JP2021035822A

JP2021035822A - 管内検査システム、管内検査方法、管の製造方法、無人航空機の制御装置、無人航空機の制御方法、及び設備の点検方法

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Publication number: JP2021035822A
Application number: JP2020132302A
Authority: JP
Inventors: 小林　正樹; Masaki Kobayashi; 正樹小林; 石田　匡平; Tadahira Ishida; 匡平石田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2020-08-04
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2040-08-04
Also published as: JP7095719B2

Abstract

【課題】管内検査に要する労力を軽減可能、且つ、簡易な管内検査システム、管内検査方法、及び管の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る管内検査システムは、管内を観察する観察装置を備え、管内を飛行する無人航空機と、無人航空機に設けられた受光板に向けてレーザ光を照射する投光器と、受光板内の基準点とレーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて受光点が基準点と一致するように無人航空機の位置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、管内検査システム、管内検査方法、管の製造方法、無人航空機の制御装置、無人航空機の制御方法、及び設備の点検方法に関する。

管内検査を人が管内に潜り込んで実施する場合、管径にもよるが狭い管になるほど人にとっては無理な姿勢を余儀なくされ重労働となり、さらに狭い管になると人が潜り込むことすら不可能となる。このため、人の代わりに何らかの装置やロボット等で管内検査を実施する技術が提案されている（特許文献１〜４参照）。

無人航空機（Unmanned Aerial Vehicle：UAV）は、撮影・調査・運搬等のために利用されることが多く、所定ルートを高精度に飛行できることが望ましい。このため、ＵＡＶの位置をリアルタイムで測定し、ＵＡＶの位置が所定ルートからずれている場合にはＵＡＶの位置を修正するシステムが提案されている。具体的には、特許文献５には、複数の地上カメラを用いてＵＡＶに設置されたマーカを画像認識し、画像認識したマーカのパターン・寸法からＵＡＶの位置を特定するシステムが記載されている。

特開２０１４−１６６８０６号公報特許第２９０５２３２号公報特許第４４０７００９号公報特許第５３９８３５１号公報特開２００６−５１８６４号公報

特許文献１〜４に記載の技術は、基本的に管底面又は管内面に車輪を接触させ、車輪を駆動することによって管内を移動する方式を採用している。このため、特許文献１〜４に記載の技術によれば、装置構成が複雑となり重量が大きくなるため、人力によるハンドリングが大変になる。また、装置やロボット等から電力供給用・操作用・データ通信用等の複数のケーブルが出ており、そのまま管外まで引き回されるため、装置やロボット等が管内を進入できる距離は自ずとケーブル長に制約される。また、ケーブルの扱いについても注意が必要となる。

特許文献５に記載のシステムは、画像認識したマーカのパターン・寸法からＵＡＶの位置を特定している。このため、特許文献５に記載のシステムによれば、照度が確保できない環境では、マーカを安定的に画像認識できないためにＵＡＶの位置を特定できず、結果として、ＵＡＶの位置を精度よく制御できない可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、管内検査に要する労力を軽減可能、且つ、簡易な管内検査システム、管内検査方法、及び管の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、無人航空機の位置を簡易に、且つ、精度よく制御可能な無人航空機の制御装置、無人航空機の制御方法、及び設備の点検方法を提供することにある。

本発明に係る管内検査システムは、管内を観察する観察装置を備え、管内を飛行する無人航空機と、前記無人航空機に設けられた受光板に向けてレーザ光を照射する投光器と、前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る管内検査システムは、上記発明において、前記観察装置は、管内の画像を撮影する撮像装置及び／又は管の内壁の表面性状を測定する測定装置を備えることを特徴とする。

本発明に係る管内検査システムは、上記発明において、前記投光器は、前記受光板との間の距離を計測する機能を備え、前記制御装置は、前記投光器によって計測された距離に基づいて前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする。

本発明に係る管内検査システムは、上記発明において、前記無人航空機は、機体速度に鉛直方向成分を発生させる第一手段と、無人航空機に回転モーメントを与えることなく機体速度に水平方向成分を発生させる第二手段と、を備え、前記制御装置は、前記第一手段及び前記第二手段の動作を制御することによって前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする。

本発明に係る管内検査システムは、上記発明において、前記第一手段及び前記第二手段は、プロペラ又は流体ノズルにより構成されていることを特徴とする。

本発明に係る管内検査システムは、上記発明において、前記第一手段には、下方向への発生気流を進行方向後方側に向ける案内板が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る管内検査方法は、管内を観察する観察装置を備え、管内を飛行する無人航空機に設けられた受光板に向けて投光器からレーザ光を照射する照射ステップと、前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る管の製造方法は、本発明に係る管内検査システムを利用して管を製造するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る無人航空機の制御装置は、無人航空機に設けられた受光板に向けてレーザ光を照射する投光器と、前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する位置制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る無人航空機の制御装置は、上記発明において、前記投光器は、前記受光板との間の距離を計測する機能を備え、前記位置制御装置は、前記投光器によって計測された距離に基づいて前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする。

