JP2020118641A - Multi-copter - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
本発明は、複数例えば3つ以上のローターを搭載した回転翼機(通称マルチコプター)に関する。さらに詳述すると、本発明は、マルチコプターの飛行姿勢の改善に関するものである。 The present invention relates to a rotary wing machine (commonly called a multicopter) equipped with a plurality of rotors, for example, three or more rotors. More specifically, the present invention relates to improving the flight attitude of a multicopter.
自律型飛行体あるいはドローンとも呼ばれるマルチコプターは、ホバリングや三次元移動可能な自律型飛行が可能である(非特許文献1)。このため、近年、空撮、測量、農業、物流、中継基地、インフラ点検・整備などでのマルチコプターの利用が広がっている。 A multicopter, which is also called an autonomous aircraft or a drone, is capable of hovering and autonomous flight capable of three-dimensional movement (Non-Patent Document 1). For this reason, in recent years, the use of multicopters has been expanding in aerial photography, surveying, agriculture, logistics, relay stations, and infrastructure inspection/maintenance.
例えば、橋梁の下面やトンネルの内壁面などの高所で危険なため人が近づくのが困難な場所を点検する場合や、人が容易に近寄れない原子力設備などでの点検作業などにおいて、マルチコプターを用いて、広範囲、迅速、安価、かつ安全に点検を行うことが検討されている。 For example, when inspecting a place that is difficult for people to approach because it is dangerous at high places such as the bottom surface of a bridge or the inner wall surface of a tunnel, or when inspecting work at nuclear facilities where people cannot easily approach, the multicopter is used. Wide-ranging, rapid, inexpensive, and safe inspections are being considered using.
マルチコプターには、衛星から発信する電波を受信して機体の位置・緯度・経度・高度を割り出すGNSS(全球測位衛星システム,GPSを含む)センサー、機体の高度と飛行速度とを計測するための気圧センサー、超音波の発信から受信までに要した時間と音速とを比較してセンサーから対象物までの距離を算出する(高度制御や障害物検知ができる)超音波センサー、ポジショニングカメラや障害物検知センサーなどで、地表面の状態を撮影し、機体の水平維持や離着陸を安定化実現する(GPS電波の利用が不確実な状況で有効な)光学センサー、コンパスのこと(磁場(磁界)の向きを計測し、方位を求める磁気センサー、回転速度を測定する慣性センサーで、これによりロール・ピッチ・ヨー軸を制御しているジャイロセンサー、加速度と重力の相関から機体の傾きを検出する加速度センサーなどが必要に応じて搭載され、自律飛行が可能とされている。 The multicopter is a GNSS (including Global Positioning Satellite System, GPS) sensor that calculates the position, latitude, longitude, and altitude of the aircraft by receiving radio waves transmitted from satellites, and measures the aircraft's altitude and flight speed. Atmospheric pressure sensor, ultrasonic sensor that calculates the distance from the sensor to the object by comparing the time required from the transmission of ultrasonic waves to the speed of sound (allowing altitude control and obstacle detection), positioning cameras and obstacles An optical sensor that captures the condition of the ground surface with a detection sensor and stabilizes the aircraft's horizontal maintenance and takeoff and landing (effective in situations where the use of GPS radio waves is uncertain), compass (magnetic field (magnetic field) A magnetic sensor that measures the direction to determine the direction, an inertial sensor that measures the rotation speed, and a gyro sensor that controls the roll, pitch, and yaw axes, and an acceleration sensor that detects the tilt of the aircraft from the correlation between acceleration and gravity. It is installed as needed to enable autonomous flight.
下水管路施設等の閉鎖空間を安全に且つ効率良く点検し得る閉鎖空間点検用の無人飛行体発着装置及び無人飛行体を用いた閉鎖空間点検システムが提案されている(例えば、特許文献1)。この点検システムは、点検しようとする下水道管内空間の両端に位置するマンホールを利用して送受信アンテナの先端部を下水道管内へと延伸させ、下水管路の外で作業員が無人飛行体用コントローラーを操作して下水道管内を無人飛行体を飛行させ、無人飛行体に搭載しているカメラ及びセンサからの画像データ(管内映像)及び計測値を受信して、無人飛行体用コントローラーの表示部にて確認すると共にさらには記録するようにしたものである。下水道管内などの閉鎖空間では、光量が不足している環境であることが多いので、遠隔操作により周囲を照明可能な照明装置を搭載することが望ましいとしている。 An unmanned aerial vehicle landing and landing device for inspecting a closed space and a closed space inspection system using an unmanned air vehicle capable of safely and efficiently inspecting a closed space such as a sewer pipe facility have been proposed (for example, Patent Document 1). .. This inspection system uses manholes located at both ends of the sewer pipe space to be inspected to extend the tips of the transmitting and receiving antennas into the sewer pipe, so that the operator can operate the unmanned aerial vehicle controller outside the sewer pipe. Operate the unmanned aerial vehicle to fly in the sewer pipe, receive image data (in-pipe video) and measurement values from the cameras and sensors mounted on the unmanned aerial vehicle, and display it on the controller of the unmanned aerial vehicle. It was confirmed and further recorded. In a closed space such as a sewer pipe, it is often an environment in which the amount of light is insufficient. Therefore, it is desirable to install a lighting device that can illuminate the surroundings by remote control.
また、非GPS環境下における自律飛行可能とする技術として、3次元地図作成技術(
SLAM(Simultaneous Localization and Mapping))がある(例えば、非特許文献2)。このSLAM技術は、機体に搭載された水平スキャンと鉛直スキャンの2つのレーザースキャナーから得られる情報を利用して3次元地図を作成しながら自律飛行するものである。
In addition, as a technology that enables autonomous flight in a non-GPS environment, three-dimensional map creation technology (
There is SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) (for example, Non-Patent Document 2). This SLAM technology is to fly autonomously while creating a three-dimensional map using the information obtained from two laser scanners of horizontal scanning and vertical scanning mounted on the aircraft.
しかしながら、衛星からの電波を受信できない屋内や橋梁下などの非GPS環境下では、GNSSセンサーあるいはGPSが使えないために、機体の位置・緯度・経度・高度を割り出すことができないことから、マルチコプターに内蔵されたカメラや超音波センサ、赤外線センサで距離を測定しカメラの映像により向きを確認することで位置決めをすることとなるが、精度よく測定できる距離の上限は、マルチコプターに実装されているカメラで10m程度、超音波センサで4m程度、赤外線センサで5m程度である。このため、屋内や橋梁下などの非GPS環境下で、かつ、十分な光量がとれない空間や広い空間(壁から10mを遙かに超える例えば40m以上の空間)においては、マルチコプターに搭載したカメラが使えずに、精度良く位置決めすることができない。 However, in a non-GPS environment such as indoors or under a bridge where radio waves from satellites cannot be received, since the GNSS sensor or GPS cannot be used, the position, latitude, longitude, and altitude of the aircraft cannot be determined. Positioning is performed by measuring the distance with the camera, ultrasonic sensor, and infrared sensor built into the camera, and confirming the direction from the camera image, but the upper limit of the distance that can be measured accurately is mounted on the multi-copter. The camera is about 10 m, the ultrasonic sensor is about 4 m, and the infrared sensor is about 5 m. Therefore, in a non-GPS environment such as indoors or under a bridge, and in a space where a sufficient amount of light cannot be obtained or in a large space (a space far exceeding 10 m from the wall, for example, 40 m or more), the multicopter is mounted. The camera cannot be used and positioning cannot be performed accurately.
また、SLAM技術によって、3次元地図を作成しながら自律飛行するマルチコプターの場合には、装置が大型し場所をとると共に重量が重過ぎて積載量過多となり、飛行時間が減ったり飛行も安定しない問題がある。 Also, in the case of a multicopter that autonomously flies while creating a three-dimensional map by SLAM technology, the device is large and takes up space, and the weight is too heavy and the load is too large, resulting in reduced flight time and unstable flight. There's a problem.
マルチコプターの最重要課題の1つはバッテリーの容量と持続時間である。多くのセンサー類やカメラの他に、十分な光量の照明装置を搭載すると、大きなバッテリーを必要とし、そうすればさらにバッテリーの重量が増して益々マルチコプターの飛行時間が減ったり飛行の安定性を欠くこととなる。 One of the most important issues with multicopters is battery capacity and duration. In addition to many sensors and cameras, if a lighting device with sufficient light intensity is installed, a large battery is required, which further increases the weight of the battery and further decreases the flight time of the multicopter and the stability of flight. It will be lacking.
さらに、今までは、被測定物の壁面とマルチコプターとの成す角を求める手段は存在しなかった。このため、カメラの映像により向きを確認する必要があるが、カメラでは十分な明るさが確保されていても10m程度であり、それ以上離れている場合には使えない。このため、被測定物の壁面などに接近してからではないと、使えないが、それまでは位置が分からないので、どちらに飛行して良いのかさえも判断できないという問題がある。 Furthermore, until now, there has been no means for obtaining the angle between the wall surface of the object to be measured and the multicopter. For this reason, it is necessary to confirm the direction by the image of the camera, but even if the camera has sufficient brightness, it is about 10 m, and it cannot be used when it is further away. Therefore, it cannot be used until it comes close to the wall surface of the object to be measured, but since its position cannot be known until then, there is a problem that it cannot be determined which way to fly.
そこで、本発明は、屋内や橋梁下などの非GPS環境下で、かつ、十分な光量がとれない空間において、壁から離れた場所でも精度よく位置決めを可能とするマルチコプターを提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a multi-copter that enables accurate positioning even in a place away from a wall in a non-GPS environment such as indoors or under a bridge and in a space where a sufficient amount of light cannot be obtained. And
かかる目的を達成するためのマルチコプターは、2本の平行なビームあるいは1点から挟角θ0を成す2本のビームが放射状に同時にあるいは順次放射されて被測定対象物までの距離が測定されるレーザもしくはミリ波を使った距離計と、距離計で求められた平行な2本のビームの被測定対象物までの距離の差分あるいは放射状に放射された2本のビームの被測定対象物までの距離と挟角θ0とに基づいて機体の被測定対象物に対する成す角θyを求める角度算出モジュールと、距離計で測定された距離と角度算出モジュールで算出されたθyから目標値との変位量を求め、水平移動量および回転量としてフライトコントローラに割込み指示する制御部とを有するようにしている。 In order to achieve such an object, a multi-copter is used to measure the distance to an object to be measured by radiating two parallel beams or two beams forming an included angle θ 0 from one point radially or simultaneously. Distance measurement using a laser or millimeter wave, and the difference in distance between the two parallel beams measured by the range finder, or the measurement target of two radially radiated beams The angle calculation module that determines the angle θy formed by the airframe with respect to the measured object based on the distance and the included angle θ 0 , and the displacement between the distance measured by the rangefinder and θy calculated by the angle calculation module and the target value It has a control unit for determining the amount and for instructing an interruption to the flight controller as the horizontal movement amount and the rotation amount.
