JP7442174B2 - 構造物検査用マルチコプター - Google Patents
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Description
本発明の目的は、構造物の壁面を検査する際の消費エネルギーを小さくすることができる構造物検査用マルチコプターを提供することにある。
V=√{(rΩ)2+v2}
また流入角度φは
φ=arctan(v/rΩ)
で与えられる。ブレード翼素の取付角をθとすると、迎え角αは
α=θ-φ
で与えられる。揚力Lは、流入速度Vに対して直角に発生し、
L=(ρV2aαS)/2
で与えられる。ここで、ρは空気密度、aは揚力傾斜、Sは翼素の面積である。この揚力Lは軸方向および回転方向に分けられ、それぞれが推力T、抗力Dである。この抗力Dと回転方向速度rΩの積が誘導エネルギー損失である。
検査者は操縦装置200のモードスイッチ201をオンにして構造物検査用マルチコプター100を上昇させ、壁面に4個の車輪4を張り付かせる。車輪4によって壁面とローター1のなす回転面との間の距離はローター1の直径の50%以下に、より好ましくは20%以下に、さらに好ましくは10%より小さくなるように近接して保たれる。ここでは、車輪4によって壁面とローター1のなす回転面との間の距離は10%とする。
車輪4の摩擦力を確保するために必要な車輪4への荷重が4個で自重の1割であるとすると、ローター1個あたりに要求される推力Tは飛行時に要求される推力T0の1.1倍であり、296.5gfとなる。推力Tはローター1の回転数Nの2乗に比例するからローター1の回転数Nは、
(式1)
で与えられる。ここでN0はT0を発生する時のプロペラ回転数である。また、必要パワーPはローター1の回転数Nの3乗に比例するから必要パワーPは、
(式2)
で与えられる。ここでP0はT0を発生した時の必要パワーである。壁に吸着した時にT0を発生するローター1の回転数N0は、図10より7865rpmであり、T0の1.1倍の推力を発生する時の回転数は、式2より8249rpmとなる。壁に吸着した時にT0を発生した時の必要パワーは、図11より11.98Wである。よってT0の1.1倍の推力を発生した時の1基のローター1あたりの必要パワーPは、式2より、13.82Wとなる。
図15に示すフローチャートを参照しながら説明する。壁面の傾きをθ度とする。検査者は構造物検査用マルチコプター100を上昇させ、検査箇所に近接させる。操縦装置200のモードスイッチ201をオンにすることで(ステップ151)、構造物検査用マルチコプター100のローター1の回転数を増して上昇させ(ステップ152)、構造物検査用マルチコプター100は吸着モードに入る。
Fh=Wcosθ (式4)
したがって、1基のローター1が発生する推力をTとすると、一個の車輪4が受ける荷重Fは
F=T-Fv/4 (式5)
で与えられる。このFが発生する摩擦力Ffは、車輪と壁面の摩擦係数をμとすると、次式で与えられる。
摩擦力Ffの4倍はWの平行成分Fhより大きくなければならないため、次式が成り立つ。
4Ff>Fh (式7)
式3から式7より次式を得る。
この式を変形して次式を得る。
(式9)
モードスイッチ201をオフにすることで(ステップ161)構造物検査用マルチコプター100は離脱モードに入る。加速度センサーからの情報により、CPU71は機体姿勢を計算し、傾いた機体を水平にする最適な制御方法を計算し、ローター1の回転数を調整し(ステップ162)、構造物検査用マルチコプター100を横転させて水平にする(ステップ163)。
図17に方向を転換する際のフローチャートを示す。検査員は構造物の長手方向に対してX軸を、これに直交する方向にY軸をとる。吸着モードのまま(ステップ171)、操縦装置200で閾値を超える方向(ヨー)の操作を一定時間行う(ステップ172、173)と方向転換モードに入り、CPU71からの指令信号がサーボモータ81に発せられ、車輪4および減速ギア付き移動用モータ5が乗っているジンバル6の方向を変え、図18の状態から図19の状態にする(ステップ174)。検査員は構造物検査用マルチコプター100を水平方向に回転させ(ステップ175)、構造物検査用マルチコプター100の前後方向をX軸に合わせる。その後他の指令を待つ(ステップ176)。
図21に左右方向に移動する際のフローチャートを示す。吸着モードのまま(ステップ211)、操縦装置200で閾値を超える左右移動の操作を一定時間行うと左右方向移動モードに入り(ステップ212、213)、CPU71からの指令信号がサーボモータ81に発せられ、車輪4の向きを図22の状態にし、左右方向に移動する(ステップ214、215)。CPU71は減速ギア付き移動用モータ5に備えられたロータリーエンコーダー82によって、移動距離を計測し、位置をSSD85に記録する。この移動後の位置で打音検査装置83またはカメラ84を用いて検査を行い、検査結果をSSD85に記録する。その後他の指令を待つ(ステップ216)。
このX(前後)方向およびY(左右)方向の移動と検査を繰り返す。
検査員は操縦装置200のモードスイッチ201をオフにすることで、構造物検査用マルチコプター100は水平に戻り、壁から離れる。その後、構造物検査用マルチコプター100は検査員の操縦により地面に誘導され着地する。検査員はSSD85を構造物検査用マルチコプター100から抜き取り、検査結果のデータを回収する。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形や応用をしての実施が可能である。そのような変形や応用の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
2 :モータ
3 :ローター支柱
4 :車輪
5 :減速ギア付き移動用モータ
