JP6375503B2 - 飛行型検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は飛行型検査装置に関し、さらに詳しくは、複数の回転翼を備える小型無人飛行機を用いて面状の検査対象を非接触にて検査する飛行型検査装置およびそれを用いた検査方法に関するものである。

従来一般に、ビルの外壁面等、大型の構造物における略鉛直に立設された面の状態を検査するに際し、特許文献１に示されるように、ロープ等を介して構造物にゴンドラを取り付け、ゴンドラに作業者が搭乗して、検査作業を行ってきた。あるいは、ゴンドラに検査機器を取り付け、無人で検査を行ってきた。

一方で、近年、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人飛行機（ＵＡＶ）、特に小型のマルチコプターが、急速に普及し、広範な分野への導入が試行されている。マルチコプターは複数のロータが搭載されたヘリコプターの一種であり、これら各ロータの回転速度を調節することにより機体のバランスをとりながら飛行する。

特開２０１１−１２３００６号公報

大型の構造物の面に対する検査において、ゴンドラを構造物に取り付けて検査を行う代わりに、小型無人飛行機に検査機器を搭載し、検査対象となる面に沿って飛行させながら、面の各部に対して順次検査を行うという方法が考えられる。すると、検査工程を大幅に簡素化、また高精度化できる可能性がある。

構造物の表面の検査、特に非接触型の検査においては、検査精度を担保する観点から、構造物の表面に対して、検査装置を、一定の角度、一定の距離に配置して検査を行うことが重要である。よって、小型無人飛行機に検査機器を搭載する場合に、小型無人飛行機を、検査対象の面に対して、一定の角度、一定の距離を維持して飛行させる制御を行いながら、面の各部に対する検査を行うことが望ましい。

しかし、小型無人飛行機の中で特に普及が進んでいる操縦者が遠隔から飛行を制御する形式のものの場合、検査対象の面に対して、一定の角度、一定の距離を維持しながら小型無人飛行機を飛行させるには、高度の熟練が必要である。操縦者の熟練の程度が低いと、検査精度が低くなってしまうだけでなく、小型無人飛行機が検査対象の面に衝突してしまう可能性すらある。

操縦者の操縦によるのではなく、ＧＰＳや高度センサを用いて、一定の範囲で小型無人飛行機を自律的に飛行させる機構も導入が進んでいるが、この場合にも、ＧＰＳ信号が検査対象の構造物によって反射や遮蔽を受けることや、長時間の飛行で高度センサに誤差が生じやすいこと等により、検査対象の面に対する角度および距離を一定に制御しながら小型無人飛行機を飛行させることは難しい。特に、トンネルの内壁面や高架橋の橋脚等、検査対象面の上方に障害物が存在する構造物を検査対象とする場合には、ＧＰＳを利用した自律飛行によって検査を行うことは極めて困難である。

本発明が解決しようとする課題は、小型無人飛行機を利用して、面状の検査対象に対する角度および距離を制御しながら、検査を行うことができる飛行型検査装置および検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の飛行型検査装置は、複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を有する小型無人飛行機と、前記小型無人飛行機に取り付けられ、面状の検査対象である対象面の状態を非接触にて検査する検査部と、前記対象面までの距離である対象距離を複数の計測方向に対して計測する測距部と、を備える飛行型検査装置において、前記制御部は、前記測距部によって計測された前記対象距離の情報に基づいて、前記検査部の前記対象面に対する角度および該角度における前記対象面からの距離よりなる対面パラメータを推定する推定手段を備え、前記飛行型検査装置は、前記推定手段における推定結果に基づいて、前記検査部の前記対象面に対する前記対面パラメータを一定に維持しながら、前記対象面に沿って前記小型無人飛行機を移動させ、前記対象面の複数の位置に対して前記検査部による検査を行うものである。

ここで、前記測距部は、測距軸に垂直に複数の計測方向に対して前記対象距離を計測し、前記推定手段は、前記検査部の前記対象面に対する角度として、前記測距軸に垂直な面内における前記検査部の角度を推定するとよい。

この場合に、前記測距軸は、前記小型無人飛行機のヨー軸上または該ヨー軸と平行に設けられるとよい。

また、前記制御部は、外部からの信号に基づいて、前記小型無人飛行機の位置および姿勢を変更することができ、前記検査部による検査を行う間は、前記小型無人飛行機の前記対象面に対する前記対面パラメータの制御を、前記外部からの信号に基づかず、前記推定手段における推定の結果に基づいて行うとともに、前記小型無人飛行機の前記対象面に沿った位置の制御を、前記外部からの信号に基づいて行うとよい。

前記測距部は、前記小型無人飛行機に回転可能に取り付けられており、該回転によって前記対象距離を前記複数の計測方向に対して計測するとよい。

前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離が極小値をとる計測方向を、前記対象面に直交する面直方向であるとして、前記対面パラメータの推定を行うとよい。

前記推定手段は、前記対象距離をＬ、前記面直方向を基準とした前記計測方向をθ、前記面直方向に沿った前記測距部から前記対象面までの距離をＬ０として、Ｌ＝Ｌ０／ｃｏｓθの関数形を用いて、前記対面パラメータの推定を行うとよい。

前記測距部は、３つ以上の計測方向に対して前記対象距離を計測し、前記推定手段は、一部の計測方向における対象距離と計測方向との間の関係が、該一部以外の計測方向における該関係から推定される関数形から逸脱していれば、該一部の計測方向の計測結果を無視して前記対面パラメータの推定を行うとよい。

前記制御部が、前記対象面の第一の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第一の制御を行いながら、前記小型無人飛行機を前記第一の部位に平行に移動させている状態において、前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離に２つの極小点が存在し、該２つの極小点のうち前記小型無人飛行機の移動方向前方の計測方向に位置する極小点における対象距離が、前記小型無人飛行機の移動に伴って小さくなるのを検出すると、前記移動方向の前方に、前記小型無人飛行機に近づく方向に面を向けた第二の部位が前記対象面に存在すると推定し、前記制御部は、前記２つの極小点における前記対象距離が等しくなった時に、前記第二の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第二の制御に、前記第一の制御から移行するとよい。

前記制御部が、前記対象面の第三の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第三の制御を行いながら、前記小型無人飛行機を前記第三の部位に平行に移動させている状態において、前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離が無限大となる挙動を検出すると、前記小型無人飛行機の移動方向の前方に、前記小型無人飛行機から離れる方向に面を向けた第四の部位が前記対象面に存在すると推定し、前記制御部は、前記対象距離が無限大となる計測方向よりも前記移動方向後方の計測方向において、極小点を挟んで前記対象距離が対称となった状態を検出した時に、前記第四の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第四の制御に、前記第三の制御から移行するとよい。

本発明にかかる検査方法は、上記のような飛行型検査装置を用いて面状の検査対象である対象面の状態を検査するものである。

ここで、前記対象面に対して固定され、前記小型無人飛行機よりも離れた位置から前記対象面を撮影する撮影手段と、前記撮影手段に撮影された前記対象面の撮影像を基に、前記小型無人飛行機の位置および姿勢を制御することができる外部制御手段と、を用い、前記制御部によって、前記検査部の前記対象面に対する前記対面パラメータを一定に維持しながら、前記外部制御手段によって、前記対象面に沿って前記小型無人飛行機を移動させ、前記対象面の検査を行うとよい。

上記発明にかかる飛行型検査装置は、対象面までの距離を複数の計測方向に対して計測する測距部と、その測距部での計測結果に基づいて、検査部の対象面に対する角度およびその角度方向における対象面からの距離よりなる対面パラメータを推定する推定手段を備えている。その推定結果に基づいて、対象面を基準とした検査部の角度と距離を制御しながら、小型無人飛行機を対象面に沿って移動させることで、対象面との間に、検査部による検査に適した方向と距離を維持しながら、対象面の各部に対して、安定した条件で検査を行うことができる。これにより、簡便かつ高精度に、対象面の検査を行うことができる。

