JP2021191667A - 無人移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】高所における点検作業等を無人移動体により簡易かつ安全に実施可能とする。【解決手段】構造物の外周面を取り囲み、該構造物により移動方向が制限されることで、該構造物の外面に沿ってこれと略平行方向に移動する無人移動体により解決する。例えば、環状の枠体と、前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、を備え、前記枠体は前記構造物の外周面を取り囲むように前記構造物に装着され、前記構造物の外面に沿って昇降する無人移動体などが考えられる。【選択図】図４

Description

本発明は無人移動体技術に関する。

近年、小型の無人航空機を始めとし、様々な産業分野への無人移動体の応用が検討されている。

国際公開第２０１７／１８３２１９号 特開第２０１７−１７１０３２号公報 特開第２０１８−１４９９７３号公報

道路や橋梁、トンネル等のインフラ施設の老朽化、およびその保全にあたる技術者の減少問題が深刻化しており、有効な打開策の登場が望まれている。その一案として、例えば橋脚等の点検を無人航空機を用いて行うことが検討されているが、無人航空機は空中を移動するという性質上、その姿勢や位置を一定に維持することが難しく、十分な検査精度を得るためには高度な自律飛行機能や操縦スキルが必要になる。また、作業中に無人航空機が制御不能（いわゆるノーコン）に陥って飛去したときや、操縦ミス等により路上に墜落したときには、これが重大な事故につながるおそれがある。また、これを例えば壁面を這う無人移動体により行う場合でも、無人移動体が高所から落下したときの着地範囲を正確に予測することは容易ではない。

このような問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、高所における点検作業等を無人移動体により簡易かつ安全に実施可能とすることにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人移動体は、構造物の外周面を取り囲み、該構造物により移動方向が制限されることで、該構造物の外面に沿ってこれと略平行方向に移動することをその要旨とする。

無人移動体がその作業対象の構造物を取り囲み、構造物に沿ってこれと略平行方向に移動することにより、無人移動体が落下したときの着地範囲がその構造物の根元付近に限定される。これにより、落下事故発生時の被害を機体の破損や作業のやり直しという経済的損失の範疇に収めることが可能となる。

また、本発明の無人移動体は、環状の枠体と、前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、を備え、前記枠体は前記構造物の外周面を取り囲むように前記構造物に装着され、前記構造物の外面に沿って昇降することが好ましい。枠体が構造物を取り囲むことにより、その構造物によって昇降方向以外への無人移動体の移動を制限することができる。すなわち、無人移動体の飛去を防止しつつ、空中を移動可能というその長所のみを利用することが可能となる。また、構造物によって無人移動体の移動方向が制限されることにより、無人移動体を拘束なく自由に飛行させるときよりもその位置や姿勢を安定させやすくなる。

また、本発明の無人移動体は、環状の枠体と、前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、複数の高度センサと、前記複数の高度センサの検出値に基づいて前記各ロータの回転数を制御するコントローラと、を備え、前記枠体は、前記複数のロータの相対位置の変化を該枠体の変形により所定量まで許容するものであってもよい。環状の枠体は、その環（わ）が大きくなるほど飛行中にその形状を維持することが困難となる。小型マルチコプター用の一般的なフライトコントローラは、その内部にＩＭＵ（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）が搭載され、自身の姿勢を機体の姿勢と見なして各ロータの回転数を調節する。飛行中に機体（本発明でいう枠体）が歪むと、フライトコントローラが認識する機体の姿勢と実際の姿勢とがずれ、飛行動作に異常が生じる。一方、機体の歪みを高剛性の材料や構造によって防ぐ場合、機体の重量が著しく大きくなる。そこで本発明では、枠体のしなりや歪み（変形）をあえて許容し、複数の高度センサによって枠体の各部や各ロータの高度（対地高度または気圧高度）を把握することで、軽量かつ低剛性の枠体を用いつつ大きな構造物に対応することを可能としている。また、一般的なフライトコントローラはその制御の仕組み上、機体の中心に配置されることが望ましい。一方、本発明の枠体は環状であり枠体の中心には構造物が存在する。この場合でも、複数の高度センサを用いることにより、機体の中心から離れた位置にフライトコントローラが配置されることのデメリットが軽減される。

また、本発明の無人移動体は、環状の枠体と、前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、複数の高度センサと、前記高度センサの検出値に基づいて前記ロータの回転数を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは前記ロータごとに又は前記高度センサごとに設けられ、前記枠体は、前記複数のロータの相対位置の変化を該枠体の変形により所定量まで許容するものであってもよい。

また、前記複数の高度センサは、前記コントローラ内またはその近傍と、いずれかの前記ロータの近傍と、に配置されることが好ましい。このとき、前記複数の高度センサは、前記コントローラ内またはその近傍と、前記コントローラから最も離れた位置にある前記ロータの近傍と、に配置されてもよい。これにより必要最小限の高度センサ数で枠体の各部や各ロータの実際の高度を推測することが可能となる。

また、前記複数の高度センサは、前記各ロータのそれぞれの近傍に配置されてもよい。各ロータそれぞれの高度を個別の高度センサで測定することにより、各ロータの高度をより正確に特定することができるとともに、ロータ数の変更、つまり枠体のサイズ変更をより柔軟に行うことが可能となる。このとき、前記複数の高度センサは、前記枠体の環方向に沿ってその全周に分散するように配置されてもよい。