ここで、距離計はライダーであることが好ましい。 Here, the rangefinder is preferably a rider.
また、マルチコプターは、ダウンウォッシュを受ける位置に、ダウンウオッシュを推力に変換するスラスターが備えられていることが好ましい。 Further, the multicopter is preferably provided with a thruster for converting the downwash into a thrust at a position where the downwash is received.
さらに、スラスターはダウンウォッシュの流れ方向と直交する水平軸を中心に回転する可動翼であり、可動翼は遠隔操作により駆動されるアクチュエータにより回転することが好ましい。 Further, the thruster is a movable blade that rotates about a horizontal axis that is orthogonal to the downwash flow direction, and the movable blade is preferably rotated by an actuator that is driven by remote control.
本発明のマルチコプターは、屋内や橋梁下(非GPS環境下)で、かつ、光量が十分とれない広い空間(壁から10mを遙かに超える例えば40m以上の空間)においても、マルチコプターに実装したレーザもしくはミリ波により壁との距離を測り、かつ壁との成す角度θyを求めることができるので、壁から例えば40m以上離れた場所でも精度よく位置決めを行うことができる。 The multi-copter of the present invention is mounted in a multi-copter indoors or under a bridge (under a non-GPS environment) and in a wide space where the amount of light is not sufficient (a space far exceeding 10 m from a wall, for example, 40 m or more). Since the distance to the wall can be measured and the angle θy formed with the wall can be obtained by the laser or the millimeter wave, the positioning can be performed accurately even at a place 40 m or more away from the wall.
また、ダウンウオッシュを推力に変換するスラスターが備えられている場合、機体の水平姿勢を保ちながら水平移動できるので、リアルタイムで被測定対象物までの距離と成す角θyとを正確に測定しながら被測定対象物に向けて接近させたり、あるいは機体と被測定対象物との成す角並びに距離を一定に維持しながら、被測定対象物の任意の方向へ自由に移動可能とすることができる。 Also, if a thruster that converts downwash into thrust is provided, the aircraft can move horizontally while maintaining the horizontal posture, so that the angle θy formed by the distance to the object to be measured can be accurately measured in real time. The object to be measured can be freely moved in any direction while approaching the object to be measured or maintaining a constant angle and distance between the body and the object to be measured.
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。尚、本明細書において、マルチコプターに搭載したカメラあるいは測定器具(超音波プローブなどの各種センサー類を含む)を正面にして、左右、上下、前後が決められる。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the drawings. In the present specification, left and right, up and down, front and back are determined with the camera or measuring instrument (including various sensors such as an ultrasonic probe) mounted on the multicopter as the front.
(第1の実施形態)
図1に、本発明のマルチコプターの実施形態の一例を示す。この実施形態にかかるマルチコプターは、4つのプロペラ1を備えたクアッドコプターであり、制御部2を中央に備え、そこから放射状に延びるX型フレーム3のそれぞれにモーター4及びプロペラ1が配置されている。制御部2には図示していないがモーター4の回転数を制御するESC(Electronic Speed Controller)やフライトコントローラー(FCS)などの各種コントローラ、送信機・受信機、バッテリー等が搭載されると共に、例えばスキッドと呼ばれる門形の脚フレーム5が備えられ、該脚フレーム5に守られるようにしてカメラ6や各種センサー類が吊り下げられるように備えられている。カメラ6は、機体20に内蔵されても良いが、本実施形態の場合には、カメラジンバル(カメラのスタビライザ・安定化装置)7に搭載されることで揺れのない映像を撮影できるように備えられている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the multicopter of the present invention. The multicopter according to this embodiment is a quadcopter having four propellers 1, a control unit 2 provided at the center, and a motor 4 and a propeller 1 arranged in each of X-shaped frames 3 extending radially from the control unit 2. There is. Although not shown, the control unit 2 is equipped with various controllers such as an ESC (Electronic Speed Controller) and a flight controller (FCS) that control the rotation speed of the motor 4, a transmitter/receiver, a battery, and the like. A gate-shaped leg frame 5 called a skid is provided, and the camera 6 and various sensors are suspended so as to be protected by the leg frame 5. The camera 6 may be built in the airframe 20, but in the case of the present embodiment, it is installed in the camera gimbal (camera stabilizer/stabilizer) 7 so as to be able to capture a stable image. Has been.
また、マルチコプターには、衛星から発信する電波を受信して機体20の位置・緯度・経度・高度を割り出すGNSS(全球測位衛星システム,GPSを含む)センサー、機体20の高度と飛行速度とを計測するための気圧センサー、高度制御や障害物検知のためにセンサーから対象物までの距離を算出する超音波センサー、地表面の状態を撮影し、機体20の水平維持や離着陸を安定化実現するためのポジショニングカメラや障害物検知センサーなどの光学センサー、磁場(磁界)の向きを計測し、方位を求める磁気センサー(所謂、コンパス)、回転速度を測定してロール・ピッチ・ヨー軸を制御しているジャイロセンサー、加速度と重力の相関から機体20の傾きを検出する加速度センサーなどが必要に応じて搭載され、自律飛行が可能とされている。 The multicopter includes a GNSS (including Global Positioning Satellite System, GPS) sensor that receives radio waves transmitted from satellites to determine the position, latitude, longitude, and altitude of the aircraft 20, the altitude of the aircraft 20, and the flight speed. An atmospheric pressure sensor for measurement, an ultrasonic sensor that calculates the distance from the sensor to altitude control and obstacle detection, an image of the ground surface state, and stabilizes the horizontal maintenance and takeoff and landing of the aircraft 20. Positioning cameras and optical sensors such as obstacle detection sensors, magnetic sensors that measure the direction of the magnetic field (magnetic field) (so-called compass), measure the rotation speed, and control the roll, pitch, and yaw axes. A gyro sensor that is used, an acceleration sensor that detects the inclination of the body 20 from the correlation between acceleration and gravity, and the like are mounted as necessary, and autonomous flight is possible.
本実施例の場合、機体20の正面側には、プロペラガイドを兼ねるガイドフレーム8が取り付けられている。このガイドフレーム8は、例えば側方から見てL形、正面及び平面から見て門形のワイヤーフレームであり、本実施形態の場合、脚フレーム5の底辺(つまり、着陸の際に地面や床面などに接触する部位)5aの前側に前方へ向けて突出するように取り付けられている。 In the case of the present embodiment, a guide frame 8 also serving as a propeller guide is attached to the front side of the machine body 20. The guide frame 8 is, for example, an L-shaped wire frame when viewed from the side and a gate-shaped wire frame when viewed from the front and the plane, and in the case of the present embodiment, the bottom side of the leg frame 5 (that is, the ground or floor during landing). It is attached to the front side of the portion (contacting the surface) 5a so as to project forward.
さらに、本実施形態の場合、ガイドフレーム8には、鉛直方向へ延びる転倒防止部8vと水平方向に延びる定間隔維持部8hとが交わる屈曲部位(水平方向の先端位置となる)8aに、接触式のセンサ例えば板厚測定用の超音波プローブ9が取り付けられている。ガイドフレーム8は、プロペラ1の回転軸と平行な転倒防止部8vの辺を図示していない被測定対象物例えば壁面などに押し当てて、機体20の接近並びに転回を阻止すると共にマルチコプターと被測定対象物との間隔を一定に保つように機能する。尚、ガイドフレーム8の屈曲部位8aに搭載するセンサー9は、特に超音波プローブに限られるものでは無く、必要に応じて任意のセンサーが搭載される。 Further, in the case of the present embodiment, the guide frame 8 comes into contact with the bent portion (which is the tip end position in the horizontal direction) 8a where the fall prevention part 8v extending in the vertical direction and the constant interval maintaining part 8h extending in the horizontal direction intersect. Type sensor, for example, an ultrasonic probe 9 for measuring the plate thickness is attached. The guide frame 8 presses the side of the fall prevention part 8v parallel to the rotation axis of the propeller 1 against an object to be measured (not shown), such as a wall surface, to prevent the body 20 from approaching and rolling, and to prevent the multi-copter and the object from rotating. It functions to keep a constant distance from the object to be measured. The sensor 9 mounted on the bent portion 8a of the guide frame 8 is not particularly limited to the ultrasonic probe, and any sensor may be mounted as necessary.
また、機体20には少なくとも一基あるいは一対のスラスター(帆(saile:セイル))10が備えられる。このスラスター10は、マルチコプターの垂直方向への推力につられて発生する下向きの気流(ダウンウォッシュ)を受ける位置に備えられ、ダウンウォッシュの力を利用して水平方向の推力を得ようとするものである。即ち、スラスター10は、ダウンウォッシュを利用して推力を得る手段であり、例えば図1及び図2に示すようなプレート・翼状物から成る。本実施形態の場合、スラスター10は、機体20の重量バランスを考慮して、脚フレーム5の後部側即ち脚フレーム5の正面(前部側)に搭載された超音波プローブ9とガイドフレーム8から離れた位置に横向き(つまり、モーターの回転軸を左右方向に配置するよう)に備えられている。 Further, the airframe 20 is provided with at least one or a pair of thrusters (saile) 10. The thruster 10 is provided at a position where it receives a downward airflow (downwash) generated by the thrust of the multicopter in the vertical direction, and tries to obtain the thrust in the horizontal direction by using the force of the downwash. Is. That is, the thruster 10 is a means for obtaining thrust using downwash, and is composed of, for example, plates and blades as shown in FIGS. 1 and 2. In the case of the present embodiment, in consideration of the weight balance of the machine body 20, the thruster 10 includes the ultrasonic probe 9 and the guide frame 8 mounted on the rear side of the leg frame 5, that is, the front surface (front side) of the leg frame 5. It is provided laterally at a remote position (that is, the rotation shaft of the motor is arranged in the left-right direction).
