JP2019018589A

JP2019018589A - 無人航空機

Info

Publication number: JP2019018589A
Application number: JP2017135459A
Authority: JP
Inventors: 直齊藤; Sunao Saito; 智弘土屋; Tomohiro Tsuchiya; 昌史三輪; Masashi Miwa; 聡菱田; Satoshi Hishida
Original assignee: Nippon Pneumatic Manufacturing Co Ltd; University of Tokushima NUC
Current assignee: Nippon Pneumatic Manufacturing Co Ltd; University of Tokushima NUC
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2019-02-07
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: JP6960627B2

Abstract

【課題】複数の任意の箇所に移動して破砕箇所に的確に散水でき、しかも対象物に対する流体噴射ノズルの噴射方向及び噴射位置を最適にすることができる無人航空機を提供する。
【解決手段】対象物に流体を噴射する流体噴射ノズル７を機体に備えている無人航空機２であって、前記流体噴射ノズル７からの流体の噴射により前記機体が受ける反力のうちの少なくとも一部を相殺する相殺力を発生させる相殺力発生装置１９を前記機体に備えており、前記機体が受ける反力を検出する検出手段を機体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記相殺力発生装置１９を駆動し、その駆動を制御する駆動制御手段を前記機体に備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、対象物に流体を噴射する流体噴射ノズルを機体に備えている無人航空機に関する。

従来から、コンクリート構造物や家屋等の建造物の解体を建設機械で行う場合、解体作業で発生する粉塵（対象物）に流体（水）をかけることによって、粉塵の飛散を防止するようにしている。具体的には、作業者がホースで水をかけたり、散水専用の装置を用いたり（例えば特許文献１）、解体作業を行う建設機械に流体を噴射する流体噴射ノズルを取り付けて解体作業を行っている。前記流体噴射ノズルは、建造物を破砕する破砕機を先端に備えているアームの先端部に取り付けられている。また、前記アームには、破砕機を回動するための回動用シリンダを備えている。従って、破砕機の後方から散水しつつ、回動用シリンダの伸縮動作により破砕機が回動し、その回動に同調して散水ノズルの散水方向が変化するようになっている（例えば特許文献２）。

特開平６−２８０４０３号公報特開２０１０−４６６３１号公報

人力による散水や、特許文献１に記載の散水装置を使用する場合は、破砕作業位置が高い位置にあったり足下が不安定な現場では、破砕箇所への的確な散水が行えない。
また特許文献２に記載の建設機械の場合は、建設機械自体に散水用の配管やノズルを取り付ける改造が必要となり、さらにその建設機械独自の散水機能を果たすのみで、近くで作業する建設機械用に散水する等、複数台の建設機械に対応して利用することができない。

ところで、解体作業を行う時の風の向きによっては、破砕により発生する粉塵の飛散方向が破砕機に対して変化することがある。しかしながら、上記建設機械では、散水ノズルが破砕機の回動に同調して散水方向が変化するものの、破砕機の後方の同一位置から散水することになる。このため、散水ノズルの噴射方向を対象物である粉塵の飛散方向に応じて変えることができないだけでなく、散水ノズルの噴射位置を対象物である粉塵に対して最適位置に位置させることができない。よって、粉塵の飛散を十分に抑えることができない場合があり、早期改善が要望されている。また、流体噴射による反力が散水ノズルを取り付けたアームやブームにかかり、建設機械によくない影響をもたらす。

本発明は前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、複数の任意の箇所に移動して破砕箇所に的確に散水でき、しかも対象物に対する流体噴射ノズルの噴射方向及び噴射位置を最適にすることができる無人航空機を提供するものである。

本発明は主に散水作業に利用する無人航空機であって、この無人航空機は、前述の課題解決のために、対象物に流体を噴射する流体噴射ノズルを機体に備えており、前記流体噴射ノズルからの流体の噴射により前記機体が受ける反力のうちの少なくとも一部を相殺する相殺力を発生させる相殺力発生装置を前記機体に備えていることを特徴としている。

上記のように、本発明の無人航空機は流体噴射ノズルを機体に備えているので、どのような場所でも飛行して流体を対象物に噴射することができる。そして、流体噴射ノズルからの流体の噴射により機体が受ける反力のうちの少なくとも一部を相殺力発生装置により相殺することによって、機体の位置及び姿勢を所望通りに維持させ易い。これにより、対象物に対する流体噴射ノズルの噴射方向及び噴射位置を最適にすることができる。