また、前記複数の高度センサは気圧高度センサを含んでもよい。例えばレーザー（赤外線含む）やレーダー、超音波、視差等を用いた指向性距離センサを枠体に固定した場合、枠体が大きく歪んだときにはその測定方向にも影響がでる。一方、気圧高度センサには指向性がないため、枠体が歪んでもその影響を受けにくい。当然これらを組み合わせて使用してもよい。

また、本発明の無人移動体は、前記複数のロータの動力源である複数のバッテリーを有し、前記複数のバッテリーが、前記枠体の環方向に沿ってその全周に分散するように配置される構成としてもよい。一般的な小型マルチコプターは、バッテリー重量が機体全体の重量に占める割合が大きく（２０％〜３０％）、バッテリーの配置は機体の重量バランスに大きく影響する。また、枠体が大型化するとバッテリーのケーブル重量も無視できないものとなる。バッテリーを枠体の環方向に沿って分散配置することにより、機体の重心の偏りやバッテリーケーブルの重量を軽減することができる。

このとき、前記複数のロータは前記枠体から延びる複数のアームにそれぞれ支持され、前記複数のバッテリーはそれぞれ前記アームのいずれかに固定されることが好ましい。さらには、前記各バッテリーはいずれかの前記ロータの真下に配置されることが好ましい。アームに支持されたロータとバッテリーとが離れた位置に置かれると、ロータを駆動するモータの振動がロータとバッテリーとの間（アーム）で増幅され、これに枠体が共振するおそれがある。ロータとバッテリーとを極力近くに配置することで振動の増幅が抑えられ、枠体の共振を防ぐことができる。

また、本発明の無人移動体は、前記各ロータが水平方向にそれぞれ１ｍ以上離れていてもよい。さらには、前記各ロータは水平方向にそれぞれ２ｍ以上離れていてもよい。本発明によれば、枠体が大型化した場合でも、高所における構造物の点検作業等を簡易かつ安全に実施することができる。

また、本発明の無人移動体は、前記枠体が、前記構造物側に突き出した車輪を有することが好ましい。枠体に車輪が設けられることにより、枠体が構造物に引っかかることが避けられ、枠体をスムーズに移動させることが可能となる。また、車輪が構造物側に突き出す量を適宜調節することにより、枠体の水平面上の位置の乱れを防ぐこともできる。

また、本発明の無人移動体は、前記枠体が、炭素繊維強化プラスチック製のパイプ材が矩形状に組み立てられることにより構成され、前記各ロータが前記枠体の四隅に接続される構成であってもよい。

また、本発明の無人移動体は、前記構造物に対してその外周面を取り囲むように装着される環状の枠体と、前記枠体から前記構造物側に突き出した複数の車輪と、を備え、前記車輪により前記構造物の外面に沿って昇降する構成としてもよい。

このとき、前記枠体は平面視多角形状に形成され、前記枠体の各辺に相当する部材の少なくとも一部が弾性部材によりその辺に沿う方向に伸縮可能であり、前記弾性部材の復元力がその辺を短くする方向に作用する構成としてもよい。これにより車輪が構造物に押しつけられ、車輪による昇降動作が安定する。

またこのとき、本発明の無人移動体は、前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータをさらに備えてもよい。車輪（駆動輪）とロータを併用することにより、無人移動体の昇降動作をより安定して行うことができ、また駆動部が冗長化されることで故障時の安全性が高められる。

また、上記課題を解決するため、本発明の無人移動体は、空中に架け渡された線状部材の外周面を取り囲み、該線状部材により移動方向が制限されることで、該線状部材の架設方向に沿ってこれと略平行方向に飛行することをその要旨とする。

無人移動体が空中に架け渡された線状部材を取り囲み、線状部材に沿ってこれと略平行方向に飛行することにより、無人移動体の飛去が線状部材で阻止されるとともに、無人移動体の墜落を防止することができる。すなわち、無人移動体の事故リスクをコントロール下におきつつ、空中を移動可能というその長所のみを利用することが可能となる。これにより高所における線状部材の点検作業等を簡易かつ安全に実施することが可能となる。

以上のように、本発明の無人移動体によれば、高所における点検作業等を簡易かつ安全に実施することが可能となる。

実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す斜視図である。 マルチコプターの平面図である。 バッテリーのその他の配置例を示す図である。 マルチコプターを用いた構造物点検の様子を示す模式図である。 枠体における高度センサの配置パターンを示す模式図である。 図５（ａ）のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 図５（ｂ）のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 図５（ｂ）のマルチコプターの機能構成の変形例を示すブロック図である。 図５（ｃ）のマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。 ロータごとにフライトコントローラを設けた例を示す平面図である。 枠体の環内に車輪を取り付けた例を示す平面図である マルチコプターの有線給電構造の例を示す模式図である。 マルチコプターの有線給電構造の他の例を示す模式図である。 枠体の変形例を示す模式図である。 構造物を取り囲むワイヤーを備えるマルチコプターの例である。 鉄塔に架設された送電線の点検作業を行うマルチコプターの例である。 本発明の無人移動体の他の実施形態を示す平面図である。 図１７の無人移動体の機能構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下に説明する実施形態は、複数のロータを備える無人航空機（無人移動体）であるマルチコプター１０を用いて構造物Ｃの点検作業を行う例である。なお、以下の説明における「上」および「下」とは、各図に描かれた座標軸のＺ軸に平行な方向であり、Ｚ１側を上、Ｚ２側を下とする。また「水平」「水平面」とは同座標軸におけるＸ−Ｙ平面をいい、「水平方向」とはＸ−Ｙ平面方向をいう。また、マルチコプター１０や構造物Ｃについて「周方向」とは、これらを平面視したときのその時計回りまたは反時計回り方向をいう。

