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JP7534780B2 - Unmanned Aerial Vehicles - Google Patents
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JP7534780B2 - Unmanned Aerial Vehicles - Google Patents

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Description

本発明は無人航空機技術に関する。 The present invention relates to unmanned aerial vehicle technology.

下記特許文献には構造物の天井面や壁面を点検する無人航空機が開示されている。 The following patent document discloses an unmanned aerial vehicle that inspects the ceiling and wall surfaces of structures:

特開2020-147231号公報JP 2020-147231 A 特開2019-130974号公報JP 2019-130974 A

近年、構造物の点検作業にマルチコプター(無人航空機)を利用することが検討されている。マルチコプターは複数基のロータで機体の姿勢や移動を制御しており、ロータが構造物等に接触してその回転が妨げられた場合にはただちに墜落する。例えばトンネルの構内など、周囲が壁面で囲まれている環境では、わずかな操縦ミスや外乱、センシングエラーが墜落事故を引き起こす原因となる。 In recent years, the use of multicopters (unmanned aerial vehicles) for structural inspection work has been considered. A multicopter uses multiple rotors to control the attitude and movement of the aircraft, and if the rotors come into contact with a structure or other object and their rotation is impeded, the aircraft will immediately crash. For example, in an environment surrounded by walls, such as inside a tunnel, even the slightest piloting error, external disturbance, or sensing error can cause a crash.

マルチコプターのような回転翼航空機は、ロータで空気を掻きながら空中を浮遊するというその性質上、地上に置かれる移動体に比べてその位置を安定させることが難しい。例えば構造物の検査装置をマルチコプターに搭載し、これを構造物の表面に沿って移動させるためには、極めて高度な操縦技術や高精度なセンサ類・制御プログラムが必要となる。アーチ形のトンネルの天井面など、検査面が傾斜面や曲面からなる場合はさらに難易度が高くなる。 Due to the nature of rotorcraft such as multicopters, which float in the air by scraping the air with their rotors, it is more difficult to stabilize their position than moving objects placed on the ground. For example, to mount a structural inspection device on a multicopter and move it along the surface of the structure, extremely advanced piloting techniques and highly accurate sensors and control programs are required. The difficulty increases even more when the inspection surface is inclined or curved, such as the ceiling of an arched tunnel.

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、無人航空機による構造物の点検作業について、その作業性や安全性を改善することにある。 In view of the above problems, the problem that the present invention aims to solve is to improve the workability and safety of inspection work on structures using unmanned aerial vehicles.

上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、外部機器を保持するマウント部と、前記マウント部を支持する支柱部と、を備え、前記支柱部は関節部とサスペンション機構とを有し、前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向または所定の方向へ屈折可能とし、前記支柱部は、前記サスペンション機構によりその長さ方向に伸縮可能であることを特徴とする。 To solve the above problems, the unmanned aerial vehicle of the present invention comprises multiple horizontal rotors, which are rotors with horizontal rotating wings, a mount for holding external equipment, and a support column for supporting the mount, the support column having a joint and a suspension mechanism, the joint allowing a portion of the support column to bend in any direction or in a specified direction, and the support column being extendable and retractable in its length direction by the suspension mechanism.

外部機器を保持するマウント部を伸縮可能な支柱部で支持し、また関節部によってマウント部および外部機器の保持角度を変更可能とすることで、機体の水平を保ったまま構造物の傾斜面や曲面に対して外部機器の向きを合わせることが可能となる。 The mount that holds the external device is supported by an extendable support, and the holding angle of the mount and the external device can be changed by a joint, making it possible to adjust the orientation of the external device relative to the inclined or curved surface of a structure while keeping the aircraft horizontal.

このとき、前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向へ屈折可能とすることが好ましい。これにより、外部機器の保持角度をあらゆる方向へ変更することが可能となり、様々な形状の構造物に対応することができる。また、前記関節部は球面軸受を有することが好ましいが、例えばユニバーサルジョイント等でも同様の効果が得られると考える。 In this case, it is preferable that the joint section be able to bend a part of the support section in any direction. This makes it possible to change the holding angle of the external device in any direction, and can accommodate structures of various shapes. It is also preferable that the joint section has a spherical bearing, but it is believed that a universal joint, for example, can also provide the same effect.

また、前記マウント部は複数の前記支柱部により支持されることが好ましい。これによりマウント部(外部機器)の向きや姿勢をより安定させることができる。 It is also preferable that the mount is supported by a plurality of the support columns. This makes it possible to further stabilize the orientation and posture of the mount (external device).

また、前記サスペンション機構の復元力は、前記支柱部を鉛直に立てたときに、前記外部機器および前記マウント部の重量のみによっては前記支柱部がかろうじて圧縮されない程度、又は、該重量によって前記支柱部が一部圧縮される程度に調節されていることが好ましい。さらには、前記サスペンション機構の復元力は、前記支柱部を鉛直に立てたときに、前記外部機器および前記マウント部の重量によって前記支柱部が一部圧縮される程度に調節されることがより好ましい。例えば外部機器やマウント部を構造物の表面に押し当ててその角度を構造物の形状に合わせる場合、サスペンション機構の復元力が高いと、構造物に対してこれらを強く押し当てなければならず、水平ロータの負荷が過大となる。外力に対して支柱部が容易に圧縮される程度にサスペンション機構の復元力を調節することで、作業中のエネルギー効率が改善され、航続時間(連続作業時間)を長く確保することができる。 In addition, the restoring force of the suspension mechanism is preferably adjusted to such an extent that the support section is barely compressed by the weight of the external device and the mount section alone when the support section is set vertically, or such an extent that the support section is partially compressed by the weight. Furthermore, it is more preferable that the restoring force of the suspension mechanism is adjusted to such an extent that the support section is partially compressed by the weight of the external device and the mount section when the support section is set vertically. For example, when the external device or the mount section is pressed against the surface of a structure to adjust its angle to the shape of the structure, if the restoring force of the suspension mechanism is high, it is necessary to press them strongly against the structure, which causes excessive load on the horizontal rotor. By adjusting the restoring force of the suspension mechanism to such an extent that the support section is easily compressed against an external force, energy efficiency during operation is improved and a long flight time (continuous operation time) can be ensured.

このとき、前記サスペンション機構には弾性部材としてばねが用いられ、一または複数の前記支柱部の前記サスペンション機構の復元力の合計値は、最大で220N以下であることが好ましく、また、該ばねの許容たわみ量は30mm以上であることが好ましい。また、一または複数の前記支柱部の前記サスペンション機構のその全体としてのばね定数は6N/mm以下であることが好ましい。 In this case, the suspension mechanism uses a spring as an elastic member, and the total value of the restoring force of the suspension mechanism of one or more of the support pillars is preferably a maximum of 220 N or less, and the allowable deflection of the spring is preferably 30 mm or more. In addition, it is preferable that the overall spring constant of the suspension mechanism of one or more of the support pillars is 6 N/mm or less.

また、本発明の無人航空機は、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータをさらに備え、前記垂直ロータの垂直回転翼は可変ピッチプロペラであることが好ましい。このとき、前記垂直ロータはピッチ角を制御することで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用することがより好ましい。複数基の水平ロータとは別に垂直ロータを備え、これをプッシャー及びトラクターとして使用することにより、水平ロータを機体の水平維持と高度の維持に専念させ、機体を傾けることなくこれを進退させることが可能となる。また垂直ロータの垂直回転翼を可変ピッチプロペラとすることにより、垂直ロータの推力方向(推進/牽引)を瞬時に切り替えることが可能となり、外乱に対する機動性が高められる。 The unmanned aerial vehicle of the present invention further includes a vertical rotor, which is a rotor having vertical rotor blades, and the vertical rotor blades of the vertical rotor are preferably variable pitch propellers. In this case, it is more preferable that the vertical rotor functions as a pusher that propels the aircraft horizontally and as a tractor that pulls the aircraft horizontally by controlling the pitch angle. By providing a vertical rotor in addition to multiple horizontal rotors and using it as a pusher and tractor, the horizontal rotor can be dedicated to maintaining the horizontality and altitude of the aircraft, and it is possible to move the aircraft forward and backward without tilting it. Furthermore, by making the vertical rotor's vertical rotor a variable pitch propeller, it is possible to instantly switch the thrust direction (thrust/pulling) of the vertical rotor, improving maneuverability against disturbances.

このとき、前記マウント部または前記外部機器は構造物の天井面または壁面である作業面に接触する接触部を有し、前記垂直ロータは、前記作業面に対して平行方向に推力を生じさせることがより好ましい。なおこのとき、前記接触部は車輪であることが好ましい。無人航空機の接触部を構造物に突き当てると、その構造物によって無人航空機の移動が一部制限される。これには外乱による機体の揺動を抑える効果もある。つまり接触部を構造物に突き当てると機体の位置はより安定する。この状態で水平ロータを機体の水平維持と高度の維持に専念させ、垂直ロータで機体を進退させることにより、作業面と機体との相対位置を保ちながら機体を安定して移動させることができる。 In this case, it is more preferable that the mount or the external device has a contact portion that contacts a work surface, which is the ceiling or wall surface of a structure, and that the vertical rotor generates a thrust in a direction parallel to the work surface. In this case, it is preferable that the contact portion is a wheel. When the contact portion of the unmanned aerial vehicle abuts against a structure, the movement of the unmanned aerial vehicle is partially restricted by the structure. This also has the effect of suppressing the shaking of the aircraft due to external disturbances. In other words, when the contact portion abuts against a structure, the position of the aircraft becomes more stable. In this state, the horizontal rotor is dedicated to maintaining the horizontality and altitude of the aircraft, and the vertical rotor moves the aircraft forward and backward, so that the aircraft can be moved stably while maintaining the relative position between the work surface and the aircraft.

