JP2016102785A - 流速計測システムおよびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】水の流速を容易かつ高精度に計測することのできる流速計測システムを提供する。
【解決手段】流速計測システム１は、水Ｗが流れている場所を自律的に移動するためのモータ２３を備えた計測用ボート２と、モータ２３の出力ＭＰを計測する出力計測部２４と、計測用ボート２の対地速度ＧＳを計測する対地速度計測部２７と、出力ＭＰおよび対地速度ＧＳに基づいて、水Ｗの流速を演算する流速演算部３２と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、河川などの流速を計測する技術に関する。

河川の流量観測とそのデータベース構築は、適切な河川整備計画や治水事業を進めるにあたって必要不可欠である。また河川洪水時においては正確なダム操作が求められるため、流況のリアルタイム観測は極めて重要である。現在、実河川における流速観測は、浮子流下の目視や曳航式浮体に取り付けた計測装置による方法（浮子法）が主流である。しかしながら、台風襲来時のような暴風河川における観測作業は危険を伴い、正確かつ迅速な情報が得られないのが実情である。

これに対し、洪水流量観測の新しい手段としてビデオ画像を用いた方法が注目されている（非特許文献１）。この方法は、河川表面の波紋パターンの時空間変化より、多点における流速を同時に算出するものである。リモートコントロールによってビデオ撮影ができるため、安全かつ迅速に緊急災害時の洪水データを得ることができる。また、遠赤外線カメラを使用しているため、通常カメラでは困難であった夜間における河川表面の画像を取得して、画像を解析することにより、流速を算出することができる。これにより画像計測法の時間的な制約条件が緩和され、実用性を向上させている。

藤田一郎、他３名、「遠赤外線カメラを用いた融雪洪水の昼夜間表面流画像計測」、土木学会論文集B1（水工学）、2013年、第69巻、第4号、p. 703−708

しかしながら、非特許文献１の方法では、モニタリングカメラの整備がまだ十分でなく、さらには計測精度が画質に大きく依存しデータ信頼性の確認に時間を要するという問題がある。また、暗渠部における観測も困難である。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、水の流速を容易かつ高精度に計測することのできる流速計測システムの提供を目的とする。

本発明に係る流速計測システムは、水の流速を計測する流速計測システムであって、前記水が流れている場所を自律的に移動するための推進機構を備えた移動装置と、前記推進機構の推進力を計測する推進力計測手段と、前記移動装置の対地速度を計測する対地速度計測手段と、前記推進力および前記対地速度に基づいて、前記水の流速を演算する流速演算手段と、を備えることを特徴とする。

また、上記流速計測システムにおいて、前記流速演算手段は、前記対地速度が０であるときの前記推進力に基づいて、前記流速を演算することが好ましい。

また、上記流速計測システムにおいて、前記推進機構は、プロペラと、前記プロペラを回転させるモータとを備え、前記推進力計測手段は、前記モータの出力を前記推進力として計測することが好ましい。

また、上記流速計測システムにおいて、前記移動装置は潜水可能であることが好ましい。

また、上記流速計測システムにおいて、例えば、前記場所は河川である。

また、本発明に係るプログラムは、上記いずれかの流速計測システムの前記推進力計測手段、前記対地速度計測手段および前記流速演算手段としてコンピュータを動作させる。

本発明によれば、水の流速を容易かつ高精度に計測することのできる流速計測システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る流速計測システムの構成を示す概略図である。 上記流速計測システムの機能を示すブロック図である。 上記流速計測システムによる流速計測の手順の一例を示すフローチャートである。 上記の実施形態の一変形例に係る流速計測システムの構成を示す概略図である。 図４に示す流速計測システムの機能を示すブロック図である。 計測用ボートの船体にヨー角が生じた場合の、超音波計測の補正を説明するための図である。 計測用ボートの位置、および、モータの出力の時間変化を示すグラフである。 対地速度が０のときのモータの出力と主流速との対応関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。