［構成概要］
図１は、本実施形態にかかるマルチコプター１０の外観を示す斜視図である。図２はマルチコプター１０の外観を示す平面図である。

マルチコプター１０は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics：炭素繊維強化プラスチック）製のパイプ材３１が平面視矩形状（正方形）に組み立てられた環状の枠体３０を有している。枠体３０はマルチコプター１０のボディフレームである。枠体３０の一辺の長さは２．７ｍであり、各辺は２本のパイプ材３１がＩ字ジョイント３２で直線状に結合されることで構成されている。枠体３０の各辺はＬ字ジョイント３３で結合されており、Ｌ字ジョイント３３は枠体３０の四隅の角部を構成している。Ｉ字ジョイント３２およびＬ字ジョイント３３は、ＣＦＲＰ製の板材、およびアルミ製のパイプホルダや支柱等が組み合わされた継手部である。

各Ｌ字ジョイント３３にはさらに、水平回転翼であるロータ４０を支持するアーム３４が接続されている。アーム３４は枠体３０の四隅から放射状に延びており、各ロータ４０はアーム３４の先端に取り付けられたアルミ製のモータマウントに固定されている。すなわち本形態のマルチコプター１０は４基のロータ４０を備えるクアッドコプターである。また、各アーム３４の先端付近には、アーム３４から下方に延びる棒状体であるランディングスタンド３５が結合されている。アーム３４およびランディングスタンド３５も主にＣＦＲＰ製のパイプ材からなる部材である。

［使用態様］
図４は、マルチコプター１０を用いた構造物点検の様子を示す模式図である。図４の構造物Ｃは、例えば道路橋の橋脚などの四角柱形状の構造物である。

マルチコプター１０は、その枠体３０が構造部Ｃの外周面を取り囲むように装着される。そして、ロータ４０を駆動することにより構造物Ｃの外面に沿って昇降する。枠体３０を構造部Ｃに装着する際には、枠体３０の一辺を枠体３０から取り外し、構造物Ｃをその環内に納めてから再度その一辺を取り付ければよい。または、運搬時や保管時に分解された枠体３０を、現場において構造物Ｃを取り囲むように組み立てればよい。

マルチコプター１０に搭載される外部装置９０は特に限定されず、本形態においては構造物Ｃの保全（点検・検査や補修等）に関する装置であればどのような装置であってもよい。本形態の外部装置９０としては、例えばカメラや打音検査装置、超音波や電磁波による探査・探傷装置、構造物Ｃの損傷を補修する装置、塗料や薬剤等の塗布装置などが考えられる。

本形態では、マルチコプター１０の枠体３０が構造物Ｃを取り囲んでいることにより、作業中にマルチコプター１０が制御不能に陥った場合でもマルチコプター１０の飛去が防止される。また、作業中にマルチコプター１０が墜落した場合でも、その被害を機体の破損や作業のやり直しという経済的損失の範疇に収めることができる。なお、作業中に枠体３０が断裂した場合、各ロータ４０の協働が失われてマルチコプター１０はただちに墜落するため、この場合でもマルチコプター１０が飛去することはない。すなわち本形態では、マルチコプター１０による事故リスクを完全にコントロール下におきつつ、空中を移動可能というその長所のみを利用することができる。また、構造物Ｃによってマルチコプター１０の移動方向が制限されていることにより、マルチコプター１０を拘束なく自由に飛行させるときよりもその位置や姿勢を安定させやすくなっている。

ここで、例えば電力線や信号線、またはワイヤーなどのテザーで固定物に係留された無人航空機（いわゆるテザードローン）は、テザーによって移動範囲が制限されるものの、その固定物を中心とする半球範囲内を自由に飛行することができる。つまり、構造物Ｃの高さが数十メートルある場合には、半径数十メートルの半球範囲を自由に移動できるということである。そのため、テザードローンによる高所作業の事故リスクを完全にコントロールするためには、固定物を中心とする広い範囲にわたって安全策を講じる必要があり、周到な準備が求められる。一方、本形態のマルチコプター１０は、構造物Ｃの外面に沿ってこれとほぼ平行方向にしか移動できず、墜落したとしても構造物Ｃの根元付近に落下する。そのため事故リスクのコントロールが容易である。

［姿勢制御機能］
図５は枠体３０への高度センサの配置パターンを示す模式図である。図６−９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。以下、図５−９を参照してマルチコプター１０の姿勢制御機能について説明する。

本形態のマルチコプター１０が備える枠体３０は、その剛性のみによっては飛行中の各ロータ４０の相対位置を一定に維持することができない。例えば枠体３０の角に配置されたロータ４０の一つを手で持ち上げると、その角の隣辺部分が反るようにたわみ、枠体３０の形状に歪みが生じる。すなわち、枠体３０は、複数のロータ４０の相対位置の変化を枠体３０の変形により所定量まで許容する。小型マルチコプター用の一般的なフライトコントローラは、その内部にＩＭＵが搭載され、自身の姿勢を機体の姿勢と見なして各ロータの回転数を調節する。飛行中に機体が歪むと、フライトコントローラが認識する機体の姿勢と実際の姿勢とにずれが生じる。そのため、仮に本形態のマルチコプター１０を一般的なフライトコントローラで飛行させると、枠体３０がハンチング様の異常動作（バタつき）を生じる。特に、枠体３０のフライトコントローラＦＣから最も離れた部分、つまりフライトコントローラＦＣが認識する枠体３０の姿勢と実際の枠体３０の姿勢とのずれが最も大きくなる部分でこのような症状が顕著となる。

