JP2017173194A - 回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動測定装置を設置することが困難な建造物であっても、その振動特性を容易かつ正確に測定する。【解決手段】 遠隔操作可能な回転翼航空機３００を用いて建造物の加振および振動測定を行うための装置であって、回転翼航空機３００を建造物に固定するための固定手段２０と、建造物の外面に対して、回転翼航空機３００が備える回転翼３０の回転軸３１の方向を調整する回転軸位置調整手段４０と、回転翼３０の回転数を変化させて、建造物をスイープ加振する加振制御手段５０と、建造物に加えられた振動を測定する振動測定手段６０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置に関するものであり、詳しくは、回転翼航空機を振動測定対象物に固定して、回転翼を回転させて振動測定対象物に振動を付与し、あるいは搭載した振動測定器により振動を計測することにより、振動測定対象物の振動測定を行うことが可能な加振および振動測定装置に関するものである。

建造物には、様々の要因により振動が加わるが、この振動特性を測定して構造物の健全性を保つ必要がある。例えば、橋梁等の構造物には、通行する車両の振動、風力による振動、地震による振動等が加わるため、劣化や破損が生じることがある。このため、建造物に不具合が発生する前に、その振動特性に基づいて適切な対応を行わなければならない。

従来、建造物に加わる振動を測定するための装置が種々開発されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術は、振動体と、振幅表示部及び筐体とを備えている。振動体は複数存在し、それぞれバネ及びバネにより吊り下げられる錘を有しており、固有振動数が互いに異なっている。振幅表示部は、振動体の振動による錘の鉛直方向の変位に伴う振動体の片振幅を振動体毎に視覚的に表示する装置である。筐体は、構造物に設けてあり、振動体及び振幅表示部を収容する空間を備えることにより、バネ及び振幅表示部を支持している。

特開２０１３−１０４８４０号公報

上述したように、従来の振動測定装置は、基本的に、振動測定器を用いて振動測定対象物（建造物）に生じる振動を測定することにより、建造物の振動特性を求めている。

ところで、橋梁や高層建造物等のように、振動測定対象物に対して振動測定器や振動発生源を容易に設置することができない建造物が存在する。このような建造物の振動特性を測定するには、適切な安全措置を施した上で、作業者が建造物に振動発生器や振動測定器を取り付けて振動測定作業を行わなければならない。また、定常状態仮定のもとでの常時微動を対象として計測が行われている。このような作業には手間がかかり、迅速な振動測定を行うことができないばかりでなく、常時微動の非定常性や建造物の設置環境によっては正確な振動測定を行うことができない場合もあった。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、振動測定装置を設置することが困難な建造物であっても、その振動特性を容易かつ正確に測定することが可能な回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置を提供することを目的とする。

本発明の係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置は、上述した目的を達成するため、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置は、遠隔操作可能な回転翼航空機を用いて建造物の振動測定を行うための装置であって、固定手段と、回転軸位置調整手段と、加振制御手段と、振動測定手段とを備えたことを特徴とするものである。

なお、回転翼航空機を振動発生源とする場合には、振動発生源から離隔した位置に振動測定手段を設置する場合も考えられる。この場合には、建造物の適宜位置に振動測定手段を設置する。また、例えば、橋梁を通過する車両等が振動発生源となる場合には、回転翼航空機に振動測定手段を搭載して振動を測定する。さらに、２機の回転翼航空機を、それぞれ振動発生源または振動測定手段として機能させ、２機の回転翼航空機を用いて建造物の振動を測定してもよいし、各々複数でもよい。また、１機の回転翼航空機で建造物への加振と振動測定を併用してもよい。