（流速計測システム）
図１は、本実施形態に係る流速計測システム１の構成を示す概略図であり、図２は、流速計測システム１の機能を示すブロック図である。

図１に示すように、流速計測システム１は、水Ｗの流速を計測するシステムであり、計測用ボート（移動装置）２およびコントローラ３を備えている。計測用ボート２は、水Ｗが流れている場所（本実施形態では河川）に投入される。コントローラ３は、無線通信によって計測用ボート２を遠隔制御する機器である。観測員は、例えば河川の橋梁Ｂ１から計測用ボート２を河川に投入し、コントローラ３によって計測用ボート２を制御する。

（計測用ボート）
図２に示すように、計測用ボート２は、送受信部２１、プロペラ２２、モータ２３、出力計測部２４、方向舵２５、２つの超音波センサ２６ａ，２６ｂ、対地速度計測部２７および推進制御部２８を備えている。

送受信部２１は、コントローラ３との無線通信を行う機能を有している。すなわち、送受信部２１は、コントローラ３から受信した信号の復調、およびコントローラ３へ送信する信号の変調を行う。

プロペラ２２は、計測用ボート２の船底後尾に設けられている。モータ２３は、計測用ボート２が河川を自律的に移動するための推進機構であり、プロペラ２２を回転させる。

出力計測部２４は、前記推進機構の推進力を計測する推進力計測手段である。本実施形態では、出力計測部２４は、モータ２３に内蔵されている回転速度センサで構成されており、モータ２３の無次元の出力ＭＰ（トルク）を前記推進力として計測する。計測された出力ＭＰは、送受信部２１を介してコントローラ３に送信される。

方向舵２５は、プロペラ２２の近傍に設けられており、計測用ボート２の進行方向を制御するものである。

２つの超音波センサ２６ａ，２６ｂは、図１に示すように、計測用ボート２の上面に設けられている。超音波センサ２６ａは、計測用ボート２の長手方向に指向する超音波を発信し、超音波センサ２６ｂは、計測用ボート２の幅方向に指向する超音波を発信する。超音波センサ２６ａが発信した超音波は、例えば橋脚Ｂ２によって超音波センサ２６ａの方向に反射される。これにより、超音波センサ２６ａは、超音波を発信した時間と、反射された超音波を受信した時間とに基づいて、橋脚Ｂ２と計測用ボート２との距離を計測することができる。また、超音波センサ２６ｂが発信した超音波は、例えば護岸などによって超音波センサ２６ｂの方向に反射される。これにより、超音波センサ２６ｂは、超音波を発信した時間と、反射された超音波を受信した時間とに基づいて、護岸と計測用ボート２との距離を計測することができる。超音波センサ２６ａおよび超音波センサ２６ｂの計測結果に基づき、計測用ボート２の河川における平面位置情報を得ることができる。

対地速度計測部（対地速度計測手段）２７は、前記平面位置情報の時間変化に基づき、計測用ボート２の対地速度ＧＳ（少なくとも主流方向（流速方向）における対地速度）を計測するものである。計測された対地速度ＧＳは、送受信部２１を介してコントローラ３に送信される。

推進制御部２８は、２つの超音波センサ２６ａ，２６ｂからの位置情報、並びに、送受信部２１によって受信されたコントローラ３からの制御信号に基づき、モータ２３および方向舵２５を制御する。具体的には、コントローラ３からの制御信号には、流速を計測すべき目標位置情報が含まれており、推進制御部２８は、超音波センサ２６ａ，２６ｂからの位置情報が、前記目標位置情報と一致するように、モータ２３の回転速度および方向舵２５の方向をＰＩＤ制御する。これにより、流速を計測すべき所望の位置に計測用ボート２を相対静止させる（対地速度ＧＳを０とする）ことができる。

（コントローラ）
図２に示すように、コントローラ３は、送受信部３１、流速演算部３２、表示部３３、入力部３４および制御信号生成部３５を備えている。

送受信部３１は、計測用ボート２との無線通信を行う機能を有している。すなわち、送受信部３１は、計測用ボート２から受信した信号の復調、および計測用ボート２へ送信する信号の変調を行う。

