JP6448071B2

JP6448071B2 - ドローン

Info

Publication number: JP6448071B2
Application number: JP2018030850A
Authority: JP
Inventors: 洋輔佐竹
Original assignee: 株式会社佐竹技研
Priority date: 2018-02-23
Filing date: 2018-02-23
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2038-02-23
Also published as: JP2018108818A

Description

本発明は、複数のプロペラを有し三次元移動可能なドローンの技術に関する。

複数のプロペラを有し三次元移動可能なドローン（「マルチコプター」とも呼ばれる。）は、ホバリングや微妙な飛行ができるため、空撮、測量、農業、物流、中継基地、インフラ点検・整備などでの利用が広がっている。

図９（ａ）に示した橋梁点検車７０や、図９（ｂ）に示した高所作業車７１を用いて、橋梁７２の下面やトンネル７３の内壁面など高所で危険なため人が近づくのが困難な場所を点検する場合がある。しかし、橋梁点検車７０や高所作業車７１では届く範囲に制限があり、点検個所の移動に時間を要する。さらに、機械が高価であり、人が直接点検するので危険も伴う。そこで、ドローンを用いて、広範囲、迅速、安価、かつ安全に点検を行うことが検討されている。

橋梁の下面やトンネルの内壁面などのインフラを点検する際には、点検対象面とドローンとの近接した距離を一定に保って広範囲に移動する必要がある。そこで、回転自在の２つのリングを取り付けたドローン（特許文献１）を利用し、そのリングを点検対象面に沿って回転させながら一定の距離を保ってドローンが飛行することが考えられる。

また、逆さまにした小型の車両とドローンとを組合せ、ドローンのプロペラの回転による揚力で小型の車両の車輪を点検対象面に押し付けた状態で、車両を走行させ移動する方法も考えられる。

ところで、メカナムホイールを用いた無人搬送台車が提案されている（特許文献２）。メカナムホイールは、車軸に対して４５度傾けた樽形状の副輪（バレル）によって主輪の表面（円周上）が覆われる構成となっている。４つの主輪それぞれに取り付けられた駆動部のモーターの回転方向と速度を微妙に制御することで、主輪の回転と円周上の副輪による動きとのコンビネーションにより無人搬送台車の全方向移動を実現することができる。

特開２０１６−１２０９０７号公報特開２０１５−１８７７９８号公報

ところが、特許文献１に記載されたドローンでは、点検対象面とドローンとの距離を一定に保つことができるが、ドローンが２つのリングを結ぶシャフトを中心に搖動する。そのため、点検対象面に対するドローンの姿勢（角度）が安定しないので、点検作業に支障をきたしてしまう。

また、小型の車両を用いたドローンでは、車両にステアリング機能が必要となるため車両の走行装置が複雑なものとなる。全ての車輪がステアリング機能を有する総輪ステアリングとする方法もあるが、その場合であっても真横には移動することができない。

そこで、本発明は、特許文献２で紹介されるメカナムホイールの優れた特性に着目し、最適な構成でドローンと組合せることにより、点検対象面とドローンとの近接した距離を一定に維持しながら、点検対象面の任意の方向へ自由に移動可能なドローンを提供することを目的とする。

第１の発明のドローンは、コントローラ、送受信機、バッテリーを搭載する中央部を備え、平面視前記中央部の周囲に揚力を発生する４つのプロペラが配置された、三次元移動可能なドローンであって、前記ドローンは、平面視前記中央部を対角線の交点とする長方形の角にその車軸が互いに平行となるよう配置され、前記４つのプロペラとそれぞれ対をなす４つのメカナムホイールを備え、前記４つのプロペラは、平面視前記長方形の内部に配置され、さらに前記メカナムホイールは、側面視前記プロペラよりも上側に配置されており、前記プロペラの揚力によって前記メカナムホイールが構造物に対し接触力が生じた状態で、前記メカナムホイールの回転方向と速度を制御することによる推進力によって、前記構造物に沿った全方向移動可能なドローンにおいて、前記メカナムホイールと前記構造物との接触力を検出する検出手段と、前記コントローラと前記検出手段を連絡する信号線を備え、前記検出手段からの検出信号は、前記コントローラに送られるよう構成されており、前記コントローラは、前記４つのメカナムホイールが前記構造物に接触すると、飛行制御モードから点検制御モードに切換り、前記点検制御モードでは、前記コントローラは、前記メカナムホイールが受ける荷重が所定範囲となるよう演算されたモーター出力指令値を、前記メカナムホイールと対をなす前記プロペラのモーターへ出力することを特徴とする。

