JP7401201B2

JP7401201B2 - 水底形状測定装置

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Publication number: JP7401201B2
Application number: JP2019111792A
Authority: JP
Inventors: 光男渋谷
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: JP2020204502A

Description

本発明は、水底形状測定装置に関する。

海底、湖底、河床などに対する浚渫作業や構造物の構築作業に際しては、海底、湖底、河床の底の水底形状を正確に測定することが必要である。
水底形状測定装置として、観測船から支持フレームを介してソナーを水中に配置し、ソナーによって測定した水底の３次元形状情報と、観測船に搭載したＧＰＳ測位装置で測位された測位情報に基づいて水底の形状を地球上の座標位置で示される水底形状情報として生成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
上記従来技術では、波浪による観測船の揺れによって生じる測定誤差を補正するために、観測船側に三次元位置センサを設けて観測船の三次元位置を取得すると共に、地上側にトータルステーションを設け、トータルステーションによって観測船の位置を測定して測位データを求め、これら観測船の三次元位置と測位データを用いて水底形状情報を補正するようにしている。

特開２０１０－３０３４０号公報

しかしながら、上記従来技術では、そもそも水底形状情報を得るために観測船と観測船を運行するための船舶免許資格者が必要となり、設備コスト、運用コストが高いものとなっている。
また、波浪による観測船の揺れによって生じる測定誤差を補正するために三次元位置センサ、トータルステーションといった装置が必要となり、また、測定誤差の補正を行なうための演算処理が必要となり、構成の簡素化、コストの低減を図る上で不利となる。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、コストを抑制しつつ構成の簡素化を図る上で有利な水底形状測定装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、水底の形状を測定する水底形状測定装置であって、遠隔制御される無人飛行体と、前記無人飛行体に支持部材を介して吊り下げられ水中に位置した状態で前記水底の３次元形状を測定し３次元形状情報を生成する３次元形状測定部と、前記無人飛行体に搭載され測位衛星から受信した測位信号に基づいて前記無人飛行体の位置を測位し測位情報として生成する測位部と、前記３次元形状情報および前記測位情報に基づいて前記水底の形状を地球上の座標位置で示される水底形状情報として生成する水底形状情報を生成する水底形状情報生成部とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記無人飛行体から離れた箇所に管理装置が設けられ、前記無人飛行体に無人飛行体側通信部が設けられ、前記管理装置に、前記水底形状情報生成部と、前記無人飛行体側通信部と無線回線により通信を行なう管理装置側通信部とが設けられ、前記水底形状情報生成部による前記水底形状情報の生成は、前記無線回線を介して供給される前記３次元形状情報および前記測位情報に基づいてなされることを特徴とする。
また、本発明は、前記３次元形状測定部は、超音波を前記水底に照射すると共に、前記水底からの反射波を受信し、前記受信波に基づいて前記３次元形状情報を生成するソナーを含んで構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記３次元形状測定部は、レーザー光を前記水底に照射すると共に、前記水底から反射された反射光を受信し、受信した反射光に基づいて前記３次元形状情報を生成するレーザー測定機を含んで構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記支持部材は、前記３次元形状測定部を前記飛行体に対して移動不能に支持していることを特徴とする。

本発明によれば、無人飛行体に支持部材を介して吊り下げた３次元形状測定部を水中に位置させて水底の３次元形状を測定し３次元形状情報を生成すると共に、測位部により無人飛行体の位置を測位し測位情報として生成し、それら３次元形状情報および測位情報に基づいて水底の形状を地球上の座標位置で示される水底形状情報として生成するようにした。
したがって、従来のようにソナーを設けた観測船が不要となるため、観測船と観測船を運行するための船舶免許資格者が必要となり、設備コスト、運用コストを低減する上で有利となる。
また、３次元形状測定部を支持する無人飛行体は、波浪の影響を受けることがなく、従来のように観測船の揺れを補正するための設備が不要となり、構成の簡素化、コストの低減を図る上で有利となる。
また、無人飛行体から離れた管理装置に水底形状情報生成部を設け、水底形状情報生成部による水底形状情報の生成を、無線回線を介して供給される３次元形状情報および測位情報に基づいて行なうようにすると、無人飛行体の省電力化、軽量化を図れることから、無人飛行体の飛行継続時間を確保でき、したがって、無人飛行体の一回の飛行によってより広い範囲の水底の３次元形状の測定を行なうことができ、測定の効率化を図る上で有利となる。
また、３次元形状測定部を、超音波を水底に照射すると共に、水底からの反射波を受信し、受信波に基づいて３次元形状情報を生成するソナーを含んで構成すると、水中の透明度の影響を受けることなく、正確な３次元形状情報を得る上で有利となり、水底形状情報の精度を確保する上で有利となる。
また、３次元形状測定部を、レーザー光を水底に照射すると共に、水底から反射された反射光を受信し、受信した反射光に基づいて３次元形状情報を生成するレーザー測定機を含んで構成すると、レーザー光が空気（大気）と水面との界面を通らないため、界面でレーザー光が散乱して光量が低下することが抑制されるので、より深度の大きな水底の水底形状情報を得る上で有利となる。
また、支持部材により３次元形状測定部を飛行体に対して移動不能に支持すると、波浪により３次元形状測定部が飛行体に対して相対的に揺れ動くことを抑制でき、３次元形状測定部による測定をより精度良く行なう上で有利となる。

