法に関する。

従来、局地的な短時間の集中豪雨や突風等の気象条件を把握するために、気象計を細かく設置し、正確な気象情報を提供するシステムが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１に記載の観測情報提供システムでは、各地に設置された気象計からの気象情報を集約して、コンピュータからのアクセスに応じて、リアルタイムで気象情報を提供する。

また、このシステムに用いられる気象計は、雨滴センサ、日照センサ、超音波風向風速センサ、気圧センサ、温度センサ及び湿度センサを備えている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の気象計では、可動部をなくすことにより、メンテナンスの容易化、低コスト化が図られている。

このような風の向きや速度を測る計測器は、平らな開けた場所に独立した塔や支柱を立てて設置することが理想とされている（例えば、非特許文献２参照。）。この非特許文献２には、理想的な環境に設置できない場合には、最寄りの建物や樹木等から距離をおいて設置したり、高い場所に取り付けたりして、風の乱れが観測にできるだけ影響しないように設置することが記載されている。

特開２０１５−２１０１３２号公報

明星電気「ＰＯＴＥＫＡについてＭＥＩＳＥＩ［ＰＯＴＥＫＡポテカ］超高密度気象観測システム」、［online］、［平成２９年８月１４日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：http://www.meisei.jp/poteka/about/poteka.html＞国土交通省気象庁、「風向風速計／観測環境」、［online］、［平成２９年８月１４日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/kansoku_guide/c2.html＞

このような計測装置を移動体に設置することも考えられる。例えば、建設に用いられるタワークレーンの上端部は、周囲の建物よりも高いことが多い。このため、建物による風の乱れの影響を受け難く、タワークレーンの上端部に風向計等を取り付けることは理想的である。しかしながら、非特許文献１で用いられる風向計は、北向きに設置することが設置条件になっている。このため、タワークレーンのような移動体に風向計を設置した場合、風向計の向きが変わり、設置条件を満足せず、風向を的確に測定することは難しかった。

・上記課題を解決する計測装置は、第１方位に向けて設定されて風向を計測する風向計を備え、移動体に回転可能に設けられた計測装置であって、前記風向計を旋回させる回動部と、第２方位を検出する方位センサと、前記第２方位に基づいて前記風向計の現在方位を算出し、前記現在方位が前記第１方位を示す方位範囲外であることを検出した場合、前記現在方位が前記方位範囲内になるように、前記回動部を駆動する制御部とを備える。

本発明によれば、移動体に設置しても、風向を的確に測定することができる。

本実施形態の気象観測装置を説明する図であり、（ａ）は気象観測装置を設置したタワークレーンを説明する正面図、（ｂ）は気象観測装置の斜視図。本実施形態の気象観測装置の基台の上面図。本実施形態の気象観測装置の電気的構成を説明する説明図。

以下、図１〜図３を用いて、風向を計測する風向計を備えた計測装置及び計測方法を具体化した一実施形態を説明する。
本実施形態では、図１（ａ）に示すように、計測装置としての気象観測装置２０を、移動体としてのタワークレーン１０の運転室１５の屋根上に設置する。
そして、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、風向計としての気象計２８は、例えば、明星電気株式会社製のＰＯＴＥＫＡ（登録商標）を用いる。

以下、各構成を具体的に説明する。
図１（ａ）に示すように、気象観測装置２０をタワークレーン１０上に設置する。このタワークレーン１０は、マスト１１、このマスト１１の上に取り付けた昇降装置１３、旋回フレーム１４及び運転室１５を備える。旋回フレーム１４及び運転室１５がタワークレーン１０の旋回部として機能する。運転室１５は、箱形形状をしている。そして、気象観測装置２０を、この運転室１５の屋根の上に設置する。なお、この気象観測装置２０は、任意の位置に設置されており、本実施形態では、旋回フレーム１４の回転中心から、ずれた位置に配置されている。

図１（ｂ）に示すように、気象観測装置２０は、基台２１、回転テーブル２２、支持部としてのポール２３、制御ユニット２５及び気象計２８を備えている。
図２に示すように、基台２１は、筐体３０、駆動筒３１、ギア３２、減速部３３、駆動モータ３５及びモータドライバ３８を備えている。筐体３０は、非磁性材料で構成され、駆動筒３１、ギア３２、減速部３３、駆動モータ３５及びモータドライバ３８を内蔵している。