本形態のような環状の枠体３０は、その一辺の長さが長くなるほど飛行中にその形状を維持することが困難となる。一方、枠体３０の歪みを高剛性の材料や構造によって防ごうとする場合、枠体３０の重量が著しく大きくなるという弊害がある。そこで本形態では、枠体３０の歪みをあえて許容し、複数の高度センサによって枠体３０の各部や各ロータ４０の高度（対地高度または気圧高度）を特定または推測することで、軽量かつ低剛性の枠体３０を用いつつ大きな構造物Ｃに対応することを可能としている。

本形態のマルチコプター１０は構造物Ｃの外面に沿って主に昇降方向に移動できればよい。つまり枠体３０の姿勢制御に関しては、フライトコントローラＦＣは枠体３０を水平に維持することができればその役割をほぼ果たすことができる。複数の高度センサによって各ロータ４０の高度を測定・推測することができれば、フライトコントローラＦＣはこれらの高度を一致させることで枠体３０の水平を維持することができる。また、一般的なフライトコントローラはその制御の仕組み上、機体の中心に配置されることが望ましい。一方、本形態の枠体３０は環状であり、その中心には構造物Ｃが存在する。この場合でも、複数の高度センサを用いることにより、機体の中心から離れた位置にフライトコントローラＦＣが配置されることのデメリットが軽減される。

図５（ａ）のマルチコプター１０ａは、必要最小限の高度センサ数で枠体３０の水平を維持する構成の例である。詳細は後述するが、マルチコプター１０ａの枠体３０にはその四隅の一つにフライトコントローラＦＣが配置されている。このフライトコントローラＦＣには対地高度を測定するレーザ測距センサ２４１が付属している。フライトコントローラＦＣが配置された枠体３０の角部の対角にあたる部分、すなわちフライトコントローラＦＣから最も離れた部分には、フライトコントローラＦＣに付属するレーザ測距センサ２４１とは別のレーザ測距センサ２４２が配置されている。以下、このフライトコントローラＦＣとは別に配置されたレーザ測距センサ２４２のことを「他のレーザ測距センサ２４２」ともいう。

図６は、図５（ａ）のマルチコプター１０ａの機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１０ａの機能は、主に、制御部であるフライトコントローラＦＣ、他のレーザ測距センサ２４２、４基のロータ４０、ロータ４０に電力を供給するバッテリー５０、操縦者（オペレータ端末６１）と通信を行う通信装置６２、および外部装置９０により構成されている。

フライトコントローラＦＣは制御装置２０を有している。本形態の制御装置２０は、ＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置と、を有するコントローラである。制御装置２０は単体のマイクロコントローラには限られず、いわゆるコンパニオンコンピュータとの組み合わせであってもよい。その他、制御装置２０を例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などで構成することも考えられる。

フライトコントローラＦＣはさらに、ＩＭＵ２１、ＧＰＳ受信器２２、下方に向けられたレーザ測距センサ２４１、および電子コンパス２５を含む飛行制御センサ群Ｓを有しており、これらは制御装置２０に接続されている。上でも述べたように、フライトコントローラＦＣは枠体３０の四隅の一つに配置されており、その対角にあたる部分にはこれとは他のレーザ測距センサ２４２が配置されている。このレーザ測距センサ２４２も制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ２１はフライトコントローラＦＣの傾きを検出するセンサであり、主に３軸加速度センサおよび３軸角速度センサにより構成されている。レーザ測距センサ２４１は下方に照射したレーザーダイオードの反射光から対地高度を取得するセンサである。電子コンパス２５はフライトコントローラＦＣのヘディング（機首）の方位角を検出するセンサであり、主に３軸地磁気センサで構成されている。ＧＰＳ受信器２２は、正確には航法衛星システム（ＮＳＳ：Navigation Satellite System）の受信器である。ＧＰＳ受信器２２は、全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ:Global Navigation Satellite System）または地域航法衛星システム（ＲＮＳＳ:Regional Navigational Satellite System）から現在の経緯度値を取得する。フライトコンローラＦＣは、これら飛行制御センサ群Ｓにより、フライトコントローラＦＣの傾きや回転のほか、水平面上の位置（経緯度）、対地高度、および機首の方位角を含む位置情報を取得することができる。

制御装置２０は、マルチコプター１０ａ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ＦＳを有している。飛行制御プログラムＦＳは、飛行制御センサ群Ｓ、および他のレーザー測距センサ２４２から取得した情報を基に個々のロータ４０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１０ａを飛行させる。ロータ４０のプロペラは固定ピッチのプロペラであり、制御装置２０は、図示しないＥＳＣ（Electronic Speed Controller）を介して個々のロータ４０の回転数を調節することで枠体３０の姿勢や位置を制御する。

