无人航空机以及使用其的方法与流程

本发明涉及无人航空机以及使用其的方法。更详细而言，本发明涉及用于在管状空间内部、矩形空间内部等封闭性空间内部的拍摄飞行的无人航空机、以及使用其的方法。

背景技术：

下水道管路的使用年限被设为大约50年，设想今后迎来使用年限的设施会显著地增加。为了高效地维持管理，下水道管路状态的掌握是不可或缺的。

以往，对下水道管路状态的调查方法而言，使用调查人员潜行进管内而通过直接目视观察来调查的方法、在管内配置与地上电缆连接的电视照相机而拍摄的方法、将与地上电缆连接的电视照相机搭载于自行式车辆而配置于管内，一边行驶一边拍摄的方法等。然而，在基于调查人员的直接目视观察的方法中，有由在下水道管路内产生有毒气体而对人体带来影响而产生的危险性、由突然降雨时的浸水而产生的危险性等各种问题，而在将电视照相机配置于管内的方法中，存在无法得到足够的调查速度，或是在下水道管路内的水位上升时车辆的控制变得困难等问题。

技术实现要素：

因此本发明以提供不需要由调查人员进行的直接目视观察而效率性也优异的在以暗渠(设置于地下的水路。)为首的封闭性空间内部的拍摄方法为课题。

为了解决上述课题，本发明提供一种无人航空机，具备：至少4个旋转翼、驱动旋转翼的驱动装置、生成用于使驱动装置驱动旋转翼的控制信号的控制信号生成电路、以及拍摄照相机，该无人航空机构成为一边通过拍摄照相机在封闭性空间的内部拍摄，一边驱动旋转翼而在封闭性空间的内部飞行。

能够在上述无人航空机还具备用于在无人航空机碰撞封闭性空间的边界面时先行而碰撞边界面的先行碰撞部件。

能够使上述无人航空机进一步构成为先行碰撞部件位于无人航空机的一端侧，在无人航空机以一端侧为前方侧而在封闭性空间的内部飞行中碰撞边界面时，在无人航空机的比重心位置靠前方侧先行碰撞部件碰撞边界面。

能够使上述无人航空机进一步构成为控制信号包含姿势控制信号，通过姿势控制信号使驱动装置驱动旋转翼，在无人航空机倾斜时通过减少旋转翼的一部分的转速来控制无人航空机的姿势。

能够使上述无人航空机进一步构成为驱动装置具备各自向各个旋转翼给予动力的至少4个马达，各个马达在与由自身给予动力的旋转翼相比重力势较高的位置向旋转翼给予动力。

能够使上述无人航空机进一步构成为还具备推力产生螺旋桨，一边通过至少4个旋转翼的旋转浮起一边通过推力产生螺旋桨的旋转推进。

能够使上述无人航空机进一步构成为还具备行进方向拍摄照相机、与行进方向拍摄数据发送器，一边通过行进方向拍摄照相机拍摄封闭性空间的内部的行进方向，而将得到的行进方向拍摄数据从行进方向拍摄数据发送器向外部发送，一边在封闭性空间的内部飞行。

另外本发明提供一种方法，使具备：至少4个旋转翼、驱动旋转翼的驱动装置、生成用于使驱动装置驱动旋转翼的控制信号的控制信号生成电路、以及拍摄照相机的无人航空机一边通过拍摄照相机在封闭性空间的内部拍摄，一边驱动旋转翼而在封闭性空间的内部飞行。

根据本发明，能够进行不需要调查人员的潜行而安全性较高的在封闭性空间内部的拍摄。另外与自行式车辆相比，无人航空机即使在封闭性空间内部有水存在的情况下移动性也难以损失，因此能够进行更高效的拍摄。

