JP2018185255A - 無人航空機 - Google Patents

Abstract

【課題】送電線や配電線などの電線のたるみに沿って自動的に高度を調節可能な無人航空機を提供する。【解決手段】複数の回転翼と、磁気センサと、前記磁気センサの検出値に基づいて飛行高度を自動調節する高度調節手段と、を備える無人航空機により解決する。このとき、前記高度調節手段は、前記磁気センサの検出値が所定の閾値を下回ったときには、前記磁気センサが検知する磁気の磁界源との距離が短くなる方へ飛行高度を変更し、該検出値が所定の閾値を上回ったときには、前記磁界源との距離が長くなる方へ飛行高度を変更することが好ましい。【選択図】図４

Description

本発明は、無人航空機を用いた電線路の点検技術に関する。

下記特許文献１には、ラジコンヘリを用いて送電線や碍子の点検を行うシステムおよび方法が開示されている。

特開２００５−２６５７１０号公報

上記特許文献のように、送電線の点検作業の一部を無人航空機で代替する試みが続けられている。ここで、架空電線路の送電線や配電線には、電線や鉄塔・電柱の保護を目的として、所定の弛度（たるみ）が設けられている。そのため、例えば電線の損傷を点検するために、無人航空機を電線に沿って飛行させながら、電線をその側方から撮影しようとする場合、電線のたるみに合わせて無人航空機の飛行高度を調整する必要がある。このような飛行を手動で行う場合、操縦者には高度な操縦技能が求められ、作業可能な人員の確保が問題となる。また、市販のマルチコプターの中には、自律飛行機能を備えるものもあるが、電線のたるみに合わせて自動的に高度を調節するような機能が予め実装されたものはない。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、送電線や配電線などの電線のたるみに沿って自動的に高度を調節可能な無人航空機を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の回転翼と、磁気センサと、前記磁気センサの検出値に基づいて飛行高度を自動調節する高度調節手段と、を備えることを特徴とする。

送電線や配電線などの電線の周囲には、電線を中心として同心円状に磁界が発生している。そして電線の磁界強度は、一般に、電線から離れるにつれてその距離の2乗に反比例して減衰する。すなわち、無人航空機に電線の磁界強度を検知するための磁気センサを備え、その検出値を監視することで、無人航空機と電線との距離の変化を検知することができる。すなわち、磁気センサの検出値を一定に保つように飛行高度を自動調節すれば、電線のたるみに沿った飛行を実現することができる。

このとき、前記高度調節手段は、前記磁気センサの検出値が所定の閾値を下回ったときには、前記磁気センサが検知する磁気の磁界源との距離が短くなる方へ飛行高度を変更し、該検出値が所定の閾値を上回ったときには、前記磁界源との距離が長くなる方へ飛行高度を変更することが好ましい。

例えば、無人航空機の飛行高度の調節を電線の磁界強度に基づいて自動的に行い、経緯度の制御は他の手段により行うことを考える。この方法により無人航空機に電線の真上または電線の斜め上方を電線に沿って飛行させる場合、磁気センサが検知した磁界強度が所定の閾値以上になったときには無人航空機を上昇させ（電線から遠ざけ）、所定の閾値以下になったときには無人航空機を下降させる（電線に近づける）ように飛行高度を調節すればよい。同様に、無人航空機に電線の真下または電線の斜め下方を電線に沿って飛行させる場合には、磁界強度が所定の閾値以上になった場合には無人航空機を下降させ（電線から遠ざけ）、所定の閾値以下になった場合には無人航空機を上昇させる（電線に近づける）ように飛行高度を調節すればよい。

一方、電線と無人航空機（磁気センサ）の鉛直方向における位置を概ね一致させて飛行させる場合、つまりその経緯度において最も磁界強度が高くなる高度を飛行させる場合、磁界強度の低下を検知しても、それが電線の位置が下がったことによるものなのか、上がったことによるものなのか直ちに判別することができない。そのため、誤って上下逆方向へ飛行高度を調節し、調節によっても磁界強度が回復しないことで調節方向の誤りを認識し、その後に正しい方向へと調節しなおすという動作が多発することが考えられる。この場合、例えば電線の架設方向に沿ったたるみの下降および上昇の順序（下がりきったら上がる、上がりきったら下がる）を常時記憶させておくことにより、このような調節方向の誤りを低減することができる。