上でも述べたように、マルチコプター１０ａの枠体３０は各ロータ４０の相対位置が変化するとその形状が歪む。枠体３０の形状が歪むと、フライトコントローラＦＣがそのＩＭＵ２１により認識する枠体３０の姿勢と、実際の枠体３０の姿勢とにずれが生じることとなる。このずれが最も大きくなる部位に他のレーザー測距センサ２４２を配置し、その部位の実際の高度を取得することで、フライトコントローラＦＣはその認識のずれを計算によって補正することが可能となる。これによりフライトコントローラＦＣは枠体３０の歪みを修復し、枠体３０の水平を維持する。

また、制御装置２０はさらに、マルチコプター１０ａを自動的に飛行させるプログラムである自律飛行プログラムＡＰを有している。そして、制御装置２０には、マルチコプター１０ａを昇降させる高度やその移動速度、停止位置、停止時間などが指定されたパラメータである飛行計画ＦＰが登録されている。自律飛行プログラムＡＰは、オペレータ端末６１からの指示を開始条件として、飛行計画ＦＰに従ってマルチコプター１０ａを自律的に飛行させることができる。なお、通信装置６２に３ＧやＬＴＥ、５Ｇモジュールを搭載することで、遠隔地からマルチコプター１０ａを操作することも可能である。

図５（ｂ）のマルチコプター１０ｂは、枠体３０の水平をより正確に維持可能な構成の例である。図７は、図５（ｂ）のマルチコプター１０ｂの機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、マルチコプター１０ａの各構成と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５（ｂ）に示すように、マルチコプター１０ｂでは、枠体３０における各ロータ４０の近傍にそれぞれレーザ測距センサ２４２が配置されている。各ロータ４０の高度を個別のレーザ測距センサ２４２で測定することにより、これらロータ４０の高度をより正確に特定することができる。さらには、ロータ４０の数の変更、つまり枠体３０のサイズ変更をより柔軟に行うことが可能となる。また、マルチコプター１０ｂのフライトコントローラＦＣにはレーザ測距センサ２４１ではなく気圧高度センサ２３１が内蔵されているが、飛行制御プログラムＦＳによる姿勢制御は主にレーザ測距センサ２４２の出力値に基づいて行われ、気圧高度センサ２３１の出力値は補助的に用いられるにすぎない。なお、レーザ測距センサ２４２は各ロータ４０の真下に配置されてもよい。

図８は、マルチコプター１０ｂの機能構成の変形例である。図１１は枠体３０の環内に車輪３６を取り付けた例を示す平面図である。上でも述べたように、本形態のマルチコプター１０は構造物Ｃの外面に沿って主に昇降方向に移動するものであり、枠体３０の姿勢制御に関しては、フライトコントローラＦＣは枠体３０を水平に維持できれば足りる。そして、図１１に示す例のように、構造物Ｃ側に突き出した車輪３６をマルチコプター１０ｂの枠体３０に設けることで、マルチコプター１０ｂの昇降時に枠体３０が構造物Ｃに引っかかることが防止される。これに加え、車輪３６が構造物Ｃ側に突き出す量を調節して枠体３０が水平方向に揺動する余地をなくすことで、枠体３０の水平面上の位置の乱れを防ぐこともできる。

上記のような構成とすることにより、フライトコントローラＦＣの機能を簡略化することができる。具体的には、枠体３０の姿勢および高度をレーザ測距センサ２４２の出力値に基づいて制御し、水平面上の位置や機首方向を構造物Ｃで拘束することにより、フライトコントローラＦＣの飛行制御センサ群Ｓを省略することができる。また、マルチコプター１０ｂは限られた範囲内を上下に移動するにすぎないため、自律飛行プログラムＡＰを省略することも比較的容易であると考えられる。また、橋脚のような構造物の近くではＧＰＳによる測位精度が低下するという課題がある。この変形例のマルチコプター１０ｂによれば、枠体３０の水平面上の位置をＧＰＳによらずに安定させることができる。

図５（ｃ）のマルチコプター１０ｃは、姿勢の水平維持に気圧高度センサを用いる構成の例である。図９は、図５（ｃ）のマルチコプター１０ｃの機能構成を示すブロック図である。

図５（ｃ）に示すように、マルチコプター１０ｃのフライトコントローラＦＣには気圧高度センサ２３１が内蔵されている。そしてマルチコプター１０ｃの枠体３０には、フライトコントローラＦＣに内蔵された気圧高度センサ２３１とは別の気圧高度センサ２３２（以下、このフライトコントローラＦＣとは別に配置された気圧高度センサのことを「他の気圧高度センサ２３２」ともいう。）が枠体３０の環方向に沿って全周に分散するように配置されている。より具体的には、枠体３０の各辺の中心にフライトコントローラＦＣ（気圧高度センサ２３１）または他の気圧高度センサ２３２が配置されている。枠体３０の全周に気圧高度センサ２３１，２３２が分散配置されていることにより、枠体３０の各部の高度をより正確に特定できるとともに、ロータ４０の数の変更、つまり枠体３０のサイズ変更をより柔軟に行うことが可能とされている。

例えばレーザ測距センサや、深度センサ、ミリ波レーダー、超音波測距センサ、ステレオカメラ等、指向性の測距センサを枠体３０に固定した場合、気圧高度センサ２３１，２３２よりも正確な高度（対地高度）を測定可能である一方、枠体３０が大きく歪んだときにはその測定精度にも影響がでる。一方、気圧高度センサ２３１，２３２には指向性がなく、枠体３０が歪んでもその影響を受けにくい。また、気圧高度センサ２３１，２３２には地表との距離の制限（計測可能距離）がないという利点もある。マルチコプター１０ｂのように指向性の測距センサと気圧高度センサとを組み合わせて使用することも有意である。