計測用ボート２の出力計測部２４によって計測された出力ＭＰ、および、対地速度計測部２７によって計測された対地速度ＧＳは、送受信部２１および送受信部３１を介して、流速演算部３２に入力される。流速演算部３２は、これらの出力ＭＰおよび対地速度ＧＳに基づいて、水Ｗの流速を演算する。具体的には、流速演算部３２には、出力と流速との相関を示す関係式が設定されており、流速演算部３２は、当該関係式に、対地速度ＧＳが０であるときの出力ＭＰを当てはめることにより、水Ｗの流速を算出する。上記の関係式は、後述の〔実施例〕において説明する実験によって求めることができる。

表示部３３は、液晶ディスプレイなどで構成されており、観測員が計測用ボート２を制御するための画面を表示する。例えば、流速演算部３２によって算出された流速の数値も、表示部３３に表示することができる。

入力部３４は、表示部３３の周囲に設けられたボタン、または、表示部３３上に設けられたタッチパネルなどで構成することができる。観測員は、入力部３４を介して、計測用ボート２の駆動開始／駆動終了、流速の計測を行う目標位置情報などを入力することができる。

制御信号生成部３５は、入力部３４が受け付けた入力情報に基づき、計測用ボート２を制御するための制御信号を生成する。当該制御信号は、送受信部３１を介して計測用ボート２に送信される。

（流速の演算）

以上のように、流速演算部３２は、計測用ボート２のモータ２３の出力ＭＰおよび計測用ボート２の対地速度ＧＳに基づいて、水Ｗの流速を演算している。一般に、モータ２３の出力ＭＰが大きくなるほど、プロペラ２２の回転速度が大きくなるので、計測用ボート２の水Ｗに対する相対速度ＲＶが大きくなる。そのため、モータ２３の出力ＭＰは、相対速度ＲＶと高い相関性を有している。また、この相対速度ＲＶは、計測用ボート２が相対静止している（対地速度ＧＳ＝０）のときの流速Ｕに等しい。すなわち、対地速度ＧＳ＝０であるときのモータ２３の出力をＭＰ_０とすると、出力ＭＰ_０は流速Ｕと高い相関性を有しており、以下の関係式
Ｕ＝ｆ（ＭＰ_０） ・・・式１
が成り立つ。この関係式は、計測用ボート２の形状、質量、モータ２３の種類、取り付け位置、プロペラ２２の形状、サイズなどによって定まるものであり、後述の実験によって得ることができる。本実施形態において、流速演算部３２は、対地速度ＧＳ＝０であるときの出力ＭＰ_０を上記式１に当てはめることにより、流速Ｕ_０を算出している。

なお、対地速度ＧＳ＝ｘのときのモータ２３の出力をＭＰｘとすると、
Ｕ＝ｆ（ＭＰｘ）＋ｘ ・・・式２
が成り立つ。よって、対地速度ＧＳが０でない場合であっても、計測用ボート２の対地速度およびモータ２３の出力に基づいて、流速を算出することは可能である。

ただし、対地速度ＧＳが０でない場合、計測用ボート２が常に移動するため、上記式２に基づいて算出された流速は、各計測位置における瞬間的な流速である。これに対し、対地速度ＧＳが０である場合、計測用ボート２は同じ位置に留まるため、所定期間における出力ＭＰ_０の平均を計測することにより、上記式１に基づいて、同じ計測位置における平均流速を演算することができる。したがって、河川のより正確な流況を把握することができる。また、計測用ボート２を横断方向に順次移動させることが容易となる。

（流速計測の手順）
続いて、流速計測システム１による流速計測の手順の一例を、図３に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、観測員が計測用ボート２を河川に投入する（ステップＳ１）。投入場所は特に限定されないが、例えば、図１に示すように、橋梁Ｂ１の上から河川の下流の方向に計測用ボート２を投入する。