又、本発明の無人航空機は、前記機体が受ける反力を検出する検出手段を該機体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記相殺力発生装置を駆動し、その駆動を制御する駆動制御手段を前記機体に備えていてもよい。

上記構成によれば、機体が受ける反力を検出する検出手段からの検出結果に基づいて相殺力発生装置の駆動を制御することによって、反力の検出値に応じて相殺力発生装置を駆動させることができるので、反力を確実に相殺することができる。

又、本発明の無人航空機は、前記流体噴射ノズルが、前記機体の前方へ前記流体を噴射するように該機体に取り付けられ、前記検出手段が、前記機体が受ける反力により該機体に備えるフレームが歪んだときの歪みを検出する手段から構成されていてもよい。

上記のように、検出手段を機体が受ける反力によりフレームが歪んだときの歪みを検出する手段から構成することで、特に粉塵が発生する解体現場で使用する場合に、発光面及び受光面に塵埃が付着し易い光電式のセンサに比べて、長時間使用において検出精度面で有利になる。

又、本発明の無人航空機は、前記流体噴射ノズルから前記機体の前方への流体の噴射による反力を受けた前記機体が後退することを阻止すべく、該機体を前進させる推力を増大させるように前記相殺力発生装置を構成してもよい。

上記のように、流体噴射ノズルから機体の前方へ噴射することにより機体が後退することを、相殺力発生装置により機体を前進させる推力を増大させることで阻止することができる。

又、本発明の無人航空機は、前記相殺力発生装置を備える機体が、複数の回転翼を備え、かつ、自動操縦可能又は遠隔操縦可能なドローンから構成されていてもよい。

上記のように、前記相殺力発生装置を備える機体が、複数の回転翼を備え、かつ、自動操縦可能又は遠隔操縦可能なドローンから構成されていれば、細かな位置制御が可能であるため、特に解体作業において必要な箇所に流体を的確に噴射することができ、好ましい。

本発明によれば、流体噴射ノズルからの流体の噴射により前記機体が受ける反力のうちの少なくとも一部を相殺する相殺力を発生させる相殺力発生装置を備えることによって、複数の任意の箇所に移動して破砕箇所に的確に散水でき、しかも対象物に対する流体噴射ノズルの噴射方向及び噴射位置を最適にすることができる無人航空機を提供することができる。

解体重機で解体している建物にドローンから水を噴射している状態を示す図である。ドローンの正面図である。ドローンの背面図である。ドローンの側面図である。ドローンの平面図である。ドローンの底面図である。ドローンの斜視図である。ドローンの前部の要部の拡大図である。相殺力発生装置を駆動する駆動制御手段の具体的構成を示すブロック線図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に、解体重機１で解体している建物に無人航空機の一例であるドローン（マルチコプターとも呼ばれている）２から対象物である建物に水を噴射している状態を示している。

解体重機１は、油圧ショベルとも呼ばれ、操縦室を備える車体３から延びるブーム４と、ブーム４の先端に取り付けられるアーム５と、アーム５の先端に取り付けられるアタッチメントとしての破砕機６と、を備え、ブーム４及びアーム５を起伏動作や旋回動作させながら破砕機６で建物を破砕する。

ドローン２は、建物に流体（ここでは水）を噴射する流体噴射ノズル７を機体８に備え、リモコン（図示せず）により遠隔操縦可能（又は自動操縦可能でもよい）に構成されている。そして、リモコンを操作することによって、後述する８つの回転翼１８の回転方向及び回転速度を制御することで、機体を左右に回転させる、又は前後に移動させる、あるいは上昇又は下降させる、更には空中の所定位置に維持させるホバリングができるようになっている。このホバリングにより、噴射する水が、できるだけ粉塵発生箇所である破砕点に集中して当たるように操作して、粉塵の発生を抑えることができる。