駆動筒３１は、回転テーブル２２の底面に取り付けられている。この駆動筒３１には、軸を介してギア３２が取り付けられている。ギア３２には、減速部３３のピニオンギアが噛み合っている。減速部３３は、ピニオンギア及びギアが取り付けられた取付軸を備えている。減速部３３のギアには、駆動モータ３５の回転軸に取り付けられたピニオンギア３６が噛み合っている。本実施形態の駆動モータ３５は、逆回転可能なステッピングモータである。駆動モータ３５は、モータドライバ３８の制御信号によって制御される。この駆動モータ３５の回転軸の回転は、減速部３３のギア、取付軸、ピニオンギア、ギア３２、中心軸を介して、駆動筒３１に減速されて伝達される。

図１（ｂ）に示すように、基台２１の上面には、回転テーブル２２が配置されている。この回転テーブル２２は、基台２１の駆動筒３１の上面に固定されており、駆動筒３１とともに回動する。

回転テーブル２２の上には、ポール２３が固定されて立設されている。このため、ポール２３は、回転テーブル２２とともに回動する。また、このポール２３は、非磁性体で構成されている。

ポール２３の中央部には、制御ユニット２５が設けられている。この制御ユニット２５は、タワークレーン１０の運転室１５の屋根から１ｍ程度離間した位置に配置されている。制御ユニット２５は、非磁性材料で構成される筐体内に収容された磁方位センサ、操作部及び制御部を備えている。これら制御ユニット２５の内部構成の詳細については、後述する。なお、制御ユニット２５の制御部は、有線２４を介して、基台２１のモータドライバ３８に接続されている。

ポール２３の上端部には、取付部材２７を介して、気象計２８が取り付けられている。この気象計２８は、風の向き（風向）を計測する風向計や風の速度（風速）を計測する風速計を備えている。これら風向計や風速計の構成の詳細については、後述する。

上述したように、本実施形態では、基台２１に内蔵される駆動筒３１、ギア３２、減速部３３及び駆動モータ３５と、回転テーブル２２及びポール２３が、気象計２８（風向計）を旋回させる回動部として機能する。

次に、本実施形態の気象観測装置２０の電気的構成について説明する。
図３に示す操作部４４は、制御部４６の起動制御を入力するために用いる。
磁方位センサ４５は、第２方位（本実施形態では「北」）を検出する。
制御部４６は、風向を計測する場合の風向計２８１の設置条件に関する情報を記憶している。本実施形態では、この設置条件には、風向計２８１を設置する第１方位（基準方位）に関する情報が含まれる。本実施形態では、この第１方位として、第２方位と同じ「北」を用いる。この第１方位は、磁方位センサ４５が検出する第２方位に基づいて特定される。

第１方位には、不感帯（方位変化があっても旋回指示を行なわない方位範囲）が設定されている。本実施形態では、この不感帯として、第１方位を中心として１周を１６方位に分割した２２．５度の角度範囲（第１方位の左右に１１．２５度の角度範囲）を記憶している。

制御部４６は、基台２１内のモータドライバ３８を介して駆動モータ３５を制御する。この場合、制御部４６は、磁方位センサ４５において検知した第２方位を用いて、現在方位（現時点で向いている方位）を特定し、現在方位が第１方位の方位範囲内にあるように駆動モータ３５を制御する旋回制御処理を実行する。

気象計２８は、風向計２８１、風速計２８２及び通信部２８５を備えている。この風向計２８１は、風向計２８１が北向きに設置された状態における風向を計測する。風速計２８２は、超音波によって風速を計測する。通信部２８５は、気象情報収集システム５０の通信部５１と通信を行なう。この通信部２８５は、例えば、１分間に１回、計測した風向及び風速を気象情報収集システム５０に送信する。

気象情報収集システム５０は、通信部５１、管理部５５及び観測データ記憶部５６を備えている。気象情報収集システム５０の管理部５５は、気象観測装置２０の位置座標（経度や緯度等の場所を特定する情報）に関するデータを記憶している。そして、管理部５５は、通信部５１を介して気象観測装置２０から取得した風向及び風速を、取得した気象観測装置２０の位置座標データ及び取得した日時とともに、観測データ記憶部５６に記憶する。