また、本発明の無人航空機は、少なくとも二基の前記磁気センサを備え、これら磁気センサは鉛直方向における位置を違えて配置されていることが好ましい。

鉛直方向における位置を違えて配置された二基の磁気センサ、つまり上下に配置された少なくとも二基の磁気センサを備えることにより、電線と無人航空機（磁気センサ）の鉛直方向における位置を概ね一致させて無人航空機を飛行させる場合でも、飛行高度の調節方向を容易に特定することが可能となる。

この場合、前記高度調節手段は、前記複数の磁気センサのうち、いずれかの検出値が所定の閾値を下回ったときには、これら複数の磁気センサのうち、検出値が高い方へ飛行高度を変更すればよい。

また、本発明の無人航空機は、ＧＰＳアンテナと、予め設定された飛行経路を自律的に飛行可能とする自律飛行手段と、をさらに備え、前記自律飛行手段は、前記ＧＰＳアンテナの取得情報に基づいて飛行中の経緯度を自動調節し、前記高度調節手段により飛行高度を自動調節することが好ましい。

ＧＰＳアンテナで受信した経緯度情報に基づいて無人航空機が飛行する経緯度を自動制御することにより、指定された飛行経路および電線にたるみに沿った自律飛行を実現することができる。

また、本発明の無人航空機は、架空電線路の点検に特に好適に用いることができることから、前記飛行経路は、架空電線路に沿って、該架空電線路から所定の間隔を置いた位置を飛行するよう設定されることが好ましい。

以上のように、本発明の無人航空機によれば、送電線や配電線などの電線のたるみに沿った飛行高度の自動調節が可能となる。

本例のマルチコプターによる送電線撮影作業の概要を示す模式図である。 マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 送電線の架設位置とマルチコプターの飛行位置との関係を示す模式図である。 高度制御プログラムによる飛行高度の調節方法を説明する模式図である。 変形例にかかるマルチコプターの高度調節機能を説明する模式図である。

（実施形態概要）
以下、本発明の無人航空機の実施形態について図面を用いて説明する。以下の実施形態は、本発明の無人航空機である小型のマルチコプターを用いて鉄塔９０に架設された架空送電線９１（以下、単に「送電線９１」という。）の撮影を行う例である。

図１は本例のマルチコプター１０による送電線撮影作業の概要を示す模式図である。図１に示されるように、マルチコプター１０は送電線９１の電線路に沿って飛行し、送電線９１のたるみに合わせてその飛行高度を自動調節しながら送電線９１を撮影する。これにより送電線９１の状態を正確に撮影することができるとともに、高所作業がマルチコプター１０に代替されることから、点検作業員の転落事故や感電事故、点検用ヘリコプターの接触事故などが未然に防止される。

（機能構成）
図２はマルチコプター１０の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０は、主に、操縦者（送信機ＴＸ）からの操縦信号を受信する受信器ＲＸ、フライトコントローラＦＣ、複数の回転翼であるロータＲ、ロータＲの駆動回路であるＥＳＣ２６（Electric Speed Controller）、および、これらに電力を供給するバッテリー２９により構成されている。

各ロータＲは、モータ２７と、その出力軸に連結されたブレード２８とにより構成されている。ＥＳＣ２６は、ロータＲのモータ２７に接続されており、フライトコントローラＦＣに指示された速度でモータ２７を回転させる。マルチコプター１０のロータ数は特に限定されず、求められる飛行安定性や許容されるコスト等に応じて、ロータＲが２基のヘリコプター（テールロータをロータＲとして含む）から、ロータＲが８基のオクタコプター、さらには８基よりも多くのロータＲを備えるものまで適宜変更可能である。

