JP7421212B2 - 大気環境測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、大気の状態を複数の箇所で測定する大気環境測定方法に関する。

大気環境の評価において測定する対象として、例えば粉塵に対応したＰＭ_２．５（直径２．５μｍ以下の微小粒子状物質）濃度がある。この測定は、地上における様々な箇所のみならず、上空においても同様に様々な箇所でも行われる。このためには、このような測定を行うセンサ（環境センサ）を搭載した有人の航空機や無人飛行体（ドローン）が用いられる。この場合、特許文献１に記載されるように、アクチュエータによって取り込まれた空気中のＰＭ_２．５等を測定する環境センサが用いられる。

また、大気環境の評価のためには、この環境センサによる測定結果を一定の範囲にわたる３次元分布として得ることが必要な場合もあり、かつこの測定結果を例えば１時間以内の短い時間間隔（例えば数秒間隔）で得ることが必要な場合もある。このため、特許文献２には、上記のような環境センサを塔載した複数のドローンの隊列を制御して、大気環境の測定を行う技術が記載されているこの場合においては、各ドローンは自動自律飛行するように設定され、自身の位置を認識することによって、３次元空間中における所望の形態の隊列を一定時間維持してホバリングするように設定され、その間に測定が行われる。この隊列のパターンとしては、様々な形態のものを設定することができ、これに応じてこの隊列が形成される空間領域中の測定結果の分布が測定される。

この場合においては、各ドローンにおいて、上記の環境センサの他に、気象条件（気温、湿度、気圧、風向等）を測定するためのセンサも搭載され、これらの測定結果を記憶する記憶装置も搭載される。各ドローンは自動自律制御により飛行するため、ＧＰＳ信号等を用いて認識された自身の位置情報や、この飛行のために必要なデータも、この記憶装置に記憶される。各ドローンにおける上記の環境センサによる測定結果は、上記の気象条件や位置情報等と共に、地上に送信される。

特開２０１９－０２７７７８号公報 特開２０１９－１９６０４７号公報

上記のような大気環境の評価として、例えば野焼き（野外での焼却作業）によって発生した微小粒子状物質（例えばＰＭ_２．５）の評価がある。この場合においては、予め定められた地点ではなく、風向きや状況に応じた様々な地点（場所、高度）においてこの測定を行うことによって、例えばこの浮遊粒子の発生箇所を推定することができる。この際、風速（大気の流れの速度）が大きい場合には、発生箇所の位置精度を高くするためには、測定の時間分解能が高い（時間間隔が短い）ことが要求され、例えば数秒間隔でこの測定を行う必要がある場合もある。

特許文献２に記載の技術においては、多数のドローンが同時に制御されて隊列が形成された上で測定が行われるため、このような状況に応じて臨機応変に、かつ短い時間間隔で測定を行う用途には適さなかった。また、このような機能を有する自動自律飛行型のドローンの構成は複雑となり、消費電力が大きくなるため、飛行時間（測定可能時間）も短くなった。

このため、３次元空間内の様々な箇所において高い時間分解能で大気環境を測定できる技術が求められた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の大気環境測定方法は、大気における環境特性を測定する大気環境測定方法であって、前記環境特性を測定する環境センサと、伝送距離が１０００ｍ以下である近距離無線通信によって双方向通信を行う通信部と、自身の位置情報を認識する位置認識部と、複数の場所において得られた前記環境センサの測定結果と、対応する前記位置情報をそれぞれ記憶する記憶部と、を搭載した無人飛行体を、地上に配置された地上局との間の距離が前記伝送距離を超える範囲を含む３次元空間中の一定の領域内を飛行させ、前記通信部が前記地上局と通信可能な距離にあるときに、前記地上局に対して、前記記憶部に記憶された複数の前記測定結果及び対応する前記位置情報を一括して前記通信部によって送信することによって、前記地上局において、前記環境特性の前記領域内の分布を認識することを特徴とする。
本発明の大気環境測定方法は、気象条件を測定する気象計測センサを前記無人飛行体に搭載し、前記環境センサの測定結果及び対応する前記位置情報と共に、対応する前記気象計測センサの測定結果である気象計測結果を前記記憶部に記憶させ、前記通信部が前記地上局と通信可能な距離にあるときに、記憶された前記気象計測結果を前記地上局に対して前記通信部によって送信することを特徴とする。
本発明の大気環境測定方法において、前記環境センサは、大気中の微小粒子状物質濃度を測定することを特徴とする。
本発明の大気環境測定方法において、前記通信部は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４に準拠して動作することを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、３次元空間内の様々な箇所において高い時間分解能で大気環境を測定することができる。

