JP2022095292A - 無人航空機および無人航空機の操縦方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機を用いた構造物の点検作業について、その作業性や安全性を改善する。
【解決手段】水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、前記垂直ロータの垂直回転翼は可変ピッチプロペラであることを特徴とする無人航空機、及び、水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、前記垂直ロータの垂直回転翼が可変ピッチプロペラである無人航空機の操縦方法であって、前記垂直ロータのピッチ角をゼロ又は略ゼロにして空転させながら前記複数基の水平ロータによって機体を移動させる工程であるアイドリング工程を含むことを特徴とする無人航空機の操縦方法によりこれを解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は無人航空機技術に関する。

下記特許文献には構造物の天井面や壁面を点検する無人航空機が開示されている。

特開２０２０－１４７２３１号公報 特開２０１９－１３０９７４号公報

近年、構造物の点検作業にマルチコプター（無人航空機）を利用することが検討されている。マルチコプターは複数基のロータで機体の姿勢や移動を制御しており、ロータが構造物等に接触してその回転が妨げられた場合にはただちに墜落する。例えばトンネルの構内など、周囲が壁面で囲まれている環境では、わずかな操縦ミスや外乱、センシングエラーが墜落事故を引き起こす原因となる。

マルチコプターのような回転翼航空機は、ロータで空気を掻きながら空中を浮遊するというその性質上、地上に置かれる移動体に比べてその位置を安定させることが難しい。例えば構造物の検査装置をマルチコプターに搭載し、これを構造物の表面に沿って移動させるためには、極めて高度な操縦技術や高精度なセンサ類・制御プログラムが必要となる。アーチ形のトンネルの天井面など、検査面が傾斜面や曲面からなる場合はさらに難易度が高くなる。

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、無人航空機による構造物の点検作業について、その作業性や安全性を改善することにある。

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、前記垂直ロータの垂直回転翼は可変ピッチプロペラであることを特徴とする。このとき、前記垂直ロータはピッチ角を制御することで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用することが好ましい。

複数基の水平ロータとは別に垂直ロータを備え、これをプッシャー及びトラクターとして使用することにより、水平ロータを機体の水平維持と高度の維持に専念させ、機体を傾けることなくこれを進退させることが可能となる。また垂直ロータの垂直回転翼を可変ピッチプロペラとすることにより、垂直ロータの推力方向（推進／牽引）を瞬時に切り替えることが可能となり、外乱に対する機動性が高められる。

また、本発明の無人航空機は、前記水平ロータ及び前記垂直ロータの動作を制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、前記複数基の水平ロータによって機体を傾けて移動させる第１操舵モードと、前記複数基の水平ロータによって機体の水平と高度を維持しつつ、水平方向への移動には前記垂直ロータを使用する第２操舵モードと、を切替可能であることが好ましい。これは手動で行われてもよいが、予め設定された条件に従って自動的に切替可能とすることで、無人航空機による作業を自動化することもできる。

また、本発明の無人航空機は、構造物の天井面または壁面である作業面に接触させる接触部をさらに備え、前記垂直ロータは、前記作業面に対して平行方向に推力を生じさせることが好ましい。なおこのとき、前記接触部は車輪であることが好ましい。無人航空機の接触部を構造物に突き当てると、その構造物によって無人航空機の移動が一部制限される。これには外乱による機体の揺動を抑える効果もある。つまり接触部を構造物に突き当てると機体の位置はより安定する。この状態で水平ロータを機体の水平維持と高度の維持に専念させ、垂直ロータで機体を進退させることにより、作業面と機体との相対位置を保ちながら機体を安定して移動させることができる。

また、本発明の無人航空機は、外部機器を保持するマウント部と、前記マウント部を支持する支柱部と、前記外部装置の周囲に分散配置され、前記作業面側に向けられた複数の測距手段である押圧検知手段と、をさらに備え、前記接触部は前記マウント部または前記外部機器に設けられ、前記支柱部は、該支柱部をその長さ方向に伸縮可能とするサスペンション機構を有することが好ましい。外部機器を保持するマウント部を伸縮可能な支柱部で支持し、また、作業面側に向けられた複数の測距手段である押圧検知手段を備えることにより、構造物から接触部が剥離・脱落すること、及び構造物に対して接触部が過度に強く押し当てられることを防ぎ、外部装置と構造物表面との位置関係を安定させることができる。このとき、本発明の無人航空機は、前記作業面側に向けられたドップラーセンサをさらに備えてもよい。これにより作業面に対する無人航空機の移動量や移動速度をより正確に特定することが可能となる。

