JP2017087917A - 管路施設点検飛行体とそれを用いた管路施設点検システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、管路施設の点検に際し、管路内での作業者の立会いを不要とし、管路内の撮影画像を安定して取得することが可能な管路施設点検飛行体とそれを用いた管路施設点検システムを提供することにある。【解決手段】管路施設点検飛行体は、管路内を撮像する撮像手段と、管路内に光を照射する照射手段と、前記撮像手段と前記照射手段を配置し、管路内を飛行する飛行体本体と、前記飛行体本体に配置され、管路と、管路内の飛行体本体との距離を測定する距離センサと、前記飛行体本体に配置され、前記距離センサの測定値に基づいて管路内の飛行体本体の飛行方向を制御する飛行制御手段と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば下水管路などの管路施設内を飛行して画像を取得し、管路施設の内面の状態を把握する管路施設点検飛行体とそれを用いた管路施設点検システムに関する。

現在、代表的な管路施設として下水管路の老朽化の問題がある。老朽化が進行するとひび割れや破損、腐食などの異常が発生する。その結果、管内の液体を管外と分離して流す機能が低下するとともに、土砂が管外から管内に入って地中に空隙ができ、それが原因で道路の陥没事故が発生する可能性がある。

そこで、老朽化にともなう下水管路の異常を把握する技術が必要となっている。このようなニーズに対し、例えば特許文献１では、テレビカメラを搭載した小型の自走車を下水管の中を走行させ、管内の状態をモニタする技術が記載されている。

特開平９−２２６５７０号公報

特許文献１では、下水管路の中に入れた自走車のテレビカメラで画像を取得するが、予め下水管路の中に人が入り、地上から自走車を受け取って下水管路の中に設置する作業が必要となる。下水管路の中は硫化水素などの有毒ガスが充満している可能性があるため、人が入る前に、硫化水素や酸素などの濃度を計測する必要がある。人が下水管路内で作業するにあたって不適切な環境であれば、地上から空気を下水管路内に吹き込んで換気する作業が追加される。

また、下水管路を撮像する際には、撮像する機器が管路の内面に衝突することなく、画像を安定して撮影することが求められる。

本発明はこれらの課題に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、管路施設の点検に際し、管路内での作業者の立会いを不要とし、管路内の撮影画像を安定して取得することが可能な管路施設点検飛行体とそれを用いた管路施設点検システムを提供することにある。

本発明の管路施設点検飛行体は、管路内を撮像する撮像手段と、管路内に光を照射する照射手段と、前記撮像手段と前記照射手段を配置し、管路内を飛行する飛行体本体と、前記飛行体本体に配置され、管路と、管路内の飛行体本体との距離を測定する距離センサと、前記飛行体本体に配置され、前記距離センサの測定値に基づいて管路内の飛行体本体の飛行方向を制御する飛行制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、管路施設の点検に際し、管路内での作業者の立会いを不要とし、管路内の撮影画像を安定して取得することが可能な管路施設点検飛行体とそれを用いた管路施設点検システムを提供することができる。

本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体の側面図および上面図である。 図１に示す管路施設点検飛行体を用いた管路施設点検システムを示す構成図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体が水平方向に設置された下水管内を飛行している際の径方向断面模式図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体が水平方向に設置された下水管内を飛行している状態を鉛直上方から見た軸方向断面図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体の側方距離センサが進行方向に対して直角でない方向の距離を計測できるよう設置されている場合の状態を鉛直情報から見た軸方向断面図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体の飛行方向と管路施設の軸方向との角度偏差に対し、お互いに逆方向の距離を測定する2つの距離センサの測定値の和との関係を示す模式図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体が水平方向に設置された下水管内を飛行している状態を鉛直上方から見た軸方向断面図である。 本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体がなだらかな曲率を持ち水平方向に設置された下水管内を飛行している状態を鉛直上方から見た軸方向断面図である。 下方距離センサで計測値x3およびx4を測定した場合の模式図である。 水平および水平より下方向の向きに備えられた距離センサが3つの場合の模式図である。

本発明の管路施設点検飛行体は、管路施設内を飛行し、亀裂やクラックの点検に用いる飛行体である。管路施設は、例えば下水管、ガス管、トンネル、集合管、内容物を抜いて気体で置換した水道管、蒸気配管、オイル配管、伏せ越し管、放流渠、マンホールなどが挙げられ、特に制限されるものではない。

