JP7232719B2 - 水路トンネル検査装置及び水路トンネル検査装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水路トンネル検査装置及びその制御方法に関する。

利水、灌漑その他の目的で、多くの水路が建設され、供用されている。水路の中には、地下に建設されているもの、即ち、水路トンネル（地下水路）として建設されているものもある。

このような水路トンネルについて検査する要望がある。水路トンネルは、経年劣化し得るので、水路トンネルの安全で安定的な供用のためには、水路トンネルの状態を定期的に検査することが望ましい。特に、大きな地震が発生したような場合には、水路トンネルの健全性を確認するために水路トンネルの壁面を検査することが望ましい。

本出願の出願人は、先に、水路トンネルの壁面を検査するための水路トンネル検査装置について特許出願を行っている（特開２０１８－１９９９１５号公報参照）。この特許出願は、バルーン（エンベロープ）に観測システム及びコントローラを搭載し、水路トンネルの内部を自律的に飛行しながら壁面を検査する水路トンネル検査装置を開示している。

このような水路トンネル検査装置は、水路トンネルの内部を安定して飛行できることが望ましい。水路トンネルの内部には、しばしば風が吹いており、この風は、水路トンネル検査装置の飛行を不安定にさせ得る。飛行が不安定であると、水路トンネル検査装置が、水路トンネルの壁面と衝突する事態が発生し得る。

特開２０１８－１９９９１５号公報

したがって、本発明の目的の一つは、水路トンネル検査装置の飛行の安定性を向上するための技術を提供することにある。本発明の他の目的及び新規な特徴は、以下の開示から当業者には理解されるであろう。

本発明の一の観点では、水路トンネルの内部を飛行するように構成された水路トンネル検査装置が、空気よりも比重が軽い気体が封入されるバルーンと、前記バルーンに搭載され、推力を発生する推力発生機構と、前記推力発生機構を制御するコントローラとを備えている。前記推力発生機構の制御は、前記水路トンネル検査装置に設定されている基準軸を水平面内で旋回させる推力を発生する第１制御と、前記水平面内にあり前記基準軸に垂直な方向に前記水路トンネル検査装置を移動させる推力を発生する第２制御とを含む。前記コントローラは、前記基準軸の前記水路トンネルの延伸方向に対する傾き角が規定範囲から外れている場合、前記第２制御を行わずに前記第１制御を優先的に行い、前記傾き角が前記規定範囲内にある場合、前記第２制御を行うように構成されている。

本発明の他の観点では、空気よりも比重が軽い気体が封入されるバルーンを備え、水路トンネルの内部を飛行するように構成された水路トンネル検査装置の制御方法が提供される。当該制御方法は、前記水路トンネル検査装置に設定されている基準軸を水平面内で旋回させる推力を発生する第１制御と、前記水平面内にあり前記基準軸に垂直な方向に前記水路トンネル検査装置を移動させる推力を発生する第２制御とを選択的に行うステップを含む。前記基準軸の前記水路トンネルの延伸方向に対する傾き角が規定範囲から外れている場合、前記第２制御を行わずに前記第１制御を優先的に行い、前記傾き角が前記規定範囲内にある場合、前記第２制御を行う。

本発明によれば、水路トンネル検査装置の飛行の安定性を向上するための技術が提供される。

一実施形態における、水路トンネル検査システム及びそれに用いられる水路トンネル検査装置の構成を示す側面図である。 一実施形態における水路トンネル検査装置の機体の構成を示す側面図である。 一実施形態におけるフレームの構成を示す側面図である。 一実施形態におけるフレームの構成を示す正面図である。 一実施形態におけるフレーム及び各フレームバーの構成を示す側面図である。 一実施形態における水路トンネル検査装置のシステム構成を示すブロック図である。 一実施形態における水平方向推力制御を説明する図である。 一実施形態における垂直方向推力制御を説明する図である。 一実施形態における水平方向推力制御を示すフローチャートである。 一実施形態における距離制御を示すフローチャートである。 一実施形態において、距離制御により設定される回転数指令を示すグラフである。

一実施形態では、図１に図示されるように、水路トンネル検査システム１００が、水路トンネル検査装置１とモニター端末２とを備えている。なお、以下の説明においては、水路トンネル検査装置１の横方向にＸ軸が規定され、前後方向にＹ軸が規定され、上下方向にＺ軸が規定されたＸＹＺ直交座標系が、方向を表すために用いられることがある。

水路トンネル検査装置１は、飛行船として構成されており、水路トンネルの内部を飛行して壁面を検査するように構成されている。一実施形態では、水路トンネルは、地下に設けられている水路である。水路トンネル検査装置１は、水路トンネルの内部を飛行し、水路トンネルの壁面の状態に関する情報を取得するように構成されている。一実施形態では、水路トンネル検査装置１は、水路トンネルの内部を飛行しながら水路トンネルの壁面を撮影して撮影画像を取得するように構成されている。