また、本発明の無人航空機は、前記水平ロータを支持する棒状部であるロータアームと、前記水平ロータよりも側方に突き出し、前記水平ロータが周辺物に接近したときに該水平ロータに先がけてその周辺物に突き当たることで前記水平ロータが周辺物に接触することを阻止する保護具であるロータガードと、をさらに備え、前記ロータガードは前記ロータアームに支持され、前記ロータガードは、前記ロータアームの長さ方向に沿ってその位置を変更可能であることが好ましい。ロータガードを備えることで水平ロータが周辺物に接触することが阻止される。一方、側方に突き出したロータガードは機体全体の寸法(占有空間)を著しく大きくする。ロータガードの位置をロータアームの長さ方向に沿って変更可能とすることにより、機体の保管時や運搬時のスペース効率を高めることができる。また保管や運搬の都度ロータガードを取り外す手間も省かれる。 The unmanned aerial vehicle of the present invention further comprises a rotor arm, which is a rod-shaped part that supports the horizontal rotor, and a rotor guard, which is a protective device that protrudes laterally from the horizontal rotor and prevents the horizontal rotor from contacting a surrounding object by hitting the surrounding object before the horizontal rotor when the horizontal rotor approaches the surrounding object, and it is preferable that the rotor guard is supported by the rotor arm and that the position of the rotor guard can be changed along the length of the rotor arm. The provision of the rotor guard prevents the horizontal rotor from contacting the surrounding object. On the other hand, the rotor guard protruding to the side significantly increases the overall dimensions (occupied space) of the aircraft. By making the position of the rotor guard changeable along the length of the rotor arm, it is possible to improve space efficiency during storage and transportation of the aircraft. It also eliminates the need to remove the rotor guard each time the aircraft is stored or transported.

また、本発明の無人航空機は、前記複数基の水平ロータを支持する棒状部である複数本のロータアームと、前記各水平ロータよりも側方に突き出し、これら水平ロータが周辺物に接近したときに該水平ロータに先がけてその周辺物に突き当たることで前記水平ロータが周辺物に接触することを阻止する保護具である複数のロータガードと、をさらに備え、前記複数のロータガードはそれぞれ別々の前記ロータアームに支持され、平面視時計回り又は反時計回りに隣接する一対の前記ロータアームに支持される前記ロータガードは、互いに上下方向における位置をずらしてこれらロータアームに支持され、少なくともいずれか一方の前記ロータガードには他方の前記ロータガード側に延びる枝状部が設けられ、前記一対のロータアームは、少なくともその一方が他方の前記ロータアーム側に旋回可能であることが好ましい。ロータガードを備えることで水平ロータが周辺物に接触することが阻止される。また、ロータガードがその隣接するロータガード側に延びる枝状部を有する場合、ロータアームを水平旋回させて機体を折り畳む際に枝状部が妨げとなるおそれがある。本構成によれば、隣接するロータガードの上下方向の位置が異なっていることにより枝状部の干渉が避けられ、機体をコンパクトに折り畳むことができる。 The unmanned aerial vehicle of the present invention further comprises a plurality of rotor arms, which are rod-shaped portions supporting the plurality of horizontal rotors, and a plurality of rotor guards, which are protective equipment that protrude laterally from each of the horizontal rotors and that, when the horizontal rotors approach a surrounding object, hit the surrounding object before the horizontal rotor, thereby preventing the horizontal rotors from contacting the surrounding object. The plurality of rotor guards are each supported by a separate rotor arm, and the rotor guards supported by a pair of adjacent rotor arms in a clockwise or counterclockwise direction in a plan view are supported by the rotor arms with their positions shifted from each other in the vertical direction, and at least one of the rotor guards is provided with a branch-like portion extending toward the other rotor guard, and at least one of the pair of rotor arms is preferably capable of rotating toward the other rotor arm. By providing the rotor guard, the horizontal rotor is prevented from contacting the surrounding object. In addition, if the rotor guard has a branch-like portion extending toward the adjacent rotor guard, the branch-like portion may be an obstacle when the rotor arm is horizontally rotated to fold the aircraft. With this configuration, adjacent rotor guards are positioned differently in the vertical direction, which prevents interference between the branch parts and allows the aircraft to be folded compactly.

以上のように、本発明によれば、無人航空機を用いた構造物の点検作業について、その作業性や安全性を改善することができる。 As described above, the present invention can improve the workability and safety of structure inspection work using unmanned aerial vehicles.

実施形態にかかるマルチコプターの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a multicopter according to an embodiment. マルチコプターの右側面図である。FIG. 2 is a right side view of the multicopter. マルチコプターの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the multicopter. ロータアームの折り畳み構造を示す部分平面図である。FIG. 4 is a partial plan view showing the folding structure of the rotor arm. 支柱部及びマウント部の正面図である。FIG. 支柱部及びマウント部の左側面図である。FIG. 4 is a left side view of the support portion and the mount portion. マルチコプターを用いて水路トンネルの天井面を点検する様子を示す模式図である。This is a schematic diagram showing the inspection of the ceiling surface of a waterway tunnel using a multicopter. マルチコプターの機能構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the functional configuration of the multicopter. 水路トンネル内での各センサによるセンシングの様子を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing sensing by each sensor inside a waterway tunnel. 水路トンネルの点検作業を行う際のマルチコプター操縦方法を示すフローチャートである。13 is a flowchart showing a method for operating a multicopter when performing inspection work on a waterway tunnel.

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。以下に説明する実施形態は、無人航空機であるマルチコプター10を用いて水路トンネルの天井面の点検を行う例である。以下の説明における「上」及び「下」とは、各図に描かれた座標軸のZ軸に平行な方向をいい、Z1側を上、Z2側を下とする。「前」及び「後ろ」とは、同座標軸のX軸に平行な方向をいい、X1側を前、X2側を後ろとする。「右」及び「左」とは、同座標軸のY軸に平行な方向をいい、Y1側を右、Y2側を左とする。「水平」とは、同座標軸におけるXY平面に平行な面、又はその面方向をいう。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The embodiment described below is an example of inspecting the ceiling surface of a waterway tunnel using a multicopter 10, which is an unmanned aerial vehicle. In the following description, "up" and "down" refer to directions parallel to the Z axis of the coordinate system depicted in each drawing, with the Z1 side being up and the Z2 side being down. "Front" and "rear" refer to directions parallel to the X axis of the same coordinate system, with the X1 side being the front and the X2 side being the rear. "Right" and "left" refer to directions parallel to the Y axis of the same coordinate system, with the Y1 side being the right and the Y2 side being the left. "Horizontal" refers to a surface parallel to the XY plane of the same coordinate system, or the direction of that surface.

[構成概要]
図1から図3は、本形態にかかるマルチコプター10の外観を示す図である。図1はマルチコプター10の斜視図、図2はマルチコプター10の右側面図、図3はマルチコプター10の平面図である。図7は、マルチコプター10を用いて水路トンネルの天井面である作業面90を点検する様子を示す模式図である。
[Configuration Overview]
Fig. 1 to Fig. 3 are diagrams showing the external appearance of a multicopter 10 according to this embodiment. Fig. 1 is a perspective view of the multicopter 10, Fig. 2 is a right side view of the multicopter 10, and Fig. 3 is a plan view of the multicopter 10. Fig. 7 is a schematic diagram showing a state in which a work surface 90, which is the ceiling surface of a waterway tunnel, is inspected using the multicopter 10.

本形態のマルチコプター10は、いわゆるヘキサコプタであり、水平回転翼を有するロータである6基の水平ロータ41を備えている。マルチコプター10の機体は、その中心部であるセンターフレーム11、センターフレーム11から平面視放射状に延びる6本の棒状部であるロータアーム12、及び、センターフレーム11の下に配置されたランディングギア(降着装置)であるスキッド13により構成されている。本形態のセンターフレーム11は、板面を上下に向け、上下に並べて配置された2枚のプレートが結合されてなり、その上面にはバッテリー18が、これらプレートの間には後述する制御部を構成する制御装置20等が配置されている。 The multicopter 10 in this embodiment is a so-called hexacopter, and is equipped with six horizontal rotors 41, which are rotors with horizontal rotating wings. The body of the multicopter 10 is composed of a center frame 11 at its center, rotor arms 12, which are six rod-shaped parts extending radially from the center frame 11 in a plan view, and skids 13, which are landing gear (landing gear) arranged below the center frame 11. The center frame 11 in this embodiment is composed of two plates arranged side by side with their plate surfaces facing up and down, and a battery 18 is placed on the upper surface, and a control device 20, which constitutes a control unit (described later), and other components are placed between the plates.