ここで、測距部が、測距軸に垂直な複数の計測方向に対して対象距離を計測し、推定手段が、検査部の対象面に対する角度として、測距軸に垂直な面内における検査部の角度を推定する場合には、測距軸に垂直な面内における検査部の角度と、その角度方向における対象面からの検査部の距離を、高精度に見積もることができる。その結果、計測方向を単一面内に設定した簡素な測距部を用いて、少なくとも測距部に垂直な面内において、検査部と対象面の間の角度および距離を高精度に制御して、対象面の検査を行うことができる。

この場合に、測距軸が、小型無人飛行機のヨー軸上または該ヨー軸と平行に設けられる構成によれば、略鉛直に立設された対象面において、ヨー軸を略鉛直に向けて小型無人飛行機を飛行させながら検査を行えば、ヨー軸をはじめとする小型無人飛行機自体の制御軸に、対象面を基準とした小型無人飛行機の制御および運動の座標軸を一致させることができる。これにより、制御部における制御の方式を簡素化することができる。そして、検査部と対象面の間の角度および距離を特に高精度に制御しやすいので、対象面の各部の検査を、特に安定した条件で行いやすい。

また、制御部が、外部からの信号に基づいて、小型無人飛行機の位置および姿勢を変更することができ、検査部による検査を行う間、小型無人飛行機の対象面に対する対面パラメータの制御を、外部からの信号に基づかず、前記推定手段における推定の結果に基づいて行うとともに、小型無人飛行機の対象面に沿った位置の制御を、外部からの信号に基づいて行う場合には、小型無人飛行機の対象面に対する角度および距離については、操縦者からの制御信号やＧＰＳ信号等の外部からの信号に依存せず、測距部における計測結果に基づいて自己完結的に制御が行われることになる。そのため、操縦者の操縦技能や、ＧＰＳ信号の受信状態等、外部からの信号に由来する要因に依存せず、検査部と対象面の間の角度および距離を高精度に制御しながら、安定した条件で検査を行うことができる。一方、対象面に沿った方向については、外部からの信号に基づいて制御を行うことで、高い自由度で移動を制御することができる。

測距部が、小型無人飛行機に回転可能に取り付けられており、該回転によって対象距離を複数の計測方向に対して計測する場合には、１つの測距部を用いて、所定の角度範囲の中で、多数の計測方向に対して連続的に対象距離の計測を行うことができるので、推定手段において精度の高い推定を行うことが可能となる。

推定手段が、計測方向の関数としての対象距離が極小値をとる計測方向を、対象面に直交する面直方向であるとして、対面パラメータの推定を行う場合には、面直方向を簡便に推定し、検査部の対象面に対する角度の見積もりに利用することができる。

推定手段が、対象距離をＬ、面直方向を基準とした計測方向をθ、面直方向に沿った測距部から対象面までの距離をＬ０として、Ｌ＝Ｌ０／ｃｏｓθの関数形を用いて、対面パラメータの推定を行う場合には、特に、平面に近似できる対象面に対して、簡単な関数形を用いて、高精度に面直方向を推定することができる。

測距部が、３つ以上の計測方向に対して対象距離を計測し、推定手段が、一部の計測方向における対象距離と計測方向との間の関係が、該一部以外の計測方向における該関係から推定される関数形から逸脱していれば、該一部の計測方向の計測結果を無視して対面パラメータの推定を行う場合には、対象面に、局所的な突起や陥没等の凹凸構造が存在する場合にも、それらの構造による影響を排除して、それらの構造を除いた対象面を基準とした対面パラメータの推定を行うことができる。

制御部が、対象面の第一の部位に対する検査部の対面パラメータを一定に維持する第一の制御を行いながら、小型無人飛行機を第一の部位に平行に移動させている状態において、推定手段が、計測方向の関数としての対象距離に２つの極小点が存在し、該２つの極小点のうち小型無人飛行機の移動方向前方の計測方向に位置する極小点における対象距離が、小型無人飛行機の移動に伴って小さくなるのを検出すると、移動方向の前方に、小型無人飛行機に近づく方向に面を向けた第二の部位が対象面に存在すると推定し、制御部が、２つの極小点における対象距離が等しくなった時に、第二の部位に対する検査部の対面パラメータを一定に維持する第二の制御に、第一の制御から移行する場合には、対象面が平面状ではなく、第一の部位から小型無人飛行機に対して手前側に折れ曲がった第二の部位が存在する状況で、小型無人飛行機が第一の部位に平行に飛行している段階から、そのような第二の部位の存在を推定し、第二の部位に衝突することなく、第一の部位との間に設けていたのと同じ距離を維持したまま、姿勢と飛行方向を変更し、第二の部位に平行に飛行する状態に移行することができる。

制御部が、対象面の第三の部位に対する検査部の対面パラメータを一定に維持する第三の制御を行いながら、小型無人飛行機を第三の部位に平行に移動させている状態において、推定手段が、計測方向の関数としての対象距離が無限大となる挙動を検出すると、小型無人飛行機の移動方向の前方に、小型無人飛行機から離れる方向に面を向けた第四の部位が対象面に存在すると推定し、制御部が、対象距離が無限大となる計測方向よりも移動方向後方の計測方向において、極小点を挟んで対象距離が対称となった状態を検出した時に、第四の部位に対する検査部の対面パラメータを一定に維持する第四の制御に、第三の制御から移行する場合には、対象面が平面状ではなく、第三の部位から小型無人飛行機に対して奥側に折れ曲がった第四の部位が存在する状況で、第三の部位に平行に飛行している段階から、そのような第四の部位の存在を推定し、第三の部位との間に設けていたのと同じ距離を維持したまま、姿勢と飛行方向を変更し、第四の部位に平行に飛行する状態に移行することができる。

本発明にかかる検査方法によれば、上記のような検査部と推定手段を備えた飛行型検査装置を用いて検査を行うので、対象面との間に、検査部による検査に適した方向と距離を維持しながら、対象面の各部に対して、安定した条件で検査を行うことができる。

ここで、対象面に対して固定され、小型無人飛行機よりも離れた位置から対象面を撮影する撮影手段と、撮影手段に撮影された対象面の撮影像を基に、小型無人飛行機の位置および姿勢を制御することができる外部制御手段と、を用い、制御部によって、検査部の対象面に対する対面パラメータを一定に維持しながら、外部制御手段によって、対象面に沿って小型無人飛行機を移動させ、対象面の検査を行う場合には、対象面に対する小型無人飛行機の角度および距離については、測距部による計測情報をもとに推定手段で対面パラメータを推定した結果に基づいて、小型無人飛行機に内蔵された制御部が制御するので、外部制御手段による対象面に沿った方向への移動と合わせて、対象面の広い範囲に対して、高精度の検査を実行することができる。撮影手段による撮影像だけでは、面直方向における小型無人飛行機の位置が分かりにくいが、推定手段での推定結果に基づく制御を併用することで、検査条件の安定性を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる飛行型検査装置の概略を示す外観斜視図である。 上記飛行型検査装置の概略を示すブロック図である。 上記飛行型検査装置における制御を示す概念図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 対面パラメータの推定方法を説明する図であり、カメラが対象面に正対している状態について、（ａ）は平面図、（ｂ）は測距結果を示している。 対面パラメータの推定方法を説明する図であり、カメラが対象面に正対していない状態について、（ａ）は平面図、（ｂ）は測距結果を示している。 対面パラメータの推定方法を説明する図であり、対象面が緩やかな内凸形状になっている場合について、（ａ）は平面図、（ｂ）は測距結果を示している。 対象面が、マルチコプターとの間の距離に等しい曲率半径の部位を有する場合について、飛行型検査装置の飛行軌跡を示す平面図であり、（ａ）は内凸形状が１８０°にわたって設けられている場合、（ｂ）は内凸形状が９０°にわたって設けられている場合を示している。 対面パラメータの推定方法を説明する図であり、対象面に突起物が存在する場合について、（ａ）は平面図、（ｂ）は測距結果を示している。 折れ曲がった検査面に対して検査を行う場合について、飛行軌跡を示す平面図である。 上記飛行軌跡の各点における測距結果を示す図である。対応する点は、図中に示している。 固定カメラおよび制御コンピュータを併用する検査方法を示す模式図である。 固定カメラの撮影像に基づく制御を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施形態にかかる飛行型検査装置および検査方法について、図面を用いて詳細に説明する。本実施形態にかかる飛行型検査装置（以下、単に検査装置と称する場合がある）１は、ビルの壁面等、面状の検査対象、特に略鉛直に立設された面状の検査対象である対象面Ｗの状態を非接触で検査するものである。

