(57)【要約】【課題】管渠の流水遮断や清掃をしなくても、流水、異物、損傷等に影響されずに、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形を少ない時間と手間とコストで計測できるようにする。【解決手段】管渠２０の内部に飛行体２を飛行させるとともに、飛行体２に設けられた前輪１１及び後輪１２を管渠２０の天井に転動させながら、飛行体２に設けられた加速度センサ１３により管渠２０のたるみ及び蛇行を計測し、距離センサ１４により管渠２０のたわみを計測する。飛行体２は、自動操縦されて一定速度で飛行する。管渠２０が下水道である場合、マンホール２５に開口した管渠口の天井に飛行体２をセットして飛行開始させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管渠の内部を飛行する飛行体と、飛行体に設けられて管渠の天井を転動する前輪及び後輪と、飛行体に設けられて管渠の変形を計測するセンサとを備えることを特徴とする管渠変形計測装置。
【請求項２】
センサは、加速度センサ及び距離センサの一方又は両方である請求項１記載の管渠変形計測装置。
【請求項３】
管渠の内部に飛行体を飛行させるとともに、飛行体に設けられた前輪及び後輪を管渠の天井に転動させながら、飛行体に設けられたセンサにより管渠の変形を計測することを特徴とする管渠変形計測方法。
【請求項４】
飛行体は、自動操縦されて一定速度で飛行する請求項３記載の管渠変形計測方法。
【請求項５】
管渠は下水道であり、マンホールに開口した管渠口の天井に飛行体をセットして飛行開始させる請求項３又は４記載の管渠変形計測方法。
【請求項６】
加速度センサで静止加速度を検出して傾斜角度に変換することにより管渠のたるみを計測する請求項３〜５のいずれか一項に記載の管渠変形計測方法。
【請求項７】
加速度センサで横方向の加速度を検出して変位に変換することにより管渠の蛇行を計測する請求項３〜６のいずれか一項に記載の管渠変形計測方法。
【請求項８】
距離センサで管渠の天井までの距離を検出することにより管渠のたわみを計測する請求項３〜７のいずれか一項に記載の管渠変形計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管渠（例えば下水管、上水管、化学プラント管路、ケーブル管路等の各種管渠）の変形（例えばたるみ、蛇行、たわみ等の各種変形）を計測する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
管渠には、使用により、亀裂、破損、継手ズレ、腐食、油脂付着、土砂堆積、樹木根侵入等が生じる。また、管渠には、外力、地震による液状化、不等沈下等により、たるみ（管渠を管長軸線の上下方向のたるみ）、蛇行（管渠の管長軸線の左右方向の蛇行）、たわみ（管渠の断面形状の上下方向のたわみ（偏平））等の変形も生じる。
【０００３】
よって、管渠の維持管理には、まずこれらの調査が必要となる。現状での管渠の調査は、自走式又は牽引式の走行車を管渠の底面上に走行させ、走行車に搭載したテレビカメラで管渠内の状態を撮影してモニタに映し出し、これをオペレータが目視する方法が主流である（特許文献１）。
【０００４】
また、特許文献２には、上記主流の方法ではオペレータが関心ある領域を認識しなかった場合には、停止してパン、チルト、ズームする機会が失われるとして、上記走行車に方向検出装置又は位置検出装置と距離測定装置とを備えるプローブを設け、映像と方向と移動距離のデータを処理することにより前方視画像とパイプライン壁面の約３６０度展開画像とをデジタル化して表示する方法が開示されている。方向検出装置はジャイロスコープまたはジャイロセンサが好ましいとしている。
【０００５】
また、特許文献３には、上記主流の方法では管渠の内部状況を目視することはできても数値的なデータとして記録することができないとして、離れた２つの管渠口にレーザ発射装置と管芯測定器をセットし、上記走行車にレーザ受光板を設けて、管渠のたるみ、蛇行、逆勾配を調査するシステムが開示されている。
【０００６】
その他、弾性波により管渠の強度、劣化度を評価するものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１６４６９８号公報
【特許文献２】特開２００４−５０９３２１公報
【特許文献３】特開２００２−９０１４６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記主流の方法（特許文献１）は、目視によるため、亀裂、破損、継手ズレ、腐食、油脂付着、土砂堆積、樹木根侵入等は把握しやすいが、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形は把握しにくい。
また、特許文献２の方法では、関心ある領域で停止してパン、チルト、ズームを行う必要性をなくすことができるが、やはり目視によるため、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形を数値化することまでは開示がない。
また、特許文献３の方法では、管渠のたるみ、蛇行、逆勾配を数値化することができるが、レーザ発射装置と管芯測定器を２つの管渠口にセットする必要があるため、調査に時間と手間とコストがかかる。
【０００９】
さらに、特許文献１〜３の何れの方法も、走行車を管渠の底面上に走行させるため、次の大きな問題があった。