モニター端末２は、水路トンネル検査装置１を遠隔的に操作するために用いられる。加えて、モニター端末２は、水路トンネル検査装置１によって取得された水路トンネルの壁面の状態に関する情報を表示するように構成されている。一実施形態では、モニター端末２は、水路トンネル検査装置１によって得られた水路トンネルの壁面の撮影画像を、表示部２ａに表示するように構成される。

一実施形態では、水路トンネル検査装置１が、バルーン３と、機体４と、メインスラスタ５と、壁面情報取得装置６とを備えている。バルーン３の内部には空気よりも軽い気体、例えば、ヘリウムが封入されており、水路トンネル検査装置１は、バルーン３によって得られる浮力を利用して飛行する。バルーン３は、水路トンネル検査装置１の前後方向、図１においてはＹ軸方向に長い形状を有している。機体４、メインスラスタ５及び壁面情報取得装置６は、いずれも、バルーン３に搭載されている。機体４は、バルーン３の下部に接合されている。メインスラスタ５は、バルーン３の前後方向の一端に接合され、壁面情報取得装置６は、他端に接合される。メインスラスタ５は、水路トンネル検査装置１の前後方向に推力を発生するように構成されている。壁面情報取得装置６は、水路トンネルの壁面の状態に関する情報を取得するように構成されている。一実施形態では、壁面情報取得装置６は、水路トンネルの壁面を撮影して撮影画像を取得する。

図２に図示されるように、一実施形態では、機体４が、支持体１１と、サイドスラスタ１２、１３と、バーチカルスラスタ１４、１５と、メインユニット１６とを備えている。

支持体１１は、サイドスラスタ１２、１３と、バーチカルスラスタ１４、１５と、メインユニット１６とを支持する。支持体１１には、受け具１７が設けられており、機体４は、受け具１７によってバルーン３に接合される。

サイドスラスタ１２、１３と、バーチカルスラスタ１４、１５とは、上述のメインスラスタ５と共に、推力を発生する推力発生機構を構成している。サイドスラスタ１２、１３は、水路トンネル検査装置１の横方向、図２においては、＋Ｘ方向又は－Ｘ方向に推力を発生するように構成されている。サイドスラスタ１２、１３は、水路トンネル検査装置１を横方向に平行移動させるための推力の発生、及び、水路トンネル検査装置１を水平面内で旋回させるための推力の発生に用いられる。サイドスラスタ１２、１３が推力を発生する方向は、同一とは限らない。例えば水路トンネル検査装置１を水平面内で旋回させる場合、サイドスラスタ１２、１３の一方が＋Ｘ方向に推力を発生し、他方が－Ｘ方向に推力を発生する。

一方、バーチカルスラスタ１４、１５は、垂直方向（水平面に垂直な方向）、図２においては、＋Ｚ方向又は－Ｚ方向に推力を発生するように構成されている。バーチカルスラスタ１４、１５は、水路トンネル検査装置１の、水路トンネルの底面からの高さを制御するための推力の発生に用いられる。

一実施形態では、サイドスラスタ１２、１３が機体４の両端付近に設けられ、バーチカルスラスタ１４、１５及びメインユニット１６が、サイドスラスタ１２、１３の間に配置されている。このような配置は、機体４の大きさを抑制しながら、サイドスラスタ１２、１３によって発生可能な水路トンネル検査装置１の重心周りのモーメントを増大し、旋回能力を高めるために有用である。また、メインユニット１６がバーチカルスラスタ１４、１５の間に配置されている。このような配置は、機体４の大きさを抑制しながらバーチカルスラスタ１４、１５の間の間隔を増大し、水路トンネル検査装置１の安定性を高める。

一実施形態では、メインユニット１６が、コントローラ２１と、ＲＦインタフェース２２と、バッテリー２３とを搭載している。コントローラ２１は、水路トンネル検査装置１の各機器を制御する。コントローラ２１は、ワイヤーハーネス２４を介してメインスラスタ５、サイドスラスタ１２、１３及びバーチカルスラスタ１４、１５に接続されており、これらのスラスタを制御するように構成されている。ＲＦインタフェース２２は、モニター端末２とコントローラ２１との間で無線通信を行うために用いられる。バッテリー２３は、各機器の動作に用いられる電力を供給する。