［飛行型検査装置の構成］
図１は本発明の一実施形態にかかる飛行型検査装置１の外観を示す斜視図である。飛行型検査装置１は、主に、複数（ここでは４つ）の回転翼９１１を備える小型無人飛行機であるマルチコプター９１と、マルチコプター９１にそれぞれ取り付けられた測距センサ２０と、カメラ３０とを有している。

マルチコプター９１において、４つの回転翼９１１は、略同一面上に放射状に設けられており、その面の中心に直交する軸ａが、ヨー軸と称され、ヨー軸ａの周りの回転角がヨー角と称される。また、４つの回転翼９１１を頂点とする正方形の１対の辺に沿った方向を前後方向ｂとし、他の１対の辺に沿った方向を左右方向ｃとする。ヨー軸ａは、上下方向に向くことになる。

測距センサ（測距部）２０は、マルチコプター９１の上方中央部に取り付けられている。測距センサ２０は、特定の方向に対して、外部の物体との間、ここでは対象面Ｗとの間の距離の計測（測距）を行うことができるセンサであり、例えば、レーザービームＢの反射を利用した公知の測距センサを用いることができる。測距センサ２０は、マルチコプター９１に固定された基部２２と、基部２２に対して回転可能な回転部２１を有している。回転部２１には、レーザー光源と検出部が設けられており、基部に対して軸回転することで、回転範囲の中で、複数の方向に対して連続的に、レーザービームＢを出射し、外部の物体までの距離の計測を行うことができる。回転部２１の回転中心である測距軸は、マルチコプター９１のヨー軸ａと一致しており、回転により、ヨー軸ａを中心に、前方に向かって、所定の角度範囲で距離の計測を行う。例えば、計測を行う角度範囲は、前方正面を中心に片側６０°以上、合計で１２０°以上とされる。

検査部としてのカメラ３０は、マルチコプター９１の前方に、まっすぐ正面を向いて、固定されて取り付けられている。これにより、マルチコプター９１の前方に存在する物体、ここでは対象面Ｗを撮影することができる。カメラ３０の撮影方向は、測距センサ２０の正面方向と一致していることになる。

図２は飛行型検査装置１の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター９１は、主に、空中におけるマルチコプター９１の姿勢や飛行動作を制御するフライトコントローラ８３、回転することによりマルチコプター９１に揚力を発生させる複数の回転翼９１１、操縦者（送受信器８１）との無線通信を行う送受信器８２、およびこれらに電力を供給するバッテリー８４により構成される。

フライトコントローラ８３は、マイクロコントローラである制御部８３１を備えている。制御部８３１は、中央処理装置であるＣＰＵ、記憶装置であるＲＡＭ／ＲＯＭ、および、ＤＣモータ８６を制御するＰＷＭコントローラを備えている。ＤＣモータ８６は、各回転翼９１１に結合されており、ＰＷＭコントローラからの指示により、ＥＳＣ（Electric Speed Controller）８５を介して、各ＤＣモータ８６の回転速度が制御される。４つの回転翼９１１の回転速度のバランスにより、ヨー角をはじめとするマルチコプター９１の姿勢や、上下ａ、前後ｂ、左右ｃの各方向への移動が制御される。

フライトコントローラ８３はセンサ群８３２およびＧＰＳ受信器８３３を備えており、これらは制御部８３１に接続されている。マルチコプター９１のセンサ群８３２には、加速度センサ、ジャイロセンサ（角速度センサ）、気圧センサ、地磁気センサ（電子コンパス）などが含まれている。

制御部８３１のＲＡＭ／ＲＯＭには、マルチコプター９１の飛行時における飛行制御アルゴリズムが実装された飛行制御プログラムが記憶されている。制御部８３１はセンサ群８３２から取得した情報を用いて飛行制御プログラムによりマルチコプター９１の姿勢および位置を制御することができる。本実施形態においては、マルチコプター９１の飛行操作を、操縦者が、送受信器８１を介して、手動で行うことができる。あるいはＧＰＳ座標や高度、飛行ルートなどの飛行計画がパラメータ化された自律飛行プログラムを別途実装し、自律的に飛行させるように構成してもよい。しかし、飛行型検査装置１によって大型の構造物の略鉛直に立設された対象面Ｗの検査を行う場合には、構造物によるＧＰＳ信号の反射や遮蔽の影響が大きく、ＧＰＳ座標を用いた自律飛行によって検査を行うことは、極めて困難であるので、本実施形態においては、操縦者が送受信器８１を介して手動にて飛行操作を行う場合について扱う。ただし、以降において、送受信器８１から送信される外部信号に基づく飛行制御を、ＧＰＳ信号を外部信号とした自律飛行での制御に読み替えることもできる。

本実施形態において、測距センサ２０およびカメラ３０も、それぞれ制御部８３１に接続されている。測距センサ２０は、回転部２１を回転しながら各方向に対して対象面Ｗまでの距離の計測を行い、計測結果を制御部８３１に伝達する。カメラ３０は、制御部８３１によって、撮影の実行を指示され、また、必要に応じて、種々の撮影条件を制御される。また、撮影した撮影像のデータを、制御部８３１に伝達し、ＲＡＭ／ＲＯＭに記憶させる。

さらに、制御部８３１のＣＰＵには、演算機能の一部として、推定手段４０が設けられている。推定手段４０は、制御部８３１に入力された測距センサ２０での計測の結果に関する情報を処理して、対象面Ｗに対するカメラ３０の対面パラメータの推定を行う。つまり、カメラ３０の対象面Ｗに対する角度、およびその角度方向における対象面Ｗからのカメラ３０の距離の２つのパラメータを推定する。対面パラメータの推定の詳細については後述する。そして、制御部８３１は、推定手段４０における対面パラメータの推定結果に基づいて、マルチコプター９１の位置および姿勢を制御することができる。制御部８３１は、この推定手段４０における対面パラメータの推定結果と、上記のように送受信器８１を介して操縦者から送られた外部信号の両方に基づいて、マルチコプター９１の姿勢および位置を制御することができるが、それら２とおりの制御のそれぞれの役割については、次の項に述べる。

以上において、測距センサ２０として、回転部２１を有し、測距軸として、１つの回転軸を中心に、所定の角度範囲にわたって連続的に計測方向をスキャンできるものを用いており、測距軸に垂直な平面内において、各計測方向に対して連続的に、対象面までの距離（対象距離）の計測を行うことができる。このような回転式の測距センサ２０を用いることで、１つのセンサのみを用いて高い精度で対面パラメータの推定を行うことが可能となる。しかし、複数の計測方向に対して対象距離を計測できる測距センサであれば、このような形態のものに限らず、利用することができる。例えば、計測方向が固定された複数個の測距センサを、測距軸の周りの複数の計測方向に向けて配置してもよい。固定式のセンサの方が、回転式のセンサよりも安価でありながら、耐久性に優れている。マルチコプター９１をヨー軸ａの周りに回転させながら複数回の測距測定を行えば、固定式測距センサの数が少なくても、それを補って、多数の計測方向に対して対象距離の計測を行うことができる。

また、回転式の測距センサ２０を用いる場合に、１つの回転軸の周りに回転し、１次元的に計測方向をスキャンできるものに限らず、２次元的に計測方向をスキャンできるものを用いてもよい。しかし、上記のように、１つの回転軸の周りに回転する形式の測距センサ２０を、その回転軸をマルチコプター９１のヨー軸ａ上、あるいはヨー軸ａと平行に取り付けることで、測距センサ２０の構成を簡素に抑えながら、略鉛直に立設された対象面Ｗをカメラ３０で撮影する際に、カメラ３０による撮影の安定化に寄与することができる。カメラ３０の配置角度が、ヨー軸ａの周りにずれると、他の軸の周りにずれが生じる場合と比べて、ずれが撮影結果に特に大きな与えやすいからである。さらに、測距センサ２０は、レーザーを用いた形態のものに限られないが、各計測方向に対して計測した対象距離の分布に関する情報を対面パラメータの推定に利用するので、指向性の高いものであることが好ましい。

