JP7509405B2

JP7509405B2 - 管路形状推定方法及び管路形状推定装置

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Publication number: JP7509405B2
Application number: JP2020067261A
Authority: JP
Inventors: 太郎中村; 広都佐藤; 雄貴眞野
Original assignee: Chuo University
Current assignee: Chuo University
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2024-07-02
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: JP2021162547A

Description

本発明は、管路形状推定方法及び管路形状推定装置に関し、特に、管路内に自走式ロボットを走行させて管路形状推定方法及び管路形状推定装置に関する。

近年、下水道の整備が進められ、管路延長は約４６万ｋｍに上っている。その一方で、設置後５０年以上が経過した老朽管が急増することも見込まれている。この老朽管が破損すると、道路陥没などの重大事故につながる虞があるにも関わらず、予算等の制限からすべての老朽管を直ちに補修・交換することは困難であり、優先的に交換すべき配管や補修箇所を効率的に発見するなどの早急な対策が求められている。優先的に交換すべき配管や補修箇所の発見には、管内の状態を検査することが有効である。

特開２０１８－５０７７号公報

しかし、補修箇所や破損部位の特定に必要とされる管路図は、全管路図のおよそ４割が散逸しており、検査に加えて、管路形状を推定し、管路図を作成する必要もある。下水管の検査では、補修箇所や破損部位を特定するために長距離を安定して移動でき、散逸した管路図の作成において小型軽量で高精度な管路形状の推定が可能な計測システムが必要とされている。
例えば、下水管の検査には、主に押し込み式内視鏡や自走式ロボットが利用されている。押し込み式内視鏡では、作業者が配管の一端から内部に内視鏡を押し込み、先頭に搭載されたカメラによって内部の様子を確認することで検査される。しかし、内視鏡による検査は、長距離管や曲管において発生する屈曲摩擦により押し込み力を先頭まで伝達することが難しく、長距離の検査には不向きである。また、自走式ロボットでは、カメラを搭載したロボットを管内で走行させることで内部の映像を確認することで検査される。自走式ロボットには、車輪機構を搭載したロボットや、繊毛振動型ロボット、蠕動運動型ロボット（特許文献１）などの多くのロボットが提案されている。しかし、車輪機構を搭載したロボットは、牽引力が小さく、長距離管の検査が困難である。また、繊毛振動型ロボットは、本体全体を細毛で覆い、毛の振動を用いることで推進力を得て移動させているため、十分な牽引力を出すことが困難であり、垂直管や登攀管等の走行が難しいという問題がある。蠕動運動型ロボットは、下水道等の管内を検査するための管体内検査装置として収縮時に拡径し、伸長時に縮径する伸縮ユニットを複数連結し、ミミズの蠕動運動を模すように伸縮ユニットを順番に伸縮させることで、管内における推進力を発生させているため、十分な牽引力を生じさせ、長距離の移動も可能であり、下水管の検査において好適である。
管路形状の推定には、加速度計等の内界センサを用いた慣性航法による手法や、発信機を前述の検査ロボットに搭載し、地上の受信機で経路をプロットする手法などが知られている。慣性航法による手法は、使用するセンサ数が少なくなるため、システムを小型化できるという利点がある一方で、長距離を検査する場合にセンサのドリフトによる誤差が累積し、累積誤差が３０％程度と大きくなるという問題がある。また、ＧＰＳや発信器を用いた手法は、小型であるが金属管内では電波を受信できず失探する虞がある。
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、検査対象となる管の管路形状の計測精度を向上可能な管路形状計測方法及び管路形状計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための管路形状推定方法の態様として、直管部と曲管部とを有する管内を、管軸方向に伸縮可能とされたユニットを複数連結し、連結されたユニットを所定の順序で周期的に伸縮させるサイクルを繰り返しながら推進する移動体に、当該移動体の移動に伴う加速度及び姿勢の変化を検出可能な慣性計測装置を設け、前記移動体が前記管内を移動したときの加速度及び姿勢の時間変化の履歴を含む移動情報に基づいて、前記慣性計測装置の移動量及び移動方向を推定するための処理をコンピュータに実行させて管路形状を推定する管路形状推定方法であって、前記加速度を積分し、前記移動に伴う速度の時間変化を示す第１の関数を算出するステップと、前記第１の関数における１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を検出するステップと、１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を通る第２の関数を設定するステップと、前記第１の関数から前記第２の関数を減じて第３の関数を取得するステップと、前記第３の関数において前記開始点及び前記停止点に対応する区間を積分し、１つのサイクル毎の前記慣性計測装置の移動量を取得するステップと、を有する態様とした。
本態様によれば、移動体とともに移動する慣性計測装置の移動量を精度良く取得することができる。即ち、慣性計測装置が移動した軌跡は、管の延長方向に沿って移動した走行部の走行経路であるので、管路形状の推定において管路の長さを精度良く推定することができる。
また、管路形状推定方法の他の態様として、姿勢の変化に基づいて、移動情報の各時刻において慣性計測装置が管の直管部及び曲管部のいずれかを移動しているかを検出し、移動情報に設定するステップと、姿勢の変化に基づいて、曲管部の両端に接続された各直管部の延長方向を算出するステップと、取得された各直管部の延長方向が交差する角度を算出するステップと、取得された各直管部の延長方向が交差する角度に基づいて曲管部の角度を設定するステップとを含む態様とした。
本態様によれば、慣性計測装置により得られた情報から曲管部の形状を簡単に推定することができる。
また、上記課題を解決するための管路形状推定装置の構成として、直管部と曲管部とを有する管内を、管軸方向に伸縮可能とされたユニットを複数連結し、連結されたユニットを所定の順序で周期的に伸縮させるサイクルを繰り返しながら推進する移動体に設けられ、該移動体の移動に伴う加速度及び姿勢の変化を検出可能な慣性計測装置と、検出された前記加速度及び前記姿勢の変化に基づいて、前記慣性計測装置の移動距離及び移動方向を推定し、前記慣性計測装置の移動軌跡を取得する管路形状処理装置と、を備え、前記管路形状処理装置は、前記加速度を積分し、前記移動に伴う速度の時間変化を算出する速度算出手段と、前記速度算出手段により算出された速度の時間変化から１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を検出する移動点検出手段と、１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を通り、前記速度の時間変化に含まれる誤差を除くための補正線を設定する補正線設定手段と、前記速度の時間変化から前記補正線を減じて前記速度の時間変化に含まれる誤差を補正する誤差補正手段と、前記誤差補正手段により補正された前記速度の時間変化において１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点に対応する区間を積分して前記慣性計測装置の移動距離を算出する移動量算出手段と、を備えた構成とした。
また、管路形状推定装置の他の構成として、姿勢の変化に基づいて、移動情報の各時刻において慣性計測装置が管の直管部及び曲管部のいずれかを移動しているかを検出し、移動情報に設定する管形状設定手段と、姿勢の変化に基づいて、曲管部の両端に接続された各直管部の延長方向を算出する延長方向算出手段と、取得された各直管部の延長方向が交差する角度を算出する挟角算出手段と、算出された角度に基づいて、曲管部の角度を判定する曲管形状判定手段とを備えた構成とした。
本構成によれば、慣性計測装置により得られた情報から曲管部の形状を簡単に推定することができる。