以下、具体的な一例として、下水管を対象とした場合の一実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る管路施設点検飛行体１０の側面図および上面図である。管路施設点検飛行体１０は、飛行体本体３０に、プロペラ１８、撮像手段２０、照射手段２２、上方距離センサ１２、側方距離センサ１４、飛行制御手段２４を配置している。実際に飛行するためにはモーターやバッテリーなども必要であるが、いずれも飛行体本体３０に備えているものとする。さらに、下水管の点検には、撮像手段２０で撮影した画像を無線で伝送する無線伝送装置３５、それらを駆動するバッテリーなども必要であるが、これらも飛行体本体３０に備えているものとする。

管路施設点検飛行体１０はプロペラ１８を回転させて下水管の内部を飛行する。照射手段２２で下水管の内面に光を照射し、撮像手段２０で下水管の内面を撮像する。この撮像手段２０が備えられた側を前方として管路施設点検飛行体１０は進行する。下水管の壁面や天井あるいは底部をより詳しく撮影する場合、撮像手段２０は管路施設点検飛行体１０の進行方向に対して直角の向きを撮影できるよう設置してもよい。進行する際に管路施設点検飛行体１０が下水管の天井や壁面、底面や水面に衝突しないように、プロペラ１８の回転数の制御によって、管路施設点検飛行体１０の上下方向の移動、前後左右への移動や自転を行う。具体的には、上方距離センサ１２および側方距離センサ１４の計測値を、飛行体本体３０内の飛行制御手段２４（例えばマイコン）に与え、飛行制御手段２４で計算した出力をそれぞれのプロペラ１８の動力源であるモーターへ与えて、移動や自転を制御する。なお、ここで言う自転とは、管路施設点検飛行体１０の位置を変えずに、飛行体１０の向きのみを変えることを意味する。

側方距離センサ１４は、下水管と、下水管内の飛行体１０との距離を測定するセンサであり、飛行体１０の進行方向に対して直角方向の距離を測定できるように、飛行体本体３０の両側面にそれぞれ設置される（図１参照）。いずれも進行方向に対し直角の向きの距離を計測する向きに設置されるのが望ましいが、測定する向きが進行方向に対して平行でなければよい。

上方距離センサ１２は、下水管と、下水管内の飛行体１０との距離を測定するセンサであり、鉛直上向きの距離を計測できるように、飛行体本体３０の上面に設置される。なお、水平より上向きの方向の距離を計測する複数個の異なる上方距離センサ１２を設置してもよい。複数個の上方距離センサ１２の測定値に基づき、鉛直上向きからの距離を算出するアルゴリズムを飛行制御手段２４に組み込むことで代替が可能である。

また、上方距離センサ１２の代わりに、下水管と飛行体１０との鉛直下向きの距離を測定する下方距離センサを備えてもよい。下水管の天井から水が滴り落ちる場所がある場合には、管路施設点検飛行体１０にも水滴がかかる可能性がある。下水管の天井から、上方距離センサ１２に水滴がかかった場合に測定精度が低下したり、測定不能となる場合には、上方距離センサ１２の代わりに下方距離センサを備えて天井との距離を推算してもよい。例えば、管路施設点検飛行体１０が飛行する下水管が円形管で内径2rが既知の場合、2rから下方距離を減ずることで上方距離を求めることができる。ただし、下水管には通常下水が流れており、下水管の場所によって水位も変わるため、上方距離の推定精度は低い。

上述の距離センサ１２，１４としては、安価で軽量かつ低消費電力の超音波センサあるいは赤外線センサを用いることが望ましいが、これら以外でも安価で軽量かつ低消費電力を実現でき、かつ1つの数値として距離を出力できるセンサであればいずれでもよい。下水管路施設内の天井や壁面など固体との距離を測れるのが望ましいが、下水管の天井や壁面は結露や流入水の付着で濡れていることも多いため、液体との距離も測定できることが望ましい。

プロペラ１８は、図１では４つを有しているが、これに限定されず、６つ、８つあるいは二重反転プロぺラの形状をとる場合には２つでもよい。

管路施設点検飛行体１０としては、ドローンあるいはUAV(Unmanned Aerial Vehicles、無人航空機)と呼ばれる装置、小型のヘリコプター、気球や飛行船など空中に浮遊して移動できる飛行体であればいずれでもよい。

撮像手段２０は静止画を撮影するカメラ、動画を撮影するビデオカメラのいずれでもよいが、動画を撮影できる設備で構成することが望ましい。可視光よりも波長の長い近赤外、赤外、遠赤外の領域の波長を撮影できる赤外光カメラも搭載できるとさらに望ましい。赤外光カメラでは温度の違いが分かるため、この撮像結果に基づいて下水管の外から流入している不明水の検出に有用な情報を得ることができる。さらに、撮像手段２０としてステレオカメラを用いることができればさらに望ましい。

