JP2005321321A - 曳航式空中探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 飛翔体から吊り下げた探査バードを使用して、精度よく手軽に且つ安価に空中探査が行えるようにする。
【解決手段】 センサ１０を搭載した探査バード１２を無人ヘリコプタ１４から吊り下げて、空中から探査する。探査バードは円筒体２０の両端に尖ったキャップ２２を取り付けた前後対称形状であり、センサは探査バードの中心位置に組み込まれ、吊り下げ装置１６は２本のロープ２６を離間させて対称的に設けると共にロープ間の１箇所以上に捩れ防止用支え部材２８を入れて梯子形構造とする。自動切り離しフック３０により吊り具２４を支持・解放可能とすると共に、信号ケーブル３４を軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタで接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサを搭載した探査バードを飛翔体から吊り下げ装置によって吊り下げ、空中から地表近傍、地中、あるいは水中などを低速で探査する曳航式空中探査装置に関するものである。

空中探査法として、センサを搭載した探査バードを航空機から吊り下げ、電磁波を利用して空中から地下構造を探査する方法がある。例えば、電磁波の発信機と受信機を探査バードに組み込み、航空機から吊り下げて曳航し、送信機から送信された電磁波により発生した大地の電磁応答を受信機により測定して地中の比抵抗を測定し、比抵抗の分布から地質構造を推定する電磁探査法である。航空機としては、通常、有人のヘリコプタや軽飛行機が使用される。

このような空中探査法で必要な測定精度を得るためには、測定飛行中、探査バードが安定な姿勢を維持し続けることが重要である。そこで、電磁気センサを搭載する従来の探査バードでは、測定飛行時の姿勢を安定させるために、垂直尾翼や水平尾翼などのスタビライザが取り付けられている。そして、比較的速い速度で飛行が行われ、それによって探査バードの飛行姿勢を安定化している。つまり、従来技術では、探査バードの姿勢の安定化は、専ら探査バードのスタビライザ構造とそれに適した飛行速度との相関によって実現しているのである。

このような空中探査法は、広いエリアの比較的深い部分（例えば、地下１００〜１５０ｍ）を、短時間で調査したい場合には有効な技術である。しかし、飛行速度が速いと、分解能を高めることは困難である。他方、分解能を高めるために低速で飛行すると、探査バードの姿勢が不安定になり、搭載しているセンサによる測定精度が低下する。いずれにしても、測定精度の向上には限界がある。それに対して近年、狭いエリア（例えば２００ｍ平方）の比較的浅い部分（例えば１００ｍ以浅）を、精度よく手軽に且つ安価に調査したいという要望があるが、上記の技術ではそれに応えることが難しい。

ところで地下構造探査の一手法として、地表に送信アンテナを設置し、送信機から大地に流す電流を断続制御することで送信する電磁場を急激に変化させ、それによって発生する誘導磁場の過渡応答を、航空機に設置した受信機（探査バードのセンサ）により受信することによって地下の情報を収集する技術が提案されている（特許文献１参照）。この手法は、航空機に搭載する測定装置を小型化・軽量化できる利点もある。

これらの従来技術を勘案すると、センサを搭載した探査バードを、無人の垂直離着陸可能な航空機（典型的には無線操縦式の産業用無人ヘリコプタ）から吊り下げ装置によって吊り下げ、探査する方法が考えられる。

しかし、無線操縦式の産業用無人ヘリコプタは、その飛行特性上、低空を低速度で飛行するために、従来の探査バード及び吊り下げ装置を用いたのでは、探査バードの姿勢が不安定であったり、回転し始めることがあり、高精度でのデータ取得ができない欠点が生じる。また、無人ヘリコプタの場合には、離陸するときには問題はないが、着陸する際に、ヘリコプタのスキッドが探査バードとヘリコプタ（データ収録装置）を繋いでいる信号ケーブルを踏む可能性があり、それによってケーブルが切断する恐れがある。これらの理由で、無人機による探査は、検討されてきたものの、未だ実用化されていなかった。
特開平９−３０４５４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、飛翔体を使用して、狭いエリアを、精度よく手軽に且つ安価に探査が行えるような曳航式空中探査装置を提供することである。