自走式ロボットの概略構成図である。伸縮ユニットの断面図である。伸縮ユニットの弾性膨張体の断面図である。伸縮ユニットの動作を示す図である。ジョイントを示す図である。支持手段の平面図である。ジョイントの動作を示す図である。バルブユニットの概略構成図である。支持手段の作用を示す図である。走行部１０の進行動作を示す模式図である。初期位置Ｐ１において設定される座標系を示す図である。走行部の移動特性から得られる１サイクルの速度の時間変化を示すグラフである。実際の測定時の速度の時間変化を示すグラフである。曲管部や直管部を慣性計測装置が通過したときの角速度の出力値を示す図である。慣性計測装置の姿勢角を用いた曲管部の種類を推定する模式図である。基礎実験の実験環境を示す図である。基礎実験の実験結果を示す図である。基礎実験の実験結果を示す図である。３次元の実験環境を示す図である。３次元の実験結果を示す図である。３次元の実験結果を示す図である。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

以下、本発明の実施形態について、各図に基づき説明する。図１は、管５内を移動する自走式ロボット１の概略構成図である。本実施形態では、図１に示す自走式ロボット１には、管路形状計測装置２００を構成する慣性計測装置２１０が設けられ、自走式ロボット１が移動する管５の移動情報を取得する。慣性計測装置２１０により取得された移動情報は、管路形状計測装置２００を構成する管路形状処理装置２２０において処理され、自走式ロボット１の移動の軌跡として計測される。

まず、慣性計測装置２１０が搭載される自走式ロボット１について説明する。自走式ロボット１は、概略、管５内を移動する移動体としての走行部１０と、走行部１０を動作させるコンプレッサー７０と、コントローラー８０と、検査装置１００と、慣性計測装置２１０とを備える。

走行部１０は、複数の伸縮ユニット２０と、伸縮ユニット２０同士を接続するジョイント４０と、バルブユニット６０と、先頭部９０とを備える。以下の説明では、矢印Ｘ１に沿う方向を走行部１０の進行方向とし、この進行方向に沿って前側、逆を後側としてその前後方向を特定する。

図２は、伸縮ユニット２０の一構成例を示す軸方向断面図である。伸縮ユニット２０は、内筒２１と、内筒２１とともに二重管を形成するように内筒２１の外周を囲むように配設される外筒２２と、内筒２１及び外筒２２との端部に設けられる一対の端部部材２３；２３とを備える。

内筒２１は、軸方向に沿って伸縮可能な蛇腹構造を有する断面円形の筒体である。本実施形態の蛇腹構造は、螺旋状の蛇腹構造を有するものとして説明するが、これに限定されない。内筒２１を構成する素材には、例えば、軸線の曲がりを許容し、内周側や外周側からの圧力により変形しにくい可撓性を有する素材で構成されることが好ましい。内筒２１は、各端部が端部部材２３に設けられた内筒固定部２８に取り付けられる。

図３は、図２中のＡ１－Ａ１矢視における外筒２２の断面を誇張して示した図である。同図に示すように、外筒２２は、弾性体より形成される円筒状の筒本体２２Ａと、当該筒本体２２Ａの内部において密に内挿された複数の繊維２２Ｂとから構成される。筒本体２２Ａの材質としては、シリコーンゴム等の合成ゴム、或いは天然ラテックスゴム等の天然ゴム等の気密性及び伸縮性を有する弾性素材が好適である。

繊維２２Ｂは、一端側から他端側まで連続するように、軸線に沿って延長するように外筒２２の壁厚内に配置され、本実施例では層状に複数積層して密に内挿される。なお、繊維２２Ｂは、積層せずに単層であっても良い。繊維２２Ｂは、筒本体２２Ａの軸方向に沿って延在するものとして示すが、軸方向に対して交差するように設けても良い。この外筒２２は、各端部が端部部材２３に設けられる外筒固定部２９に取り付けられる。また、前述の一端側から他端側まで連続するようにとは、一本の繊維２２Ｂが外筒２２の一端側から他端側に到達する状態や、外筒２２の軸方向長さよりも短い複数の繊維が、軸方向に連続的に分布することで一端側から他端側まで到達する状態を意図する。

繊維２２Ｂの素材には、軸方向への伸縮変化の小さい素材が好適である。例えば、繊維２２Ｂの素材には、例えば、アラミド繊維、炭素（カーボン）繊維、ガラス繊維、ナイロン、ポリアミド系繊維やポリオレフィン系繊維、金属繊維等の被伸長性を有するものを適宜選択して用いることができる。繊維に適当なプライマー処理、又は、表面酸化処理を行うことで、接着性を十分に向上させることができるが、好ましくは、ゴムとの接着性に応じて選択すると良い。
また、繊維２２Ｂの形態は、フィラメント、ヤーン（スパン・ヤーン及びフィラメント・ヤーン）、ストランド等のいずれの形態でも用いることができ、さらに、撚りをかけずに収束させた無撚繊維、これらの繊維を複数本撚って作成した繊維を用いることも可能である。繊維の種類にもよるが、二種類以上の素材の異なる繊維や形態の異なる繊維を組み合わせても良い。

筒本体２２Ａを形成する素材は、後述する空気室Ｓへの圧縮空気の給排によってその形状が変化し得る材質であれば如何なる材質であっても良い。また、筒本体２２Ａの厚さや繊維２２Ｂの配置については、外筒２２の空気排出時の伸長する力等を考慮して決められる。

端部部材２３は、例えば樹脂や硬質のゴム、金属等により円筒状に形成された円筒体であって、内筒２１を固定する内筒固定部２８と、外筒２２を固定する外筒固定部２９とを備える。内筒固定部２８は、内筒２１の外周を嵌着可能に端部部材２３の内周面の一端側に設けられる。本実施形態では、内筒２１が螺旋状の蛇腹構造を有するものとしたことから内筒固定部２８は、例えば、当該内筒２１の螺旋形状を利用し、内筒２１の外周をねじ込み可能な螺旋溝として形成される。以下、端部部材２３において軸方向に内筒固定部２８が設けられた側を内側といい、その逆側を外側という。

例えば、内筒固定部２８を形成する螺旋溝は、内筒２１との気密性を考慮し、少なくとも内筒２１の外周側において螺旋を描く山部の１ピッチ以上となるように形成すると良い。また、内筒固定部２８は、例えば、内筒２１の外周面としまりばめとなるように形成することにより、内筒２１との気密性をより確実なものとすることができる。

外筒固定部２９は、端部部材２３の外周面に形成される。外筒固定部２９は、内筒固定部２８に固定された内筒２１の端面よりも所定距離軸方向外側に位置し、端部部材２３の外周を軸方向外側に行くにしたがって外径が漸次小径となるように、例えば球面状やテーパー状等に形成される。外筒２２は、端部が外筒固定部２９を軸方向外側に過ぎるように外筒２２を配置した状態において、端部部材２３の軸方向外側からリング状のカシメ部材３０を外筒２２の外周面側に被せ、さらにカシメ部材３０の外側から半円状に形成された一対の固定部材３２で端部部材２３の外周面に挟み込むように固定することで端部部材２３に固定される。

このように内筒２１及び外筒２２の端部を端部部材２３；２３に固定することにより、伸縮ユニット２０には、内筒２１の外周面と端部部材２３の外周面、及び外筒２２の内周面によって囲まれた閉空間としての空気室Ｓが形成される。

さらに、端部部材２３には、ジョイント４０を固定するためのジョイント固定部３４と、空気室Ｓへの空気を給排を可能にする給排孔３６が設けられる。
ジョイント固定部３４は、例えば、端部部材２３に外筒２２を固定した状態において前述の固定部材３２よりも軸方向外側に露出して設けられる。ジョイント固定部３４は、例えば、端部部材２３の肉厚方向（半径方向）に貫通するねじ孔として形成される。

