JP7238380B2 - 飛行装置、飛行システム、及び構造物の点検システム - Google Patents

Description

本発明は、飛行装置、飛行システム、及び構造物の点検システムに関する。

高度経済成長期に建設され、歳月が経過したトンネルや橋梁などの道路関連の公共インフラを、今後も安心して使い続けるために、これらの適切な維持管理、及び定期的な点検が必要とされている。このような公共インフラにおいて、橋梁の側面や裏面といった高所や狭隘部等でも点検を簡便に行うために、カメラを搭載した無人の飛行装置を遠隔から操作し、搭載したカメラで撮影した画像を利用する方法が知られている。

このような無人の飛行装置として、機体の回転翼が外部の物体と接触し、障害物と飛行装置との衝突によって飛行装置の姿勢または軌道に大きな擾乱が生じるのを防ぐために、回動可能な外側フレーム等の外枠を有する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の装置では、飛行装置の重心を外枠の回動軸の中心に一致させているために慣性モーメントが小さく、外枠が回動した際に、外枠と機体との接続部で生じるトルクで機体の姿勢が乱れることがあった。そのため、狭隘部に飛行装置が進入した時など、飛行の際に外枠が外部と接触して外力を受けることが多い時に、機体の姿勢が頻繁に乱れ、画像のブレ等により点検に適した画像を取得できない場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、飛行の際に外枠が外部と接触して外力を受けることが多い場合でも、機体の姿勢が乱れない飛行装置を提供することを課題とする。

開示の技術の一態様に係る飛行装置は、機体と、前記機体に回動可能に接続される外枠と、を有する飛行装置であって、前記機体は、回転翼と、前記回転翼を回転させる回転翼駆動手段と、を有し、前記外枠は、重力方向と交差する第１の回動軸で回動可能な第１の外枠を有し、前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段の重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置しており、前記外枠は、前記第１の外枠に接続される第２の外枠と、前記第２の外枠に接続され、前記重力方向を軸とする第３の回動軸で回動可能な第３の外枠と、複数の蓄電池と、を有し、前記第２の外枠は、前記重力方向と交差し、前記第１の回動軸に直交する第２の回動軸で回動可能であり、前記複数の蓄電池のそれぞれの重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置し、かつ第３の回動軸上とは異なる位置にあることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、飛行の際に外枠が外部と接触して外力を受けることが多い場合でも、機体の姿勢が乱れない飛行装置を提供することができる。

第１の実施形態の飛行装置の構成の一例を概略的に説明する斜視図である。 第１の実施形態のマルチコプタの構成の一例を説明する２面図である。 第１の実施形態の飛行装置をＢ軸方向から観察した正面図である。 第１の実施形態の飛行装置の有する制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態の飛行装置の有する制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 第１の実施形態が適用されない飛行装置にトルクがかかった時のマルチコプタの姿勢の変化を説明する図である。 第１の実施形態の飛行装置におけるマルチコプタにトルクがかかった場合のマルチコプタの動きと重心位置との位置関係を説明する図である。 第１の実施形態の飛行装置にトルクがかかった時のマルチコプタの姿勢の変化を説明する図である。 第２の実施形態の飛行装置におけるマルチコプタの構成の一例を説明する図である。 第３の実施形態の飛行装置におけるジオデシックドーム構造の一例を説明する図である。 第４の実施形態の飛行システムの機能構成の一例を示すブロック図である。 第５の実施形態の点検システムの機能構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。また各図面において、Ａ軸、Ｂ軸、及びＣ軸で方向を示す場合があるが、一例として、Ａ軸はピッチング挙動の回動軸、Ｂ軸はローリング挙動の回動軸、Ｃ軸はヨーイング挙動の回動軸とする。

[第１の実施形態]
まず、第１の実施形態の飛行装置の構成を説明する。図１は、飛行装置１００の構成の一例を、概略的に説明する斜視図である。図１に示されているように、飛行装置１００は、外枠１と、支持枠２ａ、及び２ｂと、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂと、第２接続ジョイント４ａ、及び４ｂと、第３接続ジョイント５ａ、及び５ｂと、マルチコプタ１０とを有している。外枠１は、第１外枠１ａと、第２外枠１ｂと、第３外枠１ｃとを有している。

第１外枠１ａには、支持枠２ａ、及び２ｂが固定されている。支持枠２ａ、及び２ｂは、それぞれ第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂを介してマルチコプタ１０に接続している。第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂは、一般的に使用される玉軸受やすべり軸受などの機械部品で構成され、接続される部品を連続的に回動可能にする。第２接続ジョイント４ａ、及び４ｂ、並びに第３接続ジョイント５ａ、及び５ｂにおいても同様である。

マルチコプタ１０は、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂにより、支持枠２ａ、及び２ｂに対してＡ軸回りに回動可能である。また支持枠２ａ、及び２ｂに接続された第１外枠１ａは、マルチコプタ１０に対してＡ軸回りに回動可能である。

第１外枠１ａには、第２接続ジョイント４ａ、及び４ｂが固定されている。第２外枠１ｂは、第２接続ジョイント４ａ、及び４ｂを介して第１外枠１ａに接続している。第２外枠１ｂは、第２接続ジョイント４ａ、及び４ｂにより、第１外枠１ａに対してＢ軸回りに回動可能である。また第２外枠１ｂは、第１外枠１ａに、支持枠２ａ、及び２ｂと、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂとを介して接続されたマルチコプタ１０に対して、Ｂ軸回りに回動可能である。

第２外枠１ｂには、第３接続ジョイント５ａ、及び５ｂが固定されている。第３外枠１ｃは、第３接続ジョイント５ａ、及び５ｂを介して第２外枠１ｂに接続している。第３外枠１ｃは、第３接続ジョイント５ａ、及び５ｂにより、第２外枠１ｂに対してＣ軸回りに回動可能である。また第３外枠１ｃは、第２外枠１ｂに、第１外枠１ａと、支持枠２ａ、及び２ｂと、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂとを介して接続されたマルチコプタ１０に対して、Ｃ軸回りに回動可能である。