空中からの探査では、吊り下げている探査バードの姿勢を常に安定に維持することが極めて重要である。そのため、従来、前記のように探査バードに水平尾翼や垂直尾翼などのスタビライザを取り付けることが行われており、様々な形状や構造が試みられていた。しかし、本発明者等は、飛行実験を繰り返した結果、低速低空という従来と異なる特殊な条件での飛行では、スタビライザが受ける横風・背風などの影響が非常に大きく回転力となって現れるため、スタビライザの存在が逆に姿勢の安定化を阻害することを見出し、その点に着目して本発明を完成させるに至ったものである。

本発明は、センサを搭載した探査バードを飛翔体から吊り下げ装置により吊り下げて、空中から地表近傍、地中、あるいは水中などを探査する装置において、探査バードは無翼構造であって円筒体の両端に尖ったキャップを取り付けた前後対称形状であり、センサは該探査バードの長手方向の中心位置に組み込まれ、吊り下げ装置は吊り具と探査バードの間に２本のロープを離間させて対称的に設けると共にロープ間の１箇所以上に捩れ防止用支え部材を入れて梯子形の構造とした曳航式空中探査装置である。ここで、飛翔体として垂直離着陸可能な無人機を用い、該飛翔体に設けた自動切り離しフックによって前記吊り具を支持・解放自在にすると共に、探査バードと飛翔体との間を繋ぐ信号ケーブルを、軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタで接続し、自動切り離しフックによる吊り下げ装置切り離し時に、探査バードの自重でコネクタが自動分離可能とすることが望ましい。

また、探査バードにＧＰＳアンテナを取り付け、飛翔体側にＧＰＳ本体及びデータ収録装置を設けてデータを収録する。この時、探査バード切り離し時以降は、探査バードからのデータに代えてダミーデータを収録し続けるようにして収録処理がハングアップするのを防止する。あるいは、探査バード切り離し時点で、それを検出して、あるいは切り離しの指令を利用して、データ収録を強制終了するようにしてもよい。

本発明装置を適用できる探査方法は、例えば、大地に流す電流を断続制御することで送信する電磁場を急激に変化させ、それによって地中に発生する誘導磁場の過渡応答を測定し地下の情報を収集するＴＤＥＭ法（タイムドメイン電磁法）である。その場合、探査バードに搭載するセンサは、その誘導電磁場のうち地表に垂直な磁場成分を測定する誘導コイルとする。

本発明で用いる探査バードは、無翼構造であって円筒体の両端に尖ったキャップを取り付けた前後対称形状であり、センサは該探査バードの長手方向の中心位置に組み込まれ、吊り下げ装置は吊り具と探査バードの間に２本のロープを離間させて対称的に設けると共にロープ間の１箇所以上に捩れ防止用支え部材を入れて梯子形の構造となっているので、低速度での飛行であるにもかかわらず姿勢が安定し回転を始めることもない。このように低空を低速度で飛行できるため、狭いエリアの比較的浅い部分を、高精度で手軽に且つ安価に調査できる。また、前進時も後退時も探査バードの姿勢が変わらないので、測線に沿って調査範囲上空を前進・後退を繰り返し飛行することによって効率よく短時間で探査を行うことができる。

また本発明では、飛翔体に設けた自動切り離しフックにより前記吊り具を支持・解放自在にすると共に、探査バードと飛翔体との間を繋ぐ信号ケーブルを、軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタで接続しており、自動切り離しフックによる切り離し時に、探査バードの自重でコネクタが自動分離可能に構成したので、無人機を探査バードを降ろす位置から離れた別の場所に着陸させることができ、信号ケーブルを踏んで切断する恐れは全く生じない。