本実施形態においては、検査部としてカメラ３０を用いているが、対象面Ｗを検査して得ようとする情報に応じて、カメラ３０に限らず、任意の非接触式の検査部を設けることができる。他の検査部としては、いずれも非接触式の、分光装置、超音波検査装置、電磁測定装置、温度測定装置等を例示することができる。また、上記では、対象面Ｗの正面からカメラ３０を用いた撮影を行うために、カメラ３０を測距センサ２０と同じく前方に向けて配置したが、検査部の種類によって、対象面Ｗに対して斜めに設定した方向から検査を行うことが適している場合には、適宜測距センサ２０との間に角度を設けて検査部を設置すればよい。さらに、上記では、カメラ３０はマルチコプター９１に固定されているが、カメラ３０をはじめとする検査部は、マルチコプター９１に対して、ヨー軸ａまたは他の軸の周りに回転可能、あるいは位置移動可能に取り付けてもよい。

［飛行型検査装置による検査の概要］
図３に、略鉛直に立設されたビルの壁面を対象面Ｗとして、上記のような構成を有する飛行型検査装置１を用いた対象面Ｗの検査の概要を示している。図３（ａ），（ｂ）に示すように、対象面Ｗの検査を行っている最中にある検査装置１は、マルチコプター９１のヨー軸ａを鉛直にし、正面方向（＋ｂ方向）を対象面Ｗに正対させている。左右軸（±ｃ方向）は、対象面Ｗの幅方向に平行に向けられる。対象面Ｗの検査中、検査装置１は、測距センサ２０によって、複数の計測方向に対して対象面Ｗまでの距離（対象距離）を計測する測距を連続的に実行しながら、制御部８３１によって、マルチコプター９１の位置および姿勢を制御する。測距センサ２０によって得られた対象距離の情報は、リアルタイムで、制御部８３１の推定手段４０で処理され、対象面Ｗに対するカメラ３０の対面パラメータの推定が行われる。本実施形態においては、測距センサ２０として、マルチコプター９１のヨー軸ａに垂直な面内で１次元的に計測方向をスキャンするものを用いているので、対面パラメータに含まれる対象面Ｗに対する検査部の角度とは、ヨー軸ａを中心として、対象面Ｗに対して検査部が向いている方向のヨー角Θを指す。さらに、制御部８３１は、推定手段４０での対面パラメータの推定を含む飛行制御に加え、カメラ３０による対象面Ｗの撮影、つまり検査部による検査も連続的に実行する。

図３（ａ）に示すように、検査装置１は、マルチコプター９１の運動によって、対象面Ｗに沿ってつづら折れ状に移動する。対象面Ｗに沿ったマルチコプター９１のこの運動は、上下方向（±ａ方向）と左右方向（±ｃ方向）に沿った並進方向の位置の変更によって行われる。これら、上下方向および左右方向への位置の変更は、操縦者が操作する送受信器８１から受信した外部信号に基づいて、制御部８３１によって実行される。

一方、対象面Ｗに交差する方向に関しては、図３（ｂ）のように、マルチコプター９１は、カメラ３０を対象面Ｗに正対させ、対象面Ｗに直交する面直方向Ｎに沿ったカメラ３０と対象面Ｗの間の距離Ｄを、一定に保った状態に維持される。つまり、マルチコプター９１のヨー角Θおよび前後方向（±ｂ方向）に沿った並進方向の距離Ｄを一定に維持するように、制御部８３１がマルチコプター９１の対面パラメータの制御を行う。これらヨー角Θおよび前後方向の距離Ｄの制御に関する信号は、操縦者が送受信器８１からも送信可能であるが、制御部８３１は、これら２つのパラメータの制御に関しては、送受信器８１から送信された外部信号に従わず、上記のように、測距センサ２０での計測結果から推定手段４０で推定された対面パラメータの情報に基づいて、制御を行う。

このように、カメラ３０を対象面Ｗに対して面直方向Ｎに一定の距離だけ離して正対させた状態に維持したまま、対象面Ｗに沿った方向に、マルチコプター９１が移動される。この移動の間、対象面Ｗ上の複数の位置で、カメラ３０による撮影が行われる。撮影は、対象面Ｗに沿った移動経路の途中で、マルチコプター９１を一時的にホバリングさせて間欠的に行っても、マルチコプター９１を連続的に移動させながら行ってもよい。

以上のように、カメラ３０等の検査部を、対象面Ｗに対して、一定の角度に、一定の距離だけ離れた状態に維持することで、各種検査部を用いた検査に適した方向および距離で、安定して、対象面Ｗの各部位に対する検査を行うことができる。そして、この際、対象面Ｗに対するマルチコプター９１の方向と距離、つまり対面パラメータの制御を、送受信器８１等からの外部信号に基づいて行うのではなく、マルチコプター９１自身に取り付けられた測距センサ２０によって得られる各計測方向に対する対象距離の情報から推定された対面パラメータの情報に基づいて自己完結的（自律的）に行うことで、外部信号に由来して対象面Ｗに対するマルチコプター９１の対面パラメータを不安定化させる要因を排除して、対面パラメータを高度に制御し、一定に維持しながら、検査を行うことができる。その結果、検査面の広い範囲に対して、安定した検査条件で高精度の検査を行うことができる。外部信号に由来して、対面パラメータを不安定化させる要因としては、例えば、操縦者による手動操作において、対面パラメータを一定に維持することが極めて困難である点が挙げられる。

なお、対面パラメータに関して、「一定」とは、検査部における検査条件のばらつきとして許容される程度の誤差を含むものとする。また、「一定」とは、検査の最初から最後まで同じ対面パラメータを維持する場合のみならず、検査の途中で、検査条件の変更等に応じて、目標とする対面パラメータの値を変化させるものであってもよい。

本実施形態においては、マルチコプター９１のヨー軸ａを中心として１次元的に測距センサ２０における計測方向をスキャンしているため、推定手段４０によって推定され、制御部８３１によって一定に維持される対面パラメータを構成する対象面Ｗに対する角度とは、対象面Ｗに対するヨー角Θのみを指すが、２次元的に計測方向をスキャンできる測距センサを用いる場合には、対象面Ｗに対するヨー角Θとピッチ角（軸ｃの周りの回転角）の両方について、対面パラメータとして推定し、一定に制御する対象とすることができる。

また、マルチコプター９１に固定されたカメラ３０等検査部の対象面Ｗに対する角度および距離（対面パラメータ）を一定に維持するために、本実施形態では、制御部８３１によって、対象面Ｗに対するマルチコプター９１自身の角度と距離を制御しているが、検査部がマルチコプター９１に回転可能または位置移動可能に取り付けられている場合には、対象面Ｗに対するマルチコプター９１自身の角度および距離を制御する代わりに、あるいはそれに加えて、マルチコプター９１に対する検査部の回転および位置移動を制御してもよい。

そして、本実施形態において、上記のように、対象面Ｗに対する検査部の対面パラメータに関しては、外部信号ではなく、推定手段４０による推定情報をもとに制御を行う一方で、対象面Ｗに沿った方向の運動に関しては、送受信器８１からの外部信号に基づいて、マルチコプター９１を並進運動させながら、カメラ３０での撮影を行っている。これによって、対象面Ｗに沿った広い領域において、高い自由度で検査装置１の移動を行うことが可能となっている。さらに、この並進運動に際し、外部信号を受けた制御部８３１が、測距センサ２０での計測結果をもとに推定手段４０において推定した面直方向Ｎに関する情報を参照し、その面直方向Ｎに垂直な面内で並進運動を行うようにすれば、並進運動の方向に関しても高い精度が得られる。