第１の発明のドローンは、検出した接触力によりプロペラの回転を制御するので、構造物とメカナムホイールとの接触状態を最適に制御することができる。すなわち、個々のメカナムホイール９の接触面との接触力が所定値の範囲に自動制御され、空転等が生じないので、メカナムホイール９は確実に全方向移動（図３参照）を実現できる。

第２の発明のドローンは、有線給電装置の電源部と有線給電ケーブルにより連絡され、給電されることを特徴とする。

第２の発明のドローンは、有線給電装置により給電されるので、長時間連続して点検対象面に沿って移動しつつ広範囲を点検することができる。

本発明のドローンは、プロペラの揚力によって構造物にメカナムホイールが接触した状態で、メカナムホイールの推進力によって構造物に沿って移動可能な構成としたので、メカナムホイールの回転方向と速度を微妙に制御することで、構造物に沿ったドローンの迅速な全方向移動を実現することができる。それにより、ドローンを用いて、広範囲、迅速、安価、かつ安全にインフラ点検を行うことが可能となる。

機体上部にメカナムホイールが配置されたドローンの図である。図１のＡ矢視詳細図である。メカナムホイールの回転方向とドローンの移動方向との関係をまとめた図である。図１に示したドローンの内部ブロック図である。図１に示したドローンを用いたトンネル壁面の点検作業の説明図である。図１に示したドローン１に対して有線給電しながらトンネル内壁面を点検する場合の説明図である。第２の実施の形態に係るドローンの図である。第３の実施の形態に係るドローンの図である。橋梁点検車や高所作業車を用いた従来の点検作業の説明図である。

（第１の実施の形態）
図１に第１の実施の形態に係るドローン１を示す。ドローン１は、４つのプロペラ２を備えたクアッドコプターである。上方から見たドローン１は、コントローラ、送受信機、バッテリー等を搭載する中央部３を備える。中央部３を中心としてＸ型フレーム４が配置されている。Ｘ型フレーム４の放射状に延びるフレーム材５の中間部にはモーター６及びプロペラ２が配置されている。

フレーム材５の先端部７の上部にはモーター８により駆動されるメカナムホイール９が配置されている。図１に示されるように、Ｘ型フレーム４を形成する４つのフレーム材５に対する、モーター８及びメカナムホイール９の配置位置は全て同じとなっている。そして、モーター８及びメカナムホイール９は、中央部３を通る中心線１０を対称軸として左右対称に配置されている。

このように、Ｘ型フレーム４のフレーム材５の先端部７に４つのメカナムホイール９が配置されるので、メカナムホイール９取り付けのための特別な部材を必要とせず、フレーム材５を延長するだけでよい。また、ドローン１の４つのプロペラ２の外側にメカナムホイール９が配置されるのでメカナムホイール９相互間での十分な距離を有する。そのため、構造物に対してドローンが安定して接触することができる。

なお、飛行時のドローン１全体の回転力発生を打ち消すため、プロペラ２の回転方向は右回りと左回りがあり、それに合わせてプロペラ２のピッチ方向が逆となっている。Ｘ型フレーム４の対角線上に同じピッチ方向のプロペラ２が配置される。

図２に図１のＡ矢視詳細図であって、メカナムホイール９の取り付け詳細図を示す。フレーム材５の先端部７の上部には、サスペンション装置１１が配置されている。サスペンション装置１１の内部には、バネ要素１２とダンパー要素１３が内蔵されている。サスペンション装置１１の上部には、センサー１４が配置されている。具体的には、センサー１４としてロードセルが使用される。センサー１４は、メカナムホイール９が構造物に接触した際の構造物との接触力を検出する検出手段として機能する。センサー１４は、後述するコントローラと信号線１６によって連絡されている。センサー１４の上部には、メカナムホイール９を駆動するためのモーター８が配置されている。モーター８は、後述するコントローラと給電線１７によって連絡されている。