図１では、ドローン２の前後方向と解体重機１の前後方向とが略平行な状態でドローン２を空中に略水平状態でホバリングした状態を示しているが、例えば解体重機１の左側や右側あるいは解体重機１の前側や上側にドローン２を位置させた状態でホバリングさせてもよいし、また、ドローン２の向きを水平方向だけでなく、後述する流体噴射ノズル７が下向きに傾いた下向き傾斜状態にドローン２の姿勢を維持してもよい。要するに、破砕箇所の位置や風の向き、つまり解体時に発生する粉塵の飛散方向等に合わせて、ドローン２の向き、高さ、塵埃からの距離が最適となるようにドローン２の位置を調節することができる。場合によっては、ドローン２を移動させながら建物に水を噴射させるようにしてもよい。また、風が強く地表から粉塵が舞い上がるときは、ドローン２を地表近くに移動させ、地表に向かって水を噴射することもできる。尚、後述するフレーム２４，２４が取り付けられた側を前側とし、その反対側を後側とし、ドローン２を正面（前側）から見た状態で左側を左側とし、ドローン２を正面から見た状態で右側を右側とする。

具体的には、ドローン２は、図２〜図８に示すように、平面視において正８角形に形成された外側フレーム９と、外側フレーム９の中心部に配置された上下一対の円盤部材１０，１１と、外側フレーム９の８つの角部のそれぞれから下方へ垂設した脚部１２と、円盤部材１０，１１を上下方向で連結する周方向に所定間隔を置いて配置された８つの連結部材１３と、８つの脚部１２の上端部と８つの連結部材１３とを連結する連結フレーム１４と、各連結フレーム１４の長手方向略中央部に設置された電動モータ１６と、電動モータ１６の上方に延びる駆動軸１７に取り付けられた回転翼１８と、を備えて機体８を構成し、この機体８の前端に流体噴射ノズル７及び後述する相殺力発生装置１９を備えている。前記回転翼１８は、１枚の羽根（プロペラ）から構成されているが、複数枚の羽根（プロペラ）から構成することもできる。８つの電動モータ１６の一部（又は全部）の電動モータ１６の角度を小型モータ等のアクチュエータを用いて微小角度変更することによって、水平方向の推力を発生させるように構成してもよい。

図７に示すように、円盤部材１０，１１のうちの上側の円盤部材１０の直径寸法が下側の円盤部材１１の直径寸法よりも小さくなっている。また、上側の円盤部材１０の上面に前記８つの電動モータ１６及び後述する２つの電動モータ２６の駆動を制御する制御装置を内蔵した制御ボックス２０が取り付けられている。また、下側の円盤部材１１には、地上の電源部からの直流電圧を所定の電圧に変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータ２１が取り付けられ、このＤＣ／ＤＣコンバータ２１から制御ボックス２０へ電力供給されている。尚、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１への電力供給は、地上に備えている電源部とＤＣ／ＤＣコンバータ２１とが配線により接続されることにより供給されているが、解体重機１からＤＣ／ＤＣコンバータ２１へ電力供給してもよい。また、無線給電によりＤＣ／ＤＣコンバータ２１へ電力供給することもできる。

図７及び図８に示すように、外側フレーム９の１つの角部に横長の角柱状の支持フレーム２２を取り付け、この支持フレーム２２の左右両端に上下方向に延びる縦向きの左右の取付部材２３，２３を取り付け、左右の取付部材２３，２３の前面に左右のフレーム２４，２４を取り付け、それら左右のフレーム２４，２４の前面に当接した状態で連結し、かつ、左右のフレーム間の距離よりも左右方向に長い板状の横フレーム２５を備えている。この横フレーム２５の左右方向中央部の前面に噴射口７Ａが前方に向いた流体噴射ノズル７を取り付けている。尚、流体噴射ノズル７には、図示していないホースの一端が接続され、ホースの他端が地上に設けられているポンプ装置を含む水供給装置に接続され、ポンプ装置を駆動することによって、ホースを介して流体噴射ノズル７に水を供給する。この供給により、流体噴射ノズル７から前方へ水を噴射するようになっている。また、流体噴射ノズル７を、上下軸心回りで回動自在に設けて、左右方向で角度変更できるように構成してもよい。これら角度変更は、ネジを人為的に操作することにより行うようにしてもよいし、アクチュエータの動力を用いて行うようにしてもよい。因みに、流体噴射ノズル７の角度変更に応じて、相殺力発生装置１９から発生する反力の向きが変更できるように構成してもよい。ここでは、後述する回転翼２７，２７の向きを変更することになる。