ここで、スラスター10は、本実施形態の場合、駆動モータ11を備える可動翼で構成されており、モータ駆動によってスラスターの角度を水平軸を中心に回転可能にして、プロペラ1からのダウンウォッシュを受けて発生する推力の加減を可能としている。つまり、スラスター10の傾きを変更することにより発生する推力の大きさ並びに推力の発生の有無を調整可能とされている。また、可動翼から成るスラスター10の場合、翼の傾きを反対側とすることで、推力の向きを反転させることができる。即ち、スラスター10は少なくとも前後にそれぞれ45°ずつ(合計90°)の範囲内で回転可能に備えられていれば、前進あるいは後退のいずれも可能とすることができる。 Here, in the case of the present embodiment, the thruster 10 is composed of movable blades provided with the drive motor 11, and the angle of the thruster can be rotated about the horizontal axis by driving the motor so that the downwash from the propeller 1 can be performed. It is possible to adjust the thrust that is generated. That is, it is possible to adjust the magnitude of thrust generated by changing the inclination of the thruster 10 and the presence/absence of thrust generation. Further, in the case of the thruster 10 including the movable blade, the direction of the thrust can be reversed by setting the inclination of the blade on the opposite side. That is, the thruster 10 can be moved forward or backward as long as it can be rotated at least 45 degrees forward and backward (90 degrees in total).
本実施形態では、正面側の超音波プローブ9を被検査対象物に真っ直ぐに押し当てる推力が得られるようにするため、脚フレーム5の後部側の左右のプロペラ1のダウンウォッシュを均等に受けるように一対のスラスター10が装備されている。しかし、スラスター10は、これに特に限られるものではない。即ち、機体20に回転力が生じないように、機体20後部の右側と左側とにスラスターが対称に配置されているが、これに特に限られず1つの駆動モータで左右のプロペラのダウンウォッシュを等しく受ける面積・長さの1枚の翼としても良い。また、図2に示すように可動翼を2枚とした場合には、被測定対象物に向けて前進する場合あるいは被測定対象物から離れるように後退する場合には同調させて回転が起こらないようにすることが好ましく、回転をさせたい場合には個別に制御させることで実現できる。 In the present embodiment, the downwash of the left and right propellers 1 on the rear side of the leg frame 5 is evenly received in order to obtain a thrust force for pressing the ultrasonic probe 9 on the front side straight against the object to be inspected. Is equipped with a pair of thrusters 10. However, the thruster 10 is not particularly limited to this. That is, the thrusters are symmetrically arranged on the right side and the left side of the rear portion of the machine body 20 so that no rotational force is generated in the machine body 20, but the invention is not particularly limited to this, and one drive motor equalizes the downwash of the left and right propellers. It may be one wing of the area and length to receive. Further, as shown in FIG. 2, when the number of movable blades is two, the rotation does not occur in synchronization with the case of advancing toward the object to be measured or retreating away from the object to be measured. It is preferable to do so, and when it is desired to rotate, it can be realized by controlling individually.
さらに、図示していないが、一例としては、スラスター10は、場合によっては機体20の左右方向の推力を発生させるように、機体20側方に縦向き(つまり、モーターの回転軸を前後方向に配置するよう)に装備しても良い。即ち、機体20の少なくとも一側方の前側プロペラと後側プロペラとの間でこれらのダウンウォッシュを等しく受けるように少なくとも一基あるいは一対のスラスターを備えるようにしても良い。例えば、スキッドの一方の底辺に、前のプロペラのダウンウォッシュを受けるスラスターと後のプロペラのダウンウォッシュを受けるスラスターとがそれぞれ備えられたり、あいるは前後のプロペラのダウンウォッシュを同時に受ける1基のスラスターを備えるようにしても良い。この場合、機体20の水平姿勢を保ったままの左右方向への水平移動も可能となる。 Further, although not shown, as an example, the thruster 10 may be vertically oriented to the side of the body 20 (that is, the rotation axis of the motor may be in the front-back direction) so as to generate thrust in the left-right direction of the body 20 in some cases. It may be equipped). That is, at least one thruster or a pair of thrusters may be provided so as to receive the downwash equally between the front propeller and the rear propeller on at least one side of the machine body 20. For example, one bottom of the skid is equipped with a thruster that receives the downwash of the front propeller and a thruster that receives the downwash of the rear propeller, or there is a single thruster that receives the downwash of the front and rear propellers at the same time. It may be provided with a thruster. In this case, it is possible to move the machine body 20 horizontally in the left-right direction while maintaining the horizontal posture.
また、本実施形態の場合、スラスター10の角度を可変にしているので、発生する推力の大きさ並びに向きを調整することができる。また、左右のプロペラ1のダウンウォッシュをそれぞれ受ける一対のスラスター10の間で動きを同調させても良いし、場合によっては別々に独立させて駆動するようにしても良い。この場合には、左右で発生する推力に差を設けることも可能であり、舵としても利用できる。尚、可動翼のスラスター10は、立てる(鉛直方向に向ける)ことによっても、あるいは寝せる(水平方向に向ける)ことによっても、いずれの場合にも機体20を水平方向に押し出す推力が発生しないようにできるが、機体20の安定を図る上ではスラスター10を立てることがダウンウォッシュによる押し下げの力を受けないで済むので好ましい。 In addition, in the case of the present embodiment, since the angle of the thruster 10 is variable, the magnitude and direction of the generated thrust can be adjusted. In addition, the movement may be synchronized between the pair of thrusters 10 that receive the downwash of the left and right propellers 1, or may be separately driven in some cases. In this case, it is possible to provide a difference between the thrusts generated on the left and right, and it can be used as a rudder. It should be noted that the thruster 10 of the movable wing does not generate thrust that pushes the fuselage 20 in the horizontal direction in either case by standing up (vertical direction) or lying down (horizontal direction). However, in order to stabilize the machine body 20, it is preferable to erect the thruster 10 because the thruster 10 does not need to be pushed down by downwash.
尚、スラスター10は、例えば前後方向の推力を発生させるものと左右方向の推力を発生させるものとの、相直交する2方向の推力を発生させる複数のスラスターを備えるようにしても良い。相直交する2方向の推力を発生させる複数の可動スラスターを備える場合には、機体20の水平を保った状態での前後あるいは左右若しくはこれらの合成された方向への水平移動を可能とする舵として、あるいはスピード調整手段として利用できる。 The thruster 10 may include a plurality of thrusters that generate thrust in two directions orthogonal to each other, for example, a thruster that generates thrust in the front-rear direction and a thruster that generates thrust in the left-right direction. When a plurality of movable thrusters that generate thrust in two directions orthogonal to each other are provided, as a rudder that enables horizontal movement of the body 20 in the front-rear direction, the left-right direction, or the combined direction thereof. Alternatively, it can be used as a speed adjusting means.
また、ガイドフレーム8とスラスター10とは、本実施形態の場合、同一軸上に配置されている。例えば、ガイドフレーム8の定間隔維持部8hとスラスター10のモーター11とが脚フレーム5の底辺の前部と後部とに取り付けられている。これによって、ガイドフレーム8の水平方向に延びる定間隔維持部8hの延長軸上に力点が存在することとなるので、マルチコプターがホバリングしながら水平移動して機体20の先端である屈曲部位の超音波プローブ9が被測定対象物の壁面に当接したときに、力点と作用点とが同一軸上に存在することでも機体20が転回し難くなる。依って、先端の超音波プローブ9を被測定対象物の壁面に斜めに当てること無く真っ直ぐに押し当てて密着させ得る(綺麗に真っ正面から押し当てることができる)。そして、超音波プローブによる測定を正確なものとし得る。このことは、超音波プローブ9に限られず、他のセンサーでも同様の効果を奏し得る。 Further, in the case of the present embodiment, the guide frame 8 and the thruster 10 are arranged on the same axis. For example, the constant spacing maintaining portion 8h of the guide frame 8 and the motor 11 of the thruster 10 are attached to the front and rear portions of the bottom side of the leg frame 5. As a result, a force point exists on the extension axis of the constant spacing maintaining portion 8h extending in the horizontal direction of the guide frame 8, so that the multicopter moves horizontally while hovering and moves beyond the bending portion that is the tip of the machine body 20. When the sound wave probe 9 comes into contact with the wall surface of the object to be measured, even if the force point and the action point are on the same axis, the machine body 20 is hard to turn. Therefore, it is possible to press the ultrasonic probe 9 at the tip straight against the wall surface of the object to be measured without directly contacting it and bring them into close contact (they can be pressed neatly from the front). Then, the measurement by the ultrasonic probe can be made accurate. This is not limited to the ultrasonic probe 9, and the same effect can be obtained with other sensors.
ここで、マルチコプターには、例えば図8に示すように、フライトコントローラ44とUART(Universal Asynchronous Receiver Transmitte)を介して接続されているマイコン(マイクロコントローラ、MCU、マイクロコンピュータとも呼ばれる)41と、モータ用ドライバー49並びにスラスター10を駆動するモータ11が搭載されている。マルチコプターの無線操縦装置(プロポ)48による機体の制御は、通常2.4GHz帯の周波数を使って行われるので、モータ11の制御にはマルチコプター本体の制御と干渉しない電波帯例えば920MHzの周波数で命令が出されることが好ましい。そこで、プロポ48とは別個の制御装置例えば地上側に配置されるパラメータ入力用PC46によって、あるいはマルチコプターのプロポ48の使用無線周波数帯域の切り替えによって、920MHzの周波数で命令が出される。モータ11の制御は、例えばプロポ48から割り込みをかけてマイコン41からの指示を優先するように切り替えてパラメータ入力用PC46からの指示によって制御されるようにしても良いし、プロポ48からの指示に基づいてフライトコントローラ44を経由したマイコン41からの指示でモーター用ドライバー49を介して行われるようにしても良い。本実施形態の場合、パラメータ入力用PC46並びにマイコン41に無線通信用マイコン47,45が備えられ、モータ11の制御信号の送受信即ちスラスター10の切り替え操作が行われる。 Here, as shown in FIG. 8, for example, the multi-copter includes a microcomputer (also referred to as a micro controller, MCU, or microcomputer) 41 connected to a flight controller 44 via a UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitte) and a motor. A motor driver 11 for driving the driver 49 and the thruster 10 is mounted. Since the control of the airframe by the radio control device (propo) 48 of the multicopter is usually performed using the frequency of 2.4 GHz band, the control of the motor 11 does not interfere with the control of the multicopter main body, for example, a frequency band of 920 MHz. It is preferable that the command is issued at. Therefore, a command is issued at a frequency of 920 MHz by a control device separate from the propo 48, for example, by the parameter input PC 46 arranged on the ground side or by switching the used radio frequency band of the multicopter's propo 48. The control of the motor 11 may be controlled by an instruction from the parameter input PC 46 by, for example, switching the instruction from the microcomputer 41 to be prioritized by interrupting from the transmitter 48, or by an instruction from the propo 48. Based on the instruction from the microcomputer 41 via the flight controller 44, the operation may be performed via the motor driver 49. In the case of the present embodiment, the parameter input PC 46 and the microcomputer 41 are provided with the wireless communication microcomputers 47 and 45, and the transmission and reception of the control signal of the motor 11, that is, the switching operation of the thruster 10 is performed.