なお、この第１の実施の形態では、図２に示すようにサスペンション装置１１とセンサー１４とをフレーム材５に重ねて配置する構成としたが、サスペンション装置１１とセンサー１４とをフレーム材５に内蔵する構成としてもよい。その場合は、モーター６とプロペラ２が配置されたフレーム材５の中間部から先端部７までの部分にサスペンション装置１１とセンサー１４の機能を持たせるようにすれば良い。

図２に示すように、メカナムホイール９は、車軸２１に対して４５度傾けた複数の樽形状の副輪２２（バレル）によって主輪２０の表面（円周上）が覆われる構成である。副輪２２は、主輪２０に対して回転可能となっている。メカナムホイール９は、モーター８によって正逆回転駆動される。図１に示した４つのメカナムホイール９のそれぞれのモーター８の回転方向と速度制御を微妙に調整することで、主輪２０の回転と副輪２２による動きとのコンビネーションを生み出し、ドローン１の全方向移動が実現される。

図３は４つのメカナムホイール９の回転方向とドローン１の移動方向との関係をまとめた図である。例えば前進を説明する枠２５の中に示した、メカナムホイール９の近くに示した矢印２３は、メカナムホイール９の回転方向を示している。なお、ドローン１は上方から見ておりメカナムホイール９上部が点検対象面と接触して走行するので、地上を走行する場合とは回転方向が反対となる。メカナムホイールがドローン１の上に示した矢印２４は、ドローン１の移動方向を示している。

このように、４つのメカナムホイール９の回転を制御することでドローン１の平面上における全方位移動を制御できるという特性は、ドローン１が４つのプロペラ２の回転を制御することで三次元移動を実現するというドローン本来の特性に非常に近似する。したがって、メカナムホイール９の制御は、ドローン本来の制御との相性が良く、操作系及び制御系の共通化を図り易いというメリットを生じる。

図４は図１に示したドローン１の内部ブロック図である。図４の右半分はプロペラ駆動部分のブロック図であって、従来からドローンに備えられている構成である。図４の左半分はメカナムホイール駆動部分のブロック図であって、実施の形態に係るドローン１に追加される構成である。

図４に示されたドローン１の４つのプロペラ２を駆動する４つのモーター６は、以下のように駆動制御される。送受信機３１は、図示しない無線操縦装置（プロポ）からの操作電波を受信する。プロペラ用コントローラ３２は、送受信機３１からの操作信号を処理し、それぞれのモーター６に対するモーター出力指令値を出力する。エレクトリックスピードコントローラ（ＥＳＣ）３３は、プロペラ用コントローラ３２からのモーター出力指令値を読み取って、その通りの電流値をバッテリー３４からモーター６に供給する。

さらに、図１に示されたドローン１の４つのメカナムホイール９を駆動する４つのモーター８は、以下のように駆動制御される。送受信機３１は、図示しない無線操縦装置（プロポ）からのメカナムホイール９の操作電波を受信する。メカナムホイール用コントローラ３５は、送受信機３１からの操作信号を処理し、それぞれのモーター８に対するモーター出力指令値を出力する。エレクトリックスピードコントローラ（ＥＳＣ）３７は、メカナムホイール用コントローラ３５からのモーター出力指令値を読み取って、その通りの電流値をバッテリー３４からモーター８に供給する。また、プロペラ用コントローラ３２とメカナムホイール用コントローラ３５とは、相互に信号の授受を行っている。

通常の飛行によりドローン１がインフラ点検個所に到着し４つのメカナムホイール９が点検対象面に接触すると、プロペラ用コントローラ３２は飛行制御モードから点検制御モードに切換る。すなわち、４つのモーター６を独立した速度制御する飛行制御モードから４つのモーター６を共通した速度制御する点検制御モードに切換る。点検制御モードでは、メカナムホイール９で走行移動するために必要最小限の接触力が生じるよう、プロペラ２による揚力発生のためのモーター６の速度制御が行われる。

メカナムホイール９による走行中は、接触面からメカナムホイール９が受ける荷重を検出するセンサー１４（図２参照）からの検出信号は、信号線１６を経由してプロペラ用コントローラ３２に送られる。メカナムホイール９が受ける荷重が所定範囲となるよう演算し、プロペラ用コントローラ３２は個々のモーター６へのモーター出力指令値を出力する。このように、個々のメカナムホイール９の接触面との接触力が所定値の範囲に自動制御され、空転等が生じないので、メカナムホイール９は確実に全方向移動（図３参照）を実現できる。