本発明に係る無人航空機の制御装置は、上記発明において、前記無人航空機は、機体速度に鉛直方向成分を発生させる第一手段と、無人航空機に回転モーメントを与えることなく機体速度に水平方向成分を発生させる第二手段と、を備え、前記位置制御装置は、前記第一手段及び前記第二手段の動作を制御することによって前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする。

本発明に係る無人航空機の制御装置は、上記発明において、前記第一手段及び前記第二手段は、プロペラ又は流体ノズルにより構成されていることを特徴とする。

本発明に係る無人航空機の制御方法は、無人航空機に設けられた受光板に向けて投光器からレーザ光を照射する照射ステップと、前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る設備の点検方法は、本発明に係る無人航空機の制御方法を利用して無人航空機の位置を制御しながら設備を点検するステップを含むことを特徴とする。

本発明によれば、管内検査に要する労力を軽減可能、且つ、簡易な管内検査システム、管内検査方法、及び管の製造方法を提供することができる。また、本発明によれば、無人航空機の位置を簡易に、且つ、精度よく制御可能な無人航空機の制御装置、無人航空機の制御方法、及び設備の点検方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態である管内検査システムの構成を示す模式図である。図２は、鉛直方向流体ノズルの発生気流が無人航空機に与える影響を説明するための図である。図３は、案内板の構成を示す模式図である。図４は、受光板内の基準点及び受光点を示す模式図である。図５は、直線の目標飛行ルートに対する手動操作と本発明による無人航空機の飛行軌跡の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である管内検査システムの構成について説明する。なお、以下では、観察装置として、管内の一般的な可視光画像を撮影する撮像装置（カメラ、ビデオ等）及び／又は管の内壁の代表的な表面性状（疵を含む表面粗さ等）を測定する測定装置を一例として示すが、これに限らず、Ｘ線対応、紫外線対応、可視光対応、赤外線対応のカメラ、ビデオ等の撮像装置、菅の肉厚内部疵等を測定する超音波探傷装置、放射線透過装置等の測定装置等であってもよい。

図１は、本発明の一実施形態である管内検査システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である管内検査システム１は、無人航空機２を利用して鋼管等の管状の構造体ＰＰの内部（以下、管内と表記）を検査するシステムであり、無人航空機２と、投光器３と、無人航空機２に設けられた受光板４及び撮像装置５と、制御装置６と、を備えている。

無人航空機２は、ホバリング可能なマルチコプタ型の無人航空機によって構成されており、機体速度に鉛直方向成分を発生させる４つの鉛直方向流体ノズル２ａと、無人航空機２に回転モーメントを与えることなく機体速度に水平方向成分を発生させる水平方向流体ノズル２ｂと、を備えている。水平方向流体ノズル２ｂは、機体の中心位置に設置されている。水平方向流体ノズル２ｂの向きを変更させることにより、無人航空機２を水平面内で移動させることができる。鉛直方向流体ノズル２ａ及び水平方向流体ノズル２ｂそれぞれは、コンプレッサ７から供給された圧縮流体を噴出することにより機体速度に鉛直方向成分及び水平方向成分を発生させる。

ここで、流体ノズルの代わりにプロペラを設け、プロペラを回転駆動することにより機体速度に鉛直方向成分や水平方向成分を発生させてもよい。この場合、水平方向成分を発生させる水平方向プロペラは、鉛直方向成分を発生させる鉛直方向プロペラより小型であり、機体の中心位置に設置されている。また、水平方向プロペラは、支柱を回転させることにより任意の方向に向くことが可能である。

なお、無人航空機２が広い開放空間を飛行する場合、鉛直方向流体ノズル２ａから発生する気流の影響を自分自身が受けることはない。しかしながら、無人航空機２とのスケール的な対比において管内又は周囲形状が無視できない半開放空間若しくは閉空間を飛行する場合には、図２に示すように鉛直方向流体ノズル２ａからの発生気流Ａがそのままでは回り込んで自分自身に当たるため飛行は不安定になり、場合によっては墜落する可能性もある。このため、本実施形態では、図３に示すように、各鉛直方向流体ノズル２ａの下方に流線形の案内板２ｃを設置し、発生気流Ａを進行方向後方に逃がすようにして発生気流Ａの影響を受けないようにしている。これにより、無人航空機２の大きさが無視できない管内を飛行する際も安定飛行を継続することができる。