フライトコントローラＦＣは、マイクロコントローラである制御装置２０を備えている。制御装置２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２１、ＲＯＭやＲＡＭ、フラッシュメモリなどの記憶装置であるメモリ２２、および、ＥＳＣ２６を介して各モータ２７の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ２５を有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、制御装置２０に接続された飛行制御センサ群２３およびＧＰＳアンテナ２４（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えている。本例における飛行制御センサ群２３には、３軸加速度センサおよび３軸角速度センサを有するＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、気圧センサ（高度センサ）、３軸地磁気センサからなる電子コンパス（方位センサ）などが含まれている。ＧＰＳアンテナ２４は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ）の受信器である。ＧＰＳアンテナ２４は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ）から現在の経緯度値および時刻情報を取得する。フライトコントローラＦＣは、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。

制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１０の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御する飛行制御プログラムＡＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＳは、操縦者（送信機ＴＸ）からの操縦信号や、後述する自律飛行手段である自律飛行プログラムＡＰからの飛行指示に基づいて個々のロータＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１０を飛行させる。

マルチコプター１０の操縦は、操縦者が送信機ＴＸを用いて手動で行うほか、マルチコプター１０の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰに予め登録しておき、マルチコプター１０を目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。

本例のマルチコプター１０は基本的にオートパイロットにより飛行させることを想定している。オートパイロットの飛行経路は、架設電線路である送電線９１に沿って、送電線９１から所定の間隔を置いた位置を飛行するよう設定される。自律飛行プログラムＡＰは、ＧＰＳアンテナ２４の取得情報に基づいて飛行中の経緯度を自動調節し、後述する高度調節機能により飛行高度を自動調節する。

その他、マルチコプター１０は鉄塔９０や送電線９１の撮影を行うカメラ９０を備えている。カメラ９０の態様は特に限定されず、鉄塔９０や送電線９１の異常を目視や画像認識により検出可能な静止画または動画を撮影可能なカメラであればよい。また、マルチコプター１０の搭載機器はカメラにも限定されない。送電線９１などの電線のたるみに合わせて高度を自動調節しながら飛行することが有意であれば、他の光学装置や計測装置、さらには電線や鉄塔に物理的に接触させるような機械器具などを搭載してもよい。

（高度調節機能）
本例のマルチコプター１０は、飛行制御センサ群２３に含まれる３軸地磁気センサの他に、マイクロテスラ（μＴ）〜ナノテスラ（ｎＴ）オーダの磁気を検出可能な高感度磁気センサ３０（以下、単に「磁気センサ３０」という。）を一基備えている。また、制御装置２０のメモリ２２には、磁気センサ３０の検出値に基づいてマルチコプター１０の飛行高度を自動制御する高度調節手段である高度制御プログラムＡＣが記憶されている。

図３は送電線９１の架設位置とマルチコプター１０の飛行位置との関係を示す模式図である。なお、鉄塔９０には通常、複数の送電線９１が架設されており、これら送電線９１のそれぞれが磁界源となるが、説明の便宜上、これらの複数の送電線９１の中心を本例における磁界中心として説明する。

図３に示すように、送電線９１の周囲には、送電線９１を中心として同心円状に磁界が発生している。一般に送電線９１の磁界強度は最大でも２０μＴ以下であり、理論上、その磁界強度は送電線９１から離れるにつれてその距離の2乗に反比例して減衰する。本例のマルチコプター１０は、この微弱な磁気を検出可能な磁気センサ３０を備え、高度制御プログラムＡＣでその検出値を監視することで、マルチコプター１０と送電線９１との距離の変化を検知することが可能とされている。すなわち、磁気センサ３０の検出値を一定に保つようにマルチコプター１０の飛行高度を自動調節すれば、送電線９１のたるみに沿った飛行を行うことができる。

また、図３に示すように、本例のマルチコプター１０は、送電線９１の磁界中心の位置から図３視右斜め上方に１５ｍ〜２０ｍ離れた位置を送電線９１に沿って飛行し、その位置から送電線９１を写真撮影するものとする。