本発明に係る曳航式空中探査装置の一例を図１に示す。この曳航式の空中探査装置は、センサ１０を搭載した探査バード１２を、無線操縦される産業用の無人ヘリコプタ１４から吊り下げ装置１６により吊り下げて、空中を曳航して地下構造を探査する装置である。探査バード１２は、円筒体２０の両端に砲弾型のキャップ２２を取り付けた前後対称形状であり、無翼の（水平尾翼や垂直尾翼などのスタビライザを一切有しない）構造である。センサ１０は、探査バード１２の長手方向の中心位置に組み込まれる。吊り下げ装置１６は、吊り具２４と探査バード１２の間に２本のロープ２６を離間させて対称的に設けると共にロープ間の１箇所以上（ここでは２箇所）に捩れ防止用支え部材２８を入れた梯子形の構造である。無人ヘリコプタ１４の下部に自動切り離しフック３０を設け、該自動切り離しフック３０により前記吊り具２４を支持・解放自在にしている。自動切り離しフック３０は、例えば電磁石などによりフックが開閉する構造でよい。

また、探査バード１２と無人ヘリコプタ１４のデータ収録装置３２との間を繋ぐ信号ケーブル３４は、軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタ（図２参照）で接続し、自動切り離しフック３０による吊り下げ装置１６の切り離し時に、探査バード１２の自重でコネクタが自動的に分離するように構成されている。また、探査バード１２にＧＰＳアンテナ３６を設け、無人ヘリコプタ１４側にＧＰＳ本体及びデータ収録装置３２を設けて飛行中各種データを収録する。探査バード１２切り離し時点以降、ダミーデータを収録し続けるようにし、測定プログラムがハングアップするのを防止する。勿論、探査バード切り離し時点で、それを検出して、あるいは切り離しの指令を利用して、データ収録を強制終了するような測定プログラムにしてもよい。

ところで、無人ヘリコプタは低高度で低速飛行を行い、前進・後退が可能である。そのような飛行特性を考慮して、前記のように無翼の前後対称形状にし、無人ヘリコプタの前進・後退に伴う風圧、強い横風や背風、ヘリコプタのダウンウオッシュによる上からの風にも安定するように工夫し、それによって前進・後退で測線に沿った飛行可能とし、効率よく測定範囲全体をカバーできるようにしている。因みに、有人機による従来技術では、前述のように、測定飛行時に姿勢を安定させるため、探査バードに水平尾翼や垂直尾翼などのスタビライザを取り付け、探査バードが安定する比較的速い速度で飛行している。しかし、低速飛行ではそれらの翼類が探査バードの姿勢安定化に悪影響を及ぼす。例えば横風・背風を受けた場合には、尾翼が抵抗となり回転を始めるし、ヘリコプタ自身のダウンウオッシュにより水平尾翼が抵抗となって上下の揺れの原因となる。ヘリコプタが後退する時にも、尾翼が抵抗となるため探査バードが１／２回転してしまう。そこで、本発明では、探査バード１２を上記のような無翼で前後対称の形状にして、低速飛行時の姿勢の安定化を図っているのである。

また吊り下げ装置１６は、吊り具２４と探査バード１２の間に２本のロープ２６を離間させて対称的に設けると共にロープ２６間の１箇所以上（ここでは２箇所）に捩れ防止用支え部材２８を入れた梯子形の構造としている。但し、図２のＡに示すように、２本のロープ２６の上端部では間隔を狭めて吊り具２４に接続し、２個のリング３８で自動切り離しフック３０（図１参照）に引っ掛ける構造とする。これによって、探査バード１２は、捩れたり回転することが無く、またセンサ１０を探査バードの長手方向の中心位置に組み込むことにより、多少の回転（捩れ）が生じても、その影響を最少にできる。

本発明では探査バード１２を上記の形状にすると共に、吊り下げ装置１６を工夫することで、低速飛行時の姿勢の安定化を図り、測定境界外でＵターンすることなく、単に前進・後退を繰り返すことで測定エリア全域を調査できるようにしているのである。

