JP7264541B2 - 配管内位置測定装置 - Google Patents

Description

開示される実施形態は、配管内部を移動する移動体の位置を測定するための技術に関する。

ＧＰＳ信号が到達しない配管内部で動作する装置は、自分の現在位置を推定するために自立航法（Ｓｅｌｆ－Ｃｏｎｔａｉｎｅｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）を使用する。自立航法に主に用いられる推測航法(Ｄｅａｄ Ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ)は、慣性航法装置(Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ)を用いたものであって、主に移動体に付着したエンコーダ（Ｅｎｃｏｄｅｒ）方式の走行距離計とコンパス、ジャイロスコープ、加速度センサなどを用いて決定された移動距離と移動方向などに基づいて初期位置に対する相対的な位置を算出する航法システムである。

エンコーダ方式の走行距離計は、配管に密着したホイール（Ｗｈｅｅｌ）の動きを測定して移動距離を計算するが、移動体が方向転換をするときに発生するホイールの滑り、移動体の姿勢、配管形状、配管内部表面の凹凸、溶接部位、配管接触部位と面積、ホイールの摩耗と円周測定誤差、走行距離計鋸歯の分解能によって誤差が発生し得る。

一方、イメージセンサによって生成された配管表面イメージを用いる光学エンジン方式の走行距離計は、非接触式の走行距離計として信頼度、使用上の制約、位置推定演算の演算量などの面で最も優れた性能を示す。光学エンジン方式の走行距離計は、イメージセンサで配管の内部表面についてのイメージを取得した後、連続したイメージの間に検出されたモーションベクトルを用いて移動距離と移動方向を測定する。光学エンジン方式の走行距離計は、エンコーダ方式の走行距離計の最大の誤差原因であるホイールの滑りと摩耗が発生しないが、移動体が走行中に凹凸などによって発生するイメージセンサと配管の内部表面との間の距離変化が移動距離推定誤差を発生させる。

開示される実施形態は、配管内部を移動する移動体の位置を測定するための装置を提供するためのものである。

一実施形態による位置測定装置は、配管の内部表面に光を放射する光源と、前記光源によって放射された光が前記内部表面によって反射された反射光が入射され、前記反射光を光軸に平行な平行光に変換する第１レンズと、前記平行光の光経路上に配置され、前記平行光を収束する屈折光に変換する第２レンズと、前記屈折光の光経路上に配置されるイメージセンサと、前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置される１つ以上の弾性部材と、前記第１レンズの側面に結合され、前記内部表面に密着して移動体の移動によって回転する複数のホイールと、を含む。

前記１つ以上の弾性部材は、前記移動体の移動に応じて前記内部表面で前記複数のホイールのうち、少なくとも１つに加えられる力によって圧縮または弛緩できる。

前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離は、前記１つ以上の弾性部材の圧縮または弛緩に応じて変化し、前記内部表面と前記第１レンズとの間の距離および前記第２レンズとイメージセンサとの間の距離は、前記１つ以上の弾性部材の圧縮または弛緩の際に不変であり得る。

前記第１レンズおよび前記１つ以上の弾性部材を収容する第１ボディ部と、前記第２レンズおよびイメージセンサを収容する第２ボディ部と、をさらに含み得る。

前記１つ以上の弾性部材のそれぞれの一端は、前記第１ボディ部の内部の一側に固定され、前記１つ以上の弾性部材のそれぞれの他端は、前記複数のホイールのうち、少なくとも１つに加えられる力による前記第１レンズの移動に応じて前記光軸に平行な方向に移動することができる。

前記１つ以上の弾性部材のそれぞれに加えられる力を測定する１つ以上の力－トルク（Ｆｏｒｃｅ－Ｔｏｒｑｕｅ）センサをさらに含み得る。

前記第１レンズは、テレセントリック（Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）レンズであり得る。