図４は高度制御プログラムＡＣによる飛行高度の調節方法を説明する模式図である。本例の高度制御プログラムＡＣは、磁界強度が概ね２．４μＴとなる高度（本例では送電線９１の磁界中心から１７ｍ程度離れた位置）を維持するよう設定されている。そして、許容高度（磁気センサ３０の検出値の閾値）の上限は２．７μＴの高度、下限は２．０μＴの高度に設定されている。なお、上でも述べたように、マルチコプター１０の経緯度はＧＰＳアンテナ２４の取得情報に基づいて制御され、磁気センサ３０の検出値はマルチコプター１０の高度制御にのみ用いられる。なお、本例の磁気センサ３０は、マルチコプター１０の筐体内外における、他の電気・電子部品による磁気の影響を受けにくい場所に配置されているものとする。一方、このような周辺部品の磁気を検出してその影響を補正するように構成した場合は、磁気センサ３０の配置場所は特に問わない。

以下、高度制御プログラムＡＣによる具体的な高度調節手順を説明する。マルチコプター１０が送電線９１に沿って飛行しているときに、送電線９１のたるみにより送電線９１の位置が下がり始めると、図４の磁界もこれに追従して下方に移動する。本例のマルチコプター１０は送電線９１よりも上方を飛行しているため、磁界の位置が下がると、磁気センサ３０の検出値も下降することとなる。そして、磁気センサ３０の検出値がその下限値２．０μＴを下回ったときには、高度制御プログラムＡＣはマルチコプター１０を下降させ（送電線９１に近づけ）、磁気センサ３０の検出値を閾値の範囲内に維持する。

その後、送電線９１のたるみの最下部を通り過ぎ、送電線９１の位置が上がり始めると、図４の磁界もこれに追従して上方に移動する。本例のマルチコプター１０は送電線９１よりも上方を飛行しているため、磁界の位置が上がると、磁気センサ３０の検出値も上昇することとなる。そして、磁気センサ３０の検出値がその上限値２．７μＴを超えたときには、高度制御プログラムＡＣはマルチコプター１０を上昇させ（送電線９１に近づけ）、磁気センサ３０の検出値を閾値の範囲内に維持する。このような制御手順は、マルチコプター１０が送電線９１の斜め上方を飛行する場合のみでなく、送電線９１の真上を飛行するときにも同様である。

なお、本例ではマルチコプター１０が送電線９１の位置よりも上方を飛行しているが、マルチコプター１０に、送電線９１の真下または送電線９１の斜め下方を飛行させる場合には、上述の手順におけるマルチコプター１０の上昇操作および下降操作を逆にすればよい。すなわち、送電線９１のたるみにより送電線９１の位置が下がり始め、磁気センサ３０の検出値がその上限値２．７μＴを超えたときにはマルチコプター１０を下降させ（送電線９１から遠ざけ）、送電線９１のたるみの最下部を通り過ぎて送電線９１の位置が上がり始め、磁気センサ３０の検出値がその下限値２．０μＴを下回ったときには、マルチコプター１０を上昇させれば（送電線９１に近づければ）よい。

つまり、高度制御プログラムＡＣは、磁気センサ３０の検出値が所定の閾値を下回ったときには、送電線９１の磁界中心との距離が短くなる方へ飛行高度を変更し、検出値が所定の閾値を上回ったときには、送電線９１の磁界中心との距離が長くなる方へ飛行高度を変更する。

なお、本例では磁気センサ３０の検出値の閾値を上限２．７μＴ〜下限２．０μＴに設定しているが、送電線９１はその架設位置や時間帯などにより電流量（磁界強度）が異なる。そのため、閾値を設定するときには、自律飛行開始前にマルチコプター１０を送電線９１との所望の相対位置まで飛行させて実際の磁界強度を取得し、その検出値を基準として閾値を設定する必要がある。

（変形例）
図５は二基の磁気センサ３１，３２を備えるマルチコプター１１の高度調節機能を説明する模式図である。なお、本変形例のマルチコプター１１の用途や構成は、以下に説明する磁気センサの配置に関する部分を除き、マルチコプター１０と同一である。

