(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-22
(45)【発行日】2024-03-04
(54)【発明の名称】構造物検査用マルチコプター
(51)【国際特許分類】
E01D 22/00 20060101AFI20240226BHJP
E21D 11/00 20060101ALI20240226BHJP
B64C 27/08 20230101ALI20240226BHJP
B64C 39/02 20060101ALI20240226BHJP
B64C 37/00 20060101ALI20240226BHJP
B64D 47/08 20060101ALI20240226BHJP
【ＦＩ】
E01D22/00 A
E21D11/00 Z
B64C27/08
B64C39/02
B64C37/00
B64D47/08
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020021727
(22)【出願日】2020-02-12
(65)【公開番号】P2021127583
(43)【公開日】2021-09-02
【審査請求日】2022-11-14
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110003339
【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原田 正志
【審査官】荒井 良子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１５８７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４４６２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／０６８９８２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－１３０９２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｅ０１Ｄ ２２／００
Ｅ２１Ｄ １１／００
Ｂ６４Ｃ ２７／０８
Ｂ６４Ｃ ３９／０２
Ｂ６４Ｃ ３７／００
Ｂ６４Ｄ ４７／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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2】
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3】
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4】
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5】
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6】
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7】
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8】
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9】
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10】
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11】
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12】
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13】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、橋梁や高架のコンクリート、鉄骨などの検査、トンネル内壁の検査などに好適な構造物検査用マルチコプターに関する。
【背景技術】
【0002】
日本では高度経済成長期に社会インフラ構造物が多く建設されたが、それから５０年が経過し、これらの構造物の劣化が目立つようになってきた。そのためこれらを検査し、劣化を発見しなければならないが、検査箇所が高所である場合が多い上に検査しなければならない箇所が、全国で数十万箇所と言われており、安全、安価かつ簡易な検査方法が求められている。
【0003】
このような要求に対し、特許文献１では、車両の上部に設置された昇降装置により検査装置を上げ下げし、高架を検査する装置が提案されている。
【0004】
また、特許文献２では高架の下面にワイヤーによって拘束された検査装置をワイヤーの長さを調整することで検査装置の位置を動かす方法が提案されている。これらは、高架などの下面に検査装置を接近させる装置および方法の特許であるが、どちらも装置が大型化してしまい、安価で簡便な方法ではない。一方で、近年マルチコプターの発達により、マルチコプターを用いた高架およびトンネル内部などの構造物の検査装置および方法が提案されている。
【0005】
特許文献３ではマルチコプターの上部に脚を装備し、上昇力を自重より大きくすることで、構造物の下面に吸着し、マルチコプターに備えた検査装置と構造物の相対位置を一定に保つことができる。しかし、この方法では構造物の次の検査点に移動する際に、一旦離れて移動し、再度吸着しなければならず、次の検査点が現在位置に近接した位置にある場合に、エネルギーおよび時間を無駄に消費することになる。この文献では同時に地上からケーブルによって給電することも提案している。地上から給電することで、半永久的に飛行が可能であるが、風が強い場合にケーブルに加わる風の抵抗により、機体位置の制御が困難になる。
【0006】
特許文献４では脚ではなく、車輪を用いることを提案している。この方法によれば、構造物の下面に吸着したまま接地箇所の近傍を検査できる。しかしこの方法では、吸着するために自重以上の上昇力を発生しなければならず、飛行時よりエネルギーを消費する。また、車輪と重心位置の距離が長いため、斜めの壁面に吸着した際に大きなモーメントが生じ、これを打ち消すために大きなエネルギーを消費する。
【0007】
特許文献５では車輪に磁石を備える事で壁面に吸着し、検査時の消費エネルギーを下げる装置を提案している。しかし、この方法では吸着できる対象は、鉄骨に限られるため、コンクリートでできた構造物の検査には適さない。
【0008】
特許文献６では、マルチコプターの側面にダクテッドファンを装備し、垂直な壁面に吸着して前後左右の位置を安定させている。しかし、この方法では水平な壁面を移動しながら検査することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開平３－２６０２０６号公報