固定手段は、回転翼航空機を建造物に固定するための手段であり、例えば、負圧式や電磁石やフック等からなる。回転軸位置調整手段は、建造物の外面に対して、回転翼航空機が備える回転翼の回転軸の方向を調整するための手段であり、例えば、回転軸を屈曲させる装置等からなる。加振制御手段は、回転翼の回転数を変化させて、建造物をスイープ加振するための手段であり、例えば、回転翼を回転させるための電動モータやエンジンの回転制御装置等からなる。振動測定手段は、建造物に加えられた振動を測定するための手段であり、例えば、加速度センサーやＧＰＳ受信機等からなる。

また、前記回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置において、回転翼航空機の位置情報を取得する位置情報取得手段と、振動を測定した時間を計時する計時手段とを備えることが可能である。

また、前記回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置において、回転翼航空機の周辺状況を撮影する撮影手段と、撮影手段により撮影した画像を録画する録画手段とを備えることが可能である。

また、前記回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置において、回転翼航空機の管理制御を行うための管理制御手段と、管理制御手段と回転翼航空機との間でデータの送受信を行うデータ送受信手段とを備えることが可能である。

本発明に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置によれば、遠隔操作可能な回転翼航空機を用いて建造物の適宜箇所に振動発生源または振動測定器を設置することができる。また、回転翼航空機が備えている回転翼及びその付帯装置を振動発生源とすることができるため、振動発生源を別途搭載する必要がなく、簡易な装置構成とすることができる。

また、振動を測定した位置情報と、振動を測定した時間情報とを取得することができるので、これらの情報を加味した振動特性の測定を行うことができる。

また、振動測定を行う場所や振動測定を行っている状況を撮影して録画することができるので、さらに、これらの情報を加味した振動特性の測定を行うことができる。

また、取得したデータを遠隔地に設置した管理制御手段に送信することにより、遠隔地において、建造物の振動特性をリアルタイムに把握することができる。

したがって、本発明に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置を用いることにより、振動測定装置を設置することが困難な建造物であっても、その振動特性を容易かつ正確に測定することが可能となる。

本発明の実施形態に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置の概略外観図。 本発明の実施形態に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置により建造物の振動測定を行う手順を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置を説明する。図１〜図３は本発明の実施形態に係る回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置を説明するもので、図１は概略外観図、図２は装置構成を示すブロック図、図３は建造物の振動測定を行う手順を示す模式図である。

＜回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置の概要＞
本発明の実施形態に係る回転翼航空機３００を用いた加振および振動測定装置１０は、図１及び図２に示すように、必須の構成要素として、回転翼航空機３００を建造物に固定するための固定手段２０と、建造物の外面に対する回転翼３０の回転軸３１の位置を調整するための回転軸位置調整手段４０と、回転翼３０の回転数を制御するための加振制御手段５０と、建造物の振動を測定するための振動測定手段６０を備えている。

また、振動測定装置１０に付帯する構成要素として、図２に示すように、回転翼航空機３００の位置情報を測定する位置情報取得手段７０と、振動を測定した時間を計時する計時手段８０と、回転翼航空機３００の周辺状況を撮影する撮影手段９０と、撮影手段９０により撮影した画像を録画する録画手段１００と、回転翼航空機３００を管理制御する管理制御手段２００と、回転翼航空機３００と管理制御手段２００との間でデータを送受信するデータ送受信手段１１０、２１０を備えることが可能である。なお、データ送受信手段１１０、２１０は、回転翼航空機３００と管理制御手段２００の双方に設けてある。

また、回転翼航空機３００の回転翼２０及び回転駆動装置３２を振動発生源とする場合には、振動発生源から離隔した位置に振動測定手段６０を設置する必要がある。この場合には、建造物の適宜位置に振動測定手段６０を設置する。また、例えば、橋梁を通過する車両等が振動発生源となる場合には、回転翼航空機３００に振動測定手段６０を搭載して振動を測定する。さらに、２機の回転翼航空機３００を、それぞれ振動発生源または振動測定手段６０として機能させ、２機の回転翼航空機３００を用い建造物の振動を測定してもよい。