また、本発明の無人航空機は、側方に向けられたソリッドステート方式のライダ（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）である第１ライダ及び第２ライダと、上方または下方に向けられた測距手段である高度検知手段と、を備えることが好ましい。例えばトンネル内など、ＧＰＳ（ＧＮＳＳ）信号が届きにくい場所では、これに代わる位置検知手段が必要である。また、鉄骨が多用された構造物内など、地磁気を利用しにくい環境では、これに代わるヘディング（機首方向）特定手段が必要である。第１ライダ及び第２ライダで周辺物との距離とその形状を特定し、必要であればこれを構内地図情報等と照らし合わせることにより、構内における無人航空機の位置および向きを特定することができる。また第１ライダ及び第２ライダは、一般的なレーザ測距センサや超音波測距センサとは異なり、周辺物との距離だけでなくその立体形状も比較的広い範囲で取得可能であるため、例えば構造物表面の設置物や局所的な凹凸等を認識し、これをフィルタアウトすることができる。そしてソリッドステート方式のライダを複数基搭載することにより、例えば機体の前後・左右の壁面に対する安全位置をより安定して維持することが可能となる。

また、機首方向を前方とした場合に、前記第１ライダは機体の右側を走査する向きに配置され、前記第２ライダは機体の左側を走査する向きに配置されることが好ましい。例えばトンネルのような連続した通路を飛行する場合、安全確保のためには前後よりも左右の壁面との距離が重要となる。第１ライダに機体の右側を、第２ライダに機体の左側を走査させることにより、このような構造物内における作業をより安全に、より効率的に行うことが可能となる。

また、前記高度検知手段は、上方に向けられた第１測距手段と、下方に向けられた第２測距手段と、を有することが好ましい。天井面のある構造物内で無人航空機を飛行させるときには、対地高度だけでなく、天井面との距離にも注意を払う必要がある。

また、本発明の無人航空機は、気圧高度センサをさらに備え、前記高度検知手段の検出値と前記気圧高度センサの検出値とから上下方向における現在位置を算出することが好ましい。例えば高度検知手段にレーザ測距センサを用いる場合、レーザ測距センサは塵埃の多い場所や水濡れのある場所では検知精度が低下する。気圧値から海抜高度を特定する気圧高度センサをこれに組み合わせることにより、高度検知手段（測距手段）のノイズの特定が容易となり、無人航空機の上下方向の位置をより安定させることができる。

また、本発明の無人航空機はオプティカルフローセンサをさらに備えることが好ましい。例えばトンネル内など、ＧＰＳ（ＧＮＳＳ）信号が届きにくい場所では、これに代わる位置検知手段が必要である。オプティカルフローセンサを備えることにより、このような場所における機体の水平位置の変化を検知することができる。このとき、本発明の無人航空機は、前記オプティカルフローセンサの撮影対象を照らす照明手段をさらに備えることが好ましい。暗所におけるオプティカルフローセンサの検知精度を高めるためである。また、一般に、無人航空機に搭載されるオプティカルフローセンサは下方に向けられて地面や床面を撮影するが、例えば無人航空機の周囲に天井面や壁面が存在し、機体の下方に移動物・流動物がある環境においては、オプティカルフローセンサは上方に向けられてもよい。

また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機の操縦方法は、水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、前記垂直ロータの垂直回転翼が可変ピッチプロペラである無人航空機を用いたものであり、前記垂直ロータのピッチ角をゼロ又は略ゼロにして空転させながら前記複数基の水平ロータによって機体を移動させる工程であるアイドリング工程を含むことを特徴とする。

垂直ロータを始動してからこれが十分な揚力（推力）が得られる回転数に達するまでには多少の時間が必要となる。垂直ロータを実際に使用する前に予めこれを空転させておくことで、垂直ロータの使用をスムーズに開始することができる。

このとき、前記アイドリング工程は、予め設定された条件に従って、飛行中に自動的に開始されてもよい。垂直ロータを使用し始めるタイミングが予め分かっている場合には、そのタイミングに至る少し前から垂直ロータの空転を開始することで、垂直ロータの消費電力を抑えることができる。

以上のように、本発明によれば、無人航空機を用いた構造物の点検作業について、その作業性や安全性を改善することができる。

実施形態にかかるマルチコプターの斜視図である。 マルチコプターの右側面図である。 マルチコプターの平面図である。 ロータアームの折り畳み構造を示す部分平面図である。 支柱部及びマウント部の正面図である。 支柱部及びマウント部の左側面図である。 マルチコプターを用いて水路トンネルの天井面を点検する様子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。 水路トンネル内での各センサによるセンシングの様子を示す模式図である。 水路トンネルの点検作業を行う際のマルチコプター操縦方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態は、無人航空機であるマルチコプター１０を用いて水路トンネルの天井面の点検を行う例である。以下の説明における「上」及び「下」とは、各図に描かれた座標軸のＺ軸に平行な方向をいい、Ｚ１側を上、Ｚ２側を下とする。「前」及び「後ろ」とは、同座標軸のＸ軸に平行な方向をいい、Ｘ１側を前、Ｘ２側を後ろとする。「右」及び「左」とは、同座標軸のＹ軸に平行な方向をいい、Ｙ１側を右、Ｙ２側を左とする。「水平」とは、同座標軸におけるＸＹ平面に平行な面、又はその面方向をいう。