図１０は、ロータ４０ごとに設けられた複数のレーザ測距センサ２４２に加え、さらにロータ４０ごとにフライトコントローラＦＣを設けた例を示す平面図である。図１０のマルチコプター１０ｄでは、枠体３０の四隅においてロータ４０、フライトコントローラＦＣ、レーザ測距センサ２４２、通信装置６２、及びバッテリー５０がユニット化されている。これらユニットはオペレータ端末６１から送信された操縦信号をそれぞれが受信し、それぞれが独立してロータ４０を駆動する。図１０のフライトコントローラＦＣは図８に示すものよりもその役割が単純化されており、オペレータ端末６１からの指示に従いそのペアとなるロータ４０の高度を調節する。

一般に流通するマルチコプターは、そのロータの配置構成や飛行中の内界／外界情報が一基のフライトコントローラに集約され、そのフライトコントローラが全てのロータを一元的に制御することで操縦信号に応じた飛行動作を実現する。このような構成では当然、フライトコントローラと各機器は信号線や電力線で接続される。一方、マルチコプター１０ｄではフライトコントローラＦＣがロータ４０ごとに設けられ、ロータ４０の駆動に必要となる周辺装置もロータ４０ごとにユニット化されている。そのため枠体３０を構成するパイプ材３１に信号線や電力線を通す必要がない。これにより枠体３０の各辺を構成する部材の自由度が高められ、また、ロータ４０の数の増減や枠体３０の変形をより柔軟に行うことが可能となる。

なお、例えば枠体３０の四隅がそれぞれ多重化されたロータ４０で支持されている場合など、一つのフライトコントローラＦＣで複数のロータ４０を同時にかつ同様に駆動する場合には、四隅の高度を測定するレーザ測距センサ２４２ごとにフライトコントローラＦＣを設けることも考えられる。また、図１０の例ではロータ４０の制御に必要となるフライトコントローラＦＣ、レーザ測距センサ２４１、通信装置６２、及びバッテリー５０の全てがユニット化されているが、フライトコントローラＦＣをロータ４０ごとに、又はレーザ測距センサ２４２ごとに設けるだけでも上記効果の少なくとも一部は得ることができる。

［電力供給構造］
図２に示すように、本形態のマルチコプター１０は各ロータ４０の近傍にそれぞれのバッテリー５０が配置されている。より具体的には、各バッテリー５０は枠体３０のＬ字ジョイント３３に固定されている。本形態のマルチコプター１０はそのボディフレームである枠体３０が軽量・低剛性であり、バッテリー５０の重量が機体全体の重量に占める割合が大きくなっている。そのためバッテリー５０の配置は機体の重量バランスや枠体３０の歪み方に大きく影響する。また、本形態の枠体３０はその一辺が２．７ｍあり、ロータ４０がバッテリー５０から離れて配置されるとバッテリーケーブルの重量も無視できないものとなる。そこで本形態では、各ロータ４０の近傍にバッテリー５０を分散配置することで機体の重心の偏りを防ぎ、また、バッテリーケーブルの重量を軽減している。

図３はバッテリー５０のその他の配置例を示す図である。ロータ４０とバッテリー５０とが離れて配置された場合、ロータ４０を駆動するモータの振動がロータ４０とバッテリー５０との間（アーム３４）で増幅され、枠体３０がこれに共振するおそれがある。例えばロータ４０を支持するアーム３４にバッテリー５０を固定したり、さらにはロータ４０の真下にバッテリー５０を配置したりするなど、バッテリー５０を極力ロータ４０の近くに配置することで、振動の増幅を抑え、枠体３０の共振を防ぐことができる。

図１２および図１３は、バッテリー５０によらないマルチコプター１０の給電構造の例を示す模式図である。例えば図１２のように、地上に設置された電力源９５とマルチコプター１０とを電力線９６で接続し、地上からマルチコプター１０に電力を供給してもよい。電力源９５として例えば大容量の電源や発電機を採用すれば、マルチコプター１０による長時間の連続作業が可能となる。また、図１３の例のように構造部Ｃの上から電力線９６を吊り下げることができれば、マルチコプター１０が支持する電力線９６の重量が減り、各ロータ４０の負担が軽減される。つまり、より重い外部装置９０を搭載することが可能となる。

またマルチコプター１０は、枠体３０の歪みをあえて許容し、複数の高度センサによって枠体３０の水平を維持することで大きな構造物Ｃに対応しているが、例えば枠体３０の歪みを高剛性の材料や構造によって防ぐとともに、ロータ４０をそれ相応の高出力のロータ４０に替え、連続作業時間の課題を上述の有線給電方式で解消させることも考えられる。

また、これまでの例は構造物Ｃとして道路橋の橋脚などを想定したものである。橋脚の上には桁や床版があり、マルチコプター１０の上方への移動範囲はこれにより制限される。例えば構造物Ｃが橋脚ではなく道路トンネルの換気塔のように天井面のない構造物である場合、図１３に示されるように、マルチコプター１０をウインチ９３のワイヤー９４等で係留することが望ましい。

［他の実施形態および変形例］
図１４は枠体３０の変形例を示す模式図である。上記実施形態の枠体３０は一辺が２．７ｍの正方形の枠体であるが、本発明の枠体の形状は正方形等の矩形状には限られない。本発明の枠体は、構造物の外周面を取り囲むものであればその形状は限定されず、例えば円形や楕円形（図１４(ａ)）、他の多角形（図１４（ｂ）（ｃ））であってもよく、その他、構造物の複雑な形状に合わせた任意の形状としてもよい。

