JP2019045163A

JP2019045163A - 無人移動体を用いた構造体点検システム及び構造体点検方法

Info

Publication number: JP2019045163A
Application number: JP2017164992A
Authority: JP
Inventors: 利昭波田野; Toshiaki Hatano; 服部　誠; Makoto Hattori; 誠服部; 松井　哲也; Tetsuya Matsui; 哲也松井; 忍大城戸; Shinobu Okido
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2019-03-22

Abstract

【課題】既存の構造体を改修或いは改造せずに、導入可能な構造体点検システムを提供する。【解決手段】構造体に設置された少なくとも一つ以上の移動体ステーション２０と、各移動体ステーション間を移動して、各移動体ステーションへ駆動電力を供給するための無人移動体１０から構成され、無人移動体は、各移動体ステーションに電力を供給する給電部１１を備えると共に、各移動体ステーションは、点検対象の構造体の表面に配置された、少なくとも一つ以上の前記点検対象の状態を検出する検出センサ２１と、検出センサによる検出情報を一箇所で出力可能な一つの情報送信部２４と、検出センサを駆動させるための電力を受電する一つの受電部２３を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、ビルやインフラ施設等の構造体の非破壊検査や前記構造体の周辺環境情報を、無人移動体を用いて点検或いは調査するシステムに関する。

先進国では、発電プラント、浄水施設、下水施設、トンネル等をはじめとする社会インフラ施設の老朽化と点検作業員の減少が大きな課題となっている。このような老朽化施設の健全性を維持するには、定期点検が必須である。少人数かつ短期間で点検を行うには、点検作業の効率化向上が必要となる。その一例として、移動体を用いた構造体点検に特許文献１がある。

特許文献１の特許請求の範囲には、「土木・建設構造物に、該土木・建設構造物各部が有するアナログ的状態量（引張・圧縮力、歪み、酸性度、含水量、温度等）を検出する機能センサを検査対象領域全域にわたって複数個埋め込み、各該機能センサは、集合送信デバイスに接続される。該集合送信デバイスは内蔵電源を有さない、或いは内蔵電源へ充電が必要なため、該集合送信デバイスを起動させるため、移動体は該集合送信デバイスへ電磁波を照射し、非接触給電する土木・建設構造物の状態検査システム」が開示されている。

特開２００２−３９８１０号公報

特許文献１の土木・建設構造物の状態検査システムでは、以下の課題が想定される。

第一に、予め点検対象の構造体中に前記構造体が有するアナログ的状態量を検出するセンサを複数埋設させておかなければならない。したがって、既存施設に追加で本検査システムを導入することは、容易ではないと考えられる。

第二に、高効率で非接触給電するためには、移動体と集合送信デバイス間の送受信距離が近い方が有利であり、互いの給電・受電部位置を合わせる必要がある。だが、特許文献１には、その対策について特に記載がない。

第三に、移動体から照射される電磁波が強力な場合、点検対象の構造体周囲にある電子機器等に不具合を起こす可能性がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、既存の構造体を改修或いは改造せずに導入可能で、移動体から集合送信デバイスへの効率の良い給電方法と、点検対象周囲にある電子機器等への影響を抑える対策が採られた構造体点検システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は、構造体に設置された少なくとも一つ以上の移動体ステーションと、各前記移動体ステーション間を移動して、各前記移動体ステーションへ駆動電力を供給するための無人移動体から構成され、前記無人移動体は、各前記移動体ステーションに電力を供給する給電部を備えると共に、各前記移動体ステーションは、点検対象の前記構造体の表面に配置された、少なくとも一つ以上の前記点検対象の状態を検出する検出センサと、前記検出センサによる検出情報を一箇所で出力可能な一つの情報送信部と、前記検出センサを駆動させるための電力を前記無人移動体の給電部から受電する一つの受電部を備え、前記無人移動体の給電部と前記移動体ステーションの受電部との相対位置を既定の範囲内となるように前記移動体ステーションに備えられたガイドを有することを特徴とした。