［構成概要］
図１から図３は、本形態にかかるマルチコプター１０の外観を示す図である。図１はマルチコプター１０の斜視図、図２はマルチコプター１０の右側面図、図３はマルチコプター１０の平面図である。図７は、マルチコプター１０を用いて水路トンネルの天井面である作業面９０を点検する様子を示す模式図である。

本形態のマルチコプター１０は、いわゆるヘキサコプタであり、水平回転翼を有するロータである６基の水平ロータ４１を備えている。マルチコプター１０の機体は、その中心部であるセンターフレーム１１、センターフレーム１１から平面視放射状に延びる６本の棒状部であるロータアーム１２、及び、センターフレーム１１の下に配置されたランディングギア（降着装置）であるスキッド１３により構成されている。本形態のセンターフレーム１１は、板面を上下に向け、上下に並べて配置された２枚のプレートが結合されてなり、その上面にはバッテリー１８が、これらプレートの間には後述する制御部を構成する制御装置２０等が配置されている。

６基の水平ロータ４１は各ロータアーム１２の先端にそれぞれ取り付けられている。水平ロータ４１は、モータの出力軸に固定ピッチプロペラが装着されたロータであり、マルチコプター１０は各水平ロータ４１の回転数を調節することで機体のローリング、ピッチング、及びヨーイングを制御し、機体（ロータの回転面）を傾けたときの水平方向への分力を利用して機体を水平方向へ移動させる。

本形態のマルチコプター１０はさらに、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータ４２を備えている。垂直ロータ４２はスキッド１３に固定されており、その回転中心線がマルチコプター１０の前後方向と重なる向きに配置されている。本形態の垂直ロータ４２は可変ピッチプロペラを有するロータである。垂直ロータ４２は、そのピッチ角を切り替えることで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用する。本形態のマルチコプター１０は、複数基の水平ロータ４１とは別に垂直ロータ４２を備え、これをプッシャー及びトラクターとして使用することにより、水平ロータ４１を機体の水平維持と高度の維持のみに専念させ、垂直ロータ４２により機体を傾けることなくこれを進退させることが可能とされている。また垂直ロータ４２のプロペラが可変ピッチプロペラであることにより、垂直ロータ４２の推力方向（推進／牽引）を瞬時に切り替えることができる。これにより外乱に対するマルチコプター１０の機動性が高められている。

マルチコプター１０は、その機体の上部に、水路トンネルの作業面９０を検査する外部機器である検査装置５３を支持している。検査装置５３は、その保持部材であるマウント部５０に載置されており、検査装置５３の上面部分に対向する構造物の表面を検査する。マウント部５０はセンターフレーム１１の上面に鉛直に立てられた４本の柱部である支柱部６０により支持されている。

マウント部５０は、検査装置５３の前後に配置された車輪である前輪５１及び後輪５２を有している。これら前輪５１及び後輪５２は本発明の接触部の一形態であり、水路トンネルの作業面９０に押し当てられ、作業面９０上を転動する。本形態の前輪５１は駆動源を有する一対の車輪であり、その回転中心線がマルチコプター１０の左右方向と重なる向きに配置されている。つまり前輪５１は前後方向へ回転する向きに配置されている。本形態の後輪５２は単輪の車輪である。後輪５２はサーボにより左右へ操舵（ステアリング）可能な操舵輪である。これら前輪５１及び後輪５２は検査装置５３よりも上方に張り出しており、これにより検査装置５３が作業面９０に直接接触することが防止され、作業面９０と検査装置５３との距離を一定に保つことができる。

また、前輪５１及び後輪５２を作業面９０に押し当てると、作業面９０によってマルチコプター１０の移動が一部制限される。これには外乱による機体の揺動を抑える効果もある。つまり前輪５１及び後輪５２を作業面９０に押し当てると機体の位置はより安定する。この状態で水平ロータ４１を機体の水平維持と高度の維持のみに専念させ、垂直ロータ４２の推力を用いて機体を作業面９０に対して平行方向に移動させることにより、点検作業中の検査装置５３の姿勢や、作業面９０と検査装置５３との相対位置を安定させることができる。なお機体の水平移動には前輪５１及び後輪５２を補助的に使用することもできる。