続いて、計測用ボート２を駆動する（ステップＳ２）。これにより、モータ２３などの推進機構、および、推進制御部２８などの制御機構が起動する。計測用ボート２の推進制御部２８には、河川における複数の目標計測位置が設定されている。目標計測位置は、例えば、下流方向における橋脚Ｂ２からの距離、および、横断方向（河川の幅方向）における護岸からの距離によって指定される。推進制御部２８は、超音波センサ２６ａ，２６ｂから入力された位置情報が、コントローラ３から受信した目標計測位置に一致するように、モータ２３および方向舵２５を制御する。これにより、計測用ボート２は、目標計測位置に移動する（ステップＳ３）。

また、出力計測部２４および対地速度計測部２７はそれぞれ、モータ２３の出力ＭＰおよび計測用ボート２の対地速度ＧＳを計測している（ステップＳ４）。計測された出力ＭＰおよび対地速度ＧＳは、コントローラ３に送信され、コントローラ３の流速演算部３２は、対地速度ＧＳが０になったか否かを判定する（ステップＳ５）。

計測用ボート２の位置が、コントローラ３から受信した目標計測位置に一致すると、推進制御部２８は、目標計測位置で計測用ボート２が相対静止するように、モータ２３および方向舵２５を制御する。これにより、流速演算部３２は、対地速度ＧＳが０になったと判定し（ステップＳ５においてＹＥＳ）、このときの出力ＭＰ_０を所定の関係式（上述の式１）に当てはめることにより、流速を算出する（ステップＳ６）。これにより、計測用ボート２の位置における流速を計測することができる。算出された流速値は、例えば、コントローラ３のメモリに記憶される。

さらに、河川の他の箇所で計測する場合は（ステップＳ７においてＹＥＳ）、計測用ボート２は他の目標計測位置に移動する（ステップＳ８）。当該他の目標計測位置は、例えば、直前の計測位置から横断方向に所定距離だけ移動した位置である。

その後、上述のステップＳ４〜Ｓ６を、計測箇所の数だけ繰り返し、全箇所における計測が完了した場合（ステップＳ７においてＮＯ）、計測用ボート２を投入位置に帰還させ（ステップＳ９）、網などによって計測用ボート２を回収する（ステップＳ１０）。このように、横断方向の複数箇所の流速を計測することにより、河川のより詳細な流速を計測することができる。

以上のように、本実施形態の流速計測システム１によって、河川のリアルタイムの流況データを安全かつ確実に取得できる。

（ソフトウェアによる実施）
流速計測システム１における一連の制御は、観測員によるマニュアル操作によって行ってもよいが、特に、ステップＳ３〜Ｓ９の制御は、マイコンの自動制御によって行うことが好ましい。

その場合、図２に示す機能ブロックのうち、特に、出力計測部（推進力計測手段）２４、対地速度計測部（対地速度計測手段）２７および流速演算部（流速演算手段）３２は、集積回路（ＩＣチップ）上に形成された論理回路によってハードウェア的に実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェア的に実現してもよい。また、これらの３つの機能ブロックを、計測用ボート２のみに設けてもよいし、コントローラ３のみに設けてもよい。すなわち、図２において、計測用ボート２が流速演算部３２を備えてもよいし、コントローラ３が出力計測部２４および対地速度計測部２７を備えてもよい。

これらの機能ブロックの各機能を実現するプログラムを、計測用ボート２またはコントローラ３に内蔵された制御用コンピュータ（マイコン）にインストールすることにより、各機能をソフトウェア的に実現することができる。上記プログラムは、当該プログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体によって提供されてもよいし、計測用ボート２またはコントローラ３を通信ネットワークと接続し、当該通信ネットワークを介して提供されてもよい。

（従来技術に対する優位性）
本実施形態に係る流速計測システム１は、非特許文献１に記載されている画像解析処理による流速計測技術と比較して、簡便性、確実性、量産性、自律性の点で以下の利点を有する。

簡便性
従来技術では、機材の運搬や計測作業に数名の人員が必要である。一方、本実施形態では、計測用ボート２およびコントローラ３は軽量かつコンパクトであるため、１名でも流速計測作業が可能であり、携帯性も優れているため、計測用ボート２を河川へ投下できる環境であれば場所に制限がない。また、計測用ボート２を河川に投入した後は、自動制御により流速を計測できるため、計測作業が比較的簡便である。さらに、本実施形態における演算処理は、所定の関係式に出力ＭＰ（および対地速度ＧＳ）を当てはめるだけであるので、従来技術の画像解析処理に比べ簡単である。