外枠１は、Ａ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の３つの回動軸が交差するように構成されている。このような外枠１の回動機構は、所謂ジンバル機構等である。外枠１の内側に配置されたマルチコプタ１０は、外枠１に対してＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の周りに独立に回動することができる。なお上記では、外枠１が３つの輪状の部材で構成された例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、３つの球状の多面体等で、外枠を構成してもよい。なお、３つの球状の多面体で構成された外枠の例については、第３の実施形態で説明する。

次に、マルチコプタ１０の構成を説明する。図２は、マルチコプタ１０の構成の一例を説明する２面図である。図２（ａ）は、マルチコプタ１０をＢ軸方向から観察した正面図であり、図２（ｂ）は、マルチコプタ１０をＣ軸方向から観察した上面図である。

図２（ａ）に示されているように、マルチコプタ１０は、フレーム１１と、制御ユニット１２と、保持部材１３と、モータ１４と、プロペラ１５と、カメラ１６とを有している。フレーム１１は、フレーム１１に対して－Ｃ軸方向の位置に制御ユニット１２を保持している。つまり、制御ユニット１２は、フレーム１１（Ａ軸）よりも下方に設けられている。またフレーム１１は、Ａ軸方向の両端部分で保持部材１３と接続し、保持部材１３を固定している。またフレーム１１は、フレーム１１に対して＋Ｃ軸方向の位置に、カメラ１６を取付け、固定している。つまり、カメラ１６は、フレーム１１（Ａ軸）よりも上方に設けられている。なお、一点鎖線で示した、Ｃ軸方向におけるフレーム１１の中心線１１ａは、Ａ軸と略一致している。

一方、図２（ｂ）に示されているように、保持部材１３は、保持部材１３ａ、及び１３ｂで構成されている。保持部材１３ａの＋Ａ軸方向の面には、第１接続ジョイント３ａが取付けられている。保持部材１３ｂの－Ａ軸方向の面には、第１接続ジョイント３ｂが取付けられている。

図２において、保持部材１３ａ、及び１３ｂは、それぞれＢ軸方向を長手とし、Ｂ軸方向の両端部が－Ｃ軸方向（鉛直下方）に向けて折り曲げられた角型の部材である。但し、ブロック状の部材の組み合わせ等で、図２に示した保持部材１３ａ、及び１３ｂの形状を実現してもよい。保持部材１３ａ、及び１３ｂは、制御ユニット１２を挟んでＡ軸方向の対称となる位置でフレーム１１に固定されている。

一方、モータ１４は、モータ１４ａ～１４ｄから構成されている。モータ１４ａ、及び１４ｂは、フレーム１１を挟んでＢ軸方向の対称となる位置で、保持部材１３ａの折り曲げられた部分の－Ｃ軸方向の端部にそれぞれ取り付けられている。

同様に、モータ１４ｃ、及び１４ｄは、フレーム１１を挟んでＢ軸方向の対称となる位置で、保持部材１３ｂの折り曲げられた部分の－Ｃ軸方向の端部にそれぞれ取り付けられている。

モータ１４ａ～１４ｄがそれぞれ有するモータ軸には、カップリング等の機械部品を介して、プロペラ１５ａ～１５ｄが接続されている。モータ１４ａ～１４ｂ、及びプロペラ１５ａ～１５ｂは、保持部材１３ａよりも鉛直下方に設けられ、フレーム１１（Ａ軸）よりも鉛直下方に設けられている。また、モータ１４ｃ～１４ｄ、及びプロペラ１５ｃ～１５ｄは、保持部材１３ｂよりも鉛直下方に設けられ、またフレーム１１（Ａ軸）よりも鉛直下方に設けられている。

プロペラ１５ａ～１５ｄは、図２に示されているように、それぞれ２枚のブレードを備えており、モータ１４ａ～１４ｄの回転によりブレードが回転する。ブレードの回転によって回転軸方向に推力が発生する。なおブレードは、回転軸からブレードの先端にかけて緩やかに"ねじれ"が付いた形状を有する部材である。但しこれに限定されるものではなく、平板状の部材であってもよい。以下ではプロペラの回転と、ブレードの回転は同義とする。

ここで、図２の１９ａは、モータ１４ａ～１４ｂ及びプロペラ１５ａ～１５ｂの重心を示し、１９ｂは、モータ１４ｃ～１４ｄ及びプロペラ１５ｃ～１５ｄの重心を示している。

カメラ１６は、結像光学系１６ａと、撮像素子を有するカメラ本体１６ｂとを備え、画像、又は映像を撮像する。画像は静止画と同義であり、映像は動画と同義である。結像光学系１６ａは、複数のレンズにより構成され、被写体の像を撮像素子の撮像面上に結像させる。図２（ａ）では、結像光学系１６ａの光軸は、＋Ｃ軸方向に向いている。撮像素子には、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Device）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等を用いることができる。

カメラ１６の重心は、重力方向において、フレーム１１（Ａ軸）より上方に位置している。ここで、カメラ１６は、「撮影手段」の一例である。

制御ユニット１２は、制御装置と、電源部とを有している。制御装置は、モータ１４ａ～１４ｄにそれぞれ電気的に接続され、これらの回転を制御する。また制御装置は、カメラ１６に電気的に接続され、カメラ１６による撮像を制御する。

電源部は、蓄電池を有している。蓄電池は、例えばリチウムイオン電池等である。蓄電池は、制御装置、モータ１４ａ～１４ｄ、及びカメラ１６等に電気的に接続され、これらに対し、それぞれが動作するための電力を供給する。