以上のように構成されたマルチコプターによれば、スラスター10の働きによって、機体20を傾けること無く(つまり、水平姿勢を保ったまま)、前後方向への水平移動並びに左右方向への水平移動を可能とすることができる。 According to the multi-copter configured as described above, the thruster 10 allows the horizontal movement in the front-rear direction and the horizontal movement in the left-right direction without tilting the body 20 (that is, keeping the horizontal posture). It can be possible.
例えば、通常の飛行制御モードによりマルチコプターがインフラ点検個所の予め決められた位置に到着すると、あるいは超音波プローブが被測定対象物の壁面(所謂、点検対象面)に接触すると、マルチコプターのプロポ48を操作して割り込みの優先度を決定して指示することにより、フライトコントローラ44が飛行制御モードから点検制御モードに切り替わり、マイコン41からの指示に従うように切り替える。すなわち、4つのモーターを独立した速度制御する飛行制御モードから4つのモーターを共通した速度制御する点検制御モードに切換る。点検制御モードでは、必要に応じて壁に沿って平行移動するために必要最小限のプロペラ1による揚力発生のためのモーター4の速度制御が行われると共にスラスター10で接触力が付与される。 For example, when the multi-copter arrives at a predetermined position in the infrastructure inspection point by the normal flight control mode, or when the ultrasonic probe contacts the wall surface of the measured object (so-called inspection surface), the propeller of the multi-copter is The flight controller 44 is switched from the flight control mode to the inspection control mode by operating 48 to determine the priority of the interrupt and instructing it, and the flight controller 44 is switched to follow the instruction from the microcomputer 41. That is, the flight control mode in which the four motors are independently speed-controlled is switched to the inspection control mode in which the four motors are commonly speed-controlled. In the inspection control mode, the speed of the motor 4 for generating the lift force by the minimum necessary propeller 1 for parallel movement along the wall is controlled as necessary, and the thruster 10 applies a contact force.
一般に、マルチコプターは壁面に近寄ると流体力学的に吸い寄る力が働き(コアンダ効果)バランスを崩しやすいが、本実施形態のマルチコプターではスライター10で発生する推力により内壁面に接触するようにしたので、内壁面に吸着する力に抗うのでなく吸着力を逆に有効利用することができる。 In general, when a multicopter approaches a wall surface, a force that attracts it hydrodynamically acts (Coanda effect), which tends to cause imbalance. However, in the multicopter of the present embodiment, the thrust generated by the slitter 10 makes contact with the inner wall surface. Therefore, it is possible to effectively use the suction force instead of resisting the suction force on the inner wall surface.
マルチコプターと被測定対象物とはガイドフレーム8によって一定の距離が保たれており、かつスラスター10によって発生する推力で押しつけられるため、この状態でマルチコプター1に搭載したカメラで内壁面の状態の写真を撮影したり、超音波プローブによって肉厚が求められる。また、マルチコプターに搭載した各種の検査器具で内壁面の損傷状態を検査し、そのデータを取得する。 Since the guide frame 8 keeps a constant distance between the multi-copter and the object to be measured, and the thrust is generated by the thruster 10, the camera mounted on the multi-copter 1 in this state shows the state of the inner wall surface. The thickness is obtained by taking a picture or using an ultrasonic probe. In addition, the damage condition of the inner wall surface is inspected by various inspection tools mounted on the multicopter and the data is acquired.
さらに、マルチコプターはスラスター10を使って壁に沿って昇降あるいは水平移動させる推力を得る。これによって、マルチコプターを被検査対象物の壁面に沿って移動させることができる。このとき、マルチコプターの4つのプロペラは高さ位置を制御するだけで良いので、マルチコプター1の三次元飛行中の複雑な制御は必要無くなる。 Further, the multicopter uses thrusters 10 to obtain thrust to move up and down or horizontally along the wall. As a result, the multicopter can be moved along the wall surface of the inspection object. At this time, since the four propellers of the multicopter only need to control the height position, complicated control during multidimensional flight of the multicopter 1 is not necessary.
本実施形態にかかるマルチコプターは、正面のセンサなどを軽く押しつけて接触させた状態で上下動可能あるいは水平移動としたので、構造物に沿ったマルチコプター1の水平姿勢を保ったままの前後、左右並びに上下への移動を実現することができる。 Since the multi-copter according to the present embodiment can be vertically moved or horizontally moved in a state where the front sensor or the like is lightly pressed and brought into contact with the multi-copter, the multi-copter 1 along the structure can be moved forward and backward while maintaining a horizontal posture. Movement to the left and right as well as up and down can be realized.
(第2の実施形態)
ホバリング中のマルチコプターは、微妙に上下ないし前後あるいは左右方向に揺れる。さらに、マルチコプターは壁面に近寄ると流体力学的に吸い寄る力が働き(コアンダ効果)バランスを崩しやすい。他方、壁面を点検するためには、マルチコプターの姿勢が安定しないと操作が容易ではなく、点検作業に支障をきたしてしまう虞がある。このため、正確な点検や測定を行うため、機体20あるいは機体20に取り付けた装備品例えばガイドフレームなどに吸着手段・固定手段を設けてマルチコプター本体を被測定対象物に吸着させて支持させることが望まれる場合もある。このような要望に応えるため、機体20正面に真空吸着装置を搭載して、点検対象面に対して吸着することで測定の間一定の距離を保つようにしたマルチコプターも提案されている(特開2017−193330号公報)。しかしながら、真空吸着装置を搭載する場合には、装置が大がかりになると共に駆動源やその電源が必要となるため、積載量が増え、機体20の重量バランスが悪くなって飛行の安定性を損ねたり、凹凸のある被吸着面に対して十分な吸着力が得られずに所定位置に飛行体を吸着させることが難しいという課題がある。そこで動力源を必要としない軽量でコンパクトな吸着手段が望まれる。本実施形態はかかる要望に応えるもので、動力源を必要とせず、軽量でコンパクトな吸着手段を提案しようとするものである。
(Second embodiment)
During hovering, the multicopter sways slightly up and down, front and back, or left and right. Furthermore, when the multicopter approaches the wall surface, the force that attracts it hydrodynamically acts (Coanda effect), and it is easy to lose the balance. On the other hand, in order to inspect the wall surface, if the posture of the multi-copter is not stable, the operation is not easy and there is a risk that the inspection work will be hindered. Therefore, in order to perform accurate inspection and measurement, suction means and fixing means should be provided on the machine body 20 or an equipment attached to the machine body 20, for example, a guide frame or the like, and the multicopter body should be adsorbed on and supported by the object to be measured. May be desired. In order to meet such a demand, a multi-copter in which a vacuum suction device is mounted on the front surface of the machine body 20 so as to maintain a constant distance during measurement by adsorbing to a surface to be inspected (special feature) is also proposed. Open 2017-193330). However, when the vacuum suction device is mounted, the size of the device becomes large and a drive source and its power source are required, so the load capacity increases, the weight balance of the machine body 20 deteriorates, and the stability of flight is impaired. However, there is a problem that it is difficult to attract the flying body to a predetermined position without obtaining a sufficient suction force on the uneven suction surface. Therefore, a lightweight and compact adsorption means that does not require a power source is desired. The present embodiment responds to such a demand, and is intended to propose a lightweight and compact adsorption means that does not require a power source.
被測定対象物が例えば鋼板や鋼管などの磁性体の場合には、磁気吸着でマルチコプターの機体20を容易に固定することができる。特に、永久磁石による吸着の場合、真空装置などを搭載する場合に比べて電源の必要がないので有利である。しかも、永久磁石でマルチコプターを保持させている間には、マルチコプターのプロペラは回転を停止できるのでバッテリーの節約にもなる。 When the object to be measured is a magnetic material such as a steel plate or a steel pipe, the machine body 20 of the multicopter can be easily fixed by magnetic attraction. In particular, attraction by a permanent magnet is advantageous because it does not require a power source as compared with the case where a vacuum device or the like is mounted. Moreover, while the multicopter is held by the permanent magnet, the propeller of the multicopter can stop rotating, which saves the battery.
ところが、マルチコプターにおける永久磁石の使用は、漏れ磁束によるコンパスの狂いが問題となることから、好ましくないと考えられている。マルチコプターには、磁場(磁界)の向きを計測し、方位を求める磁気センサー(所謂、コンパス)の搭載が姿勢制御のために必要不可欠である。このため、磁気センサーを狂わせる永久磁石の搭載は通常考えられない。また、吸着手段は、遠隔操作により簡単に被測定対象物から切り離し得るものであることが必要である。かかる観点からは、電磁石の採用が妥当な選択ではあると思われるが、電源を必要とする上に、同じサイズの場合には永久磁石よりも吸着力が小さくなる問題を伴う。 However, the use of a permanent magnet in a multicopter is considered unfavorable because the compass error due to the leakage magnetic flux causes a problem. A magnetic sensor (so-called compass) that measures the direction of a magnetic field (magnetic field) and obtains the azimuth is essential to the multicopter for attitude control. For this reason, it is usually unthinkable to install a permanent magnet that distorts the magnetic sensor. Further, the suction means needs to be easily detachable from the object to be measured by remote control. From this point of view, it seems that the adoption of the electromagnet is a proper choice, but it requires a power source and, in the case of the same size, has a problem that the attraction force becomes smaller than that of the permanent magnet.