給排孔３６は、内周側から内筒固定部２８と外筒固定部２９との間に形成された空気室Ｓに空気を給排可能に形成される。例えば、給排孔３６は、端部部材２３の内周面から端部部材２３の内側の端面に貫通する貫通孔として形成される。この給排孔３６には、後述のバルブユニット６０から延長するチューブが接続される。

図４は、伸縮ユニット２０の動作を示す図である。伸縮ユニット２０は、空気室Ｓに空気を供給することにより、軸方向に長さがｘ１からｘ２へと収縮するとともに径方向に外径がｄ１からｄ２へと拡径する。また、空気室Ｓから空気を排出することにより軸方向の長さがｘ２からｘ１へと伸長するとともに径方向に外径がｄ２からｄ１へと収縮する。以下、管５の内壁に接するように空気室Ｓに空気が供給された状態を膨張状態、空気室Ｓから空気が排出された状態を収縮状態という。伸縮ユニット２０は、空気を供給し、膨張させることにより、外筒２２の外周面と管５の内壁とに摩擦を生じさせるアクチュエータとして機能する。

図５は、ジョイント４０の外観図である。
ジョイント４０は、伸縮ユニット２０に取り付けられる一対の取付体４１と、取付体４１同士を結合する結合体４２と、コイルばね４４とを備える。
取付体４１は、例えば、端部部材２３の外周に嵌着可能な大きさに形成された円筒状の基部４１Ａと、基部４１Ａの一側側において直径方向に互いに対向し、基部４１Ａの軸方向に沿って延長するように同一の長さで突設された一対の突片４１Ｂ；４１Ｂを備える。

結合体４２は、取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂの内周面側を摺動可能な外径を有する環状部材として形成される。ジョイント４０は、一方の取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂと、他方の取付体４１の突片４１Ｂ；４１Ｂとを対向させ、互いに９０°捻じれた状態で結合体４２に取り付けられる。各取付体４１は、例えば、各突片４１Ｂの肉厚方向及び結合体４２の肉厚方向に軸部材４３を介して連結することで、各取付体４１が結合体４２に対してそれぞれ軸部材４３を軸として回転可能に取り付けられる。即ち、ジョイント４０は、中空のユニバーサルジョイントとして機能する。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、コイルばね４４は、一方の取付体４１の内周空間から結合体４２の内周空間を経て他方の取付体４１の内周空間に達するように設けられる。コイルばね４４は、例えば、外径が結合体４２の内径よりもやや小さく、一方の取付体４１や他方の取付体４１から脱落不能となるように取付体４１；４１に取り付けられる。

上述のように、取付体４１及び結合体４２を環状にすることにより、伸縮ユニット２０を連結したときに、伸縮ユニット２０の内筒２１の内側の空間を一続きに維持できるので、後述の伸縮ユニット２０を動作させるためのチューブの挿通を妨げることがない。

また、ジョイント４０には、取付体４１を端部部材２３に対して所定の位置に配置したときに、ジョイント固定部３４に螺入され、貫通したねじの先端が侵入する固定部４６が設けられる。固定部４６は、例えば、基部４１Ａの外周面から円筒状に窪む有底の凹部として設けられ、ジョイント４０の固定部４６を貫通するねじが進入し、底付きすることで端部部材２３に可能に形成される。ジョイント４０の各基部４１Ａ；４１Ａには、伸縮ユニット２０を支持し、伸縮ユニット２０の管５の内壁への接触を防止する支持手段５０が設けられる。

図６は、支持手段５０の一例を示す図である。支持手段５０は、取付体４１の基部４１Ａの外周に装着可能に形成された台座５１と、台座５１の外周面側に触接される繊維群５３とを備える。
図６に示すように、台座５１は、例えば、内周面が基部４１Ａの外周形状に沿って嵌着可能な半円状に形成される。台座５１の内周面には、該台座５１を基部４１Ａに取り付けたときに、突片４１Ｂ；４１Ｂの間に挿入され、基部４１Ａに対する位置決めをする一対の位置決め片５２が設けられている。

繊維群５３は、支持手段５０を平面視したときに、半円状に形成された台座５１の内周面の中心を中心とする放射状に延長するように複数の繊維５３ｚが台座５１の外周面に、例えば、ブラシを形成するように植設される。繊維群５３を形成する繊維の素材には、例えば、ナイロン繊維などのように腰のある弾性を有するものが好ましい。より好ましくは、繊維群５４を構成する繊維５３ｚは、図４に示すように伸縮ユニット２０が収縮状態にあるときに、伸縮ユニット２０が管５の内壁に接触しない（非接触とする）剛性を有するように、太さや素材を選ぶと良い。さらに好ましくは、繊維群５３は、曲管部７を進行するときに、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管５の内壁に接触しないように、支持可能に太さや素材、繊維５３ｚの数量を選択すると良い。即ち、伸縮ユニット２０が、管５の中心線上を移動するように、支持手段５０を構成すると良い。また、繊維群５３を形成する繊維５３ｚが台座５１から延長する方向は、前述の平面視において放射状に限定されず、走行部１０が曲管部７を進行するときに、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管５の内壁に接触しないように適宜変更すればよい。

支持手段５０は、基部４１Ａの外周において一周にわたり繊維群５３が放射状に延長するように基部４１Ａに対で取り付けられる。繊維群５３を形成する繊維５３ｚの長さは、前述の管５内壁への伸縮ユニット２０やジョイント４０の接触を回避しつつ、管５内を走行部１０の進行の妨げにならなければ、例えば、管５の内壁の全周にわたり先端が摺接するものでも良く、また、管５の内壁の一部に摺接するものでも良い。

図７は、ジョイントの動作を示す図である。支持手段５０が取り付けられたジョイント４０により連結された伸縮ユニット２０：２０は、図７（ａ）に示す直線状態や、図７（ｂ）に示すように、伸縮ユニット２０同士の軸線が交差するように屈曲することが可能となる。

なお、支持手段５０は、図７（ｂ）に示すように、ジョイント４０の折れ曲がりによって支持手段５０の台座５１同士が衝突し、連結された伸縮ユニット２０の曲がりに規制を与えるが、台座５１の幅を適宜変更することにより曲がりの角度を制御することができる。また、台座５１同士の接触を制御することにより、伸縮ユニット２０同士の不要な曲がりを抑制することにより、曲管部７における円滑な進行とともに推進速度を向上させることができる。

図８は、バルブユニット６０の概略構成図である。
バルブユニット６０は、最後尾の伸縮ユニット２０の後方に、例えば、前述のジョイント４０を介して接続される。バルブユニット６０は、各伸縮ユニット２０の空気室Ｓに、コンプレッサー７０から圧縮空気を供給、或いは、空気室Ｓに供給された圧縮空気を排出するための電磁弁６２を備える。電磁弁６２は、一つの伸縮ユニット２０について２つ設けられ、本実施形態では、７つの伸縮ユニット２０に対応して１４個の電磁弁６２が一つの収容体に一体的に収容される。

各電磁弁６２は、コントローラー８０から出力される信号に基づいて、伸縮ユニット２０への圧縮空気の供給、伸縮ユニット２０からの圧縮空気の排出、圧縮空気の供給による伸縮ユニット２０の膨張状態の維持、圧縮空気の排出による伸縮ユニット２０の収縮状態の維持などが制御される。電磁弁６２には、例えば、３方弁が適用できる。

