JP2018052429A - 無人作業装置、その方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】制御を失っても所定の領域を離れることがない無人作業装置を提供すること。【解決手段】所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置１（１１）は、作業を制御する作業制御手段と、前記無人作業装置を所定領域に留めるための物理的手段を利用するための利用手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無人作業装置、その方法及びプログラムに関する。

従来、小型無人ヘリコプター（ドローンとも呼ばれる）の利用が提案されている。

特開２００４−２５６０２０号公報

ところで、小型無人ヘリコプターは、空中を移動するものであるから、制御を失うと、所定の領域を離れ、建物に衝突するなどの事故を起こす可能性がある。

本発明はかかる問題の解決を試みたものであり、制御を失っても所定の領域を離れることがない無人作業装置を提供することを目的とする。

第一の発明は、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置であって、作業を制御する作業制御手段と、前記無人作業装置を所定領域に留めるための物理的手段を利用するための利用手段と、を有する無人作業装置である。

第一の発明の構成によれば、無人作業装置は、所定の経路を自律飛行することに加えて、物理的手段を利用するための利用手段を有するから、制御を失っても所定の領域を離れることがない。

第二の発明は、第一の発明の構成において、前記利用手段として、前記物理的手段としての係留索を貫通させるための貫通孔が形成されている無人作業装置である。

第三の発明は、第二の発明の構成において、前記貫通孔を形成する壁部に配置され、前記係留索との接触による圧力を感知する圧力感知手段と、前記圧力感知手段によって感知した前記圧力を解消するように前記無人作業装置の位置を調整する位置調整手段と、を有する無人作業装置である。

第四の発明は、第一の発明の構成において、前記利用手段として、前記物理的手段としての係留索を固定する固定手段を有し、前記無人作業装置は、前記係留索に吊り下げられている無人作業装置である。

第五の発明は、第四の発明の構成において、前記無人作業装置と作業対象との距離を計測する距離計測手段と、前記距離を所定範囲に維持するための距離維持手段と、
を有する無人作業装置である。

第六の発明は、第一の発明乃至第五の発明のいずれかの構成において、作業対象を複数部分に区分し、前記部分ごとに、作業結果を記憶する記憶手段を有する無人作業装置である。

第七の発明は、第六の発明の構成において、前記作業を中断した後に、前記作業を再開する場合に、前記無人作業装置を前記作業を中断した前記作業対象の部分である中断部分まで移動し、前記作業を再開する無人作業装置である。

第八の発明は、第五の発明乃至第七の発明のいずれかの構成において、前記所定の作業を行うべき位置からのずれを計測する慣性センサーを有し、
前記距離計測手段によって取得する距離データを前記ずれに基づいて補正するように構成されている無人作業装置である。

第九の発明は、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置が実施する作業方法であって、作業開始位置において作業を開始する作業開始ステップと、作業対象からの距離を所定範囲に維持する距離維持ステップと、作業終了位置において作業を終了する作業終了ステップと、を含む作業方法である。

第十の発明は、無人作業装置を制御するコンピュータを、作業開始位置において作業を開始する作業開始手段、作業対象との距離を所定範囲に維持する距離維持手段、作業終了位置において作業を終了する作業終了手段、として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、制御を失っても所定の領域を離れることがない無人作業装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の要部を示す概略図である。 本実施形態に係る無人作業装置の機能構成を示す図である。 本実施形態に係る作業対象を複数部分に分割した図である。 本実施形態に係る無人作業装置が作成するデータを示す概略図である。 本実施形態に係る無人作業装置の動きを示すフローチャートである。 本実施形態に係る無人作業装置の動きを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の要部を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置を示す概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る無人作業装置の移動経路を示す概略図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略又は簡略する。なお、当業者が適宜実施できる構成については説明を省略し、本発明の基本的な構成についてのみ説明する。

＜第一の実施形態＞
図１乃至図４は、本発明の実施形態に係る無人作業装置の作用を示す概要図である。図１等に示す無人機１は、所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置の一例である。無人機１は空中を飛行する無人飛行体である。無人機１は、無人機１を管理する基地局（図示せず）からの指示で作業を開始し、また、基地局において充電等を行うようになっている。建物１０６は外面１０６ａと外面１０６ｂ等の外面を有するが、無人機１は、建物１０６の外面１０６ａの壁面状態の情報収集作業（以下、「作業」という。）をするものとして説明する。無人機１が収集した情報は、外面１０６ａの状況の検査のための基礎資料となる。