そこで、本発明者等は、マグネット装置12として、図3に示すように、ヨークを兼ねるハウジング13内に固定的な永久磁石15と磁極が入れ替わるように回転可能な永久磁石14とが収容された2層式永久磁石を用いることにした。この2層式永久磁石は、上下に配置された2層の永久磁石の一方例えば上層の永久磁石14をモータ駆動により回転可能とし、上下の永久磁石14,15が同極に配置された場合には、磁化方向がワーク16に対して垂直になるように構成されたものである。このため、2層の永久磁石14,15が同極に揃ったときには強い吸着力が発生し、異極となった場合には磁化方向はワーク16に対し平行になるためワーク16から容易に脱着ができる。磁石14,15の近くにヨーク13があると磁束は大気中に漏れずに透磁率の高いヨーク13に集中するため、吸着力が増す。他方、この2層式永久磁石は、重なった磁石14.15同士が異極となるように組み合わせたときには、漏れ磁束の問題が殆どないので、コンパスへの影響が少ない。回転側の永久磁石14は、図示していないが、例えばステッピングモータなどに連結され、180°毎に回転可能に設けられている。また、図示していない永久磁石位置検出センサーが設けられ、磁極が180°回転可能に制御されている。マグネット装置12のステッピングモータは、マルチコプターの本体の制御周波数帯とは異なる周波数帯域例えば920MHzの周波数帯域を使用して制御される。例えば、マルチコプターのプロポ48の使用無線周波数帯域の切り替え、あるいはプロポ48とは別個の制御装置例えば地上側に配置されるパラメータ入力用PC46によって、マグネット装置の切り替え操作が行われることが好ましい。 Therefore, the present inventors, as the magnet device 12, house a fixed permanent magnet 15 and a permanent magnet 14 rotatable so that the magnetic poles are exchanged in a housing 13 also serving as a yoke, as shown in FIG. I decided to use a two-layer permanent magnet. This two-layer type permanent magnet makes one of the two layers of permanent magnets arranged above and below, for example, the upper layer permanent magnet 14 rotatable by a motor, and when the upper and lower permanent magnets 14 and 15 are arranged in the same pole. Is configured such that the magnetization direction is perpendicular to the work 16. Therefore, when the two layers of permanent magnets 14 and 15 have the same pole, a strong attractive force is generated, and when they have different polarities, the magnetization direction becomes parallel to the work 16, so that the work 16 can be easily detached and attached. You can When the yoke 13 is located near the magnets 14 and 15, the magnetic flux is concentrated in the yoke 13 having a high magnetic permeability without leaking to the atmosphere, so that the attractive force is increased. On the other hand, this two-layer type permanent magnet has almost no problem of leakage magnetic flux when combined so that the overlapping magnets 14.15 have different polarities, and therefore has little influence on the compass. Although not shown, the permanent magnet 14 on the rotating side is connected to, for example, a stepping motor or the like, and is rotatably provided every 180°. Further, a permanent magnet position detection sensor (not shown) is provided, and the magnetic pole is controlled to be rotatable by 180°. The stepping motor of the magnet device 12 is controlled using a frequency band different from the control frequency band of the main body of the multicopter, for example, a frequency band of 920 MHz. For example, it is preferable to switch the used radio frequency band of the multicopter radio 48 or to switch the magnet device by a control device separate from the radio transmitter 48, for example, a parameter input PC 46 arranged on the ground side.
以上のように構成された本実施形態のマルチコプターの場合、スラスター10によって推力を得ることで、機体20を傾けること無く、ホバリングしながら任意の方向に水平移動することができる。超音波プローブ9は被測定対象物に対して斜めに押し当てられると、板厚を正確に測定できないが、スラスター10によって発生する推力でマルチコプターが傾斜することなく水平移動するため、超音波プローブ9は壁面に対して正対した状態で押しつけられる。しかも、同一軸上に力点が存在することとなるため、傾斜しようとする力が発生することがない。マルチコプターが安定して接触することができる。そして、超音波プローブ9の付近を被測定対象物の壁面に吸着させ、機体20をそこに止めることができる。 In the case of the multi-copter of the present embodiment configured as described above, by obtaining thrust by the thruster 10, it is possible to horizontally move in any direction while hovering without tilting the machine body 20. When the ultrasonic probe 9 is pressed diagonally against the object to be measured, the plate thickness cannot be accurately measured, but the thrust generated by the thruster 10 causes the multicopter to move horizontally without tilting, so the ultrasonic probe 9 is pressed against the wall faced. Moreover, since the force point exists on the same axis, the force that tends to tilt is not generated. The multicopter can make stable contact. Then, the vicinity of the ultrasonic probe 9 can be adsorbed on the wall surface of the object to be measured, and the machine body 20 can be stopped there.
通常、マルチコプターのエレベータ並びにエルロンは、前後あるいは左右のプロペラの回転数を異ならせることで機体20を傾けることによって移動させている。このことから、被測定物の壁面に対して平行に機体20を押しつけることは難しい。したがって、ガイドフレーム8のようなものを備えていても、鉛直方向の辺即ち転倒防止部8vが十分な長さ(即ち、高さ)を有していない場合には、マルチコプターが押し当てられた途端にガイドフレーム8の先端を起点に機体20が転回して4箇所のプロペラが壁に当たることとなる。このため、マルチコプターの前側に検査対象物に対して一定の力で継続的に押し当たられるようなセンサーを搭載したタイプのマルチコプターは従来なかった。 Normally, the elevator and aileron of the multicopter are moved by tilting the machine body 20 by changing the rotation speeds of the front and rear or left and right propellers. For this reason, it is difficult to press the machine body 20 parallel to the wall surface of the object to be measured. Therefore, even if the guide frame 8 is provided, if the vertical side, that is, the fall prevention portion 8v does not have a sufficient length (that is, height), the multi-copter is pressed against it. Immediately after that, the machine body 20 turns around the tip of the guide frame 8 as a starting point, and the four propellers hit the wall. For this reason, there has been no type of multicopter equipped with a sensor that can be continuously pressed against the inspection object with a constant force on the front side of the multicopter.
(第3の実施形態)
また、従来のマルチコプターは、屋内や橋梁下(非GPS環境下)では、マルチコプターに内蔵されたカメラや超音波センサ、赤外線センサで距離を測定して位置決めをする。しかしながら、精度よく測定できる距離の上限は、マルチコプターに実装されているカメラで10m程度、超音波センサで4m程度、赤外線センサで5m程度である。また、カメラは十分な明るさが必要であり、暗いと使えない。したがって、非GPS環境下で、かつ、十分な光量がとれない広い空間では、位置決めができなくなる問題を有している。特に、ビームラインと被測定対象物との成す角、即ち機体20と被測定対象物との成す角θyを求めることができないと、移動方向を特定することさえ難しくなる問題を含んでいる。
(Third Embodiment)
In addition, the conventional multi-copter measures the position indoors or under a bridge (under a non-GPS environment) by measuring the distance with a camera, an ultrasonic sensor, or an infrared sensor incorporated in the multi-copter. However, the upper limit of the distance that can be accurately measured is about 10 m for the camera mounted on the multicopter, about 4 m for the ultrasonic sensor, and about 5 m for the infrared sensor. Also, the camera needs to be bright enough to work in low light. Therefore, there is a problem that positioning cannot be performed in a non-GPS environment and in a wide space where a sufficient amount of light cannot be obtained. In particular, if the angle between the beam line and the object to be measured, that is, the angle θy formed between the machine body 20 and the object to be measured cannot be obtained, it is difficult to even specify the moving direction.
そこで、本実施形態は、屋内や橋梁下などの非GPS環境下で、かつ、十分な光量がとれない空間において、壁から離れた場所例えば少なくとも40mから100m程度において精度よく位置決めを可能とするマルチコプターを実現するものである。本実施形態のマルチコプターでは、1本ないし2本のレーザーあるいはミリ波を使った距離計例えばLiDAR(Light Detection and Ranging,Laserimaging Detection and Ranging:以下、ライダーと呼ぶ)を搭載することにより、非GPS環境下で、かつカメラを使うには十分な光量がとれない空間や広い空間での位置決め(例えば、壁から少なくとも40mから100m程度の位置での位置決め)を可能とするようにしている。 Therefore, in the present embodiment, in a non-GPS environment such as indoors or under a bridge, and in a space where a sufficient amount of light cannot be obtained, it is possible to accurately perform positioning in a place away from a wall, for example, at least about 40 m to 100 m. It realizes a copter. In the multicopter of the present embodiment, a non-GPS is provided by mounting a rangefinder using one or two lasers or millimeter waves, for example, LiDAR (Light Detection and Ranging, Laserimaging Detection and Ranging: hereinafter referred to as lidar). It is possible to perform positioning in a space where a sufficient amount of light is not available for using the camera or in a wide space (for example, positioning at a position of at least 40 m to 100 m from the wall) under the environment.
即ち、本実施形態にかかるマルチコプターは、例えば図8に示すように、機体に搭載されて2本の平行なビームあるいは1点から挟角θ0を成す2本のビームが放射状に同時にあるいは順次放射して被測定対象物までの距離を測定するレーザもしくはミリ波を使った距離計40と、距離計40で求められた平行な2本のビームの被測定対象物までの距離の差分あるいは放射状に放射された2本のビームの被測定対象物までの距離と挟角θ0とに基づいて機体の被測定対象物に対する成す角θyを求める角度算出モジュール42と、距離計40で測定された距離と角度算出モジュールで算出されたθyから目標値との変位量を求め、水平移動量Lおよび回転量θとしてフライトコントローラ44に割込み指示する制御部43とを有する。尚、本実施形態では、角度算出モジュール42と制御部42とは、マルチコプターの機体20に搭載されているマイコン41によって実現されているが、場合によっては角度算出モジュール42と制御部43とは地上側のパラメータ入力用PC46に構成して無線通信用マイコン47,45を介してデータのやりとりを行うようにしても良い。尚、本実施形態では、角度算出モジュール42と制御部42とは、マルチコプターの機体20に搭載されているマイコン41によって実現されているが、場合によっては角度算出モジュール42と制御部43とは地上側のパラメータ入力用PC46に構成し、無線通信用マイコン47,45を介して機体に搭載されたマイコン41との間でデータのやりとりを行うようにしても良い。 That is, for example, as shown in FIG. 8, the multicopter according to the present embodiment is mounted on the airframe, and two parallel beams or two beams forming an included angle θ 0 from one point are radially or simultaneously or sequentially. A distance meter 40 that uses a laser or a millimeter wave to radiate and measure the distance to the object to be measured, and the difference in distance between the two parallel beams obtained by the distance meter 40 to the object to be measured or radial The angle calculation module 42 for obtaining the angle θy formed by the airframe with respect to the object to be measured based on the distance between the object to be measured and the included angle θ 0 of the two beams radiated in It has a control unit 43 that obtains a displacement amount from a target value from θy calculated by the distance and the angle calculation module, and interrupts the flight controller 44 as a horizontal movement amount L and a rotation amount θ. In the present embodiment, the angle calculation module 42 and the control unit 42 are realized by the microcomputer 41 mounted on the multicopter body 20. However, in some cases, the angle calculation module 42 and the control unit 43 are different from each other. It is also possible to configure the parameter input PC 46 on the ground side to exchange data via the wireless communication microcomputers 47 and 45. In the present embodiment, the angle calculation module 42 and the control unit 42 are realized by the microcomputer 41 mounted on the multicopter body 20. However, in some cases, the angle calculation module 42 and the control unit 43 are different from each other. The ground-side parameter input PC 46 may be configured to exchange data with the microcomputer 41 mounted on the airframe via the wireless communication microcomputers 47 and 45.