附图说明

图1a是作为本发明的一实施方式的无人航空机的立体图。

图1b是从z的正方向观察图1a的无人航空机的图。

图1c是从y的正方向观察图1a的无人航空机的图。

图1d是从行进方向的后方侧观察图1a的无人航空机的立体图。

图2a是示出比较例中的旋转体与马达部件的位置关系的立体图。

图2b是从x的正方向观察图2a的旋转体与马达部件的图。

图2c是示出在图2b中的a-a面切断图2a中的马达部件后的剖面、以及各个马达部件的图。

图3是示出本实施方式中的旋转体与马达部件的位置关系的立体图。

图4是示出图1a的无人航空机的功能结构的框图。

图5是示出能够使图1a的无人航空机飞行的下水道管路设施的构造的图。

图6是示出在图5的下水道管路设施内的管状空间的内部飞行的图1a的无人航空机的图。

图7示出在图6示出的飞行中无人航空机碰撞下水道管路的内壁的情形的图。

图8是示出图1a的无人航空机绕x轴旋转(翻滚旋转)而倾斜的情形的图。

图9是示出通过前方照相机拍摄的下水道管路内的图像的一个例子的图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对作为本发明的一实施方式的无人航空机、以及使用其的方法进行说明。但是应注意，根据本发明的无人航空机、以及使用其的方法不限于在以下进行说明的具体的形态，能够在本发明的范围内适当地变更。例如，本发明所涉及的无人航空机不需要是自主飞行型的无人航空机，无人航空机的功能结构也不局限于如图4所示，只要能够进行相同的动作则任意，也可以例如以将通信电路的功能统一至主运算电路等方式，将多个构件应执行的动作通过单独的构件执行，也可以或是以将主运算电路的功能分散于多个运算电路等方式，将图示的单独的构件的应执行的动作通过多个构件执行。无人航空机的自主控制程序也可以记录于硬盘驱动器等的记录设备而由主运算电路读出并执行(也可以使图示的自主控制程序分解为多个程序模块，也可以其他的任意的程序通过主运算电路等执行。)，也可以通过使用了微型计算机等的嵌入式型的系统执行相同的动作。本发明所涉及的无人航空机不需要具备以下的实施方式中示出的全部的构件(例如，在通过图1b中的旋转体9～12的控制来控制无人航空机的推进的情况下，不需要具备推力产生螺旋桨21，若不进行自主控制而完全通过从外部的控制来使无人航空机飞行，则不需要具备自主控制程序、各种数据库。)，另外，本发明所涉及的方法也不需要具备全部的示出的方法步骤。用于使无人航空机漂浮的旋转翼也并不局限于图1b等中示出的那样的4个旋转体9～12，为4个以上的任意的旋转翼即可。用于使推力产生的螺旋桨也不局限于图1d等所示的推力产生螺旋桨21，为任意的螺旋桨即可。无人航空机的机体尺寸也为任意。此外，封闭性空间不需要完全地封闭，为至少部分地封闭的、至少制约无人航空机的一部分飞行的空间即可。例如，如以下的实施方式所示，经由窨井与外部连接的下水道管路内的管状空间也是封闭性空间。

无人航空机的结构

从图1a至图1d示出作为本发明的一实施方式的无人航空机的外观。图1a是立体图，图1b是从图1a的z的正方向观察的图，图1c是从y的正方向观察的图，图1d是从行进方向的后方侧观察的立体图(省略先行碰撞部件)。无人航空机1以能够在直径400mm左右的封闭性空间内飞行的方式，以全宽(图1a中，y方向的宽度)约250mm，全长(图1a中，x方向的宽度)约550mm的尺寸设计，具备主体部2(收纳于防水盒3。)、通过来自主体部2的控制信号驱动的5个马达13～17(对于马达14、16参照图4。)、通过马达13～16各自的驱动来旋转而使无人航空机1漂浮的4个旋转体(旋转翼)9～12(以旋转体9、12从z的正方向观察以顺时针方向旋转，旋转体10、11从z的正方向观察以逆时针方向旋转等方式，相邻的旋转体彼此以相反的方向旋转。)、通过马达17的驱动来旋转而产生无人航空机1的推力的推力产生螺旋桨21、调查照相机18、前方照相机19、以及超声波传感器20。使用框架4综合各构件，在框架4安装有4个先行碰撞部件5～8。