本形態のマルチコプター１０はヘキサコプタであるが、水平ロータ４１の数は６基には限られず、例えば水平ロータが４基のクアッドコプタ、８基のオクタコプタ、或いは３基のトライコプタなど、必要とされる揚力に応じて適宜変更可能である。また、本発明の接触部は前輪５１及び後輪５２には限られず、例えばボールキャスタや無限軌道、作業面９０の表面粗さ次第では摺動抵抗の少ないソリなどであってもよい。また接触部はマウント部５０でなく検査装置５３に設けられてもよい。また、検査装置５３の具体的な機能や目的、構成、使用方法等は特に限定されない。さらには、マウント部５０が保持する外部機器は検査装置５３にも限定されず、マウント部５０で保持可能な外部機器であればどのような機器であってもよい。またマウント部５０の形状や構造も本形態のような台座や枠体には限られず、その保持する外部機器の形状に応じて適宜変更可能である。マウント部５０は例えば単に支柱部６０と検査装置５３とを結合するアダプタ部材であってもよい。

［折り畳み構造］
図４はロータアーム１２の折り畳み構造を示す部分平面図である。以下、図１から図４を参照して、本形態のロータガード７０の構造と、これを含むロータアーム１２の折り畳み構造について説明する。

マルチコプター１０の各水平ロータ４１は、平面視時計回り又は反時計回りに隣接する水平ロータ４１とその出力軸の向きが互いに上下反対となるように取り付けられている。これにより各水平ロータ４１の回転面はその隣接する水平ロータ４１の回転面と上下方向における位置がずれ、例えば機体を小型化するためロータアーム１２を短くした場合でも、隣接する水平ロータ４１同士の干渉が避けられる。図３に示すように、本形態の水平ロータ４１も、これらを平面視したときに隣接する水平ロータ４１の回転面が一部重なるように配置されている。

マルチコプター１０は、各ロータアーム１２に支持された複数のロータガード７０を有している。ロータガード７０は、水平ロータ４１よりも側方に突き出し、水平ロータ４１が周辺物に接近したときにこれに先がけてその周辺物に突き当たることで水平ロータ４１が周辺物に接触することを阻止する保護具である。

本形態のロータガード７０は、ロータアーム１２に固定されるスライドポール７１と、その先端から平面視時計回り方向および反時計回り方向に分岐する枝状部である水平枝状部７２と、同先端から鉛直上方または鉛直下方に分岐する枝状部である垂直枝状部７３とにより構成されている。スライドポール７１、水平枝状部７２、及び垂直枝状部７３には同径の細い丸パイプ材が用いられている。スライドポール７１は、クランプ機構であるロータガードクランプ７９によりロータアーム１２に圧締されており、ロータガードクランプ７９を緩めることによりロータアーム１２の長さ方向に沿ってその位置を変更することができる。

図１及び図２に示すように、スライドポール７１は、水平ロータ４１がその出力軸を上に向けて支持されているロータアーム１２についてはロータアーム１２の下側に配置され、水平ロータ４１がその出力軸を下に向けて支持されているロータアーム１２についてはロータアーム１２の上側に配置されている。つまり、スライドポール７１及び水平枝状部７２は、その隣接するスライドポール７１及び水平枝状部７２と上下方向における位置がずれている。また、垂直枝状部７３は、水平ロータ４１がその出力軸を上に向けて支持されているロータアーム１２のロータガード７０では上方に延びており、水平ロータ４１がその出力軸を下に向けて支持されているロータアーム１２のロータガード７０では下方に延びている。つまり垂直枝状部７３は、その保護すべき水平ロータ４１を覆う方向に延びている。

また、図４に示すように、本形態のマルチコプター１０は、６本のロータアーム１２を機体前方側の３本、機体後方側の３本に分けたときに、機体の前後に延びるロータアーム１２である固定アーム１２ａの両隣のロータアーム１２である可動アーム１２ｂを、その隣接する固定アーム１２ａ側に向かって水平に旋回させることができる。また、本形態の水平ロータ４１が備えるプロペラはいわゆる折り畳み式プロペラ４１１である。

このように、本形態のマルチコプター１０は、ロータガード７０のスライドポール７１を機体の中心側にスライドさせることでロータガード７０を収納することができ、また、隣接するロータガード７０の水平枝状部７２の干渉を避けてロータアーム１２をコンパクトに折り畳むことができる。これにより機体の保管時や運搬時のスペース効率を高めることができ、また保管や運搬の都度ロータガード７０を取り外す手間も省かれる。なお、図４の例では２本の可動アーム１２ｂの水平枝状部７２同士が干渉するため、ロータアーム１２を折り畳む際には、可動アーム１２ｂのロータガード７０は、スライドポール７１を周方向に少し回して互いの水平枝状部７２の位置をずらして固定している。

