JP2020138639A - 無人飛行体を用いた構造物検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無人飛行体１０の飛行中、給電ケーブル２の振れを小さくして、給電ケーブル２の劣化を抑制することが可能な無人飛行体を用いた構造物検査装置を提供する【解決手段】地上支援車２０は、その上面に無人飛行体１０が離着陸するための開閉式のポート２１を有し、ポート２１は少なくとも１枚の可動板２３を備え、可動板２３が移動する前の状態で、給電ケーブル２を外部に引き出すための第１開口２２が形成され、可動板２３が移動した後の状態で、第１開口２２よりも大きな第２開口２５が形成される。それによって、給電ケーブル２の絶縁被覆が擦れて劣化することを防止することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、無人飛行体、いわゆるドローンを用いた構造物検査装置に関する。

風力発電用の風車や橋梁などの構造物は、定期的に、目視などによって検査することが義務づけられている。例えば、風力発電用の風車の場合、２年に一度検査が法定されており、作業員が命綱をつけて風車に登り、目視により羽根や回転軸部分にひび割れなどの劣化が生じていないかを確認し、劣化が生じている場合は劣化部分を写真撮影している。このような検査作業は非常に危険であり、且つ、二十基あたり２人で１．５か月程度かかるため、風力発電事業において検査コストが常々問題となっている。

一方、ドローンとして市販されている無人飛行体には撮像装置が標準的に装備されている。そのため、このような無人飛行体を用いて構造物の細部を写真撮影し、劣化の有無を確認する検査方法が考えられる。ところが、市販の無人飛行体は、内蔵二次電池から供給される電力によってプロペラを駆動したり、撮像装置を駆動しているため、一回の充電での飛行可能時間はせいぜい２０〜３０分程度である。一つの構造物を検査するためには、繰り返し何回も無人飛行体を飛行させなければならないが、飛行を中断した箇所に無人飛行体を正確に戻すことが非常に困難であり、検査漏れが生じる虞があり、現実的ではない。

一方で、特許文献１には、人が容易に近づけないような災害現場などでの情報収集のために、自律移動車と無人飛行体を組み合わせて、自律移動車側からケーブルを介して無人飛行体側に電力を供給し、無人飛行体の長時間の飛行を可能とすると共に、自律移動車上に無人飛行体を着陸させることが提案されている。また、特許文献２には、自律移動車と無人飛行体をケーブルで接続し、無人飛行体の高度を一定に維持しつつ、放射能汚染の程度や分布を判断する指標として、地表から一定の高さにおける放射線量を測定することが提案されている。しかしながら、何れの場合も、自律移動車が走行するルートや無人飛行体が飛行するルートには、がれきが散乱していたり、倒木や倒壊した構造物などの障害物が立ちはだかっているため、自律移動車の安定走行や、無人飛行体の障害物への衝突防止、ケーブルの引っかかり防止など、実用化に向けて解決しなければならない課題は少なくない。

それに対して、風車や橋梁などの構造物の検査の場合、検査対象範囲が比較的限定されており、且つ、その周囲の地面又は床面は比較的フラットである。そのため、地上に設けられた電源（必ずしも自律移動させる必要はない）から給電ケーブルを介して無人飛行体に電力を供給し、無人飛行体を長時間連続飛行させ、検査対象物の表面などを漏れなく連続的に撮影する検査方法の実用化が検討されている。

図１０は、本出願人が当初検討した無人飛行体を用いた構造物検査システム１００の構成（参考例）を示す。この構造物検査システムは、無人飛行体１０１と、無人飛行体１０１に電力を供給するための給電ケーブル１０２と、給電ケーブル１０２が巻き付けられた電動式のリール(自動巻き取り装置)１０３と、リール１０３の正転・逆転を制御し、給電ケーブル１０２の繰り出し量を調整する巻き取り制御装置１０４と、給電ケーブル１０２を介して無人飛行体１０１に直流電力を供給する電源装置１０５と、発電機１０６と、無人飛行体１０１の飛行を制御する飛行制御装置１０７と、無人飛行体１０１から送信される画像データを受信する受信装置１０８と、受信した画像データの画像解析を行なう解析装置１０９などで構成されている。