【文献】特開２０１７－９５９５９号公報
【文献】特開２０１５－２２３９９５号公報
【文献】特開２０１６－２１１８７８号公報
【文献】特開２０１９－８４８６８号公報
【文献】特開２０１８－１６５１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
以上のとおり、マルチコプターを構造物の検査用として用いるためには、様々な課題がある。本発明は、このような課題を解決しようとするものである。
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。
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。
【0011】
本発明の別の目的は、壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に水平の壁面上から傾いた壁面上を連続して移動しながら検査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。
【0012】
本発明のまた別の目的は、典型的には壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に傾いた壁面上を連続して移動しながら検査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。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題を解決するため、本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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５０％以下に近接させて保持するための保持部材を具備する。これにより、消費エネルギーを１０％程度以上削減することができる。ローターのなす回転面とは、典型的には、ローターブレード先端が描く面をいう。
【0014】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、前記保持部材を、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２０％以下に近接させて保持するためのものとしてもよい。２０％以下とすることにより、消費エネルギーを急峻に削減することができる。
【0015】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、前記保持部材を、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してもよい。これにより、壁面上を連続して移動しながら検査することができる。
【0016】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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してもよい。これにより、典型的には壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に傾いた壁面上を連続して移動しながら検査することができる。
【0017】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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してもよく、さらに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してもよく、さらに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してもよい。これにより、壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に典型的には水平の壁面上から傾いた壁面上を連続しての移動しながら検査することができる。
【0018】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、前記車輪を、同心円状に４個備えてもよい。
【0019】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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してもよい。回転保持部材として、典型的にはジンバルを用いることができる。回転駆動部としては、サーボモータを用いることができる。これにより、例えば基準座標から壁面上の所望とする方向に移動することが可能である。
【0020】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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してもよい。これにより、壁面上の検査結果と検査位置とを対応させることが可能である。
【0021】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、前記構造物の壁面を検査する打音検査装置やカメラなどの検査装置を具備してもよい。
【0022】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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、前記検査対象の構造物の壁面を走行するための車輪と、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と、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。これにより、典型的には壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に傾いた壁面上を連続して移動しながら検査することができる。
【0023】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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、前記ローターを複数基備え、前記検査対象の構造物の壁面を走行するための複数の車輪と、前記複数基のローターを内包するガードと、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と、を備え、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複数基のローターの回転を制御する。