確実性
従来技術では、画像の取得状態は、天候や河川水面（波紋の有無）といった自然要因に大きく影響を受けるため、画像解析による流速の計測精度を高めることは難しく、環境によっては計測が不可能となる。これに対し、本実施形態では、出力ＭＰと相対速度ＲＶとの相関性が高いため、高精度で流速を算出することができる。また、自然要因による影響が少ないため、環境によらず確実に流速を計測できる。

量産性

画像解析では、撮影対象領域の校正作業が必要なため、計測を行う領域ごとに、校正のための測量が必要となる。これに対し、本実施形態では、流速、出力（および対地速度）の関係式がいったん得られれば、あらゆる場所で流速を計測できる。よって、計測開始までの準備労力が小さく、また、計測場所を変更しても、関係式を変える必要がない。また、この関係式は、計測用ボート２の形状、質量、モータ２３の種類、取り付け位置、プロペラ２２の形状、サイズなどによって定まるので、１つの計測用ボート２について関係式が得られれば、同一の設計で製造された他の計測用ボート２についても、同一の関係式を適用することができる。よって、計測用ボート２を容易に量産できる。

自律性
従来技術では、観測員の目視による操作（遠隔操作も含む）が必要である。したがって、広い視野が確保できない暗渠部等での計測は困難である。これに対し、本実施形態では、計測用ボート２をプログラムによって自動制御できるので、通信環境さえ整えば、暗渠部等であっても安全に計測が可能である。

以上のように、流速計測システム１は、水の流速を容易かつ高精度に計測することができる。

（さらに好ましい形態）
上述した計測用ボート２は、船体の一部が水面から露出しているが、潜水可能であることがさらに好ましい。これにより、風雨の影響をなくすことができるので、計測精度をさらに高めることができる。また一般に、河川の流量は、横断面における複数の流速データの平均値に断面積を乗ずることで評価するため、計測用ボート２を横断方向だけでなく深さ方向にも移動させて、水中の流速のデータを取得することで、河川の流量を正確に推定することができる。

なお、潜水制御を主流方向の推進制御と独立させるため、潜水方式はスラスター・ダイブ式であることが好ましい。

また、計測用ボート２にサイドスラスターが取り付けられていることが好ましい。これにより、計測用ボート２の横断方向への移動が容易になる。

また、計測用ボート２は、超音波センサ２６ａ，２６ｂに加え、水深を計測するための超音波センサをさらに備えることが好ましい。これにより、河川の流量をより正確に推定することができる。

また、上記の実施形態では、１台の計測用ボート２を移動させながら、複数箇所の流速を計測していたが、複数台の計測用ボート２を用いて、同時に複数箇所の流速を計測してもよい。これにより、短時間で流速計測が可能となるため、迅速性が求められる洪水時において非常に有利である。

（その他）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では、観測員が橋梁Ｂ１において計測用ボート２を制御していたが、計測用ボート２が投入できる場所であれば、計測場所は特に限定されない。

上記の実施形態では、超音波センサを用いて計測用ボート２の位置を計測していたが、計測用ボート２の位置の計測方法は、特に限定されない。例えば、慣性センサを用いた位置計測や、将来的にさらなる精度向上が見込まれるＧＰＳ機能による位置計測を用いてもよい。また、カメラ画像によるトラッキング技術を用いて、計測用ボートの位置を計測してもよい。この計測方法については、下記の変形例において具体的に説明する。

また、流速計測システム１は、一定量以上の水が流れている場所であれば、あらゆる場所で用いることができる。例えば、河川よりも小規模な用水路や側溝を流れる水の流速計測や、海の潮流の流速計測にも、流速計測システム１を適用できる。

