JP6683357B1 - 導通検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】無人航空機を使った高所における導通検査作業をより高い信頼性で実施可能とする。【解決手段】無人航空機を用いた導通検査システムであって、前記無人航空機は、水平回転翼と、導電性の接点部材と、前記接点部材を機外に保持する接点支持部と、前記接点部材を回転または往復動させる接点駆動部と、機外に延出する電線と、を有し、前記接点部材と前記電線とは電気的に接続されていることを特徴とする導通検査システムにより解決する。【選択図】図２

Description

本発明は無人航空機を用いた導通検査技術に関する。

風力発電設備の風車には、風車を構成する各装置を落雷から保護する雷保護システムを備えるものがある。風車の雷保護システムは、一般に、ブレードの表面に設けられたレセプタ（受雷部）、風車内に配線されたダウンコンダクタ（引下導線）、およびタワー（支柱）により構成されている。レセプタが受けた雷はダウンコンダクタによりタワーに誘導され、タワーからアースされる。

特開２０１９−２７４１３号公報

雷保護システムの動作不良は落雷による致命的な被害を風車にもたらすため、雷保護システムには定期的な導通検査が必要である。上記特許文献１には、このような雷保護システムの導通検査を行う無人航空機（飛行体５）が開示されている。特許文献１の無人航空機は空中を浮遊しながら接点部材（接触部５４）をレセプタ（受雷部４１）に接触させる。この接触作業の信頼性は、空中を浮遊しながら行う作業である性質上、高所作業者が直接手で行う場合に比べ不確実なものとなる。特に、レセプタの表面に錆びや汚れが付着しているときに正しい検査結果を得るためには、無人航空機の高度な操縦技能が必要になる。

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、無人航空機を使った高所における導通検査作業をより高い信頼性で実施可能とすることにある。

上記課題を解決するため、本発明の導通検査システムは、無人航空機を用い、前記無人航空機は、水平回転翼であるロータと、導電性の接点部材と、前記接点部材を機外に保持する接点支持部と、前記接点部材を回転または往復動させる接点駆動部と、機外に延出する電線と、を有し、前記接点部材と前記電線とは電気的に接続されていることを要旨とする。

接点部材を回転または往復動させながらレセプタ等の端子面に接触させることにより、端子面に付着した錆びや汚れをこすり落としながら端子面との導通を確保することができる。これにより高所における導通検査の検査精度を向上させることができる。

このとき、前記接点部材は線状の導体の集合体であることが好ましい。接点部材が線状の導体の集合体で構成されていることにより、レセプタ等の端子面に対する接点部材の対向位置が端子面の中心から多少ずれていたり、接点部材の向きが端子面に対して多少傾いていたりしていても、いずれかの導体を端子面に接触させることができる。よって例えば硬質の棒体からなる接点部材や平面状の接点部材を用いる場合に比べ、端子面との接触を確保しやすい。また、端子面に錆びや汚れが付着している場合でも、複数ある導体のいずれかが通電に成功すれば足りる。

このとき、前記接点部材は、ブラシ状に並べられた線状の導体の集合体であることが好ましい。導体をブラシ状に配列することにより端子面の錆びや汚れをより好適に擦り落とすことが可能となる。

また、本発明の導通確認システムは、前記接点支持部が、その延出方向に沿ってスライドまたは伸縮可能であることが好ましい。接点部材が端子面に突き当たると、無人航空機はその機尾を持ち上げるようにつんのめるおそれがある。接点部材が端子面に突き当たった後の前進推力を接点支持部が緩やかに吸収することで、機体の姿勢が大きく乱れることを防ぐことができる。

また、前記接点支持部は、前記無人航空機の姿勢の変化を相殺し、該無人航空機の姿勢変化が前記接点支持部に伝わることを防ぐ姿勢安定化装置に支持されていることが好ましい。導通検査対象の構造物にロータが接触しないように接点支持部を長く設けた場合、機体が少し傾くだけで接点部材の位置が大きく変化する。このような構成でも、姿勢安定化装置で接点支持部を支持することにより、接点部材の位置や向きの乱れを抑えることができる。