前記第２レンズは、前記平行光を前記第２レンズと前記イメージセンサとの間の焦点に収束させる凸レンズであり得る。

前記複数のホイールは、それぞれホイールエンコーダ（Ｗｈｅｅｌ Ｅｎｃｏｄｅｒ）であり得る。

開示される実施形態によると、イメージセンサと配管の内部表面との間の距離とは関係なく、一定の大きさの像をイメージセンサの撮像面に結像させることによって、イメージセンサによって生成される配管の内部表面のイメージを用いた移動体の位置測定時に、配管内部の凹凸などによって発生し得る誤差を最小化できる。

一実施形態に係る位置測定装置を備えた移動体を例示して説明するための図面。

第１実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面。

第２実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面。

図１または図２に示した位置測定装置１００を配管３００の内部表面３０１から見た断面を示した図面。

図１に示した第１実施形態に係る位置測定装置１００の第１ボディ部１０７を光軸Ａに垂直な方向に切断した断面の一例を示した図面。

図２に示した第２実施形態に係る位置測定装置１００の第１ボディ部１０７を光軸Ａに垂直な方向に切断した断面の一例を示した図面。

第３実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面。

第４実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面。

以下、図面を参照して一実施形態の具体的な実施形態を説明する。以下の詳細な説明は、本明細書における記述された方法、装置および／またはシステムについての包括的な理解を助けるために提供される。しかし、これは例示に過ぎず、本発明はこれに限定されない。

本発明の実施形態を説明するにおいて、本発明に係る公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要に曖昧にすることができると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述される用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語として、これは使用者、運用者の意図または慣例などによって変わることができる。したがって、その定義は、本明細書の全般にわたる内容に基づいてなされるべきである。詳細な説明で使用される用語は、単に本発明の実施形態を記述するためのものであり、決して限定的ではならない。明確に他に使用されない限り、単数形態の表現は、複数形態の意味を含む。本説明において、「含み」または「備え」のような表現は、ある特性、数字、ステップ、動作、要素、これらの一部または組み合せを示すためのものであり、記述されたもの以外に１つまたはその以上の他の特性、数字、ステップ、動作、要素、これらの一部または組み合せの存在または可能性を排除するように解釈されてはならない。

図１は、一実施形態に係る位置測定装置を備えた移動体を例示して説明するための図面である。

図１を参照すると、一実施形態による移動体２００は、一側に位置測定装置１００を備えており、配管３００の内部を移動するように構成された装置である。このとき、配管３００は、例えば、ガス配管、上水道配管、通信ケーブルのようなケーブルが埋設された配管などであり得るが、必ずしも特定の目的の配管に限定されるものではない。

一方、一実施形態によると、移動体２００は、配管３００の内部の管路に沿って移動しながら配管３００の内部を清掃または検査するためのものであって、例えば、独立した動力源を有するか、または外部動力源によって提供される動力を使用して配管内部を移動するように構成された移動ロボットであり得る。しかし、移動体２００は、必ずしも移動ロボットに限定されず、配管３００の内部を移動可能であれば、必ずしも特定の形や目的の装置に限定されるものではない。

図２は、第１実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面であり、図３は、第２実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面であり、図４は、図１または図２に示した位置測定装置１００を配管３００の内部表面３０１から見た断面を示した図面である。

図２～図４を参照すると、位置測定装置１００は、１つ以上の光源１０１、第１レンズ１０２、第２レンズ１０３、イメージセンサ１０４、複数のホイール１０５、１つ以上の弾性部材１０６、第１ボディ部１０７および第２ボディ部１０８を含む。

１つ以上の光源１０１は、配管３００の内部表面３０１に向かって光を放射する。

一実施形態によると、１つ以上の光源１０１は、図３に示した例のように、第１レンズ１０２の入射面の周りに配置され、配管３００の内部表面３０１に向かって光を放射するように構成され得る。しかし、１つ以上の光源１０１が配置される位置および１つ以上の光源１０１の数は、必ずしも図３に示した例に限定されるものではなく、実施形態によって変動し得る。