先行碰撞部件5～8构成为车轮，这些先行碰撞部件是用于在无人航空机1碰撞下水道管路的壁面等封闭性空间的边界面时先行而碰撞的部件。如图1a至图1c所示的那样，优选先行碰撞部件5～8设置于无人航空机1的与重心22相比靠前方(图1a的x的正方向)侧的位置。通过设置为这样，由于先行碰撞部件5～8在与重心22相比靠前方侧碰撞封闭性空间的边界面，因此能够使此时的无人航空机1的行进方向稳定在前方侧。先行碰撞部件也可以构成为车轮以外的部件，例如也可以将球状的先行碰撞部件固定在无人航空机1的前方侧上部等。

调查照相机18是用于在通过无人航空机1在封闭性空间的内部的飞行中拍摄静止图像、或者视频的照相机，在一个例子中能够使用goprosession(田岛汽车公司)等市售照相机。前方照相机19是用于在通过无人航空机1在封闭性空间的内部的飞行中拍摄行进方向的静止图像、或者视频的照相机，拍摄到的静止图像或者视频的数据随时向外部装置(具备显示器的计算机等)发送，操纵者能够一边确认该数据一边操作无人航空机1。超声波传感器20是用于检测前方的障碍物等的传感器，能够在基于无人航空机1的在封闭性空间的内部的飞行中向行进方向发出超声波，而通过接收反射波来测定与障碍物等的距离。

如图1c所示的那样，马达13、15构成为分别位于旋转体9、11的上方(在重力势较高的位置上)而分别驱动旋转体9、11。马达14、16(参照图4。)也同样地构成为分别位于旋转体10、12的上方而分别驱动这些旋转体。一边与图2a～图2c所示的马达位于旋转体的下方的比较例相比较一边对采用这样的结构的优点进行说明。但是应当注意，本发明所涉及的无人航空机、以及使用其的方法即使采用该比较例那样的旋转体与马达的位置关系也能够实施。

图2a是示出比较例中的旋转体与马达部件的位置关系的立体图，图2b是从图2a中的x的正方向观察图2a的旋转体与马达部件的图，图2c是示出在图2b中的a-a面切断图2a中的马达部件后的剖面、以及各个马达部件的图。旋转体9、10、11、12固定于(参照图2b。)马达部件23a的棒状突起部(参照图2c。)，以棒状突起部为旋转轴旋转。旋转体9、10、11、12通过旋转而在图2a中的箭头方向(z的正方向)受到力，而将马达部件23a向相同方向拉。如图2c所示的那样，马达部件23a与马达部件23b相互嵌合，两者并没有粘合。因此，在马达部件23a被向z的正方向拉的情况下，有从马达部件23b脱离的担忧。为了防止该脱离，在比较例的结构中作为卡扣使用马达部件23c(参照图2b、图2c。)。如图2c所示的那样，通过在设置于马达部件23a的槽部23a-1(在马达部件23a与马达部件23b嵌合后)嵌入马达部件23c，能够防止马达部件23a从马达部件23b脱离，但在马达的维护时需要卸下马达部件23c。

在图3的立体图中示出本实施方式中的旋转体与马达部件的位置关系。旋转体9、10、11、12位于马达部件23a、23b的下方这点、与不使用马达部件23c这点和比较例不同，这之外的结构与比较例相同。旋转体9、10、11、12固定于(参照图2b。)马达部件23a的棒状突起部(参照图2c。)，以棒状突起部为旋转轴旋转。旋转体9、10、11、12通过旋转而在图3中的箭头方向(z的正方向)受到力，将马达部件23a向相同方向推。由此，由于马达部件23a向马达部件23b按压，因此不需要防止马达部件23a从马达部件23b脱离。因此在图3的结构中变得不需要马达部件23c，马达的维护变得容易。