ところで無人ヘリコプタは小型であるので主回転翼の位置は低い。従って、主回転翼が静止しているときしか無人ヘリコプタには接近できない。離陸前は、予め探査バード１２を無人ヘリコプタ１４のスキッド４０の脇に置き、探査バード１２と無人ヘリコプタ１４（より正確にはデータ収録装置３２）との間を繋ぐ信号ケーブル３４をスキッド４０を避けて引き回しておき、そのまま離陸させるために、特に問題はない。しかし、毎回、スキッド４０が信号ケーブル３４を踏まないように着陸させることは難しく、着陸時にスキッド４０が信号ケーブル３４を踏むと切断する恐れがある。そこで本発明では、無人ヘリコプタ１４に設けた自動切り離しフック３０により前記吊り具２４を支持・解放可能とすると共に、信号ケーブル３４を、軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタ４２で接続し、自動切り離しフック３０による吊り下げ装置１６の切り離し時に、探査バード１２の自重でコネクタ４２が分離するように構成している。コネクタ４２としては、単に押し込み・引き抜き方式の結合機構を有するものを用いる。また、例えば市販のＢＮＣコネクタのようなバイオネットロック方式の結合機構を備えている場合には、その係止用の突起を削り取ることにより、回転しても挿抜が許容されるようにしてもよい。一例を図２のＢに示す。通常は、雄コネクタ４４ａ側の側面に突起があり、雌コネクタ４４ｂ側の側面に溝が有るが、ここでは雄コネクタ４４ａ側の側面の突起を削り取ってある。但し、信号ケーブル３４に大きな引張力が加わることでコネクタ４２が分離するため、信号ケーブル３４は高張力に対応できる材料又は構造とする。

図３に示すように、着陸時には、無人ヘリコプタ１４を降下し、探査バード１２を地面に降ろした状態で自動切り離しフック３０を無線で操作して吊り具２４を切り離す。無人ヘリコプタ１４を上方に移動させると、探査バード１２の重量で信号ケーブル３４が引っ張られ、コネクタ４２で分離される。そこで、無人ヘリコプタ１４のみが、探査バード１２から離れた地点に着陸することで、信号ケーブル３４の切断を完全に回避することができる。

ここでは産業用の無人ヘリコプタを用いており、それが最も安価に探査できるために好ましいが、垂直離着陸可能な遠隔操縦方式の無人飛翔体であればよく、例えばＶＴＯＬ機（垂直離着陸機）や飛行船などでもよい。なお、有人機であっても、低速度で探査する場合は、本発明の曳航式探査装置は有効である。この技術は、電磁法による地下構造の探査の他、センサ種類の選択によってはその他の各種地下探査法（例えば磁気探査や重力探査など）、あるいは地表近くに埋没している地雷や不発弾などの探査や、水中・海中の物体（例えば機雷など）の探査などにも適用可能である。

図４は、本発明に係る曳航式空中電磁探査装置の使用例を示す模式図である。この装置は、狭いエリアの浅い深度（例えば１００ｍ以浅）の地下構造を精度よく測定したい用途に好適である。電磁探査法は、電磁誘導現象を利用した探査法であり、大地の電磁応答を測定して地中の比抵抗を測定し、その比抵抗から地下の地質構造を推定する技術である。ここではＴＤＥＭ法を用いている。地上に送信機５０設置し、地盤に電極を打ち込んで送信アンテナ５１を張設する。そして、大地に流す電流を例えば０．０８秒周期で断続制御し、それによって送信する電磁場を急激に変化させ、誘導電流が作る２次磁場の過渡応答を、無人ヘリコプタ１４から吊り下げた探査バード１２中の電磁気センサで測定する。無人ヘリコプタ１４は、無線送信機５２により地上から操縦される。この方法は、時間領域を採用しているために装置の小型化・軽量化が可能であり、受信機器を無人ヘリコプタに搭載することが可能となる。

探査方法は以下の通りである。例えば、調査地内に長さ２００ｍ程度の送信アンテナを設置し、地上に設置した送信機５０により大地に電流を流す。流す電流を急激に変化させ（例えば、正側オン時間＝０．０２秒、負側オン時間＝０．０２秒の矩形波状、及びそれらの間のオフ時間＝０．０２秒で断続制御し）、それによって発生する２次磁場の過渡応答（発生から減衰）を、探査バード１２に組み込んだ電磁気センサで測定する。探査バード１２には、その長手方向の中心位置に電磁気センサとして誘導コイルを設け、また適宜位置にＧＰＳアンテナを取り付ける。更に、必要に応じてレーザ高度計を組み込んでもよい。他方、無人ヘリコプタには、高速（例えば１μ秒）サンプリングが可能なＡ／Ｄコンバータ、データ収録装置、及びＧＰＳ本体などが搭載されている。これらによって、発生する２次磁場の過渡応答をデジタル情報として収録すると共に、ＧＰＳにより位置情報を収録する。