また、一実施形態によると、１つ以上の光源１０１は、例えば、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）であり得るが、必ずしも特定の形の光源に限定されるものではない。

第１レンズ１０２は、１つ以上の光源１０１によって放射された光が配管３００の内部表面３０１に反射して入射される反射光を光軸Ａに平行な平行光に変換して出射する。

一実施形態によると、第１レンズ１０２は、例えば、テレセントリックｆ－シータ（Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｆ－ｔｈｅｔａ）レンズのように入射瞳（Ｅｎｔｒａｎｃｅ Ｐｕｐｉｌ）が無限遠に位置するテレセントリックレンズであり得る。

第２レンズ１０３は、第１レンズ１０２から出射される平行光の光経路上に配置され、第１レンズ１０２から出射される平行光を収束する屈折光に変換して出射する。

一実施形態によると、第２レンズ１０３は、例えば、凸レンズのように正（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）の屈折力を有するレンズであり得る。

具体的に、第１レンズ１０２から出射される平行光は、第２レンズ１０３に入射され、第２レンズ１０３に入射した平行光は、第２レンズ１０３とイメージセンサ１０４との間の焦点ｆに収束する屈折光に変換し、イメージセンサ１０４の撮像面に結像する。

イメージセンサ１０４は、第２レンズ１０３から出射される屈折光の光経路上に配置され、第２レンズ１０３から出射されてイメージセンサ１０４の撮像面上に結像する屈折光を電気的な信号に変換して配管３００の内部表面３０１に対応するイメージを生成する。

一実施形態によると、イメージセンサ１０４は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサまたはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサであり得るが、必ずしも特定の形のイメージセンサに限定されるものではない。

複数のホイール１０５は、それぞれ第１レンズ１０２の側面に結合され、配管３００の内部表面３０１に密着して移動体２００の移動によって回転する。

具体的に、複数のホイール１０５は、第１レンズ１０２の互いに対向する両側面に結合された一対のホイールであり得る。

一方、複数のホイール１０５は、１つ以上の弾性部材１０６が第１レンズ１０２を押し出す力によって配管３００の内部表面３０１に密着し、移動体２００の移動に応じて光軸Ａに垂直な回転軸を中心に回転するように構成される。

１つ以上の弾性部材１０６は、それぞれ第１レンズ１０２と第２レンズ１０３との間に配置される。

一実施形態によると、１つ以上の弾性部材１０６は、例えば、圧縮ばねのように弾性を有する弾性体であり得るが、必ずしも特定の種類の弾性体に限定されるものではない。

第１ボディ部１０７は、第１レンズ１０２および１つ以上の弾性部材１０６を収容する。

このとき、各弾性部材１０６は、一端が第１ボディ部１０７の内部の一側に固定され、他端が第１レンズ１０２の移動に応じて光軸Ａに平行な方向に移動するように配置される。すなわち、各弾性部材１０６は、第１レンズ１０２が光軸Ａに平行な方向に移動するにつれて圧縮または弛緩する。

一方、図５は、図１に示した第１実施形態に係る位置測定装置１００の第１ボディ部１０７を光軸Ａに垂直な方向に切断した断面の一例を示した図面である。

図５に示した例のように、第１ボディ部１０７には、複数の弾性部材１０６が収容され得、各弾性部材１０６は、第１レンズ１０２から出射される平行光の光経路に侵入しないように、第１レンズ１０２の出射面の縁に沿って一定の間隔で配置され得る。

図６は、図２に示した第２実施形態に係る位置測定装置１００の第１ボディ部１０７を光軸Ａに垂直な方向に切断した断面の一例を示した図面である。

図６に示した例のように、第１ボディ部１０７には、１つの弾性部材１０６が収容され得る。この場合、弾性部材１０６は、第１レンズ１０２から出射される平行光の光経路に侵入しないように、内径Ｄ１が第１レンズ１０２の出射面の直径Ｄ２よりも大きいコイル形の圧縮ばねで構成され得る。