尚、マルチコプターに搭載されたマイコン41の制御プログラムには、予め被測定対象物からの距離や角度θyがパラメータとして書き込まれている。パラメータは、必要に応じて遠隔地にあるPC例えばパラメータ入力用PC46から書き換えられる。PCには、無線通信用のマイコンが備えられ、マルチコプター本体の制御と干渉しない電波帯例えば920MHzの周波数で命令が出されている。マルチコプターの無線操縦装置(プロポ)には、割り込みの優先度を決定して指示する。また、マイコン41には、スラスター10を制御するためのプログラムも書き込まれており、地上側PC46からの指示を受けて切り替え動作させるように設けられている。 The distance from the object to be measured and the angle θy are written as parameters in advance in the control program of the microcomputer 41 mounted on the multicopter. The parameters are rewritten as necessary from a remote PC, for example, the parameter input PC 46. The PC is equipped with a microcomputer for wireless communication, and commands are issued at a frequency band of 920 MHz, for example, which does not interfere with the control of the multicopter body. The multicopter radio controller (propo) is instructed by determining the priority of interruption. A program for controlling the thruster 10 is also written in the microcomputer 41, and is provided so as to perform a switching operation in response to an instruction from the ground side PC 46.
本実施形態の場合、距離計40としては、レーザーあるいはミリ波を使った距離計例えばLiDAR(Light Detection and Ranging,Laserimaging Detection and Ranging:以下、ライダーと呼ぶ)という測定技術を利用している。このライダーは、レーザー距離センサモジュールとして一般に市販されており、例えばレーザー光を発射して被測定対象物からの反射波を検知し、反射波が帰ってくるまでの時間を計測することで被測定対象物までの距離を測定する技術(time-of-flight方式)を利用するものであり、測定点までの距離が基板上のマイコンで求められて物理量として所望の通信方式例えばI2C規格(シリアル通信規格)などのシリアル通信で出力されるようにユニット化されている。一般には、1枚の基板上にレーザー測距センサーとマイコン、レーザー光源などが実装され、レーザー測距センサーのコントロールに必要なアルゴリズムは全てファームウェアに組み込まれ、デバイス上で処理を完結させるようにユニット化されている。 In the case of the present embodiment, as the range finder 40, a range finder using a laser or a millimeter wave, for example, a measurement technology called LiDAR (Light Detection and Ranging, Laserimaging Detection and Ranging: hereinafter referred to as lidar) is used. This lidar is generally commercially available as a laser distance sensor module. For example, by emitting a laser beam to detect the reflected wave from the measured object and measuring the time until the reflected wave returns, the measured object can be measured. It utilizes a technique for measuring the distance to the object (time-of-flight method), and the distance to the measurement point is calculated by the microcomputer on the board, and the desired communication method such as the I 2 C standard ( Serial communication standard) is unitized so that it can be output by serial communication. Generally, a laser ranging sensor, a microcomputer, a laser light source, etc. are mounted on a single board, and the algorithms required for controlling the laser ranging sensor are all incorporated in the firmware to complete processing on the device. Has been converted.
ライダー40としては、ソリッドステート型ライダー、中でもMEMS(Micro Electro Mechanical System;微少電気機械システム)方式のライダーの使用が好ましい。MEMS方式のソリッドステート型ライダーは、センサー、アクチュエーター、電子回路を1つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に微細加工技術によって集積化したデバイスであり、マルチコプターに搭載するには適している。MEMS方式のソリッドステート型ライダーは、一般にミラーやコイル、磁石などを用いた電磁式のMEMSミラーを用いてレーザー光を走査させる(LiDARのMEMS式とSolid State式、特徴や違いを解説https://jidounten-lab.com/y_6506)。このソリッドステート型ライダーは、機械的な回転機構を持たずに半導体技術や光学技術で機構部を置き換えるようにしていることから、レーザーの照射角の範囲でのみセンシング可能であるため検知領域は数十度と狭いが、2本のビームの間に数十度の挟角θ0を実現できれば本実施形態の場合には特に問題となることは無い。 As the rider 40, it is preferable to use a solid-state type rider, especially a MEMS (Micro Electro Mechanical System) type rider. The MEMS solid-state lidar is a device that integrates sensors, actuators, and electronic circuits on a single silicon substrate, glass substrate, organic material, etc. by microfabrication technology, and is suitable for mounting on a multicopter. There is. A MEMS solid-state lidar generally scans laser light using an electromagnetic MEMS mirror that uses a mirror, a coil, a magnet, etc. (LiDAR's MEMS type and Solid State type, explanation of features and differences https:/ /jidounten-lab.com/y_6506). This solid-state type lidar does not have a mechanical rotation mechanism and replaces the mechanical part with semiconductor technology or optical technology, so it can only detect within the irradiation angle range of the laser, so the detection area is several. Although it is as narrow as 10 degrees, there is no particular problem in the case of the present embodiment as long as an included angle θ 0 of several tens of degrees can be realized between two beams.
ライダー40は機体の任意の位置、例えば、2本のライダー(図示省略)が被測定対象物に対して平行ビーム21,22を照射するように互いに平行に配置される実施形態の場合には、脚フレーム5に固定されている。また、1本のMEMS方式のソリッドステート型ライダーを備える場合には、機体の下部やカメラジンバルなどに搭載することが好ましい。 The rider 40 is arranged at an arbitrary position of the body, for example, in the case of an embodiment in which two riders (not shown) are arranged in parallel with each other so as to irradiate the measurement object with parallel beams 21 and 22, It is fixed to the leg frame 5. Further, when a single solid-state MEMS type lidar is provided, it is preferable to mount it on the lower part of the machine body or the camera gimbal.
本実施形態の場合、ライダー40で求められた距離情報は、I2Cによってマイコン41に供給される。そして、マイコン41に構成された角度算出モジュール42において以下の演算処理によって被測定対象物との成す角θyが求められ、さらに制御部43において目標値との変位量即ち所定位置並びに角度にマルチコプターを移動させるに必要な水平移動量Lおよび回転量θが求められて、フライトコントローラ44に割込み指示される。尚、目標値はマイコンの制御プログラムあるいはファームウェア上のパラメータとして予め書き込まれている。本実施形態の場合、機体20の先端のガイドフレーム8を被測定対象物に対して押し当てることで被測定対象物からの位置決めが行われる。他方、ライダー40からの距離情報とそれによって算出される被測定対象物との成す角θyとの差分(変位量)がマルチコプターの回転量θとして求められ、フライトコントローラ44に指示される。目標値は、必要に応じて地上側のパラメータ入力用PC46から無線通信用マイコン47,45を経てリモートで書き換えられる。また、プロポ48は、通常のマルチコプターの制御の他、割り込みをかけて、マイコン41からの指示を優先するか否かの操作(切り替え操作)を行う。 In the case of the present embodiment, the distance information obtained by the rider 40 is supplied to the microcomputer 41 by I 2 C. Then, the angle calculation module 42 configured in the microcomputer 41 determines the angle θy formed with the object to be measured by the following arithmetic processing, and the control unit 43 further sets the displacement amount with respect to the target value, that is, a predetermined position and angle to the multicopter. The horizontal movement amount L and the rotation amount θ required to move the aircraft are obtained, and the flight controller 44 is instructed to interrupt. The target value is written in advance as a parameter on the control program or firmware of the microcomputer. In the case of the present embodiment, the guide frame 8 at the tip of the machine body 20 is pressed against the object to be measured, thereby positioning the object to be measured. On the other hand, the difference (displacement amount) between the distance information from the rider 40 and the angle θy formed by the object to be measured calculated by the distance information is obtained as the rotation amount θ of the multicopter and is instructed to the flight controller 44. The target value can be remotely rewritten from the parameter input PC 46 on the ground side through the wireless communication microcomputers 47 and 45 as required. In addition to the normal control of the multicopter, the propo 48 performs an operation (switching operation) of whether or not to give priority to the instruction from the microcomputer 41 in addition to interrupting.
例えば、脚フレーム5に2本のライダー(図示省略)が被測定対象物に対して平行ビーム21,22を照射するように互いに平行に配置されて固定されている実施形態の場合には、ライダーによって被測定対象物までの距離が帰還時間から測定される。また、2本のビーム21,22の間の照射源での距離x0は、脚フレーム5にライダーを搭載する時に定まる既知の固定値となる。したがって、2本のビーム21,22が同じ時間かかって戻ってくるときには、マルチコプターは被測定対象物の壁面24に対して垂直であり、帰還時間にずれが生じている場合には、図4(B)に示すように、ビーム21,22が傾斜しているものと判断することができる。したがって、2本のビーム21,22の時間差から次式(1)に示すように壁24との成す角度θyが求まる。 For example, in the case of an embodiment in which two riders (not shown) are arranged and fixed in parallel to each other on the leg frame 5 so as to irradiate the parallel beam 21, 22 to the object to be measured, The distance to the object to be measured is measured by the return time. Further, the distance x0 at the irradiation source between the two beams 21 and 22 is a known fixed value determined when the rider is mounted on the leg frame 5. Therefore, when the two beams 21 and 22 return in the same amount of time, the multicopter is perpendicular to the wall surface 24 of the object to be measured, and when there is a deviation in the return time, FIG. As shown in (B), it can be determined that the beams 21 and 22 are inclined. Therefore, the angle θy formed with the wall 24 is obtained from the time difference between the two beams 21 and 22 as shown in the following equation (1).
θy=tan−1(x0/δy) …(1)
ここで、x0は2本のライダーの間の距離であり、既知である。
また、δyは2本のビームの差分(y2−y1)である。
θ y =tan −1 (x 0 /δ y )... (1)
Where x 0 is the distance between the two riders and is known.
Further, δ y is the difference (y 2 −y 1 ) between the two beams.
ライダーは、例えば図4(A)に示すように、場合によっては前方への2本の平行ビーム21,22に加えて、左方向あるいは右方向への横向きレーザービーム(つまり、ライダー)23が照射されるように設けられることもある。この場合には、機体20の位置を正面の壁24と左側の壁(あるいは右側の壁)25との双方から一定の距離・間隔に保つことができる。勿論、側方に向けて複数の平行レーザービームを照射するようにライダーを複数搭載させるようにしても良い。 For example, as shown in FIG. 4A, the rider may irradiate the forward parallel laser beams 21 and 22 with a lateral laser beam 23 (that is, the rider) 23 to the left or right. It may be provided as described above. In this case, the position of the machine body 20 can be maintained at a constant distance and distance from both the front wall 24 and the left side wall (or the right side wall) 25. Of course, a plurality of riders may be mounted so as to irradiate a plurality of parallel laser beams laterally.