ここで、マルチコプタ１０は、「機体」の一例である。モータ１４は、「回転翼駆動手段」の一例であり、プロペラ１５は、「回転翼」の一例である。

また、Ａ軸は、「第１の回動軸」の一例であり、また「所定の回動軸」の一例である。Ｂ軸は、「第２の回動軸」の一例であり、Ｃ軸は、「第３の回動軸」の一例である。

さらに、第１外枠１ａは、「第１の外枠」の一例であり、第２外枠１ｂは、「第２の外枠」の一例であり、第３外枠１ｃは、「第３の外枠」の一例である。

次に、飛行装置１００に作用する力を、図３を用いて説明する。図３は、飛行装置１００をＢ軸方向から観察した正面図である。

図３において、白抜き矢印６は、飛行装置１００に働く推力を示している。上述したように、マルチコプタ１０におけるモータ１４の回転により、プロペラ１５が回転する。

４つのモータ１４ａ～１４ｄの回転数をそれぞれ等しくすると、４つのプロペラ１５ａ～１５ｄはそれぞれ略等しい回転数で回転する。これによりプロペラ１５ａ～１５ｄは、それぞれ略等しい推力を発生し、マルチコプタ１０を白抜きの矢印６で示した方向に進行させる。

一方、白抜きの矢印７、及び矢印８は、マルチコプタ１０に作用する重力を表している。つまり、矢印７、及び矢印８で示された方向は、重力方向である。マルチコプタ１０の質量をＭとし、外枠１の質量をｍとし、重力加速度をｇとすると、マルチコプタ１０にはＭｇの重力が作用し、外枠１にはｍｇの重力が作用する。飛行装置１００にかかる重力は、マルチコプタ１０、及び外枠１等にかかる重力の総和である。矢印７は、マルチコプタ１０に作用する重力を示し、矢印８は、外枠１にかかる重力を示している。

図３に示した例では、矢印６の方向への推力は、重力方向とは反対の方向に作用しており、この場合の推力は、揚力に等しい。そのため、このような揚力が、飛行装置１００にかかる重力の総和を上回ると、マルチコプタ１０は浮き上がる。

但し、各プロペラが回転することによって生じる回転力の反作用を打ち消すため、隣接するプロペラは逆方向に回転し、相対するプロペラは同方向に回転するように制御される。例えば、プロペラ１５ａとプロペラ１５ｃは時計回りに回転する。一方プロペラ１５ｂとプロペラ１５ｄは反時計回りに回転する。これにより、プロペラの回転で生じる回転力の反作用が打ち消され、マルチコプタ１０は安定して浮き上がることができる。

一方、モータ１４ａ～１４ｄの回転数が相互に異なると、プロペラ１５ａ～１５ｄはそれぞれ異なる推力を発生する。各プロペラの推力の違いにより、マルチコプタ１０は浮き上がりながら所望の方向に傾く。これにより、マルチコプタ１０は傾いた方向に進行、すなわち飛行することが可能となる。

例えば、図２（ｂ）において、モータ１４ａ、及び１４ｄを、モータ１４ｂ、及び１４ｃより高い回転数で回転させると、プロペラ１５ａ、及び１５ｄによる推力は、プロペラ１５ｂ、及び１５ｃによる推力より大きくなる。これによりマルチコプタ１０は、Ａ軸回りに傾き、＋Ｂ軸方向に進行、すなわち飛行することができる。

次に、本実施形態の飛行装置の有する制御装置のハードウェア構成を説明する。図４は、本実施形態の飛行装置１００の有する制御装置２００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

図４に示されているように、制御装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１と、ＲＯＭ(Read Only Memory)２０２と、ＲＡＭ(Random Access Memory)２０３と、フラッシュメモリ２０４と、電源部２０５と、カメラ制御部２０６と、通信Ｉ／Ｆ（Inter／Face）２０７とを有している。また、制御装置２００は、モータ制御部（ＣＷ）２０８と、モータ制御部（ＣＣＷ）２０９と、センサＩ／Ｆ２１０とを有している。これらは、システムバスＢを介して相互に接続されている。

ＣＰＵ２０１は、制御装置２００の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ２０１は、ＲＡＭ２０３をワークエリア、すなわち作業領域としてＲＯＭ２０２、又はフラッシュメモリ２０４等に格納されたプログラムを実行することで、制御装置２００全体の動作を制御し、後述する各種機能を実現する。

フラッシュメモリ２０４は、ＣＰＵが実行するプログラムや、カメラ１６により撮像された画像、又は映像等を記憶することができる。

電源部２０５は、蓄電池２１２を有しており、蓄電池２１２からの電力を制御装置２００に供給する。

カメラ制御部２０６は、ＣＰＵ２０１の指示に従い制御信号を生成し、制御信号に基づく電圧信号を出力することで、カメラ１６による撮像を制御する電気回路である。また制御装置２００は、カメラ制御部２０６を通じて、カメラ１６により撮像された画像、又は映像を入力することができる。

通信Ｉ／Ｆ２０７は、無線通信により操作装置３００に接続するためのインタフェースである。制御装置２００は、通信Ｉ／Ｆ２０７を介して操作装置３００からの遠隔操作信号をＣＰＵ２０１に入力し、またカメラ１６により撮像された画像等の制御装置２００が取得したデータを、操作装置３００に出力する。

モータ制御部（ＣＷ）２０８は、モータ１４ａ、及びモータ１４ｃに電気的に接続されている。モータ制御部（ＣＷ）２０８は、ＣＰＵ２０１の指示に従い制御信号を生成し、制御信号に基づく電圧信号を出力することで、モータ１４ａ、及びモータ１４ｃの回転を制御する電気回路である。モータ制御部（ＣＣＷ）２０９も同様に、モータ１４ｂ、及びモータ１４ｄに電気的に接続され、ＣＰＵ２０１からの指示に従い制御信号を生成し、制御信号に基づく電圧信号を出力することで、モータ１４ｂ、及びモータ１４ｄの回転を制御する電気回路である。

なお、モータ制御部（ＣＷ）２０８は、ＣＷ（Clockwise）信号を出力し、モータ１４ａ、及びモータ１４ｃを時計回りに回転させる。モータ制御部（ＣＣＷ）２０９は、ＣＣＷ（Counterclockwise）信号を出力し、モータ１４ｂ、及びモータ１４ｄを反時計回りに回転させる。