図６〜図８に示すように、流体噴射ノズル７からの流体の噴射により機体が受ける反力の全てを相殺する相殺力を発生させる相殺力発生装置１９を機体８に備えている。この相殺力発生装置１９は、横フレーム２５の左右方向両端部に取り付けられた一組の電動モータ２６，２６と、電動モータ２６，２６の前側に延びる駆動軸２６Ａ，２６Ａに取り付けられた一組の回転翼２７，２７と、を備えている。回転翼２７，２７は、１枚の羽根（プロペラ）から構成されているが、複数枚の羽根（プロペラ）から構成することもできる。また、相殺力発生装置１９に備える羽根（プロペラ）を、ダクトファンから構成してもよい。

また、機体が受ける反力を検出する検出手段２８（図９参照）を機体８に備え、検出手段２８からの検出結果に基づいて相殺力発生装置１９を駆動し、その駆動を制御する駆動制御手段２９を機体８に備えている。

前記検出手段２８は、左右のフレーム２４，２４のうちの少なくとも一方のフレーム２４の前面２４Ａに貼り付けられ（図１では検出手段２８を表示していない）、流体噴射ノズル７からの流体の噴射によりフレーム２４が歪んだときの歪み量を検出する歪みゲージ（図示せず）から構成されている。尚、歪みゲージに接続される配線は、前記制御ボックス２０内に備える制御基板（図示せず）に接続されている。

駆動制御手段２９により相殺力発生装置１９の駆動を制御する構成について図９のブロック線図に基づいて説明する。

まず、ポンプ装置を駆動して流体噴射ノズル７から塵埃に向けて水を噴射すると、その噴射による反力がフレーム２４に加わる。この噴射反力によりフレーム２４が変形したことを歪みゲージ２８により検知して歪み量に換算する。この歪み量は、噴射反力自体を計測したものではないため、誤差を含んでいる。そのため、前記歪み量を積分器３０を用いて積分した後、この積分値に比例定数Ｋ_Ｉをかけて目標値に置き換えている。その目標値をＥＳＣ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＳｐｅｅｄＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ、電子式スピードコントローラ）３１に与える。これにより電動モータ２６，２６を駆動して羽根（プロペラ、回転翼２７，２７）を回転させ、機体８を前進させる推力を増大させる。これにより、噴射反力と羽根（プロペラ）の回転による推力とが打ち消し合う。このとき、歪みゲージの値が０になって噴射反力をキャンセルすることが最終目標であり、歪みゲージの値が０になるように駆動制御手段２９を用いてフィードバック制御する。

このように、検出手段２８である歪みゲージからの検出結果に基づいて相殺力発生装置１９の駆動を制御することによって、反力の検出値に応じて相殺力発生装置１９を駆動させることができるので、反力を確実に相殺することができる。このように反力を相殺することによって、流体噴射ノズル７から機体の前方へ噴射することにより機体８が後退することを、相殺力発生装置１９の駆動により機体８を前進させる推力を増大させることで阻止することができる。よって機体は移動せずに同じ位置でホバリングする。尚、相殺力発生装置１９に加え、回転翼１８による推力を前記反力の相殺に用いてもよい。

また、無人航空機の機体８に流体噴射ノズル７を備えているので、どのような場所でも飛行して流体（ここでは水）を対象物に噴射することができる。そして、流体噴射ノズル７からの流体の噴射により機体８が受ける反力の全てを相殺力発生装置１９により相殺するようにしているので、機体の位置及び姿勢を所望通りに維持させ易い。これにより、対象物に対する流体噴射ノズル７の噴射方向及び噴射位置を常に最適に維持することができ、粉塵抑制効果が高まる。また、無人航空機がドローン２から構成されていれば、細かな位置制御が可能であるため、特に解体作業において粉塵に流体を的確に噴射することができ、好ましい。また、無人航空機全体は、防水機能を有する構成となっているが、特に機体８に備える制御ボックス等に水がかかることがないように防水カバーで機体８を覆うことで、防水機能を高めるようにしてもよい。このように防水機能を高めることで、防塵性能も高めることができる。

尚、本発明は、上記実施形態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で種々の変更が可能である。例えば、外側フレーム形状、脚部の取付位置など、多様な変更が可能である。

前記実施形態では、検出手段２８として歪みゲージを用いたが、感圧素子を備える圧力センサやロードセルであってもよい。その他、機体が受ける反力による状態変化を検出できる手段であれば、種々のものを用いることができる。