6基の水平ロータ41は各ロータアーム12の先端にそれぞれ取り付けられている。水平ロータ41は、モータの出力軸に固定ピッチプロペラが装着されたロータであり、マルチコプター10は各水平ロータ41の回転数を調節することで機体のローリング、ピッチング、及びヨーイングを制御し、機体(ロータの回転面)を傾けたときの水平方向への分力を利用して機体を水平方向へ移動させる。 The six horizontal rotors 41 are attached to the tip of each rotor arm 12. The horizontal rotors 41 are rotors with fixed pitch propellers attached to the output shafts of motors, and the multicopter 10 controls the rolling, pitching, and yawing of the aircraft by adjusting the rotation speed of each horizontal rotor 41, and moves the aircraft horizontally by utilizing the horizontal component of force when the aircraft (rotor rotation plane) is tilted.

本形態のマルチコプター10はさらに、垂直回転翼を有するロータである垂直ロータ42を備えている。垂直ロータ42はスキッド13に固定されており、その回転中心線がマルチコプター10の前後方向と重なる向きに配置されている。本形態の垂直ロータ42は可変ピッチプロペラを有するロータである。垂直ロータ42は、そのピッチ角を切り替えることで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用する。本形態のマルチコプター10は、複数基の水平ロータ41とは別に垂直ロータ42を備え、これをプッシャー及びトラクターとして使用することにより、水平ロータ41を機体の水平維持と高度の維持のみに専念させ、垂直ロータ42により機体を傾けることなくこれを進退させることが可能とされている。また垂直ロータ42のプロペラが可変ピッチプロペラであることにより、垂直ロータ42の推力方向(推進/牽引)を瞬時に切り替えることができる。これにより外乱に対するマルチコプター10の機動性が高められている。 The multicopter 10 of this embodiment further includes a vertical rotor 42, which is a rotor having vertical rotors. The vertical rotor 42 is fixed to the skid 13, and is arranged so that its center line of rotation overlaps with the front-rear direction of the multicopter 10. The vertical rotor 42 of this embodiment is a rotor having a variable pitch propeller. The vertical rotor 42 acts as a pusher that propels the aircraft horizontally and as a tractor that pulls the aircraft horizontally by switching its pitch angle. The multicopter 10 of this embodiment includes a vertical rotor 42 in addition to the multiple horizontal rotors 41, and by using this as a pusher and a tractor, the horizontal rotor 41 is dedicated to maintaining the horizontality and altitude of the aircraft, and the vertical rotor 42 can move the aircraft forward and backward without tilting it. In addition, since the propeller of the vertical rotor 42 is a variable pitch propeller, the thrust direction (thrust/pulling) of the vertical rotor 42 can be instantly switched. This improves the maneuverability of the multicopter 10 against disturbances.

マルチコプター10は、その機体の上部に、水路トンネルの作業面90を検査する外部機器である検査装置53を支持している。検査装置53は、その保持部材であるマウント部50に載置されており、検査装置53の上面部分に対向する構造物の表面を検査する。マウント部50はセンターフレーム11の上面に鉛直に立てられた4本の柱部である支柱部60により支持されている。 The multicopter 10 supports an inspection device 53, which is an external device that inspects the working surface 90 of the waterway tunnel, on the top of its body. The inspection device 53 is placed on a mount 50, which is its holding member, and inspects the surface of the structure facing the upper surface of the inspection device 53. The mount 50 is supported by support columns 60, which are four pillars that are erected vertically on the upper surface of the center frame 11.

マウント部50は、検査装置53の前後に配置された車輪である前輪51及び後輪52を有している。これら前輪51及び後輪52は本発明の接触部の一形態であり、水路トンネルの作業面90に押し当てられ、作業面90上を転動する。本形態の前輪51は駆動源を有する一対の車輪であり、その回転中心線がマルチコプター10の左右方向と重なる向きに配置されている。つまり前輪51は前後方向へ回転する向きに配置されている。本形態の後輪52は単輪の車輪である。後輪52はサーボにより左右へ操舵(ステアリング)可能な操舵輪である。これら前輪51及び後輪52は検査装置53よりも上方に張り出しており、これにより検査装置53が作業面90に直接接触することが防止され、作業面90と検査装置53との距離を一定に保つことができる。 The mount unit 50 has front and rear wheels 51 and 52, which are wheels arranged in front and behind the inspection device 53. These front and rear wheels 51 and 52 are one form of the contact part of the present invention, and are pressed against the working surface 90 of the waterway tunnel and roll on the working surface 90. The front wheels 51 in this form are a pair of wheels with a drive source, and are arranged so that their rotation center line overlaps with the left and right direction of the multicopter 10. In other words, the front wheels 51 are arranged so that they rotate in the forward and backward directions. The rear wheels 52 in this form are single wheels. The rear wheels 52 are steering wheels that can be steered left and right by a servo. These front and rear wheels 51 and 52 protrude above the inspection device 53, which prevents the inspection device 53 from directly contacting the working surface 90, and the distance between the working surface 90 and the inspection device 53 can be kept constant.

また、前輪51及び後輪52を作業面90に押し当てると、作業面90によってマルチコプター10の移動が一部制限される。これには外乱による機体の揺動を抑える効果もある。つまり前輪51及び後輪52を作業面90に押し当てると機体の位置はより安定する。この状態で水平ロータ41を機体の水平維持と高度の維持のみに専念させ、垂直ロータ42の推力を用いて機体を作業面90に対して平行方向に移動させることにより、点検作業中の検査装置53の姿勢や、作業面90と検査装置53との相対位置を安定させることができる。なお機体の水平移動には前輪51及び後輪52を補助的に使用することもできる。 In addition, when the front wheels 51 and rear wheels 52 are pressed against the work surface 90, the movement of the multicopter 10 is partially restricted by the work surface 90. This also has the effect of suppressing the shaking of the aircraft due to external disturbances. In other words, when the front wheels 51 and rear wheels 52 are pressed against the work surface 90, the position of the aircraft becomes more stable. In this state, the horizontal rotor 41 is dedicated to maintaining the horizontality and altitude of the aircraft, and the aircraft is moved parallel to the work surface 90 using the thrust of the vertical rotor 42, thereby stabilizing the attitude of the inspection device 53 during inspection work and the relative position between the work surface 90 and the inspection device 53. The front wheels 51 and rear wheels 52 can also be used as auxiliary means for horizontal movement of the aircraft.

本形態のマルチコプター10はヘキサコプタであるが、水平ロータ41の数は6基には限られず、例えば水平ロータが4基のクアッドコプタ、8基のオクタコプタ、或いは3基のトライコプタなど、必要とされる揚力に応じて適宜変更可能である。また、本発明の接触部は前輪51及び後輪52には限られず、例えばボールキャスタや無限軌道、作業面90の表面粗さ次第では摺動抵抗の少ないソリなどであってもよい。また接触部はマウント部50でなく検査装置53に設けられてもよい。また、検査装置53の具体的な機能や目的、構成、使用方法等は特に限定されない。さらには、マウント部50が保持する外部機器は検査装置53にも限定されず、マウント部50で保持可能な外部機器であればどのような機器であってもよい。またマウント部50の形状や構造も本形態のような台座や枠体には限られず、その保持する外部機器の形状に応じて適宜変更可能である。マウント部50は例えば単に支柱部60と検査装置53とを結合するアダプタ部材であってもよい。 The multicopter 10 in this embodiment is a hexacopter, but the number of horizontal rotors 41 is not limited to six, and can be changed as appropriate according to the required lift, for example, a quadcopter with four horizontal rotors, an octacopter with eight horizontal rotors, or a tricopter with three horizontal rotors. In addition, the contact parts of the present invention are not limited to the front wheels 51 and the rear wheels 52, and can be, for example, ball casters, caterpillar tracks, or a sled with low sliding resistance depending on the surface roughness of the work surface 90. The contact parts may be provided on the inspection device 53 instead of the mount 50. In addition, the specific function, purpose, configuration, and method of use of the inspection device 53 are not particularly limited. Furthermore, the external device held by the mount 50 is not limited to the inspection device 53, and can be any external device that can be held by the mount 50. In addition, the shape and structure of the mount 50 are not limited to a pedestal or frame as in this embodiment, and can be changed as appropriate according to the shape of the external device to be held. The mount portion 50 may simply be an adapter member that connects the support portion 60 and the inspection device 53, for example.

[折り畳み構造]
図4はロータアーム12の折り畳み構造を示す部分平面図である。以下、図1から図4を参照して、本形態のロータガード70の構造と、これを含むロータアーム12の折り畳み構造について説明する。
[Folding structure]
4 is a partial plan view showing the folding structure of the rotor arm 12. Hereinafter, the structure of the rotor guard 70 of this embodiment and the folding structure of the rotor arm 12 including this will be described with reference to FIGS.