一実施形態では、機体４が、更に、フロント横方向距離センサ２５と、リア横方向距離センサ２６と、垂直方向距離センサ２７とを備えている。

フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とは、水路トンネル検査装置１の横方向における水路トンネルの壁面までの距離を測定する。フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とは、前後方向にずれた位置に配置されており、前後方向にずれた２つの位置における水路トンネルの壁面までの横方向の距離を測定する。後述されるように、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とによって測定された距離が、水路トンネル検査装置１の向きの検出に用いられ、更に、サイドスラスタ１２、１３の制御に用いられる。一実施形態では、レーザセンサが、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６として用いられる。レーザセンサを使用することは、壁面までの距離の測定精度を高めるために有効である。

垂直方向距離センサ２７は、鉛直下方向における、水路トンネル検査装置１から水路トンネルの底面までの距離、即ち、底面からの高さを測定する。測定された高さは、バーチカルスラスタ１４、１５の制御に用いられる。一実施形態では、超音波センサが、垂直方向距離センサ２７として用いられる。水路トンネルの底面には水が溜まっていることが想定され、超音波センサの使用は、このような状況において底面からの高さを測定可能にするために有効である。

バルーン３には、その形状を保持するために、一定程度の強度が求められる。例えば、封入される気体の漏洩を抑制するために金属膜と樹脂層とを積層した積層フィルムがバルーンに用いられるような場合、バルーン３の強度の確保が問題になり得る。

一実施形態では、図３に示すように、バルーン３の補強のためのフレーム５１と、バルーン３をフレーム５１に固定するベルト５２とが用いられてもよい。バルーン３をフレーム５１に収容した状態で、ベルト５２がバルーン３及びフレーム５１に巻きつけられることで、バルーン３がフレーム５１に結合される。

一実施形態では、フレーム５１が、前側ジョイント５３と、後側ジョイント５４と、複数のフレームバー５５とを備えている。フレームバー５５は、バルーン３の位置決めのための部材であり、全体としては、水路トンネル検査装置１の前後方向に延伸するように設けられる。図３には、４本のフレームバー５５が示されているが、バルーン３に隠れて図示されないフレームバー５５が設けられ得る。一実施形態では、図４に示すように、６本のフレームバー５５が設けられてもよく、フレームバー５５の数は、様々に変更可能である。複数のフレームバー５５のそれぞれは、その一端が前側ジョイント５３に結合され、他端が後側ジョイント５４に結合されている。一実施形態では、壁面情報取得装置６が前側ジョイント５３に取り付けられ、メインスラスタ５が後側ジョイント５４に取り付けられる。

図５に示すように、一実施形態では、各フレームバー５５は、前側バー５５ａ、後側バー５５ｂと、中間バー５５ｃとを備えている。前側バー５５ａは、一端が前側ジョイント５３に結合され、他端がジョイント５５ｄによって中間バー５５ｃの第１端に結合される。後側バー５５ｂは、一端が後側ジョイント５４に結合され、他端がジョイント５５ｅによって中間バー５５ｃの第２端に結合される。一実施形態では、前側バー５５ａ、後側バー５５ｂ、中間バー５５ｃとして金属パイプが用いられてもよい。

フレーム５１にバルーン３を取り付ける場合、一実施形態では、図４に示すように、フレームバー５５が、前側ジョイント５３と後側ジョイント５４とを結ぶ軸の周りに、離間して配置され、この状態で、フレーム５１にバルーン３が収容される。好ましくは、フレームバー５５が等しい角度間隔で配置された状態で、フレーム５１にバルーン３が収容される。ベルト５２は、バルーン３がフレーム５１に収容された状態でバルーン３及びフレーム５１に巻きつけられる。このような構造は、バルーン３の補強に有効である。

図６は、一実施形態における水路トンネル検査装置１のシステム構成を示している。一実施形態では、壁面情報取得装置６が、水路トンネルの壁面を照明する照明装置２８と、水路トンネルの壁面を撮影して撮影画像を取得するカメラ２９とを備えている。一実施形態では、照明装置２８の光源としてＬＥＤ（light emitting diode）を用いてもよい。一実施形態では、カメラ２９として３６０°カメラを用いてもよい。カメラ２９によって取得された撮影画像は、ＲＦインタフェース２２を介してモニター端末２に送信され、モニター端末２の表示部２ａに表示される。撮影画像は、コントローラ２１に設けられた記憶装置３０に格納されてもよい。

メインスラスタ５は、ロータ３１と、ロータ３１を回転するモータ３２と、モータ３２を制御するＥＳＣ（electronic speed controller）３３とを備えている。ＥＳＣ３３は、コントローラ２１から受け取った回転数指令に応じた回転数でロータ３１が回転するようにモータ３２を制御する。一実施形態では、ＥＳＣ３３においてＰＷＭ（pulse width modulation）制御が行われ、回転数指令としてＰＷＭ値がＥＳＣ３３に供給される。