センサＩ／Ｆ２１０は、飛行装置１００に設けられた慣性センサ２１３、及び測距センサ２１４に接続するためのインタフェースである。制御装置２００は、慣性センサ２１３、及び測距センサ２１４により検出された飛行装置１００のデータをセンサＩ／Ｆ２１０を介してＣＰＵ２０１に入力する。入力データは、飛行装置１００の飛行の制御、又は飛行装置１００による点検の制御等に用いられる。

慣性センサ２１３は、角速度や加速度を検知し、これに基づき、飛行装置１００の姿勢、又は運動状態を検知する。慣性センサ２１３により検知されたデータは、飛行制御に用いられる。慣性センサ２１３に代えて、３軸加速度センサ、３軸ジャイロセンサ、及び３軸磁気センサを有する慣性計測装置を設けてもよい。測距センサ２１４は、飛行装置１００による点検のために、点検対象となる構造物等との距離を計測する。

なお、ＣＰＵ２０１で行う処理の一部、又は全部を、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ等の電子回路で実現してもよい。

また飛行装置１００に、点検対象を照明するための照明装置を備えさせ、制御装置２００は、照明装置による照明の制御を行うことにしてもよい。さらに、慣性センサや測距センサ以外に他の対象を検出するためのセンサを設けてもよい。

制御装置２００は、ＣＰＵ２０１の命令、及び図４に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。

図５は、本実施形態の制御装置２００の機能構成の一例を示すブロック図である。制御装置２００は、飛行制御部２１６と、通信制御部２１７と、撮像制御部２１８と、点検制御部２１９とを有している。

飛行制御部２１６は、飛行装置１００の飛行を制御する。例えば、飛行制御部２１６は、操作装置３００から入力される遠隔操作信号、或いは慣性センサ２１３により検出された飛行装置１００の姿勢、又は運動状態等に基づき、モータ制御部（ＣＷ）２０８、及び／又はモータ制御部（ＣＣＷ）２０９により、モータ１４ａ～１４ｄの回転を制御する。これにより、飛行装置１００の姿勢、又は運動状態等が制御される。飛行制御部２１６は、例えばモータ制御部（ＣＷ）２０８、モータ制御部（ＣＣＷ）２０９、及びＣＰＵ２０１等により実現される。

通信制御部２１７は、通信Ｉ／Ｆ２０７を介して、無線通信により接続された操作装置３００と通信する。例えば、通信制御部２１７は、操作装置３００からの遠隔操作信号を受信する。或いはカメラ１６が撮像した画像、又は映像を操作装置３００に送信する。通信制御部２１７は、通信Ｉ／Ｆ２０７、及びＣＰＵ２０１等により実現される。

撮像制御部２１８は、ＣＰＵ２０１の指示に従いカメラ１６による撮像を制御する。撮像制御部２１８は、カメラ１６のシャッター速度、及びフレームレート等を制御する。

点検制御部２１９は、飛行装置１００が行う点検のための動作を制御する。点検時における飛行装置１００の姿勢、運動状態、又は点検対象となる構造物等までの距離等を制御する。

次に、飛行装置１００の飛行時におけるマルチコプタ１０の姿勢について説明する。飛行装置１００がマルチコプタ１０の揚力、及び／又は推力により飛行する際、マルチコプタ１０は、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂを介して外枠１を支持している。この場合、第１接続ジョイント３ａ、及び３ｂには、外枠１の重量による負荷がかかる。負荷に応じて、外枠１がマルチコプタ１０に対してＡ軸回りに回動する時に摺動抵抗が生じる。

摺動抵抗があると、外枠１が構造物等に接触して外力を受け、マルチコプタ１０に対してＡ軸回りに回動する際、マルチコプタ１０に対し、トルク、すなわちＡ軸回りのモーメントがかかる。このようなトルクは、マルチコプタ１０の姿勢を乱す要因となる。

図６は、本実施形態が適用されない飛行装置５００に対し、トルクがかかった時のマルチコプタ１０の姿勢の変化を示している。

図６は、飛行装置５００が、構造物５０に接触しながら、破線で示した矢印５１の方向に進行している様子を示している。（ａ）～（ｃ）は、進行中における飛行装置５００の３つの状態を示している。

飛行装置５００のマルチコプタ５０１は、本実施形態のマルチコプタ１０と同様に、プロペラ５０２、モータ５０３、保持部材５０４、制御ユニット５０５、プロペラ５０７及びカメラ５０８を備える。一方、本実施形態のマルチコプタ１０とは異なり、プロペラ５０２、及びモータ５０３が、重力方向において、外枠５０６の回動軸であるＡ軸よりも上方に配置されている。

まず図６（ａ）の状態は、トルクがかかっていない状態である。図６（ａ）の状態で、外枠５０６が構造物５０に接触すると、矢印５２の方向への外力が飛行装置１００に加わる。図６（ｂ）の状態では、外枠５０６は、外力に応じて矢印５３の方向に回動している。つまり外枠５０６は、Ａ軸回りに回動している。

この時、上述した摺動抵抗により、マルチコプタ５０１には、矢印５４の方向へのトルクがかかる。トルクに応じて、マルチコプタ５０１は傾いている。つまりマルチコプタ５０１の姿勢が変化している。図６（ｃ）では、図６（ｂ）の状態における傾きの反動で、マルチコプタ５０１が逆方向に傾いている。

狭隘部等の点検では、外枠を構造物に接触させながら飛行装置を進行させ、構造物の表面の撮影を行うため、図６に例示したように、飛行装置の外枠に外力が常時かかる。そのため、飛行装置は図６（ｂ）、又は図６（ｃ）の状態になりやすい。この状態のように飛行装置の姿勢が乱れると、撮影する画像がぶれ、点検に適した画像、又は映像を取得できなくなる場合がある。