上述の関係から、機体20と壁面との成す角θyが求まれば、非GPS環境下でも、ラダー操作により機体20の回転が修正でき、機体20が真っ正面を向くように制御することができる。そして、壁24に真っ直ぐに向かせた状態で、スラスター10を傾けることで推力を発生させ、マルチコプターを前進させることができる。反対に、任意の角θyを成すように機体20を回転させることもできる。従来、非GPS環境下で、ビームラインと壁面との成す角、即ち機体20と壁面との成す角θyを求めるものは無かった。 From the above relationship, if the angle θy formed between the aircraft body 20 and the wall surface is obtained, the rotation of the aircraft body 20 can be corrected by the ladder operation even under a non-GPS environment, and the aircraft body 20 can be controlled so as to face straight ahead. .. Then, by thrusting the thruster 10 in a state in which the thruster 10 is directed straight to the wall 24, thrust can be generated and the multicopter can be advanced. On the contrary, the machine body 20 can be rotated so as to form an arbitrary angle θy. Conventionally, there has been nothing to find the angle between the beamline and the wall surface, that is, the angle θy between the body 20 and the wall surface under the non-GPS environment.
以上のようにして、図4(A)に示す機体20と壁24との成す角θy、機体20と壁24との距離y1,y2及び機体20と壁25との距離xが求められることから、これらの関係を特定した状況を維持しつつ壁24に沿って上下方向に移動させることで検査を実行することも可能である。例えば、検査モードの一例を図5に示す。まず気圧センサとコンパスとジャイロしか効いていない運転モード(つまり、GPS、赤外線センサ、超音波センサも使えない状況での操作を意味するものであり、例えば、本明細書中ではAモードと呼ぶ。)にする(ステップ101)。そして、ラダーにより壁との成す角をθyとする(ステップ102)。壁との成す角をθyとしない場合にはAモードに戻る(ステップ103)。他方、壁との成す角をθyとした場合には、エレベータにより壁24との距離をyとなるように制御する(ステップ104)。ここで、エレベータにより壁との距離をyと成るように制御しないのであれば、成す角θyを維持し、ラダー以外を有効にする(ステップ105)。つまり、回転はしないが、前後左右だけ移動するようにする(ラダー固定・無効、エレベータ及びエルロンは有効)。他方、エルロンにより壁25との距離をxとなるように制御する(ステップ106)。制御しない場合には、θy及びyを維持し、スロットル、エルロンのみを有効とする(ステップ107)。制御を続ける場合には、θy、y及びxを維持し、スロットルのみを有効とする(ステップ108)。以上のように制御できる機能を限定して行き、最終的には、θy、y、xを維持してスロットルのみ有効にする。これによって、マルチコプターは壁24に沿って昇降移動(検査)のみ可能とする。 As described above, the angle θy formed by the airframe 20 and the wall 24, the distances y1 and y2 between the airframe 20 and the wall 24, and the distance x between the airframe 20 and the wall 25 shown in FIG. 4A are obtained. It is also possible to perform the inspection by moving vertically along the wall 24 while maintaining the situation in which these relationships are specified. For example, an example of the inspection mode is shown in FIG. First, it means an operation mode in which only the atmospheric pressure sensor, the compass, and the gyro are effective (that is, the operation in a situation where the GPS, infrared sensor, and ultrasonic sensor cannot be used, and is referred to as A mode in the present specification, for example. ) (Step 101). Then, the angle formed by the ladder and the wall is set to θy (step 102). When the angle formed by the wall is not θy, the mode returns to A mode (step 103). On the other hand, when the angle formed by the wall is θy, the elevator controls the distance to the wall 24 to be y (step 104). If the elevator does not control the distance to the wall to be y, the formed angle θy is maintained, and the parts other than the ladder are made effective (step 105). In other words, it does not rotate, but moves only forward, backward, left, and right (rudder fixed/ineffective, elevator and aileron effective). On the other hand, the aileron controls the distance to the wall 25 to be x (step 106). If not controlled, θy and y are maintained, and only the throttle and aileron are enabled (step 107). When continuing the control, θy, y and x are maintained and only the throttle is made effective (step 108). The functions that can be controlled as described above are limited, and finally θy, y, and x are maintained and only the throttle is enabled. This allows the multicopter to only move up and down (inspect) along the wall 24.
また、図4の実施形態の場合、2本の平行なビームの被測定対象物までの距離の差分から被測定対象物との成す角θyを求めるようにしているが、場合によっては1点から挟角θ0を成す少なくとも2本のビームを放射状に同時にあるいは順次放射することにより、ビームの被測定対象物までの距離と挟角θ0とに基づいて機体の被測定対象物に対する成す角θyを求めるようにしても良い。例えば、1本のライダーのビームを瞬時に回転させることによって、あるいは挟角θ0を持って交差する2本のライダーから同時にビームを2本照射することによって成す角θyを求めることができる。 Further, in the case of the embodiment of FIG. 4, the angle θy formed with the object to be measured is obtained from the difference between the distances of the two parallel beams to the object to be measured, but in some cases from one point By radiating at least two beams forming the included angle θ 0 simultaneously or sequentially in a radial manner, the angle θ y formed by the aircraft with respect to the measured object is determined based on the distance to the object to be measured and the included angle θ 0. May be requested. For example, the angle θy formed by instantaneously rotating the beam of one rider, or by simultaneously irradiating two beams from two riders crossing each other at an included angle θ 0 can be obtained.
例えば、図6(A)に示すように、2本のビームの代わりに1本のビームを回転機構あるいは半導体技術や光学技術を利用した光走査機構で走査して、機体の被測定対象物に対する距離と成す角θyを求めることも可能である。つまり、1本のMEMS方式のソリッドステート型ライダーを一定角度(θ0)毎に回転させて、3本のビーム30,31,32の長さ、即ち被測定対象物までの距離(y1),(y2),(y3)を求めれば、次式(2)あるいは(3)に基づいてビームと壁との成す角qyを求めることができる。この場合、ライダーの回転角θ0は既知である。 For example, as shown in FIG. 6A, instead of two beams, one beam is scanned by a rotating mechanism or an optical scanning mechanism using semiconductor technology or optical technology to scan the object to be measured of the machine body. It is also possible to find the angle θy formed with the distance. That is, one MEMS solid-state type lidar is rotated by a fixed angle (θ 0 ) to measure the length of the three beams 30, 31, 32, that is, the distance (y 1 ) to the object to be measured. , can be obtained (y 2), by obtaining the (y 3), angle formed qy the beam and the wall based on the following equation (2) or (3). In this case, the rider's rotation angle θ 0 is known.
y2<y3
θy=tan−1{(y1−y2cosθ0 )/(y2sinθ0)} …(2)
y2>y3
θy=tan−1{(y1−y3cosθ0 )/(y3sinθ0)} …(3)
y 2 <y 3
θy=tan −1 {(y 1 −y 2 cos θ 0 )/(y 2 sin θ 0 )} …(2)
y 2 >y 3
θy=tan −1 {(y 1 −y 3 cos θ 0 )/(y 3 sin θ 0 )} …(3)
また、図7に示すように、1本のライダーのビームを瞬時に回転させることによって、2本の線分(L1およびL2)33,34とその挟角(θ0)から、例えば次式(4)〜(8)に基づいてビームと壁との成す角qyを求めることができる。勿論、ビームの放射方向が固定された2本のソリッドステート型ライダーを挟角θ0を持って交差させて配置する場合にも、同様にして機体の被測定対象物に対する成す角θyが求まる。
L21=L1cosθ0 …(4)
L22=L2−L21=L2−L1cosθ0 …(5)
L0=L1sinθ0 …(6)
θ1=θ11+θ12=tan−1(L21/L0)+tan−1(L22/L0)
…(7)
θy=180°−θ1−θ0/2 …(8)
Further, as shown in FIG. 7, by instantaneously rotating the beam of one rider, from the two line segments (L 1 and L 2 ) 33 and 34 and the included angle (θ 0 ) thereof, for example, The angle qy formed by the beam and the wall can be obtained based on the equations (4) to (8). Of course, when two solid-state type lidars whose beam emitting directions are fixed are arranged so as to cross each other with a included angle θ 0 , the angle θy formed by the machine body with respect to the measured object can be similarly obtained.
L 21 =L 1 cos θ 0 …(4)
L 22 =L 2 −L 21 =L 2 −L 1 cos θ 0 …(5)
L 0 =L 1 sin θ 0 …(6)
θ 1 =θ 11 +θ 12 =tan −1 (L 21 /L 0 )+tan −1 (L 22 /L 0 ).
…(7)
θy = 180 ° -θ 1 -θ 0 /2 ... (8)
尚、これら演算は、角度算出モジュール42によって実行される。角度算出モジュールは42、上述の演算式を実行する演算プログラムの起動でマイコン41によって構築され、演算処理が処理される。また、マイコン41には、図5に示すフローチャートを実行する点検プログラムも書き込まれている。さらに、制御プログラムをマイコン41で走らせることによって、上述のライダー40で測定された被測定対象物までの距離および角度算出モジュール42で求められた角度θyとパラメータとして書き込まれている目標値との偏差を求めて、回転量θとしてフライトコンピュータ44に指示する制御部43とが構成されている。 Note that these calculations are executed by the angle calculation module 42. The angle calculation module 42 is constructed by the microcomputer 41 by starting an arithmetic program that executes the above-described arithmetic expression, and arithmetic processing is processed. An inspection program for executing the flowchart shown in FIG. 5 is also written in the microcomputer 41. Further, by running the control program on the microcomputer 41, the distance to the measured object measured by the rider 40 and the angle θy obtained by the angle calculation module 42 and the target value written as a parameter A control unit 43 for determining the deviation and instructing the flight computer 44 as the rotation amount θ is configured.
以上のように構成された角度算出モジュール42によれば、ライダー40の2つのビームの被測定対象物の壁までの距離および機体の被測定対象物に対する成す角θyに基づいて機体がどれだけ回転すれば良いのかの指示が制御部43を介してフライトコントローラ44に向けて出されるので、被測定対象物から所定の位置にまでマルチコプターが移動することが可能になる。他方、ユーザーの判断により、地上からパラメータ入力用PC46を経て水平移動の有無即ちスラスター10の回転の有無が指示されて、水平移動が行われる。 According to the angle calculation module 42 configured as described above, how much the aircraft rotates based on the distances of the two beams of the rider 40 to the wall of the measured object and the angle θy formed by the aircraft with respect to the measured object. Since an instruction as to what should be done is issued to the flight controller 44 via the control unit 43, it becomes possible for the multicopter to move from the object to be measured to a predetermined position. On the other hand, according to the judgment of the user, the presence/absence of horizontal movement, that is, the presence/absence of rotation of the thruster 10 is instructed from the ground via the parameter input PC 46, and the horizontal movement is performed.