サイドスラスタ１２、１３は、ピッチ角が可変に構成されたピッチ可変ロータ３４と、ピッチ可変ロータ３４を回転するモータ３５と、モータ３５を制御するＥＳＣ３６と、サーボモータ３７とを備えている。ＥＳＣ３６は、コントローラ２１から受け取った回転数指令に応じた回転数でピッチ可変ロータ３４が回転するようにモータ３５を制御する。一実施形態では、ＥＳＣ３６においてＰＷＭ制御が行われ、回転数指令としてＰＷＭ値がＥＳＣ３６に供給される。サーボモータ３７は、コントローラ２１による制御の下、ピッチ可変ロータ３４の翼を翼幅方向に延伸する回転軸の周りに回転させることで、ピッチ可変ロータ３４の翼を所望のピッチ角に制御する。

バーチカルスラスタ１４、１５は、ロータ３８と、ロータ３８を回転するモータ３９と、モータ３９を制御するＥＳＣ４０とを備えている。ＥＳＣ４０は、コントローラ２１から受け取った回転数指令に応じた回転数でロータ３８が回転するようにモータ３９を制御する。一実施形態では、ＥＳＣ４０においてＰＷＭ制御が行われ、回転数指令としてＰＷＭ値がＥＳＣ４０に供給される。

以下では、水路トンネル検査装置１の動作について説明する。
一実施形態では、水路トンネル検査装置１が、マニュアル操作モード及び自律飛行モードの２つの動作モードを有している。マニュアル操作モードでは、モニター端末２になされる操作に従って水路トンネル検査装置１が飛行する。自律飛行モードでは、水路トンネル検査装置１は、自律的に飛行しながら水路トンネルの壁面に関する情報を収集する。

自律飛行モードでは、水路トンネル検査装置１は、メインスラスタ５、サイドスラスタ１２、１３及びバーチカルスラスタ１４、１５で構成される推力発生機構が発生する推力を、それ自身が搭載するコントローラ２１によって制御する。推力の制御は、水路トンネル検査装置１が壁面に衝突しないように行われる。

図７を参照して、一実施形態では、サイドスラスタ１２、１３がそれぞれ発生する推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒを制御する水平方向推力制御が行われる。なお、図７（及び図８）には水路トンネル２００について規定されたｘｙｚ直交座標系が図示されている。このｘｙｚ直交座標系では、水路トンネル２００の幅方向にｘ軸が規定され、延伸方向にｙ軸が規定され、高さ方向にｚ軸が規定される。

一実施形態では、水平方向推力制御は、水路トンネル検査装置１に規定された基準軸１ａ及び基準点１ｂに基づいて行われる。一実施形態では、基準軸１ａは、水平面に平行であり、かつ、水路トンネル検査装置１の前後方向に平行であるように規定され、基準点１ｂが、基準軸１ａの上に規定される。一実施形態では、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とが、この基準軸１ａに沿った異なる位置に設けられ、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６との間の距離が２Ｌである。一実施形態では、基準点１ｂは、フロント横方向距離センサ２５からの距離とリア横方向距離センサ２６からの距離がいずれもＬである位置に規定される。

一実施形態では、基準軸１ａの水路トンネル２００の延伸方向に対する傾き角θが規定範囲内になるようにサイドスラスタ１２、１３がそれぞれ発生する推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒが制御される。図７では、傾き角θの符号は、反時計回り方向が正であるように定義されている。傾き角θの制御は、サイドスラスタ１２、１３によって互いに逆方向に推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒを発生して水路トンネル検査装置１を水平面内で旋回させることで行われる。

一実施形態では、更に、水路トンネル検査装置１の水路トンネル２００の壁面２００ａまでの距離δが基準点１ｂを用いて定義され、その距離δが規定範囲内になるようにサイドスラスタ１２、１３がそれぞれ発生する推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒが制御される。距離δの制御は、サイドスラスタ１２、１３によって同一方向に推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒを発生して水路トンネル検査装置１を横方向（即ち、水平面内にあり基準軸１ａに垂直な方向）に移動させることで行われる。

一実施形態では、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とが取得したセンサ値δ_Ｆ、δ_Ｒに基づいて傾き角θが算出され、その傾き角θに基づいて距離δが算出される。ここで、センサ値δ_Ｆは、基準軸１ａの上のフロント横方向距離センサ２５が設けられている位置（第１位置）から水路トンネル２００の壁面２００ａまでの距離に対応している。また、センサ値δ_Ｒは、基準軸１ａの上のリア横方向距離センサ２６が設けられている位置（第２位置）から水路トンネル２００の壁面２００ａまでの距離に対応している。