そこで、本実施形態では、図２で示したように、モータ１４ａ～１４ｄ、及びプロペラ１５ａ～１５ｄの重心を、重力方向においてＡ軸より下方に位置させている。本実施形態では、モータ１４ａ～１４ｄ、及びプロペラ１５ａ～１５ｄをフレーム１１（Ａ軸）よりも下方に設けているが、モータ１４ａ～１４ｄ、及びプロペラ１５ａ～１５ｄの重心がフレーム１１よりも下方に位置していれば、モータ１４ａ～１４ｄやプロペラ１５ａ～１５ｄの一部が、フレーム１１よりも上方にあってもよい。

プロペラと、プロペラを回転させるためのモータは、飛行装置の構成部品の中で比較的重量が大きい。特に飛行装置がプロペラとモータとを複数有する場合、他の構成部品と比較したこれらの重量の大きさは、より顕著となる。

この作用について、図７を参照して説明する。図７は、マルチコプタ１０にＡ軸回りのトルクがかかった場合の、マルチコプタ１０のＡ軸回りの動きと重心位置との位置関係を説明する図である。

図７において、Ａ軸は、Ｂ軸とＣ軸との交点において、Ｂ軸とＣ軸に直交する軸である。２０はマルチコプタ１０の重心を示している。図７（ａ）は、トルクがかかっていない状態である。図７（ａ）において、距離Ｌは、Ａ軸から重心２０までの距離である。図７（ｂ）は、マルチコプタ１０に、矢印５５で示した方向に、トルクＮがかかった状態である。トルクＮに伴い、マルチコプタ１０がＡ軸回りに回動している。

ここで、マルチコプタ１０のＡ軸回りの慣性モーメントをＩとすると、トルクＮがかかった場合に、マルチコプタ１０に生じる角加速度αは、次の（１）式で表される。

α＝Ｎ／Ｉ （１）
（１）式から分かるように、慣性モーメントIが大きいほど、マルチコプタ１０に生じる角加速度は小さくなり、マルチコプタ１０の姿勢の変化は小さくなる。

一方、マルチコプタ１０の質量をｍとすると、マルチコプタ１０のＡ軸回りの慣性モーメントIは、次の（２）で表される。

Ｉ＝ｍ・Ｌ^２ （２）
（２）式から分かるように、慣性モーメントIは、距離Lが大きいほど大きくなる。

このように、マルチコプタ１０の重心位置が、重力方向においてＡ軸より下方にあると、トルクが発生した場合にマルチコプタ１０に生じる角加速度αが小さくなり、マルチコプタ１０の姿勢の変化が抑制される。

従って、本実施形態において、モータ１４ａ～１４ｂ、及びプロペラ１５ａ～１５ｂの重心１９ａと、モータ１４ｃ～１４ｄ、及びプロペラ１５ｃ～１５ｄの重心１９ｂを、それぞれ重力方向においてＡ軸より下方に位置させ、マルチコプタ１０の重心位置を低くすることで、トルクが発生した場合のマルチコプタ１０の姿勢の変化を抑制することができる。言い換えると、飛行の際に外枠が外部と接触して外力を受けることが多い場合でも、マルチコプタの姿勢を乱さない飛行装置を提供することができる。

また、マルチコプタ１０の重心２０の位置が、重力方向においてＡ軸より下方にあると、マルチコプタ１０が水平の時に位置エネルギーが最小となる。そのため、重力の作用でマルチコプタ１０の水平状態が得られやすくなる。少なくとも、外枠１を固定した状態でマルチコプタ１０を揺らした後、マルチコプタ１０が飛行姿勢に落ち着けば、重心２０はＡ軸より下方と言える。

図８は、本実施形態の飛行装置１００に対し、トルクがかかった時のマルチコプタ１０の姿勢の変化を示している。

図８は、図６と同様に、飛行装置１００が、構造物５０に接触しながら、破線で示した矢印５１の方向に進行している様子を示している。図８（ａ）～（ｃ）は、進行中における飛行装置１００の３つの状態を示している。

図６と比較し、図８（ｂ）の状態でのマルチコプタ１０の回動が小さい。また水平状態を得やすいため、マルチコプタ１０が回動しても、図８（ｃ）に示すように素早く水平状態に戻っている。

ここで、図８のように、飛行装置１００を矢印５１の方向に進行させながら、構造物５０の表面に対向させ、構造物の鉛直下向きの面を撮影可能な向きに配置されたカメラ１６で、構造物５０の表面を撮影し、構造物を点検する場合を考える。この場合、マルチコプタ１０の水平を保った状態で、外枠１を構造物５０の表面に接触させ、外枠１を転がすようにして飛行装置１００を進行させながら、撮影が行えると好適である。マルチコプタ１０、及びカメラ１６を構造物に近接させて撮影することができ、死角が少なく、かつ高解像度の画像が取得できるためである。

本実施形態によれば、外枠への外力によるマルチコプタ１０の回動を抑制でき、またマルチコプタ１０が回動しても、姿勢の変化が小さく、素早く水平状態に戻せるため、上述したような点検のための撮影を、実現しやすくなる。なお、構造物５０の表面は、「構造物の鉛直下向きの面」の一例である。

また、本実施形態では、モータ１４ａ～１４ｂ、及びプロペラ１５ａ～１５ｂは、重力方向において、フレーム１１（Ａ軸）よりも下方に設けられ、モータ１４ｃ～１４ｄ、及びプロペラ１５ｃ～１５ｄは、重力方向において、フレーム１１（Ａ軸）よりも鉛直下方に設けられている。これにより、マルチコプタ１０の重心を低くすることができ、上述したものと同様に、外枠への外力によるマルチコプタ１０の回動を抑制できる。そして、マルチコプタ１０が回動した場合にも、姿勢の変化を小さくでき、素早く水平状態に戻せるため、点検のための撮影を実現しやすくできる。