＜回転翼航空機＞
本実施形態の回転翼航空機３００は、複数の回転翼３０（ローター）を備えており、遠隔操作により飛行を制御することが可能な飛行体であり、一般的にドローンと称されている飛行体のことである。図１に示す例では、３機の回転翼３０（ローター）を備えているが、回転翼３０（ローター）の数は３機に限られず、２機または４機以上であってもよいし、相対的に反回転する２機の回転翼３０（ローター）を同軸上に取り付けてもよい。

本実施形態では、回転翼航空機３００に搭載した各装置（各制御手段）は、回転翼航空機３００に搭載した制御装置１２０を遠隔操作することにより動作させることができる。制御装置１２０は、ＣＰＵ等がプログラムに従って動作することにより所定の機能を発揮するための装置であり、同等の機能を発揮する論理回路も制御装置１２０となる。制御装置１２０については、各手段の説明において言及する。

＜固定手段＞
固定手段２０は、回転翼航空機３００を建造物に固定するための装置であり、例えば、建造物に設けた被固定装置（溝、固定環等）に係止するための係止装置とからなる。また、係止装置の係止及び解除を行うための係止制御手段（図示せず）を備えていてもよい。

被固定装置は、回転翼航空機３００を固定する建造物面の状態（水平方向又は鉛直方向等）に応じて適宜選択することができる。この被固定装置は、図示しないが、例えば、建造物に設けた断面Ｖ字状のＶ字溝、角錐状の溝、断面Ｕ字状や環状の固定環により構成することができる。

係止装置は、図示しないが、Ｖ字溝に係合するＶ字突起、角錐溝に係合する角錐突起、固定環に引っ掛けるフック等からなる。また、建造物が鋼鉄製である場合には、電磁石を係止装置とすることができる。

係止装置が開閉ロック式のフックや電磁石の場合には、フックの開閉を制御し、あるいは電磁石の励磁を制御する係止制御手段（図示せず）を備えている。係止制御手段は、制御装置１２０の一手段として構成すればよい。また、吸着方式による固定を行ってもよい。

＜回転軸位置調整手段＞
回転軸位置調整手段４０は、建造物の外面に対して、回転翼航空機３００が備える回転翼３０の回転軸３１の方向を調整するための装置である。本実施形態では、回転翼３０を回転させることにより振動を発生させる。すなわち、回転翼３０及び回転駆動装置３２が振動発生源となるが、建造物に対する回転翼航空機３００の固定状態に応じて、建造物面と回転翼３０の回転軸３１との方向を調整することにより、建造物に付与する振動方向を調整することができる。このため、本実施形態では、回転翼３０の回転軸３１を軸方向の途中で屈曲可能とし、建造物面と回転翼３０の回転軸３１との方向を調整して、建造物に付与する振動方向を調整する。

図１に示すように、回転軸３１の途中に、回転軸位置調整手段４０として機能するジョイントを設けるとともに、ジョイントを屈曲させるためのアクチュエータ（図示せず）を設けることにより、建造物面と回転翼３０の回転軸３１との方向を調整する。アクチュエータの制御は、ジョイント制御装置（図示せず）により行うが、このジョイント制御装置は、制御装置１２０の一手段として構成すればよい。

＜加振制御手段＞
加振制御手段５０は、回転翼３０の回転数を変化させて、建造物をスイープ加振するための装置である。本実施形態では、回転翼３０及び回転駆動装置３２が振動発生源となる。このため、回転翼３０の回転速度を調整することにより振動周期を調整することができ、回転翼３０そのものの形を変形することにより加振力を調整することができる。加振制御手段５０は、回転駆動装置３２である電動モータやエンジン等の回転数を調整するための装置であり、制御装置１２０の一手段として構成すればよい。

＜振動測定手段＞
振動測定手段６０は、建造物に加えられた振動を測定するための装置からなり、例えば、加速度センサーや本体に内蔵されたＧＰＳ受信機等からなる。なお、振動測定手段６０は、建造物に加えられた振動を測定できればどのような装置であってもよい。また、ＧＰＳ受信機を振動測定手段６０として機能させる場合には、位置情報所得手段７０として機能するＧＰＳ受信機を兼用してもよい。