実施の形態の水底形状測定装置の構成を示すブロック図である。無人飛行体によって３次元形状測定部が水中に配置された測定状態を示す説明図である。実施の形態の水底形状測定装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図１に示すように、本実施の形態の水底形状測定装置１０は、管理装置１２と、無人飛行体１４とを含んで構成されている。
管理装置１２は、水底２２（図２参照）の形状を測定する海、河川、湖などの近傍の地上に設けられている。
管理装置１２は、遠隔操作司令部１２Ａと、管理装置側通信部１２Ｂと、地図データベース部１２Ｃと、表示部１２Ｄと、管理装置側飛行制御部１２Ｅと、水底形状情報生成部１２Ｆと、情報処理部１２Ｇと、記憶部１２Ｈと、出力部１２Ｉとを含んで構成されている。

遠隔操作司令部１２Ａは、ジョイスティックなどの操作部材を作業者が操作することで無人飛行体１４を遠隔操作するための飛行体操作指令情報を生成するものである。
また、遠隔操作司令部１２Ａは、操作ボタンなどの操作部材を作業者が操作することで無人飛行体１４に搭載された測位部１４Ｄおよび３次元形状測定部１４Ｅの動作を開始させ、あるいは、停止させるための測位部１４Ｄの操作指令情報、３次元形状測定部１４Ｅの操作司令情報を生成するものである。
管理装置側通信部１２Ｂは、無線回線Ｎを介して無人飛行体１４と通信を行なうものであり、無人飛行体１４に飛行体操作指令情報、測位部１４Ｄの操作指令情報、３次元形状測定部１４Ｅの操作司令情報を送信し、無人飛行体１４から送信される画像情報、測位情報、３次元形状情報を受信するものであり、図中符号１２０２は管理装置側通信部１２Ｂのアンテナを示す。
なお、画像情報、測位情報、３次元形状情報については後で詳述する。

地図データベース部１２Ｃは、水底２２の形状を測定しようとする海、河川、湖などを含む地図情報を格納している。

表示部１２Ｄは、管理装置側通信部１２Ｂで受信された画像情報、３次元形状情報を表示するものである。
したがって、作業者は、表示部１２Ｄによって表示された画像情報、３次元形状情報に基づいて無人飛行体１４の遠隔操作を行なうことが可能となっている。
また、表示部１２Ｄは、管理装置側通信部１２Ｂで受信された測位情報に基づいて、地図データベース部１２Ｃに格納されている地図情報を読み出して表示すると共に、無人飛行体１４の現在位置を表示部１２Ｄの表示画面上に表示された地図の上に表示するように構成されている。
したがって、作業者は、表示部１２Ｄによって表示された地図と無人飛行体１４の現在位置とに基づいて無人飛行体１４の遠隔操作を行なうことが可能となっている。

管理装置側飛行制御部１２Ｅは、作業者の遠隔操作に代えて、管理装置側通信部１２Ｂで受信された測位情報と、予め定められた飛行ルートとに基づいて無人飛行体１４を上記飛行ルートに沿って自動制御により飛行させるものである。
すなわち、地図データベース部１２Ｃの地図情報に基づいて、無人飛行体１４を測定すべき水底２２に沿って飛行するような飛行コースを設定しておき、管理装置側飛行制御部１２Ｅによって測位情報と飛行コースに基づいて飛行体操作指令情報を生成し、飛行体操作指令情報を管理装置側通信部１２Ｂから無線回線Ｎを介して飛行体側通信部１４Ａに送信し、飛行体操作指令情報を飛行体側飛行制御部１４Ｃに与えることで、無人飛行体１４を自動制御することができる。