リール１０３、巻き取り制御装置１０４、電源装置１０５、発電機１０６、受信装置１０８、解析装置１０９などは地上に設置されるが、特に、リール１０３は、検査対象である風車の羽根の直下付近に設置される。それに対して、図１１に示すように、無人飛行体１０１は、リール３から少し離れた場所の地表に対して離着陸するように制御される。風車の羽根を検査する場合、一般的には、検査対象である羽根をほぼ垂直状態で静止させ、無人飛行体１０１は、もっぱら垂直方向に上昇と下降を繰り返すように制御される。また、風車の羽根が垂直でない場合は、無人飛行体１０１を水平方向へも移動させる。

前述のように、風車二十基について、２人による目視検査に１．５か月程度かかっているところ、無人飛行体を用いた検査によれば、２人で１０日程度にて検査可能であるが、その間、無人飛行体１０１は複数回離着陸を繰り返すことになる。多数の風車を検査すると、給電ケーブル１０２の絶縁被覆がリール１０３のフランジＰ１などに接触して徐々に劣化したり、給電ケーブル１０２の芯線が破断したりする虞がある。また、無人飛行体１０１の水平方向への移動距離が長い場合、給電ケーブル１０２の振れが大きくなり、給電ケーブル１０２が予期しない箇所、例えば筐体の角Ｐ２などと接触する可能性があり、給電ケーブル１０２の劣化が加速される。

特開２０１６−１９９１４４号公報 特開２０１７−１９１０２６号公報

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、無人飛行体の飛行中、無人飛行体に電力を供給するための給電ケーブルの振れを小さくして、給電ケーブルの劣化を抑制することが可能な無人飛行体を用いた構造物検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る無人飛行体を用いた構造物検査装置は、
撮像装置を備え、遠隔操縦される無人飛行体と、前記無人飛行体に給電ケーブルを介して電力を供給する地上支援車とを備え、
前記地上支援車は、その上面に設けられ、前記無人飛行体が離着陸するための開閉式のポートと、前記ポートの下方に設けられ、前記給電ケーブルの引き出し及び巻き取りを行なう自動巻き取り装置と、前記給電ケーブルを介して前記無人飛行体に電力を供給するための電源装置とを備え、
前記ポートは少なくとも１枚の可動板を備え、前記可動板が移動する前の状態で、前記ポートに前記給電ケーブルを前記地上支援車の内部から外部に引き出すための第１開口が形成され、前記可動板が移動した後の状態で、前記ポートに前記給電ケーブルを前記地上支援車の内部から外部に引き出すための前記第１開口よりも大きな第２開口が形成されることを特徴とする。

前記第２開口は、前記可動板の移動方向における寸法、及び前記可動板の移動方向に直交する方向における寸法の両方を、前記第１開口のそれよりも大きくしてもよい。

前記ポートは、互いに水平方向に逆向きにスライドする２枚の可動板で構成され、前記２枚の可動板には、それぞれ前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていてもよい。

または、前記ポートは、固定板と、水平方向に逆向きにスライドする１枚の可動板で構成され、前記可動板には、前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていてもよい。

または、前記ポートは、それぞれ蝶番によって、前記ポートに対して垂直な面内で回転する２枚の可動板で構成され、前記２枚の可動板には、それぞれ前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていてもよい。