次に、気象観測装置２０の制御部４６の旋回制御処理について説明する。
図３に示すように、気象観測装置２０の磁方位センサ４５は、第２方位（北の方位）を検出し、制御部４６に供給する。

操作部４４により気象観測装置２０を起動した場合、気象観測装置２０の制御部４６は、現在方位が不感帯内か否かについての判定処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、制御部４６は、磁方位センサ４５から第２方位に関する検出信号を取得する。そして、制御部４６は、第２方位に基づいて（第２方位との角度差から）現在方位を継続的に算出する。

ここで、現在方位が不感帯内の場合（ステップＳ１において「ＹＥＳ」の場合）には、次の磁方位センサ４５からの検出信号の取得を待機する。
一方、現在方位が不感帯外となったと判定した場合（ステップＳ１において「ＮＯ」の場合）、制御部４６は、現在方位が不感帯内となるように旋回指示処理を実行する（ステップＳ２）。具体的には、制御部４６は、不感帯まで最小角度で回転する方向での旋回指示を、モータドライバ３８を介して駆動モータ３５に供給する。例えば、不感帯までの角度が１０度と３５０度の場合には、最小角度として１０度で回転する方向での旋回指示を供給する。そして、駆動モータ３５は、指示された方向に回転軸を回転させる。この回転軸の回転力は、減速部３３、ギア３２及び駆動筒３１を介して回転テーブル２２を回転させ、回転テーブル２２に立設されたポール２３を介して気象計２８を旋回させる。

そして、ステップＳ１からの処理を繰り返す。この旋回は、現在方位が不感帯に入るまで、継続される。そして、制御部４６は、現在方位が不感帯内と判定した場合（ステップＳ１において「ＹＥＳ」の場合）、気象計２８の旋回を停止し、次の磁方位センサ４５からの検出信号の取得を待機する。以上により、タワークレーン１０の運転室１５が作業に応じて旋回しても、気象計２８の風向計２８１の設置方向は、第１方位の方位範囲内を保持する。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、気象観測装置２０の制御部４６は、現在方位が不感帯外であると判定した場合、現在方位が不感帯内に含まれるように、回転テーブル２２を回動させる。これにより、旋回するタワークレーン１０上に気象計２８を設置した場合にも、気象計２８の風向計２８１の設置条件を満足するように維持するので、風向を的確に計測することができる。また、制御部４６は、風向計２８１の方位を調整するので、効率的に設置を行なうことができる。
（２）本実施形態では、第１方位に、不感帯（方位範囲）を設定する。第１方位に幅を持たせることにより、回転テーブル２２の回動制御においてチャタリングの発生を抑制することができる。

（３）本実施形態では、制御部４６は、旋回指示処理において、不感帯まで最小角度で回転する方向での旋回指示を、モータドライバ３８を介して駆動モータ３５に供給する。これにより、迅速に北に向きを戻すことができる。更に、回動した方向と反対方向に旋回して戻すことになるため、制御ユニット２５と基台２１のモータドライバ３８とを接続する有線２４の巻き付き（捩じれ）を少なくすることができる。

（４）本実施形態では、磁方位センサ４５を内蔵する制御ユニット２５の筐体やこれを取り付けたポール２３は、非磁性体で構成される。更に、この磁方位センサ４５は、タワークレーン１０の運転室１５の屋根から１ｍ程度離間して配置される。これにより、周囲の磁性体の影響を少なくすることができる。
また、気象計２８における計測間隔に対して、タワークレーン１０の旋回速度は緩やかである。このため、タワークレーン１０の旋回に対して、気象計２８は、ほぼ一定方向（常に北）を向いた状態で風向を計測することができる。

また、本実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態において、制御部４６は、第１方位の方位範囲として、１６方位において北に属する範囲を設定した。第１方位の方位範囲は、これに限定されず、例えば３２方位において北に属する範囲を設定してもよい。また、更に細かい範囲を設定してもよい。

・上記実施形態では、気象観測装置２０は、磁方位センサ４５が検出する第２方位を、制御部４６に供給した。気象観測装置２０に用いられる方位センサは、磁方位センサに限られず、例えば、ジャイロ方位センサや複数のＧＰＳセンサ等、一定の方位（第２方位）を検出する方位センサであればよい。更に、方位センサが検出する第２方位は、北の方位に限定されない。風向計２８１の向きが第１方位の方位範囲内にあるように制御部４６が回動部を制御できれば、第２方位は、どのような方位であってもよい。