マルチコプター10の各水平ロータ41は、平面視時計回り又は反時計回りに隣接する水平ロータ41とその出力軸の向きが互いに上下反対となるように取り付けられている。これにより各水平ロータ41の回転面はその隣接する水平ロータ41の回転面と上下方向における位置がずれ、例えば機体を小型化するためロータアーム12を短くした場合でも、隣接する水平ロータ41同士の干渉が避けられる。図3に示すように、本形態の水平ロータ41も、これらを平面視したときに隣接する水平ロータ41の回転面が一部重なるように配置されている。 Each horizontal rotor 41 of the multicopter 10 is attached so that the orientation of the output shaft of the horizontal rotor 41 adjacent to it in a clockwise or counterclockwise direction in a plan view is up-down opposite to each other. As a result, the rotation plane of each horizontal rotor 41 is misaligned in the up-down direction from the rotation plane of the adjacent horizontal rotor 41, and interference between adjacent horizontal rotors 41 can be avoided, for example, even if the rotor arm 12 is shortened to make the aircraft more compact. As shown in Figure 3, the horizontal rotors 41 of this embodiment are also arranged so that the rotation planes of adjacent horizontal rotors 41 partially overlap when viewed in a plan view.

マルチコプター10は、各ロータアーム12に支持された複数のロータガード70を有している。ロータガード70は、水平ロータ41よりも側方に突き出し、水平ロータ41が周辺物に接近したときにこれに先がけてその周辺物に突き当たることで水平ロータ41が周辺物に接触することを阻止する保護具である。 The multicopter 10 has multiple rotor guards 70 supported by each rotor arm 12. The rotor guards 70 are protective gear that protrude laterally beyond the horizontal rotor 41 and abut against surrounding objects before the horizontal rotor 41 approaches the surrounding object, thereby preventing the horizontal rotor 41 from coming into contact with the surrounding object.

本形態のロータガード70は、ロータアーム12に固定されるスライドポール71と、その先端から平面視時計回り方向および反時計回り方向に分岐する枝状部である水平枝状部72と、同先端から鉛直上方または鉛直下方に分岐する枝状部である垂直枝状部73とにより構成されている。スライドポール71、水平枝状部72、及び垂直枝状部73には同径の細い丸パイプ材が用いられている。スライドポール71は、クランプ機構であるロータガードクランプ79によりロータアーム12に圧締されており、ロータガードクランプ79を緩めることによりロータアーム12の長さ方向に沿ってその位置を変更することができる。 The rotor guard 70 of this embodiment is composed of a slide pole 71 fixed to the rotor arm 12, a horizontal branch portion 72 which is a branch portion that branches off from the tip of the slide pole 71 in a clockwise and counterclockwise direction in a plan view, and a vertical branch portion 73 which is a branch portion that branches off vertically upward or downward from the tip of the slide pole 71. Thin round pipe material of the same diameter is used for the slide pole 71, the horizontal branch portion 72, and the vertical branch portion 73. The slide pole 71 is clamped to the rotor arm 12 by a rotor guard clamp 79 which is a clamping mechanism, and its position can be changed along the length of the rotor arm 12 by loosening the rotor guard clamp 79.

図1及び図2に示すように、スライドポール71は、水平ロータ41がその出力軸を上に向けて支持されているロータアーム12についてはロータアーム12の下側に配置され、水平ロータ41がその出力軸を下に向けて支持されているロータアーム12についてはロータアーム12の上側に配置されている。つまり、スライドポール71及び水平枝状部72は、その隣接するスライドポール71及び水平枝状部72と上下方向における位置がずれている。また、垂直枝状部73は、水平ロータ41がその出力軸を上に向けて支持されているロータアーム12のロータガード70では上方に延びており、水平ロータ41がその出力軸を下に向けて支持されているロータアーム12のロータガード70では下方に延びている。つまり垂直枝状部73は、その保護すべき水平ロータ41を覆う方向に延びている。 As shown in Figures 1 and 2, the slide pole 71 is disposed below the rotor arm 12 for the rotor arm 12 on which the horizontal rotor 41 is supported with its output shaft facing upward, and is disposed above the rotor arm 12 for the rotor arm 12 on which the horizontal rotor 41 is supported with its output shaft facing downward. In other words, the slide pole 71 and horizontal branch portion 72 are vertically offset from their neighboring slide poles 71 and horizontal branch portions 72. In addition, the vertical branch portion 73 extends upward in the rotor guard 70 of the rotor arm 12 on which the horizontal rotor 41 is supported with its output shaft facing upward, and extends downward in the rotor guard 70 of the rotor arm 12 on which the horizontal rotor 41 is supported with its output shaft facing downward. In other words, the vertical branch portion 73 extends in a direction that covers the horizontal rotor 41 to be protected.

また、図4に示すように、本形態のマルチコプター10は、6本のロータアーム12を機体前方側の3本、機体後方側の3本に分けたときに、機体の前後に延びるロータアーム12である固定アーム12aの両隣のロータアーム12である可動アーム12bを、その隣接する固定アーム12a側に向かって水平に旋回させることができる。また、本形態の水平ロータ41が備えるプロペラはいわゆる折り畳み式プロペラ411である。 As shown in FIG. 4, when the six rotor arms 12 of the multicopter 10 of this embodiment are divided into three at the front of the aircraft and three at the rear of the aircraft, the movable arms 12b, which are rotor arms 12 on both sides of the fixed arms 12a, which are rotor arms 12 extending forward and backward of the aircraft, can be rotated horizontally toward the adjacent fixed arms 12a. The propellers equipped on the horizontal rotor 41 of this embodiment are so-called folding propellers 411.

このように、本形態のマルチコプター10は、ロータガード70のスライドポール71を機体の中心側にスライドさせることでロータガード70を収納することができ、また、隣接するロータガード70の水平枝状部72の干渉を避けてロータアーム12をコンパクトに折り畳むことができる。これにより機体の保管時や運搬時のスペース効率を高めることができ、また保管や運搬の都度ロータガード70を取り外す手間も省かれる。なお、図4の例では2本の可動アーム12bの水平枝状部72同士が干渉するため、ロータアーム12を折り畳む際には、可動アーム12bのロータガード70は、スライドポール71を周方向に少し回して互いの水平枝状部72の位置をずらして固定している。 In this way, the multicopter 10 of this embodiment can store the rotor guard 70 by sliding the slide pole 71 of the rotor guard 70 toward the center of the aircraft, and can fold the rotor arm 12 compactly while avoiding interference with the horizontal branch parts 72 of adjacent rotor guards 70. This improves space efficiency during storage and transportation of the aircraft, and also eliminates the need to remove the rotor guard 70 each time it is stored or transported. In the example of FIG. 4, the horizontal branch parts 72 of the two movable arms 12b interfere with each other, so when folding the rotor arm 12, the rotor guard 70 of the movable arm 12b is fixed by slightly rotating the slide pole 71 in the circumferential direction to shift the positions of the horizontal branch parts 72 from each other.

[傾斜面・曲面追従構造]
図5及び図6は支柱部60の構造を示す図である。図5は支柱部60及びマウント部50の正面図、図6は支柱部60及びマウント部50の左側面図である。以下、図5及び図6を参照して、マウント部50の傾斜面・曲面追従構造について説明する。
[Structure for following inclined and curved surfaces]
Figures 5 and 6 are diagrams showing the structure of the support column 60. Figure 5 is a front view of the support column 60 and the mount section 50, and Figure 6 is a left side view of the support column 60 and the mount section 50. The inclined surface/curved surface following structure of the mount section 50 will be described below with reference to Figures 5 and 6.

上でも述べたように、検査装置53を保持するマウント部50は複数の支柱部60により支持されている。支柱部60は、内筒61が外筒62内に差し込まれた二重筒構造の伸縮可能な支持部材である。支柱部60は、その基端部(下端部)がセンターフレーム11の上面に固定され、その先端部がマウント部50に接続されている。 As mentioned above, the mount 50 that holds the inspection device 53 is supported by a number of support columns 60. The support columns 60 are expandable support members with a double-cylinder structure in which an inner cylinder 61 is inserted into an outer cylinder 62. The base end (lower end) of the support columns 60 is fixed to the upper surface of the center frame 11, and the tip end is connected to the mount 50.

本形態の支柱部60は、ボールジョイント63(球体軸受)と、サスペンション機構64とを有している。ボールジョイント63は、支柱部60の先端部分65を任意の方向へ屈折可能とする関節部である。本形態のサスペンション機構64のクッション機能は、外筒62内に収容された圧縮コイルばねにより実現されている。 The support column 60 in this embodiment has a ball joint 63 (spherical bearing) and a suspension mechanism 64. The ball joint 63 is a joint that allows the tip portion 65 of the support column 60 to bend in any direction. The cushioning function of the suspension mechanism 64 in this embodiment is achieved by a compression coil spring housed in the outer cylinder 62.