6 :ジンバル
7 :検査装置
8 :本体
9 :車輪支柱
10 :ガード支柱
11 :ガード
12 :接触センサー
71 :CPU
72 :受信機
73 :ジャイロセンサー
74 :加速度センサー
75 :バッテリー
81 :サーボモータ
82 :ロータリーエンコーダー
83 :打音検査装置
84 :カメラ
100 :構造物検査用マルチコプター
200 :操縦装置
201 :モードスイッチ
Claims (13)
- 検査時にローターの推力により検査対象の構造物の壁面の少なくとも下面に上部側が張り付く構造物検査用マルチコプターであって、
前記検査時に前記ローターのなす回転面と前記検査対象の構造物の壁面との間の距離を前記ローターの半径の10%以下に近接させて保持することで、前記ローターが前記壁面に近づくほど要求されるパワーが下がる効果を利用して前記ローターの消費エネルギーを小さくするように構成するための保持部材を具備し、
前記ローターは静止推力が最大になるように構成されている
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項1に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記保持部材は、前記検査対象の構造物の壁面を走行するための車輪により構成される
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項2に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
当該構造物検査用マルチコプターの機体の角度を検知するジャイロセンサーを備え、
前記検査対象の構造物の壁面に張り付いた際、前記車輪を前記壁面に押し付けることで発生する前記壁面と前記車輪の摩擦力が前記機体を前記壁面の定位置に固定する大きさ以上となる推力を発生させるように、前記ジャイロセンサーで検知した前記機体の角度に応じて前記ローターの回転数を調節する
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項2又は3に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記ローターを4基備え、
前記4基のローターを内包するガード
を具備する構造物検査用マルチコプター。 - 請求項4に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記ガードの外周に沿って配置された複数の接触センサー
を具備する構造物検査用マルチコプター。 - 請求項5に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記複数の接触センサーのうちいずれかが接触を検出したとき、前記接触を検出した接触センサーによる接触点を支点に前記機体を横転させるように前記4基のローターの回転を制御する
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項4乃至6のうちいずれか1項に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記車輪を、同心円状に4個備える
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項7に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
各前記車輪を機体垂直軸周りに回転可能に保持する回転保持部材と、
各前記車輪を機体垂直軸周りに回転駆動する回転駆動部とを備え、
当該構造物検査用マルチコプターを機体垂直軸周りに回転させるときには、各前記車輪が同心円に沿って走行するように、前記回転駆動部を制御する
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項2乃至8のうちいずれか1項に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記車輪の回転を計測するロータリーエンコーダーを備え、
前記ロータリーエンコーダーによる計測結果に基づき、前記機体の移動距離を計測し、計測結果に基づき検査位置を算出する
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項1乃至9のうちいずれか1項に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記構造物の壁面を検査する検査装置
を具備する構造物検査用マルチコプター。 - 請求項10に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記検査装置が打音検査装置である
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項10に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記検査装置がカメラである
構造物検査用マルチコプター。 - 請求項1に記載の構造物検査用マルチコプターであって、
前記上部側に同心円状に配置された4個の車輪と、
各前記車輪を機体垂直軸周りに回転可能に保持する回転保持部材と、
各前記車輪を機体垂直軸周りに回転駆動する第1の回転駆動部と、
各前記車輪を当該車輪の軸に対して回転駆動する第2の回転駆動部と、
当該構造物検査用マルチコプターを機体垂直軸周りに回転させるときには、各前記車輪が同心円に沿って走行するように、前記第1の回転駆動部を制御する制御部と
を具備する構造物検査用マルチコプター。
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