上記構成によれば、地上支援車の上面にポートが設けられているので、地上支援車を検査対象物の直下近傍に移動させ、無人飛行体をもっぱら垂直方向に上昇又は降下させることにより、検査対象物を検査することができる。その際、無人飛行体の上昇又は降下に応じて、自動巻き取り装置により給電ケーブルの引き出し及び巻き取りが行なわれるので、給電ケーブルが不必要に垂れ下がる可能性が低減される。また、無人飛行体の水平方向への移動量が少なくなるため、給電ケーブルの振れが小さくなる。さらに、無人飛行体を離陸させた後、ポートを構成する可動板を移動させることにより、ポートには、給電ケーブルを地上支援車の内部から外部に引き出すための第１開口よりも大きな第２開口が形成される。あるいは、ポートを構成する可動板を移動させることにより、第１開口がより大きな第２開口に拡大される。そのため、給電ケーブルの絶縁被覆がリールのフランジや可動板のエッジなどに接触する可能性が低減され、給電ケーブルの絶縁被覆が劣化したり、芯線が破断される可能性が低減される。

本発明の一実施形態に係る無人飛行体を用いた構造物検査装置及びその構造物検査装置に適した構造物検査システムの構成を示す図。 無人飛行体を飛行させる前のポートが閉じた状態における上記構造物検査装置の一構成例を示す平面図。 無人飛行体を飛行させる前のポートが閉じた状態における上記構造物検査装置の一構成例を示す断面図。 無人飛行体を離陸させた後のポートが開いた状態における上記構造物検査装置の一構成例を示す平面図。 無人飛行体を離陸させた後のポートが開いた状態における上記構造物検査装置の一構成例を示す断面図。 上記構造物検査装置の他の構成例を示す平面図。 上記構造物検査装置のさらに他の構成例を示す断面図。 上記構造物検査装置のさらに他の構成例を示す断面図。 上記構造物検査装置における無人飛行体に給電ケーブルを接続するためのケーブル接続構造を示す図。 無人飛行体を用いた構造物検査システムの構成（参考例）を示す。 上記参考例の課題を説明するための図。

本発明の一実施形態に係る無人飛行体を用いた構造物検査装置及びその構造物検査装置に適した構造物検査システムについて説明する。図１に示す構造物検査システムは、撮像装置１１を備えた無人飛行体（ドローン）１０と、無人飛行体１０に給電ケーブル２を介して電力を供給する地上支援車２０を備えた構造物検査装置１と、発電機６と、無人飛行体１０の飛行を制御する飛行制御装置７、無人飛行体１０から送信される画像データを受信する受信装置８と、受信した画像データの画像解析を行なう解析装置９などで構成されている。地上支援車２０の内部には、例えば手動操作される台車上に、給電ケーブル２が巻き付けられた電動式のリール(自動巻き取り装置)３と、リール３の正転・逆転を制御し、給電ケーブル２の繰り出し量を調整する巻き取り制御装置４と、給電ケーブル２を介して無人飛行体１０に直流電力を供給する電源装置５等が搭載されている。

無人飛行体１０は、市販されているものを改造して使用することができ、例えば、無人飛行体１０に搭載されている二次電池１２に給電ケーブル２を着脱可能なように接続して構成される（図９参照）。なお、給電ケーブル２を介して無人飛行体１０に電力が供給されるため、無人飛行体１０に二次電池を搭載しておく必要はないが、万が一給電ケーブル２が外れた場合でも無人飛行体１の墜落を防止するために、無人飛行体１０に二次電池を搭載しておくことが好ましい。風力発電用の風車の場合、小型のものでも羽根の長さが２６ｍ程度、洋上に設置される大型のものでは、羽根１枚が支柱の高さが５０〜６０ｍ、全体の高さが１３０ｍに達する。そのため、風力発電用の風車を検査する場合、無人飛行体１０は、対地表高度で１００ｍ程度まで上昇しなければならない。そのため、給電ケーブル２としては、例えば直径３ｍｍ程度の細くて軽いものを用いる必要がある。それでも、給電ケーブル２を１００ｍ引き延ばしたとすると、ケーブルの重量だけでも１．３ｋｇ程度になる。したがって、無人飛行体１０としては、例えば１．３ｋｇ以上の負荷をつり上げるだけの推進力が必要となる。また、電源装置５としては、例えば直流３６０Ｖで１０００Ｗ程度の電力を無人飛行体1に供給する能力を有するものを使用する。