本形態のマルチコプター10は、検査装置53を保持するマウント部50を伸縮可能な支柱部60で支持し、またボールジョイント63によってマウント部50の支持角度を変更可能とすることにより、機体を傾けることなく傾斜面や曲面に検査装置53の向きを合わせることを可能としている。特に本形態の関節部には、支柱部60の先端部分65を任意の方向へ屈折可能とするボールジョイント63が用いられており、これにより、検査装置53の向きを様々な形状の作業面90に対応させることができる。なお、ボールジョイント63は例えばユニバーサルジョイント等でも代用できるものと考えられる。なお、マウント部50を傾ける方向が前後または左右のどちらかであることが分かっているときには、支柱部60の先端部分65を所定の方向のみへ屈折可能とするヒンジ等で関節部を構成してもよい。 In this embodiment of the multicopter 10, the mount 50 that holds the inspection device 53 is supported by an extendable support 60, and the support angle of the mount 50 can be changed by a ball joint 63, making it possible to adjust the orientation of the inspection device 53 to an inclined or curved surface without tilting the aircraft. In particular, the joint of this embodiment uses a ball joint 63 that allows the tip 65 of the support 60 to bend in any direction, so that the orientation of the inspection device 53 can be adapted to work surfaces 90 of various shapes. It is considered that the ball joint 63 can be substituted with a universal joint, for example. It is also considered that when it is known that the direction in which the mount 50 is tilted is either forward/backward or left/right, the joint may be configured with a hinge that allows the tip 65 of the support 60 to bend only in a predetermined direction.

ここで、本形態のサスペンション機構64の復元力は、支柱部60を鉛直に立てたときに、検査装置53及びマウント部50(前輪51及び後輪52含む)の重量のみによって支柱部60が一部圧縮される程度に調節されている。マウント部50を作業面90に押し当ててその角度を作業面90の形状に合わせる場合、サスペンション機構64の復元力が高いと、作業面90に対してマウント部50を強く押し当て続けることとなり、一部の水平ロータ41の負荷が過大となる。本形態のマルチコプター10は、支柱部60が外力に対して容易に圧縮される程度にその復元力が調節されていることで、作業中の水平ロータ41の負荷やエネルギー効率が改善されている。つまり本形態のマルチコプター10によれば、航続時間(連続作業時間)をより長く確保することができる。なお、サスペンション機構64の復元力は、検査装置53及びマウント部50の重量のみによってはかろうじて圧縮されない程度に調節されてもよい。 Here, the restoring force of the suspension mechanism 64 in this embodiment is adjusted to such an extent that when the support part 60 is set vertically, the support part 60 is partially compressed only by the weight of the inspection device 53 and the mount part 50 (including the front wheel 51 and the rear wheel 52). When the mount part 50 is pressed against the work surface 90 and its angle is adjusted to match the shape of the work surface 90, if the restoring force of the suspension mechanism 64 is high, the mount part 50 will continue to be pressed strongly against the work surface 90, and the load on a part of the horizontal rotor 41 will become excessive. In this embodiment, the restoring force of the multicopter 10 is adjusted to such an extent that the support part 60 is easily compressed against an external force, thereby improving the load and energy efficiency of the horizontal rotor 41 during operation. In other words, according to the multicopter 10 in this embodiment, it is possible to ensure a longer flight time (continuous operation time). The restoring force of the suspension mechanism 64 may be adjusted to such an extent that it is barely compressed only by the weight of the inspection device 53 and the mount part 50.

より具体的には、本形態の検査装置53及びマウント部50の重量は5kg前後であり、4本の支柱部60のサスペンション機構64(圧縮コイルばね)の合成ばね定数は3N/mm前後、これらサスペンション機構64の復元力(弾性力)の合計値は、最大で220N前後である。また、支柱部60の最大伸縮長は60mm前後である。本形態のマルチコプター10のような無人航空機を用いて構造物の天井面や壁面をエネルギー効率良く点検するためには、サスペンション機構64の合成ばね定数は6N/mm以下とすることが望ましく、これらサスペンション機構64の復元力の合計値は、最大で220N以下であることが望ましい。また、サスペンション機構64に用いる圧縮コイルばねの許容たわみ量が少なくとも30mm以上あれば、ある程度は傾斜面や曲面に対応することができる。 More specifically, the weight of the inspection device 53 and the mount unit 50 in this embodiment is about 5 kg, the composite spring constant of the suspension mechanisms 64 (compression coil springs) of the four support columns 60 is about 3 N/mm, and the total value of the restoring force (elastic force) of these suspension mechanisms 64 is about 220 N at maximum. The maximum extension length of the support columns 60 is about 60 mm. In order to inspect the ceiling and wall surfaces of a structure with energy efficiency using an unmanned aerial vehicle such as the multicopter 10 in this embodiment, it is desirable that the composite spring constant of the suspension mechanisms 64 is 6 N/mm or less, and the total value of the restoring force of these suspension mechanisms 64 is desirably 220 N or less at maximum. In addition, if the allowable deflection amount of the compression coil springs used in the suspension mechanisms 64 is at least 30 mm or more, it can accommodate inclined and curved surfaces to some extent.

なお、本形態ではマウント部50を4本の支柱部60で支持することによりマウント部50や検査装置53の向きや姿勢を安定させているが、支柱部60の本数は4本には限られず、例えば3本であってもよく、外部機器やマウント部の形状や重量バランスによっては2本にすることもできる。さらに、関節部に保持力・復元力をもたせることで1本の支柱部でマウント部を支持することも可能であると考えられる。 In this embodiment, the mounting unit 50 is supported by four support pillars 60 to stabilize the orientation and posture of the mounting unit 50 and the inspection device 53, but the number of support pillars 60 is not limited to four and may be, for example, three, or even two depending on the shape and weight balance of the external device and the mounting unit. Furthermore, it is considered possible to support the mounting unit with a single support pillar by providing the joint with a holding force and a restoring force.

[センサ構成および制御機能]
図8はマルチコプター10の機能構成を示すブロック図である。図9は水路トンネル内での各センサによるセンシングの様子を示す模式図である。以下、主に図8及び図9を参照して、本形態のマルチコプター10のセンサ構成および制御機能について説明する。
[Sensor configuration and control function]
Fig. 8 is a block diagram showing the functional configuration of the multicopter 10. Fig. 9 is a schematic diagram showing the sensing state by each sensor in a waterway tunnel. Hereinafter, the sensor configuration and control function of the multicopter 10 of this embodiment will be described mainly with reference to Figs. 8 and 9.

図8に示すように、本形態のマルチコプター10の制御機能は、主に、制御部であるフライトコントローラ14、水平ロータ41、垂直ロータ42、及び、操縦者(オペレータ端末19)と通信を行う通信装置15により構成されている。 As shown in FIG. 8, the control function of the multicopter 10 in this embodiment is mainly composed of a flight controller 14, which is a control unit, a horizontal rotor 41, a vertical rotor 42, and a communication device 15 that communicates with the pilot (operator terminal 19).

フライトコントローラ14はその中枢部である制御装置20を有している。制御装置20は、CPUと、RAMやROM・フラッシュメモリなどの記憶装置を有するマイクロコントローラである。制御装置20は単体のマイクロコントローラには限られず、いわゆるコンパニオンコンピュータとの組み合わせであってもよい。その他、これを例えばFPGA(field-programmable gate array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などで構成することも考えられる。 The flight controller 14 has a control device 20, which is its central part. The control device 20 is a microcontroller that has a CPU and storage devices such as RAM, ROM, and flash memory. The control device 20 is not limited to a standalone microcontroller, and may be combined with a so-called companion computer. It is also possible to configure it with, for example, an FPGA (field-programmable gate array) or an ASIC (application specific integrated circuit).

フライトコントローラ14はさらに、IMU31(Inertial Measurement Unit:慣性計測装置)、下方に向けられたオプティカルフローセンサ32、気圧高度センサ33、上方に向けられた第1レーザ測距センサ34、下方に向けられた第2レーザ測距センサ35、右方向に向けられた第1ライダ36、左方向に向けられた第2ライダ37、上方に向けられたドップラーセンサ38を含む飛行制御センサ群30を有しており、これらは制御装置20に接続されている。 The flight controller 14 further has a flight control sensor group 30 including an IMU 31 (Inertial Measurement Unit), a downward facing optical flow sensor 32, a barometric altitude sensor 33, a first laser ranging sensor 34 facing upward, a second laser ranging sensor 35 facing downward, a first LIDAR 36 facing to the right, a second LIDAR 37 facing to the left, and a Doppler sensor 38 facing upward, which are connected to the control device 20.

IMU31はマルチコプター10の機体の傾きを検知するセンサであり、主に3軸加速度センサ及び3軸角速度センサにより構成されている。 The IMU 31 is a sensor that detects the inclination of the multicopter 10 body, and is mainly composed of a three-axis acceleration sensor and a three-axis angular velocity sensor.

オプティカルフローセンサ32は、連続して撮影した二枚以上の画像の状態変化から撮影対象の物体やカメラ自体の動きを検知するセンサである。例えば本形態の水路トンネルのようにGPS(GNSS)信号が届きにくい場所では、これに代わる位置検知手段が必要となる。オプティカルフローセンサ32を備えることにより、このような場所でも機体の水平位置の変化を検知することができる。また、本形態のマルチコプター10は、下方(オプティカルフローセンサ32の撮影対象)を照らす4台のLEDライト321を備えている(図1又は図2参照)。これにより暗所におけるオプティカルフローセンサ32の検知精度が高められている。 The optical flow sensor 32 is a sensor that detects the movement of the object being photographed or the camera itself from changes in state between two or more images taken in succession. For example, in places where GPS (GNSS) signals are difficult to reach, such as the waterway tunnel of this embodiment, an alternative position detection means is required. By providing the optical flow sensor 32, it is possible to detect changes in the horizontal position of the aircraft even in such places. In addition, the multicopter 10 of this embodiment is equipped with four LED lights 321 that illuminate the downward direction (the object being photographed by the optical flow sensor 32) (see Figure 1 or Figure 2). This improves the detection accuracy of the optical flow sensor 32 in dark places.