コンプレッサー７０は、伸縮ユニット２０を駆動するための駆動源であって、前述のバルブユニット６０の電磁弁６２に所定の圧力に加圧された圧縮空気を供給する。例えば、前述のバルブユニット６０において分配管を介して各電磁弁６２を連通させておくことにより、コンプレッサー７０から一本の配管を延長し、バルブユニット６０に接続すれば良い。

コントローラー８０は、ワンチップ等の所謂コンピューターであって、複数の電磁弁６２に対して個別に信号を出力可能に接続される。コントローラー８０は、ジョイント４０を介して連結された複数の伸縮ユニット２０が蠕動運動を模すように、所定の順序で膨張、収縮、膨張状態の維持、収縮状態の維持がなされるように、複数の電磁弁６２に個別に信号を出力する。

図９は、支持手段５０の作用を示す図である。図９（ａ）に示す曲管部７は、所謂エルボーと称されるもっとも曲率半径の小さい場合を示している。このような曲管部７では、図９（ｂ）に示すように直角に曲がる管内壁５ｓが形成される。例えば、前述の走行部１０に支持手段５０がない場合には、走行部１０が曲管部７を通過するときに、直角の管内壁５ｓにこすれるように進行することになり、推進力に大きな抵抗を生じさせてしまう。

一方、上記構成の走行部１０によれば、管５内に図１に示す曲管部７がある場合でもスムースに移動することができる。本実施形態で説明したように、走行部１０のジョイント４０が支持手段５０を備えているため、繊維群５３が直角の管内壁５ｓにこすれながら移動させることができるので、伸縮ユニット２０やジョイント４０を管内壁５ｓから遠ざけ、摩擦を小さくすることができる。これにより、走行部１０は、曲管部７における推進力の低下が抑制され、スムースに通過することができる。

また、図１における直管部６においても、支持手段５０の繊維群５３が、図９（ｃ）に示すように伸縮ユニット２０やジョイント４０が管内壁５ｓから離れるように支持するため、走行部１０が直管部６を進行するときの摩擦を低下させることができる。例えば、前述の支持手段５０をジョイント４０に取り付けられていない場合、図４（ａ）に示すように、伸縮ユニット２０が収縮（軸方向に伸長）した状態から、図４（ｂ）に示すように、伸縮ユニット２０を膨張（軸方向に収縮）させると、伸縮ユニット２０の軸線は、外筒２２が管内壁５ｓに接触した状態にある位置から管内壁５ｓの中心線とほぼ一致する位置へと移動することになる。一方、本実施形態に示すように、支持手段５０をジョイント４０に取り付けた場合、伸縮ユニット２０やジョイント４０が管内壁５ｓから離れるように支持されるため、収縮（軸方向に伸長）した状態から膨張（軸方向に収縮）に至る伸縮ユニット２０の軸線の変化を小さくすることができる。これにより、伸縮ユニット２０の蠕動運動動作において、ジョイント４０の折れ曲がる角度が小さくなり、効率良く推進力を得ることができる。

なお、上記実施形態では、支持手段５０を台座５１及び繊維群５３により構成するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、スポンジ等のように、前述のように、伸縮ユニット２０やジョイント４０の管内壁５ｓとの直接的な接触を回避できる柔軟性及び復元性を有するものであれば適宜変更しても良い。

進行方向先頭に位置する伸縮ユニット２０Ａには、先頭部９０が取り付けられる。先頭部９０には、例えば、管５内を照射する光源９２と、管５内の情報を取得するためのカメラ９４等の撮影手段とが設けられる。

カメラ９４は、例えば、光軸を進行方向前方に向け、管５の管内壁５ｓを撮影可能に取り付けられる。カメラ９４には、管５内を連続的に撮影可能なものが好ましい。カメラ９４によって撮影された画像は、電気信号に変換され、有線或いは無線などを介して管５外に設けられた検査処理手段９６に出力される。検査処理手段９６は、所謂コンピュータであって、ハードウェア資源として設けられたＣＰＵ等の演算手段、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、モニター等の表示手段、操作者による入力を可能にするキーボード等の入力手段、カメラ９４等の外部機器からの入力を可能にする通信手段等を備え、カメラ９４により撮影された画像を表示手段に表示可能に構成される。

図１０は、走行部１０の進行動作を示す模式図である。図１０では、走行部１０の蠕動運動による進行動作を簡単に説明するために、伸縮ユニット２０を３つ（伸縮ユニット２０Ａ～２０Ｃという）連結したものを用いて説明する。
図１０（ａ）は、管内に走行部１０を配置した状態である。図１０（ａ）に示す状態から図１０（ｂ）に示すように、すべての伸縮ユニット２０Ａ～２０Ｃを収縮させて管内に固定する。次に、図１０（ｃ）に示すように、進行方向ｘ１の後端の伸縮ユニット２０Ａの収縮状態を維持させたまま、伸縮ユニット２０Ｂ及び伸縮ユニット２０Ｃを伸長させる。次に、図１０（ｄ）に示すように、伸縮ユニット２０Ａの収縮及び伸縮ユニット２０Ｂの伸長を維持したまま伸縮ユニット２０Ｃのみを収縮させる。次に、図１０（ｅ）に示すように、伸縮ユニット２０Ｃの収縮状態を維持したまま、伸縮ユニット２０Ｂを伸長、伸縮ユニット２０Ｃを収縮させる。次に、図１０（ｆ）に示すように、伸縮ユニット２０Ｃ及び伸縮ユニット２０Ｂの収縮状態を維持したまま、伸縮ユニット２０Ａを収縮させることで、走行部１０が前進する。図１０（ｆ）に示す動作状態は、図１０（ｂ）に示す動作状態である。即ち、走行部１０は、後端を基準として見た場合、図１０（ｂ）～図１０（ｅ）に示す工程を一つのサイクルとして前進、停止を交互に繰り返しながら進行する。

慣性計測装置２１０は、走行部１０の進行方向最後尾に設けられる。慣性計測装置２１０は、慣性計測装置２１０と３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサ及び各軸周りの角速度を検出可能なジャイロセンサを備える所謂６軸のＩＭＵ（inertial measurement
unit）である。慣性計測装置２１０は、例えば、走行部１０を管５内に配置したときに、管５の中心線Ｃ上に検出基準点が位置するように先頭部９０内に設けられる。検出基準点とは、慣性計測装置２１０に予め設定された３つの軸の交点である。以下の説明では、この３つの軸で形成される座標系をセンサ座標といい、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸等として示す。

慣性計測装置２１０では、このｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に沿う方向の加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを個別に検出する。また、慣性計測装置２１０は、ｘ軸周りに回転したときの角速度ωｘ、ｙ軸周りに回転したときの角速度ωｙ、ｚ軸周りに回転したときの角速度ωｚを検出する。慣性計測装置２１０は、ｙ軸が管５の延長方向に沿い、進行方向が正方向となるように走行部１０に配置される。
なお、本実施形態では、慣性計測装置２１０のセンサ座標のｙ軸を管５の延長方向に沿うように設定したが、ｘ軸やｚ軸等いずれであっても良い。センサ座標のいずれかの座標軸を管５の延長方向に沿って設定することにより、走行部１０の進行に伴う移動量や移動方向等の処理を簡素化することができる。慣性計測装置２１０により検出された加速度及び角速度は、例えば、電気配線を介して管５外に設けられた管路形状処理装置２２０に出力される。

管路形状計測装置２００は、前述の慣性計測装置２１０と、慣性計測装置２１０により検出された加速度及び角速度に基づいて、管路の形状を計測するための処理を実行する管路形状処理装置２２０とを備える。