［対面パラメータの推定と制御の例］
次に、推定手段４０において、測距センサ２０で得られた各方向への対象距離の情報に基づいて、対象面Ｗに対するカメラ３０の対面パラメータ、つまり対象面Ｗに対するカメラ３０の角度、およびその角度方向における対象面Ｗからのカメラ３０の距離を推定する方法の具体例について説明する。ここで、対面パラメータは、カメラ３０による撮影の条件を一定に維持する観点から、カメラ３０に対して規定されるものであるが、説明を簡素に行うため、マルチコプター９１の中心点についての対面パラメータ、つまりマルチコプター９１の中心点の対象面Ｗに対するヨー角Θ、およびそのヨー角Θの方向における対象面Ｗからのマルチコプター９１の中心点の距離Ｄについて考える。マルチコプター９１の中心点には、測距センサ２０の測距軸が設けられている。マルチコプター９１に対するカメラ３０の取付け位置および取付け角度は既知なので、マルチコプター９１の中心点についての対面パラメータが定まれば、自動的にカメラ３０についての対面パラメータも定まる。

［１］対象面が略鉛直の平面の場合
対象面Ｗが鉛直に立設された平面とみなせる場合に、図３のようにマルチコプター９１のヨー軸ａを鉛直にし、正面方向（＋ｂ方向）を対象面Ｗに正対させてマルチコプター９１を配置すると、マルチコプター９１の正面方向（＋ｂ方向）が、対象面Ｗの面直方向Ｎに一致する。この状態についての平面図を図４（ａ）に示す。また、測距センサ２０の計測方向θをヨー軸ａを中心に変化させた場合に、各計測方向で計測される対象面Ｗまでの距離である対象距離Ｌを、計測方向θの関数として図４（ｂ）に示す。

図４（ｂ）に示すように、θ＝０の計測方向、つまり面直方向Ｎにおいて、対象距離ＬがＬ０で極小となっている。そして、対象距離Ｌは、その極小点を挟んで左右対称となっている。幾何学的考察から、対象距離Ｌと計測方向θの関係は、
Ｌ＝Ｌ０／ｃｏｓθ （１）
と表される。定数Ｌ０は、面直方向Ｎに沿ったマルチコプター９１の中心点から対象面Ｗまでの距離に対応する。

つまり、測距センサ２０が測距軸に垂直な面内の各計測方向に対して計測した対象距離Ｌの分布において、マルチコプター９１の正面方向（θ＝０）において対象距離Ｌが極小値Ｌ０をとっていれば、対面パラメータΘ，Ｄとして、マルチコプター９１が、正面方向を面直方向Ｎに向け、その面直方向Ｎに沿って、距離Ｄ＝Ｌ０だけ離れた状態をとっていると推定される。

推定された距離Ｄ（＝Ｌ０）が、カメラ３０の撮影条件等によって定められる目標距離に等しい場合には、制御部８３１は、対面パラメータΘ，Ｄをこのままの状態に維持するようにマルチコプター９１の制御を行えばよい。距離Ｄが目標距離と異なっている場合には、制御部８３１は、ヨー角Θはそのままで、距離Ｄを目標距離に一致させるように、マルチコプター９１の面直方向Ｎに沿った位置を変更する制御を行えばよい。また、面直方向Ｎに直交する面が、対象面Ｗに沿った面となるので、制御部８３１は同時に、送受信器８１からの信号を参照しながら、上記で推定した面直方向Ｎに直交する方向にマルチコプター９１を移動させればよい。

一方、図５（ａ）に示すように、マルチコプター９１の正面方向（＋ｂ方向）が対象面Ｗに正対していない場合には、対象距離Ｌと計測方向θの関係は、図５（ｂ）のようになっている。つまり、マルチコプター９１の正面方向（θ＝０）における対象距離Ｌａが、極小値となっていない。代わりに、θ＝−θａの計測方向において、対象距離Ｌ０で極小値をとっている。この場合には、極小点を与える−θａの方向が、面直方向Ｎに対応すると推定することができる。つまり、対面パラメータΘ，Ｄとして、マルチコプター９１の対象面Ｗに対する角度（ヨー角Θ）が、極小点における計測方向（−θａ）の符号を反転させた角度であるθａに等しく、その角度方向θａにおける対象面Ｗからのマルチコプター９１の距離Ｄが、正面方向（θ＝０）で計測された対象距離Ｌａに等しいと、推定することができる。幾何学的考察から、この時の対象距離Ｌと計測方向θの関係は、
Ｌ＝Ｌ０／ｃｏｓ（θ＋θａ） （２）
と表わすことができる。

そして、上記のような推定結果に基づき、制御部８３１が、対面パラメータΘ，Ｄの制御を行えばよい。つまり、マルチコプター９１のヨー角Θを変更し、−θａだけ回転させることで、対象面Ｗに正対させるとともに、正対後のマルチコプター９１の対象面Ｗからの距離Ｄを目標距離に一致させるように、マルチコプター９１の面直方向Ｎに沿った位置を変更する制御を行えばよい。同時に、制御部８３１は、送受信器８１からの信号を参照しながら、正対後のマルチコプター９１に対して、推定された面直方向Ｎに直交する方向に、マルチコプター９１を移動させればよい。

以上のように、計測方向θの関数としての対象距離Ｌにおいて、極小点を与える計測方向θを、対象面Ｗに直交する面直方向Ｎであるとみなすことで、簡便にマルチコプター９１の対面パラメータΘ，Ｄを推定することができる。この際、上記式（１）や式（２）のような解析関数を用いて、面直方向Ｎの推定および対面パラメータΘ，Ｄの推定を行ってもよい。解析関数を用いて測距センサ２０での計測結果を近似（カーブフィッティング）することで、測距センサ２０での計測における誤差等の影響を排除して、高精度に面直方向Ｎや対面パラメータΘ，Ｄの推定を行うことができる。特に、測距センサ２０として、回転式のセンサではなく、固定式のセンサを複数設ける場合に、離散的に得られる計測結果に対して、解析関数を用いた近似を適用することで、極小点を与えるようなデータ点が得られていない場合にも、高精度に面直方向Ｎおよび対面パラメータΘ，Ｄを推定することが可能となる。

［２］対象面が曲面である場合
対象面Ｗが曲面である場合にも、基本的には上記と同様の推定方法を適用することができる。ただし、曲面の形状によっては、必ずしも、マルチコプター９１が対象面Ｗに正対する面直方向Ｎにおいて対象距離Ｌが極小値をとるとは限らない。例えば、構造物の設計情報等から、対象面Ｗの曲面の形状が既知であれば、その形状を円弧等の単純な数式に近似し、その数式を上記式（１）や式（２）に重畳して、曲面形状を反映した解析式を作成すればよい。そして、作成した解析式を用いて、上記と同様に、対面パラメータΘ，Ｄの推定を行えばよい。

種々の曲面形状のうち、図６（ａ）のように、対象面Ｗが緩やかな内凸形状（対象面Ｗの表面を挟んでマルチコプター９１が配置されているのと反対側である対象面の内側に向かって凸な形状）をとっている場合には、推定を単純化することができる。このような場合には、計測方向θと対象距離Ｌの関係は、図６（ｂ）のようになる。このカーブの形状は、対象面Ｗが平面状である図４（ｂ）の場合のカーブが浅く変化したものに対応する。つまり、この場合にも、上記の対象面Ｗが平面状である場合と同様に、極小点を与える計測方向θが面直方向Ｎであるとの推定を適用することができる。このような推定を適用できる「緩やかな」内凸形状とは、面直方向Ｎに沿ったマルチコプター９１の中心から対象面Ｗまでの距離Ｌ０を半径とする円弧よりも、対象面Ｗの曲率が小さい（曲率半径が大きい）場合を指す。これよりも対象面Ｗの曲率が大きくなると、面直方向Ｎから外れた方向で、対象距離Ｌが極小値をとる可能性がある。