また、無人航空機に搭載されるオプティカルフローセンサは、一般に、下方に向けられて機体直下の地面や床面を撮影するが、本形態のようにマルチコプター10の周囲に天井面や壁面が存在し、機体の下方に流動物(水)がある環境においては、オプティカルフローセンサ32は上方に向けられてもよい。 In addition, optical flow sensors mounted on unmanned aerial vehicles are generally directed downward to capture images of the ground or floor directly below the aircraft, but in an environment such as this embodiment where there are ceilings and walls around the multicopter 10 and liquid matter (water) below the aircraft, the optical flow sensor 32 may be directed upward.

第1レーザ測距センサ34及び第2レーザ測距センサ35(以下、これらのレーザ測距センサを指して「レーザ測距センサ34,35」ともいう。)は、いわゆるレーザレンジファインダ(Laser Rangefinder)であり、レーザ光を用いた光学視差式の距離計である。本形態の水路トンネルのように、天井面のある構造物内でマルチコプター10を飛行させるときには、対地高度だけでなく、天井面との距離にも注意を払う必要がある。本形態のマルチコプター10は、その高度検知手段として、下方に向けられた第2レーザ測距センサ35(第1測距手段)に加え、上方に向けられた第1レーザ測距センサ34(第2測距手段)を有しており、これによりトンネル内での安全性が高められている。 The first laser distance measuring sensor 34 and the second laser distance measuring sensor 35 (hereinafter, these laser distance measuring sensors are also referred to as "laser distance measuring sensors 34, 35") are so-called laser range finders, and are optical parallax type distance meters using laser light. When flying the multicopter 10 in a structure with a ceiling surface, such as the waterway tunnel of this embodiment, attention must be paid not only to the altitude above the ground but also to the distance from the ceiling surface. The multicopter 10 of this embodiment has, as its altitude detection means, the second laser distance measuring sensor 35 (first distance measuring means) facing downward, as well as the first laser distance measuring sensor 34 (second distance measuring means) facing upward, which increases safety in the tunnel.

また、図3に示すように、本形態のマルチコプター10は3台の第1レーザ測距センサ34を有しており、これら第1レーザ測距センサ34は検査装置53の周囲にほぼ等間隔に分散配置されている。本形態の第1レーザ測距センサ34は、水路トンネルの天井面との距離を測るだけでなく、図7に示すように、作業面90の点検中にマウント部50の押圧の程度を監視する押圧検知手段を兼ねている。本形態のマルチコプター10は、検査装置53を保持するマウント部50を伸縮可能な支柱部60で支持し、また、作業面90側に向けられた3台の第1レーザ測距センサ34で作業面90との距離を監視することにより、作業面90からマウント部50が剥離・脱落することや、作業面90に対してマウント部50が過度に強く押し当てられることが防止されている。つまり作業面90に対してマウント部50をほどよく押し当て続けることが可能とされている。 As shown in FIG. 3, the multicopter 10 of this embodiment has three first laser distance measuring sensors 34, which are distributed at approximately equal intervals around the inspection device 53. The first laser distance measuring sensors 34 of this embodiment not only measure the distance to the ceiling surface of the waterway tunnel, but also serve as a pressure detection means for monitoring the degree of pressure on the mount unit 50 during inspection of the work surface 90, as shown in FIG. 7. In this embodiment, the multicopter 10 supports the mount unit 50 that holds the inspection device 53 with an extendable support 60, and monitors the distance to the work surface 90 with three first laser distance measuring sensors 34 facing the work surface 90, thereby preventing the mount unit 50 from peeling off or falling off the work surface 90 or from being pressed against the work surface 90 too strongly. In other words, it is possible to keep the mount unit 50 pressed against the work surface 90 at a moderate level.

ドップラーセンサ38は、マイクロ波のドップラー効果を利用した反射式の移動物体検出器である。本形態のマルチコプター10は第1レーザ測距センサ34に加え、作業面90側に向けられたドップラーセンサ38をさらに備えていることにより、作業面90に対するマルチコプター10の移動量や移動速度をより正確に特定することができる。 The Doppler sensor 38 is a reflective moving object detector that uses the Doppler effect of microwaves. In addition to the first laser distance sensor 34, the multicopter 10 of this embodiment is further equipped with a Doppler sensor 38 facing the work surface 90, so that the amount and speed of movement of the multicopter 10 relative to the work surface 90 can be determined more accurately.

気圧高度センサ33は、検出した気圧高度からマルチコプター10の海抜高度(標高)を算出する高度センサである。本形態のマルチコプター10は、レーザ測距センサ34,35の検出値と、気圧高度センサ33の検出値から上下方向における現在位置を算出する。レーザ測距センサ34,35は塵埃の多い場所や水濡れのある場所では検知精度が低下する。これらに気圧高度センサ33を組み合わせることにより、レーザ測距センサ34,35のノイズの特定が容易となり、マルチコプター10の上下方向の位置をより安定させることができる。 The barometric altitude sensor 33 is an altitude sensor that calculates the altitude (altitude) of the multicopter 10 above sea level from the detected barometric altitude. In this embodiment, the multicopter 10 calculates the current position in the vertical direction from the detection values of the laser ranging sensors 34, 35 and the detection value of the barometric altitude sensor 33. The detection accuracy of the laser ranging sensors 34, 35 decreases in dusty or wet places. By combining these with the barometric altitude sensor 33, it becomes easier to identify noise from the laser ranging sensors 34, 35, and the vertical position of the multicopter 10 can be more stabilized.

第1ライダ36及び第2ライダ37は、ソリッドステート方式のライダ(LiDAR:Light Detection and Ranging)である。オプティカルフローセンサ32に関連して上でも述べたように、本形態の水路トンネルのようにGPS信号が届きにくい場所ではこれに代わる位置検知手段が必要となる。また、鉄骨が多用された構造物内など、地磁気を利用しにくい環境では、これに代わるヘディング(機首方向)特定手段も必要である。第1ライダ36及び第2ライダ37で周辺物との距離とその形状を特定し、必要であればこれを構内地図情報等と照らし合わせることにより、構内におけるマルチコプター10の座標位置および機首方向を特定することができる。 The first lidar 36 and the second lidar 37 are solid-state lidars (LiDAR: Light Detection and Ranging). As mentioned above in relation to the optical flow sensor 32, an alternative position detection means is required in places where GPS signals are difficult to reach, such as the waterway tunnel of this embodiment. Also, in environments where it is difficult to use geomagnetism, such as inside structures that make extensive use of steel frames, an alternative heading (nose direction) determination means is also required. The first lidar 36 and the second lidar 37 determine the distance to surrounding objects and their shapes, and if necessary, compare this with premises map information, etc., to determine the coordinate position and nose direction of the multicopter 10 within the premises.

また第1ライダ36及び第2ライダ37は、一般的なレーザ測距センサや超音波測距センサとは異なり、周辺物との距離だけでなくその立体形状を比較的広い範囲にわたって取得することができる。これにより例えば構造物表面の設置物や局所的な凹凸等を認識し、これをフィルタアウトすることもできる。そして本形態のマルチコプター10は、機首方向を前方として、第1ライダ36が機体の右側を走査する向きに配置され、第2ライダ37が機体の左側を走査する向きに配置されている。本形態の水路トンネルのような連続した通路を飛行する場合、安全確保のためには前後よりも左右の壁面との距離が重要となる。第1ライダ36に機体の右側を、第2ライダ37に機体の左側を走査させることにより、このような構造物内における安全性を高めることができる。 In addition, unlike general laser distance measuring sensors and ultrasonic distance measuring sensors, the first lidar 36 and the second lidar 37 can obtain not only the distance to the surrounding objects but also the three-dimensional shape of the surrounding objects over a relatively wide range. This makes it possible to recognize, for example, installations on the surface of a structure or local unevenness, and filter them out. In this embodiment of the multicopter 10, the nose direction is forward, and the first lidar 36 is arranged in a direction to scan the right side of the aircraft, and the second lidar 37 is arranged in a direction to scan the left side of the aircraft. When flying through a continuous passage such as the waterway tunnel of this embodiment, the distance to the left and right walls is more important than the front and rear to ensure safety. By having the first lidar 36 scan the right side of the aircraft and the second lidar 37 scan the left side of the aircraft, safety within such a structure can be increased.

このように本形態のフライトコンローラ14は、これら飛行制御センサ群30により、機体の傾きや回転のほか、水路トンネルの構内における座標位置、周辺物との相対位置、機首方向、高度、移動速度を取得することができる。 In this way, the flight controller 14 of this embodiment can use these flight control sensors 30 to obtain not only the inclination and rotation of the aircraft, but also the coordinate position within the waterway tunnel, the relative position to surrounding objects, the nose direction, altitude, and travel speed.