第２ボディ部１０８は、第２レンズ１０３およびイメージセンサ１０４を内部に収容する。具体的に、第２レンズ１０３およびイメージセンサ１０４は、光軸Ａ上の距離Ｈ３が一定の値に固定されるように第２ボディ部１０８の内部に配置され得る。

一方、第１ボディ部１０７と第２ボディ部１０８との間には、光軸Ａに垂直な方向に開口部が形成され得、これにより、第１レンズ１０２から出射される平行光が第２レンズ１０３に入射されることができる。

一方、移動体２００が配管３００内部の曲線経路に沿って移動したり、配管３００内部に存在する凹凸を越えたりする場合、移動体２００から配管３００の内部表面３０１の方向へ作用する力を変動させることができ、これにより、配管３００の内部表面３０で複数のホイール１０５に作用する力も変動することになる。このとき、複数のホイール１０５に作用する力は、複数のホイール１０５が結合された第１レンズ１０２を経て１つ以上の弾性部材１０６に伝達される。これにより、１つ以上の弾性部材１０６が圧縮または弛緩し、１つ以上の弾性部材１０６の光軸Ａ方向の長さが変化し、結果的に、第１レンズ１０２が第１ボディ部１０７の内部で光軸Ａに沿って移動することになる。

すなわち、配管３００の内部表面３０１と第１レンズ１０２との間の距離Ｈ１と、第２レンズ１０３とイメージセンサ１０４との間の距離Ｈ３は、固定した状態で維持されるが、第１レンズ１０２と第２レンズ１０３との間の距離Ｈ２は、１つ以上の弾性部材１０６の圧縮または弛緩によって変動する。

しかし、前述したように、第１レンズ１０２から出射されて第２レンズ１０３に入射される光は、光軸Ａに平行な平行光であるため、第１レンズ１０２間の距離Ｈ１と第２レンズ１０３とイメージセンサ１０４との間の距離Ｈ３が固定した状態で維持されれば、第１レンズ１０２と第２レンズ１０３との間の距離Ｈ２が変動しても、イメージセンサ１０４の撮像面に結像する像の大きさは変化しない。したがって、イメージセンサ１０４は、移動体２００と配管３００の内部表面３０１との間の距離変化に関わらず、同じ大きさのイメージを生成することになる。

一方、一実施形態によると、移動体２００の位置は、イメージセンサ１０４によって生成されたイメージに基づいて決定され得る。例えば、移動体２００の位置は、イメージセンサ１０４によって連続的に生成された各イメージから抽出されたモーションベクトルに基づいて決定される移動体２００の移動距離および移動方向に応じて決定され得る。このとき、前述したように、イメージセンサ１０４と配管３００の表面との間の距離変化に関わらず、イメージセンサ１０４の撮像面に結像する像の大きさが維持されるため、移動体２００の移動距離および移動方向を決定する際、像の大きさの変化によって生じ得る誤差を最小化できる。

一方、一実施形態によると、複数のホイール１０５は、ホイールエンコーダ（Ｗｈｅｅｌ Ｅｎｃｏｄｅｒ）であり得る。この場合、移動体２００の位置は、イメージに基づいて測定された移動距離および移動方向と、ホイールエンコーダによって測定された移動距離に基づいて決定され得る。

図７は、第３実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面であり、図８は、第４実施形態に係る位置測定装置１００の構造を示した図面である。

図７および図８に示した例のように、位置測定装置１００は、１つ以上の弾性部材１０６に加えられる力を測定する１つ以上の力－トルクセンサ１０９をさらに含み得る。

具体的に、１つ以上の力－トルクセンサ１０９は、それぞれ第１ボディ部１０９の内部の一側と１つ以上の弾性部材１０６との間に配置され、移動体２００と配管３００の内部表面３０１との間の距離変化に応じて１つ以上の弾性部材１０６のそれぞれに加えられる力を測定できる。