［傾斜面・曲面追従構造］
図５及び図６は支柱部６０の構造を示す図である。図５は支柱部６０及びマウント部５０の正面図、図６は支柱部６０及びマウント部５０の左側面図である。以下、図５及び図６を参照して、マウント部５０の傾斜面・曲面追従構造について説明する。

上でも述べたように、検査装置５３を保持するマウント部５０は複数の支柱部６０により支持されている。支柱部６０は、内筒６１が外筒６２内に差し込まれた二重筒構造の伸縮可能な支持部材である。支柱部６０は、その基端部（下端部）がセンターフレーム１１の上面に固定され、その先端部がマウント部５０に接続されている。

本形態の支柱部６０は、ボールジョイント６３（球体軸受）と、サスペンション機構６４とを有している。ボールジョイント６３は、支柱部６０の先端部分６５を任意の方向へ屈折可能とする関節部である。本形態のサスペンション機構６４のクッション機能は、外筒６２内に収容された圧縮コイルばねにより実現されている。

本形態のマルチコプター１０は、検査装置５３を保持するマウント部５０を伸縮可能な支柱部６０で支持し、またボールジョイント６３によってマウント部５０の支持角度を変更可能とすることにより、機体を傾けることなく傾斜面や曲面に検査装置５３の向きを合わせることを可能としている。特に本形態の関節部には、支柱部６０の先端部分６５を任意の方向へ屈折可能とするボールジョイント６３が用いられており、これにより、検査装置５３の向きを様々な形状の作業面９０に対応させることができる。なお、ボールジョイント６３は例えばユニバーサルジョイント等でも代用できるものと考えられる。なお、マウント部５０を傾ける方向が前後または左右のどちらかであることが分かっているときには、支柱部６０の先端部分６５を所定の方向のみへ屈折可能とするヒンジ等で関節部を構成してもよい。

ここで、本形態のサスペンション機構６４の復元力は、支柱部６０を鉛直に立てたときに、検査装置５３及びマウント部５０（前輪５１及び後輪５２含む）の重量のみによって支柱部６０が一部圧縮される程度に調節されている。マウント部５０を作業面９０に押し当ててその角度を作業面９０の形状に合わせる場合、サスペンション機構６４の復元力が高いと、作業面９０に対してマウント部５０を強く押し当て続けることとなり、一部の水平ロータ４１の負荷が過大となる。本形態のマルチコプター１０は、支柱部６０が外力に対して容易に圧縮される程度にその復元力が調節されていることで、作業中の水平ロータ４１の負荷やエネルギー効率が改善されている。つまり本形態のマルチコプター１０によれば、航続時間（連続作業時間）をより長く確保することができる。なお、サスペンション機構６４の復元力は、検査装置５３及びマウント部５０の重量のみによってはかろうじて圧縮されない程度に調節されてもよい。

より具体的には、本形態の検査装置５３及びマウント部５０の重量は５ｋｇ前後であり、４本の支柱部６０のサスペンション機構６４（圧縮コイルばね）の合成ばね定数は３Ｎ／ｍｍ前後、これらサスペンション機構６４の復元力（弾性力）の合計値は、最大で２２０Ｎ前後である。また、支柱部６０の最大伸縮長は６０ｍｍ前後である。本形態のマルチコプター１０のような無人航空機を用いて構造物の天井面や壁面をエネルギー効率良く点検するためには、サスペンション機構６４の合成ばね定数は６Ｎ／ｍｍ以下とすることが望ましく、これらサスペンション機構６４の復元力の合計値は、最大で２２０Ｎ以下であることが望ましい。また、サスペンション機構６４に用いる圧縮コイルばねの許容たわみ量が少なくとも３０ｍｍ以上あれば、ある程度は傾斜面や曲面に対応することができる。

なお、本形態ではマウント部５０を４本の支柱部６０で支持することによりマウント部５０や検査装置５３の向きや姿勢を安定させているが、支柱部６０の本数は４本には限られず、例えば３本であってもよく、外部機器やマウント部の形状や重量バランスによっては２本にすることもできる。さらに、関節部に保持力・復元力をもたせることで１本の支柱部でマウント部を支持することも可能であると考えられる。

［センサ構成および制御機能］
図８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。図９は水路トンネル内での各センサによるセンシングの様子を示す模式図である。以下、主に図８及び図９を参照して、本形態のマルチコプター１０のセンサ構成および制御機能について説明する。

図８に示すように、本形態のマルチコプター１０の制御機能は、主に、制御部であるフライトコントローラ１４、水平ロータ４１、垂直ロータ４２、及び、操縦者（オペレータ端末１９）と通信を行う通信装置１５により構成されている。