水底形状情報生成部１２Ｆは、管理装置側通信部１２Ｂで受信された３次元形状情報および測位情報に基づいて水底２２の形状を地球上の座標位置で示される、言い換えると、３次元座標で示される水底形状情報として生成するものである。

情報処理部１２Ｇは、水底形状情報を演算処理することで、水底２２の形状を示す断面図、斜視図、等深線図などを生成するものである。
本実施の形態では、表示部１２Ｄによる水底形状情報の表示は、情報処理部１２Ｇによって生成された水底２２の形状を示す断面図、斜視図、等深線図などを表示することでなされる。

記憶部１２Ｈは、水底形状情報生成部１２Ｆで生成された水底形状情報、情報処理部１２Ｇで生成された水底２２の形状を示す断面図、斜視図、等深線図などを格納するものである。
出力部１２Ｉは、記憶部１２Ｈに記憶された水底形状情報や断面図、斜視図、等深線図などを出力するものであり、例えば、メモリカードなどの半導体記録媒体にそれら水底形状情報や図を記録し、あるいは、ネットワークを介して端末装置にそれら水底形状情報や図を送信したり、あるいは、プリンタを用いて紙媒体にそれら水底形状情報や図を印刷したりするものである。

無人飛行体１４は、図２に示すように、飛行体本体１６と、飛行体本体１６に設けられた複数のロータ１８と、ロータ１８毎に設けられロータ１８を回転駆動する複数のモータ（不図示）とを備えている。
さらに、無人飛行体１４は、図１に示すように、飛行体側通信部１４Ａ、撮像部１４Ｂ、飛行体側飛行制御部１４Ｃ、測位部１４Ｄ、３次元形状測定部１４Ｅを含んで構成されている。

飛行体側通信部１４Ａは、管理装置１２の管理装置側通信部１２Ｂと無線回線Ｎを介して通信を行なうものであり、撮像部１４Ｂで撮像された画像情報、測位部１４Ｄで生成された測位情報、３次元形状測定部１４Ｅで生成された３次元形状情報を、管理装置側通信部１２Ｂに送信すると共に、管理装置側通信部１２Ｂから無人飛行体１４操作指令情報を受信するものである。図中符号１４０２は飛行体側通信部１４Ａのアンテナを示す。

撮像部１４Ｂは、無人飛行体１４の周囲を撮像して画像情報を生成するものである。
飛行体側飛行制御部１４Ｃは、管理装置側通信部１２Ｂから無線回線Ｎを介して飛行体側通信部１４Ａに送信された飛行体操作指令情報に基づいて各ロータ１８を回転制御することで、無人飛行体１４を飛行させるものである。
測位部１４Ｄは、飛行体本体１６に搭載され測位衛星から受信した測位信号に基づいて無人飛行体１４の位置を測位し測位情報として生成するものである。
このような測位衛星は、GPS、GLONASS、Galileo、準天頂衛星（QZSS）等のGNSS(Global Navigation Satellite System：全球測位衛星システム)で用いられるものであり、それら測量システムで使用される測位衛星の１つを用いてもよく、あるいは、２つ以上の測位衛星を組み合わせて用いても良い。

３次元形状測定部１４Ｅは、飛行体本体１６に支持部材２０を介して吊り下げられ水中に位置した状態で水底２２の３次元形状を測定し３次元形状情報を生成するものである。
図２に示すように、支持部材２０は、例えば、リジッドな金属製のロッドあるいはフレームで構成され、３次元形状測定部１４Ｅを飛行体本体１６に対して移動不能に支持している。
なお、ロッドやフレームに代えて可撓可能なワイヤやロープを用いてもよいが、ロッドあるいはフレームを用いて３次元形状測定部１４Ｅを飛行体本体１６に対して移動不能に支持すると、波浪により３次元形状測定部１４Ｅが飛行体本体１６に対して相対的に揺れ動くことを抑制でき、３次元形状測定部１４Ｅによる測定をより精度良く行なう上でより有利となる。

３次元形状測定部１４Ｅとして、超音波を用いるソナー、あるいは、レーザー光を用いるレーザー測定機を用いることができる。
ソナーは、超音波を水底２２に照射すると共に、水底２２からの反射波を受信し、受信波に基づいて３次元形状情報を生成するものである。
ソナーとして、単一のビーム状の超音波２６を水底２２に向かってスキャン（走査）するもの、あるいは、広がりを持った複数のビーム状の超音波２６（マルチビーム）を同時に水底２２に向かって照射するものの何れを用いても良く、このようなソナーとして従来公知の様々なソナーが使用可能である。