一方、一実施形態によると、各力－トルクセンサ１０９によって測定された値は、移動体２００と配管３００の内部表面３０１との間の距離を計算するために用いられ得る。また、複数の力－トルクセンサ１０９が配置された場合、各力－トルクセンサ１０９によって測定された力の大きさの差に基づいて配管３００内部の形状や複数のホイール１０５のそれぞれの摩耗度に関する様々な情報を生成し得る。

例えば、配管３００の内部に凹凸が存在する場合、凹凸の高さ、広さおよび位置に応じて移動体２００が当該凹凸を通過する際に、複数のホイール１０５のそれぞれに加えられる力の大きさに差が発生することになる。この場合、各ホイール１０５に加えられる力の差によって、１つ以上の弾性部材１０６のそれぞれに加えられる力も差が発生するため、各力－トルクセンサ１０９によって測定された力の変化および大きさの差に基づいて凹凸の位置、高さおよび広さを推定することができる。

以上、代表的な実施形態により、本発明について具体的に説明したが、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、前述した実施形態について本発明の範疇から逸脱しない範囲内で様々な変形が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の権利の範囲は、説明された実施形態に限定されて定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるべきである。

Claims (9)

1. 配管内部を移動する移動体に備えられた位置測定装置であって、
   前記配管の内部表面に光を放射する光源と、
   前記光源によって放射された光が前記内部表面によって反射された反射光が入射され、前記反射光を光軸に平行な平行光に変換する第１レンズと、
   前記平行光の光経路上に配置され、前記平行光を収束する屈折光に変換する第２レンズと、
   前記屈折光の光経路上に配置されるイメージセンサと、
   前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置される１つ以上の弾性部材と、
   前記第１レンズの側面に結合され、前記内部表面に密着して前記移動体の移動によって回転する複数のホイールと、を含む位置測定装置。
2. 前記１つ以上の弾性部材は、前記移動体の移動に応じて前記内部表面で前記複数のホイールのうち、少なくとも１つに加えられる力によって圧縮または弛緩する請求項１に記載の位置測定装置。
3. 前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離は、前記１つ以上の弾性部材の圧縮または弛緩に応じて変化し、
   前記内部表面と前記第１レンズとの間の距離、前記第２レンズと前記イメージセンサとの間の距離は、前記１つ以上の弾性部材の圧縮または弛緩の際に不変である請求項２に記載の位置測定装置。
4. 前記第１レンズおよび前記１つ以上の弾性部材を収容する第１ボディ部と、
   前記第２レンズおよび前記イメージセンサを収容する第２ボディ部と、をさらに含む請求項３に記載の位置測定装置。
5. 前記１つ以上の弾性部材のそれぞれの一端は、前記第１ボディ部の内部の一側に固定され、
   前記１つ以上の弾性部材のそれぞれの他端は、前記複数のホイールのうち、少なくとも１つに加えられる力による前記第１レンズの移動に応じて前記光軸に平行な方向に移動する請求項４に記載の位置測定装置。
6. 前記１つ以上の弾性部材のそれぞれに加えられる力を測定する１つ以上の力－トルク（Ｆｏｒｃｅ－Ｔｏｒｑｕｅ）センサをさらに含む請求項１に記載の位置測定装置。
7. 前記第１レンズは、テレセントリック（Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ）レンズである請求項１に記載の位置測定装置。
8. 前記第２レンズは、前記平行光を前記第２レンズと前記イメージセンサとの間の焦点に収束させる凸レンズである請求項１に記載の位置測定装置。
9. 前記複数のホイールは、それぞれホイールエンコーダ（Ｗｈｅｅｌ Ｅｎｃｏｄｅｒ）である請求項１に記載の位置測定装置。

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