・上記実施形態では、計測装置としての気象観測装置２０は、駆動モータ３５を含む回動部によって、気象計２８を旋回させた。気象計２８を旋回させる駆動源は、駆動モータ３５に限定されず、例えば、アクチュエータ等によって気象計２８を旋回させてもよい。

・上記実施形態においては、制御部４６は、不感帯の範囲までが最小角度となる旋回方向に旋回するように、逆回転可能な駆動モータ３５を制御した。駆動モータ３５は一方向にしか回転しない駆動モータ３５を用いてもよい。この場合、制御部４６とモータドライバ３８とを接続する有線２４を、スリップリングを介して設ける。このスリップリングは、回転可能なリング部と、このリング部の外周において常時接触するブラシ部とを備える。リング部は、回動する制御部４６に有線を介して接続される。ブラシ部は、固定されたモータドライバ３８に接続される。これにより、一方向に回転しても、有線２４の捩じれを少なくすることができる。

更に、風向計２８１を取り付けるタワークレーン１０（移動体）の旋回速度に応じて、風向計２８１が旋回する旋回速度（駆動モータの回転速度）を制御してもよい。この場合、制御部４６は、現在方位が不感帯（所定の方位範囲）から外れたことを検出した場合、不感帯に戻るように、タワークレーン１０の旋回速度に対応した回転速度で駆動モータを駆動する。これにより、タワークレーン１０の旋回に応じて、この旋回方向とは逆方向で風向計を旋回させるため、制御部４６とモータドライバ３８とを接続する有線２４の捩じれを抑制することができる。

・上記実施形態では、計測装置としての気象観測装置２０を、タワークレーンの運転室の屋根上に取り付けた。計測装置が取り付けられる移動体は、計測装置の設置場所が移動する物であれば、タワークレーンに限られない。例えば、直進運動や回転運動を行なう車や船等の乗り物等の移動体に、計測装置を取り付けてもよい。この場合、走者に伴走する自動車に計測装置を設けて、この自動車の風向及び風速を計測してもよい。そして、自動車の進行方向及び速度との差分から、風向や風速を算出して出力する。

１０…タワークレーン、１１…マスト、１３…昇降装置、１４…旋回フレーム、１５…運転室、２０…気象観測装置、２１…基台、２２…回転テーブル、２３…ポール、２４…有線、２５…制御ユニット、２７…取付部材、２８…気象計、３０…筐体、３１…駆動筒、３２…ギア、３３…減速部、３５…駆動モータ、３６…ピニオンギア、３８…モータドライバ、４４…操作部、４５…磁方位センサ、４６…制御部、５０…気象情報収集システム、５１，２８５…通信部、５５…管理部、５６…観測データ記憶部、２８１…風向計、２８２…風速計。

Claims

第１方位に向けて設定されて風向を計測する風向計を備え、移動体に回転可能に設けられた計測装置であって、
前記風向計を旋回させる回動部と、
第２方位を検出する方位センサと、
前記移動体の移動時に、前記第２方位に基づいて前記風向計の向きを継続的に算出し、前記風向計の向きが前記第１方位を示す方位範囲外であることを検出した場合、前記風向計の向きが前記第１方位の方位範囲内に保持して風向を計測するように、前記回動部を駆動する制御部とを備えたことを特徴とする計測装置。
前記制御部は、前記風向計の向きが前記方位範囲外の場合、前記風向計が前記方位範囲まで最小角度で旋回するように、前記回動部を駆動することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記方位センサには、磁方位センサを用い、
非磁性体により構成され、前記磁方位センサを取り付けた支持部により、前記回動部と前記風向計とを連結したことを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
前記移動体は、タワークレーンの旋回部であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の計測装置。
第１方位に向けて設定されて風向を計測する風向計を備え、移動体に回転可能に設けられた計測装置の計測方法であって、
前記移動体の移動時に、方位センサが検出する第２方位に基づいて前記風向計の向きを継続的に算出し、前記風向計の向きが前記第１方位を示す方位範囲外であることを検出した場合、前記風向計の向きが前記第１方位の方位範囲内に保持して風向を計測するように、前記風向計を回動させて、風向を計測することを特徴とする計測方法。