地上支援車２０としては、自律移動式のもの、無線操縦によるもの、及び手動式のものの何れであってもよい。風力発電用の風車を検査する場合、無人飛行体１０は、もっぱら垂直方向に移動し、水平方向の移動量は少ないため、地上支援車２０としては、手動式のものを例示している。また、図１では、発電機６を例示しているが、電源装置５を商用電源に直接接続してもよいし、電気自動車のバッテリーなどに接続してもよい。

飛行制御装置７及び受信装置８は、無人飛行体１０とセットで販売されているものをそのまま使用することができる。解析装置９は、市販のパーソナルコンピュータを使用することができ、受信装置８を介して、無人飛行体１０から送信された画像データを画像処理し、モニタ画面上に表示させる。巻き取り制御装置４は、無人飛行体１０の高度に応じて、リール３からの給電ケーブル２の引き出し量を調節するものであり、例えばリール３の近傍に取り付けられたテンションセンサなどを用いて給電ケーブル２にかかる張力を測定し、張力が低下すれば給電ケーブル２を巻き取る方向にリール３を回転させ、また張力が上昇すれば給電ケーブル２を繰り出す方向にリール３を回転させ、それによって給電ケーブル２が不必要に垂れ下がることを防止する。あるいは、無人飛行体１０の位置情報に基づいて、解析装置９から巻き取り制御装置４に対してリールの回転方向及び回転量を指示するようにしてもよい。

図２は、無人飛行体１０を離陸させる前のポート２１が閉じた状態における構造物検査装置１の構成を示す平面図であり、図３は、その断面図である。図２において、地上支援車２０の上面の構成を示すために、無人飛行体１０は細線で描いている。また、後述する可動板２３の移動後の状態及び第２開口２５も一点鎖線で描いている。図２及び図３から理解されるように、地上支援車２０は、その上面に、無人飛行体１０を離着陸させるための水平なポート２１を有しており、無人飛行体１０は、このポート２１に対してほぼ垂直に離着陸される。また、リール３は、地上支援車２０の内部であって、その水平面におけるほぼ中央部に設置されており、給電ケーブル２は、ポート２１に形成された第１開口２２から地上支援車２０の外部に引き出され、無人飛行体１０に接続されている。第１開口２２は、例えば略矩形の開口であって、ポート２１のほぼ中央部に形成されている。ポート２１の中央部には、無人飛行体１０を着陸させる際の一応の目標となるＨマークなどが描かれているが、給電ケーブル２がリール３から第１開口２２を通って無人飛行体１０に接続されていることから、無人飛行体１０の操縦に不慣れな者でもリール３により給電ケーブル２を巻き取ることによってポート２１に無人飛行体１０を容易に着陸させることができる。

この構成例では、ポート２１は、水平方向にスライドする２枚の可動板２３と、可動板２３の水平移動を支持する２枚の固定板２４を有している。図４及び図５は、無人飛行体１０を離陸させ、２枚の可動板２３を水平方向に、互いに逆方向にスライドさせた状態（ポート２１が開いた状態）を示す。２枚の可動板２３を移動させると、これら２枚の可動板２３の互いに対向する辺の間には、上記第１開口２２よりも大きな、略矩形の第２開口２５が形成される。可動板２３の移動方向における第２開口２５の幅Ｗは、給電ケーブル２がリール３のフランジ３ａや可動板２３のエッジ２３ａなどに接触しないように設定されており、無人飛行体１０の飛行範囲、飛行高さ、リール３の２つのフランジ３ａ間の幅、フランジ３ａの高さ、フランジ３ａから可動板２３までの高さなどの位置関係によって、適宜設定される。風力発電用の風車を検査する場合、無人飛行体１０及び地上支援車２０を検査対象である羽根の直下付近に移動させるため、水平方向の移動距離を比較的小さくすることができる。一例として、第２開口２５の寸法は、給電ケーブル２が垂直軸を中心として２０度程度傾いたとしても、給電ケーブル２がリール３のフランジ３ａや可動板２３のエッジ２３ａなどに接触しないような寸法に設定される。また、図４から分かるように、第２開口２５は、可動板２３の移動方向における寸法Ｗ及び可動板２３の移動方向に直交する方向における寸法Ｄのいずれもが、第１開口２２のそれらよりも大きくなるように設定されている。それによって、無人飛行体１０の水平方向における移動可能範囲が大幅に拡大される。換言すれば、第１開口２２の各方向の寸法を可能な限り小さくすることによって、ポート２１に対して無人飛行体１０をより容易に離着陸させることができる。