图4是示出图1a的无人航空机的功能结构的框图。无人航空机1的主体部2具备：由处理器、临时存储器等构成而进行各种运算的主运算电路24a；承担将通过由主运算电路24a进行的运算而得到的控制指令值数据变换为向马达13～17的脉冲信号等处理的、由处理器、临时存储器等构成的信号变换电路24b(将包含主运算电路24a、信号变换电路24b的运算电路称为控制信号生成电路25。)；将通过控制信号生成电路25生成的脉冲信号变换为向马达13～17的驱动电流的速率控制器(esc：electricspeedcontroller)26～30；承担与外部的各种数据信号的收发的通信天线31以及通信电路32；包含gps(globalpositioningsystem)传感器、姿势传感器、高度传感器、方位传感器等各种传感器的传感器部33；由记录自主飞行程序34a、各种数据库34b等的硬盘驱动器等记录设备构成的记录装置35；以及包含锂聚合物电池、锂离子电池等电池设备、向各组件的配电系统的电源系统36。

除此之外，无人航空机1可以根据功能用途具备任意的功能部、信息等。作为一个例子，在无人航空机1根据飞行计划自主飞行的情况下，示出飞行的开始位置、目标位置、从开始位置出发至到达目标位置应经由的检查点位置(纬度、经度、高度)的集合亦即飞行计划路径、与速度限制、高度限制等飞行中应当遵循的任意的规则亦即飞行计划的数据亦即飞行计划信息记录于记录装置35，通过主运算电路24a读取飞行计划信息而执行自主控制程序34a，从而无人航空机1根据飞行计划飞行。具体而言，通过从传感器部33的各种传感器得到的信息确定无人航空机1的现在位置、速度等，通过与由飞行计划决定的飞行计划路径、速度限制、高度限制等的目标值相比较来通过主运算电路24a运算对旋转体9～12、推力产生螺旋桨21的控制指令值，将示出控制指令值的数据通过信号变换电路24b变换为脉冲信号(控制信号的生成)而向速率控制器26～30发送，速率控制器26～30分别将脉冲信号向驱动电流变换而分别向马达13～17输出，控制马达13～17的驱动而控制旋转体9～12、推力产生螺旋桨21的旋转速度等，由此控制无人航空机1的飞行。作为一个例子，对于提升无人航空机1的高度的控制指令，旋转体9～12的转速增加(在降低高度的情况下减少)，对于使无人航空机1向前进方向(图1a的x的正方向)加速的控制指令，推力产生螺旋桨21的转速增加(减速的情况下减少)，对于使无人航空机1进行基于绕图1a的x轴的翻滚旋转(从x的正方向观察沿逆时针方向)的倾斜的控制指令，进行减少旋转体10、12的转速而维持旋转体9、11的转速等控制。此外，无人航空机1的前进方向的加速(减速)也能够通过以减少旋转体9、10的转速而增加旋转体11、12的转速(减速则相反的控制)等方式控制旋转体9～12的转速进行，也能够不使用推力产生螺旋桨21而使无人航空机1飞行。此外，在后述的那样以在封闭性空间的内部飞行的用途来使用无人航空机1的情况下，也能够进行使旋转体9～12的转速全部相等(只进行使全部4个旋转体9～12的转速相等而增减的控制)而使无人航空机1漂浮、着陆(或着水)，通过控制推力产生螺旋桨21的转速、旋转方向来控制前进方向(图1a的x的正方向)的速度等单纯化的控制。无人航空机1实际已飞行的飞行路径(各时刻上的无人航空机1的机体位置等)、各种传感器数据等飞行记录信息在飞行中随时记录于各种数据库34b。

作为自主飞行型无人航空机的一个例子，市售有迷你检查员ms-06la(株式会社自主控制系统研究所)、snap(vantagerobotics社)、ar.drone2.0(parrot社)、bebopdrone(parrot社)等。