磁気センサ３０を一基しか備えていないマルチコプター１０では、送電線９１とマルチコプター１０の鉛直方向における位置を一致させて（水平に並べて）飛行させる場合、つまりその経緯度において最も磁界強度が高くなる高度を飛行させる場合、磁界強度の低下を検知しても、それが電線の位置が下がったことによるものなのか、上がったことによるものなのか直ちに判別することができない。そのため、誤って上下逆方向へ飛行高度を調節し、調節によっても磁界強度が回復しないことで調節方向の誤りを認識し、その後に正しい方向へと調節しなおすという動作が多発することが考えられる。この場合、例えば送電線９１の架設方向に沿ったたるみの下降および上昇の順序（下がりきったら上がる、上がりきったら下がる）を常時記憶させるなどの制御を加える必要がある。

一方、本変形例のマルチコプター１１は、鉛直方向における位置を違えて配置された二基の磁気センサ３１，３２を備えている。これにより、送電線９１とマルチコプター１１とを水平に並べて飛行させる場合でも、飛行高度を調節すべき方向を容易に特定することが可能となる。なお、図５では、本変形例の磁気センサ３１，３２の位置が上下に離れていることを説明するため、磁気センサ３１，３２の離間状態をやや誇張して描いているが、鉛直方向における磁界強度の強弱を判別可能であれば、実際の離間距離や配置態様は問わない。

より具体的には、図５に示すように、二基の磁気センサ３１，３２のうち、いずれかの検出値が下限値（本変形例では２．７μＴとする）を下回ったときには、これら磁気センサ３１，３２のうち、検出値が高い方へ飛行高度を変更すればよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることができる。例えば上記実施形態のマルチコプター１０，１１は送電線９１の撮影をその目的としているが、撮影対象は配電線でもよい。その他にも、例えばトロリー線のように送電を目的とした電線であればその磁界を利用して本発明を適用することができると考えられる。また、上記実施形態では、飛行中の経緯度をＧＰＳアンテナ２４の取得情報に基づいて自律飛行プログラムＡＰが自動的に調節しているが、高度のみを高度制御プログラムＡＣで自動調節し、電線路に沿った飛行を手動操縦で行うことも可能である。

１０，１１ マルチコプター（無人航空機）
ＡＰ 自律飛行プログラム（自律飛行手段）
ＡＣ 高度制御プログラム（高度制御手段）
２４ ＧＰＳアンテナ
Ｒ ロータ（回転翼）
３０，３１，３２ 高感度磁気センサ
９１ 送電線（架空電線路）

Claims (6)

1. 複数の回転翼と、
   磁気センサと、
   前記磁気センサの検出値に基づいて飛行高度を自動調節する高度調節手段と、
   を備えることを特徴とする無人航空機。
2. 前記高度調節手段は、前記磁気センサの検出値が所定の閾値を下回ったときには、前記磁気センサが検知する磁気の磁界源との距離が短くなる方へ飛行高度を変更し、該検出値が所定の閾値を上回ったときには、前記磁界源との距離が長くなる方へ飛行高度を変更することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
3. 少なくとも二基の前記磁気センサを備え、これら磁気センサは鉛直方向における位置を違えて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
4. 前記高度調節手段は、前記複数の磁気センサのうち、いずれかの検出値が所定の閾値を下回ったときには、これら複数の磁気センサのうち、検出値が高い方へ飛行高度を変更することを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
5. ＧＰＳアンテナと、
   予め設定された飛行経路を自律的に飛行可能とする自律飛行手段と、をさらに備え、
   前記自律飛行手段は、前記ＧＰＳアンテナの取得情報に基づいて飛行中の経緯度を自動調節し、前記高度調節手段により飛行高度を自動調節することを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
6. 前記飛行経路は、架空電線路に沿って、該架空電線路から所定の間隔を置いた位置を飛行するよう設定されることを特徴とする請求項５に記載の無人航空機。

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