一実施形態では、傾き角θ、距離δが、下記式（１）、（２）に従って算出される。

図８を参照して、一実施形態では、バーチカルスラスタ１４、１５が発生する推力ｆ_Ｚを制御する垂直方向推力制御が行われる。一実施形態では、垂直方向距離センサ２７が取得したセンサ値δ_Ｚに基づいてバーチカルスラスタ１４、１５が発生する推力ｆ_Ｚが制御される。センサ値δ_Ｚは、水路トンネル検査装置１の水路トンネル２００の底面からの高さに対応している。一実施形態では、この高さが規定範囲内になるように、バーチカルスラスタ１４、１５が発生する推力ｆ_Ｚが制御される。

水路トンネル検査装置１は、水路トンネル２００の内部を安定して飛行できることが望まれるが、実際には、飛行の安定性を損なう様々な事象が生じ得る。例えば、水路トンネル２００の内部に吹く風は、水路トンネル検査装置１の飛行を不安定にさせ得る。飛行が不安定であると、水路トンネル検査装置１が水路トンネルの壁面と衝突する事態が発生し得る。

図７を再度に参照して、一実施形態では、水路トンネル検査装置１の安定的な飛行のために、傾き角θを優先して制御し、傾き角θが規定範囲に入っている場合にのみ距離δを調節する制御が、水平方向推力制御において行われる。このような制御を、以下では、「角度優先制御」と呼ぶことがある。一実施形態では、傾き角θが当該規定範囲から外れている場合、基準軸１ａを水平面内で旋回させる第１制御を優先的に行い、傾き角θが当該規定範囲に入って初めて、水路トンネル検査装置１を横方向（＋Ｘ方向又は－Ｘ方向）に移動させる第２制御を行う。傾き角θが当該規定範囲から外れている場合には、第２制御は行わない。

角度優先制御は、水路トンネル検査装置１の姿勢を安定化し、これにより、水路トンネル検査装置１の飛行の安定化に寄与する。水平方向推力制御においては、例えば風による擾乱が発生したときに、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６とによって距離の変化を検知してからサイドスラスタ１２、１３を制御するまでに時間を要し、その間に、水路トンネル検査装置１の運動状態が変化してしまうことが生じ得る。これは、飛行の不安定性を生じさせ得る。角度優先制御を行うことで、水路トンネル検査装置１の姿勢、即ち、傾き角θがある程度安定に制御され、これにより、距離δの変動も小さくすることができる。これは、水路トンネル検査装置１の壁面への衝突を防ぐうえで好適である。

サイドスラスタ１２、１３にピッチ可変ロータ３４を使用すること（図６参照）は、サイドスラスタ１２、１３の制御における遅延を低減し、水路トンネル検査装置１の飛行の一層の安定化に有効である。一実施形態では、サイドスラスタ１２、１３が発生する推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒの方向が、ピッチ可変ロータ３４の回転方向を変えずにピッチ角を制御することで切り替えられる。一実施形態では、ピッチ可変ロータ３４は、＋Ｘ方向に推力を発生するピッチ角と－Ｘ方向に推力を発生するピッチ角とを取ることができるように構成される。一般に、スラスタの推力方向は、回転方向を反転させることで切り換え可能であるが、回転方向の反転には一定程度の遅延が発生する。よって、回転方向を反転することでサイドスラスタ１２、１３の推力方向の切り換えを行うと、サイドスラスタ１２、１３の制御における遅延が増大する。これは、飛行の安定性を低下させ得る。ピッチ角の切り換えによって推力方向を切り換えることにより、サイドスラスタ１２、１３の制御における遅延を低減し、飛行の安定性を向上させることできる。

一実施形態では、ピッチ可変ロータ３４のピッチ角は、＋Ｘ方向に推力が発生する第１ピッチ角、－Ｘ方向に推力が発生する第２ピッチ角、及び、推力が発生しない第３ピッチ角のうちから選択される。一実施形態では、推力が発生しない第３ピッチ角が０と定義され、この場合、ピッチ可変ロータ３４のピッチ角は、＋Ｘ方向に推力が発生する第１ピッチ角Φ_ｆｉｘ、－Ｘ方向に推力が発生する第２ピッチ角－Φ_ｆｉｘ、及び、推力が発生しない第３ピッチ角０のうちから選択されてもよい。所望のピッチ角が、第１～第３ピッチ角のうちからコントローラ２１によって選択され、該ピッチ角を指定するピッチ角指令がサイドスラスタ１２、１３の各サーボモータ３７に供給されると、各サーボモータ３７は、ピッチ可変ロータ３４をピッチ角指令に指定されたピッチ角に制御する。このような制御によれば、簡単なアルゴリズムにより、サイドスラスタ１２、１３の推力の大きさ及び方向を制御することができる。