一方、対象面Ｗに、マルチコプター９１の中心からの距離Ｌ０に等しいとみなせる曲率半径を有する内凸形状が存在する場合には、対象距離Ｌが、計測方向θによらず、Ｌ０で等しくなる。このような場合には、推定部４０において、面直方向Ｎおよびマルチコプター９１が向いているヨー角Θを正しく推定することができない。そこで、対象距離Ｌが計測方向θに対して変化しない挙動が、あらかじめ規定しておいた所定の基準範囲の計測方向（例えば１５°）にわたって観測された場合には、マルチコプター９１の中心からの距離Ｌ０に曲率半径が等しい内凸構造が対象面Ｗに存在すると推定すればよい。なお、そのような挙動が、１５°などと定めた基準範囲未満の計測方向で観測された場合には、その中心を極小点とみなして、面直方向Ｎおよびヨー角Θの推定を行えばよい。

上記のようにして、マルチコプター９１の中心からの距離Ｌ０に曲率半径が等しい内凸構造が対象面Ｗに存在すると推定された場合には、マルチコプター９１を対象面Ｗに沿った方向に移動させずに、その場でヨー軸ａの周りに回転させ、ヨー角Θを所定の角度ステップで変更しながら、カメラ３０によって、内凸形状の部位の撮影を行えばよい。なお、撮影時にヨー角Θを変更する角度ステップは、カメラ画角に基づいて定めることが望ましい。この種の撮影では、連続した画像の撮影エリアを３０％から６６％程度重複するように設定することが多く、例えばカメラの画角がαである場合に、重複の割合を５０％とするならば、角度ステップは０．５αと定めればよく、重複の割合を３０％とするならば、角度ステップを０．７αとすればよい。

図７に、対象面Ｗがマルチコプター９１の中心からの距離Ｌ０に曲率半径が等しい内凸構造を有する場合について、マルチコプター９１の移動軌跡を点線にて示す。図７（ａ）は内凸構造が１８０°にわたって形成されている場合、図７（ｂ）は内凸構造が９０°にわたって形成されている場合を示している。移動軌跡の途中で、マルチコプター９１は、内凸構造の中心となる点Ｒにおいて、対象面Ｗの面に沿った移動を一旦停止し、その場でヨー軸ａを中心とした回転を行いながら、内凸の部位の各部位に対する撮影を行う。点Ｒにおける回転角度は、図７（ａ）では１８０°、図７（ｂ）では９０°である。なお、図７（ａ），（ｂ）中で、左側の直線的に飛行している部位から点Ｒまでのマルチコプター９１の移動は、下記に項目［４］にて示す対象面Ｗが折れ曲がっている場合の推定、制御方法に従って行われる。

［３］対象面に凹凸構造がある場合
次に、対象面Ｗに、凹凸がある場合について考える。例として、図８（ａ）に、平面状の対象面Ｗの上に、突起物Ｐが存在する場合について考える。このような状況は、例えば、ビルの外壁面にパイプが露出している場合に想定される。

この場合に、マルチコプター９１を突起物Ｐから外れた位置で対象面Ｗに正対させると、計測方向θと対象距離Ｌの関係は、図８（ｂ）のようになる。つまり、マルチコプター９１と突起物Ｐを結ぶ方向θｐを中心とした一部の計測方向θに、大きく下凸になった構造が見られ、それ以外の計測方向θにおいて推定される関数形から大きく逸脱している。このような場合には、このような逸脱が存在する部位を無視して、対面パラメータΘ，Ｄの推定を行えばよい。

例えば、他の部位の計測結果をもとに、無視した部位の計測点を補間し、補間後の関数形に対して、上記［１］に示した突起物Ｐが存在しない場合と同様にして、対面パラメータΘ，Ｄの推定を行えばよい。補間の方法としては、上記式（１）や式（２）のような解析式を用いて近似を行えばよい。図８（ｂ）中に、式（１）を用いて補間した曲線を破線にて示している。

このようにすれば、突起物Ｐの影響を排除して、本来の対象面Ｗを基準としたマルチコプター９１の対面パラメータΘ，Ｄを正確に見積もることができる。また、推定された対面パラメータΘ，Ｄにおいて、対象面Ｗからマルチコプター９１までの距離が小さすぎ、飛行位置の誤差等によって、突起物Ｐへの衝突が起こる可能性が懸念されるような場合には、対象面Ｗに対する距離Ｄの目標値を大きくするように変更する等の対策を講じることができる。なお、このように、一部の計測方向θにおける計測結果を無視して対面パラメータΘ，Ｄの推定を行う場合には、少なくとも３つの計測方向θにおいて、対象距離Ｌを計測することが必要である。

［４］対象面が折れ曲がっている場合
次に、図９のように、対象面Ｗが折れ曲がっている場合について考える。このような折れ曲がり構造は、ビルの角部等にしばしば見られる。この場合において、相互に直交した各部位Ｘ，Ｙ，Ｚに対して一定の距離Ｌ０を保って正対したまま、折れ曲がりに沿って、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄのように、マルチコプター９１を飛行させる。

まず、マルチコプター９１が、対象面Ｗの部位Ｘ（第一の部位）に正対して、部位Ｘに平行に飛行している状態の点Ａにおいては、測距センサ２０にて計測した計測方向θと対象距離Ｌの関係が、図１０（ａ）のようになっている。ここでは、２つの極小点Ｃ１，Ｃ２が観測される。これら２つの極小点のうち、マルチコプター９１の移動方向後方の計測方向（θが小さい側）に位置する極小点Ｃ１は、マルチコプター９１が正対している部位Ｘの面直方向Ｎに対応するものであり、極小点Ｃ１においては、θ＝０、Ｌ＝Ｌ０となっている。一方、マルチコプター９１の移動方向前方の計測方向（θが大きい側）に位置する極小点Ｃ２は、移動方向前方に存在する部位Ｙ（第二の部位）までの距離を移動方向に沿って計測していることに対応する。極小点Ｃ２における対象距離Ｌは、極小点Ｃ１における対象距離Ｌ（＝Ｌ０）よりも大きくなっている。２つの極小点Ｃ１，Ｃ２の両側のグラフ曲線は、それぞれ、式（１）および式（２）の関数に近似される。

マルチコプター９１が部位Ｙに近づく前方に移動するのに伴って、極小点Ｃ１を与える計測方向θ（＝０）も対象距離Ｌ（＝Ｌ０）も変化しない。一方、極小点Ｃ２を与える計測方向θは変化しないが、対象距離Ｌは連続的に小さくなる。推定手段４０は、測距センサ２０における計測結果にこのような傾向を検出すると、マルチコプター９１の移動方向前方に、マルチコプター９１に近づく方向に面を向けた、つまり部位Ｘに対してマルチコプター９１が飛行している手前側に折れ曲がった凹構造として、部位Ｙが存在していると推定する。

上記のように、部位Ｘに沿ったマルチコプター９１の移動に伴って、極小点Ｃ２における対象距離Ｌが小さくなり、やがて、図１０（ｂ）のように、極小点Ｃ２における対象距離Ｌが、他方の極小点Ｃ１における対象距離ＬであるＬ０に等しくなる。これは、マルチコプター９１が、部位Ｘと部位Ｙの両方に対して距離Ｌ０だけ離れた点Ｂに達したことを意味する。この際、極小点Ｃ１と極小Ｃ２の間の計測方向θの差は、部位Ｘと部位Ｙの間の角度に等しく、この場合には９０°である。この状態に達すると、制御部８３１は、部位Ｘに対する対面パラメータΘ，Ｄを一定に維持していた制御状態（第一の制御状態）から、部位Ｙに対する対面パラメータΘ，Ｄを一定に維持する制御状態（第二の制御状態）に移行する。つまり、マルチコプター９１のヨー角Θを、極小点Ｃ１と極小点Ｃ２の間の計測方向θの差に等しい角度、ここでは９０°回転させ、部位Ｘに距離Ｌ０で正対した状態から部位Ｙに距離Ｌ０で正対した状態に切り替える。そして、部位Ｙに平行に飛行を続ける。なお、このような推定および制御切り替えの方法は、部位Ｘと部位Ｙが直交して折れ曲がっている場合に限らず、任意の折れ曲がり角を有する場合に適用することができるが、大型の突起物と区別するため、４５°以上の折れ曲がり角を有し、極小点Ｃ１と極小点Ｃ２の間の計測方向θの差が４５°以上である場合にのみ適用することが好ましい（図８（ｂ）参照）。