図５は図１に示したドローン１を用いたトンネルの内壁面６２の点検作業の説明図である。パイロット６０が無線操縦装置（プロポ）６１を用いてドローン１を操縦している。ドローン１は、プロペラ２の揚力によって全てのメカナムホイール９がトンネルの内壁面６２に接触している。一般に、ドローン１はものに近寄ると流体力学的に吸い寄る力が働きバランスを崩しやすい（コアンダ効果）が、本発明ではメカナムホイール９で内壁面６２に接触するようにしたので、内壁面６２に吸着する力に抗うのでなく吸着力を逆に有効利用することができる。

メカナムホイール９によってドローン１と内壁面６２とは一定の距離を保っており、この状態でドローン１に搭載したカメラで内壁面６２の状態の写真を撮影する。また、ドローン１に搭載した各種の検査器具で内壁面６２の損傷状態を検査し、そのデータを取得する。

さらに、図５に示した状態で、ドローン１はメカナムホイール９を用いてトンネルの内壁面６２に沿って移動する。このとき、ドローン１の４つのプロペラ２は内壁面６２へのメカナムホイール９の押し付け力を発生するだけで良いので、ドローン１の三次元飛行中の複雑な制御は必要無くなる。なお、ドローン１の内部ブロック図（図４参照）で説明したように、メカナムホイール９での移動中は常時センサー１４の検出値により押し付け力が所定範囲となるようプロペラ２の回転はフィードバック制御されているので、メカナムホイール９による安定した全方向移動が可能である。また、全てのメカナムホイール９には、サスペンション装置１１が設けられているので（図２参照）、内壁面６２に凹凸があっても、その凹凸をサスペンション装置１１が吸収するので、ドローン１は安定して内壁面６２に沿った全方向移動が可能である。

第１の実施の形態に係るドローン１は、プロペラ２の揚力によって構造物にメカナムホイール９が接触した状態で、メカナムホイール９の推進力によって移動可能な構成としたので、メカナムホイール９の回転方向と速度を微妙に制御することで、構造物に沿ったドローン１の迅速な全方向移動を実現することができる。このように、高所作業車等の大型の機械装置を用いることなく、ドローン１を用いて、広範囲、迅速、安価、かつ安全にインフラ点検を行うことができる。

図６は図１に示したドローン１に対して有線給電しながらトンネルの内壁面６２を点検する場合の説明図である。ドローン１と地上の有線給電装置８０の電源部とは有線給電ケーブル８１によって連絡されている。少ない電流を高電圧で送電することにより有線給電ケーブルは細く軽量とされており、かつ十分な強度を持つよう設定されている。図６に示すドローン１は有線給電されるので、長時間連続してトンネルの内壁面６２を移動しつつ広範囲にわたって点検することができる。

以上、第１の実施の形態に係るドローン１を用いてトンネルの内壁面６２を点検する場合を説明したが、他にも多くの産業や社会生活の基盤となる施設を点検対象とすることができる。例えば、河川に架けられた橋梁、高速道路の高架橋、各種の建築物、工場建屋、タワーなど、その適用範囲は極めて広い。

（第２の実施の形態）
図７は第２の実施の形態に係るドローン４０の図である。ドローン４０は、４つのプロペラ２を備えたクアッドコプターである。上方から見たドローン４０は、コントローラ、送受信機、バッテリー等を搭載する中央部４１を備える。中央部４１を中心としてＨ型フレーム４２が配置されている。Ｈ型フレーム４２の左右に延びるフレーム材４３の中間部にはモーター６及びプロペラ２が配置されている。

フレーム材４３の先端部４４の上部にはモーター８により駆動されるメカナムホイール９が配置されている。図７に示されるように、Ｈ型フレーム４２を形成するフレーム材４３に対する、モーター８及びメカナムホイール９の配置位置は全て同じとなっている。そして、モーター８及びメカナムホイール９は、中央部４１通る中心線４５を対称軸として左右対称に配置されている。