また、無人航空機２には、管内検査のために、管内の画像を撮影する撮像装置２ｄ及び管の内壁の表面性状を測定するレーザスキャナ等の測定装置２ｅが設けられている。撮像装置２ｄ及び測定装置２ｅは、電気通信回線を介して取得した情報を制御装置６に送信する。なお、撮像装置２ｄと測定装置２ｅの一方のみを設けるようにしてもよい。

投光器３は、レーザ光ＬＢを照射するレーザポインタによって構成されており、自在継手（以下、ジンバルと表記)を介して基準位置に設置されている。基準位置は管内中心線上の管入口側に設定されることが多いが、管内中心線と平行な管内を通過する直線上の管入口側に設定しても良い。一般的に、投光器３（ジンバル）は床面や基準面に置かれた三脚や支柱の上に固定されることにより基準位置に設置されることが多い。基準位置は管径に応じて変更することが多いが、それに伴う三脚や支柱の位置及び高さ変更は手動でも良いし自動でも良い。ジンバルにはレーザ光ＬＢの照射方向を検出する角度検出センサが設置されており、角度検出センサの検出値に従ってジンバルを回転させることによって自動でレーザ光ＬＢの照射方向を任意の方向に向けることができる。なお、投光器３にレーザ光ＬＢの照射位置との間の距離を計測する機能を持たせることにより、無人航空機２を指定した距離の位置に移動可能にすることが望ましい。レーザ光ＬＢを照射する空間内の点は基準位置からの方向及び距離にて記述可能であり（極座標系）、無人航空機２の飛行ルートについても同様である。

受光板４は、レーザ光の受光点が発光する円板によって構成されており、無人航空機２の飛行ルートに基づいて投光器３から照射されたレーザ光ＬＢを受光する。一般に、受光板４は、投光器３から投光されたレーザ光ＬＢの受光点Ｐ２を撮像装置５側からも認識できる必要があるため透過性を有する物質で、例えば紙や樹脂等でも良い。また、受光板４自体が受光点位置を認識できるセンサ機能を有しているのであれば、透過性は不要で、撮像装置５も不要となる。受光板４に必要な要件（特性）は、撮像装置５を使用する場合、レーザ光ＬＢを受光して受光点Ｐ２を形成でき、受光点Ｐ２が反対面(撮像装置５側)からも見えることなので、半透明、すなわち透過性を有することである。また、撮像装置５を使用しない場合には、受光板４に必要な要件（特性）は、受光点Ｐ２を受光板４自身が認識できるセンサ機能を有すること、すなわち受光板４が受光素子等で製作されていることである。

撮像装置５は、受光板４の画像を撮影し、撮影画像に基づいて受光板４の基準点に対するレーザ光ＬＢの受光点の偏差量及び向きを測定し、電気通信回線を介して測定情報を制御装置６に送信する。具体的には、図４に示すように、撮像装置５は、受光板４の中心位置に設けられた基準点Ｐ１及びレーザ光ＬＢの受光点Ｐ２の座標値を測定し、電気通信回線を介して測定情報を制御装置６に送信する。

制御装置６は、コンピュータ等の情報処理装置によって構成されており、電気通信回線を介して無人航空機２及び投光器３と接続されている。なお、制御装置６を無人航空機２に搭載してもよい。制御装置６は、撮像装置５から出力された情報に基づいて、受光板４の基準点とレーザ光ＬＢの受光点とが一致するように鉛直方向流体ノズル２ａ及び水平方向流体ノズル２ｂの動作を制御することによって無人航空機２の位置を制御する。図４に示す例では、制御装置６は、レーザ光ＬＢの受光点Ｐ２が受光板４の基準点Ｐ１と一致するように偏差の向きと逆向き方向Ｒに無人航空機２を移動させる。無人航空機２は管内進入前に離陸、投光器３の位置まで上昇、その後レーザ光ＬＢに従って管内飛行し、管内通過後に着陸する。管内飛行は自動で行われ、管内面とは非接触、ケーブルも不要なため非常に簡易である。なお、制御装置６は、投光器３によって計測された距離の情報を用いて無人航空機２の位置を制御してもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である管内検査システム１では、管内の画像を撮影する撮像装置２ｄ及び管の内壁の表面性状を測定する測定装置２ｅを備え、管内を飛行する無人航空機２と、無人航空機２に設けられた受光板４に向けてレーザ光ＬＢを照射する投光器３と、受光板４内の基準点とレーザ光ＬＢの受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて受光点が基準点と一致するように無人航空機２の位置を制御する制御装置６と、を備える。このような構成によれば、構成が簡素であり、またケーブルの取り扱いが不要になるので、管内検査に要する労力を軽減することができる。また、本発明の一実施形態である管内検査システム１を利用して管状の構造体ＰＰを製造することにより、管状の構造体ＰＰの製造に要する労力も軽減することができる。