【0024】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、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対して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。
【0025】
これにより、例えば基準座標から壁面上の所望とする方向に移動することが可能である。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、例えば高所の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。本発明によれば、壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に水平の壁面上から傾いた壁面上を連続して移動しながら検査することができる。本発明によれば、典型的には壁面が傾いている領域のある構造物を検査する際に傾いた壁面上を連続して移動しながら検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの上面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの正面図（一部断面図を含む。）である。
【図3】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの構成を示すブロック図である。
【図4】計算に用いたローターの翼弦長分布のグラフである。
【図5】計算に用いたローターの取付角分布のグラフである。
【図6】ローターの周りの速度場を示す図である。
【図7】壁に近いローターの周りの速度場である。
【図8】回転するローターのブレード翼素を示す図である。
【図9】壁面に近いときの回転するローターのブレード翼素を示す図である。
【図10】推力を一定とした時に必要なローターの回転数を示すグラフである。
【図11】推力を一定とした時に必要なローターのパワーを示すグラフである。
【図12】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが水平な壁面に吸着する際の動きを示す正面図である。
【図13】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが斜めの壁面に吸着する際の動きを示す正面図である。
【図14】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが垂直な壁面に吸着する際の動きを示す正面図である。
【図15】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが壁面に吸着する際の動作を示すフローチャートである。
【図16】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが壁面から離れる際の動作を示すフローチャートである。
【図17】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが方向転換する際の動作を示すフローチャートである。
【図18】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの前後方向への移動時の車輪の向きを示す上面図である。
【図19】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの方向転換時の車輪の向きを示す上面図である。
【図20】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが前後方向に移動する際の動作を示すフローチャートである。
【図21】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターが左右方向に移動する際の動作を示すフローチャートである。
【図22】本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの左右方向への移動時の車輪の向きを示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施形態により何ら限定されるものではない。
【0029】
図１は本発明の一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの上面図である。図２は、一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの正面図である。図２においては図１の細線かつ波線で示した断面線に対応する部分を断面で示している。図３は一実施形態に係る構造物検査用マルチコプターの構成を示すブロック図である。
【0030】
構造物検査用マルチコプター１００は、おおよそ円盤状の形状をなしている。構造物検査用マルチコプター１００の中央部には本体８が配置されている。
【0031】
本体８の内部には、ＣＰＵ７１、受信機７２、ジャイロセンサー７３、加速度センサー７４、バッテリー７５、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７６～７８が備えられている。
【0032】
ＣＰＵ７１は機体が検査対象の構造物の壁面に張り付いた際、車輪４を壁面に押し付けることで発生する壁面と車輪４の摩擦力が機体を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、ジャイロセンサー７３で検知した機体の角度に応じてローター１の回転数を調節する。
【0033】
本体８にはローター支柱３を介して、４基の浮上用のモータ２、およびモータ２によって回転されるローター１が放射状に結合されている。さらに本体８には車輪支柱９を介して、サーボモータ８１により４個の首振り角可変なジンバル６が同心円状にかつ放射状に接続されている。
【0034】
ジンバル６には減速ギア付き移動用モータ５が固定され、この減速ギア付き移動用モータ５は検査対象の構造物の壁面を走行するための車輪４を駆動する。ロータリーエンコーダー８２は車輪４の回転を計測する。ＣＰＵ７１はロータリーエンコーダーによる計測結果に基づき、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。
【0035】
車輪支柱９の中ほどに構造物の壁面を検査する検査装置７が取り付けられ、車輪支柱のから伸びたガード支柱１０によって、４基のローター１を内包するガード１１がローター１の回転面と同じ高さに保持される。ガード１１の外周に沿って複数の接触センサー１２が配置されている。ＣＰＵ７１は複数の接触センサー１２のうちいずれかが接触を検出したとき、その接触を検出した接触センサーに１２よる接触点を支点に機体を横転させるように４基のローター１の回転を制御する。
【0036】