一実施形態では、水平方向推力制御が図９に示す手順で行われる。図９に示されている各ステップは、コントローラ２１による制御の下で実行される。

水平方向推力制御が開始されると、ステップＳ０１において、フロント横方向距離センサ２５とリア横方向距離センサ２６によってセンサ値δ_Ｆ、δ_Ｒが取得される。上述のように、センサ値δ_Ｆは、基準軸１ａの上のフロント横方向距離センサ２５が設けられている位置から、水路トンネル２００の壁面２００ａまでの距離を示しており、センサ値δ_Ｒは、基準軸１ａの上のリア横方向距離センサ２６が設けられている位置から、水路トンネル２００の壁面２００ａまでの距離を示している。

ステップＳ０２において、傾き角θ及び距離δが、ステップＳ０１で取得されたセンサ値δ_Ｆ、δ_Ｒに基づいて算出される。一実施形態では、傾き角θは、上記の式（１）に従って算出され、距離δが、上記の式（２）に従って算出される。

ステップＳ０３では、傾き角θが規定範囲内にあるかを判別する。一実施形態では、－θ_１≦θ≦θ_１の範囲が規定範囲として定義されており、傾き角θが－θ_１≦θ≦θ_１の範囲にあるかが判別される。

傾き角θが該規定範囲内にないと判別された場合、言い換えれば、傾き角θが水路トンネル２００の延伸方向から大きく傾いている場合、ステップＳ０４において、傾き角制御が優先的に行われる。傾き角制御では、傾き角θの符号に応じて、即ち、基準軸１ａが水路トンネル２００の延伸方向に対して時計周り、反時計回りのどちらに傾いているかに応じて、水路トンネル検査装置１を反時計周り又は時計周りに旋回させるように、サイドスラスタ１２、１３の回転数指令及びピッチ角指令が生成される。一実施形態では、ステップＳ１１において－θｍａｘ≦θ＜－θ_１が成り立つ場合、ステップＳ１３において、水路トンネル検査装置１が反時計回りに旋回するように回転数指令及びピッチ角指令が生成される。また、ステップＳ１２においてθ_１＜θｍａｘ≦θ_ｍａｘが成り立つ場合、ステップＳ１４において、水路トンネル検査装置１が時計回りに旋回するように回転数指令及びピッチ角指令が生成される。

水路トンネル検査装置１の旋回は、サイドスラスタ１２、１３が逆の方向に推力を発生することによって行われる。水路トンネル検査装置１を反時計回りに旋回させる場合、前方にあるサイドスラスタ１２が－Ｘ方向に推力を発生し、後方にあるサイドスラスタ１３が＋Ｘ方向に推力を発生するようにピッチ角指令が生成される。一実施形態では、サイドスラスタ１２に供給されるピッチ角指令が、－Ｘ方向に推力を発生させる第２ピッチ角－Φ_ｆｉｘに設定され、サイドスラスタ１３に供給されるピッチ角指令が、＋Ｘ方向に推力を発生させる第１ピッチ角Φ_ｆｉｘに設定される。このとき、サイドスラスタ１２、１３に供給される回転数指令は、ゼロでない所定の推力を発生する所定値Ｎ_ｒｏｔに設定される。

一方、水路トンネル検査装置１を時計回りに旋回させる場合、前方にあるサイドスラスタ１２が＋Ｘ方向に推力を発生し、後方にあるサイドスラスタ１３が－Ｘ方向に推力を発生するようにピッチ角指令が生成される。一実施形態では、サイドスラスタ１２に供給されるピッチ角指令が、＋Ｘ方向に推力を発生させる第１ピッチ角Φ_ｆｉｘに設定され、サイドスラスタ１３に供給されるピッチ角指令が、－Ｘ方向に推力を発生させる第２ピッチ角－Φ_ｆｉｘに設定される。

一実施形態では、基準軸１ａが過剰に傾いている場合、例えば、θ＜－θ_ｍａｘ又はθ_ｍａｘ＜θが成り立つ場合、ステップＳ１５においてアラームが発生される。一実施形態では、発生したアラームがモニター端末２から出力される。オペレータは、出力されたアラームを参照して、水路トンネル検査装置１を自律飛行モードからマニュアル操作モードに切り換え、適切な対応を取ることができる。

ステップＳ０３において傾き角θが規定範囲内にあると判別された場合、一実施形態では－θ_１≦θ≦θ_１が成り立つ場合、ステップＳ０５において、距離制御が行われる。距離制御では、水平面内にあり基準軸１ａに垂直な方向に水路トンネル検査装置１を移動させるように、サイドスラスタ１２、１３によって発生される推力ｆ_Ｆ、ｆ_Ｒが制御される。一実施形態では、距離制御では、サイドスラスタ１２、１３が同一の方向に同一の推力を発生するように、又は、推力がゼロであるように回転数指令及びピッチ角指令が設定される。