また、本発明の導通検査システムは、前記無人航空機が複数の前記水平回転翼を有し、前記複数の水平回転翼が固定ピッチプロペラであってもよい。複数の固定ピッチプロペラで飛行するマルチコプターは、機体を傾けることで水平移動する。この場合でも、接点支持部が姿勢安定化装置に支持されることで接点部材の位置や向きを安定させることができる。

以上のように、本発明の導通検査システムによれば、無人航空機を使った高所における導通検査作業をより高い信頼性で実施することが可能となる。

実施形態に係る導通検査システムの概要を示す模式図である。 マルチコプターの斜視図である。 マルチコプターの側面図である。 導通検査システムの機能構成を示すブロック図である。 接点ブラシの他の例を示す部分拡大斜視図である。 他の実施形態に係る導通検査システム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参照して説明する。

［構成概要］
図１は、本実施形態に係る導通検査システムＳの概要を示す模式図である。本形態の導通検査システムＳは、無人航空機であるマルチコプター１０を用い、風力発電設備の風車９０に備わっている雷保護システムの導通検査を行うシステムである。

風車９０の雷保護システムは、各ブレード９１の長手方向における先端およびその中ほどの表面に設けられた金属製のレセプタ９６（受雷部）、ブレード９１およびナセル９２の内部に配線されたダウンコンダクタ９７（引下導線）、タワー９３（風車９０の支柱）、および、タワー９３の埋設部から大地に接続された接地線９８により構成されている。レセプタ９６が受けた雷は、ダウンコンダクタ９７によりタワー９３に誘導され、タワー９３から接地線９８を経て大地に放電される。

導通検査システムＳは、主に、マルチコプター１０、操縦端末５０、およびテスター９９により構成されている。マルチコプター１０は複数の水平回転翼を備える小型のＵＡＶ（Unmanned aerial vehicle：無人航空機）である。操縦端末５０はマルチコプター１０を無線操縦する装置であり、導通検査の実施者または専門のオペレータにより操作される。テスター９９は導通検査用の電流を出力し、ブザー音等で検査結果を報知する装置である。

マルチコプター１０は、導電性の接点部材である接点ブラシ７１と、機外に垂下された電線７９と、を有している。電線７９の一端は接点ブラシ７１と電気的に接続されており、他端はテスター９９に接続されている。また、テスター９９は、タワー９３に設けられた導通検査用の端子部から接地線９８に接続されている。テスター９９から出力された電流は、テスター９９側から順に、電線７９、接点ブラシ７１、レセプタ９６、ダウンコンダクタ９７、タワー９３、接地線９８を通ってテスター９９に戻ってくる。テスター９９はこれを検知し検査実施者にブザー音等で報知する。

［マルチコプターの構成］
（構成概要）
図２はマルチコプター１０の斜視図である。図３はマルチコプター１０の側面図である。図４は、導通検査システムＳの機能構成を示すブロック図である。以下、図２から図４を参照してマルチコプター１０の構成について説明する。なお、以下の説明における「上」および「下」とは、図２等に描かれた座標軸表示のＺ軸に平行な方向をいい、Ｚ１側を「上」、Ｚ２側を「下」とする。「前」および「後ろ」とは、同座標軸表示のＸ軸に平行な方向をいい、Ｘ１側を「前」、Ｘ２側を「後ろ」とする。また、「左右」とは同座標軸表示のＹ軸に平行な方向をいう。

本形態のマルチコプター１０は、水平回転翼である４基のロータ４１が搭載された、いわゆるクアッドコプターである。マルチコプター１０の機体は、主に、モノコック構造のボディ１１、ボディ１１から平面視Ｘ形に延びる４本のアーム１２、各アーム１２の先端に配置されたロータ４１、各アーム１２の先端から下方に延びる棒状の脚部であるランディングギア１３、ボディ１１の後部上面に設けられた垂直尾翼１４、および、ロータ４１が周辺物に接触することを防ぐ枠体であるロータガード１５により構成されている。

（接点ブラシおよびその支持構造）
上でも述べたように、マルチコプター１０は、導電性の接点部材である接点ブラシ７１と、機外に垂下された電線７９とを有しており、電線７９の一端は接点ブラシ７１と電気的に接続されている。マルチコプター１０は、ボディ１１の先端から前方に延びる棒体であるポール７２を有している。ポール７２は接点ブラシ７１を機外に保持する接点支持部であり、接点ブラシ７１はポール７２の先端に保持されている。