２枚の可動板２３は、電動式で移動させてもよいし、手動で移動させてもよい。離陸直後、無人飛行体１０はもっぱら垂直方向に上昇するので、無人飛行体１０の離陸開始から可動板２３が移動するまである程度の時間差があっても、給電ケーブル２がポート２１に形成された第１開口２２のエッジなどに接触して擦られる可能性は低い。そのため、可動板２３及び２４を手動で移動させても、特に問題はない。なお、地上支援車２０を自律移動させる場合又は遠隔操縦する場合は、可動板２３を電動式で移動させる。

図６は、１枚の可動板２３のみがスライドするように構成された変形例を示す。図６においても、無人飛行体１０、可動板２３の移動後の状態及び第２開口２５も一点鎖線で描いている。この変形例では、ポート２１は固定板２４と１枚の可動板２３で構成され、可動板２３には、第１開口２２を形成するための切り欠きが形成されている。可動板２３の移動方向における第1開口２２の幅を第２開口２５の幅Ｗとほぼ同じにしてもよい。

図７及び図８は、２枚の可動板２３が、それぞれ蝶番によって、ポート２１に対して垂直な面内で回転するように構成された変形例を示す。２枚の可動板２３には、それぞれ第１開口２２を形成するための切り欠きが形成されてる。可動板２３の回転方向は、図７に示すように上方に跳ね上がる方向であってもよいし、図８に示すように下方（地上支援車２０の内側）に引き込まれる方向であってもよい。

図９は、無人飛行体１０に給電ケーブル２を接続するためのケーブル接続構造を示す。風力発電用の風車を検査する場合、無人飛行体１０は地上支援車２０のポートに対して垂直に離着陸されるため、給電ケーブル２を無人飛行体１０の下側から接続する。その際、無人飛行体１０に設けられた二次電池１２に直接コネクタ３２を接続してもよいが、給電ケーブル２の自重がコネクタ３２に掛かるため、コネクタ３２が二次電池１２から外れやすい。図９に示す接続構造では、無人飛行体１０の本体の底面にワイヤー１３及び吊り環３３を介して中空リング３１を吊り下げ、給電ケーブル２をこの中空リング３１の内部を略一周させている。それによって、給電ケーブル２の自重は中空リング３１の内周面によって受け止められ、コネクタ３２には給電ケーブル２の自重は掛からない。結果的に、コネクタ３２は二次電池１２から外れにくくなる。また、無人飛行体１０との接続部における給電ケーブル２の劣化も防止することができる。