照射手段２２については、できるだけ積載するバッテリーの重量を低減するのが望ましいことから、LEDが挙げられるが、特に限定されない。オペレータが画像を目視確認する作業が発生する可能性もあることから、白色光の光源を用いることが望ましい。下水管１６の壁面の濡れの状態も画像で計測するために、光の波長が異なる光源を複数用いて交互に照射させてもよい。例えば、白色光の光源と赤色光の光源を用いる方法もある。水に赤色光は吸収され易いため、白色光光源で撮影した画像と赤色光光源で撮影した画像を画像処理し、得られた画像の違いを評価することで、下水管１６の内表面の濡れの状態を検出できる。その結果、例えば下水管１６の中に流入している不明水を判別できる。

図２は、図１に示す管路施設点検飛行体１０を用いた管路施設点検システムを模式的に示す図である。管路施設点検飛行体１０は、下水管１６内を飛行している。管路施設点検飛行体１０には、撮像手段２０で撮影した画像を無線で伝送する無線伝送装置３５が配置されている。地上からマンホール３１に垂らしたアンテナ３２とそれに接続された送受信装置３３には、飛行体１０で撮影した画像が無線伝送装置から伝送、受信され、地上の表示装置３４に表示される。表示装置３４で、地上の作業員が、撮影した画像を撮影と同時に確認することができる。

一般に、下水管１６は地上に対してほぼ並行に配置されており、マンホール３１に対してほぼ直角に接続されている。よって、直進性の高い高周波の電波をマンホール３１経由で下水管１６へ送っても、マンホール３１から下水管１６に繋がる屈曲部で電波の減衰が大きく、電波が届きにくい場合がある。これに対し、アンテナ３２をマンホール３１に配置することで、直進性が高い高周波の電波であっても下水管１６の中を電波が伝達し易くなり、より安定して飛行体１０と通信することができる。

アンテナ３２は、導電体を樹脂で被覆して構成され、ケーブル状に巻き取れる性状が作業する上で好ましい。図２では、アンテナ３２を入り口側のマンホール３１、出口側のマンホール３１にそれぞれ配置しているが、入口側のみ、出口側のみでもよい。

表示装置３４は、特に制限されるものではなく、例えば、液晶、プラズマディスプレイ、ブラウン管等の据付型のＰＣ用モニタや業務用モニタ、スマートフォン、タブレット等のモバイル装置でもよい。

図３は、管路施設点検飛行体１０が水平方向に設置された下水管１６の内部を飛行している際の径方向断面模式図である。下水管１６には下水２６が流れている。上方距離センサ１２は下水管１６の天井との距離yを計測しており、2つ備えられた側方距離センサ１４は下水管１６の壁面との距離x1およびx2を計測していることを示している。この図では進行方向は紙面の向こう側であり、管路施設点検飛行体１０は後方が示されている。点検作業においては、壁面に衝突することなく、距離y、距離x1、および距離x2をいずれも一定に保ったまま管路施設点検飛行体１０が下水管１６の中を軸方向へ飛行できることが望ましい。

なお、この場合には異なる3方向の距離センサを備えることになるが、天井との距離yおよび壁面との距離x1、x2を算出できるのであれば、前述のようにさらに多い個数の距離センサを備えてもよい。ただし、距離センサの数の増加はコスト増、重量増および消費電力増につながるため、多くても10方向の距離センサがあれば十分である。

図４は、管路施設点検飛行体１０が水平方向に設置された管路施設内を飛行している状態を鉛直上方から見た軸方向断面図である。このうち(a)は管路施設点検飛行体１０が軸方向へ飛行している望ましい状態である。(b)は管路施設点検飛行体１０の飛行方向が軸方向に対して右向きに傾いている好ましくない状態、(c)は逆に管路施設点検飛行体１０の飛行方向が軸方向に対して左向きに傾いている好ましくない状態を示す。(a)の状態で飛行できれば管路施設点検飛行体１０は壁面へ衝突せず、かつ一定した向きの解析しやすい画像を撮影できる。(b)(c)のようになると解析しづらい画像になるとともに、管路施設点検飛行体１０が壁面に衝突する危険性がある。したがって、(b)(c)の状態になった場合には、管路施設点検飛行体１０を自転させて(a)の状態に制御する必要がある。(b)(c)の場合には、距離x1と距離x2の和が(a)の場合に比べて長い。管路施設点検飛行体１０の進行方向と下水管１６の軸方向との向きの差を角度偏差θと定義する。