振動測定を行うには、振動発生源により建造物を加振し、建造物を伝播してきた振動を振動測定手段６０により測定する。そこで、回転翼航空機３００を振動発生源とする場合には、建造物の適宜箇所であって、振動発生源から離隔した位置に振動測定手段６０を設置する。また、例えば、橋梁を通過する車両等が振動発生源となる場合には、回転翼航空機３００に振動測定装置１０を搭載して振動を測定する。さらに、２機の回転翼航空機３００を建造物に固定して、それぞれ振動発生源または振動測定装置１０として機能させることにより、振動測定を行ってもよい。

＜位置情報取得手段＞
位置情報取得手段７０は、回転翼航空機３００の位置情報を取得するための装置であり、例えば、ＧＰＳ受信機により構成する。また、ＧＰＳ信号を受信できない状況下では、基準位置信号を発信する基準位置信号発信器（図示せず）を複数個設け、各基準位置信号発信器からの基準位置信号を受信して現在位置情報を取得してもよい。

＜計時手段＞
計時手段８０は、振動を測定した時間を計時するための装置であり、例えば、時計装置やタイマーにより構成する。計時手段８０は、制御装置１２０の一手段として構成すればよい。また、正確な計時を行うために、時計装置やタイマーの時刻情報は、適宜、校正することが好ましい。

＜撮影手段＞
撮影手段９０は、回転翼航空機３００の周辺状況を撮影するための装置である。図示しないが、撮影手段９０は、撮像レンズ系、撮像素子等を備えたデジタルカメラにより構成する。また、撮影手段９０の構成要素として、撮像対象を照明するための照明装置を含んでいてもよい。照明装置としては、例えば、光量を調整可能なＬＥＤライトを用いることができる。

撮影手段９０（デジタルカメラ）の撮像レンズ系は、単焦点であってもよいが、合焦機構を有していてもよく、さらに、パン・チルト機構、ズーム機構を有していてもよい。また、撮影手段９０（デジタルカメラ）は、静止画像を撮像するカメラであってもよいし、動画映像を撮像するカメラであってもよい。

＜録画手段＞
録画手段１００は、撮影手段９０により撮影した画像を録画するための装置である。この録画手段１００は、耐衝撃性に優れているという点で、半導体メモリを用いることが好ましい。また、回転翼航空機３００に対して容易に着脱できるという点で、ＵＳＢメモリやＳＤメモリカード等を使用することが好ましい。なお、録画装置を操作基地等に設置して、撮影手段９０で撮影したデータを無線送信して録画してもよい。また、録画手段１００は、撮影手段９０と一体に構成することが好ましい。

＜管理制御手段＞
管理制御手段２００は、回転翼航空機３００の管理制御を行うための装置であり、コンピュータ及びこれにインストールされたアプリケーションプログラムにより構成される。また、管理制御手段２００は、回転翼航空機３００との間でデータの送受信を行うためのデータ送受信手段２１０を備えている。この管理制御装置２００により、回転翼航空機３００で取得した種々のデータを管理することにより、遠隔地において建造物の振動特性をリアルタイムに把握することができる。

なお、回転翼航空機３００の飛行制御を行うためのラジオコントローラーも管理制御手段２００の一構成要素であるが、ラジオコントローラーは、制御スティックや制御ダイアル等を備えた飛行制御に特化したものであり、各種のデータを管理するための管理制御装置２００とは別個に設けることが好ましい。

＜データ送受信手段＞
データ送受信手段１１０、２１０は、管理制御手段２００と回転翼航空機３００との間でデータの送受信を行うための電子回路及びプログラムからなり、管理制御手段２００と回転翼航空機３００の双方に設けることにより、データの送受信を行うようになっている。データ送受信手段１１０、２１０は、無線通信によりデータ通信行うが、状況に応じて、ケーブルを介した有線通信によりデータ通信を行ってもよい。なお、回転翼航空機３００に搭載するデータ送受信手段１１０は、制御装置１２０の一手段として構成すればよい。