フライトコントローラ１４はその中枢部である制御装置２０を有している。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を有するマイクロ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、これを例えば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１４はさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、下方に向けられたオプティカルフローセンサ３２、気圧高度センサ３３、上方に向けられた第１レーザ測距センサ３４、下方に向けられた第２レーザ測距センサ３５、右方向に向けられた第１ライダ３６、左方向に向けられた第２ライダ３７、上方に向けられたドップラーセンサ３８を含む飛行制御センサ群３０を有しており、これらは制御装置２０に接続されている。

ＩＭＵ３１はマルチコプター１０の機体の傾きを検知するセンサであり、主に３軸加速度センサ及び３軸角速度センサにより構成されている。

オプティカルフローセンサ３２は、連続して撮影した二枚以上の画像の状態変化から撮影対象の物体やカメラ自体の動きを検知するセンサである。例えば本形態の水路トンネルのようにＧＰＳ（ＧＮＳＳ）信号が届きにくい場所では、これに代わる位置検知手段が必要となる。オプティカルフローセンサ３２を備えることにより、このような場所でも機体の水平位置の変化を検知することができる。また、本形態のマルチコプター１０は、下方（オプティカルフローセンサ３２の撮影対象）を照らす４台のＬＥＤライト３２１を備えている（図１又は図２参照）。これにより暗所におけるオプティカルフローセンサ３２の検知精度が高められている。

また、無人航空機に搭載されるオプティカルフローセンサは、一般に、下方に向けられて機体直下の地面や床面を撮影するが、本形態のようにマルチコプター１０の周囲に天井面や壁面が存在し、機体の下方に流動物（水）がある環境においては、オプティカルフローセンサ３２は上方に向けられてもよい。

第１レーザ測距センサ３４及び第２レーザ測距センサ３５（以下、これらのレーザ測距センサを指して「レーザ測距センサ３４，３５」ともいう。）は、いわゆるレーザレンジファインダ（Laser Rangefinder）であり、レーザ光を用いた光学視差式の距離計である。本形態の水路トンネルのように、天井面のある構造物内でマルチコプター１０を飛行させるときには、対地高度だけでなく、天井面との距離にも注意を払う必要がある。本形態のマルチコプター１０は、その高度検知手段として、下方に向けられた第２レーザ測距センサ３５（第１測距手段）に加え、上方に向けられた第１レーザ測距センサ３４（第２測距手段）を有しており、これによりトンネル内での安全性が高められている。

また、図３に示すように、本形態のマルチコプター１０は３台の第１レーザ測距センサ３４を有しており、これら第１レーザ測距センサ３４は検査装置５３の周囲にほぼ等間隔に分散配置されている。本形態の第１レーザ測距センサ３４は、水路トンネルの天井面との距離を測るだけでなく、図７に示すように、作業面９０の点検中にマウント部５０の押圧の程度を監視する押圧検知手段を兼ねている。本形態のマルチコプター１０は、検査装置５３を保持するマウント部５０を伸縮可能な支柱部６０で支持し、また、作業面９０側に向けられた３台の第１レーザ測距センサ３４で作業面９０との距離を監視することにより、作業面９０からマウント部５０が剥離・脱落することや、作業面９０に対してマウント部５０が過度に強く押し当てられることが防止されている。つまり作業面９０に対してマウント部５０をほどよく押し当て続けることが可能とされている。

ドップラーセンサ３８は、マイクロ波のドップラー効果を利用した反射式の移動物体検出器である。本形態のマルチコプター１０は第１レーザ測距センサ３４に加え、作業面９０側に向けられたドップラーセンサ３８をさらに備えていることにより、作業面９０に対するマルチコプター１０の移動量や移動速度をより正確に特定することができる。

気圧高度センサ３３は、検出した気圧高度からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を算出する高度センサである。本形態のマルチコプター１０は、レーザ測距センサ３４，３５の検出値と、気圧高度センサ３３の検出値から上下方向における現在位置を算出する。レーザ測距センサ３４，３５は塵埃の多い場所や水濡れのある場所では検知精度が低下する。これらに気圧高度センサ３３を組み合わせることにより、レーザ測距センサ３４，３５のノイズの特定が容易となり、マルチコプター１０の上下方向の位置をより安定させることができる。

第１ライダ３６及び第２ライダ３７は、ソリッドステート方式のライダ（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）である。オプティカルフローセンサ３２に関連して上でも述べたように、本形態の水路トンネルのようにＧＰＳ信号が届きにくい場所ではこれに代わる位置検知手段が必要となる。また、鉄骨が多用された構造物内など、地磁気を利用しにくい環境では、これに代わるヘディング（機首方向）特定手段も必要である。第１ライダ３６及び第２ライダ３７で周辺物との距離とその形状を特定し、必要であればこれを構内地図情報等と照らし合わせることにより、構内におけるマルチコプター１０の座標位置および機首方向を特定することができる。