建物１０６の屋上には係留索１００を固定するための上部固定装置１０２が配置されている。上部固定装置１０２の底部にはローラー状のタイヤ１０２ａが配置されており、矢印Ｘ方向に移動可能になっている。係留索１００は、例えば、ワイヤー、あるいは、ロープであり、無人機１を所定領域に留めるための物理的手段の一例である。また、建物１０６の近傍の地面には、下部固定装置１０４が配置されている。下部固定装置１０４は、無人機１と係留索１００の合計重量よりも大きい重量を有するものであり、無人機１と係留索１００とが水平方向に移動することを制限することができる。上部固定装置１０２と下部固定装置１０４によって、係留索１００は鉛直に固定されている。また、図４に示すように、上部固定装置１０２と下部固定装置１０４によって、係留索１００は、建物１０６の外面１０６ａと所定の距離をとって、固定されている。無人機１は、係留索１００を鉛直方向に貫通させる構造になっており、水平方向への位置ずれを係留索１００によって制限されつつ、上方へ移動したり（図２参照）、下方へ移動したり（図３参照）することができる。すなわち、無人機１は、所定の経路の一例としての鉛直方向の経路において、自律移動するようになっている。そして、風の影響などによって、無人機１の位置が水平方向へずれる場合には、水平方向の位置調整を行うようになっている。

図４に示すように、上部固定装置１０２と下部固定装置１０４によって、係留索１００は、建物１０６の外面１０６ａと所定の距離ｄ２を有するようになっている。距離ｄ２は、無人機１と外面１０６ａとが情報収集のために好適な距離ｄ１となるように規定される。

上部固定装置１０２と下部固定装置１０４を矢印Ｘ方向（水平方向）に移動させることで、係留索１００を矢印Ｘ方向（上下方向）に移動させることができる。矢印Ｘ方向は矢印Ｚ方向と直交する方向でさる。これにより、無人機１は、外面１０６ａに沿って、矢印Ｚ方向（上下方向）及び矢印Ｘ方向（水平方向）に移動し、外面１０６ａの全面についての作業をすることができる。無人機１、基地局、係留索１００、上部固定装置１０２及び下部固定装置１０４で、無人作業システムを構成している。

図５に示すように、無人機１は、筐体１２を有する。筐体１２には、無人機１の各部を制御するコンピュータ、無線通信装置、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用した測位装置、慣性センサー、バッテリー等が配置されている。また、筐体１２には、カメラ１３、測定装置１４が配置されている。カメラ１３は、可視光カメラ、または、近赤外線カメラであるが、切り替え可能なハイブリッドカメラであってもよい。測定装置１４は、非破壊で物体内部の情報を収集可能な装置であり、例えば、遠赤外線カメラである。遠赤外線カメラによって、物体からの遠赤外線を感知してサーモグラフィーを生成する。サーモグラフィーとは、物体から放射される赤外線の熱分布を図として表した画像である。外面１０６ａの内部の状態が表面温度として現れるから、サーモグラフィーは、内部の状態を知るための情報となる。カメラ１３と測定装置１４によって、外面１０６ａの表面及び内面（建物１０６の内部側）の情報を収集し、総合的に外面１０６ａの状態を判断するための情報を収集することができる。カメラ１３と測定装置１４は、情報収集手段の一例である。

筐体１２には、丸棒状のアーム１６が接続されている。各アーム１６にはモーター１８が接続されており、各モーター１８にはプロペラ２０が接続されている。各モーター１８は、筐体１２内のコンピュータによってそれぞれ独立して制御され、無人機１を上下水平方向の移動や空中での停止（ホバリング）及び姿勢制御を自在に行うことができるようになっている。アーム１６には保護枠２２が接続され、プロペラ２０が外面１０６ａなどに直接接触することを防止している。アーム１６及び保護枠２２は、例えば、炭素繊維強化プラスチックで形成されており、強度を保ちつつ、軽量に構成されている。

筐体１２には、平面視円状の貫通孔１２ａが形成されている。貫通孔１２ａは、利用手段の一例である。図６に示すように、貫通孔１２ａには、係留索１００が貫通するようになっている。

図７（ａ）は、筐体１２の概略斜視図、図７（ｂ）は筐体１２の概略平面図である。図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、貫通孔１２ａを構成する壁面には、圧力センサー１２ｂ（１２ｂ１〜１２ｂ４）が、９０度ごとに、４つ配置されている。圧力センサー１２ｂは、圧力感知手段の一例である。例えば、係留索１００が圧力センサー１２ｂ１に接している場合には、無人機１が圧力センサー１２ｂ３方向に移動しすぎていることになるから、無人機１は圧力センサー１２ｂ１側に水平移動する制御をすることで、距離ｄ１（図４参照）を維持するように構成されている。本明細書において、この移動制御を「位置調整」と呼ぶ。