＜建造物の振動測定＞
図３を参照して、本発明に係る回転翼航空機３００を用いた加振および振動測定装置１０により、建造物の振動測定を行う手順について説明する。本発明に係る回転翼航空機３００を用いた加振および振動測定装置１０は、特に、高層建築物や橋梁のように、振動測定装置１０を設置することが困難な建造物において振動測定を行う場合に好適に使用することができる。

建造物の振動を測定するには、回転翼航空機３００を遠隔操縦して適宜な測定位置に降下（着陸）させ、固定手段２０を用いて回転翼航空機３００を建造物に固定する。そして、回転翼航空機３００を振動発生源として機能させる場合には、回転軸位置調整手段４０により回転軸３１の回転方向を調整することにより、建造物に伝播する振動の方向を調整する。

また、回転翼航空機３００を振動発生源として機能させる場合には、加振制御手段５０の機能により回転翼３０の回転数を変化させて、建造物をスイープ加振する。振動発生源から発生した振動は建造物を伝播して、別途、建造物に設置した振動測定手段６０により測定する。また、回転翼航空機３００により振動測定を行う場合には、車両の通行等により発生し、建造物を伝播してきた振動を振動測定手段６０により測定する。

なお、回転翼３０の回転数と発生する振動（振幅）との関係を把握するには、予めキャリブレーションを行っておいてもよいし、実際に回転させている回転翼３０の回転数と、振動測定手段６０により測定した振動の振幅との関係からリアルタイムに算出してもよい。

この際、加振を行う位置情報と、加振を実施した時間情報とを取得することにより、位置及び時間を特定して振動測定を行うことができる。また、振動測定を行う場所や振動測定を行っている状況を撮影して録画することにより、例えば、通過する車両の種類や速度等に関する情報を取得することができる。さらに、回転翼航空機３００で取得した各種のデータを遠隔地に設置した管理制御手段２００に送信することにより、遠隔地において、建造物の振動特性をリアルタイムに把握することができる。

建造物の振動測定が終了したら、回転翼３０の回転軸３１を飛行位置に戻し、固定手段２０による固定を解除して、回転翼航空機３００を建造物から離脱させ、遠隔操縦により回転翼航空機３００を回収位置に着陸させる。

１０ 振動測定装置
２０ 固定手段
３０ 回転翼
３１ 回転軸
３２ 回転駆動装置
４０ 回転軸位置調整手段
５０ 加振制御手段
６０ 振動測定手段
７０ 位置情報取得手段
８０ 計時手段
９０ 撮影手段
１００ 録画手段
１１０ データ送受信手段
１２０ 制御装置
２００ 管理制御手段
２１０ データ送受信手段
３００ 回転翼航空機

Claims (4)

1. 遠隔操作可能な回転翼航空機を用いて建造物の振動測定を行うための装置であって、
   前記回転翼航空機を前記建造物に固定するための固定手段と、
   前記建造物の外面に対して、前記回転翼航空機が備える回転翼の回転軸の方向を調整する回転軸位置調整手段と、
   前記回転翼の回転数を変化させて、前記建造物をスイープ加振する加振制御手段と、
   前記建造物に加えられた振動を測定する振動測定手段と、
   を備えたことを特徴とする回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置。
2. 前記回転翼航空機の位置情報を取得する位置情報取得手段と、
   前記振動を測定した時間を計時する計時手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置。
3. 前記回転翼航空機の周辺状況を撮影する撮影手段と、
   前記撮影手段により撮影した画像を録画する録画手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置。
4. 前記回転翼航空機の管理制御を行うための管理制御手段と、
   前記管理制御手段と前記回転翼航空機との間でデータの送受信を行うデータ送受信手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転翼航空機を用いた加振および振動測定装置。

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