また、一般に、鉛直方向プロペラのみを搭載しているマルチコプタ型の無人航空機が水平方向に移動する場合、進行方向のプロペラの回転数を落とし、機体を進行方向に傾けて進行方向に移動する。このため、水平方向への移動と共に鉛直方向への移動（偏差）も発生してしまうことが多く、水平方向への高精度な移動は難しかった。これに対して、本実施形態では、無人航空機２は、鉛直方向流体ノズル２ａと水平方向流体ノズル２ｂを備える。一般に、モータ付プロペラより流体ノズルの方が非常にコンパクトであるため、揚力発生用のモータ付プロペラの代わりに流体ノズルを複数個搭載した機体の方がはるかに軽量・小型にできる。各流体ノズルへの流体供給量を調整することにより、機体の高度・姿勢・方向を調整することができる。また、流体ノズルはモータのように火花が飛ぶこともないので防爆機能も期待できるため、可燃性雰囲気中でも飛行を継続できる。水平方向流体ノズル２ｂからの流体噴射にて高度を一定に維持したまま機体を傾けることなく水平方向に高精度に移動することができる。一般に、流体としては圧縮空気をコンプレッサ等からチューブにてＵＡＶに供給することが多いが、可能であれば小型圧縮空気ボンベ等を機体に搭載し、圧縮空気の供給含めて無人航空機本体で完結させても良い。

図５に直線の目標飛行ルートに対する手動操作と本発明による無人航空機の飛行軌跡の一例を示す。図５に示すように、破線Ｌ１で示す手動操作による飛行軌跡では、実線で示す目標飛行ルートからの最大偏差が±１００〜２００ｍｍ程度あった。これに対して、破線Ｌ２に示す本発明による飛行軌跡では、実線で示す目標飛行ルートからの最大偏差は±１０〜２０ｍｍ程度と１／１０まで低減でき、飛行ルートに沿って無人航空機を高精度に移動できることが確認された。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１管内検査システム
２無人航空機
２ａ鉛直方向流体ノズル
２ｂ水平方向流体ノズル
２ｃ案内板
２ｅ測定装置
３投光器
４受光板
２ｄ，５撮像装置
６制御装置
ＬＢレーザ光
Ｐ１基準点
Ｐ２受光点

Claims

管内を観察する観察装置を備え、管内を飛行する無人航空機と、
前記無人航空機に設けられた受光板に向けてレーザ光を照射する投光器と、
前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする管内検査システム。
前記観察装置は、管内の画像を撮影する撮像装置及び／又は管の内壁の表面性状を測定する測定装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の管内検査システム。
前記投光器は、前記受光板との間の距離を計測する機能を備え、前記制御装置は、前記投光器によって計測された距離に基づいて前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の管内検査システム。
前記無人航空機は、機体速度に鉛直方向成分を発生させる第一手段と、無人航空機に回転モーメントを与えることなく機体速度に水平方向成分を発生させる第二手段と、を備え、前記制御装置は、前記第一手段及び前記第二手段の動作を制御することによって前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の管内検査システム。
前記第一手段及び前記第二手段は、プロペラ又は流体ノズルにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載の管内検査システム。
前記第一手段には、下方向への発生気流を進行方向後方側に向ける案内板が設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の管内検査システム。
管内を観察する観察装置を備え、管内を飛行する無人航空機に設けられた受光板に向けて投光器からレーザ光を照射する照射ステップと、
前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする管内検査方法。
請求項１〜６のうち、いずれか１項に記載の管内検査システムを利用して管を製造するステップを含むことを特徴とする管の製造方法。
無人航空機に設けられた受光板に向けてレーザ光を照射する投光器と、
前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する位置制御装置と、
を備えることを特徴とする無人航空機の制御装置。
前記投光器は、前記受光板との間の距離を計測する機能を備え、前記位置制御装置は、前記投光器によって計測された距離に基づいて前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする請求項９に記載の無人航空機の制御装置。
前記無人航空機は、機体速度に鉛直方向成分を発生させる第一手段と、無人航空機に回転モーメントを与えることなく機体速度に水平方向成分を発生させる第二手段と、を備え、前記位置制御装置は、前記第一手段及び前記第二手段の動作を制御することによって前記無人航空機の位置を制御することを特徴とする請求項９又は１０に記載の無人航空機の制御装置。
前記第一手段及び前記第二手段は、プロペラ又は流体ノズルにより構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の無人航空機の制御装置。
無人航空機に設けられた受光板に向けて投光器からレーザ光を照射する照射ステップと、
前記受光板内の基準点と前記レーザ光の受光点との偏差を検出し、検出された偏差に基づいて前記受光点が前記基準点と一致するように前記無人航空機の位置を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする無人航空機の制御方法。
請求項１３に記載の無人航空機の制御方法を利用して無人航空機の位置を制御しながら設備を点検するステップを含むことを特徴とする設備の点検方法。