本実施形態に係る構造物検査用マルチコプター１００における検査装置７は、打音検査装置８３およびカメラ８４と、これらの検査結果を保存する記憶手段としてのＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）８５とを備える。
【0037】
構造物検査用マルチコプター１００はローター１の発生する上向きの推力によって浮上する。構造物検査用マルチコプター１００は検査時にこのローター１の推力により検査対象の構造物の壁面にその上部側が張り付く。
【0038】
操縦装置２００のモードスイッチ２０１により、構造物検査用マルチコプター１００の運動を指示する。例えば、モードスイッチ２０１により吸着モードに設定できる。操縦装置２００よりの指令値は電波によって構造物検査用マルチコプター１００に送られ、構造物検査用マルチコプター１００の本体８に内蔵された受信機７２によって受信される。操縦装置２００よりの指令値、ジャイロセンサー７３の信号、加速度センサー７４の信号をＣＰＵ７１が処理し、浮上用のモータ２の制御量が計算される。計算された制御量に基づき、ＥＳＣ７５が浮上用のモータ２への電流を制御し、浮上用のモータ２がこの電流によって駆動されローター１を回転する。
【0039】
検査者は検査対象の構造物の壁面まで構造物検査用マルチコプター１００を操縦して近接させる。
【0040】
静止推力が最大になるよう設計したローターの翼弦長分布、および取り付け角分布をそれぞれ図４、図５に示す。ローター１の形状は図４および図５によって与えられ、ローター１は回転数９０００ｒｐｍのとき、２６９．５ｇｆの推力を発生し、必要パワーは１９．７４Ｗである。よって４基のローター１の合計推力は１０７８ｇｆであり、必要パワーは７８．９６Ｗである。
【0041】
構造物検査用マルチコプター１００は検査時にこのローター１の推力により検査対象の構造物の壁面にその上部側にある車輪４の外周端（車輪４の上部先端付近）を介して張り付く。本実施形態に係る構造物検査用マルチコプター１００では、この車輪４が検査時にローター１のなす回転面と検査対象の構造物の壁面との間の距離を近接させて保持するための保持部材としても機能する。この保持部材として機能する車輪４の介在により、検査時にローター１のなす回転面と検査対象の構造物の壁面との間の距離はローターの半径の５０％以下に、より好ましくは２０％以下に、さらに好ましくは１０％より小さく近接させて保持される。すなわち、本実施形態に係る構造物検査用マルチコプター１００では、ローター１の回転面より上の４隅に減速ギア付き移動用モータ５により駆動される車輪４を設け、ローター１の推力で壁面に吸着する時のローター１と壁面の距離が、ローター１の直径の５０％以下、より好ましくは２０％以下、さらに好ましくは１０％より小さくなるようにする。
【0042】
上記したとおり、このローター１を毎分９０００回転で回した時の、推力は２．６４１Ｎであり、必要パワーは１９．７４３Ｗである。この時のローター１の周りの速度ベクトルの様子を図６に示す。このローター１を壁から２ｃｍ離して回すと、図７の様にローター１の前面の流れは外周から流れ込む様になり、回転軸方向の速度成分は小さくなる。ローター１の必要パワーは形状抵抗による物と誘導エネルギー損失による物の和である。このうち誘導エネルギー損失は回転軸方向の速度成分とローターブレードの循環の積に比例し、この循環が壁との距離によらず一定であるとすると、誘導エネルギー損失は、壁に近い時の方が小さくなる。またローター１が発生する推力は、ローターブレードが発生する揚力に比例するが、この揚力はローターブレードの迎え角に比例する。この迎え角はブレード角度から流入角度を引いた値であるが、壁の近くでローター１を回した場合に軸方向の速度成分が小さくなるため、流入角度は小さくなる。したがってローターブレードの迎え角は大きくなり、ローター１の推力は大きくなる。よってローター１が壁面近くで回転した時に、一定の回転数では発生する推力は増加し、必要パワーは減少する。
【0043】
この誘導エネルギー損失は次で与えられる。
【0044】
図８に回転するローター１のブレード翼素を示す。ローター１は回転速度Ωで回っており、翼素半径をｒとすると、翼素の回転方向速度はｒΩとなる。また、ローターが誘導する回転軸方向の速度をｖとする。その結果、流入速度Ｖは次式で与えられる。
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。
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。
【0045】
壁面に近いときは壁面により流れが妨げられ、軸方向の誘導速度ｖが図９に示すようにｖ'へと小さくなる。この結果、流入角はφ'に減少する。これに伴い揚力Ｌ'の後傾角は減少し、新たな推力Ｔ'は推力Ｔより大きくなる。また、新たな抗力Ｄ'は抗力Ｄより小さくなる。よって、壁面に近いときには誘導エネルギー損失は小さくなり、必要パワーは減少する。
【0046】
この推力を一定とした場合、壁に近づくほど要求される回転数が下がる。この一定の推力を発生するという条件で、ローター１と壁面との距離を変えた際に要求されるローター１の回転数を図１０に示す。また、推力を一定とした場合、壁に近づくほど要求されるパワーが下がる。この一定の推力を発生するという条件で、ローター１と壁面との距離を変えた際に要求されるパワーを図１１に示す。
【0047】
図１２にこの構造物検査用マルチコプター１００が上方の水平な壁面の下面に吸着する様子を示す。捜査員は構造物検査用マルチコプター１００を操縦して構造物検査用マルチコプター１００を検査したい箇所に近接させる。壁面に近づくと推力が増えるため、近接させるだけで構造物検査用マルチコプター１００は水平な壁面に吸着するように張り付く。
【0048】
図１３、図１４にこの構造物検査用マルチコプター１００が斜めまたは垂直な壁面に吸着する様子を示す。捜査員は構造物検査用マルチコプター１００を操縦して構造物検査用マルチコプター１００を検査したい箇所に近接させる。構造物検査用マルチコプター１００のガード１１に取り付けられた接触センサー１２が壁面に接触すると、接触センサー１２がこれを感知し、接触点を支点として横転して壁面に吸着するように張り付く。
【0049】
構造物検査用マルチコプター１００は吸着するよう張り付いたのち、車輪４で位置を変えながら複数点で検査を行う。
【0050】
構造物検査用マルチコプター１００は壁面に吸着するように張り付くことで、風により位置がずれることがなく、またローター１を壁面に接近させることで必要パワーを下げることができる。このことは、ローター１の回転面より上の４隅に減速ギア付き移動用モータ５により駆動される車輪４を設け、ローター１と壁面の距離が、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持できるようにしたからである。
【0051】
＜壁面が水平な場合＞
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。