本形態の接点ブラシ７１は、ブラシ状に並べられた線状の導体７１１の集合体であり、全体としてローラー形のブラシを構成している。接点ブラシ７１はかかる構造により、レセプタ９６に対する対向位置がレセプタ９６の中心から多少ずれていたり、向きがレセプタ９６に対して多少傾いていたりしていても、いずれかの導体７１１をレセプタ９６に接触させることができる。よって例えば硬質の棒体からなる接点部材や平面状の接点部材を用いる場合に比べ、より確実にレセプタ９６との接触を得ることができる。また、レセプタ９６に錆びや汚れが付着している場合でも、多数の導体７１１のいずれかが通電に成功すれば足りるという利点もある。

マルチコプター１０はさらに、接点ブラシ７１をその周方向Ａ（図３参照）に回転させる接点駆動部であるブラシ回転機構７３を備えている（図４参照）。接点ブラシ７１を回転させながらレセプタ９６に接触させることにより、レセプタ９６に付着した錆びや汚れをこすり落としながらレセプタ９６との導通を確保することができる。これにより高所における導通検査の検査精度が高められている。

ここで、図３に示すように、本形態の接点ブラシ７１は、レセプタ９６等の周辺物に接触したときにマルチコプター１０の機首を押し下げる方向に回転する。より具体的には、接点ブラシ７１は、レセプタ９６等を下から上にこする方向に回転する。マルチコプター１０は、接点ブラシ７１の接触によりその機首が押し下げられても、前側の２基のロータ４１の回転数やピッチを大きくすることにより姿勢を水平に保つことができる。一方、接点ブラシ７１がその接触時にマルチコプター１０の機首を押し上げる場合、ロータ４１の回転数やピッチを小さくする（推力を落とす）ことには、飛行の安定を維持する上で限界がある。本形態のマルチコプター１０は、接点ブラシ７１がレセプタ９６等を下から上に向かってこすることで、回転する接点ブラシ７１がレセプタ９６等に接触することによる飛行安全上のリスクが軽減されている。

図５は、接点ブラシ７１の他の形態を示す部分拡大斜視図である。接点ブラシ７１の形態はローラータイプには限られず、図５に示す例のように、前方に延びる多数の線状の導体７１１からなるブラシ面をポール７２の周方向Ｃに回転させる形態としてもよい。この場合、例えば、ポール７２内にドライブシャフトを挿通し、ボディ１１内に設けた図示しないモータでこれをダイレクトドライブすることにより、簡易な構造で接点ブラシ７１を回転させることができる。

なお、接点ブラシ７１の駆動方法は、レセプタ９６に付着した錆びや汚れをこすり落とす動作であればよく、図３や図５に示される回転には限らない。例えば接点ブラシ７１を上下や左右、または前後に細かく振動（往復動）させるような駆動方法も考えられる。

また、本発明の接点部材はブラシには限られず、線状の導体が編み込まれたパッド状の接点部材や、硬質の棒体からなる接点部材、平板状の接点部材であってもよい。その場合でも、接点部材を回転または振動（往復動）させる接点駆動部を備えていれば、レセプタ９６等の端子面に付着した錆びや汚れをこすり落としながら、高所における導通検査作業をより高い信頼性で実施することができる。

また、本形態のポール７２は、その延出方向Ｂ（図３参照）に沿ってスライドすることができる。より具体的には、ポール７２は、ボディ１１内に設けられた図示しない弾性機構により常時前方に押し出されており、接点ブラシ７１がレセプタ９６等の周辺物に突き当たると、その力に屈してポール７２をボディ１１内に埋没させる。ポール７２の弾性機構には、コイルバネ等を用いた簡易なダンパー機構を用いることができる。ポール７２がスライド不能に機体に接合されている場合、接点ブラシ７１がレセプタ９６等に突き当たると、マルチコプター１０はその機尾を持ち上げるようにつんのめる。本形態のマルチコプター１０は、接点ブラシ７１が突き当たったときの余剰な前進推力をポール７２が緩やかに吸収することで、接点ブラシ７１とレセプタ９６等との接触状態を保ちつつ、機体の姿勢が大きく乱れることを阻止している。