本発明の無人移動体を用いた構造体点検システムによれば、検出センサは、構造体の表面に配置するだけとなるため、既存の構造体を改修或いは改造せずに導入することができる。また、無人移動体から移動体ステーションへ給電する際に、無人移動体が移動体ステーションに備えられたガイドに沿って移動体ステーションに近接或いは接触することで、給電部と受電部の位置決めが正確に行われるため、高効率の給電が可能となる。これにより、無人移動体の消費エネルギーも抑えられる。さらに、無人移動体と移動体ステーションとの距離が近接しているため、給電の際に強力な電磁波が不要となり、点検対象周辺の電子機器への影響を低くすることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例１の無人移動体を用いた構造体点検システムに用いるハードウェアの構成概略図。実施例１の無人移動体を用いた構造体点検システムの電力及び情報経路図。実施例１の無人移動体による構造体点検の概略図。実施例１の変形例１の構造体点検システムに用いるハードウェアの構成概略図。実施例１の変形例１の構造体点検システムの電力及び情報経路図。実施例１の変形例２の構造体点検システムの電力及び情報経路図。実施例１の変形例３の構造体点検システムの電力及び情報経路図。実施例１の変形例４の位置決め部としてビジュアルサーボを用いた場合の無人移動体を用いた構造体点検システムの概略図。実施例２の無人移動体として、車両型ロボットを用いた場合の構造体点検システムの構成概略図。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

本例では、無人移動体を用いた高所配管の減肉検査を例に挙げる。配管減肉とは、経年劣化により配管の肉厚が薄くなることである。減肉が進行すると、配管に穴が開き、配管内を流れる液体や気体が流出する事故が発生する。そこで、高所配管の減肉検査を効率良く行うため、本例では、検出センサとして減肉センサを、無人移動体として飛行体を用いることとする。なお、無人移動体の制御は、無線による遠隔操作または、自律制御されるものとする。

始めに、図１と図２を用いて無人移動体を用いた構造体点検システムの構成を説明する。
図１は、無人移動体を用いた構造体点検システムに用いるハードウェアの構成概略図である。始めに無人移動体１０のハードウェア構成を述べる。図１中の無人移動体１０は、給電部１１、情報受信部１２、バッテリ１３、カメラ１４と無人移動体制御回路１５から構成される。点検作業員が無人移動体１０を遠隔操作する場合、同図中のコントローラ１６を操作し、操作信号をアンテナ１７を介し、無人移動体１０に送信する。ただし、無人移動体１０が自律移動可能な場合は、コントローラ１６は不要である。無人移動体１０に搭載されたカメラからの映像は、コントローラ１６近くに配置した表示部（モニタ）１８で常時確認することが可能である。よって、無人移動体１０を目視外移動させる際、点検作業員は表示部１８を見ながら遠隔操作する。

次に、移動体ステーション２０のハードウェア構成について述べる。点検対象の構造体１の表面に、構造体１の減肉度合いを計測可能な検出センサ２１を少なくとも１個以上配置する。複数の検出センサ２１から成る検出センサ郡２２は、検出センサ郡ケーブル２５で束ねられ、移動体ステーション２０に接続される。前記移動体ステーション２０は、電源を持たないため、前記無人移動体１０からの給電を受ける受電部２３を有する。また、前記移動体ステーション２０はガイド２９を備える。前記ガイド２９に沿って前記無人移動体１０が前記移動体ステーション２０に近接或いは接触することで、前記無人移動体１０の前記給電部１１と前記移動体ステーション２０の前記受電部２３の位置決めがされる。前記ガイド２９として、口が開いた円錐型や多角錐型が考えられるが、前記無人移動体１０の前記給電部１１と前記移動体ステーション２０の前記受電部２３が位置決めし易く誘導可能な受動形状または機構であれば特に限定はしない。この他に、前記移動体ステーション２０には、検出センサ郡２２で検出されたセンサ情報を前記無人移動体１０へ送信する情報送信部２４がある。