さらに、本実施形態によれば、重力方向においてプロペラ１５ａ～１５ｄの重心をＡ軸の下方に位置させ、カメラ１６の重心をＡ軸の上方に位置させることで、プロペラ１５ａ～１５ｄに妨げられることなく、カメラ１６の撮影視野を確保しやすくなる。

図８に示したように、構造物の鉛直下向きの表面等をカメラ１６で撮影する場合、プロペラ１５ａ～１５ｄに妨げられることなく、カメラ１６の撮影視野を確実に確保できるため、特に好適である。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態の飛行装置について説明する。なお、第１の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

本実施形態では、電源部は複数の蓄電池を有し、各蓄電池の重心を、重力方向においてＡ軸より下方に位置させ、かつＣ軸上には位置させないことにしている。図９は、本実施形態の飛行装置におけるマルチコプタ１０ａの構成の一例を示している。

図９において、マルチコプタ１０ａは、制御ユニット１２ａと、蓄電池１７ａ、及び１７ｂとを有している。制御ユニット１２ａは、第１の実施形態と異なり、電源部を備えず、制御装置２００のみを備えている。

蓄電池１７ａ、及び蓄電池１７ｂは、電源部として機能する。また蓄電池１７ａの重心２１ａ、及び蓄電池１７ｂの重心２１ｂは、重力方向においてＡ軸より下方にあり、Ｃ軸上から離れている。ここで「Ｃ軸上から離れている」とは、蓄電池１７ａの重心２１ａ、及び蓄電池１７ｂの重心２１ｂが、Ｃ軸上とは異なる位置にあることを意味している。

蓄電池は、構成部品の中でも比較的重量が大きい。特に飛行装置が蓄電池を複数有する場合、他の構成部品と比較したこれらの重量の大きさは、より顕著となる。本実施形態では、蓄電池１７ａ、及び１７ｂの重心を、重力方向においてＡ軸より下方に位置させることで、マルチコプタ１０の姿勢の変化を更に抑制している。

また蓄電池１７ａ、及び蓄電池１７ｂの重心を、Ｃ軸上から離れて位置させることで、Ｃ軸回りの回動、すなわちヨーイングに対する慣性モーメントを大きくしている。これにより外枠１の回動に対するマルチコプタ１０の姿勢の変化を更に抑制することができる。ここで、蓄電池１７ａ、及び１７ｂは、「複数の蓄電池」の一例であり、Ｃ軸は、「第３の回動軸」の一例である。

なお、上記以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態の飛行装置について説明する。なお、第１～２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

本実施形態では、飛行装置の有する外枠は、ジオデシックドーム構造、又はフラーレン構造の少なくとも一つを含んでいる。

ジオデシックドーム構造とは、球に近い正多面体である正十二面体、又は正二十面体、或いは半正多面体の切頂二十面体を、更に対称性をできるだけ持たせながら正三角形に近い三角形で細分割し、球面をその測地線（ジオデシック）、又は測地線を近似する線分の集まりで構成したドーム状構造である。特に、そのような構造を均質な構造材を多数並べることによってくみ上げたドーム状構造である。

フラーレン構造とは、五角形の面と六角形の面の２０枚で構成された切頂二十面体のドーム状構造である。フラーレン構造は、所謂サッカーボール状の構造である。特に、そのような構造を均質な構造材を多数並べることによってくみ上げたドーム状構造である。

図１０（ａ）は、ジオデシックドーム構造の一例を示している。本実施形態では、相互に直交するＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸で回動可能なジオデシックドーム構造の外枠を含む３つの外枠を有している。第１外枠６０ｃは、Ｃ軸回りに回動するジオデシックドーム構造を有している。第１外枠６０ｃの内側には、Ｂ軸回りに回動する第２外枠６０ｂが配置されている。また第２外枠６０ｂの内側には、Ａ軸回りに回動する第３外枠６０ａが配置されている。更に第３外枠６０ａの内側には、マルチコプタ１０が配置されている。マルチコプタ１０は、外枠６０に対してＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の周りに独立に回動することができる。

図１０（ｂ）は、フラーレン構造の一例を示している。本実施形態では、上記図１０（ａ）と同様に、相互に直交するＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸で回動可能なフラーレン構造の外枠を含む３つの外枠を有している。第１外枠６０ｃは、Ｃ軸回りに回動するフラーレン構造を有している。第１外枠６０ｃの内側には、Ｂ軸回りに回動する第２外枠６０ｂが配置されている。また第２外枠６０ｂの内側には、Ａ軸回りに回動する第３外枠６０ａが配置されている。更に第３外枠６０ａの内側には、マルチコプタ１０が配置されている。マルチコプタ１０は、外枠６０に対してＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の周りに独立に回動することができる。

本実施形態によれば、図８において、マルチコプタ１０の水平を保った状態で、外枠を構造物５０の表面に接触させ、外枠を転がすようにして撮影を行う場合に、外枠をより円滑に転がすことができる。これにより外枠に加わる外力を抑制し、外枠の回動に対するマルチコプタ１０の姿勢の変化を更に抑制することができる。またフラーレン構造によれば、ジオデシックドーム構造と比較してフレームの本数を少なくできるため、カメラ１６の撮影画像へのフレームの映り込みが低減し、かつ飛行装置を軽量化することができる。

なお、上記以外の効果は、第１～２の実施形態で説明したものと同様である。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態の飛行システムについて説明する。なお、第１～３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

本実施形態の飛行システムは、飛行装置１００と、操作装置３００とを有している。

図１１は、本実施形態の飛行システム７０の機能構成の一例を示すブロック図である。操作装置３００は、通信制御部３０１と、記憶制御部３０２と、表示制御部３０３と、操作制御部３０４とを有している。

通信制御部３０１は、飛行装置１００に備えられ、無線通信により接続された制御装置２００と通信を行う。例えば、通信制御部３０１は、カメラ１６が撮像した画像、又は映像を制御装置２００から受信する。また、通信制御部３０１は、飛行装置１００を操作する遠隔操作信号を制御装置２００に送信する。