以上の構成のマルチコプターによれば、機体20を傾けること無く(つまり、水平姿勢を保ったまま)、前後方向への水平移動並びに左右方向への水平移動を可能とすることができる。また、レーザー波あるいはミリ波を使って、非GPS環境下でも、被測定対象物までの距離と、被測定対象物の壁面とレーザー光との成す角(即ち、機体20の壁に対する傾き)θyを求めることができる。さらに、機体20の壁に対する傾き・角度θyを求めることで、ラダーによりセンサー類やカメラなどを被測定対象物に対して正対するように正面に向かせることができる。また、必要に応じて、被測定対象物に対する成す角θy、壁24との距離y、壁25との距離をxを維持してスロットルのみ有効にする点検作業、即ちマルチコプターを壁24に沿って昇降移動(検査)のみ可能とすることができる。 According to the multi-copter having the above configuration, it is possible to perform horizontal movement in the front-rear direction and horizontal movement in the left-right direction without tilting the machine body 20 (that is, while maintaining the horizontal posture). Further, by using laser waves or millimeter waves, the distance to the object to be measured and the angle between the wall surface of the object to be measured and the laser beam (that is, the inclination of the machine body 20 with respect to the wall) θy even in a non-GPS environment. Can be asked. Further, by obtaining the inclination/angle θy of the machine body 20 with respect to the wall, it is possible to direct the sensors, camera, etc. to the front by a ladder so as to face the object to be measured. If necessary, the angle θy formed with respect to the object to be measured, the distance y to the wall 24, the distance x to the wall 25 is maintained at x, and only the throttle is made effective. That is, a multi-copter is installed along the wall 24. Only the vertical movement (inspection) is possible.
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれ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において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、検査手段としてのカメラ6や各種センサを搭載した無人の小型マルチコプターに適用した例を挙げて本発明を主に説明したが、これに特に限られず、人や荷物を乗せて運搬する大型のマルチコプターに適用することも可能であることは言うまでもない。そして、運搬用マルチコプターあるいは乗用マルチコプターとして実施する場合には、相直交する2方向の推力を発生させる複数の可動スラスターを備えることが好ましい。この場合には、可動スラスター10は、機体20の水平を保った状態での前後あるいは左右若しくはこれらの合成された方向への水平移動を可能とする舵として、あるいはスピード調整手段として利用できる。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the present invention has been mainly described by taking an example in which it is applied to an unmanned small multi-copter equipped with the camera 6 as an inspection means and various sensors, but the present invention is not particularly limited to this, and people and luggage can be It goes without saying that it can also be applied to a large multicopter that is carried and carried. And when carrying out as a transportation multi-copter or a riding multi-copter, it is preferable to provide a plurality of movable thrusters that generate thrust in two directions orthogonal to each other. In this case, the movable thruster 10 can be used as a rudder that enables horizontal movement of the machine body 20 in the front-rear direction, the left-right direction, or a combined direction thereof while maintaining the horizontal state, or as a speed adjusting means.
また、上述の実施形態では、4つのプロペラを備えたマルチコプター(クアッドコプター)を例に挙げて主に説明したが、これに特に限られるものでは無く、その他の形式のマルチコプターにも本発明が適用できることは言うまでもない。即ち、ヘキサコプター(6つのプロペラ)、オクトコプター(8つのプロペラ)等にも本発明の適用可能である。 Further, in the above-described embodiment, a multi-copter (quad-copter) provided with four propellers has been mainly described as an example, but the present invention is not particularly limited to this, and the present invention can be applied to other types of multi-copters. Needless to say, can be applied. That is, the present invention can be applied to hexacopters (6 propellers), octocopters (8 propellers), and the like.
また、上述の実施形態では、スラスター10は、モータ駆動による可動翼とされているが、これに特に限定されるものではなく、場合によっては固定翼であっても良い。例えば、スキッドの後部側の左右のプロペラのダウンウォッシュを同時に受ける一対あるいは一基のスラスターが角度一定で装備されることによって、機体20を常時前進させる推力を発生させるようにしても良い。固定翼とする場合には、マルチコプターが浮上すると同時に推力が発生して一定方向に機体20を水平に保ったまま常時水平移動させることとなるので、マルチコプターの機体20を水平姿勢のまま被検査対象物に対して真っ直ぐに押し当てることができる。したがって、常に前に移動するような動作が多いとき、例えば、壁面の点検のための専用マルチコプターのような場合には便利である。この固定翼から成るスラスターの場合には、モータ11が不要であることから機体20の軽量化が可能となるし、モータ11のための電源も不要となる。また、屋外や壁などから離れたところで飛行させる場合などで、前進移動させたく無い場合などには前側のプロペラを後側のプロペラよりも強く回すことで(後退しようとする)、前進移動をキャンセルしてホバリングさせることができる。即ち、前進しないという操作をすることで固定翼のスラスターの機能をキャンセリングすることができる。 Further, in the above-described embodiment, the thruster 10 is a movable blade driven by a motor, but it is not particularly limited to this and may be a fixed blade in some cases. For example, a thrust force for constantly advancing the machine body 20 may be generated by equipping a pair of or one thruster that receives the downwash of the left and right propellers on the rear side of the skid at a constant angle. When the fixed wing is used, thrust is generated at the same time when the multicopter floats, and the aircraft 20 is constantly moved horizontally while keeping it horizontal in a certain direction. It can be pressed straight against the inspection object. Therefore, it is convenient when there are many movements that always move forward, for example, in the case of a dedicated multi-copter for inspecting a wall surface. In the case of the thruster composed of this fixed blade, since the motor 11 is not necessary, the weight of the machine body 20 can be reduced, and the power source for the motor 11 is also unnecessary. Also, when you want to fly outdoors or away from walls, etc., if you do not want to move forward, turn the front propeller more strongly than the rear propeller (try to move backward), cancel forward movement Then you can hover. That is, the function of the thruster of the fixed wing can be canceled by performing the operation of not moving forward.
また、上述の実施形態としては、距離を測定する光学センサーとしてレーザー例えばライダーを用いた例を挙げて説明したが、これに特に限られず、ミリ波を照射するものでも良い。 Further, in the above-described embodiment, an example in which a laser such as a lidar is used as an optical sensor for measuring the distance has been described, but the invention is not particularly limited to this, and a millimeter wave may be emitted.
また、上述の実施形態の場合、マグネット装置はセンサー付近を被測定対象物の面に吸着させ、機体20をそこに止めるために使われているが、漏れ磁束を伴わないのでジャイロを狂わせることがないので、例えばウィンチの先に取付ること等も可能である。 Further, in the case of the above-described embodiment, the magnet device is used to attract the vicinity of the sensor to the surface of the object to be measured and stop the machine body 20 there. However, since no magnetic flux leaks, the gyro may be out of order. Since it is not provided, it can be attached to the tip of the winch, for example.
さらに、上述の実施形態では、機体20には、プロペラガイドを兼ねるL形のガイドフレーム8が取り付けられているが、これに特に限られるものではなく、場合によっては、鉛直方向へ延びる転倒防止部8vを備えずに脚フレーム5からセンサ例えば超音波プローブを突き出すように備えて、プロペラガイドとは別個の存在としても良い。 Further, in the above-described embodiment, the L-shaped guide frame 8 also serving as a propeller guide is attached to the machine body 20, but the present invention is not limited to this, and depending on the case, the fall prevention portion extending in the vertical direction may be provided. Alternatively, a sensor such as an ultrasonic probe may be provided to protrude from the leg frame 5 without the 8v, and may be provided separately from the propeller guide.
本発明にかかるマルチコプターは、屋内や橋梁下(非GPS環境下)での点検などに適用する場合を主に説明したが、屋内に止まらず屋外での各種点検作業や、他にも多くの産業や社会生活の基盤となる施設を点検対象とすることができることは言うまでもない。例えば、河川に架けられた橋梁、高速道路の高架橋、トンネルの内壁面、各種の建築物、工場建屋、タワーなど、その適用範囲は極めて広い。 The multicopter according to the present invention has been mainly described for the case of being applied to an inspection in a room or under a bridge (under a non-GPS environment), but various inspection work outdoors not only indoors, and many others. It goes without saying that the facilities that form the basis of industry and social life can be inspected. For example, the range of application is extremely wide, such as bridges spanning rivers, expressway viaducts, tunnel inner wall surfaces, various buildings, factory buildings, towers, and the like.
また、上述の実施形態では、本来のドローン即ち人が搭乗せずに遠隔走査により飛行するマルチコプターの例挙げて主に説明しているが、本発明は人が乗れるマルチコプター、有人飛行可能なマルチコプター、垂直離着陸形の自動車・航空機などにも適用できることは言うまでもない。この場合には、スラスターは、舵としても機能させることができる。
最大積載容量 大きいと消費電力が増えてしまう。
Further, in the above-described embodiment, the description has been given mainly with reference to an example of an original drone, that is, a multi-copter in which a person flies by remote scanning without boarding. It goes without saying that it can also be applied to multi-copters, vertical take-off and landing type automobiles and aircraft, etc. In this case, the thruster can also function as a rudder.
If the maximum loading capacity is large, power consumption will increase.
1 プロペラ
4 モーター
5 脚フレーム(スキッド)
6 カメラ
7 カメラジンバル(カメラのスタビライザ・安定化装置)
8 ガイドフレーム
8a 屈曲部位(水平方向の先端位置となる)
8h 水平方向に延びる定間隔維持部
8v 転倒防止部
9 超音波プローブ(センサー)
10 スラスター
11 スラスターのモーター
12 マグネット装置
13 ハウジング(ヨーク)
14 回転磁石
15 固定磁石
21,22 平行レーザービーム
23 レーザービーム
24,25 被測定対象物の壁
30,31,32 一定の回転角内でスキャンした1本のレーザービーム
1 propeller 4 motor 5 leg frame (skid)
6 camera 7 camera gimbal (camera stabilizer/stabilizer)
8 Guide frame 8a Bent part (it becomes the tip position in the horizontal direction)
8h Horizontally-extending constant distance maintaining unit 8v Fall prevention unit 9 Ultrasonic probe (sensor)
10 Thruster 11 Motor of thruster 12 Magnet device 13 Housing (yoke)
14 Rotating magnet 15 Fixed magnet 21,22 Parallel laser beam 23 Laser beam 24,25 Wall of measured object 30, 31, 32 One laser beam scanned within a constant rotation angle
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