管路形状処理装置２２０は、所謂コンピュータであって、ハードウェア資源として設けられたＣＰＵ等の演算手段、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶手段、ユーザーの手動操作により操作される操作パネル等の入力手段、慣性計測装置２１０等の外部機器と接続され、慣性計測装置２１０により検出された加速度や角速度等の情報の入力を可能にする入出力インターフェースを備える。記憶手段には、慣性計測装置２１０から入力された加速度や角速度が時系列データとして記憶される。この記憶手段に記憶された加速度や角速度の時系列データは、慣性計測装置２１０が管５内を移動したときの移動情報であり、管５の形状を間接的に示すものである。演算手段は、記憶手段に記憶されたプログラムを逐次処理を実行することにより、後述の各手段や各部として管路形状処理装置２２０を昨日させる。

管路形状処理装置２２０は、距離推定手段２２２と、曲管推定手段２２４とを備え、慣性計測装置２１０により検出された加速度や角速度に基づいて、慣性計測装置２１０の移動量及び移動方向を算出し、対象となる管５の管路形状を計測する。

距離推定手段２２２は、重力補正部２２２Ａと、速度算出部２２２Ｂと、移動点検出部２２２Ｃと、補正線設定部２２２Ｄと、誤差補正部２２２Ｅと、移動量算出部２２２Ｆとを備え、慣性計測装置２１０から入力される加速度に基づいて、走行部１０の動作により管５内を移動した慣性計測装置２１０の移動量を推定する。

重力補正部２２２Ａは、慣性計測装置２１０により検出された加速度における重力加速度（以下、単に重力という）Ｇの影響を補正する。３次元空間において慣性計測装置２１０により検出された加速度に基づいて移動量を算出する場合、検出された加速度には重力Ｇの分力が混在する。このため、重力補正部２２２Ａでは、慣性計測装置２１０により検出された加速度から重力Ｇによる成分を除去するための処理を実行する。

重力補正部２２２Ａでは、慣性計測装置２１０の起動時を初期位置Ｐ１とし、このときの姿勢を基準として重力Ｇの影響を除去する。
図１１は、初期位置Ｐ１において設定される座標系を示す図である。本実施形態では、慣性計測装置２１０の座標系をセンサ座標（座標軸を小文字のｘ，ｙ，ｚで示す）、重力Ｇを座標軸に含む座標系をグローバル座標（座標軸を大文字のＸ，Ｙ，Ｚで示す）として示す。また、センサ座標及びグローバル座標の原点Ｏは、慣性計測装置２１０が管５に設けられた初期位置Ｐ１に一致するように座標系を設定する。グローバル座標は、例えば、重力Ｇを含む座標軸をＺ軸、東西方向を示す座標軸をＸ軸、南北を示す座標軸をＹ軸等として設定すると良い。
実際の下水管等では、管５に上流側から下流側に向けて所定の勾配が設けられているため、図１１に示すように、グローバル座標に対してセンサ座標がずれている。

慣性計測装置２１０の移動のみの加速度の成分を(Ａｘ,Ａｙ,Ａｚ)、慣性計測装置２１０により計測された重力Ｇを含む加速度（センサ値）の成分を（Ａｓｘ
，Ａｓｙ，Ａｓｚ）、重力Ｇの分力の加速度の成分を（ｇｘ，ｇｙ，ｇｚ）として示す。また、初期位置Ｐ１のセンサ座標に対する観測位置（移動後）のセンサ座標の角度をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の順にθｘ，θｙ，θｚとして表す。θｘ，θｙ，θｚは、ジャイロセンサにより検出された角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを時間積分して算出される。また、添え字のｘ，ｙ，ｚは、センサ座標系である。

慣性計測装置２１０により計測された加速度の成分Ａｓｘ，Ａｓｙ，Ａｓｚには、以下の（式１）で与えられる大きさだけ重力Ｇの分力が加算されている。

したがって、以下の（式２）に示すように、各方向の加速度Ａｓｘ，Ａｓｙ，Ａｓｚから（式１）を差し引くことで、重力Ｇの影響を除外した移動のみの加速度の成分Ａｘ,Ａｙ,Ａｚが得られる。

そして、（式２）によって算出された加速度の成分Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを慣性計測装置２１０の移動量の算出に用いることで、慣性計測装置２１０の移動量を精度良く算出することができる。慣性計測装置２１０は、走行部１０の動作によって、図１１に示すように管５の延長方向（中心線Ｃ）に沿って初期位置Ｐ１から位置Ｐ２へと移動することから、後述の移動量の算出では、加速度の成分Ａｘについてのみを考慮すれば良い。

図１２は、走行部１０が１回（１サイクル）の蠕動運動したときに、慣性計測装置２１０により検出された加速度を速度算出部２２２Ｂによって積分して得られた慣性計測装置２１０の移動に伴う速度の時間変化を示すグラフである。
速度算出部２２２Ｂは、（式２）によって算出された加速度の成分Ａｙを時間について積分し、慣性計測装置２１０が移動したときの速度の時間変化を算出する。図１２に示す線０-ＡＢＣＤは、速度算出部２２２Ｂにより算出された速度の時間変化であり、これは時間ｔを変数とする関数Ｖ＝ｆ（ｔ）（式３）として定義することができる。

ここで、関数ｆ（ｔ）と走行部１０の走行特性との関係について考える。走行部１０は、前述のように、連結された伸縮ユニット２０が蠕動運動を模すように所定の順序で伸縮することで管５内を移動する。蠕動運動では、進行方向に伸びた後に先端を基準として後方を収縮させて再び進行方向に伸ばすことを繰り返して移動することから、前進、停止を繰り返しながら移動する特性があると言える。

つまり、慣性計測装置２１０は、走行部１０の動作と同様に、前進、停止を繰り返しながら移動し、この動作を慣性計測装置２１０自身で検出している。そうすると、走行部１０の移動特性によれば、速度ゼロから前進するためのプラスの加速度から停止（速度ゼロ）に至るマイナスの加速度として慣性計測装置２１０により検出されることになり、速度の時間変化としては山型のピークを有する形状となることが予測される。

一方、図１２に示す関数ｆ（ｔ）には、速度の変化が単調増加する区間ＯＡ及び区間ＣＤと、ピークを有する山型の区間ＡＢＣとが見られる。区間ＡＢＣでは、ピークを示す点Ｂに向けて速度が上昇する区間ＡＢがプラスの加速、区間ＢＣがマイナスの加速（減速）している。そうすると、関数ｆ（ｔ）の区間ＡＢＣが、慣性計測装置２１０の実質的な移動を示しているものと考えられ、それ以外の区間ＯＡ及び区間ＣＤでは、慣性計測装置２１０は移動していないものと考えられる。

一般に、慣性計測装置２１０により検出された加速度から速度の時間変化、移動量へと順次積分して得られた結果には、慣性計測装置２１０に特有のドリフトにより生じる誤差が累積し、単純には正確な移動量を算出することができないことが知られている。そうすると、前述の関数ｆ（ｔ）において、区間ＯＡ、区間ＣＤ及び区間ＯＡ及び区間ＣＤを結ぶ線分ＡＣよりも下の領域は、慣性計測装置２１０に特有のドリフトにより生じた累積誤差であると考えられる。

即ち、関数ｆ（ｔ）において、線分ＡＣよりも上の点ＡＢＣで囲まれる領域Ｒ１の面積が、慣性計測装置２１０が実際に移動した距離に相当し、関数ｆ（ｔ）の区間ＯＡ、線分ＡＣ、区間ＣＤよりも下の領域Ｒ２が、ドリフトにより生じた累積誤差であると考えられる。したがって、関数ｆ（ｔ）上の点Ａ及び点Ｃは、本来速度ゼロであり、時間軸上にあるべき点であることを考慮すれば、誤差を示す区間ＯＡ及び区間ＣＤを結ぶ線分ＡＣも時間軸上にあるべきと考えられる。

