JP7324388B2 - 無人航空機および無人航空機の制御方法 - Google Patents

無人航空機および無人航空機の制御方法 Download PDF

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Description

特許法第３０条第２項適用 ２０１９年８月１日付で、土木学会全国大会 第７４回年次学術講演会 講演概要集 ＶＩ－４７７にて、内堀大輔、中川雅史、柳秀一が公開。
本発明は、マンホールの内部の点検に使用される無人航空機および無人航空機の制御方法に関する。
従来、ＧＰＳ（Global Positioning System）を利用して、自己位置を推定し、自律飛行する無人航空機が知られている。また、ＧＰＳの電波が届かない環境では、機体に設置されたカメラから取得した画像を処理するVisual SLAM（Simultaneous Localization and
Mapping）技術を利用して、自己位置を推定し、自律飛行する無人航空機が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
谷戸善彦、稲垣裕亮、「下水道管路等閉鎖性空間に対応可能な無人航空機の開発」、非開削技術研究発表会論文集、Vol. 29、pp. 25-32，2018.
しかしながら、ＧＰＳの電波が届かない環境であるマンホールの内部は狭く、一般的に無人航空機がVisual SLAM技術を有効に利用するための十分な飛行空間が無い。ＧＰＳのみならずVisual SLAM技術も利用することができないマンホールの内部では、無人航空機は高精度に自己位置を推定することが困難であるという問題がある。
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、マンホールの内部であっても、高精度に自己位置を推定することが可能な無人航空機および無人航空機の制御方法を提供することにある。
一実施形態に係る無人航空機は、マンホールの内部の点検に使用される無人航空機であって、マンホール孔を撮影するカメラセンサと、距離を測定する測距計と、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した前記地面又は前記所定面との距離情報に基づいて、自己位置を推定する制御部と、を備え、前記測距計は、地面との距離、又は前記内部の躯体部に存在する溜水の水面との距離を測定する第１の超音波センサと、前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２の超音波センサと、前記内部の首部における壁面との距離を測定する第１のレーザセンサと、前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２のレーザセンサと、を備える。
一実施形態に係る無人航空機の制御方法は、マンホールの内部の点検に使用され、マンホール孔を撮影するカメラセンサと、距離を測定する測距計と、を備える無人航空機の制御方法であって、前記測距計は、地面との距離、又は前記内部の躯体部に存在する溜水の水面との距離を測定する第１の超音波センサと、前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２の超音波センサと、前記内部の首部における壁面との距離を測定する第１のレーザセンサと、前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２のレーザセンサと、を備え、前記無人航空機が地上部から前記首部へ飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した地面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、前記無人航空機が前記首部から前記躯体部へ飛行する際、前記測距計から取得した前記首部の壁面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、前記無人航空機が前記躯体部を飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、前記測距計から取得した前記躯体部の壁面との距離情報、前記躯体部の天井面との距離情報、および前記躯体部に存在する溜水の水面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、前記無人航空機が前記躯体部から前記首部へ飛行する際、前記測距計から取得した前記首部の壁面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、前記無人航空機が前記首部から前記地上部へ飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した地面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、を含む。
本開示によれば、マンホールの内部であっても、高精度に自己位置を推定することが可能な無人航空機および無人航空機の制御方法を提供することができる。
一実施形態に係る無人航空機の構成の一例を示す図である。 一実施形態に係るマンホールの構成の一例を示す側面図である。 一実施形態に係る無人航空機の制御方法の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る無人航空機の制御方法について説明するための図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明における「上」、「下」、「鉛直」とは、図面に描かれた座標軸表示のＺ軸に平行な方向を意味するものとし、「水平」とは、図面に描かれた座標軸表示のＸＹ平面に平行な方向を意味するものとする。
＜無人航空機の構成＞
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る無人航空機１００の構成について説明する。
無人航空機１００は、本体部１と、プロペラ２と、モータ３と、腕部４と、脚部５と、を備える。本体部１は、複数のカメラセンサ１０と、複数の測距計２１，２２と、制御部３０と、を備える。