記憶制御部３０２は、制御装置２００から受信した画像、又は映像をＲＯＭ、又はフラッシュメモリ等に記憶させる。

表示制御部３０３は、制御装置２００から受信した画像、又は映像を操作装置３００の表示部等に表示させる。

操作制御部３０４は、飛行装置１００を操作するための入力信号を受け付ける。飛行装置１００を操作する入力とは、例えば、飛行装置１００の飛行を操縦する操作や、点検モードに移行させる操作等である。

なお、操作装置３００のハードウェアは、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有して構成される。操作装置３００は、ＲＯＭに予め記憶されているプログラムに従って、ＲＡＭをワークメモリとして用いて、上記の制御を行うことができる。

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態の構造物の点検システムについて説明する。なお、第１～４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１２は、本実施形態の点検システムの機能構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の点検システム８０は、飛行装置１００ａと、操作装置３００と、点検装置４００とを有している。ここで、点検システム８０は、「構造物の点検システム」の一例である。

飛行装置１００ａは、制御装置２００ａを有し、制御装置２００ａは、通信制御部２１７ａと、記憶部２２０とを有している。

通信制御部２１７ａは、無線通信により接続された操作装置の通信制御部３０１と通信を行う。また通信制御部２１７ａは、無線通信により接続された点検装置の通信制御部４０１と通信を行う。例えば、通信制御部２１７ａは、飛行装置１００ａを操作する遠隔操作信号を操作装置３００から受信する。また通信制御部２１７ａは、カメラ１６が撮像した画像、又は映像を点検装置４００に送信する。

記憶部２２０は、カメラ１６により撮影した画像を記憶する。なお記憶部３０５は、飛行装置に設けられたＳＤカード等により実現される。

一方、点検装置４００は、飛行装置１００ａのカメラ１６で撮影された構造物の表面等の画像を受信し、点検のための処理等を実施する。点検装置４００は、例えば構造物から離れた場所にあるオフィスに設置されたＰＣ（Personal Computer）等である。

点検装置４００は、通信制御部４０１と、画像処理部４０２と、表示部４０３と、外部Ｉ／Ｆ４０４と、記憶部４０５とを有している。点検装置４００は、「飛行装置、又は操作装置の少なくとも１つと通信可能な端末」の一例である。

通信制御部４０１は、飛行装置１００ａの通信制御部２１７ａから、カメラ１６により撮影された画像を受信する。画像処理部４０２は、受信した画像に対し、点検等のための所定の画像処理を実行する。表示部４０３は、画像処理部４０２による処理画像を表示する。外部Ｉ／Ｆ部４０４は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等の外部記憶装置に接続されている。点検装置４００は、外部Ｉ／Ｆ部４０４を通じて、記憶装置等の外部機器とのデータの入出力が可能である。

飛行装置１００ａは水平方向に移動しながら、カメラ１６により、橋梁の床版や桁下面のような鉛直下向き面の画像の一部を撮影した画像群を取得する。動画撮影のように連続撮影することにより、隣接フレーム間で重なりのある画像群となる。

取得された画像群は、通信制御部２１７ａを介して点検装置４００に送信される。点検装置４００は、通信制御部４０１を介して画像群を受信する。受信された画像群は、画像処理部４０２に入力される。

画像処理部４０２は、画像群を、例えば横桁で区切られた格間のような点検単位に合成する（第２の画像の一例）。なお格間とは、建築において天井やヴォールトを覆う正方形、長方形、八角形などの形状のくぼんだパネルのことである。また画像処理部４０２は、合成された画像を画像処理し、橋梁における損傷の有無や種類、程度の分類等を行う。これらの結果は、点検結果として記憶部４０５に保存される。点検結果は印刷されたり、電子ファイルとして取り出されたりして、点検調書として取り扱われる。その際、画像群と点検単位に合成された画像は関連付けられて出力される。すなわち印刷したり、電子ファイルとして取り出したりすることができる。

以上では、橋梁における損傷の有無や種類、程度の分類等を画像処理部４０２が行う例を示したが、これに限定されるものではない。画像群を点検装置４００の表示部４０３に表示させ、点検者がこれを目視することで橋梁における損傷の有無や種類、程度の分類等を行ってもよい。この場合、点検者は必要に応じて先に合成した点検単位の画像を同時に表示させ、点検を行っている画像の位置の把握に利用してもよい。なお、表示部４０３はＰＣのモニター等で実現される。点検者はＰＣ等で点検結果の電子ファイルを作成し、必要な書式に従い点検調書として扱えばよい。

また、記憶部は、制御装置２００ａ、操作装置３００、又は点検装置４００の１つ以上が備える構成としてもよい。画像処理部４０２も同様に、制御装置２００ａ、操作装置３００、又は点検装置４００の１つ以上が備える構成としてもよい。

飛行装置１００ａで取得した画像を、操作装置３００を介して点検装置４００に送信する構成としてもよい。

制御装置２００ａが記憶部２２０、及び画像処理部４０２を備えるメリットとして、撮影した画像に画質調整等の処理をして送信することができる点等がある。点検装置４００が記憶部４０５、及び画像処理部４０２を備えるメリットとして、制御装置２００ａは単に撮影した画像を送信するだけとなり、画像処理等の負荷がかかる処理は、離れた場所のＰＣ等で実施できるという点等がある。

このような点検システムを用いることで、橋梁下面のような人が近接困難な部分に近接することなく点検作業を行うことができる。

飛行装置１００ａは撮影するだけなので、撮影現場には飛行操縦技能を有する者のみがいればよく、高度な知識を有するコンクリート診断士などの資格者（点検者）は、撮影現場にはいなくてもよくなる。

撮影された画像は、別のオフィス事務所など撮影現場から離れたところにあるＰＣ等に送られ、そこで点検者は撮影画像、及び画像処理された画像を閲覧し、点検することができる。これにより、点検者が現場に行かずに複数の橋梁の点検を行え、点検効率を上げることができる。