図８は、無人機１の機能構成を示す図である。図８に示すように、無人機１は、ＣＰＵ５０、記憶部５２、無線通信部５４、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）部５６、慣性センサー部５８、情報収集部６０、駆動制御部６２、及び、電源部６４を有する。

無人機１は、無線通信部５４によって、基地局（図示せず）と通信可能になっている。無人機１は、無線通信部５４によって、基地局から、発進指示等の指示を受信する。基地局は、コンピュータで構成されており、例えば、下部固定装置１０４近傍に配置される。

無人機１は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８によって、無人機１自体の位置を測定することができる。ＧＰＳ部５６は、基本的に、３つ以上のＧＰＳ衛星からの電波を受信して無人機１の位置を計測する。慣性センサー部５８は、例えば、加速度センサー及びジャイロセンサーによって、出発点からの無人機１の移動を積算して、無人機１の位置を計測する。無人機１自体の位置情報は、無人機１の移動経路の決定及び自律移動のために使用するほか、情報収集部６０によって収集した情報（測定データ）と座標（位置）とを紐づけするために使用する。

情報収集部６０によって、無人機１はカメラ１３（図５参照）を作動させて外面１０６ａの表面画像を取得することができる。カメラ１３で取得した画像は、外面１０６ａの外観の破損等を検査するためのデータとなる。また、情報収集部６０によって、無人機１は測定装置１４を作動させて外面１０６ａの内側の情報を取得することができる。測定装置１４は、遠赤外線カメラであるから、内側の情報は、サーモグラフィーとなる。

駆動制御部６２によって、無人機１はそれぞれモーター１８（図５参照）に接続されたプロペラ２０（図５参照）の回転を制御し、上下水平移動や空中停止、傾きなどの姿勢を制御するようになっている。

電源部６４は、例えば、交換可能な可充電電池であり、無人機１の各部に電力を供給するようになっている。

記憶部５２には、出発点から目的位置まで自律移動するための移動計画を示すデータ等の自律移動に必要な各種データ及びプログラム、作業予定領域の地形、形状や構造物の位置を示す情報のほか、以下の各プログラムが格納されている。作業予定領域は、例えば、建物１０６の外面１０６ａから５メートル以内の領域である。記憶部５２には、作業対象である外面１０６ａを示す情報が、例えば、図９に示すように複数部分に区分されて、位置情報として格納されている。位置情報は、各部分の境界部の緯度、経度、各部分の間の距離などであり、情報収集部６０によって収集した測定データと外面１０６ａの特定の部分とを紐づけすることができるようになっている。

記憶部５２には、作業制御プログラム、移動制御プログラム、位置調整プログラムが格納されている。記憶部５２は記憶手段の一例である。ＣＰＵ５０と作業制御プログラムは、作業制御手段の一例である。ＣＰＵ５０と移動制御プログラムは、移動制御手段の一例である。ＣＰＵ５０と位置調整プログラムは、位置調整手段の一例である。

無人機１は、作業制御プログラムによって、作業を制御する。無人機１は、作業制御プログラムによって、作業開始位置において、情報収集部６０を作動させ、外面１０６ａの情報（測定データ）を収集する。そして、無人機１は、図１０に示すように、各部分ごとに作業結果としての測定データを記憶するようになっている。例えば、外面１０６ａの左上の部分Ａ１（図９参照）のデータは、位置を示す「Ａ１」と、表面画像「ｐＡ１」及びサーモグラフィー「ｄＡ１」で構成される。

無人機１は、作業制御プログラムによって、例えば、「Ａ８」の位置で、バッテリー残量が所定量未満になった場合には、データ収集作業を中断し、下部固定装置１０４に降下して、基地局にて充電またはバッテリー交換を行い、改めて、「Ａ８」の位置からデータ収集作業を再開するようになっている。無人機１が作業を中断した位置を中断部分と呼ぶ。このとき、「Ａ８」のデータ収集作業を最初から実施する。すなわち、中断部分で既に収集したデータは消去して、再開した後に収集したデータを「Ａ８」のデータとする。