本体部１は、直径が約４２０ｍｍ、高さが約２３０ｍｍの円盤形状であり、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材などにより組み立てられている。プロペラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、それぞれに取り付けられるモータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの駆動により回転駆動し、揚力を発生させる。腕部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、棒状の支持部材であり、水平方向に延在してプロペラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを回転可能に支持する。脚部５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、Ｔ字形状の支持部材であり、無人航空機１００を支持することで、離着陸時における無人航空機１００の転倒を防止する。
ここで、マンホール２００の構成について、簡単に説明する。
図２に示すように、マンホール２００は、規格品の通信用マンホールである。マンホール２００は、首部２１０と、躯体部２２０と、鉄蓋２３０と、管路２４０と、ダクト部２５０ａ，２５０ｂと、を備える。躯体部２２０は、天井部２２１と、床部２２２と、側壁部２２３と、を備える。マンホール２００の内部は、首部２１０の壁面Ｈ、天井部２２１の天井面Ｒ、側壁部２２３の壁面Ｈ、床部２２２の床面Ｆ（又は溜水３００の水面Ｗ）などで囲まれている。首部２１０は、例えば、直径が約６０ｃｍ、高さが約６０ｃｍの略円筒形状であり、鉄筋コンクリートなどで製造される。首部２１０の高さは、地面Ａと天井部２２１との距離を示している。躯体部２２０は、例えば、Ｘ軸方向の長さが約２．３ｍ、Ｙ軸方向の長さが約１．３ｍ、Ｚ軸方向の長さが約１．５ｍの略直方体形状であり、首部２１０と同様に、鉄筋コンクリートなどで製造される。側壁部２２３には、複数の管路２４０へと接続される貫通孔が形成され、ダクト部２５０ａ，２５０ｂが設けられている。鉄蓋２３０は、略円柱形状であり、マンホール２００の出入口であるマンホール孔Ｃに嵌合する。マンホール孔Ｃは、地上部１１０と地下部Ｂとの境界に形成されている。複数の管路２４０には、通信ケーブルなどが敷設されている。
次に、複数のカメラセンサ１０、複数の測距計２１，２２、制御部３０について、詳細に説明する。
カメラセンサ１０は、鉛直方向に１個以上配置される。本実施形態では、無人航空機１００は、鉛直方向に２個のカメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２を備えるものとして、以下説明する。
カメラセンサ１０Ｖ１は、鉛直方向の上部に配置され、対象物を撮影する。例えば、カメラセンサ１０Ｖ１は、マンホール孔Ｃを撮影する。カメラセンサ１０Ｖ１は、撮影した対象物（例えば、マンホール孔Ｃ）の画像情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、カメラセンサ１０Ｖ１の配置位置を適宜調整することができる。
カメラセンサ１０Ｖ２は、鉛直方向の下部に配置され、対象物を撮影する。例えば、カメラセンサ１０Ｖ２は、マンホール孔Ｃを撮影する。カメラセンサ１０Ｖ２は、撮影した対象物（例えば、マンホール孔Ｃ）の画像情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、カメラセンサ１０Ｖ２の配置位置を適宜調整することができる。
測距計２１，２２は、水平方向に２個以上、鉛直方向に１個以上配置される。測距計２１は、例えば超音波センサ２１Ｖ１，２１Ｖ２であり、測距計２２は、例えばレーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４，２２Ｖ１である。本実施形態では、無人航空機１００は、水平方向に４個のレーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を備え、鉛直方向に２個の超音波センサ２１Ｖ１，２１Ｖ２と１個のレーザセンサ２２Ｖ１を備えるものとして、以下説明する。
超音波センサ２１Ｖ１は、鉛直方向の上部に配置され、対象面との距離を測定する。例えば、超音波センサ２１Ｖ１は、マンホール２００の内部における天井面Ｒとの距離を測定する。超音波センサ２１Ｖ１は、測定した対象面（例えば、天井面Ｒ）との距離情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、超音波センサ２１Ｖ１の配置位置を適宜調整することができる。
超音波センサ２１Ｖ２は、鉛直方向の下部に配置され、対象面との距離を測定する。例えば、超音波センサ２１Ｖ２は、地面Ａとの距離、マンホール２００の内部における床面Ｆとの距離、又は、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離を測定する。超音波センサ２１Ｖ２は、測定した対象面（例えば、地面Ａ、床面Ｆ、水面Ｗ）との距離情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、超音波センサ２１Ｖ２の配置位置を適宜調整することができる。
レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４は、水平方向に配置され、対象面との距離を測定する。例えば、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４は、マンホール２００の内部における壁面Ｈ（首部２１０の壁面Ｈ又は躯体部２２０の壁面Ｈ）との距離を測定する。レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４は、測定した対象面（例えば、首部２１０の壁面Ｈ又は躯体部２２０の壁面Ｈ）との距離情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４の配置位置を適宜調整することができる。
レーザセンサ２２Ｖ１は、鉛直方向の上部に配置され、対象面との距離を測定する。例えば、レーザセンサ２２Ｖ１は、マンホール２００の内部における天井面Ｒとの距離を測定する。レーザセンサ２２Ｖ１は、測定した対象面（例えば、天井面Ｒ）との距離情報を、制御部３０へ出力する。作業者は、レーザセンサ２２Ｖ１の配置位置を適宜調整することができる。
制御部３０は、例えば、RaspberryPi（登録商標）などを含む小型コンピュータであり、無人航空機１００の各部を制御する。制御部３０は、無人航空機１００の飛行環境（例えば、地上部１１０、首部２１０、躯体部２２０など）に応じて、上述の各種センサを制御し、各種センサから取得した情報に基づいて、自己位置を推定する。
制御部３０は、鉛直方向における対象物の画像情報を取得する際、カメラセンサ１