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21を有している。飛行制御プログラム21は、飛行制御センサ群30から取得した情報を基に個々の水平ロータ41の回転数や垂直ロータ42のピッチ角を調節し、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。 The control device 20 has a flight control program 21, which is a program that controls the attitude and basic flight operations of the multicopter 10 when flying. The flight control program 21 adjusts the rotation speed of each horizontal rotor 41 and the pitch angle of the vertical rotor 42 based on information obtained from the flight control sensor group 30, and flies the multicopter 10 while correcting disturbances in the attitude and position of the aircraft.

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22を有している。自律飛行プログラム22には、マルチコプター10の目的地や経由地の情報、飛行中の高度や速度、点検作業の具体的な動作などが指定されたデータである飛行計画23を登録することができる。自律飛行プログラム22は、オペレータ端末19からの指示や所定の時刻などを開始条件として、飛行計画23に従ってマルチコプター10を自律的に飛行させる。 The control device 20 further has an autonomous flight program 22, which is a program that causes the multicopter 10 to fly autonomously. The autonomous flight program 22 can register a flight plan 23, which is data that specifies information about the destination and waypoints of the multicopter 10, the altitude and speed during flight, specific operations for inspection work, and the like. The autonomous flight program 22 causes the multicopter 10 to fly autonomously in accordance with the flight plan 23, using instructions from the operator terminal 19, a specified time, and the like as start conditions.

このように本形態のマルチコプター10は高度な飛行制御機能を備えた無人航空機である。ただし、本発明の無人航空機はマルチコプター10の形態には限定されず、例えば飛行制御センサ群30から一部のセンサが省略された機体や、自律飛行機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。また、本形態のマルチコプター10のセンサ構成は、押圧検知手段としての第1レーザ測距センサ34の機能を除き、本形態のマルチコプター10のみに限らず、屋内を飛行する無人航空機であれば広く採用することができ、また本形態と同様の効果を得ることができる。 In this way, the multicopter 10 of this embodiment is an unmanned aerial vehicle with advanced flight control functions. However, the unmanned aerial vehicle of the present invention is not limited to the form of the multicopter 10, and for example, an aircraft in which some sensors are omitted from the flight control sensor group 30, or an aircraft that does not have an autonomous flight function and can fly only by manual piloting can be used. Furthermore, the sensor configuration of the multicopter 10 of this embodiment, except for the function of the first laser distance measuring sensor 34 as a pressure detection means, is not limited to the multicopter 10 of this embodiment, but can be widely adopted as long as it is an unmanned aerial vehicle that flies indoors, and the same effects as this embodiment can be obtained.

[モード切替機能]
本形態の飛行制御プログラム21又は自律飛行プログラム22は、水平ロータ41によって機体を傾けて移動させる第1操舵モードと、水平ロータ41によって機体の水平と高度を維持しつつ、水平方向への移動には垂直ロータ42を使用する第2操舵モードと、を切替可能である。これは手動で行われてもよいが、予め設定された条件に従って自動的に切替可能とすることで、マルチコプター10による作業を自動化することができる。なお、マルチコプター10から第1操舵モード自体をなくして、マルチコプター10を第2操舵モードでのみ飛行可能とすることもできる。
[Mode switching function]
The flight control program 21 or the autonomous flight program 22 of this embodiment can switch between a first steering mode in which the horizontal rotor 41 tilts and moves the aircraft, and a second steering mode in which the horizontal rotor 41 maintains the horizontality and altitude of the aircraft while using the vertical rotor 42 for horizontal movement. This can be done manually, but by making the switching possible automatically according to preset conditions, it is possible to automate the work performed by the multicopter 10. It is also possible to eliminate the first steering mode itself from the multicopter 10 and make the multicopter 10 flyable only in the second steering mode.

[点検作業の流れ]
図10は、マルチコプター10により水路トンネルの点検作業を行う際のマルチコプター10の操縦方法を示すフローチャートである。以下、図10を参照してその作業の流れを順に説明する。なお、以下に説明する作業手順は自律飛行プログラム22により全自動で行うことを想定しているが、任意のステップを手動で行ってもよい。
[Inspection work flow]
Fig. 10 is a flowchart showing a method of operating the multicopter 10 when inspecting a waterway tunnel using the multicopter 10. The flow of the work will be described below in order with reference to Fig. 10. Note that the work procedure described below is assumed to be performed fully automatically by the autonomous flight program 22, but any step may be performed manually.

(S1:離陸工程)
水路トンネル内またはトンネル外のホーム位置からマルチコプター10を離陸させる。
(S1: Takeoff process)
The multicopter 10 is taken off from a home position inside or outside the waterway tunnel.

(S2:出動工程)
第1操舵モードで点検作業を行う現場に向かう。
(S2: Dispatch process)
Head to the site where inspection work will be carried out in the first steering mode.

(S3:アイドリング工程)
点検作業を行う現場において、マルチコプター10が天井面(作業面90)から1.5mの距離まで近づいたら、第1操舵モードのまま、垂直ロータ42のピッチ角をゼロ又は略ゼロにして垂直ロータ42を空転させ始める。垂直ロータ42を始動してからこれが十分な回転数に達するまでには多少時間がかかる。垂直ロータ42を実際に使用する前に予めこれを空転させておくことで、次工程をスムーズに開始することができる。なお、垂直ロータ42の空転はマルチコプター10のアーム操作(Arming)と同時に、又は離陸工程(S1)の段階から始めてもよい。本形態では垂直ロータ42を使用し始めるタイミングが予め分かっているため、その少し前から垂直ロータ42のアイドリング(空転)を開始することで、垂直ロータ42の消費電力を抑えている。
(S3: Idling process)
When the multicopter 10 approaches within 1.5 m of the ceiling surface (work surface 90) at the site where the inspection work is performed, the pitch angle of the vertical rotor 42 is set to zero or approximately zero while remaining in the first steering mode to start idling the vertical rotor 42. It takes some time for the vertical rotor 42 to reach a sufficient rotation speed after starting. By idling the vertical rotor 42 before actually using it, the next process can be started smoothly. The idling of the vertical rotor 42 may be started simultaneously with the arming of the multicopter 10 or from the takeoff process (S1). In this embodiment, the timing to start using the vertical rotor 42 is known in advance, so that the power consumption of the vertical rotor 42 is reduced by starting idling (idling) the vertical rotor 42 a little before that.

(S4,S5:点検工程)
マルチコプター10のマウント部50(前輪51及び後輪52)が作業面90に接触したら、マルチコプター10を第1操舵モードから第2操舵モードに切り替え、作業面90の点検作業を行う。
(S4, S5: inspection process)
When the mount portion 50 (front wheels 51 and rear wheels 52) of the multicopter 10 comes into contact with the work surface 90, the multicopter 10 is switched from the first steering mode to the second steering mode, and inspection work of the work surface 90 is performed.

(S6,S7:帰投工程)
作業面90の点検が完了し、マルチコプター10を作業面90から離脱させたら、マルチコプター10を再度第1操舵モードに切り替え、ホーム位置へ帰投する。
(S6, S7: Return process)
Once inspection of the work surface 90 is completed and the multicopter 10 is removed from the work surface 90, the multicopter 10 is switched back to the first steering mode and returned to the home position.

(S8:着陸工程)
ホーム位置へマルチコプター10を着陸させる。なお、マルチコプター10が帰投する場所はホーム位置(離陸位置)には限られず、他の場所であってもよい。
(S8: Landing process)
The multicopter 10 is landed at the home position. Note that the location where the multicopter 10 returns to is not limited to the home position (takeoff position) and may be another location.

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、発明の主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。 The above describes an embodiment of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

10:マルチコプター(無人航空機),11:センターフレーム,12:ロータアーム,12a:固定アーム,12b:可動アーム,13:スキッド,14:フライトコントローラ(制御部),15:通信装置,18:バッテリー,19:オペレータ端末,20:制御装置,21:飛行制御プログラム,22:自律飛行プログラム,23:飛行計画,30:飛行制御センサ群,31:IMU,32:オプティカルフローセンサ,321:LEDライト(照明手段),33:気圧高度センサ,34:第1レーザ測距センサ(第1測距手段,高度検知手段,押圧検知手段),35:第2レーザ測距センサ(第2測距手段,高度検知手段),36:第1ライダ,37:第2ライダ,38:ドップラーセンサ,41:水平ロータ,411:折り畳みプロペラ,42:垂直ロータ,50:マウント部,51:前輪(車輪,接触部),52:後輪(車輪,接触部),53:検査装置(外部機器),60:支柱部,61:内筒,62:外筒,63:ボールジョイント(球体軸受,関節部),64:サスペンション機構,65:(支柱部の)先端部分,70:ロータガード,71:スライドポール,72:水平枝状部,73:垂直枝状部,79:ロータガードクランプ,90:作業面 10: Multicopter (unmanned aerial vehicle), 11: Center frame, 12: Rotor arm, 12a: Fixed arm, 12b: Movable arm, 13: Skid, 14: Flight controller (control unit), 15: Communication device, 18: Battery, 19: Operator terminal, 20: Control device, 21: Flight control program, 22: Autonomous flight program, 23: Flight plan, 30: Flight control sensor group, 31: IMU, 32: Optical flow sensor, 321: LED light (lighting means), 33: Barometric altitude sensor, 34: First laser ranging sensor (first ranging means, altitude detection means, pressure detection means), 35: Second laser Laser distance sensor (second distance measuring means, altitude detection means), 36: first lidar, 37: second lidar, 38: Doppler sensor, 41: horizontal rotor, 411: folding propeller, 42: vertical rotor, 50: mount, 51: front wheel (wheel, contact part), 52: rear wheel (wheel, contact part), 53: inspection device (external device), 60: support part, 61: inner cylinder, 62: outer cylinder, 63: ball joint (spherical bearing, joint part), 64: suspension mechanism, 65: tip part (of support part), 70: rotor guard, 71: slide pole, 72: horizontal branch part, 73: vertical branch part, 79: rotor guard clamp, 90: working surface