無人機１は、移動制御プログラムによって、無人機１が係留索１００に沿って矢印Ｚ方向（上下方向）に移動するように制御している。このときの無人機１自体の位置は、ＧＰＳ部５６と慣性センサー部５８で測位したものを使用する。

無人機１は、位置調整プログラムによって、圧力センサー１２ｂ１等（図７参照）が感知した係留索１００の圧力に応じて、無人機１の水平方向の位置調整を行うようになっている。これにより、貫通孔１２ａの中心近傍に係留索１００が位置する状態を維持し、距離ｄ１及びｄ２（図４参照）を維持することができる。位置調整は、例えば、圧力センサー１２ｂ１等のいずれかにおいて、所定時間以上の時間、所定圧力以上の圧力を感知した場合には、その圧力を解消するように、無人機１の位置を水平方向に位置するようになっている。所定時間は、例えば、１秒（ｓｅｃｏｎｄ）である。所定圧力は、例えば、無人機１の重量の２０％の重力に対応する圧力である。例えば、圧力センサー１２ｂ１が、継続して１秒以上、所定圧力以上の圧力を感知した場合には、無人機１は、位置調整プログラムによって、無人機１を圧力センサー１２ｂ１側に移動させる。これにより、圧力センサー１２ｂ１が感知した圧力は解消され、係留索１００は、貫通孔１２ａの中心近傍に位置するようになる。

以下、無人機１の動作を、図１１等のフローチャートを参照して説明する。無人機１は、基地局から発進指示を受信すると発進し（ステップＳＴ１）、作業開始位置に到達すると（ステップＳＴ２）、作業を開始する（ステップＳＴ３）。作業中において、無人機１は、圧力センサー１２ｂで感知した圧力が許容範囲内か否かを判断し（ステップＳＴ４）、許容範囲内でなければ、作業を停止して、位置調整を行う（ステップＴ５）。これに対して、許容範囲内であれば作業を継続する（ステップＳＴ６）。また、無人機１は、バッテリー残量が基準値以上か否かを判断し（ステップＳＴ７）、基準値以上でなければ、基地局に帰還して充電またはバッテリー交換する（ステップＳＴ８）。これに対して、基準値以上であれば、作業を継続する（ステップＳＴ９）。無人機１は、作業予定領域全体の作業完了か否かを判断し（ステップＳＴ１０）、作業が完了したと判断すると、作業を終了し、基地局に帰還する（ステップＳＴ１１）。

無人機１は、バッテリー残量が基準値以上でない場合には、基地局に帰還して充電またはバッテリー交換し（ステップＳＴ８），再発進する（図１２のステップＳＴ１２）。そして、作業再開位置に到達したと判断すると（ステップＳＴ１３）、作業を開始する（ステップＳＴ３）。このとき、例えば、作業中断位置が「Ａ８」（図９参照）であれば、無人機１は、作業再開の場合には、「Ａ８」の測定を最初から開始する。これにより、作業中断及び再開の位置における取得情報を完全なものとすることができる。

なお、本実施形態とは異なり、係留索１００の長さを長くし、無人機１が、鉛直方向への移動だけではなくて、外面１０６ａに沿って、ある程度の水平移動をすることができるようにしてもよい。係留索１００の長さを、例えば、上部固定装置１０２と下部固定装置１０４との間の距離よりも５％だけ長く設定する。これにより、例えば、係留索１００をＢ列（図９参照）に配置していても、無人機１は、Ａ列、Ｂ列及びＣ列についての作業することができるようになる。

＜第二の実施形態＞
第二の実施形態について、第一の実施形態と異なる部分について、説明する。

図１３に示すように、無人機１１は、建物１０６の屋上に配置されたクレーン装置１０３に接続された係留索１００に吊り下げられている。係留索１００は、テンションセンサー付きの巻取り装置１０３ａに接続されており、所定のテンションを保ちつつ、無人機１１の上下方向（矢印Ｚ方向）及び水平方向（矢印Ｘ方向）の自由移動を可能にしている（図１４及び図１５参照）。巻き取り装置１０３ａは、所定のテンション以上のテンションが生じた場合には、係留索１００を繰り出さないによう構成されており、無人機１１が急激な移動によって建物１０６から離れることがないようになっている。第二の実施例における所定の経路は、建物１０６の外面１０６ａの面に対応する経路であり、例えば、図１８に示すように、最も左の列から順に各列について、最上階に対応する部分から最下階に対応する部分へ向かい、次いで、隣の列の最下階に対応する部分から最上階に対応する部分に向かうというようにして、外面１０６ａ全体の情報取集を行う経路である。無人機１１、基地局、係留索１００及びクレーン装置１０３で、無人作業システムを構成している。