本発明の実施の形態に係る大気環境測定方法において用いられるドローンと地上局の関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る大気環境測定方法においてドローンに搭載される搭載機器の構成を示す図である。

本発明の実施の形態に係る大気環境測定方法について説明する。この大気環境測定方法においては、特許文献２に記載の技術と同様に、ドローン（無人飛行体）と、これに搭載された環境センサが用いられる。

図１は、この大気環境測定方法において用いられるドローンＤと地上の１点に固定された単一の地上局１００等の関係を示す。地上局１００と接続されたモニター装置１１０によって、ドローンＤ側の測定結果を認識し、これをディスプレイ等を用いて表示させることができる。ドローンＤは白矢印で図示されるように空中の地点Ａ→地点Ｂ→地点Ｃ間を移動し、その飛行の制御は地上から行われる。特許文献２に記載の技術とは異なり、地上からその飛行状況が制御できる限りにおいて、ドローンＤは自動自律飛行型である必要はない。ドローンＤの飛行の制御は地上局１００から行ってもよく、他の設備から行ってもよい。ただし、この飛行の制御は本願発明とは無関係であり、かつ周知の構成要素によるために、これに関わる構成要素の記載は図１、２においては省略されている。

特許文献２に記載の技術では、多数のドローンの隊列によって測定結果の３次元空間分布が得られたが、この大気環境測定方法においては、搭載機器１が搭載された単体のドローンＤを所望の上記の経路で飛行させることによって測定結果の３次元空間分布が得られる。

図２は、搭載機器１の構成を示す図である。ここで、ドローンＤの飛行の制御のための構成要素は周知のものであるために、その記載は除外され、大気環境の測定に関する構成要素のみが記載されている。

ここでは、測定対象となるのは大気のＰＭ_２．５であるため、ＰＭ_２．５を検知する環境センサ１０が搭載機器１に設けられる。この環境センサ１０は、試料（吸引された大気）に対して搭載されたＬＥＤが発した光を照射し、その散乱光の強度を測定することによって、ＰＭ_２．５濃度（単位μｇ／ｃｍ^３）を認識し、電気的に出力信号として発する。環境センサ１０としては、このようにＰＭ_２．５濃度の測定値を電気的に出力することができるものであれば、他の方式のものを用いることもできる。

また、気象条件を測定するための気象計測センサ２０も搭載される。ここで測定される気象条件は実際には気温（外気温）、気圧、湿度等があり、それぞれを測定するための個別のセンサが設けられているが、ここではこれらを全て含んだ単体の気象計測センサ２０として示されている。これにより、環境センサ１０による測定結果が得られた点における上記の気象条件を認識することができる。

また、ドローンＤ自身の位置をＧＰＳ信号を受信することによって認識する位置認識部３０も搭載される。これにより、環境センサ１０による測定結果が得られた点の位置情報を認識することができる。

同様に搭載された通信部４０は、双方向通信が可能な非商用無線による通信を行う。この非商用無線は近距離通信用のものであり、その伝送距離は最大で１０００ｍ程度に設定され、使用のための免許や登録を要しないものが特に好ましく用いられる。このため、通信部４０の消費電力を小さくすることができ、電源（図２においては図示省略）を含めた場合でもこの搭載機器１を小型軽量とすることができる。具体的には、通信部４０としては、２．４ＧＨｚ帯で動作しＩＥＥＥ８０２．１５．４に準拠した通信モジュール（例えばＸｂｅｅ：登録商標）等を用いることができる。この場合における通信の相手は、地上局１００である。