図１０は、距離制御の手順の一例を示しており、図１１は、図１０に図示されている距離制御によって生成される回転数指令と距離δとの関係を示している。図１０に示すように、一実施形態では、ステップＳ２１～Ｓ２４において、ステップＳ０２で算出された距離δが属する範囲が決定され、距離δが属する範囲に応じて回転数指令及びピッチ角指令が設定される。

一実施形態では、ステップＳ２１において、距離δがδ_１よりも小さいと判別された場合、ステップＳ２５において、回転数指令が許容される最大の回転数Ｎ_ｍａｘを指定するように設定され、ピッチ角指令が－Ｘ方向に推力を発生する第２ピッチ角－Φ_ｆｉｘに設定される。

一実施形態では、ステップＳ２２において、距離δがδ_１以上でありδ_２より小さいと判別された場合、ステップＳ２６において、回転数指令が距離δに基づく比例制御（Ｐ制御）によって設定され、ピッチ角指令が－Ｘ方向に推力を発生する第２ピッチ角－Φ_ｆｉｘに設定される。一実施形態では、図１１に示すように、回転数指令が、回転数Ｎ_ｍａｘから距離δの増大と共に線型的に減少される。

一実施形態では、ステップＳ２３において、距離δがδ_２以上δ_３以下であると判別された場合、ステップＳ２７において、回転数指令及びピッチ角指令が、サイドスラスタ１２、１３が発生する推力がゼロであるように設定される。一実施形態では、回転数指令が回転数０を指定するように設定される。このとき、一実施形態では、ピッチ角指令が、推力を発生しない第３ピッチ角０に設定されてもよい。

一実施形態では、ステップＳ２４において、距離δが、δ_３より大きく、δ_４以下であると判別された場合、ステップＳ２８において、回転数指令が距離δに基づく比例制御（Ｐ制御）によって設定され、ピッチ角指令が＋Ｘ方向に推力を発生する第１ピッチ角Φ_ｆｉｘに設定される。一実施形態では、図１１に示すように、回転数指令が、回転数０から距離δの増大と共に線型的に増大される。

一実施形態では、ステップＳ２４において、距離δがδ_４より大きいと判別された場合、ステップＳ２９において、回転数指令が許容される最大の回転数Ｎ_ｍａｘを指定するように設定され、ピッチ角指令が＋Ｘ方向に推力を発生する第１ピッチ角Φ_ｆｉｘに設定される。

図１０、図１１に示す距離制御によれば、距離δが、概ね、δ_２からδ_３の範囲に制御されるように、サイドスラスタ１２、１３に供給される回転数指令及びピッチ指令が設定される。

図９に戻り、ステップＳ０６では、ステップＳ０４の傾き角制御又はステップＳ０５の距離制御で設定された回転数指令及びピッチ角指令が、サイドスラスタ１２、１３に出力される。サイドスラスタ１２、１３のＥＳＣ３６は、回転数指令で指定された回転数でピッチ可変ロータ３４を回転させ、サーボモータ３７は、サイドスラスタ１２、１３のピッチ可変ロータ３４を、ピッチ角指令に指定されたピッチ角に設定する。

以上には、本発明の実施形態が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明が種々の変更と共に実施され得ることは、当業者には理解されよう。

１００ ：水路トンネル検査システム
１ ：水路トンネル検査装置
１ａ ：基準軸
１ｂ ：基準点
２ ：モニター端末
２ａ ：表示部
３ ：バルーン
４ ：機体
５ ：メインスラスタ
６ ：壁面情報取得装置
１１ ：支持体
１２、１３：サイドスラスタ
１４、１５：バーチカルスラスタ
１６ ：メインユニット
１７ ：受け具
２１ ：コントローラ
２２ ：ＲＦインタフェース
２３ ：バッテリー
２４ ：ワイヤーハーネス
２５ ：フロント横方向距離センサ
２６ ：リア横方向距離センサ
２７ ：垂直方向距離センサ
２８ ：照明装置
２９ ：カメラ
３０ ：記憶装置
３１ ：ロータ
３２ ：モータ
３３ ：ＥＳＣ
３４ ：ピッチ可変ロータ
３５ ：モータ
３６ ：ＥＳＣ
３７ ：サーボモータ
３８ ：ロータ
３９ ：モータ
４０ ：ＥＳＣ
５１ ：フレーム
５２ ：ベルト
５３ ：前側ジョイント
５４ ：後側ジョイント
５５ ：フレームバー
５５ａ ：前側バー
５５ｂ ：後側バー
５５ｃ ：中間バー
５５ｄ ：ジョイント
５５ｅ ：ジョイント
２００ ：水路トンネル
２００ａ ：壁面

Claims (9)