レーザー測定機は、レーザー光を水底２２に照射すると共に、水底２２から反射された反射光を受信し、受信した反射光に基づいて３次元形状情報を生成するものである。
レーザー測定機として、従来公知の単一のレーザー光２８を水底２２に向かってスキャン（走査）するものを使用することができる。
なお、形状測定に使用するレーザー光２８としてはグリーンレーザーが用いられることが多く、これは、グリーンレーザーが水によって吸収されにくく水底２２まで確実に届き、水底２２からの反射光の強度を確保できるためである。

次に、図３のフローチャートを参照して水底形状測定装置１０の動作について説明する。
まず、作業者は、管理装置１２の遠隔操作司令部１２Ａを操作することにより、無人飛行体１４を所定の待機場所から飛行させ、表示部１２Ｄに表示される無人飛行体１４周囲の画像情報を視認しつつ、水底形状を測定する海、湖、河川の箇所に無人飛行体１４を飛行させる（ステップＳ１０）。
そして、表示部１２Ｄに表示される無人飛行体１４周囲の画像情報を視認しつつ、無人飛行体１４を水面２４に向けて降下させ、３次元形状測定部１４Ｅを空中から水中に移動させ、３次元形状測定部１４Ｅが水面２４から所定の深さに位置させた状態でホバリングさせその状態を維持する（ステップＳ１２）。
次いで、作業者は、管理装置１２の遠隔操作司令部１２Ａを操作することにより、測位部１４Ｄおよび３次元形状測定部１４Ｅの動作を開始させる（ステップＳ１４）。
これにより、測位部１４Ｄで生成された測位情報および３次元形状測定部１４Ｅで生成された３次元形状情報が無線回線Ｎを介して無人飛行体１４から管理装置１２の水底形状情報生成部１２Ｆに送信され（ステップＳ１６）、水底形状情報生成部１２Ｆにより水底形状情報が生成される（ステップＳ１８）。
さらに作業者は、表示部１２Ｄに表示される画像情報、水底２２の形状を示す断面図、斜視図、等深線図などを視認しつつ、まだ、形状測定がなされてない水底２２の形状測定ができるように、遠隔操作司令部１２Ａを操作することにより、無人飛行体１４を水平方向に飛行させ、測定箇所を移動させる（ステップＳ２０）。
そして、作業者は、表示部１２Ｄに表示される画像情報、水底２２の形状を示す断面図、斜視図、等深線図などを視認することで、形状測定すべき水底２２の領域の全域にわたって測定が終了したか否かを判断する（ステップＳ２２）。
ステップＳ２２が否定ならばステップＳ１６に戻り同様の動作を行なう。
ステップＳ２２が肯定ならば、作業者は遠隔制御により無人飛行体１４を上昇させ、３次元形状測定部１４Ｅを水中から空中に引き上げ、表示部１２Ｄに表示される画像を視認しつつ、無人飛行体１４を所定の待機場所に向かって飛行させ、待機場所に着陸させる（ステップＳ２４）。
そして、記憶部１２Ｈに格納されていた水底２２の領域の全域の水底形状情報が出力部１２Ｉから出力され（ステップＳ２６）、一連の測定動作が終了する。

以上説明したように本実施の形態によれば、無人飛行体１４に支持部材２０を介して吊り下げた３次元形状測定部１４Ｅを水中に位置させて水底２２の３次元形状を測定し３次元形状情報を生成すると共に、測位部１４Ｄにより無人飛行体１４の位置を測位し測位情報として生成し、それら３次元形状情報および測位情報に基づいて水底形状情報生成部１２Ｆにより水底２２の形状を地球上の座標位置で示される水底形状情報として生成するようにした。
したがって、従来のようにソナーを設けた観測船が不要となるため、観測船と観測船を運行するための船舶免許資格者が必要となり、設備コスト、運用コストを低減する上で有利となる。
また、３次元形状測定部１４Ｅを支持する無人飛行体１４は、水面２４から離れた水面２４の上方に位置しているので、波浪の影響を受けることがなく、従来のように観測船の揺れを補正するための三次元位置センサやトータルステーションといった設備が不要となり、構成の簡素化、コストの低減を図る上で有利となる。