制御部５０は、環境センサ１０、気象計測センサ２０、位置認識部３０と通信部４０を制御し、環境センサ１０、気象計測センサ２０、位置認識部３０の各測定結果を通信部４０によって無線通信によって出力することができる。また、位置認識部３０は、通信部４０とは別系統の無線通信によって出力をしてもよい。

また、制御部５０は、環境センサ１０、気象計測センサ２０、位置認識部３０の測定結果を対応付けた上で、半導体メモリで構成された記憶部６０に記憶させることができる。このため、制御部５０は、上記のように無線通信によって出力する測定結果として、リアルタイムの測定結果以外にも、記憶部６０に記憶された測定結果も同様に出力することができる。送信されるリアルタイムの測定結果が出力される場合には、送信されるのはその時点における環境センサ１０、気象計測件センサ２０、位置認識部３０の一組の測定結果となるのに対して、記憶部６０に記憶された測定結果が出力される場合には、記憶された複数組の測定結果が一括して出力される。なお、記憶部６０としては、半導体メモリとして、ＳＲＡＭやＤＲＡＭ等の揮発性メモリや、不揮発性のフラッシュメモリ等を用いることができ、制御部５０となるマイクロコンピュータと一体化されたものを用いることもできる。また、半導体メモリ以外でも、小型軽量のハードディスクを用いることもできる。

図１の構成においては、この出力は、地上の１点に固定された単一の地上局１００で受信される。環境センサ１０の測定結果と、この測定結果に対応した位置情報とに基づいて、この測定結果（ＰＭ_２．５）の空間分布を認識し、これをモニター装置１１０を用いて表示させることができる。この際、ＰＭ_２．５だけではなく、各位置情報に対応して気象計測センサ２０によって測定された気象条件も認識することができる。

この際、通信部４０による前記の伝送距離は短いため、通信部４０（ドローンＤ）が地上局１００と通信可能な範囲は限定される。通信部４０では双方向通信が可能であるため、制御部５０は、例えば通信部４０側から地上局１００へのリアルタイムでの環境センサ１０、気象計測センサ２０、位置認識部３０の測定結果を送信した後において、地上局１００側からの信号（例えばアンサーバック信号）を通信部４０に受信させることができる。このため、制御部４０は、現在の位置において地上局１００との間の通信が可能であるか否かを判定することができる。

これらの間の通信が可能であったと判定された場合には、上記のリアルタイムでの測定結果は、地上局１００側で受信されていると制御部５０が認識する。一方、これらの間の通信が可能でなかったと認識された場合には、これより後のタイミングで再び通信部４０と地上局１００との間の通信が可能となった時点で、通信が不可能であった時点における測定結果を記憶部６０から読み出し、再び通信部４０から送信することができる。ただし、測定結果を厳密にリアルタイムで送信する必要はなく、例えば測定毎に測定結果を記憶部６０に記憶し、地上局６０からの指令によって、記憶された測定結果を通信部４０から送信させてもよい。いずれの場合においても、記憶部６０を用いることによって、全ての測定結果をリアルタイムで送信することは不要となる。

このため、ドローンＤが地上局１００から制御可能な範囲にある限り、環境センサ１０、気象計測センサ２０、位置認識部３０の測定結果を地上局１００で受信することができる。このため、ドローンＤを３次元空間内の所望の領域中を飛行させ、この領域内の各点における上記の測定結果を地上局１００が受信することができる。

図１の構成においては１機のドローンＤ（搭載機器１）が用いられたが、特許文献２に記載の技術と同様に、同時に複数のドローンＤ（搭載機器１）を用い、測定点数を増やすことも可能である。

このように、双方向通信が可能な近距離無線通信をする通信部４０を用いることによって、ドローンＤを用いてＰＭ_２．５等の環境特性の３次元空間分布を容易に測定することができる。この際、通信部４０で用いられる無線通信としては、前記のような非商用の近距離無線通信を用いることができるため、この測定のための構成全体を安価とすることができる。