そこで、移動点検出部２２２Ｃでは、関数ｆ（ｔ）から点Ａ及び点Ｃを検出するための処理を実行する。即ち、移動点検出部２２２Ｃでは、速度算出部２２２Ｂで算出された速度の時間変化から慣性計測装置２１０が実質的に移動を開始した位置及び移動を停止した位置を検出する。以下、検出された点Ａを移動開始点Ａ、点Ｃを移動停止点Ｃという。

移動点検出部２２２Ｃにおける処理は、例えば、関数ｆ（ｔ）を時間軸に沿って、例えば、慣性計測装置２１０のサンプリングレートで走査し、各時刻における速度の変化率に基づいて移動開始点Ａ、移動停止点Ｃを検出することができる。
ここで、ある時刻における速度の変化率をＨｔ、一つ前の時刻における速度の変化率をＨｔ－１として、関数ｆ（ｔ）から移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃを検出するための処理の一例について説明する。

図１２に示す関数ｆ（ｔ）において、区間ＯＡ、区間ＣＤは、前述のように、誤差が累積する区間である。したがって、関数ｆ（ｔ）における区間ＯＡ、区間ＣＤでは、速度が単調に増加するものと仮定できる。また、区間ＡＢは加速、区間ＢＣは減速の加速度が検出された区間である。したがって、区間ＡＢは、速度が単調に増加し、区間ＢＣでは、速度が単調に減少するものと仮定できる。つまり、区間ＯＡ、ＡＢ、ＣＤでは、速度の変化率が正値、区間ＢＣでは、速度の変化率が負値となって算出されることが想定される。
そこで、関数ｆ（ｔ）のある時刻における変化率Ｈｔ及びこれに連続する１つ前の時刻における変化率Ｈｔ－１の符号に基づいて以下の判定処理を繰り返すことで、移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃを関数ｆ（ｔ）から検出する。

変化率Ｈｔ及び変化率Ｈｔ－１の符号がともに正値である場合には、変化率Ｈｔから変化率Ｈｔ－１を減じて変化率の差を算出する。次に、算出された変化率の差をあらかじめ設定された閾値と比較し、閾値よりも大きいときには、例えば、1つ前の時刻が移動開始点Ａであると判定し、閾値以下のときには移動開始点Ａではないとして判定する。

また、ある時刻の変化率Ｈｔが負値、１つ前の時刻の変化率Ｈｔ－１の符号が正値である場合には、例えば、１つ前の時刻を点Ｂとして判定する。

また、ある時刻の変化率Ｈｔが負値、１つ前の時刻の変化率Ｈｔ－１の符号が負値である場合には、変化率Ｈｔ及び変化率Ｈｔ－１の絶対値をとり、変化率Ｈｔから変化率Ｈｔ－１を減じて変化率の差を算出する。次に、算出された変化率の差をあらかじめ設定された閾値と比較し、閾値よりも大きいときには、例えば、１つ前の時刻を共通点（移動停止点Ｃ及び移動開始点Ａ）であると判定し、閾値以下のときには、移動停止点Ｃではないとして判定する。当該判定後走査を継続する。ここでいう共通点とは、図１３（ｂ）に示すように、関数ｆ（ｔ）において上向きに突出する三角形ＡＢＣに連続し、下向きに突出する三角形ＡＢＣの境界を示す点である。ここで、上向きに突出する三角形ＡＢＣは、前述のように前進を示し、下向きに突出する三角形ＡＢＣは、走行部１０等の滑りなどにより生じる後進を示している。なお、共通点であると判定された場合には、１つ前の時刻は移動停止点Ｃ及び移動開始点Ａであることが移動情報に記憶される。

また、ある時刻の変化率Ｈｔが正値、一つ前の時刻の変化率Ｈｔ－１の符号が負値である場合には、移動停止点Ｃとして判定する。
そして前記処理により判定された移動開始点Ａ、移動停止点Ｃ及び点Ｂは、移動情報の該当する時刻に紐付けして記録される。
なお、関数ｆ（ｔ）を走査するときの時間間隔は、前述のサンプリングレートに限定されず、サンプリングレートの２倍、３倍等、所望の精度が得られるように適宜変更しても良い。

補正線設定部２２２Ｄは、移動点検出部２２２Ｃにおいて検出された移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃを通る直線を設定する。移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃの２点を通る直線は、図中点線で示すように、関数Ｖ＝αｔ＋β（式４）として定義することができる。以下、（式４）で表される直線を補正線という。α，βは、移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃに基づいて設定される定数である。補正線設定部２２２Ｄおいて設定された直線は、前述の累積誤差領域Ｒ２と、移動領域Ｒ１とを区画する誤差域境界線といえる。

前述の定数α，βは、例えば、次のように算出できる。αは、移動停止点Ｃにおける速度から移動開始点Ａにおける速度を減じて得た速度差を、移動停止点Ｃにおける時刻から移動開始点Ａにおける時刻を減じて得た時間差で除すことで得られる。また、βは、算出されたαを（式４）に設定し、（式４）のｖ，ｔに、例えば、移動開始点Ａにおける速度ｖａと、時刻ｔａを設定することで得られる。

誤差補正部２２２Ｅは、（式３）から補正線設定部２２２Ｄにより得られた（式４）を減じることにより、（式３）をＶ＝ｇ（ｔ）（式５）へと変換し、（式３）に含まれる累積誤差を除去する。これにより、関数ｆ（ｔ）上の点Ａ，Ｂ，Ｃは、点Ａ’，点Ｂ’，点Ｃ’へと移動する。

移動量算出部２２２Ｆは、誤差補正部２２２Ｅの処理により移動後の点Ａ’Ｂ’Ｃ’を頂点とする三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’の面積を算出する。移動量算出部２２２Ｆの具体的な処理としては、時間軸上に移動した点Ａ’から点Ｃ’までの時間について（式５）を積分することで三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’の面積を算出する。算出された面積は、走行部１０が１回の前進、停止動作をしたときの移動量である。

実際の測定時には、走行部１０が前進、停止を繰り返しながら管５内を進行するため、図１３（ａ）に示すように、加速度Ａｙを積分して得られた速度の時間変化を示す関数ｆ（ｔ）には、前述の三角形ＡＢＣに相当する領域が複数個間欠的に形成される。図１３（ａ）では、説明の便宜上、走行部１０が管５に対してスリップすることなく、同じ速度で移動しているときを想定し、三角形領域を同じ大きさで示してある。また、走行部１０が上り勾配を移動する場合などでは、例えば、走行部１０が停止したときに、管５に対してスリップして後進することも考えられる。この場合、図１３（ｂ）の時刻ｋ１－ｋ２で示すように、速度の時間変化に負の速度が生じる。この場合には、移動距離の算出時には減算される。
なお、前述の三角形ＡＢＣの大きさや形状は、走行部１０の移動速度に応じて変化する。

したがって、実際の測定には、移動点検出部２２２Ｃにより各三角形ＡＢＣに相当する領域の移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃを関数ｆ（ｔ）から検出し、移動開始点Ａ及び移動停止点Ｃを検出する毎に、補正線設定部２２２Ｄにより補正線を設定し、誤差補正部２２２Ｅにより補正線を用いて三角形ＡＢＣを三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’へと移動させ、移動後の三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’の面積を移動量算出部２２２Ｆにおいて算出する工程を繰り返し、算出された移動量を加算することで、慣性計測装置２１０が管５を移動した総移動量を算出することができる。