０Ｖ１，１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２から、対象物の画像情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０や地上部１１０において、カメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２から、マンホール孔Ｃの画像情報を取得する。
制御部３０は、鉛直方向の上部における対象面との距離情報を取得する際、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１を制御し、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１から、対象面との距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１を制御し、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１から、マンホール２００の内部における天井面Ｒとの距離情報を取得する。
制御部３０は、躯体部２２０や地上部１１０において、マンホール孔との水平距離を取得する際に、カメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１，１０Ｖ２で画像を撮影し、撮影画像からマンホール孔Ｃの認識を行う。例えば、制御部３０は、地上部１１０において、カメラセンサ１０Ｖ２を制御し、鉛直方向の画像を撮影して、撮影画像からマンホール孔Ｃの認識を行い、マンホール孔Ｃと無人航空機の水平方向の距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、カメラセンサ１０Ｖ１を制御し、鉛直方向の画像を撮影して、撮影画像からマンホール孔Ｃの認識を行い、マンホール孔Ｃと無人航空機の水平方向の距離情報を取得する。
制御部３０は、鉛直方向の下部における対象面との距離情報を取得する際、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、対象面との距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、地上部１１０において、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、地面Ａとの距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、マンホール２００の内部における床面Ｆとの距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を取得する。
制御部３０は、水平方向における対象面との距離情報を取得する際、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、対象面との距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、首部２１０において、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、それぞれのレーザセンサから、マンホール２００の内部における首部２１０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、それぞれのレーザセンサから、マンホール２００の内部における躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。
上述のように、制御部３０は、無人航空機１００の飛行環境に応じて、上述の各種センサを制御する。例えば、地上部１１０においては、制御部３０は、日光の影響を受け難い超音波センサ２１Ｖ２を利用して、地面Ａとの距離を測定する。また、例えば、首部２１０においては、制御部３０は、乱反射が発生し難いレーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を利用して、首部２１０の壁面Ｈとの距離を測定する。また、例えば、躯体部２２０においては、制御部３０は、溜水３００の影響を受け難い超音波センサ２１Ｖ２を利用して、水面Ｗとの距離を測定する。
制御部３０は、各種センサから取得した画像情報および距離情報を複合的に用いて、自己位置を推定する。例えば、制御部３０は、地上部１１０において、マンホール孔Ｃの画像情報および地面Ａとの距離情報を複合的に用いて、自己位置を推定する。例えば、制御部３０は、首部２１０において、首部２１０の壁面Ｈとの距離情報を複合的に用いて、自己位置を推定する。例えば、制御部３０は、躯体部２２０において、天井面Ｒとの距離情報、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報、および躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を複合的に用いて、自己位置を推定する。制御部３０が、無人航空機１００の飛行環境に応じて、各種センサを適切に制御することで、高精度に自己位置を推定することが可能になる。
制御部３０は、推定した自己位置に基づいて、モータ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの駆動、プロペラ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの回転数および回転方向などを制御し、無人航空機１００の飛行を制御する。制御部３０は、例えば、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential Controller）制御により、無人航空機１００の飛行を制御する。制御部３０が、高精度に自己位置を推定し、この自己位置に基づいて、無人航空機１００の飛行を制御することで、無人航空機１００は、マンホール２００付近あるいはマンホール２００の内部を、高精度に自律飛行することが可能になる。
作業者は、マンホール２００の内部の点検に、無人航空機１００を使用する。作業者は、マンホール２００の鉄蓋２３０を開けた後、無人航空機１００をマンホール２００付近あるいはマンホール２００の内部で自律飛行させ、自身は安全な歩道などに避難して、無人航空機１００が撮影する映像などから、マンホール２００の内部の劣化状況を確認し、マンホール２００の内部を点検する。これにより、点検作業の安全性を高め、且つ、点検作業の効率化を図ることができる。
本実施形態に係る無人航空機１００は、制御部３０が、無人航空機１００の飛行環境に応じて、各種センサを適切に制御し、画像情報および距離情報を取得し、自己位置を推定する。これにより、ＧＰＳを利用できない環境であり、且つ、狭小のためVisual SLAM技術を利用できないマンホール２００の内部であっても、高精度に自己位置を推定することが可能な無人航空機１００を実現できる。