続いて、図２を用いて本例の無人移動体を用いた構造体点検システムにおける電力と情報信号の流れに関して説明する。図２は、無人移動体を用いた構造体点検システムの電力及び情報経路図である。始めに、無人移動体１０が移動体ステーション２０に近接或いは接触後、前記無人移動体１０の無人移動体制御回路１５から給電部１１に指令が行き、前記移動体ステーション２０の受電部２３への給電を開始する。なお、給電源は前記無人移動体１０に搭載されたバッテリ１３である。この際の給電方法は、接触式でも非接触式でも良いが、電源端子がむき出しにならない非接触式給電が望ましい。前記受電部２３で受け取った電力は、移動体ステーション制御回路２６と、複数の検出センサ２１から成る検出センサ郡２２を起動させる。前記検出センサ郡２２からの複数の検出センサ信号を前記移動体ステーション２０内のマルチプレクサ２７で一つの信号として出力する。その信号は、前記移動体ステーション制御回路２６で、信号処理された後、情報送信部２４から検出センサ情報を前記無人移動体１０の情報受信部１２へ送信する。検出センサ情報の送受信は有線または無線が考えられるが、前記無人移動体１０と前記移動体ステーション２０の相対位置のずれを許容することができる無線式の方が好ましい。前記情報受信部１２で受信した信号は、前記無人移動体制御回路１５で信号処理され、センサ情報記録用メモリ１９に記録される。以上が無人移動体を用いた構造体点検システムのハードウェア構成及び電力と情報信号の流れである。なお、データは必要に応じてＡ／Ｄ変換器にてＡ／Ｄ変換を行う。

ここで、図３の無人移動体による構造体点検の概略図を用いて無人移動体を用いた構造体点検の一連の流れを説明する。始めに、点検開始地点から離陸した無人移動体１０は、構造体１Ａ（点検対象の配管）付近に設置された移動体ステーション２０Ａに移動し、前記移動体ステーション２０Ａ上のガイドに沿って着陸する。着陸後、前記無人移動体１０は飛行動力を停止させ、前記移動体ステーション２０Ａへ給電する。次に、前記移動体ステーション２０Ａに接続され、前記構造体１Ａに配置された検出センサ郡２２Ａを起動させる。続いて、各検出センサ情報を前記無人移動体１０が受信し、内部メモリに記録する。その後、前記無人移動体１０は、前記無人移動体ステーション２０Ａへの給電を停止させ、再び飛行動力を起動し、他の移動体ステーションに移動する。そして、同じ検出センサ情報の回収作業を繰り返し、構造体の点検を継続する。最後の検出センサ情報回収ポイントが、移動体ステーション２０Ｚだと仮定すると、前記移動体ステーション２０Ｚでの検出センサ情報回収が完了した後、前記無人移動体１０は、点検開始地点或いは任意の地点まで移動し、着陸する。最後に、点検作業員が前記無人移動体１０の内部メモリに記録された検出センサ情報を取り出し、点検作業が完了する。

以上が無人移動体を用いた構造体点検の概要である。補足となるが、高精度な計測が求められる減肉センサでは、センサからの配線が長くなると、配線の内部抵抗やノイズの混入により、検出信号が劣化してしまう場合も想定される。そのため、移動体ステーションを点検対象近くに設置することが望ましい。したがって、移動体ステーションの位置も高所になるため、本例では、無人移動体として飛行体を用いた。

上記の一連の点検作業を前記無人移動体１０で行うため、前記無人移動体１０には、「移動モード」、「給電モード」、「センサ情報回収モード」の３つの制御モードを備えていることとする。「移動モード」は、前記無人移動体１０が各前記移動体ステーション２０間を移動する際の制御モードである。「給電モード」は、前記無人移動体１０が各前記移動体ステーション２０のある規定距離以内まで近接或いは接触するまでの過程と、前記移動体ステーション２０へ給電する過程を制御するモードである。「センサ情報回収モード」は、前記給電モード起動後に開始され、前記移動体ステーション２０の前記情報送信部２４から検出センサ情報を前記無人移動体１０の前記情報受信部１２で受信し、前記センサ情報記録用メモリ１９に記録する制御モードである。