このように、本発明に係る無人飛行体を用いた構造物検査装置１は、撮像装置１１を備え、遠隔操縦される無人飛行体１０と、無人飛行体１０に給電ケーブル２を介して電力を供給する地上支援車２０とを備えているので、容易に構造物検査装置１を検査対象物の直下近傍に移動させることができる。また、地上支援車２０は、その上面に無人飛行体１０が離着陸するための開閉式のポート２１を有しているので、無人飛行体１０を地上支援車２０のポート２１に対して垂直に離着陸させることによって、給電ケーブル２の振れ角を小さくすることができる。さらに、ポート２１は、少なくとも１枚の可動板２３を備え、可動板２３が移動する前の状態、例えば、無人飛行体１０がポート２１上に着陸している状態で、ポート２１に給電ケーブル２を地上支援車２０の内部から外部に引き出すための第１開口２２が形成されているので、無人飛行体１０に電力を供給して無人飛行体１０を離陸させることができる。離陸直後は、無人飛行体１０の水平方向への移動量は少ないので、給電ケーブル２の絶縁被覆が第1開口２２のエッジなどに擦れる可能性は低い。

次に、無人飛行体１０を離陸させた後、ポート２１の可動板２３を移動させると、ポート２１に、給電ケーブル２を地上支援車２０の内部から外部に引き出すための第１開口２２よりも大きな第２開口２５が形成される。換言すれば、第１開口２２が第２開口２５に拡大される。第２開口２５は、可動板２３の移動方向における寸法Ｗ、及び前記可動板の移動方向に直交する方向における寸法Ｄのいずれもが第１開口２２のそれよりも大きいので、水平方向における無人飛行体１０の移動可能範囲が大幅に拡大される。給電ケーブル２の垂直軸に対する振れ角が一定であると仮定すると、無人飛行体１０の対地表高度が高くなるにつれて給電ケーブル２の引き出し量が長くなり、無人飛行体１０はより広範囲を飛行することができる。また、これらの結果、給電ケーブル２が予期しない箇所に接触する可能性が低減され、給電ケーブル２の劣化を防止することができる。

１ 構造物検査装置
２ 給電ケーブル
３ リール（自動巻き取り装置）
４ 自動巻き取り装置
５ 電源装置
６ 発電機
７ 飛行制御装置
８ 受信装置
９ 解析装置
１０ 無人飛行体
１１ 撮像装置
１２ 二次電池
１３ ワイヤー
２０ 地上支援車
２１ ポート
２２ 第１開口
２３ 可動板
２４ 固定板
２５ 第２開口
３１ 中空リング
３２ コネクタ
３３ 吊り環

Claims (5)

1. 撮像装置を備え、遠隔操縦される無人飛行体と、前記無人飛行体に給電ケーブルを介して電力を供給する地上支援車とを備えた無人飛行体を用いた構造物検査装置であって、
   前記地上支援車は、その上面に設けられ、前記無人飛行体が離着陸するための開閉式のポートと、前記ポートの下方に設けられ、前記給電ケーブルの引き出し及び巻き取りを行なう自動巻き取り装置と、前記給電ケーブルを介して前記無人飛行体に電力を供給するための電源装置とを備え、
   前記ポートは少なくとも１枚の可動板を備え、前記可動板が移動する前の状態で、前記ポートに前記給電ケーブルを前記地上支援車の内部から外部に引き出すための第１開口が形成され、前記可動板が移動した後の状態で、前記ポートに前記給電ケーブルを前記地上支援車の内部から外部に引き出すための前記第１開口よりも大きな第２開口が形成されることを特徴とする無人飛行体を用いた構造物検査装置。
2. 前記第２開口は、前記可動板の移動方向における寸法、及び前記可動板の移動方向に直交する方向における寸法の両方を、前記第１開口のそれらよりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の無人飛行体を用いた構造物検査装置。
3. 前記ポートは、互いに水平方向に逆向きにスライドする２枚の可動板で構成され、前記２枚の可動板には、それぞれ前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人飛行体を用いた構造物検査装置。
4. 前記ポートは、固定板と、水平方向に逆向きにスライドする１枚の可動板で構成され、前記可動板には、前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人飛行体を用いた構造物検査装置。
5. 前記ポートは、それぞれ蝶番によって、前記ポートに対して垂直な面内で回転する２枚の可動板で構成され、前記２枚の可動板には、それぞれ前記第１開口を形成するための切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の無人飛行体を用いた構造物検査装置。