また、前記実施形態では、本発明の無人航空機を解体現場で水を噴射する場合に使用したが、トンネルや建物の壁面に塗料を噴射して壁面を塗装する場合に使用してもよいし、高層階の建物の火災時の消火に使用してもよく、本発明は、人が作業し難い不安定な高い場所での流体の噴射に使用する際に特に有効である。これら噴射対象の流体としては、水、空気等の気体、塗料、液状の樹脂、消火剤等の粉末等、種々のものを用いることができる。また、複数の建設機械を使用する現場では、建設機械自体に散水ノズルを取り付けた場合に比べ、１機の無人航空機でそれぞれの建設機械の作動位置に移動させて使用できるので効率的であり、建設機械に散水ノズルや送水用配管を取り付ける改造も不要となる。

また、前記実施形態では、相殺力発生装置１９を複数（２つ）の回転翼２７，２７から構成したが、１つの回転翼であってもよいし、３つ以上の任意の個数の回転翼であってもよい。

また、前記実施形態では、機体が受ける反力が０になる（反力の全てを相殺する）ように相殺力発生装置１９の駆動を制御したが、機体が受ける反力が０に近付く（反力の一部を相殺する）ように相殺力発生装置１９の駆動を制御し、回転翼１８による制御と併用してもよい。

また、前記実施形態では、流体噴射ノズル７を無人航空機の前部に１個設けたが、流体噴射ノズル７は、１個だけでなく、前部や側部に複数個設けて、実施してもよいし、機体の中央部に１個又は複数個設けて実施することもできる。

また、前記実施形態では、無人航空機として８つの回転翼１８を備えたドローンを用いたが、３つ又は４つ又は６つなどの回転翼を備えたドローンを用いてもよい。また、その他の構成として、メインロータ及びテールロータを備えるヘリコプターを用いてもよいし、飛行船型の無人航空機を用いることもできる。また、ジェットエンジン又は流体噴射装置あるいは電磁力を利用した推力発生装置等から構成した相殺力発生装置１９を搭載した無人航空機であってもよい。

また、前記実施形態では、噴射反力と回転翼２７，２７による推力の合力を測り、合力が０になるように制御するフィードバック制御を示したが、噴射反力と回転翼２７，２７による推力とをそれぞれに設けたセンサにより測り、それぞれの測定値が等しくなるように電動モータ２６，２６の駆動を制御するフィードバック制御であってもよいし、また、回転翼２７，２７による推力特性を記憶させておき、噴射反力をセンサにより測定し、測定値に等しい推力を推力特性からピックアップし、そのピックアップした推力が発生するように回転翼２７，２７の駆動を制御するオープンループ（フィードフォワード）制御であってもよい。

１…解体重機（油圧ショベル）、２…ドローン（マルチコプター）、３…車体、４…ブーム、５…アーム、６…破砕機、７…流体噴射ノズル、７Ａ…噴射口、８…機体、９…外側フレーム、１０，１１…円盤部材、１２…脚部、１３…連結部材、１４…連結フレーム、１６…電動モータ、１７…駆動軸、１８…回転翼、１９…相殺力発生装置、２０…制御ボックス、２１…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２２…支持フレーム、２３…取付部材、２４…フレーム、２４Ａ…前面、２５…横フレーム、２６…電動モータ、２６Ａ…駆動軸、２７…回転翼、２８…検出手段（歪みゲージ）、２９…駆動制御手段、３０…積分器、３１…ＥＳＣ

Claims

対象物に流体を噴射する流体噴射ノズルを機体に備えている無人航空機であって、
前記流体噴射ノズルからの流体の噴射により前記機体が受ける反力のうちの少なくとも一部を相殺する相殺力を発生させる相殺力発生装置を前記機体に備えていることを特徴とする無人航空機。
前記機体が受ける反力を検出する検出手段を該機体に備え、前記検出手段からの検出結果に基づいて前記相殺力発生装置を駆動し、その駆動を制御する駆動制御手段を前記機体に備えていることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機。
前記流体噴射ノズルが、前記機体の前方へ前記流体を噴射するように該機体に取り付けられ、前記検出手段が、前記機体が受ける反力により該機体に備えるフレームが歪んだときの歪みを検出する手段から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の無人航空機。
前記流体噴射ノズルから前記機体の前方への流体の噴射による反力を受けた前記機体が後退することを阻止すべく、該機体を前進させる推力を増大させるように前記相殺力発生装置を構成していることを特徴とする請求項３に記載の無人航空機。
前記相殺力発生装置を備える機体が、複数の回転翼を備え、かつ、自動操縦可能又は遠隔操縦可能なドローンから構成されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の無人航空機。