また第１ライダ３６及び第２ライダ３７は、一般的なレーザ測距センサや超音波測距センサとは異なり、周辺物との距離だけでなくその立体形状を比較的広い範囲にわたって取得することができる。これにより例えば構造物表面の設置物や局所的な凹凸等を認識し、これをフィルタアウトすることもできる。そして本形態のマルチコプター１０は、機首方向を前方として、第１ライダ３６が機体の右側を走査する向きに配置され、第２ライダ３７が機体の左側を走査する向きに配置されている。本形態の水路トンネルのような連続した通路を飛行する場合、安全確保のためには前後よりも左右の壁面との距離が重要となる。第１ライダ３６に機体の右側を、第２ライダ３７に機体の左側を走査させることにより、このような構造物内における安全性を高めることができる。

このように本形態のフライトコンローラ１４は、これら飛行制御センサ群３０により、機体の傾きや回転のほか、水路トンネルの構内における座標位置、周辺物との相対位置、機首方向、高度、移動速度を取得することができる。

制御装置２０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プログラムである飛行制御プログラム２１を有している。飛行制御プログラム２１は、飛行制御センサ群３０から取得した情報を基に個々の水平ロータ４１の回転数や垂直ロータ４２のピッチ角を調節し、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。

制御装置２０はさらに、マルチコプター１０を自律飛行させるプログラムである自律飛行プログラム２２を有している。自律飛行プログラム２２には、マルチコプター１０の目的地や経由地の情報、飛行中の高度や速度、点検作業の具体的な動作などが指定されたデータである飛行計画２３を登録することができる。自律飛行プログラム２２は、オペレータ端末１９からの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画２３に従ってマルチコプター１０を自律的に飛行させる。

このように本形態のマルチコプター１０は高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。ただし、本発明の無人航空機はマルチコプター１０の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群３０から一部のセンサが省略された機体や、自律飛行機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。また、本形態のマルチコプター１０のセンサ構成は、押圧検知手段としての第１レーザ測距センサ３４の機能を除き、本形態のマルチコプター１０のみに限らず、屋内を飛行する無人航空機であれば広く採用することができ、また本形態と同様の効果を得ることができる。

［モード切替機能］
本形態の飛行制御プログラム２１又は自律飛行プログラム２２は、水平ロータ４１によって機体を傾けて移動させる第１操舵モードと、水平ロータ４１によって機体の水平と高度を維持しつつ、水平方向への移動には垂直ロータ４２を使用する第２操舵モードと、を切替可能である。これは手動で行われてもよいが、予め設定された条件に従って自動的に切替可能とすることで、マルチコプター１０による作業を自動化することができる。なお、マルチコプター１０から第１操舵モード自体をなくして、マルチコプター１０を第２操舵モードでのみ飛行可能とすることもできる。

［点検作業の流れ］
図１０は、マルチコプター１０により水路トンネルの点検作業を行う際のマルチコプター１０の操縦方法を示すフローチャートである。以下、図１０を参照してその作業の流れを順に説明する。なお、以下に説明する作業手順は自律飛行プログラム２２により全自動で行うことを想定しているが、任意のステップを手動で行ってもよい。

（Ｓ１：離陸工程）
水路トンネル内またはトンネル外のホーム位置からマルチコプター１０を離陸させる。

（Ｓ２：出動工程）
第１操舵モードで点検作業を行う現場に向かう。

（Ｓ３：アイドリング工程）
点検作業を行う現場において、マルチコプター１０が天井面（作業面９０）から１．５ｍの距離まで近づいたら、第１操舵モードのまま、垂直ロータ４２のピッチ角をゼロ又は略ゼロにして垂直ロータ４２を空転させ始める。垂直ロータ４２を始動してからこれが十分な回転数に達するまでには多少時間がかかる。垂直ロータ４２を実際に使用する前に予めこれを空転させておくことで、次工程をスムーズに開始することができる。なお、垂直ロータ４２の空転はマルチコプター１０のアーム操作（Arming）と同時に、又は離陸工程（Ｓ１）の段階から始めてもよい。本形態では垂直ロータ４２を使用し始めるタイミングが予め分かっているため、その少し前から垂直ロータ４２のアイドリング（空転）を開始することで、垂直ロータ４２の消費電力を抑えている。

（Ｓ４，Ｓ５：点検工程）
マルチコプター１０のマウント部５０（前輪５１及び後輪５２）が作業面９０に接触したら、マルチコプター１０を第１操舵モードから第２操舵モードに切り替え、作業面９０の点検作業を行う。

（Ｓ６，Ｓ７：帰投工程）
作業面９０の点検が完了し、マルチコプター１０を作業面９０から離脱させたら、マルチコプター１０を再度第１操舵モードに切り替え、ホーム位置へ帰投する。