また、上記の実施形態において、推進力計測手段（出力計測部２４）は、モータ２３の出力を計測用ボート２の推進力として計測していたが、これに限定されず、例えば、モータ２３の回転速度や消費電力を推進力として計測してもよい。

また、上記の実施形態では、計測用ボート２を無線によって制御していたが、計測用ボート２をコントローラ３と有線で接続してもよい。この場合、計測作業終了後、計測用ボート２とコントローラ３とを繋ぐワイヤを手繰り寄せることにより、計測用ボート２を回収できる。

（変形例）
以下、上記の実施形態の一変形例について説明する。本変形例では、計測用ボートの位置をカメラ画像によるトラッキング技術を用いて計測する。

図４は、本変形例に係る流速計測システム１’の構成を示す概略図であり、図５は、流速計測システム１’の機能を示すブロック図である。なお、図４は、図１と異なり、流速計測システム１’を上方から見た平面図である。

図４に示すように、流速計測システム１’は、水Ｗの流速を計測するシステムであり、計測用ボート（移動装置）２’、コントローラ３’およびＷｅｂカメラ（撮影装置）５を備えている。計測用ボート２’は、水Ｗが流れている場所（本変形例では河川）に投入される。コントローラ３’は、無線通信によって計測用ボート２’を遠隔制御する機器である。コントローラ３’は、携帯型の機器であってもよいし、パーソナルコンピュータのような据置型の機器であってもよい。

Ｗｅｂカメラ５は、水Ｗが流れている河川の近辺（本変形例では河岸）に設置されており、河川の所定範囲を連続的に撮影可能である。計測用ボート２’は、河川のＷｅｂカメラ５の撮影範囲内に投入されることが好ましい。Ｗｅｂカメラ５は、映像を連続的に撮影可能な機器であれば、特に限定されない。Ｗｅｂカメラ５は、三脚等に取り付けられてもよいし、河岸の建造物や柵等に固定してもよい。また、Ｗｅｂカメラ５は、コントローラ３’に有線（ＵＳＢケーブル等）または無線で接続されており、これにより、Ｗｅｂカメラ５が撮影した画像データは、コントローラ３’にリアルタイムで送信される。

図５に示すように、計測用ボート２’は、送受信部２１、プロペラ２２、モータ２３、出力計測部２４、方向舵２５および推進制御部２８を備えている。すなわち、計測用ボート２’は、図２に示す計測用ボート２において、２つの超音波センサ２６ａ，２６ｂおよび対地速度計測部２７を省略した構成である。計測用ボート２’の他の機能ブロックは、計測用ボート２におけるものと同一であるので、その説明を省略する。

コントローラ３’は、送受信部３１、流速演算部３２、表示部３３、入力部３４、制御信号生成部３５、画像解析部３６および対地速度計測部３７を備えている。すなわち、コントローラ３’は、図２に示すコントローラ３において、画像解析部３６および対地速度計測部３７をさらに備えた構成である。コントローラ３’の他の機能ブロックは、コントローラ３におけるものと同一であるので、その説明を省略する。

画像解析部３６は、Ｗｅｂカメラ５から受信した画像データの輝度情報（カラー）を解析（トラッキング）して、撮影範囲内における計測用ボート２’の位置情報を特定する機能を有している。当該位置情報は、制御信号生成部３５および対地速度計測部３７に送られる。コントローラ３’がパーソナルコンピュータである場合、画像解析部３６は、例えば、オープンソースの統合開発環境であるprocessingをインストールすることにより実現することができる。

制御信号生成部３５は、入力部３４からの目標位置情報と、画像解析部３６からの位置情報とを比較して、両者が一致するように、計測用ボート２’を制御するための制御信号（目標位置までの距離・方角情報を含む）を生成する。これにより、計測用ボート２’の推進制御部２８は、制御信号に基づいてモータ２３の回転速度および方向舵２５の方向をＰＩＤ制御し、目標位置に計測用ボート２’を相対静止させることができる。

対地速度計測部３７は、画像解析部３６が特定した計測用ボート２’の位置情報の時間変化に基づき、計測用ボート２’の対地速度ＧＳを計測する。計測された対地速度ＧＳは流速演算部３２に入力される。