なお、本形態のマルチコプター１０ではポール７２をモノコック構造のボディ１３内に埋没させる構造が採用されているが、その他、ポール７２を伸縮可能なテレスコピック構造とし、その各節をコイルバネ等で前方に押し出す構造としても同様の効果を得ることができる。さらに、本発明の接点支持部の形態はポール７２のような棒体には限られない。本発明の接点支持部は、本発明の無人航空機を平面視したときに、水平回転翼の回転面よりも前方（レセプタ９６等の端子面側）に接点部材を保持可能な形態であればどのような形状であってもよい。

（飛行機能）
以下、図４を参照してマルチコプター１０の飛行機能について説明する。

マルチコプター１０の飛行機能は、主に、制御部であるフライトコントローラＦＣ、ロータ４１、操縦者（操縦端末５０）との通信を行う通信装置２５、およびこれらに電力を供給する図示しないバッテリーにより構成されている。

フライトコントローラＦＣはマイクロコントローラである制御装置２０を有している。制御装置２０は、ＣＰＵ２１と、ＲＡＭやＲＯＭ・フラッシュメモリなどの記憶装置からなるメモリ２２とを有している。

フライトコントローラＦＣはさらに、ＩＭＵ３１（Inertial Measurement Unit：慣性計測装置）、ＧＰＳ受信器３２、気圧センサ３３、および電子コンパス３４を含む飛行制御センサ群を有しており、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。気圧センサ３３は、検出した気圧値からマルチコプター１０の海抜高度（標高）を得る高度センサである。電子コンパス３４はマルチコプター１０の機首の方位角を検出するセンサである。本形態の電子コンパス３４には３軸地磁気センサが用いられている。ＧＰＳ受信器３２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３２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により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の経緯度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得する。

なお、本実施形態の飛行制御センサ群は屋外用の構成とされているが、マルチコプター１０は屋内を飛行するものであってもよい。その場合、マルチコプター１０に別途カメラを搭載し、カメラで撮影した周囲の映像から画像認識により施設内の特徴箇所を検出し、これに基づいて施設内における位置を特定してもよい。また、オプティカルフローセンサを搭載することによりマルチコプター１０の移動を画像から把握することもできる。同様に、レーザや赤外線、超音波、視差などを利用した複数の測距センサを搭載し、施設内の床面や天井面、壁面とマルチコプター１０との距離を計測して、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定することも可能である。その他、例えば、無線信号を送出するビーコンを施設内の所定箇所に配置し、これらビーコンから受信した信号の電波強度からマルチコプター１０と各ビーコンとの相対的な距離を計測し、その施設内におけるマルチコプター１０の位置を特定することも可能である。

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、飛行制御センサ群から取得した情報を基に個々のロータ４１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ＡＰを有している。そして、制御装置２０のメモリ２２には、マルチコプター１０を飛行させるコースの経緯度、飛行中の高度や速度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、操縦端末５０からの指示や所定の時刻を開始条件として、飛行計画ＦＰに従ってマルチコプター１０を自律的に飛行させる。

操縦端末５０は、いわゆるプロポや、無人航空機分野において一般にＧＣＳ（Ground Control Station）と呼ばれている装置である。ＧＣＳには、一般的なノート型パソコンやタブレットコンピュータを好適に用いることができる。

マルチコプター１０の通信装置２５と操縦端末５０とは、制御信号やデータの送受信を行うことが可能であれば、その具体的な通信方式やプロトコルは問わない。例えば、マルチコプター１０への飛行計画ＦＰのアップロードやテレメトリデータの受信には双方向通信であるＷｉ−Ｆｉ（Wireless Fidelity）を使用し、手動操縦時の操縦信号は２．４ＧＨｚ帯の周波数ホッピング方式でＰＣＭ（pulse code modulation：パルス符号変調）信号を送信する構成などが考えられる。その他、マルチコプター１０と操縦端末５０とは、３ＧやＬＴＥ（Long Term Evolution）、ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access）、５Ｇなどの移動体通信網で接続されてもよい。そうすることにより操縦者（操縦端末５０）は、移動体通信網のサービスエリア内からであればどこからでもマルチコプター１０を制御することが可能となる。

［他の実施形態］
以下、図６を参照して導通検査システムＳの他の実施形態について説明する。図６は、他の実施形態に係る導通検査システムＳ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、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