（Ｓ８：着陸工程）
ホーム位置へマルチコプター１０を着陸させる。なお、マルチコプター１０が帰投する場所はホーム位置（離陸位置）には限られず、他の場所であってもよい。

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。

１０：マルチコプター（無人航空機），１１：センターフレーム，１２：ロータアーム，１２ａ：固定アーム，１２ｂ：可動アーム，１３：スキッド，１４：フライトコントローラ（制御部），１５：通信装置，１８：バッテリー，１９：オペレータ端末，２０：制御装置，２１：飛行制御プログラム，２２：自律飛行プログラム，２３：飛行計画，３０：飛行制御センサ群，３１：ＩＭＵ，３２：オプティカルフローセンサ，３２１：ＬＥＤライト（照明手段），３３：気圧高度センサ，３４：第１レーザ測距センサ（第１測距手段，高度検知手段，押圧検知手段），３５：第２レーザ測距センサ（第２測距手段，高度検知手段），３６：第１ライダ，３７：第２ライダ，３８：ドップラーセンサ，４１：水平ロータ，４１１：折り畳みプロペラ，４２：垂直ロータ，５０：マウント部，５１：前輪（車輪，接触部），５２：後輪（車輪，接触部），５３：検査装置（外部機器），６０：支柱部，６１：内筒，６２：外筒，６３：ボールジョイント（球体軸受，関節部），６４：サスペンション機構，６５：（支柱部の）先端部分，７０：ロータガード，７１：スライドポール，７２：水平枝状部，７３：垂直枝状部，７９：ロータガードクランプ，９０：作業面

Claims (17)

1. 水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、
   垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、
   前記垂直ロータの垂直回転翼は可変ピッチプロペラであることを特徴とする無人航空機。
2. 前記垂直ロータはピッチ角を制御することで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用する請求項１に記載の無人航空機。
3. 前記水平ロータ及び前記垂直ロータの動作を制御する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記複数基の水平ロータによって機体を傾けて移動させる第１操舵モードと、前記複数基の水平ロータによって機体の水平と高度を維持しつつ、水平方向への移動には前記垂直ロータを使用する第２操舵モードと、を切替可能である請求項１又は請求項２に記載の無人航空機。
4. 前記制御部は、予め設定された条件に従って、前記第１操舵モードと前記第２操舵モードとを自動的に切り替える請求項３に記載の無人航空機。
5. 構造物の天井面または壁面である作業面に接触させる接触部をさらに備え、
   前記垂直ロータは、前記作業面に対して平行方向に推力を生じさせる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の無人航空機。
6. 外部機器を保持するマウント部と、
   前記マウント部を支持する支柱部と、
   前記外部装置の周囲に分散配置され、前記作業面側に向けられた複数の測距手段である押圧検知手段と、をさらに備え、
   前記接触部は前記マウント部または前記外部機器の一部であり、
   前記支柱部は、該支柱部をその長さ方向に伸縮可能とするサスペンション機構を有する請求項５に記載の無人航空機。
7. 前記作業面側に向けられたドップラーセンサをさらに備える請求項６に記載の無人航空機。
8. 前記接触部は車輪である請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の無人航空機。
9. 側方に向けられたソリッドステート方式のライダ（ＬｉＤＡＲ：Light Detection and Ranging）である第１ライダ及び第２ライダと、
   上方または下方に向けられた測距手段である高度検知手段と、を備える請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無人航空機。
10. 機首方向を前方としたときに、前記第１ライダは機体の右側を走査する向きに配置され、前記第２ライダは機体の左側を走査する向きに配置される請求項９に記載の無人航空機。
11. 前記高度検知手段は、上方に向けられた第１測距手段と、下方に向けられた第２測距手段と、を有する請求項９又は請求項１０に記載の無人航空機。
12. 気圧高度センサをさらに備え、
    前記高度検知手段の検出値と前記気圧高度センサの検出値とから上下方向における現在位置を算出する請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の無人航空機。
13. オプティカルフローセンサをさらに備える請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の無人航空機。
14. 前記オプティカルフローセンサが上方に向けられている請求項１３に記載の無人航空機。
15. 前記オプティカルフローセンサの撮影対象を照らす照明手段をさらに備える請求項１３又は請求項１４に記載の無人航空機。
16. 水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、
    垂直回転翼を有するロータである垂直ロータと、を備え、
    前記垂直ロータの垂直回転翼が可変ピッチプロペラである無人航空機の操縦方法であって、
    前記垂直ロータのピッチ角をゼロ又は略ゼロにして空転させながら前記複数基の水平ロータによって機体を移動させる工程であるアイドリング工程を含むことを特徴とする無人航空機の操縦方法。
17. 前記アイドリング工程は、予め設定された条件に従って、飛行中に自動的に開始される請求項１６に記載の無人航空機の操縦方法。
    
    

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