流速演算部３２には、対地速度ＧＳの他、計測用ボート２’の出力計測部２４によって計測された出力ＭＰが送受信部３１を介して入力される。流速演算部３２は、これらの出力ＭＰおよび対地速度ＧＳに基づいて、水Ｗの流速を演算することができる。具体的な演算内容は、上記の実施形態におけるものと同一である。

以上のように、本変形例では、Ｗｅｂカメラ５で計測用ボート２’を撮影し、カメラ画像を解析することによって、計測用ボート２’の位置および対地速度を計測している。これにより、超音波センサおよび反射板を用いる場合に比べ、容易かつ高精度に計測用ボート２’の位置および対地速度を計測することができる。

なお、計測用ボート２’の外面の少なくとも一部を、蛍光塗料で塗装したり、周囲の色彩と異なる色（赤色、黄色等）とすることが好ましい。これにより、画像データにおける計測用ボート２’とその他の部分とのコントラスト比が大きくなるので、画像解析部３６による解析精度を高めることができる。また、本変形例における画像解析は、計測用ボートの画像データを解析している点で、非特許文献１に記載されている従来の流速計測方法における画像解析とは異なる概念である。

本発明の流速計測システムの実用性を実証するために、室内水路において、計測用ボート２の試作機による実験を行い、モータ２３の出力と流速との相関性を検証した。

（実験方法）
室内水路として、京都大学乱流推理実験室の幅４０ｃｍ、長さ１０ｍの水路を用いた。水路に基準面となる超音波反射板を設置した。水路に計測用ボート２の試作機を投入し、水深を１１ｃｍに固定したまま、流量Ｑ（ｌ／ｓ）を２, ３, ４, ５, ６, ７および７．５の７通りに系統変化させた。

計測用ボート２の試作機は、双胴型の浮体に、図１に示す超音波センサ２６ａ，２６ｂなどの各種センサ類、推進・姿勢制御用のモータ２３、およびこれらを制御するマイコンを取り付け、モータ２３にシャフトを介してプロペラ（スクリュー）２２を取り付けることにより製作した。計測用ボート２の全長は３５ｃｍ、全幅は２３ｃｍである。マイコンおよびシャーシは、レゴ社製のマインドストームＥＶ３のパーツによって組み上げた。また、横方向への移動を可能とするために、サイドスラスタ（サイドスクリュー）を浮体の重心横断軸近くに取り付けた。主流に対するヨー角の検出にはコンパスセンサを用い、ラダーによって浮体が常に主流と平行になるように計測用ボート２の姿勢を制御した。より具体的には、１°単位で動作するサーボモータにプラ板製のラダーを取り付けた。これらのモータにはレゴマインドストーム用のＭモータ（定格トルク：０．０８Ｎｍ、停動トルク：０．１２Ｎｍ）を用いた。推進機構に平ギアを組み合わせてプロペラ２２の回転数を２５倍（サイドスラスタは５倍）に増速させた。プロペラ２２は、いずれも外径２５ｍｍのプラスチック製である。超音波センサ２６ａ，２６ｂはいずれも、レゴ社製ＥＶ３専用センサである。

超音波センサ２６ａ，２６ｂはいずれも、レゴ社製ＥＶ３専用センサである。超音波センサ２６ａは、超音波反射板に超音波を発信することにより、計測用ボート２の主流方向の絶対座標を得ることができる。超音波センサ２６ｂは、水路側壁に超音波を発信することにより、計測用ボート２の横断方向の絶対座標を得ることができる。また、計測用ボート２の方向を計測するために、コンパスセンサ（Ｈｉｔｅｃｈ社製）を取り付けた。

なお、図６に示すように、計測用ボート２の船体にヨー角が生じた場合、超音波反射板４に対して超音波が斜め入射になるため次式による補正を行った。
Ｓ’＝Ｓｃｏｓθ
ここで、Ｓは実測距離値、Ｓ’は補正距離値、θはヨー角である。