此外，在无人航空机1通过来自外部的控制飞行的情况下，无人航空机1通过通信天线31以及通信电路32接收从操纵者的控制器装置等接收的、示出控制指令值的数据，将该数据通过信号变换电路24b变换为脉冲信号(控制信号的生成)，以下同样地，使用速率控制器26～30、马达13～17来控制旋转体9～12、推力产生螺旋桨21的旋转速度而进行飞行控制。即使在该情况下，也能够组合通过主运算电路24a读取从传感器部33的各种传感器中的姿势传感器(陀螺传感器、磁传感器)得到的示出无人航空机1的姿势信息的数据而执行自主控制程序34a，来进行将来自姿势传感器的数据与姿势的目标值比较等而运算姿势控制的指令值而进行姿势控制等(这种情况下，根据从外部控制器装置等接收到的示出控制指令值的数据、与示出姿势控制的指令值的数据，主运算电路24a通过执行自主控制程序34a运算最终的控制指令值。通过将示出控制指令值的数据通过信号变换电路24b变换为脉冲信号，生成包含姿势控制信号的控制信号。)部分的自主控制与来自外部的控制。在以下说明的拍摄飞行中无人航空机1设为基本上通过来自外部控制器装置等的控制信号飞行，只有姿势自主控制，但是通过进行完全自主控制飞行、完全外部控制飞行的无人航空机1也能够进行相同的拍摄飞行。

由无人航空机进行的在封闭性空间内部的拍摄飞行

以下，作为基于无人航空机1的在封闭性空间内部的拍摄飞行的一个例子，使用图5至图9对下水道管路内的拍摄飞行进行说明。

在图5中示出能够使图1a的无人航空机飞行的下水道管路设施的构造。设置于地表面37的窨井38a经过下水道管路39，通过沿图5中的向右方向在下水道管路39前进而到达另一窨井38b(在图5中下水道管路39描绘为在中途的2处切断，但这是为了方便起见的表现，实际上作为与图示的相比较长的连续的下水道管路39形成。)。通过下水道管路39的内壁40规定了封闭性空间的边界面，另外，在下水道管路39内沿图5中的右方向，每规定距离存在连接部41。

在通过无人航空机1进行下水道管路39的拍摄飞行时，首先使无人航空机1进入窨井38a而下降至下水道管路39的深度。在一个例子中，在具有与窨井38a、39b的深度相同程度的长度的杆的前端设置保持台，通过将无人航空机1载置于保持台而将杆插入窨井38a来使无人航空机1下降。在使用自主飞行型的无人航空机1的情况下，也可以作为预先飞行计划路径将窨井38a的位置、下水道管路39的深度等记录于记录装置35，通过主运算电路24读取包含飞行计划路径的数据的飞行计划信息而执行自主控制程序34a来使无人航空机1自主飞行而导向下水道管路39的一端(图5中，下水道管路39中的左侧的端。以下，称为拍摄飞行的开始位置s。)，或者也可以通过从外部控制器装置向无人航空机1发送控制信号而操纵来将无人航空机1导向拍摄飞行的开始位置s。

无人航空机1从拍摄飞行的开始位置朝着图5中的右方向(将该方向作为图1a中的x的正方向，即行进方向)开始拍摄飞行(图6)。在来自外部控制器的由操纵者进行的手动控制的情况下，无人航空机1一边接受指示前进的控制信号而向行进方向飞行，一边通过调查照相机18与前方照相机19在下水道管路39内拍摄静止图像或者视频。此外，在下水道管路39内通常有水42存在，其水位随时变动，但也能够通过伴随旋转体9～12的旋转的水面效果而获得漂浮力(即使在没有水42的情况下，也能够从内壁40获得相同的效果。)。

由调查照相机18拍摄到的静止图像或者视频的数据记录于调查照相机18的内置存储器，由前方照相机19拍摄到的静止图像或者视频的数据在记录于前方照相机19的内置存储器之后通过通信电路32从通信天线31随时向操纵者的外部计算机发送。操纵者使用接收到的数据在外部计算机所具备的显示器显示前方照相机19拍摄到的静止图像或者视频，确认该静止图像或者视频同时进行基于外部控制器的无人航空机1的操纵。在一个例子中，将在显示出的静止图像或者视频中反映的连接部41作为标记，一边掌握无人航空机1已行进的距离一边进行操纵。