なお、水底形状情報生成部１２Ｆを無人飛行体１４に設け、水底形状情報生成部１２Ｆで生成された水底形状情報を無線回線Ｎを介して無人飛行体１４から離れた管理装置１２へ送信するようにしてもよい。
しかしながら、本実施の形態のように、無人飛行体１４から離れた管理装置１２に水底形状情報生成部１２Ｆを設け、水底形状情報生成部１２Ｆによる水底形状情報の生成を、無線回線Ｎを介して供給される３次元形状情報および測位情報に基づいて行なうようにすると、無人飛行体１４に水底形状情報生成部１２Ｆを設ける場合に比較して、無人飛行体１４の省電力化、軽量化を図れることから、無人飛行体１４の飛行継続時間を確保でき、したがって、無人飛行体１４の一回の飛行によってより広い範囲の水底２２の３次元形状の測定を行なうことができ、測定の効率化を図る上で有利となる。

また、本実施の形態では、３次元形状測定部１４Ｅを、超音波２６を水底２２に照射すると共に、水底２２からの反射波を受信し、受信波に基づいて３次元形状情報を生成するソナーを含んで構成したので、海、湖、河川などの水中の透明度の影響を受けることなく、正確な３次元形状情報を得る上で有利となり、水底形状情報生成部１２Ｆにより得られる水底形状情報の精度を確保する上で有利となる。

また、本実施の形態では、３次元形状測定部１４Ｅを、レーザー光２８を水底２２に照射すると共に、水底２２から反射された反射光を受信し、受信した反射光に基づいて３次元形状情報を生成するレーザー測定機を含んで構成した。
したがって、レーザー測定機が空中から水中に照射される場合に比較して、レーザー光２８が空気（大気）と水面２４との界面を通らないため、界面でレーザー光２８が散乱して光量が低下することが抑制されるので、より深度の大きな水底２２の水底形状情報を得る上で有利となる。

なお、本実施の形態では、作業者が無人飛行体１４を遠隔制御する場合について説明したが、前述したように、自動制御により無人飛行体１４を予め定められた飛行コースを飛行させ、飛行コースに沿った水底２２の水底形状情報を得るようにしてもよく、その場合は、省人化を図りつつ水底形状の測定を効率的に行なう上で有利となる。

１０水底形状測定装置
１２管理装置
１４無人飛行体
１２Ｂ管理装置側通信部
１２Ｆ水底形状生成部
１４Ａ飛行体側通信部
１４Ｄ測位部
１４Ｅ３次元形状測定部
２０支持部材
２２水底
２６超音波
２８レーザー光
Ｎ無線回線

Claims

水底の形状を測定する水底形状測定装置であって、
遠隔制御される無人飛行体と、
前記無人飛行体に支持部材を介して吊り下げられ水中に位置した状態で前記水底の３次元形状を測定し３次元形状情報を生成する３次元形状測定部と、
前記無人飛行体に搭載され測位衛星から受信した測位信号に基づいて前記無人飛行体の位置を測位し測位情報として生成する測位部と、
前記３次元形状情報および前記測位情報に基づいて前記水底の形状を地球上の座標位置で示される水底形状情報として生成する水底形状情報生成部とを備え、
前記支持部材は、水面の上方における前記無人飛行体の飛行状態で、水中において前記３次元形状測定部を前記無人飛行体に対して移動不能に支持している、
ことを特徴とする水底形状測定装置。
前記無人飛行体から離れた箇所に管理装置が設けられ、
前記無人飛行体に無人飛行体側通信部が設けられ、
前記管理装置に、前記水底形状情報生成部と、前記無人飛行体側通信部と無線回線により通信を行なう管理装置側通信部とが設けられ、
前記水底形状情報生成部による前記水底形状情報の生成は、前記無線回線を介して供給される前記３次元形状情報および前記測位情報に基づいてなされる、
ことを特徴とする請求項１記載の水底形状測定装置。
前記３次元形状測定部は、超音波を前記水底に照射すると共に、前記水底からの反射波を受信し、前記受信波に基づいて前記３次元形状情報を生成するソナーを含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の水底形状測定装置。
前記３次元形状測定部は、レーザー光を前記水底に照射すると共に、前記水底から反射された反射光を受信し、受信した反射光に基づいて前記３次元形状情報を生成するレーザー測定機を含んで構成されている、
ことを特徴とする請求項１または２記載の水底形状測定装置。
前記３次元形状測定部が前記無人飛行体の真下に位置するように、前記支持部材は、前記３次元形状測定部を支持している、
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の水底形状測定装置。