1. 水路トンネルの内部を飛行するように構成された水路トンネル検査装置であって、
   空気よりも比重が軽い気体が封入されるバルーンと、
   前記バルーンに搭載され、推力を発生する推力発生機構と、
   前記推力発生機構を制御するコントローラ
   とを備え、
   前記推力発生機構の制御は、前記水路トンネル検査装置に設定されている基準軸を水平面内で旋回させる推力を発生する第１制御と、前記水平面内にあり前記基準軸に垂直な方向に前記水路トンネル検査装置を移動させる推力を発生する第２制御とを含み、
   前記コントローラは、前記基準軸の前記水路トンネルの延伸方向に対する傾き角が規定範囲から外れている場合、前記第２制御を行わずに前記第１制御を優先的に行い、前記傾き角が前記規定範囲内にある場合、前記第２制御を行うように構成された
   水路トンネル検査装置。
2. 請求項１に記載の水路トンネル検査装置であって、
   前記推力発生機構が、
   前記水平面内にあり前記基準軸に垂直な第１方向及び前記第１方向と逆の第２方向に推力を発生可能に構成された第１スラスタと、
   前記第１スラスタに対して前記基準軸に平行な方向にずれて位置し、前記第１方向及び前記第２方向に推力を発生可能に構成された第２スラスタ
   とを備えており、
   前記第１スラスタと前記第２スラスタとが、前記第１制御及び前記第２制御によって制御される
   水路トンネル検査装置。
3. 請求項２に記載の水路トンネル検査装置であって、
   前記第１スラスタ及び前記第２スラスタが、それぞれ、第１ロータ及び第２ロータを備え、
   前記第１ロータ及び前記第２ロータは、回転方向を変えなくても前記第１方向及び前記第２方向の両方に推力が発生可能であるようにピッチ角が可変であるように構成された
   水路トンネル検査装置。
4. 請求項３に記載の水路トンネル検査装置であって、
   前記コントローラは、前記第１ロータ及び前記第２ロータそれぞれのピッチ角を、前記第１方向に推力を発生する第１ピッチ角、推力を発生させない第２ピッチ角、及び、前記第２方向に推力を発生する第３ピッチ角のうちから選択するように構成された
   水路トンネル検査装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の水路トンネル検査装置であって、
   前記推力発生機構が、更に、前記水平面に垂直な方向に推力を発生するように構成され、前記基準軸に平行な方向にずれて位置する第３スラスタ及び第４スラスタを備えており、
   前記第１スラスタ、前記第２スラスタ、前記第３スラスタ及び前記第４スラスタは、前記第３スラスタ及び前記第４スラスタが前記第１スラスタと前記第２スラスタの間に位置するように前記基準軸に平行な方向に並んで配置されている
   水路トンネル検査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水路トンネル検査装置であって、
   更に、
   前記基準軸の上の第１位置から前記水路トンネルの壁面までの第１距離に対応する第１センサ値を取得する第１距離センサと、
   前記基準軸の上の前記第１位置と異なる第２位置から前記水路トンネルの前記壁面までの第２距離に対応する第２センサ値を取得する第２距離センサとを備え、
   前記コントローラは、前記第１センサ値と前記第２センサ値に基づいて前記傾き角を特定する
   水路トンネル検査装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水路トンネル検査装置であって、
   更に、鉛直下方向における当該水路トンネル検査装置と前記水路トンネルとの間の第３距離に対応する第３センサ値を取得する超音波センサを備え、
   前記コントローラは、前記第３センサ値に基づいて、前記推力発生機構が前記水平面に垂直な垂直方向に発生する推力を制御する
   水路トンネル検査装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水路トンネル検査装置であって、
   更に、
   複数のフレームバーと前側ジョイントと後側ジョイントとを備えるフレームと、
   ベルト
   とを備え、
   前記複数のフレームバーのそれぞれの一端が前記前側ジョイントに結合され、他端が前記後側ジョイントに結合され、
   前記複数のフレームバーが、前記前側ジョイントと前記後側ジョイントとを結ぶ軸の周りに離間して配置され、
   前記バルーンが、前記複数のフレームバーに囲まれる空間に収容され、
   前記ベルトが、前記バルーン及び前記フレームに巻きつけられる
   水路トンネル検査装置。
9. 空気よりも比重が軽い気体が封入されるバルーンを備え、水路トンネルの内部を飛行するように構成された水路トンネル検査装置の制御方法であって、
   前記水路トンネル検査装置に設定されている基準軸を水平面内で旋回させる推力を発生する第１制御と、前記水平面内にあり前記基準軸に垂直な方向に前記水路トンネル検査装置を移動させる推力を発生する第２制御とを選択的に行うステップを含み、
   前記基準軸の前記水路トンネルの延伸方向に対する傾き角が規定範囲から外れている場合、前記第２制御を行わずに前記第１制御を優先的に行い、
   前記傾き角が前記規定範囲内にある場合、前記第２制御を行う
   水路トンネル検査装置の制御方法。
   

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