拍摄飞行中，存在由于基于外部控制器的手动控制的精度上的问题、姿势的自主控制的精度上的问题等一些理由而无人航空机1碰撞下水道管路39的内壁4的情况。在图7中示出此时的情形。无人航空机1由于一些理由打乱姿势，在机体的前方侧上部与内壁40碰撞，但先行碰撞部件5(参照图1a等)、先行碰撞部件6先行而碰撞内壁40，而继续向前方侧(图7中的箭头方向)行进。在本实施方式中由于先行碰撞部件5～8构成为车轮，因此像图7的由箭头a示出的那样，先行碰撞部件5、6以与内壁40接触的状态旋转，无人航空机1以沿着内壁40上表面的方式行进。作为另一例子，在先行碰撞部件作为球状的部件而固定于无人航空机1的前方侧上部的情况下，在无人航空机1的先行碰撞部件碰撞内壁40上表面后，无人航空机1弹向图7中的由箭头b示出的方向。不管怎样无人航空机1都能够继续向前方侧的飞行。即使在无人航空机1碰撞内壁40的侧面的情况下，也能够同样地通过先行碰撞部件7或者8先行而碰撞，从而无人航空机1继续向前方侧的飞行。

拍摄飞行中，同样地存在由于手动控制、姿势的自主控制的精度的问题等一些理由而无人航空机1倾斜的情况。作为一个例子，将无人航空机1绕图1a的x轴旋转(翻滚旋转)而倾斜的情形在图8中示出。为了使机体的姿势向水平恢复，考虑通过增加旋转体9、11的转速而使机体的较低侧(y的正方向侧)上升，但在这种情况下存在机体上升而无人航空机1碰撞内壁40上表面的担忧。因此，优选通过减少旋转体10、12的转速来使机体的较高侧(y的负方向侧)下降而使姿势向水平恢复。这样的姿势控制典型而言如上述的那样通过主运算电路24a读取从姿势传感器得到的示出无人航空机1的姿势信息的数据而执行自主控制程序34a从而进行，但也可以通过从外部控制器装置发送示出姿势的控制指令值的控制信号(指示与图8的倾斜相反方向的翻滚旋转的控制信号)，而无人航空机1接收该控制信号，以主运算电路24a执行自主控制程序34a从而进行。优选即使对于由于绕y轴(俯仰)、绕z轴(偏航)的旋转等任意的旋转的无人航空机1的倾斜，也同样地通过减少一部分的旋转体的转速而使姿势恢复。

无人航空机1到达下水道管路39的另一端(图5中，下水道管路39中的右侧端。以下称为拍摄飞行的结束位置g。)，由此拍摄飞行结束。进行将在前端设置保持台的杆插入窨井38b，而将无人航空机1载置于保持台来收回等而回收无人航空机1。也可以与向拍摄飞行的开始位置s的导入同样地，通过自主飞行将无人航空机1从结束位置g收回。能够通过从回收到的无人航空机1取下调查照相机18，观察记录于其存储器的静止图像、或者视频，从而确认下水道管路39、内壁40等的状态。

在图9示出通过前方照相机拍摄的下水道管路内的图像的一个例子。可认为通过搭载了前方照相机19的无人航空机1的拍摄飞行能够得到相同的图像。操纵者能够一边观察如图9所示的前方照相机19拍摄到的第一人称视角下的静止图像、或者视频一边通过外部控制器装置操纵无人航空机1。拍摄飞行后，能够通过从回收到的无人航空机1取下调查照相机18，观察记录于存储器的静止图像、或者视频，从而确认内壁40的裂缝、连接部41上的填料的错位等下水道管路39的状态。

本发明能够在上水道管路内、下水道管路内、排水路内、洞道内、风道内、管道竖井内、燃气管路内等任意的封闭性空间中的拍摄调查中利用。

附图标记说明：

1...无人航空机；2...主体部；3...防水盒；4...框架；5～8...先行碰撞部件；9～12...旋转体；13～17...马达；18...调查照相机；19...前方照相机；20...超声波传感器；21...推力产生螺旋桨；22...重心；23a...马达部件；23b...马达部件；23c...马达部件；23a-1...槽；24a...主运算电路；24b...信号变换电路；25...控制信号生成电路；26～30...速率控制器；31...通信天线；32...通信电路；33...各种传感器；34a...自主控制程序；34b...各种数据库；35...记录装置；36...电源系统；37...地表面；38a，b...窨井；39...下水道管路；40...内壁；41...连接部；42...水。

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