曲管推定手段２２４は、管形状設定部２２４Ａと、方向ベクトル算出部２２４Ｂと、挟角算出部２２４Ｃと、曲管形状判定部２２４Ｄとを備え、検査対象の管５を構成する曲管部７の曲がり状態を推定する。一般に、曲管部７の前後（両端）には、直管部６が接続されるていることに着目し、曲管推定手段２２４では、曲管部７の前後に接続される２本の直管部６；６の延長方向に基づいて曲管部７の曲がり状態を推定する。

図１４は、曲管部７と直管部６とを慣性計測装置２１０が実際に通過したときの角速度の時間変化を示す図である。図１４に示すように、慣性計測装置２１０が、曲管部７を通過する場合、直管部６を通過しているときの角速度の変化に比べて、角速度が急激に変化する。そこで、この角速度の変化に着目し、検出された角速度の時間変化から曲管部７を判定することができると考えた。例えば、図１４に示す角速度の変化では、領域Ｑ１，Ｑ３が角速度の変化からそれぞれ曲管部７を通過している領域であり、その間の領域Ｑ２が直管部６を通過している領域であると推定できる。

そこで、管形状設定部２２４Ａでは、曲管部７の曲がり状態を推定するための前処理として、検出された角速度の時間変化に基づいて、慣性計測装置２１０が通過した各時刻における管５の形状が直管部６であるか曲管部７であるかを設定する。本実施形態では、走行部１０の進行方向であるｙ軸は、管５に対する走行部１０のねじれを表すため、ｘ軸、ｚ軸周りの角速度ωｘ、角速度ωｚの両方、又は、いずれか一方の時間変化に基づいて、直管部６であるか曲管部７であるかを設定する。

管形状設定部２２４Ａにおける直管部６と曲管部７を検出する処理としては、
例えば、角速度ωｘ，角速度ωｚのそれぞれについて、微小時間で時間積分し、その微小時間における変化量に対してあらかじめ設定した閾値と比較し、閾値よりも小さい場合には直管部６、閾値以上のときには曲管部７等として判定することで、当該微小時間の範囲が直管部６であるか曲管部７であるかを設定することができる。管形状設定部２２４Ａにおいて設定された直管部６、或いは曲管部７等の情報は、移動情報に紐付けして記録される。

図１５は、慣性計測装置２１０の姿勢角を用いた曲管部７の種類を推定する模式図である。方向ベクトル算出部２２４Ｂでは、曲管部７に接続された２つの直管部６；６が３次元空間ににおいて延長する方向を特定する３次元ベクトルＶｅｃを算出する。ここでいう３次元ベクトルＶｅｃとは、前述のグローバル座標において直管部６が延長する方向を意味する。

直管部６の３次元ベクトルＶｅｃには、直管部６の中間点Ｍにおいて定義される。中間点Ｍとは、直管部６の長さの中点である。この直管部６の３次元ベクトルＶｅｃは、当該位置における慣性計測装置２１０の姿勢角から求められる。本実施形態では、前述のように、慣性計測装置２１０のセンサ座標のｘ軸を管５の延長方向に設定していることから、初期位置Ｐ１から各直管部６のそれぞれの中間点に至るｘ軸の姿勢角の変化の履歴から直管部６の３次元ベクトルＶｅｃを設定することができる。２つの直管部６；６の中間点におけるｘ軸の姿勢角の３次元ベクトルのなす角θｘ，θｙ，θｚを算出する。

挟角算出部２２４Ｃでは、設定された２本の直管部６；６の３次元ベクトルのなす角γを算出する。挟角算出部２２４Ｃでは、一方の直管部６と、他方の直管部６との内積を演算することで算出することができる。

曲管形状判定部２２４Ｄでは、挟角算出部２２４Ｃにおいて算出された直管部６；６のなす角γと、規格化されている曲管の角度３０°，４５°，９０°との差をそれぞれ算出し、差が最も小さい角度の曲管であると判定する。

即ち、曲管推定手段２２４における処理では、下水管の管路に使用されている曲管が前述したように３０度、４５度、９０度の３種類に規格で定められているため、厳密な演算をすることなく、曲管部７の両端に接続された直管部６；６の３次元ベクトルＶｅｃのなす角γに最も近い角度の曲管を選択することで曲管部７の形状を特定することができる。曲管推定手段２２４において特定された曲管の角度は、移動情報に紐付けして記憶される。

以上説明したように、本実施形態によれば、管路を検査する場合に、前述の走行部１０のように、蠕動運動を模した前進、停止を交互に繰り返しながら管内を移動する移動特性を有する自走式ロボットを用い、その自走式ロボットに慣性計測装置２１０を搭載して管内を移動させ、移動時に慣性計測装置２１０に作用する加速度や角速度の履歴を取得し、加速度に基づいて算出される慣性計測装置２１０の移動量の算出を、管路形状処理装置２２０により前述の移動特性に基づいて補正処理を実行することにより、センサの数を増やすことなく、慣性計測装置２１０から得られる情報のみで、管路の長さを高精度に計測することができる。また、加速度や角速度の履歴に基づいて、慣性計測装置２１０の姿勢の変化を処理することにより、慣性計測装置２１０の移動軌跡を取得でき、慣性計測装置２１０が移動した管路の形状を推定することができる。

［基礎実験］
前述の手法の有効性を確認するために基礎実験を行った。以下、基礎実験の内容について説明する。
図１６は、実験環境を示す図である。同図に示すように、直線状に延長するガイドレールに、当該ガイドレール上を移動可能に設けられたスライダに慣性計測装置２１０を取り付けた。慣性計測装置２１０は、ＵＳＢ接続により管路形状処理装置２２０として機能するコンピュータに接続され、検出した加速度及び角速度のデータをコンピュータに転送する。慣性計測装置２１０は、加速度や角速度を検出するサンプリング時間が０．００５ｓ、加速度レンジ±２Ｇ/±６Ｇ、角速度レンジ±２００°/ｓのものを用いた。また、慣性計測装置２１０は、加速度の計測方向の一つであるｙ軸正方向が、スライダの移動方向と平行になるようにスライダに取り付けた。

［実験方法］
ガイドレールにおけるスライダの最大移動量の６００ｍｍを直線的に移動させた。この移動は、停止状態から加減速させて停止させて、慣性計測装置２１０により加速度及び角速度を取得する。

［実験結果］
図１７（ａ）は、慣性計測装置２１０により計測された加速度にローパスフィルタを適用したグラフ、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示す加速度を１階積分して算出された速度の時間変化を示すグラフである。図１７（ｃ）は、本実施形態に係る手法を適用した速度の時間変化を示すグラフである。
図１７（ｂ）に示すように、慣性計測装置２１０から入力された加速度から直接算出した速度には、計測終了時でも速度が継続的に増加する累積誤差が確認された。

図１７（ｂ），（ｃ）に示すグラフ上の点Ａと点Ｃは、前述の蠕動運動の走行的特性から速度ゼロとして考えることができる。これによりグラフは、点Ａと点Ｃによって区切られる上部の面積と点Ａと点Ｃを結び、得られる直線と時間軸で囲まれた下部の面積に分けることができる。本グラフの三角形ＡＢＣの面積がＩＭＵの移動量であり、三角形ＯＤＥの面積が累積誤差であると判断できる。
したがって、図１７（ｂ）のグラフで示される関数ｆ（ｔ）から、２点ＡＣ間を通る（式６）で示す直線の方程式を引くことで図１７（ｃ）で示す関数ｇ（ｔ）が得られる。