超音波反射板から４０ｃｍ下流の位置を流速の目標計測位置とした。計測用ボート２を超音波反射板より下流９０ｃｍの水路センターライン上にセットし、ＰＩＤ制御のためのプログラムを実行すると同時に支えをはずし、約２０秒後、計測用ボート２は目標計測位置において相対静止した。

図７は、流量Ｑ＝３（ｌ／ｓ）における、計測用ボート２の超音波反射板からの主流方向における位置Ｘ、モータ２３の出力ＭＰ（無負荷時の最大出力で無次元化）の時間変化を示すグラフである。支えをはずした直後は、出力ＭＰがゼロのため少し下流に流されるが、すぐに推進力が増加する。２０秒後には、計測用ボート２は、対地速度がほぼ０となるとともに目標計測位置まで移動したことが確認できる。なお、支えをはずした時点からの計測用ボート２の横断方向の移動量は小さく、少なくとも実験水路のような外乱の小さい環境下ではラダーのみで制御できると考えてよい。０．５秒間の主流方向の変動が１ｍｍ以下であるモータ２３の出力ＭＰを１００サンプル分平均したものを、各流量Ｑ（２, ３, ４, ５, ６, ７および７．５の７通り）における、対地速度が０のときの出力ＭＰ_０の代表値とした。

図８は、対地速度が０のときのモータ２３の出力ＭＰ_０と主流速Ｕｍとの対応関係を示すグラフである。主流速とは、流量を断面積で除した断面平均流速である。このグラフから、出力ＭＰ_０と主流速Ｕｍとは、１対１に対応していることが分かる。図８に示す対応曲線から、モータ２３の出力と流速との相関を示す関係式（上述の式１）を得ることができた。

本発明は、災害対策分野や環境モデリング分野への様々な活用が期待される。上記の実施形態では、定点における流速計測について説明したが、計測用ボートに各種計測センサを取り付けることで、土砂濃度、水質、河床形状の定点観測も可能となり、計測用ボートを多目的の河川調査装置として使用できる。特に大河川では、流れの中央部は岸辺から距離があるため、従来技術における浮子やカメラを近くに設けることは難しいが、本発明では、計測用ボートを移動させればよいので、このような問題を解決することができる。また、計測用ボートに水中カメラを装着することで、災害時の探査や救助支援としても活用できる。

１ 流速計測システム
１’ 流速計測システム
２ 計測用ボート
２’ 計測用ボート
３ コントローラ
３’ コントローラ
４ 超音波反射板
５ Ｗｅｂカメラ
２１ 送受信部
２２ プロペラ
２３ モータ
２４ 出力計測部
２５ 方向舵
２６ａ 超音波センサ
２６ｂ 超音波センサ
２７ 対地速度計測部
２８ 推進制御部
３１ 送受信部
３２ 流速演算部
３３ 表示部
３４ 入力部
３５ 制御信号生成部
３６ 画像解析部
３７ 対地速度計測部
Ｂ１ 橋梁
Ｂ２ 橋脚

Claims (6)

1. 水の流速を計測する流速計測システムであって、
   前記水が流れている場所を自律的に移動するための推進機構を備えた移動装置と、
   前記推進機構の推進力を計測する推進力計測手段と、
   前記移動装置の対地速度を計測する対地速度計測手段と、
   前記推進力および前記対地速度に基づいて、前記水の流速を演算する流速演算手段と、
   を備えることを特徴とする流速計測システム。
2. 前記流速演算手段は、前記対地速度が０であるときの前記推進力に基づいて、前記流速を演算することを特徴とする請求項１に記載の流速計測システム。
3. 前記推進機構は、プロペラと、前記プロペラを回転させるモータとを備え、
   前記推進力計測手段は、前記モータの出力を前記推進力として計測することを特徴とする請求項１または２に記載の流速計測システム。
4. 前記移動装置は潜水可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流速計測システム。
5. 前記場所は河川であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流速計測システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の流速計測システムの前記推進力計測手段、前記対地速度計測手段および前記流速演算手段としてコンピュータを動作させるプログラム。