また、本実施形態に係る無人航空機１００は、推定した自己位置に基づいて、自律飛行する。したがって、無人航空機１００は、躯体部２２０に溜水３００が存在しても、水面Ｗとの距離を一定に保ちながら、マンホール２００の内部を高精度に自律飛行することができる。
＜無人航空機の制御方法＞
図３および図４を参照して、本発明の一実施形態に係る無人航空機１００の制御方法について説明する。図４において、黒丸は、各種センサの配置位置（無人航空機１００の位置）を示している。点線矢印は、複数のカメラセンサ１０の撮影方向を示している。実線矢印は、複数の測距計２１，２２の測定方向を示している。
〔地上部１１０での制御方法〕
ステップＳ１において、制御部３０は、無人航空機１００を、離陸位置から離陸させる。
ステップＳ２において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ２から、マンホール孔Ｃの画像情報を取得し、マンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、地面Ａとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２から取得した撮影画像から認識を行ったマンホール孔Ｃの情報および超音波センサ２１Ｖ２から取得した地面Ａとの距離情報に基づいて、マンホール孔Ｃおよび地面Ａとの距離を認識し、地上部１１０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、離陸位置からマンホール孔Ｃの直上位置まで、無人航空機１００を飛行させる。なお、マンホール孔Ｃの直上位置付近であっても、超音波センサ２１Ｖ２の指向性が広ければ、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２から、地面Ａとの距離情報を取得することが可能である。
ステップＳ３において、制御部３０は、無人航空機１００をマンホール孔Ｃの直上位置から下降させる。
〔首部２１０での制御方法〕
ステップＳ４において、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、首部２１０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した首部２１０の壁面Ｈとの距離情報に基づいて、首部２１０の壁面Ｈとの距離を認識し、首部２１０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、首部２１０の内部で、上部から下部まで、無人航空機１００を下降させる。
〔躯体部２２０での制御方法〕
ステップＳ５において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１から、マンホール孔Ｃの画像情報を取得し、マンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在する場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在しない場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０の床面Ｆとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１から取得した撮影画像からマンホール孔Ｃの認識情報、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報、および超音波センサ２１Ｖ２から取得した水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離情報に基づいて、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離および水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離を認識し、躯体部２２０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、マンホール孔Ｃの直下位置で、無人航空機１００を停止させる。
ステップＳ６において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１での画像の撮影と、撮影画像からのマンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在する場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在しない場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０の床面Ｆとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１から取得したマンホール孔Ｃの認識情報、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報、および超音波センサ２１Ｖ２から取得した水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離情報に基づいて、マンホール孔Ｃ、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離、および水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離を認識し、躯体部２２０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、躯体部２２０の内部で、無人航空機１００を、上昇、下降、旋回など任意に飛行させる。