実施例１では、無人移動体として飛行体を例に挙げたが、無人移動体は、飛行体に限定するものではない。点検内容や場所によって、車両型ロボット、歩行ロボット、船型ロボット、水中ロボット等を用いることができる。また、本実施例の説明で用いた検出センサにおいても配管の減肉測定は、あくまでもその一例に過ぎず、物理的（減肉、加速度、引張・圧縮力、歪み、温度等）、化学的（酸性度、含水量等）状態或いは前記点検対象の周囲環境状態（放射線量、ガス濃度、温度、湿度、光量、日射量、流速、音量等）を測定可能な検出センサを利用することが考えられる。

以上で説明したように、本実施例の前記無人移動体１０を用いた構造体点検システムによれば、点検対象の構造体１の状態を測定する検出センサ２１は、構造体の表面に配置するだけで済むため、既存の構造体を改修或いは改造せずに導入することができる。前記点検対象の構造体１は、立体的かつ複雑な形状をしている場合もあるため、その表面に複数配置された検出センサ２１の検出センサ情報を一つ一つ前記無人移動体１０で回り、収集することは困難であると考えられる。そのため、複数のセンサ情報を一箇所で一度で計測可能な前記移動体ステーション２０を用いることで、点検作業の効率化向上が期待できる。また、前記移動体ステーション２０に内蔵電源（バッテリ）を搭載しないことにより、各前記移動体ステーション２０への電源配線の施工が不要となる。また、バッテリ交換も不要となるためメンテナンス性が向上する。前記無人移動体１０から前記移動体ステーション２０へ給電する際に、前記無人移動体１０は、前記移動体ステーション２０に備えられたガイド２９に沿って近接或いは接触するため、高効率給電が可能となる。これにより、前記無人移動体１０の消費エネルギーを抑えられる。また、給電の際に、前記無人移動体１０と前記移動体ステーション２０を近接させることで、点検対象周囲の電子機器への影響を抑えることもできる。

（変形例１）
次に、図４と図５を用いて、実施例１の無人移動体１０を用いた構造体点検の変形例を説明する。図１及び図２では、無人移動体１０に搭載された情報受信部１２で検出センサ情報を受信し、無人移動体１０内のセンサ情報記録用メモリ１９に記録していた。本変形例では、上記の代替構成として、図４と図５に示すような点検作業員が持つモバイル端末３０で検出センサ情報を受信し、記録する方法を述べる。

図４は変形例１の構造体点検システムに用いるハードウェアの構成概略図で、図５は変形例１の構造体点検システムの電力及び情報経路図である。図５の電力と情報信号の流れの概要図で示すように、前記移動体ステーション２０の構成の変更は無い。前記モバイル端末３０は、前記移動体ステーション２０の情報送信部２４から無線で検出センサ情報を受け取るための情報受信部１２を備える。受信した信号は、モバイル端末制御回路３１を介し、モバイル端末３０の表示部１８に検出センサの測定値が表示されると共に、センサ情報記録用メモリ１９に記録される。前記無人移動体１０から前記情報受信部１２が取り除かれるため、前記無人移動体１０の役割は、各前記移動体ステーション２０間を移動し、給電するのみとなる。したがって、前記無人移動体１０の構成がより簡略され軽量化が図れる。その結果、前記無人移動体１０の稼働時間を延長させることが可能となる。

（変形例２）
続いて、図６の変形例２の構造体点検システムの電力及び情報経路図を用いて、実施例１の図２で示した電力と情報の流れの変形例を説明する。図２では、移動体ステーション２０の受電部２３から送られる電力を、複数の検出センサ２１から成る検出センサ郡２２全てに同時に与えていた。よって、給電元の無人移動体１０のバッテリ１３に高負荷が掛かり、バッテリの消費エネルギーが増加する可能性がある。そこで、変形例２では、図６に示すように、移動体ステーション２０内にスイッチャー３３（ＳＷ）を設け、個々の検出センサ２１へ電力を切り替えて送り、個々の前記検出センサ２１を起動及び測定する方式を採る。これにより、給電元の前記無人移動体１０の前記バッテリ１３へ高負荷が掛からないため、バッテリの消費エネルギーを抑えることが期待できる。