Claims (15)

水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、
外部機器を前記複数基のロータよりも上方に保持するマウント部と、
前記マウント部を支持する支柱部と、を備え、
前記支柱部は関節部とサスペンション機構とを有し、
前記関節部は前記サスペンション機構よりも前記マウント部側に配置され、
前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向または所定の方向へ屈折可能とし、
前記支柱部は、前記サスペンション機構によりその長さ方向に伸縮可能であり、
前記マウント部または前記外部機器は構造物の天井面または壁面である作業面に接触する接触部を有する、
無人航空機。
A plurality of horizontal rotors, each of which is a rotor having horizontal rotor blades;
a mount portion for holding an external device above the plurality of rotors ;
a support portion for supporting the mount portion,
The support column has a joint and a suspension mechanism,
the joint portion is disposed closer to the mount portion than the suspension mechanism,
The joint portion allows a part of the support portion to bend in an arbitrary direction or a predetermined direction,
the support column is extendable and contractible in its length direction by the suspension mechanism,
The mount portion or the external device has a contact portion that contacts a work surface which is a ceiling surface or a wall surface of a structure.
Unmanned aerial vehicle.
前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向へ屈折可能とする請求項1に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle according to claim 1, wherein the joint allows a portion of the support to bend in any direction. 前記関節部は球面軸受を有する請求項2に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle according to claim 2, wherein the joint has a spherical bearing. 前記マウント部は複数の前記支柱部により支持される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の無人航空機。 An unmanned aerial vehicle according to any one of claims 1 to 3, wherein the mount is supported by a plurality of the support columns. 前記サスペンション機構の復元力は、前記支柱部を鉛直に立てたときに、前記外部機器および前記マウント部の重量のみによっては前記支柱部がかろうじて圧縮されない程度、又は、該重量によって前記支柱部が一部圧縮される程度に調節されている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の無人航空機。 An unmanned aerial vehicle according to any one of claims 1 to 4, wherein the restoring force of the suspension mechanism is adjusted to such an extent that, when the support section is set vertically, the support section is barely compressed by the weight of the external device and the mount section alone, or the support section is partially compressed by said weight. 前記サスペンション機構の復元力は、前記支柱部を鉛直に立てたときに、前記外部機器および前記マウント部の重量によって前記支柱部が一部圧縮される程度に調節されている請求項5に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle according to claim 5, wherein the restoring force of the suspension mechanism is adjusted to such an extent that when the support section is set vertically, the support section is partially compressed by the weight of the external device and the mount section. 前記サスペンション機構には弾性部材としてばねが用いられ、一または複数の前記支柱部の前記サスペンション機構の復元力の合計値は、最大で220N以下である請求項5または請求項6に記載の無人航空機。 An unmanned aerial vehicle according to claim 5 or 6, in which a spring is used as an elastic member in the suspension mechanism, and the total value of the restoring force of the suspension mechanism of one or more of the support members is a maximum of 220 N or less. 前記サスペンション機構には弾性部材としてばねが用いられ、該ばねの許容たわみ量は30mm以上である請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の無人航空機。 An unmanned aerial vehicle according to any one of claims 5 to 7, in which a spring is used as an elastic member in the suspension mechanism, and the allowable deflection of the spring is 30 mm or more. 前記サスペンション機構には弾性部材としてばねが用いられ、一または複数の前記支柱部の前記サスペンション機構のその全体としてのばね定数は6N/mm以下である請求項5から請求項8のいずれか一項に記載の無人航空機。 An unmanned aerial vehicle according to any one of claims 5 to 8, wherein the suspension mechanism uses a spring as an elastic member, and the overall spring constant of the suspension mechanism of one or more of the support members is 6 N/mm or less. 垂直回転翼を有するロータである垂直ロータをさらに備え、
前記垂直ロータの垂直回転翼は可変ピッチプロペラである請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の無人航空機。
Further comprising a vertical rotor, the rotor having vertical rotor blades;
An unmanned aerial vehicle as described in any one of claims 1 to 9, wherein the vertical rotor's vertical rotor blades are controllable pitch propellers.
前記垂直ロータはピッチ角を制御することで、機体を水平方向へ推進するプッシャー、及び機体を水平方向へ牽引するトラクターとして作用する請求項10に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle described in claim 10, in which the vertical rotor acts as a pusher that propels the aircraft horizontally and as a tractor that pulls the aircraft horizontally by controlling the pitch angle. 前記垂直ロータは、前記作業面に対して平行方向に推力を生じさせる請求項10又は請求項11に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle according to claim 10 or 11, wherein the vertical rotor generates thrust in a direction parallel to the work surface. 前記接触部は車輪である請求項12に記載の無人航空機。 The unmanned aerial vehicle according to claim 12, wherein the contact portion is a wheel. 水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、
外部機器を保持するマウント部と、
前記マウント部を支持する支柱部と、を備え、
前記支柱部は関節部とサスペンション機構とを有し、
前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向または所定の方向へ屈折可能とし、
前記支柱部は、前記サスペンション機構によりその長さ方向に伸縮可能であり、
前記水平ロータを支持する棒状部であるロータアームと、
前記水平ロータよりも側方に突き出し、前記水平ロータが周辺物に接近したときに該水平ロータに先がけてその周辺物に突き当たることで前記水平ロータが周辺物に接触することを阻止する保護具であるロータガードと、をさらに備え、
前記ロータガードは前記ロータアームに支持され、
前記ロータガードは、前記ロータアームの長さ方向に沿ってその位置を変更可能である、
無人航空機
A plurality of horizontal rotors, each of which is a rotor having horizontal rotor blades;
A mount for holding an external device;
a support portion for supporting the mount portion,
The support column has a joint and a suspension mechanism,
The joint portion allows a part of the support portion to bend in an arbitrary direction or a predetermined direction,
the support column is extendable and contractible in its length direction by the suspension mechanism,
A rotor arm that is a rod-shaped portion that supports the horizontal rotor;
a rotor guard that is a protective device that protrudes laterally from the horizontal rotor and prevents the horizontal rotor from contacting the surrounding object by hitting the surrounding object before the horizontal rotor when the horizontal rotor approaches the surrounding object;
the rotor guard is supported by the rotor arm;
The rotor guard is movable along the length of the rotor arm.
Unmanned aerial vehicle .
水平回転翼を有するロータである複数基の水平ロータと、
外部機器を保持するマウント部と、
前記マウント部を支持する支柱部と、を備え、
前記支柱部は関節部とサスペンション機構とを有し、
前記関節部は、前記支柱部の一部を任意の方向または所定の方向へ屈折可能とし、
前記支柱部は、前記サスペンション機構によりその長さ方向に伸縮可能であり、
前記複数基の水平ロータを支持する棒状部である複数本のロータアームと、
前記各水平ロータよりも側方に突き出し、これら水平ロータが周辺物に接近したときに該水平ロータに先がけてその周辺物に突き当たることで前記水平ロータが周辺物に接触することを阻止する保護具である複数のロータガードと、をさらに備え、
前記複数のロータガードはそれぞれ別々の前記ロータアームに支持され、
平面視時計回り又は反時計回りに隣接する一対の前記ロータアームに支持される前記ロータガードは、互いに上下方向における位置をずらしてこれらロータアームに支持され、少なくともいずれか一方の前記ロータガードには他方の前記ロータガード側に延びる枝状部が設けられ、
前記一対のロータアームは、少なくともその一方が他方の前記ロータアーム側に旋回可能である、
無人航空機
A plurality of horizontal rotors, each of which is a rotor having horizontal rotor blades;
A mount for holding an external device;
a support portion for supporting the mount portion,
The support column has a joint and a suspension mechanism,
The joint portion allows a part of the support portion to bend in an arbitrary direction or a predetermined direction,
the support column is extendable and contractible in its length direction by the suspension mechanism,
A plurality of rotor arms that are rod-shaped portions supporting the plurality of horizontal rotors;
a plurality of rotor guards that are protective devices protruding laterally from each of the horizontal rotors and that, when the horizontal rotors approach a surrounding object, abut against the surrounding object before the horizontal rotor, thereby preventing the horizontal rotors from contacting the surrounding object;
each of the rotor guards is supported by a respective rotor arm;
The rotor guards supported by a pair of rotor arms adjacent to each other in a clockwise or counterclockwise direction in a plan view are supported by the rotor arms with their positions shifted from each other in the up-down direction, and at least one of the rotor guards is provided with a branch-like portion extending toward the other rotor guard,
At least one of the pair of rotor arms is capable of rotating toward the other rotor arm.
Unmanned aerial vehicle .
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