なお、上記の例では、通信部４０においてはＩＥＥＥ８０２．１５．４に準拠した通信モジュールが用いられた。しかしながら、同様に双方向で近距離無線通信が可能であれば、他の形式の通信モジュールを用いることができる。この場合における伝送距離が長いことは不要であり、伝送距離が１０００ｍ以下のものを用いることができる。このため、通信部４０として消費電力の小さな通信モジュールを用いることができる。この際、前記のＸｂｅｅのように、免許や登録を要さずに使用でき、かつ低消費電力の通信モジュールを用いることができる。なお、ここでいう伝送距離とは、遮蔽物のない大気中における電波到達距離である。

また、上記の例では、ドローンＤの位置情報は測定結果の一つとしてドローンＤ側から地上局１００に送信されるものとしたが、例えばドローンＤの位置と時刻の関係が正確に制御される場合においては、ドローンＤ側で位置情報を正確に認識しなくとも、地上局１００側でドローンＤの位置を認識することができる。この場合においては、環境センサ１０の測定結果が測定時刻に対応して得られ、これらの対応関係が地上局１００側に送信されれば、地上局１００において、上記と同様にこの測定結果の３次元分布を認識することができる。このため、この場合には、搭載機器に位置認識部３０を設けなくともよい。同様に、ドローンＤによる気象条件の測定が必要でない場合には、搭載機器に気象計測センサ２０を設けなくともよい。

また、上記の例では、環境センサ１０がＰＭ_２．５を測定するものとしたが、大気環境の評価のために用いられる他の物理量を測定するためのセンサを環境センサ１０として用いることができる。このような物理量として、目的に応じて、例えば、大気中の微小粒子状物質の評価指標となるものとして、上記のＰＭ_２．５の他にＰＭ_１．０やＰＭ_１０を測定してもよい。また、大気中の粉塵（エアロゾル）、ガス状物質（ＣＯ、ＣＯ_２濃度、ＮＨ_３、ＣＨ_４、Ｈ_２、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０、揮発性有機化合物等）、放射性物質等の濃度等を測定してもよい。あるいは、これらの測定を適宜組み合わせて同時に行ってもよい。こうした場合においても、上記の構成によってその３次元空間分布やその経時変化の測定を特に容易に行うことができるため、上記の方法は有効である。

１ 搭載機器
１０ 環境センサ
２０ 気象計測センサ
３０ 位置認識部
４０ 通信部
５０ 制御部
６０ 記憶部
１００ 地上局
１１０ モニター装置
Ｄ ドローン（無人飛行体）

Claims (4)

1. 大気における環境特性を測定する大気環境測定方法であって、
   前記環境特性を測定する環境センサと、
   伝送距離が１０００ｍ以下である近距離無線通信によって双方向通信を行う通信部と、
   自身の位置情報を認識する位置認識部と、
   複数の場所において得られた前記環境センサの測定結果と、対応する前記位置情報をそれぞれ記憶する記憶部と、
   を搭載した無人飛行体を、地上に配置された地上局との間の距離が前記伝送距離を超える範囲を含む３次元空間中の一定の領域内を飛行させ、
   前記通信部が前記地上局と通信可能な距離にあるときに、前記地上局に対して、前記記憶部に記憶された複数の前記測定結果及び対応する前記位置情報を一括して前記通信部によって送信することによって、
   前記地上局において、前記環境特性の前記領域内の分布を認識することを特徴とする大気環境測定方法。
2. 気象条件を測定する気象計測センサを前記無人飛行体に搭載し、
   前記環境センサの測定結果及び対応する前記位置情報と共に、対応する前記気象計測センサの測定結果である気象計測結果を前記記憶部に記憶させ、前記通信部が前記地上局と通信可能な距離にあるときに、記憶された前記気象計測結果を前記地上局に対して前記通信部によって送信することを特徴とする請求項１に記載の大気環境測定方法。
3. 前記環境センサは、大気中の微小粒子状物質濃度を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の大気環境測定方法。
4. 前記通信部は、ＩＥＥＥ８０２．１５．４に準拠して動作することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の大気環境測定方法。

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