（変形例３）
図７の変形例３の構造体点検システムの電力及び情報経路図を用いて、実施例１の図２で示した電力と情報の流れの変形例を説明する。なお、実施例１と共通する点は重複説明を省略するものとする。前述した実施例１では、移動体ステーション２０は内蔵電源を備えていなかったが、変形例３では、内蔵電源を持つ場合について述べる。図７中の前記移動体ステーション２０は移動体ステーション内蔵バッテリ３４を備える。したがって、前記無人移動体１０から受電する必要が無くなる。前記移動体ステーション内蔵バッテリ３４を節電するため、前記移動体ステーション２０は、前記無人移動体１０からの計測信号が来るまで停止状態或いは休止状態にある。前記無人移動体１０は、トリガ送信部３５を備え、前記移動体ステーション２０のトリガ受信部３６に信号を送ることで、前記移動体ステーション２０を起動させる。

（変形例４）
図８の変形例４の位置決め部としてビジュアルサーボを用いた場合の無人移動体を用いた構造体点検システムの概略図を用いて、前記無人移動体１０が前記移動体ステーション２０に接近する際の位置決め方法の変形例を説明する。前記の実施例１では、前記移動体ステーション２０に備えられたガイド２９に沿って前記無人移動体１０が前記移動体ステーション２０に近接或いは接触することで、前記無人移動体１０の給電部１１と前記移動体ステーション２０の受電部２３との相対位置を既定の範囲内となるようなパッシブな構成であった。本変形例では、この代替構成として、前記無人移動体１０にビジュアルサーボ用カメラ４０を取り付け、前記移動体ステーション２０上にマークされたターゲットマーク４１を撮影する。そして、取得画像を画像処理し、特徴量（ターゲットマーク４１のパターンや角など）を抽出し、前記無人移動体１０と前記ターゲットマーク４１との相対位置を算出する。算出結果を基に、前記無人移動体１０の位置を制御することで、前記無人移動体１０の給電部１１と前記移動体ステーション２０の受電部２３との相対位置を既定の範囲内となるようなアクティブな位置決め構成である。本例では、画像認識によるビジュアルサーボ技術を挙げたが、レーザーレンジファインダ等を用いて前記移動体ステーション２０の位置を把握し、位置決め制御を行うことも考えられる。なお、変形例４では、前記移動体ステーション２０上に必ずしもガイド２９を備える必要はない。

実施例２では、無人移動体として車両型ロボットを使用する場合について、図９の無人移動体として、車両型ロボットを用いた場合の構造体点検システムの構成概略図を用いて説明する。なお、実施例１と共通する点は重複説明を省略するものとする。基本的に、移動体ステーション２０と、検出センサ郡２２の構成は実施例１と同じである。実施例１では、点検対象の構造体１が高所の場合について述べたが、図９のように低所にある場合、地上を走行可能な無人移動体５０（車両型ロボット）の適用が望ましい。無人移動体５０の先端には、給電部１１が給電アーム５１を介し接続されている。給電アーム５１は上下左右に可動させることができ、給電部１１と移動体ステーション２０の受電部２３の位置を調整するのに利用する。無人移動体５０を移動体ステーション２０に近接或いは接触させ、給電、検出センサの情報を無人移動体５０の情報受信部１２で受信し、内蔵の記録メモリに記録する。また、本実施例も、実施例１の変形例１で述べたように、移動体ステーション２０の情報送信部２４から発信された検出センサ情報をモバイル端末の情報受信部を用いて検出センサ情報の回収をすることも考えられる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：構造体
１０：無人移動体
１１：給電部
１２：情報受信部
１３：バッテリ
１４：カメラ
１５：無人移動体制御回路
１６：コントローラ
１７：アンテナ
１８：表示部
１９：センサ情報記録用メモリ
２０：移動体ステーション
２１：検出センサ
２２：検出センサ郡
２３：受電部
２４：情報送信部
２５：検出センサ郡ケーブル
２６：移動体ステーション制御回路
２７：マルチプレクサ
２９：ガイド
３０：モバイル端末
３１：モバイル端末制御回路
３３：スイッチャー
３４：移動体ステーション内蔵バッテリ
３５：トリガ送信部
３６：トリガ受信部
４０：ビジュアルサーボ用カメラ
４１：ターゲットマーク
５０：無人移動体
５１：給電アーム