さらに、本形態の無人航空機は、構造物の外周面を取り囲み、該構造物により移動方向が制限されることで、該構造物の外面に沿ってこれと略平行方向に飛行するものであればよく、構造物の外周面を取り囲むものは必ずしも硬質の枠体３０には限られない。図１５は、構造物Ｃを取り囲むワイヤー９２を備えるマルチコプター１１の例である。マルチコプター１１は図１４（ｃ）の枠体３０ｃを採用し、３基のロータ４０を備えるトライコプターである。マルチコプター１１はマルチコプター１０のように複数の高度センサを備えず一般的なフライトコントローラで飛行する。なおマルチコプター１１は一般的なクアッドコプターであってもよい。

マルチコプター１１は、ワイヤー９２がその作業対象の構造物Ｃを取り囲んでいることにより、作業中にマルチコプター１１が制御不能に陥った場合でもマルチコプター１１の飛去が防止される。また、作業中にマルチコプター１１が墜落した場合でもその被害を機体の破損や作業のやり直しという経済的損失の範疇に収めることが可能とされている。これによりマルチコプター１１の事故リスクをコントロール下におきつつ、空中を移動可能というその長所のみを利用することができる。

なお、作業中にワイヤー９２が断線した場合にはマルチコプター１１が飛去するおそれがあるため、ワイヤー９２自体の強度やマルチコプター１１との接続部の強度には注意が必要である。また、構造物Ｃの表面がなめらかでないときは、ワイヤー９２が構造物Ｃに引っ掛かることを防ぐ何らかの対策をとる必要がある。例えば、ワイヤー９２のうち構造物Ｃの角部に対応する部分にローラーを設けたり、ワイヤー９２を他のワイヤー等で上方に吊り上げたりすることが考えられる。

図１６は、鉄塔に架設された送電線Ｌの点検作業を行うマルチコプター１２の例である。上記実施形態におけるマルチコプター１０は、フレームボディである枠体３０で構造物Ｃを取り囲み、これによりマルチコプター１０の飛去等を防止する。かかる思想は構造物Ｃの保全のみでなく、例えば鉄塔に支持された送電線Ｌなど、空中に架け渡された線状部材の保全にも応用することができる。

マルチコプター１２は４基のロータ４０を備えるクアッドコプターであり、送電線Ｌの外周面を取り囲む環状の枠体３０ｄを備えている。マルチコプター１２はマルチコプター１０のように複数の高度センサは備えておらず一般的なフライトコントローラで飛行する。マルチコプター１２は送電線Ｌにより移動方向が制限されることで、送電線Ｌの架設方向に沿ってこれと略平行方向に飛行する。

本実施形態では枠体３０ｄで送電線Ｌを取り囲むことによりマルチコプター１２の飛去が阻止されるとともに、マルチコプター１２の墜落が防止される。すなわち、マルチコプター１２の事故リスクをコントロール下におきつつ、空中を移動可能というその長所のみを利用することが可能となる。これにより高所における線状部材の点検作業等を簡易かつ安全に実施することが可能となる。

図１７は本発明の無人移動体の他の実施形態である壁面走行ロボット１３を示す平面図である。図１８は壁面走行ロボット１３の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態の各構成と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本形態の壁面走行ロボット１３は、構造物Ｃに装着される枠体３０と、枠体３０から構造物Ｃ側に突き出した複数の車輪３７と、を備えている。壁面走行ロボット１３はロータ４０を備えず、モータによって駆動する車輪３７により構造物Ｃの壁面に沿って昇降する。壁面走行ロボット１３の制御装置２０は各車輪３７の動作を制御する走行制御プログラムＤＳを有している。制御装置２０はオペレータ端末６１からの指示に従い、枠体３０の各辺に配置されたレーザ測距センサ２４２の出力値に基づいて、枠体３０の水平を維持しながら壁面走行ロボット１３を昇降させる。また本形態の壁面走行ロボット１３は、車輪３７で構造物Ｃの角を捉えるように、車輪３７が枠体３０の四隅に寄せて配置されている。

また、枠体３０の各辺には、その２本のパイプ材３１の間に伸縮部３８が設けられている。伸縮部３８には引張コイルばねが内蔵されており、伸縮部３８の内部ではこれらのパイプ材３１がそのコイルばねで連結されている。枠体３０が構造物Ｃに装着されることで各コイルばねは伸張し、これにより車輪３７が構造物Ｃに押しつけられる。なお伸縮部３８の構造は本形態のものには限られず、枠体の各辺に相当する部材の少なくとも一部が弾性部材によりその辺に沿う方向に伸縮可能であり、弾性部材の復元力がその辺を短くする方向に作用していればよく、例えば枠体３０の車輪３７が配置された四隅部分のみを硬質の部材で構成し、その他の部分をゴム材などの弾性部材で構成することも考えられる。

また、壁面走行ロボット１３に上記実施形態のロータ４０を組み合わせてもよい。このときの壁面走行ロボット１３の外観はおおむね図１１に示すようなものとなる。駆動輪である車輪３７とロータ４０とを併用することにより、壁面走行ロボット１３の昇降動作をより安定して行うことができ、また駆動部が冗長化されることで故障時の安全性が高められる。なお車輪３７に組み合わせられるロータは上記実施形態のロータ４０と同一物である必要はなく、例えば、車輪３７を構造物Ｃに押しつける方向に推力を生じさせるロータや、常時定出力で回転するロータ、壁面走行ロボット１３の上昇時にのみ駆動されるロータ、車輪３７の駆動力が不足したときにのみ駆動されるロータなどであってもよい。