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。
【0052】
接触センサー１２により、壁面に構造物検査用マルチコプター１００が張り付いたことを検出すると、ＣＰＵ７１はローター１の回転数を落として消費パワーを下げる。
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。
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、
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、
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。
【0053】
＜壁面が傾いているまたは垂直な場合＞
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。
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。
【0054】
このモードの下で、ＣＰＵ７１は、壁面にガード１１上に取り付けられた接触センサー１２が接触すると（ステップ１５３）、その反応した接触センサー１２の位置から壁の方向を判定し（ステップ１５４）、接触を感知した接触センサー１２が回転中心なるよう、ローター１の回転数を調節し、具体的には壁から遠いローター１の回転数を増し、近いローター１の回転数を減らして（ステップ１５５）構造物検査用マルチコプター１００を横転させる。接触を最初に感知した接触センサー１２の反対に位置する接触センサー１２が接触を感知した時点で（ステップ１５６）構造物検査用マルチコプター１００の横転をやめ、壁面に吸着するために適切なローター１の回転数で算出し（ステップ１５７）、ローター１を回転させる。この吸着に適切な回転数Ｎは次のように決定される。
【0055】
構造物検査用マルチコプター１００の自重による力Ｗの垂直成分Ｆｖと平行な成分Ｆｈはそれぞれ次の式で与えられる。
【0056】
Ｆｖ＝Ｗｓｉｎθ （式３）
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。
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。
【0057】
Ｆｆ＝μＦ （式６）
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。
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。
【0058】
４μ（Ｔ－Ｗｓｉｎθ／４）＞Ｗｃｏｓθ （式８）
この式を変形して次式を得る。
（式９）
この式を変形して次式を得る。
【0059】
この式より、μが０．８、θが４５度の時、１基のローター１が発生する推力Ｔは４２８．８ｇｆとなる。壁面が水平な時と同様にして、推力Ｔを発生する時のプロペラ回転数Ｎは９９２１ｒｐｍであり、その時のローター１基あたりの必要パワーは２４．０４Ｗとなる。
【0060】
図１６に壁面から離れる際のフローチャートを示す。
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）。
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）。
【0061】
＜検査および移動＞
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）。
【0062】
構造物検査用マルチコプター１００に搭載された打音検査装置８３またはカメラ８４を用いて、吸着した箇所の検査を行う。
【0063】
図２０に前後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２０１）、操縦装置２００で閾値を超える前後移動の操作を一定時間行うと前後方向移動モードに入り（ステップ２０２、２０３）、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１８の状態にし（ステップ２０４）、前後方向に移動する（ステップ２０５）。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およびカメラ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２０６）。
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。
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。
【0064】
本発明に係る構造物検査用マルチコプターは、移動および検査に関して、以下のとおり構成できる。
【0065】
（１）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対して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。
【0066】
（２）（１）に記載の構造物検査用マルチコプターであって、制御部は、当該構造物検査用マルチコプターを壁面に沿った一の方向に移動させるときには、各前記車輪が移動方向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。
【0067】
（３）（１）又は（２）に記載の構造物検査用マルチコプターであって、前記回転保持部材は、前記車輪および第２の回転駆動部を機体垂直軸周りに回転可能に保持するジンバルであり、前記第１の回転駆動部は、サーボモータである。
【0068】
＜回収＞
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。
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。
【0069】
＜その他＞
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。
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。
【0070】
例えば、上記の実施形態では、保持部材として車輪を例にとり説明したが、本発明は車輪には限定されず、例えば保持部材として棒状の部材やリング状の部材などを用いてもよい。棒状の部材を用いる場合には、壁との間で水平性を確保するために３本の部材を用いることが好ましい。リング状の部材などを用いる場合には、壁吸着時に水平方向からの気流をブレードに導入するための空間を設ける必要がある。
【符号の説明】
【0071】
１ ：ローター
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
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】