Claims

構造体に設置された少なくとも一つ以上の移動体ステーションと、
各前記移動体ステーション間を移動して、各前記移動体ステーションへ駆動電力を供給するための無人移動体から構成され、
前記無人移動体は、各前記移動体ステーションに電力を供給する給電部を備えると共に、
各前記移動体ステーションは、点検対象の前記構造体の表面に配置された、少なくとも一つ以上の前記点検対象の状態を検出する検出センサと、
前記検出センサによる検出情報を一箇所で出力可能な一つの情報送信部と、
前記検出センサを駆動させるための電力を前記無人移動体の給電部から受電する一つの受電部を備え、
前記無人移動体の給電部と前記移動体ステーションの受電部との相対位置を既定の範囲内となるように前記移動体ステーションに備えられたガイドを有することを特徴とした無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記検出センサは、前記点検対象の物理的状態、化学的状態、または、前記点検対象の周囲環境状態の内、少なくともいずれか一種以上の状態量を検出することを特徴とした無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１又は２のいずれか１項に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記検出センサは、前記点検対象の構造体の減肉度合いを測定することを特徴とした無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記無人移動体として無人飛行体を用いたことを特徴とした無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記無人移動体が、移動モード、給電モード、センサ情報回収モードの内、少なくともいずれか１つ以上の制御モードを備えたことを特徴とする無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記移動体ステーションの情報出力部から送信される、前記検出センサの検出情報を受信する情報受信部を備えた、前記無人移動体以外の情報受信装置を用いることを特徴とする無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記移動体ステーションに接続された少なくとも２つ以上の検出センサに対し、個々に送電できるように前記移動体ステーション内にスイッチャーを備えたことを特徴とする無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記移動体ステーションに内蔵電源を備え、前記無人移動体からの起動信号を受信したときのみ前記移動体ステーションを起動することを特徴とする無人移動体を用いた構造体点検システム。
請求項１に記載の無人移動体を用いた構造体点検システムにおいて、
前記無人移動体の給電部と前記移動体ステーションの受電部との相対位置を既定の範囲内とする部として、前記無人移動体に搭載されたカメラ又はセンサを用いて、前記無人移動体の位置を制御することを特徴とする無人移動体を用いた構造体点検システム。
構造体に設置された少なくとも一つ以上の移動体ステーションと、
各前記移動体ステーション間を移動して、各前記移動体ステーションへ駆動電力を供給するための無人移動体から構成された構造体点検システムを用いた構造体点検方法において、
前記無人移動体は、各前記移動体ステーションに電力を供給する給電部を備えると共に、
各前記移動体ステーションは、前記点検対象の構造体の表面に配置された、少なくとも一つ以上の前記点検対象の状態を検出する検出センサと、
前記検出センサによる検出情報を一箇所で出力可能な一つの情報送信部と、
前記検出センサを駆動させるための電力を前記無人移動体の給電部から受電する一つの受電部を備え、
前記無人移動体の給電部と前記移動体ステーションの受電部との相対位置を既定の範囲内となるように前記移動体ステーションに備えられたガイドを利用して前記無人移動体を移動させるステップと、
前記無人移動体の給電部と前記移動体ステーションの受電部にて電力を給電するステップと、
前記電力を前記検出センサに供給して前記検出センサを起動するステップを有することを特徴とした構造体点検方法。