次に、マルチコプター９１は、部位Ｙ（第三の部位）に距離Ｌ０で正対した状態で、部位Ｙに平行に移動する。この状態で、マルチコプター９１の正面に部位Ｙが存在している点Ｂ１においては、計測方向θと対象距離Ｌの関係が、図９（ｃ）のようになる。つまり、θ＝０において、対象距離Ｌが極小値をとるものの、θ＞０の領域において、対象距離Ｌが無限大に発散するという挙動をとる。それよりも移動方向前方側（θが大きい側）には、計測データが存在しない。これは、進行方向前方の計測方向θにおいて、測距センサ２０から出たレーザービームＢが部位Ｙおよび対象面Ｗの他の部位に当たらず、有限の対象距離Ｌが計測されなくなることに対応している。推定手段４０は、測距センサ２０における計測結果にこのような挙動を検出すると、マルチコプター９１の移動方向前方に、マルチコプター９１から離れる方向に面を向けた、つまり部位Ｙに対してマルチコプター９１が飛行しているのと反対の奥側に折れ曲がった凸構造として、部位Ｚ（第四の部位）が存在していると推定する。マルチコプター９１の飛行に伴って、無限大に発散する点は移動方向後方側に移動し、部位Ｙと部位Ｚの間の角の正面に達した時に、θ＝０で無限大に発散する状態となる。

そのままマルチコプター９１が部位Ｙに平行に飛行を続けると、マルチコプター９１の正面に部位Ｙおよび対象面Ｗの他の部位が存在しない状態となる。このような点Ｂ２においては、計測方向θと対象距離Ｌの関係が、図９（ｄ）のようになる。ここでは、正面方向（θ＝０）において、対象距離Ｌが無限大に漸近する挙動を示す。θ＜０の領域には、極小点が存在しており、極小点よりもθが小さい側が、部位Ｙに対する対象距離Ｌを計測している領域に相当し、極小点よりもθが大きい側が、部位Ｚに対する対象距離Ｌを計測している領域に相当する。次に説明する点Ｃに達するまでは、マルチコプター９１は、部位Ｚよりも部位Ｙに近いので、極小点よりもθが小さい側の方がグラフのカーブがゆるやかになっている。

マルチコプター９１の飛行に伴い、対象距離Ｌがθ＝０において無限大に漸近し、それよりも移動方向後方（θが小さい側）に極小点を有するカーブにおいて、極小点の両側のカーブ形状の差が小さくなり、やがて、図９（ｅ）のように、極小点を挟んで対象距離Ｌのカーブが左右対称となる。これは、マルチコプター９１が、部位Ｙと部位Ｚの両方に対して距離Ｌ０だけ離れた点Ｃに達したことを意味する。極小点における計測方向θは、絶対値が部位Ｙと部位Ｚの間の角度の半分に等しく、この場合には−４５°である。この状態に達すると、制御部８３１は、部位Ｙに対する対面パラメータΘ，Ｄを一定に維持していた制御状態（第三の制御状態）から、部位Ｚに対する対面パラメータΘ，Ｄを一定に維持する制御状態（第四の制御状態）に移行する。つまり、マルチコプター９１のヨー角Θを、極小点を与える計測方向θの絶対値の２倍に当たる角度、ここでは９０°回転させ、部位Ｙに距離Ｌ０で正対した状態から部位Ｚに距離Ｌ０で正対した状態に切り替える。そして、部位Ｚに平行に飛行を続ける。

次に、マルチコプター９１は、部位Ｚに距離Ｌ０で正対した状態で、部位Ｚに平行に飛行する。この状態にある点Ｄにおいては、計測方向θと対象距離Ｌの関係が、図９（ｆ）のようになる。ここでは、マルチコプター９１が部位Ｚに正対していることに対応して、θ＝０、Ｌ＝Ｌ０において極小値をとっているが、部位Ｚの奥に部位Ｘが検出されることから、θ＜０の領域において、対象距離Ｌが不連続に大きくなっている。

以上のように、測距センサ２０における測距結果を利用して、外部信号による制御によらずに、ビルの壁面等にしばしば見られる折れ曲がり構造に追随させて、マルチコプター９１の方向を転換することができる。これにより、折れ曲がり構造があっても、マルチコプター９１の飛行およびカメラ３０での撮影を、中断なく継続することができる。

［検査方法］
次に、本発明の一実施形態にかかる検査方法について簡単に説明する。本実施形態にかかる検査方法は、上記実施形態にかかる飛行型検査装置１を用いて、面状の検査対象である対象面Ｗの状態を検査するものである。

一例として、飛行型検査装置１に内蔵された制御部８３１によって、対象面Ｗに対する対面パラメータΘ，Ｄを推定し、制御するのと組み合わせて、撮影手段としての固定カメラ５１と外部制御手段としての制御コンピュータ５２を用いて対象面Ｗに沿った方向への移動を制御する検査方法について説明する。ここでは、図１１に示すように、ビルの外壁面を対象面Ｗとして、対象面Ｗに対して飛行型検査装置１のカメラ３０を一定の距離で正対させた状態で、つづら折れ状にマルチコプター９１を飛行させながら、対象面Ｗの各部に対して連続的に撮影を行う。

そして、マルチコプター９１の飛行位置よりも離れた位置の地面に固定カメラ５１を設置する。図中に細線で示すように、対象面Ｗ全体を固定カメラ５１の視野に収めるようにし、対象面Ｗの検査を行う間、固定カメラ５１で対象面Ｗの状態をリアルタイムで撮影し続ける。検査装置１が対象面Ｗに沿って飛行している状態では、固定カメラ５１に撮影された撮影像Ｉ中に検査装置１も写る。固定カメラ５１は、制御コンピュータ５２に接続されており、制御コンピュータ５２は、固定カメラ５１が撮影した撮影像Ｉを入力される。そして、制御コンピュータ５２は、その撮影像Ｉをもとに、検査装置１のマルチコプター９１を対象面Ｗに沿って飛行させる軌跡を決定し、外部信号ｓをマルチコプター９１に向けて発信して、決定した軌跡に従って、実際に対象面Ｗに沿ってマルチコプター９１を移動させる。なお、撮影像Ｉは２次元像であるので、対象面Ｗに対する検査装置１の方向Θおよび距離Ｄを撮影像Ｉから認識することはできない。

図１１に示したＳ→１→２→…→９→１０→Ｅの順で、マルチコプター９１を飛行させることを考える。この経路を、固定カメラ５１で撮影され、制御コンピュータ５２に送られる撮影像Ｉに重ねて示すと、図１２のようになる。最初に、制御コンピュータ５２は、対象面Ｗから離れた位置（例えば制御コンピュータ５２の近傍）にて待機していた検査装置１を３次元方向に制御し、スタート地点Ｓにまっすぐ誘導する。この時点で、固定カメラ５１で撮影された撮影像Ｉ上で、検査装置１が認識されるようになる。検査装置１は、測距センサ２０による測距を開始し、またその結果に基づいて、制御部８３１の推定手段４０において、対面パラメータΘ，Ｄを推定する。そして、マルチコプター９１を対象面Ｗに正対させるとともに、所定の距離だけ対象面Ｗから離れた状態をとらせる。

次に、制御コンピュータ５２は、外部信号ｓをマルチコプター９１に送り、図１２に示したように撮影像Ｉ上に定めた軌跡に従って、対象面Ｗに平行な面内で、マルチコプター９１を上下左右に移動させる。この際、意図した軌跡どおりにマルチコプター９１が移動するように、撮影像Ｉをリアルタイムで確認しながら、フィードバック制御を行う。この間、検査装置１は、測距センサ２０による測距とそれに基づく対面パラメータΘ，Ｄの推定を続け、対象面Ｗに対して一定の距離で正対した状態を維持し続ける。この制御パラメータΘ，Ｄの制御には、外部信号ｓは寄与せず、自己完結的に行われる。仮に外部信号ｓとして、対象面Ｗに対する角度や距離を変化させるような制御信号が入力されたとしても、その信号は無効とされ、マルチコプター９１の制御に寄与しない。対象面Ｗが折れ曲がって凹構造が形成されている点１，４，７，１０においても、検査装置１は、上記で説明したように、対象面Ｗの各部位に対して一定の距離を保ったまま、自動的に方向転換を行う。