図１６に示すように、無人機１１は、筐体１２の上面に係留索係止部１２ｃを備えている。係留索係止部１２ｃは、半輪状の部材であり、空間部に係留索１００を通して係留索１００を固定することができるようになっている。係留索係止部１２ｃは、利用手段の一例であり、固定手段の一例でもある。また、筐体１２には、レーザー距離計（レーザーレンジ）１５が配置されている。レーザー距離計１５は、距離計測手段の一例である。

無人機１１の記憶部５２（図８参照）には、距離維持プログラムが格納されている。ＣＰＵ５０と距離維持プログラムは、距離維持手段の一例である。無人機１１は、レーザー距離計１５によって計測した距離に基づいて、無人機１１と外面１０６ａの距離を所定範囲に維持することができる。例えば、レーザー距離計１５によって、無人機１１の中心部と外面１０６ａとの間の距離を計測し、計測した距離と距離ｄ２（図４参照）との差が所定範囲内になるように、無人機１１の位置を制御する。所定範囲内とは、例えば、距離ｄ２の±（プラスマイナス）５％以内である。

さらに、レーザー距離計１５によって取得した距離情報から、無人機１１の揺れによる距離変化をノイズとして除去することによって、外面１０６ａの表面の凹凸を示す情報を取得することもできる。具体的には、慣性センサー部５８によって、所定の作業を行うべき位置からのずれ（距離ｄ２の位置からのずれ）を計測し、レーザー距離計１５によって取得した距離情報をそのずれに基づいて補正することによって、外面１０６ａの表面の凹凸を示す情報を取得することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、第一の実施形態と第二の実施形態の構成を適宜、組み合わせてもよい。例えば、第一の実施形態において、無人機１にレーザー距離計を配置して、無人機１と外面１０６ａとの距離を計測し、慣性センサー部５８によって計測した無人機１の揺れをノイズとして除去し、外面１０６ａの凹凸を示す情報を取得するようにしてもよい。

１，１１ 無人機
１２ 筐体
１２ａ 貫通孔
１２ｂ 圧力センサー
１２ｃ 係留索係止部
１３ カメラ
１４ 測定装置
１５ レーザー距離計
１００ 係留索

Claims (10)

1. 所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置であって、
   作業を制御する作業制御手段と、
   前記無人作業装置を所定領域に留めるための物理的手段を利用するための利用手段と、
   を有する無人作業装置。
2. 前記利用手段として、前記物理的手段としての係留索を貫通させるための貫通孔が形成されている請求項１に記載の無人作業装置。
3. 前記貫通孔を形成する壁部に配置され、前記係留索との接触による圧力を感知する圧力感知手段と、
   前記圧力感知手段によって感知した前記圧力を解消するように前記無人作業装置の位置を調整する位置調整手段と、
   を有する請求項２に記載の無人作業装置。
4. 前記利用手段として、前記物理的手段としての係留索を固定する固定手段を有し、
   前記無人作業装置は、前記係留索に吊り下げられている請求項１に記載の無人作業装置。
5. 前記無人作業装置と作業対象との距離を計測する距離計測手段と、
   前記距離を所定範囲に維持するための距離維持手段と、
   を有する請求項４に記載の無人作業装置。
6. 前記作業対象を複数部分に区分し、前記部分ごとに、作業結果を記憶するように構成されている請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の無人作業装置。
7. 前記作業を中断した後に、前記作業を再開する場合に、前記無人作業装置を前記作業を中断した前記作業対象の部分である中断部分まで移動し、前記作業を再開する請求項６に記載の無人作業装置。
8. 前記所定の作業を行うべき位置からのずれを計測する慣性センサーを有し、
   前記距離計測手段によって取得する距離データを前記ずれに基づいて補正するように構成されている請求項５至請求項７のいずれかに記載の無人作業装置。
9. 所定の経路を自律飛行して、所定の作業を実施する無人作業装置が実施する作業方法であって、
   作業開始位置において作業を開始する作業開始ステップと、
   作業対象からの距離を所定範囲に維持する距離維持ステップと、
   作業終了位置において作業を終了する作業終了ステップと、
   を含む作業方法。
10. 無人作業装置を制御するコンピュータを、
    作業開始位置において作業を開始する作業開始手段、
    作業対象との距離を所定範囲に維持する距離維持手段、
    作業終了位置において作業を終了する作業終了手段、
    として機能させるためのプログラム。