１回に調査できる範囲は、例えば送信アンテナの片側２００ｍ×２００ｍ程度の範囲であり、送信アンテナから５０ｍ程度離して調査計画を立てる。無人ヘリコプタの飛行速度は時速１０ｋｍ程度、飛行高度は３０ｍ以下であり、測線間隔は５〜２０ｍ程度とする。測線間隔を１０ｍとしたとき、２００ｍ×２００ｍの範囲を測定するのに必要な所要時間は、約０．５時間程度である。勿論、調査の仕方によっては（送信アンテナの寸法形状や送信電流など）、調査範囲を更に拡大することもできる。

前記のように、空中で測定したデータは、無人ヘリコプタに搭載したデータ収録装置にＧＰＳデータとともに収録され、データ解析される。データ解析の手法自体は、従来行われている手法と同様であってよい。即ち収録された磁場データは、測定位置での比抵抗値として計算され、３次元地質解析支援システムにより３Ｄグリッディングされる。グリッディングデータは、測定データをそのまま測定位置でランダムグリッディングし、３次元マッピングを行う。３Ｄマッピングされたデータは、任意の深度の平面図（等深度平面、等標高平面）、任意の位置での断面図、比抵抗値を同じ値で結んだ等値面で表すことができる。これにより、地質解釈精度が飛躍的に向上し、調査地内の微細な異常も見つけ出すことができる。また、これら物性値を使うことにより、定量的な評価を行うことも可能である。

この技術は、無人ヘリコプタを用いて低高度で低速で行うため、狭いエリアを高精度で調査するのに最適であり、安い調査費用で済み、航空法による申請が不要のため手軽に調査できる。また比較的浅い地中を精度よく測定できる。

これらの特徴を有するため、本発明による曳航式空中探査装置は、例えば、地滑りや斜面崩壊などの斜面災害、道路ルート調査やダム・トンネル調査などの土木調査、地質構造調査、人が立ち入れない急斜面や危険箇所、緊急災害現場などでの調査にも適用できる。

本発明に係る曳航式空中探査装置の一例を示す説明図。 吊り具とコネクタの説明図。 着陸時の動作説明図。 測定方法の一例を示す模式図。

符号の説明

１０ センサ
１２ 探査バード
１４ 無人ヘリコプタ
１６ 吊り下げ装置
２４ 吊り具
２６ ロープ
２８ 捩れ防止用支え部材
３０ 自動切り離しフック
３４ 信号ケーブル

Claims (4)

1. センサを搭載した探査バードを飛翔体から吊り下げ装置により吊り下げて、空中から地表近傍、地中、あるいは水中などを探査する装置において、
   探査バードは、無翼構造であって円筒体の両端に尖ったキャップを取り付けた前後対称形状であり、センサは該探査バードの長手方向の中心位置に組み込まれ、吊り下げ装置は吊り具と探査バードの間に２本のロープを離間させて対称的に設けると共にロープ間の１箇所以上に捩れ防止用支え部材を入れて梯子形の構造としたことを特徴とする曳航式空中探査装置。
2. 飛翔体として垂直離着陸可能な無人機を用い、該飛翔体に設けた自動切り離しフックによって吊り具を支持・解放自在にすると共に、探査バードと飛翔体との間を繋ぐ信号ケーブルを、軸方向の引張力のみで分離可能な構造のコネクタで接続し、自動切り離しフックによる吊り下げ装置切り離し時に、探査バードの自重でコネクタが自動分離可能とした請求項１記載の曳航式空中探査装置。
3. 探査バードにＧＰＳアンテナを取り付け、飛翔体側にＧＰＳ本体及びデータ収録装置を設けてデータを収録し、探査バード切り離し時点以降、ダミーデータを収録し続けるようにした請求項２記載の曳航式空中探査装置。
4. 探査バードに搭載するセンサは、地表に垂直な磁場成分を測定する誘導コイルであり、大地に流す電流を断続制御することで送信する電磁場を急激に変化させ、それによって地中に発生する誘導磁場の過渡応答を測定する請求項１乃至３のいずれかに記載の曳航式空中探査装置。
   

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