さらに、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１での画像の撮影と、撮影画像からのマンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。また、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１を制御し、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１から、躯体部２２０の天井面Ｒとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在する場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在しない場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０の床面Ｆとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１から取得したマンホール孔Ｃの認識情報、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報、超音波センサ２１Ｖ１又はレーザセンサ２２Ｖ１から取得した天井面Ｒとの距離情報、および超音波センサ２１Ｖ２から取得した水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離情報に基づいて、マンホール孔Ｃ、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離、躯体部２２０の天井面Ｒとの距離、および水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離を認識し、躯体部２２０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、躯体部２２０の内部で、無人航空機１００を、上昇、下降、旋回など任意に飛行させる。
ステップＳ７において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１を制御し、カメラセンサ１０Ｖ１での画像の撮影と、撮影画像からのマンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在する場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０に存在する溜水３００の水面Ｗとの距離情報を取得する。また、躯体部２２０に溜水３００が存在しない場合、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、躯体部２２０の床面Ｆとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ１から取得したマンホール孔Ｃの認識情報、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した躯体部２２０の壁面Ｈとの距離情報および超音波センサ２１Ｖ２から取得した水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離情報に基づいて、躯体部２２０の壁面Ｈとの距離および水面Ｗ（又は床面Ｆ）との距離を認識し、躯体部２２０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、マンホール孔Ｃの直下位置で、無人航空機１００を停止させる。
ステップＳ８において、制御部３０は、無人航空機１００をマンホール孔Ｃの直下位置から上昇させる。
〔首部２１０での制御方法〕
ステップＳ９において、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４を制御し、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から、首部２１０の壁面Ｈとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、レーザセンサ２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４から取得した首部２１０の壁面Ｈとの距離情報に基づいて、首部２１０の壁面Ｈとの距離を認識し、首部２１０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、首部２１０の内部で、下部から上部まで、無人航空機１００を上昇させる。
〔首部２１０と地上部１１０との間での制御方法〕
ステップＳ１０において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ２での画像の撮影と、撮影画像からのマンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、地面Ａとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２から取得したマンホール孔Ｃの認識情報および超音波センサ２１Ｖ２から取得した地面Ａとの距離情報に基づいて、マンホール孔Ｃおよび地面Ａとの距離を認識し、首部２１０および地上部１１０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、首部２１０の上部からマンホール孔Ｃの直上位置まで、無人航空機１００を上昇させる。なお、マンホール孔Ｃの直上位置付近であっても、超音波センサ２１Ｖ２の指向性が広ければ、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２から地面Ａとの距離情報を取得することが可能である。
〔地上部１１０での制御方法〕
ステップＳ１１において、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２を制御し、カメラセンサ１０Ｖ２での画像の撮影と、撮影画像からのマンホール孔Ｃの認識を行う。また、制御部３０は、超音波センサ２１Ｖ２を制御し、超音波センサ２１Ｖ２から、地面Ａとの距離情報を取得する。そして、制御部３０は、カメラセンサ１０Ｖ２から取得したマンホール孔Ｃの認識情報および超音波センサ２１Ｖ２から取得した地面Ａとの距離情報に基づいて、マンホール孔Ｃおよび地面Ａとの距離を認識し、地上部１１０における無人航空機１００の位置を推定する。そして、制御部３０は、地上部１１０におけるマンホール孔Ｃの直上位置からマンホール孔Ｃの直上位置以外の位置まで、無人航空機１００を飛行させる。
ステップＳ１２において、制御部３０は、無人航空機１００を、着陸位置へ着陸させる。
本実施形態に係る無人航空機１００の制御方法は、制御部３０が、離陸位置から地上部１１０への飛行、地上部１１０からマンホール孔Ｃの直上位置までの飛行、首部２１０の内部の下降、躯体部２２０におけるマンホール孔Ｃの直下位置での停止、躯体部２２０の内部の飛行、躯体部２２０におけるマンホール孔Ｃの直下位置での停止、首部２１０の内部の上昇、首部２１０からマンホール孔Ｃの直上位置までの飛行、マンホール孔Ｃの直上位置からマンホール孔Ｃの直上位置以外の位置までの飛行、マンホール孔Ｃの直上位置以外の位置から着陸位置への飛行、において、無人航空機１００に配置されるカメラセンサ１０、超音波センサ２１、およびレーザセンサ２２を適切に制御し、画像情報および距離情報を取得し、これらの情報を複合的に用いて、自己位置を推定する。これにより、ＧＰＳを利用できない環境であり、且つ、狭小のためVisual SLAM技術を利用できないマンホール２００の内部であっても、高精度に自己位置を推定することが可能な無人航空機１００の制御方法を実現できる。