このように、Ｈ型フレーム４２のフレーム材４３の先端部４４に４つのメカナムホイール９が配置されるので、メカナムホイール９取り付けのための特別な部材を必要とせず、フレーム材４３を延長するだけでよい。また、ドローン４０の４つのプロペラ２の外側にそれぞれメカナムホイール９が配置されることで、メカナムホイール９同士が十分な間隔を有した状態で構造物に接触することができる。なお、第２の実施の形態に係るドローン４０の他の構成及びその機能と効果は、図１に示したドローン１と共通するので、その他の詳細な説明は省略する。

（第３の実施の形態）
図８は第３の実施の形態に係るドローン５０の図である。ドローン５０は、４つのプロペラ２を備えたクアッドコプターである。上方から見たドローン５０は、コントローラ、送受信機、バッテリー等を搭載する中央部５１を備える。中央部５１を中心としてＸ型フレーム５２が配置されている。Ｘ型フレーム５２の放射状に延びるフレーム材５３の中間部にはモーター６及びプロペラ２が配置されている。

フレーム材５３の先端部５４には、プロペラガード５５が配置されている。図８に示すように、プロペラガード５５は４つのプロペラ２を全て取り囲んだ略正方形の形状となっている。そして、フレーム材５３の先端部５４は、プロペラガード５５の角部５６に連結されている。

プロペラガード５５の４つの角部５６の上部にはモーター８により駆動されるメカナムホイール９が配置されている。図８に示されるように、モーター８及びメカナムホイール９は、中央部５１通る中心線５７を対称軸として左右対称に配置されている。

このように、プロペラガード５５の４つの角部５６の上部に４つのメカナムホイール９が配置されるので、メカナムホイール９取り付けのための特別な部材を必要としない。また、ドローン５０の４つのプロペラ２の外側にそれぞれメカナムホイール９が配置されることでメカナムホイール９同士の十分な間隔が取れるので、構造物に対してドローン５０が安定して接触することができる。第３の実施の形態に係るドローン５０のその他の構成及びその機能と効果は、図１示したドローン１及び図７に示したドローン４０と共通するので、その他の詳細な説明は省略する。

以上説明した実施の形態１〜３では、全て４つのプロペラ２を備えたドローン（クアッドコプター）を例に説明したが、その他の形式のドローン（マルチコプター）にも本発明が適用できることは勿論である。すなわち、ヘキサコプター（６つのプロペラ）、オクトコプター（８つのプロペラ）等にも本発明の適用可能である。また、４つのメカナムホイール９を配置する例を説明したが、４つ以上のメカナムホイールを用いても同様に実施可能であり、同じ作用と効果を得ることができる。

１：ドローン
２：プロペラ
４：Ｘ型フレーム
５：フレーム材
６：モーター
９：メカナムホイール
１１：サスペンション装置
１４：センサー（検出手段）
４０：ドローン
４２：Ｈ型フレーム
４３：フレーム材
５０：ドローン
５２：Ｘ型フレーム
５３：フレーム材
８０：有線給電装置

Claims

コントローラ、送受信機、バッテリーを搭載する中央部を備え、平面視前記中央部の周囲に揚力を発生する４つのプロペラが配置された、三次元移動可能なドローンであって、
前記ドローンは、平面視前記中央部を対角線の交点とする長方形の角にその車軸が互いに平行となるよう配置され、前記４つのプロペラとそれぞれ対をなす４つのメカナムホイールを備え、
前記４つのプロペラは、平面視前記長方形の内部に配置され、
さらに前記メカナムホイールは、側面視前記プロペラよりも上側に配置されており、
前記プロペラの揚力によって前記メカナムホイールが構造物に対し接触力が生じた状態で、前記メカナムホイールの回転方向と速度を制御することによる推進力によって、前記構造物に沿った全方向移動可能なドローンにおいて、
前記メカナムホイールと前記構造物との接触力を検出する検出手段と、前記コントローラと前記検出手段を連絡する信号線を備え、前記検出手段からの検出信号は、前記コントローラに送られるよう構成されており、
前記コントローラは、前記４つのメカナムホイールが前記構造物に接触すると、飛行制御モードから点検制御モードに切換り、
前記点検制御モードでは、前記コントローラは、前記メカナムホイールが受ける荷重が所定範囲となるよう演算されたモーター出力指令値を、前記メカナムホイールと対をなす前記プロペラのモーターへ出力することを特徴とするドローン。
前記ドローンは、有線給電装置の電源部と有線給電ケーブルにより連絡され、給電されることを特徴とする請求項１に記載されたドローン。