操作装置３００に、飛行装置１００ａの状況を表示することで、操縦者が利用することができるようにしてもよい。これにより機体を安定して飛ばせているのかどうかを目視できるような場所に操縦者がいない場合に、飛行装置１００ａの状況を確認できるので好ましい。また操作装置３００に、撮影画像を表示させてもよい。

以上、実施形態に係る飛行装置、飛行システム、及び構造物の点検システムについて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

なお、冒頭でＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸と、ピッチング挙動、ローリング挙動、及びヨーイング挙動の対応を示したが、これに限定はされない。例えば、Ａ軸をローリング挙動の回動軸、Ｂ軸をピッチング挙動の回動軸、Ｃ軸をヨーイング挙動の回動軸等としても構わない。

１、６０ 外枠
１ａ、６０ｃ 第１外枠（第１の外枠の一例）
１ｂ、６０ｂ 第２外枠
１ｃ、６０ａ 第３外枠
２ａ、２ｂ 支持枠
３ａ、３ｂ 第１接続ジョイント
４ａ、４ｂ 第２接続ジョイント
５ａ、５ｂ 第３接続ジョイント
６、７、８、５１、５２、５３、５４、５５ 矢印
１０、１０ｂ マルチコプタ（機体の一例）
１１ フレーム
１２ 制御ユニット
１３、１３ａ、１３ｂ 保持部材
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ モータ（回転翼駆動手段の一例）
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ プロペラ（回転翼の一例）
１６ カメラ（撮影手段の一例）
１６ａ 結像光学系
１６ｂ カメラ本体
１７ａ、１７ｂ、２１２ 蓄電池
１９ａ モータ１４ａ～１４ｂ及びプロペラ１５ａ～１５ｂの重心
１９ｂ モータ１４ｃ～１４ｄ及びプロペラ１５ｃ～１５ｄの重心
２０ マルチコプタの重心
２１ａ 蓄電池１７ａの重心
２１ｂ 蓄電池１７ｂの重心
５０ 構造物
７０ 飛行システム
８０ 点検システム（構造物の点検システムの一例）
１００、１００ａ 飛行装置
２００、２００ａ 制御装置
２０５ 電源部
２１３ 慣性センサ
２１４ 測距センサ
２１６ 飛行制御部
２１７、２１７ａ 通信制御部
２１８ 撮像制御部
２１９ 点検制御部
２２０、４０５ 記憶部
３００ 操作装置
３０１ 通信制御部
３０２ 記憶制御部
３０３ 表示制御部
３０４ 操作制御部
４００ 点検装置（端末の一例）
４０１ 通信制御部
４０２ 画像処理部
４０３ 表示部
４０４ 外部Ｉ／Ｆ部
Ａ軸 ピッチング挙動の回動軸（第１の回動軸の一例）
Ｂ軸 ローリング挙動の回動軸（第２の回動軸の一例）
Ｃ軸 ヨーイング挙動の回動軸（第３の回動軸の一例）

特許第６２２４２３４号公報

Claims (10)

1. 機体と、
   前記機体に回動可能に接続される外枠と、
   を有する飛行装置であって、
   前記機体は、
   回転翼と、
   前記回転翼を回転させる回転翼駆動手段と、
   を有し、
   前記外枠は、重力方向と交差する第１の回動軸で回動可能な第１の外枠を有し、
   前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段の重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置しており、
   前記外枠は、前記第１の外枠に接続される第２の外枠と、
   前記第２の外枠に接続され、前記重力方向を軸とする第３の回動軸で回動可能な第３の外枠と、
   複数の蓄電池と、を有し、
   前記第２の外枠は、前記重力方向と交差し、前記第１の回動軸に直交する第２の回動軸で回動可能であり、
   前記複数の蓄電池のそれぞれの重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置し、かつ第３の回動軸上とは異なる位置にある
   ことを特徴とする飛行装置。
2. 機体と、
   前記機体に回動可能に接続される外枠と、
   を有する飛行装置であって、
   前記機体は、
   回転翼と、
   前記回転翼を回転させる回転翼駆動手段と、
   を有し、
   前記外枠は、重力方向と交差する第１の回動軸で回動可能な第１の外枠を有し、
   前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置しており、
   前記外枠は、前記第１の外枠に接続される第２の外枠と、
   前記第２の外枠に接続され、前記重力方向を軸とする第３の回動軸で回動可能な第３の外枠と、
   複数の蓄電池と、を有し、
   前記第２の外枠は、前記重力方向と交差し、前記第１の回動軸に直交する第２の回動軸で回動可能であり、
   前記複数の蓄電池のそれぞれの重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置し、かつ第３の回動軸上とは異なる位置にある
   ことを特徴とする飛行装置。
3. 蓄電池を有し、
   前記蓄電池の重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置している
   ことを特徴とする請求項１、又は２に記載の飛行装置。
4. 前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段は、前記第１の回動軸より下方に位置している
   ことを特徴とする請求項１に記載の飛行装置。
5. 前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段の重心は、前記第２の回動軸より下方に位置する
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の飛行装置。
6. 前記外枠は、ジオデシックドーム構造、又はフラーレン構造の少なくとも一つを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の飛行装置。
7. 前記機体は、撮影により画像、又は映像を取得する撮影手段を有し、
   前記撮影手段の重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より上方に位置している
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の飛行装置。
8. 前記撮影手段は、構造物の鉛直下向きの面を撮影可能な向きに配置されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の飛行装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の飛行装置と、
   前記飛行装置を操作する操作装置と、を有する
   ことを特徴とする飛行システム。
10. 請求項７又は８に記載の飛行装置と、前記飛行装置を操作する操作装置と、
    前記飛行装置、又は前記操作装置の少なくとも１つと通信可能な端末と、を有し、
    前記端末は、前記撮影手段により撮影された前記画像を用いて第２の画像を生成し、前記画像と前記第２の画像とを関連付けし出力することを特徴とする構造物の点検システム。

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