このように、固定カメラ５１と制御コンピュータ５２という検査装置１の外部の装置を用いて、対象面Ｗに沿った方向の制御を行うとともに、外部信号ｓによらない検査装置１自身による制御によって、対象面Ｗに垂直な方向の制御を行うことで、対象面Ｗの広い領域に対して、一定の検査条件を維持しながら、高精度の検査を行うことが可能となる。さらに、対象面Ｗと固定カメラ５１の間に、固定カメラ５１で撮影された映像において対象面Ｗの一部を隠す樹木等の障害物がある場合にも、検査装置１と対象面Ｗの間の距離を、外部信号ｓによらずに一定に維持することができるので、検査装置１の移動軌跡をその障害物に重なるように設定しても、障害物と対象面Ｗの間の空間に検査装置１を飛行させて、障害物の影響を受けずに検査を行うことができる。

なお、上記では、固定カメラ５１として、対象面Ｗを平面的に撮影するカメラを用いたが、ステレオカメラを用いて立体的に撮影するようにしてもよい。すると、固定カメラ５１によって、対象面Ｗと検査装置１の間の距離をある程度認識することが可能となる。これにより、撮影開始時の検査装置１のスタート地点Ｓへの誘導を迅速に行うことができる。また、測距センサ２０における計測結果に加えて、ステレオカメラによる情報を補助的に用いることで、測距センサ２０に、急な故障や鳥等の障害物による妨害等の外乱が生じた場合にも、ある程度の精度で、検査装置１と対象面Ｗの間の距離を一定に保つ制御を継続することが可能となる。さらに、上記では、点１，４，７，１０のような凹構造への追随を制御部８３１が自動的に行っており、点２，３，８，９等の凸構造を追随させる場合にも、制御部８３１が自動的に追随を行うことができる。しかし、これらの部位に凹構造や凸構造が存在することを固定カメラ５１の撮影像Ｉを認識した制御コンピュータ５２が検査装置１に伝達するようにすれば、これらの構造に対する追随を一層正確に行うことができる。また、開放された窓等の開口が対象面Ｗに存在する場合に、そのことを示す情報を制御コンピュータ５２から検査装置１に伝達し、追随すべき凸構造や凹構造ではないことを認識させるようにすれば、検査装置１が開口の端縁を凸構造や凹構造であると誤検知して追随し、開口に侵入してしまうことを防止できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ （飛行型）検査装置
２０ 測距センサ（測距部）
３０ カメラ（検査部）
５１ 固定カメラ（撮影手段）
５２ 制御コンピュータ（外部制御手段）
８１ 送受信器
９１ マルチコプター（小型無人飛行機）
ａ ヨー軸
Ｂ レーザービーム
Ｄ ヨー角方向への対象面からの距離
Ｉ 撮影像
Ｌ 対象距離
Ｐ 突起物
Ｗ 対象面
θ 計測方向
Θ カメラまたはマルチコプターのヨー角

Claims (10)

1. 複数の回転翼と、該複数の回転翼による飛行を制御する制御部と、を有する小型無人飛行機と、
   前記小型無人飛行機に取り付けられ、面状の検査対象である対象面の状態を非接触にて検査する検査部と、
   前記対象面までの距離である対象距離を複数の計測方向に対して計測する測距部と、を備える飛行型検査装置において、
   前記制御部は、前記測距部によって計測された前記対象距離の情報に基づいて、前記検査部の前記対象面に対する角度および該角度における前記対象面からの距離よりなる対面パラメータを推定する推定手段を備え、
   前記飛行型検査装置は、前記推定手段における推定結果に基づいて、前記検査部の前記対象面に対する前記対面パラメータを一定に維持しながら、前記対象面に沿って前記小型無人飛行機を移動させ、前記対象面の複数の位置に対して前記検査部による検査を行い、
   第一の推定制御および第二の推定制御のいずれか少なくとも一方を実行することを特徴とする飛行型検査装置。
   前記第一の推定制御においては、前記制御部が、前記対象面の第一の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第一の制御を行いながら、前記小型無人飛行機を前記第一の部位に平行に移動させている状態において、
   前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離に２つの極小点が存在し、該２つの極小点のうち前記小型無人飛行機の移動方向前方の計測方向に位置する極小点における対象距離が、前記小型無人飛行機の移動に伴って小さくなるのを検出すると、前記移動方向の前方に、前記小型無人飛行機に近づく方向に面を向けた第二の部位が前記対象面に存在すると推定し、
   前記制御部は、前記２つの極小点における前記対象距離が等しくなった時に、前記第二の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第二の制御に、前記第一の制御から移行する。
   前記第二の推定制御においては、前記制御部が、前記対象面の第三の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第三の制御を行いながら、前記小型無人飛行機を前記第三の部位に平行に移動させている状態において、
   前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離が無限大となる挙動を検出すると、前記小型無人飛行機の移動方向の前方に、前記小型無人飛行機から離れる方向に面を向けた第四の部位が前記対象面に存在すると推定し、
   前記制御部は、前記対象距離が無限大となる計測方向よりも前記移動方向後方の計測方向において、極小点を挟んで前記対象距離が対称となった状態を検出した時に、前記第四の部位に対する前記検査部の前記対面パラメータを一定に維持する第四の制御に、前記第三の制御から移行する。
2. 前記測距部は、測距軸に垂直に複数の計測方向に対して前記対象距離を計測し、
   前記推定手段は、前記検査部の前記対象面に対する角度として、前記測距軸に垂直な面内における前記検査部の角度を推定することを特徴とする請求項１に記載の飛行型検査装置。
3. 前記測距軸は、前記小型無人飛行機のヨー軸上または該ヨー軸と平行に設けられることを特徴とする請求項２に記載の飛行型検査装置。
4. 前記制御部は、外部からの信号に基づいて、前記小型無人飛行機の位置および姿勢を変更することができ、前記検査部による検査を行う間は、前記小型無人飛行機の前記対象面に対する前記対面パラメータの制御を、前記外部からの信号に基づかず、前記推定手段における推定結果に基づいて行うとともに、前記小型無人飛行機の前記対象面に沿った位置の制御を、前記外部からの信号に基づいて行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の飛行型検査装置。
5. 前記測距部は、前記小型無人飛行機に回転可能に取り付けられており、該回転によって前記対象距離を前記複数の計測方向に対して計測することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の飛行型検査装置。
6. 前記推定手段は、前記計測方向の関数としての前記対象距離が極小値をとる計測方向を、前記対象面に直交する面直方向であるとして、前記対面パラメータの推定を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の飛行型検査装置。
7. 前記推定手段は、前記対象距離をＬ、前記対象面に直交する面直方向を基準とした前記計測方向をθ、前記面直方向に沿った前記測距部から前記対象面までの距離をＬ０として、Ｌ＝Ｌ０／ｃｏｓθの関数形を用いて、前記対面パラメータの推定を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の飛行型検査装置。
8. 前記測距部は、３つ以上の計測方向に対して前記対象距離を計測し、前記推定手段は、一部の計測方向における対象距離と計測方向との間の関係が、該一部以外の計測方向における該関係から推定される関数形から逸脱していれば、該一部の計測方向の計測結果を無視して前記対面パラメータの推定を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の飛行型検査装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の飛行型検査装置を用いて面状の検査対象である対象面の状態を検査することを特徴とする検査方法。
10. 前記対象面に対して固定され、前記小型無人飛行機よりも離れた位置から前記対象面を撮影する撮影手段と、前記撮影手段に撮影された前記対象面の撮影像を基に、前記小型無人飛行機の位置および姿勢を制御することができる外部制御手段と、を用い、
    前記制御部によって、前記検査部の前記対象面に対する前記対面パラメータを一定に維持しながら、前記外部制御手段によって、前記対象面に沿って前記小型無人飛行機を移動させ、前記対象面の検査を行うことを特徴とする請求項９に記載の検査方法。
    

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