図６は、この角度偏差θとx1+x2の値の関係を模式図で示したグラフである。x1+x2が極小値となるときに角度偏差θは0となる。この関係を利用し、x1+x2の値が極小値となるよう管路施設点検飛行体１０の自転制御をすることにより、図４(a)の飛行方向を維持したまま飛行することが可能となる。

図５で示すように2つの側方距離センサ１４による測定の向きが進行方向に対して直角でない場合であっても、管路施設点検飛行体１０の側方に対してそれぞれ同じ角度で設置されている場合には、その測定距離であるx6およびx7を上述のx1およびx2と代替して用いてよい。

ただし、図３で示すように、下水管１６が円形管の場合、x1+x2を小さくするだけの条件で飛行制御し、x1+x2が0に近づくと、天井あるいは底に移動して衝突する可能性が生じる。すなわち、下水管１６の天井との距離yの値が一定となる条件下で、管路施設点検飛行体１０の自転制御をすることが必要である。これは卵形管でも同様である。一方、下水管が矩形管の場合でも、距離yの値が一定となる条件下で管路施設点検飛行体１０の自転制御をすることが望ましい。このように距離yの値が一定となる条件下（距離yが内径2rの半分）で、x1+x2が極小値となるよう自転するアルゴリズムを飛行制御手段２４に備える。

なお、上記ではx1+x2の値が極小となる例について述べたが、計算式はこれには限定されず、x1とx2を入力として求めた指標の値が目標範囲内を満たすことでもよい。例えば、係数を乗じたk1・x1+k2・x2の値が極小となる条件でもよいし、1/(x1+x2)の値が極大となる条件でもよい。あるいは、単にx1が目標範囲内を、かつx2も目標範囲内を維持する条件でもよい。いずれにしても、x1とx2を入力として求めた指標の値が極小、極大、あるいは所定の目標範囲内の値を満足すればよい。

管路施設点検飛行体１０は進行方向への移動と自転を同時に実施してもよく、あるいは一定距離や一定時間の移動ごとに壁面との距離計測値に基づいた自転を実施してもよく、あるいは壁面との距離計測値が所定の範囲内の値であれば自転せずその範囲外の値となったときに自転制御することもよい。

ただし、上述のように自転して飛行しても、下水管１６内の気流などの状態によっては図７で示すように壁面からの距離が一定とはならず変化してしまう可能性がある。このように飛行すると撮影した画像が解析しづらくなるとともに、管路施設点検飛行体１０が壁面に接触あるいは衝突する場合が生じる。そこで、水平方向の少なくとも1方向の側方距離センサ１４の値があらかじめ設定した値を維持するように左右方向へ移動するアルゴリズムを飛行制御手段２４に備える。このアルゴリズムにすることで、壁面への接触や衝突を回避できるとともに、側方距離センサ１４を備えた側の壁面との距離を一定に維持した飛行が可能となる。これにより、壁面との接触や衝突を回避することが可能となる。さらに、前方に備えた撮像手段２０で撮影した画像の処理を容易化することも可能となる。例えば、管路施設点検飛行体１０が飛行する下水管が円形管で内径2rが既知の場合、x1=x2=rかつy=rと設定することで管路施設点検飛行体１０は管の中央を飛行することができる。前方に備えた撮像手段２０の撮影画像は、遠方が中心、管路施設点検飛行体１０の近くの壁面や天井が周辺に写りこむ。この画像を処理して展開図と呼ばれる、壁面側を直視した画像に変換する際には、撮像手段２０が管の中央にあると幾何変換が容易となる。

あるいは、水平方向でお互いに逆方向の距離を測定する2つの距離センサの測定値の比率があらかじめ設定した値を維持するように、水平左右方向へ移動するアルゴリズムを飛行制御手段２４に備える。このアルゴリズムを備えることで、壁面への接触や衝突を回避できるとともに、側方距離センサ１４が備えられた側の壁面との距離の比率を一定に維持した飛行が可能となる。これにより、壁面との接触や衝突を回避することが可能となる。2つの距離センサの測定値の比率を等しくした場合、管路施設点検飛行体１０は管の中央を進行することができ、前述と同様、前方に備えた撮像手段２０で撮影した画像の処理が容易となる。

下水管が直管のみで曲がりが無い場合には、図４(a)の状態を保ったまま飛行すれば安定した画像を得られる。しかし、現実的には直管のみではなく曲管も存在する。図８は、管路施設点検飛行体１０がなだらかな曲率を持つ管路施設内を飛行している状態を鉛直上方から見た軸方向断面図である。上述したように、距離yの値を一定としたうえで、x1+x2の値が小さくなるよう自転して飛行することにより、なだらかな曲率を有する曲管でも(a)から(b)(c)(d)へと望ましい飛行を実現できる。