本形態のマルチコプター１０は、ジンバル装置６０にマウントされたカメラ８０を備えている。ジンバル装置６０は、マルチコプター１０の姿勢の変化を相殺し、マルチコプター１０の姿勢変化がそのマウント部に伝わることを防ぐ姿勢安定化装置である。本形態のジンバル装置６０は、ＵＡＶを使った空撮で一般に利用されている３軸ブラシレスジンバルである。カメラ８０で撮影された映像は操縦端末５０に転送され、これにより操縦者は手元でカメラ８０の映像を確認しながらマルチコプター１０を操縦することが可能となる。

そして本形態のジンバル装置６０には、カメラ８０だけでなくポール７２も支持されている。マルチコプター１０のロータ４１がブレード９１に接触することを避けるべくポール７２を長く設けた場合、機体が少し傾くだけで接点ブラシ７１の位置は大きく変化する。本形態ではポール７２がジンバル装置６０に支持されることにより、接点ブラシ７１の位置や向きの乱れが抑えられる。これにより高所における導通検査の検査精度が高められる。

また、本形態のロータ４１は固定ピッチプロペラである。固定ピッチプロペラで飛行するマルチコプターは、機体を傾けることにより水平移動を行う。空中の一点でホバリングする場合でも、その位置を維持するためには横風に抗うために機体を傾ける必要があり、機体を常時水平に維持することは困難である。この場合でも、ポール７２がジンバル装置６０に支持されることにより接点ブラシ７１の位置や向きを安定させることができる。

本形態のマルチコプター１０はレーザ測距センサ３５を備えており、操縦者はマルチコプター１０の前方にある周辺物との距離を数値で把握することが可能とされている。これによりマルチコプター１０の操縦者はカメラ８０による映像だけでなく、正確な数値でレセプタ９６や周辺物との距離を把握することができ、導通検査作業の精度と安全性が高められる。

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、本発明の要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。例えば、上記実施形態ではブレード９１のレセプタ９６を入力部とする導通検査を行っているが、ナセル９２に設けられた図示しない避雷針を入力部として導通検査を行うことも可能である。さらには、本発明の導通検査システムの用途は風車の導通検査のみには限定されず、無人航空機を使った高所における導通検査作業であれば他の設備にも利用することができる。

また、上記実施形態では無人航空機としてマルチコプター１０が採用されているが、マルチコプター１０は上記実施形態のクアッドコプター以外にも、ロータ４１が６基搭載されたヘキサコプターや８基搭載されたオクタコプター、または３基のトライコプターを採用することもできる。さらには、本発明の無人航空機はマルチコプターにも限定されず、ヘリコプターであってもよい。

Ｓ：導通検査システム，１０：マルチコプター（無人航空機），ＦＣ：フライトコントローラ，２５：通信装置，４１：ロータ（水平回転翼），５０：操縦端末，６０：ジンバル装置（姿勢安定化装置），７１：接点ブラシ（接点部材），７１１：導体，７２：ポール（接点支持部），７３：ブラシ回転機構（接点駆動部），７９：電線，９０：風車，９９：テスター

Claims (6)

1. 無人航空機を用いた導通検査システムであって、
   前記無人航空機は、
   水平回転翼と、
   導電性の接点部材と、
   前記接点部材を機外に保持する接点支持部と、
   機外の端子面に前記接点部材を接触させた状態で該端子面をこするように前記接点部材を回転または振動させる接点駆動部と、
   機外に延出する電線と、を有し、
   前記接点部材と前記電線とは電気的に接続されていることを特徴とする導通検査システム。
2. 前記接点部材は線状の導体の集合体であることを特徴とする請求項１に記載の導通検査システム。
3. 前記接点部材は、ブラシ状に並べられた線状の導体の集合体であることを特徴とする請求項２に記載の導通検査システム。
4. 前記接点支持部は、その延出方向に沿ってスライドまたは伸縮可能であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の導通検査システム。
5. 前記接点支持部は、前記無人航空機の姿勢の変化を相殺し、該無人航空機の姿勢変化が前記接点支持部に伝わることを防ぐ姿勢安定化装置に支持されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の導通検査システム。
6. 前記無人航空機は複数の前記水平回転翼を有し、
   前記複数の水平回転翼は固定ピッチプロペラであることを特徴とする請求項５に記載の導通検査システム。

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