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。

Ｃ：構造物，Ｌ：送電線，１０，１１，１２：マルチコプター（無人移動体），１３：壁面走行ロボット（無人移動体），ＦＣ：フライトコントローラ（コントローラ），２０：制御装置，ＦＳ：飛行制御プログラム，ＡＰ：自律飛行プログラム，ＦＰ：飛行計画，ＤＳ：走行制御プログラム，Ｓ：飛行制御センサ群，２１：ＩＭＵ，２２：ＧＰＳ受信器，２３：気圧高度センサ（高度センサ），２４：レーザ測距センサ（高度センサ），２５：電子コンパス，３０：枠体，３１：パイプ材，３２：Ｉ字ジョイント，３３：Ｌ字ジョイント，３４：アーム，３５：ランディングスタンド，３６：車輪，３７：車輪，３８：伸縮部，４０：ロータ，５０：バッテリー，６１：オペレータ端末，６２：通信装置，９０：外部装置，９２：ワイヤー，９３：ウインチ，９４：ワイヤー，９５：電力源，９６：電力線

Claims (20)

1. 構造物の外周面を取り囲み、該構造物により移動方向が制限されることで、該構造物の外面に沿ってこれと略平行方向に移動する無人移動体。
2. 環状の枠体と、
   前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、を備え、
   前記枠体は前記構造物の外周面を取り囲むように前記構造物に装着され、
   前記構造物の外面に沿って昇降することを特徴とする請求項１に記載の無人移動体。
3. 環状の枠体と、
   前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、
   複数の高度センサと、
   前記複数の高度センサの検出値に基づいて前記各ロータの回転数を制御するコントローラと、を備え、
   前記枠体は、前記複数のロータの相対位置の変化を該枠体の変形により所定量まで許容することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人移動体。
4. 環状の枠体と、
   前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータと、
   複数の高度センサと、
   前記高度センサの検出値に基づいて前記ロータの回転数を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは前記ロータごとに又は前記高度センサごとに設けられ、
   前記枠体は、前記複数のロータの相対位置の変化を該枠体の変形により所定量まで許容することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の無人移動体。
5. 前記複数の高度センサは、前記コントローラ内またはその近傍と、いずれかの前記ロータの近傍と、に配置されることを特徴とする請求項３に記載の無人移動体。
6. 前記複数の高度センサは、前記コントローラ内またはその近傍と、前記コントローラから最も離れた位置にある前記ロータの近傍と、に配置されることを特徴とする請求項５に記載の無人移動体。
7. 前記複数の高度センサは、前記各ロータのそれぞれの近傍に配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の無人移動体。
8. 前記複数の高度センサは、前記枠体の環方向に沿ってその全周に分散するように配置されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の無人移動体。
9. 前記複数の高度センサは気圧高度センサを含むことを特徴とする請求項３から請求項８のいずれか一項に記載の無人移動体。
10. 前記複数のロータの動力源である複数のバッテリーを有し、
    前記複数のバッテリーは、前記枠体の環方向に沿ってその全周に分散するように配置されることを特徴とする請求項２から請求項９のいずれか一項に記載の無人移動体。
11. 前記複数のロータは前記枠体から延びる複数のアームにそれぞれ支持され、
    前記複数のバッテリーはそれぞれ前記アームのいずれかに固定される請求項１０に記載の無人移動体。
12. 前記各バッテリーはいずれかの前記ロータの真下に配置される請求項１０または請求項１１に記載の無人移動体。
13. 前記各ロータは水平方向にそれぞれ１ｍ以上離れていることを特徴とする請求項２から請求項１２のいずれか一項に記載の無人移動体。
14. 前記各ロータは水平方向にそれぞれ２ｍ以上離れていることを特徴とする請求項１３に記載の無人移動体。
15. 前記枠体は、前記構造物側に突き出した車輪を有することを特徴とする請求項２から請求項１４のいずれか一項に記載の無人移動体。
16. 前記枠体は、炭素繊維強化プラスチック製のパイプ材が枠状に組み立てられることにより構成され、
    前記各ロータは前記枠体の四隅に接続されることを特徴とする請求項２から請求項１５のいずれか一項に記載の無人移動体。
17. 前記構造物に対してその外周面を取り囲むように装着される環状の枠体と、
    前記枠体から前記構造物側に突き出した複数の車輪と、を備え、
    前記車輪により前記構造物の外面に沿って昇降することを特徴とする請求項１に記載の無人移動体。
18. 前記枠体は平面視多角形状に形成され、
    前記枠体の各辺に相当する部材の少なくとも一部は、弾性部材によりその辺に沿う方向に伸縮可能であり、
    前記弾性部材の復元力はその辺を短くする方向に作用することを特徴とする請求項１７に記載の無人移動体。
19. 前記枠体に接続された複数の水平回転翼であるロータをさらに備えることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の無人移動体。
20. 空中に架け渡された線状部材の外周面を取り囲み、該線状部材により移動方向が制限されることで、該線状部材の架設方向に沿ってこれと略平行方向に飛行する無人移動体。

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