また、本実施形態に係る無人航空機１００の制御方法は、制御部３０が、推定した自己位置に基づいて、無人航空機１００を自律飛行させる。したがって、無人航空機１００は、地上部１１０においてマンホール孔Ｃを認識し、マンホール孔Ｃへ入孔し、首部２１０を下降し、躯体部２２０を飛行し、躯体部２２０において再びマンホール孔Ｃを認識し、首部２１０を上昇し、マンホール孔Ｃから出孔する、という自律飛行を、マンホール２００付近あるいはマンホール２００の内部で行うことができる。これにより、作業者は、マンホール２００の内部の点検に、無人航空機１００を使用することができる。
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。
１ 本体部
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ プロペラ
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ モータ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 腕部
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 脚部
１０Ｖ１，１０Ｖ２ カメラセンサ
２１，２２ 測距計
２１Ｖ１，２１Ｖ２ 超音波センサ
２２Ｈ１，２２Ｈ２，２２Ｈ３，２２Ｈ４，２２Ｖ１ レーザセンサ
３０ 制御部
１００ 無人航空機
１１０ 地上部
２００ マンホール
２１０ 首部
２２０ 躯体部
２２１ 天井部
２２２ 床部
２２３ 側壁部
２３０ 鉄蓋
２４０ 管路
２５０ａ，２５０ｂ ダクト部

Claims (5)

  1. マンホールの内部の点検に使用される無人航空機であって、
    マンホール孔を撮影するカメラセンサと、
    距離を測定する測距計と、
    前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した距離情報に基づいて、自己位置を推定する制御部と、
    を備え、
    前記測距計は、
    地面との距離、又は前記内部の躯体部に存在する溜水の水面との距離を測定する第１の超音波センサと、
    前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２の超音波センサと、
    前記内部の首部における壁面との距離を測定する第１のレーザセンサと、
    前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２のレーザセンサと、
    を備える、無人航空機。
  2. 鉛直方向における上部に、前記第２の超音波センサ、前記第２のレーザセンサ、および第１の前記カメラセンサが配置され、
    前記鉛直方向における下部に、前記第１の超音波センサ、および第２の前記カメラセンサが配置され、
    水平方向に、複数の前記第１のレーザセンサが配置される、
    請求項１に記載の無人航空機。
  3. 前記制御部は、前記認識情報および前記距離情報を複合的に用いて自己位置を推定する、
    請求項１又は２に記載の無人航空機。
  4. 前記制御部は、
    前記無人航空機が地上部から首部へ飛行する際、前記カメラセンサから前記マンホール孔の画像情報を取得し、前記画像情報から前記マンホール孔を認識し、前記測距計から地面との距離情報を取得し、
    前記無人航空機が前記首部から躯体部へ飛行する際、前記測距計から前記首部の壁面との距離情報を取得し、
    前記躯体部を飛行する際、前記カメラセンサから前記マンホール孔の画像情報を取得し、前記画像情報から前記マンホール孔を認識し、前記測距計から前記躯体部の壁面との距離情報、前記躯体部の天井面との距離情報、および前記躯体部に存在する溜水の水面との距離情報を取得し、
    前記無人航空機が前記躯体部から前記首部へ飛行する際、前記測距計から前記首部の壁面との距離情報を取得し、
    前記無人航空機が前記首部から前記地上部へ飛行する際、前記カメラセンサから前記マンホール孔の画像情報を取得し、前記画像情報から前記マンホール孔を認識し、前記測距計から地面との距離情報を取得する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の無人航空機。
  5. マンホールの内部の点検に使用され、マンホール孔を撮影するカメラセンサと、距離を測定する測距計と、を備える無人航空機の制御方法であって、
    前記測距計は、
    地面との距離、又は前記内部の躯体部に存在する溜水の水面との距離を測定する第１の超音波センサと、
    前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２の超音波センサと、
    前記内部の首部における壁面との距離を測定する第１のレーザセンサと、
    前記内部の躯体部における天井面との距離を測定する第２のレーザセンサと、
    を備え、
    前記無人航空機が地上部から前記首部へ飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した地面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、
    前記無人航空機が前記首部から前記躯体部へ飛行する際、前記測距計から取得した前記首部の壁面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、
    前記無人航空機が前記躯体部を飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、前記測距計から取得した前記躯体部の壁面との距離情報、前記躯体部の天井面との距離情報、および前記躯体部に存在する溜水の水面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、
    前記無人航空機が前記躯体部から前記首部へ飛行する際、前記測距計から取得した前記首部の壁面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、
    前記無人航空機が前記首部から前記地上部へ飛行する際、前記カメラセンサから取得した画像情報から認識を行った前記マンホール孔の認識情報、および前記測距計から取得した地面との距離情報に基づいて、自己位置を推定するステップと、
    を含む、無人航空機の制御方法。
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