実施例１で述べたように、天井から水が滴り落ちる場所がある下水管では、管路施設点検飛行体１０にも水滴がかかる可能性がある。上方距離センサ１２に上から水滴がかかった場合に測定精度が低下したり測定不能となる場合には、上方距離センサ１２の代わりに下方距離センサを備え、下水管１６の内径2rから減算することで天井との距離を推算するのもよい。ただし、下水管１６の底部には下水が流れているのが普通であり、天井との距離の推算値には誤差が生じる可能性が高い。

鉛直下方ではなく、水平および水平より下方向を向いていれば水滴がかかっても問題が生じない下方距離センサで計測値x3およびx4が分かった場合の模式図を図９に示す。2つの距離センサの計測値x3とx4に対し、内径2rの円形管の相対位置は2つ存在する。一方、水平および水平より下方向の向きに備えられた距離センサが3つの場合の模式図を図１０に示す。3つの距離センサの計測値x3、x4、x5がある場合には、推定される円形管との相対位置は一意的に定まる。その結果を用い、天井との距離を幾何的な関係に基づき、精度良く推算することができる。

下水管１６は、場所によっては取り付け管からの流入水量が多く、管の断面に対する相対的な水位が高くなる場合が生じる。管路施設点検飛行体１０が上方向の距離があらかじめ設定した範囲内の値を維持するように鉛直方向の位置を制御して飛行して進むと、水位が高い箇所では水没してしまう可能性が生じる。水没してしまうと飛行や画像取得が不可能となり、故障する危険性も高まるため水位が高い箇所へは進まないことが望ましい。そこで、下方向の距離、特に水面との距離を計測する距離センサを設けるのが望ましい。この距離があらかじめ設定した値よりも小さくなった場合には停止あるいは進行方向と逆方向に移動するアルゴリズムを飛行制御手段２４には備えることがよい。これにより、管路施設点検飛行体１０の水没による故障を未然に防止することが可能となる。

１０…管路施設点検飛行体
１２…上方距離センサ
１４…側方距離センサ
１６…下水管
１８…プロペラ
２０…撮像手段
２２…照射手段
２４…飛行制御手段
２６…下水
３０…飛行体本体
３１…マンホール
３２…アンテナ
３３…送受信装置
３４…表示装置
３５…無線伝送装置

Claims (8)

1. 管路内を撮像する撮像手段と、
   管路内に光を照射する照射手段と、
   前記撮像手段と前記照射手段を配置し、管路内を飛行する飛行体本体と、
   前記飛行体本体に配置され、管路と、管路内の飛行体本体との距離を測定する距離センサと、
   前記飛行体本体に配置され、前記距離センサの測定値に基づいて管路内の飛行体本体の飛行方向を制御する飛行制御手段と、
   を備えることを特徴とする管路施設点検飛行体。
2. 請求項１において、前記距離センサは、
   前記飛行体本体の上面に配置され、管路と管路内の飛行体との、鉛直上向きの距離を測定する上方距離センサと、
   前記飛行体本体の少なくとも２つの側面に配置され、管路と管路内の飛行体との、前記飛行体の進行方向に対して直角方向の距離を測定する側方距離センサと、
   を有することを特徴とする管路施設点検飛行体。
3. 請求項２において、前記飛行制御手段は、
   前記上方距離センサで測定した、管路と管路内飛行体との距離を管路の内径半分に保ち、
   前記側方距離センサで測定した、管路と管路内飛行体との距離の合計が極小値となるように飛行体の飛行方向を制御することを特徴とする管路施設点検飛行体。
4. 請求項２または３において、前記距離センサは、
   前記飛行体本体の下面に配置され、管路内の水面と飛行体との、鉛直下向きの距離を測定する下方距離センサを、さらに有することを特徴とする管路施設点検飛行体。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記距離センサが、超音波センサあるいは赤外線センサであることを特徴とする管路施設点検飛行体。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記撮影手段で撮影した管路内の画像を、無線で伝送する無線伝送装置を前記飛行体本体に配置することを特徴とする管路施設点検飛行体。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記管路が、下水管路であることを特徴とする管路施設点検飛行体。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の管路施設点検飛行体と、
   地上に配置され、前記管路施設点検飛行体で撮影した画像を、地上からマンホールに垂らしたアンテナを介して、無線で受信する送受信装置と、
   前記送受信装置に接続され、撮影した画像を表示する表示装置と、
   を備えることを特徴とする管路施設点検システム。

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