ここに、ｔ_ａ′，ｖ_ａ′は、点Ａおける時間と速度、ｔ_ｃ′，ｖ_ｃ′は、点Ｃにおける時間と速度である。また、切片をｎとして示す。この式（６）は、前述の（式４）に対応する。

図１８（ａ）は、補正を適用した場合の推定移動距離及び補正を適用しない場合の推定移動距離のグラフを示し、図１８（ｂ）は、実際の移動距離と推定移動距離とを比較した表である。図１８（ａ），（ｂ）に示すように、補正がない場合、累積誤差によって実際の移動距離より約１．５倍大きな値が算出されている。一方、補正を適用した場合、停止時や運動時の挙動が正確に表現されている。また、移動量の誤差も約０．６％で推定され、管の距離を計測するために十分な精度があると言え、本手法による有効性が確認された。

次に、管路が３次元管路形状の場合の計測実験を行った。
［実験環境］
図１９は、実験環境である３次元の管路形状を示す斜視図及び各方向からの平面図である。図１９に示す管路は、全長３．６１４ｍ、曲管には、規格化された３０度管，４５度管，９０度管（曲率半径１８０ｍｍ）を用いた。

［実験方法］
本実験では、慣性計測装置２１０の固定具の一端にワイヤを取り付け、そのワイヤを手動で引っ張り慣性計測装置２１０を移動させた。その際、ｙ軸正方向に慣性計測装置２１０を移動させる。ここでいうｙ軸とは、管５の延長方向であり、正方向とは、慣性計測装置２１０の進行方向を意味する。
また、蠕動運動のように速度がゼロとなる点を作り出すように移動させた。即ち、慣性計測装置２１０の前進、停止の動作を間欠的に繰り返しながら管路を移動させた。本実験では、３次元形状の管路内を移動させるため、慣性計測装置２１０で検出される加速度には、重力Ｇの影響を受けることから、前述の重力Ｇの成分の検出された加速度から除く補正を行った。

［実験結果］
図２０（ａ）乃至（ｃ）及び図２１に実験結果を示す。
図２０（ａ）は、実験より得えられた加速度を１階積分して算出された速度の時間変化を示すグラフである。前述の基礎実験の実験結果と同様に基礎特性実験結果より図中のグレーで示す範囲が、累積誤差の領域Ｒ２、それ以外の範囲がセンサの移動量を表す領域Ｒ１であると考える。

図２０（ｂ）に前述の補正処理を適用し、速度の時間変化を補正したグラフである。図２０（ｃ）に補正を適用した場合と適用しない場合の推定移動距離のグラフである。図２０（ｂ）において、破線は、補正前の速度の時間変化、実線は補正後の時間変化を示している。また、図２０（ｃ）において、破線は、図２０（ｂ）の破線で示す（補正をしなかったときの）速度の時間変化に基づいて算出した走行距離（移動距離）、実線は、図２０（ｂ）の実線で示す（補正をしたときの）速度の時間変化に基づいて算出したグラフである。

図２１は、補正の有無による走行距離への影響を纏めた表である。図２１に示すように、補正を適用しない場合、約２２９％の誤差が発生しているが、本実施形態で説明した補正を適用することにより、約０．１％の誤差にとなった。

１自走式ロボット、５管、５ｓ管内壁、６直管部、７曲管部、
１０走行部、２０伸縮ユニット、６０バルブユニット、
７０コンプレッサー、８０コントローラー、
９０先頭部、９２光源、９４カメラ、９６検査処理手段、
１００検査装置、
２００管路形状計測装置、２１０慣性計測装置、２２０管路形状処理装置、
２２２距離推定手段、２２２Ａ重力補正部、２２２Ｂ速度算出部、
２２２Ｃ移動点検出部、２２２Ｄ補正線設定部、２２２Ｅ誤差補正部、
２２２Ｆ移動量算出部、
２２４曲管推定手段、２２４Ａ管形状設定部、
２２４Ｂ曲管形状判定部、２２４Ｃ挟角算出部。

Claims

直管部と曲管部とを有する管内を、管軸方向に伸縮可能とされたユニットを複数連結し、連結されたユニットを所定の順序で周期的に伸縮させるサイクルを繰り返しながら推進する移動体に、当該移動体の移動に伴う加速度及び姿勢の変化を検出可能な慣性計測装置を設け、前記移動体が前記管内を移動したときの加速度及び姿勢の時間変化の履歴を含む移動情報に基づいて、前記慣性計測装置の移動量及び移動方向を推定するための処理をコンピュータに実行させて管路形状を推定する管路形状推定方法であって、
前記加速度を積分し、前記移動に伴う速度の時間変化を示す第１の関数を算出するステップと、
前記第１の関数における１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を検出するステップと、
１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を通る第２の関数を設定するステップと、
前記第１の関数から前記第２の関数を減じて第３の関数を取得するステップと、
前記第３の関数において前記開始点及び前記停止点に対応する区間を積分し、１つのサイクル毎の前記慣性計測装置の移動量を取得するステップと、を有する管路形状推定方法。
前記姿勢の変化に基づいて、前記移動情報の各時刻において前記慣性計測装置が前記管の直管部及び曲管部のいずれかを移動しているかを検出し、前記移動情報に設定するステップと、
前記姿勢の変化に基づいて、前記曲管部の両端に接続された各直管部の延長方向を算出するステップと、
前記取得された各直管部の延長方向が交差する角度を算出するステップと、
前記取得された各直管部の延長方向が交差する角度に基づいて曲管部の角度を設定するステップと、を含む請求項１に記載の管路形状推定方法。
直管部と曲管部とを有する管内を、管軸方向に伸縮可能とされたユニットを複数連結し、連結されたユニットを所定の順序で周期的に伸縮させるサイクルを繰り返しながら推進する移動体に設けられ、該移動体の移動に伴う加速度及び姿勢の変化を検出可能な慣性計測装置と、
検出された前記加速度及び前記姿勢の変化に基づいて、前記慣性計測装置の移動距離及び移動方向を推定し、前記慣性計測装置の移動軌跡を取得する管路形状処理装置と、を備え、
前記管路形状処理装置は、
前記加速度を積分し、前記移動に伴う速度の時間変化を算出する速度算出手段と、
前記速度算出手段により算出された速度の時間変化から１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を検出する移動点検出手段と、
１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点を通り、前記速度の時間変化に含まれる誤差を除くための補正線を設定する補正線設定手段と、
前記速度の時間変化から前記補正線を減じて前記速度の時間変化に含まれる誤差を補正する誤差補正手段と、
前記誤差補正手段により補正された前記速度の時間変化において１つのサイクルが開始する開始点及び１つのサイクルが終了する停止点に対応する区間を積分して前記慣性計測装置の移動距離を算出する移動量算出手段と、を備えた管路形状推定装置。
前記姿勢の変化に基づいて、移動情報の各時刻において前記慣性計測装置が前記管の直管部及び曲管部のいずれかを移動しているかを検出し、前記移動情報に設定する管形状設定手段と、
前記姿勢の変化に基づいて、前記曲管部の両端に接続された各直管部の延長方向を算出する延長方向算出手段と、
前記取得された各直管部の延長方向が交差する角度を算出する挟角算出手段と、前記算出された角度に基づいて、前記曲管部の角度を判定する曲管形状判定手段と、を備えた請求項３に記載の管路形状推定装置。