（ア）下水管等の管渠内には常時流水（汚水）があるため、そのままで走行車を管渠の底面上に走行させることは非常に困難又は不可能である。そこで、基本的には、管渠内の流水を遮断し、さらに油脂、土砂、樹木根等の異物を除去するよう清掃した後に、調査を行う必要があり、その調査開始までの手間が大変であった。
（イ）流水を遮断し清掃した後であっても、管渠の底面は異物が残ったり損傷が多かったりすることがあるため、自走車をスムーズに走行させられなかったり姿勢が傾いたりしやすい。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、管渠の流水遮断や清掃をしなくても、流水、異物、損傷等に影響されずに、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形を少ない時間と手間とコストで計測できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）管渠変形計測装置は、管渠の内部を飛行する飛行体と、飛行体に設けられて管渠の天井を転動する前輪及び後輪と、飛行体に設けられて管渠の変形を計測するセンサとを備えることを特徴とする。
【００１２】
センサは、少なくとも１つ備えればよいが、加速度センサ及び距離センサの一方又は両方である態様を例示できる。
【００１３】
（２）管渠変形計測方法は、管渠の内部に飛行体を飛行させるとともに、飛行体に設けられた前輪及び後輪を管渠の天井に転動させながら、飛行体に設けられたセンサにより管渠の変形を計測することを特徴とする。
【００１４】
飛行体は、自動操縦されて一定速度で飛行することが好ましい。
【００１５】
管渠は下水道であり、マンホールに開口した管渠口の天井に飛行体をセットして飛行開始させる態様を例示できる。
【００１６】
センサにより管渠の変形を計測する態様としては、特に限定されないが、次の好ましい態様を例示できる。
（ａ）加速度センサにより縦断方向の加速度を検出して傾斜角度に変換することにより管渠のたるみを計測する。
（ｂ）加速度センサにより横方向の加速度を検出して変位に変換することにより管渠の蛇行を計測する。
（ｃ）距離センサにより管渠の天井までの距離を検出することにより管渠のたわみを計測する。
【００１７】
（作用）
飛行体の利点は、管渠の底面上を走行する走行車と異なり、管渠の底面を離れて管渠内の空間を飛行できることであり、よって底面上の流水、異物、損傷等に影響されないから、流水遮断や清掃をしなくても計測を行うことができる。そして、その飛行時に前輪及び後輪を比較的損傷が少ない管渠の天井に転動させることにより（すなわち天井走行を伴う飛行である）、飛行体の姿勢が天井に倣われるとともに、飛行体と天井との位置関係が定まる。これにより、飛行体に設けられた加速度センサ、距離センサ等のセンサにより、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形を少ない時間と手間とコストで計測することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、管渠の流水遮断や清掃をしなくても、流水、異物、損傷等に影響されずに、管渠のたるみ、蛇行、たわみ等の変形を少ない時間と手間とコストで計測できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例の管渠変形計測装置の斜視図である。
【図２】同装置のブロック図である。
【図３】同装置の加速度センサの説明図である。
【図４】同装置による管渠（下水道）の変形計測方法を説明する、（ａ）は概略図、（ｂ）はたるみ計測における傾斜角と変位量のイメージを示すグラフである。
【図５】たわみ計測における、（ａ）はたわみ変形前の断面図、（ｂ）はたわみ変形後の断面図である。
【図６】同装置の姿勢の自動復元性を説明する断面図である。
【図７】実施例の変更例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
１．飛行体
飛行体は、管渠の内部を飛行できる程度に小型で無人の飛行体（広義のドローン）である。飛行体の飛行原理及び構造は、特に限定されないが、マルチコプタ（３つ以上のロータを搭載した回転翼機、狭義のドローン）を好ましいものとして例示できる。
【００２１】
２．前輪及び後輪
前輪及び後輪は、特に限定されないが、飛行体よりも上方へ延びる部材に回転可能に軸着された車輪を例示できる。
前輪及び後輪は、非駆動輪でよい。
前輪及び後輪は、飛行体の前後方向にのみ転動する固定輪が好ましいが、転向しうる自在輪としてもよい。
前輪及び後輪の数は、特に限定されないが、前輪２つと後輪２つの組み合わせ、前輪１つと後輪２つの組み合わせ、前輪２つと後輪１つの組み合わせ等を例示できる。
【００２２】
３．自動操縦
自動操縦は、飛行体に設けられたＣＰＵ等を用いた制御装置により行われるものでもよいし、飛行体から離れた箇所から送られる信号により行われるものでもよい。
なお、飛行体の飛行は、自動操縦に限定されず、飛行体から離れた箇所から送られる信号により行われる手動操縦でもよい。
【００２３】
４．センサ
加速度センサにより管渠のたるみ及び蛇行を計測することが好ましい。
距離センサにより管渠のたわみを計測することが好ましい。
【００２４】
５．管渠
計測対象としての管渠としては、特に限定されないが、下水管、上水管、化学プラント管路、ケーブル管路等の各種管渠を例示できる。
【実施例】
【００２５】
（管渠変形計測装置）
図１〜図３に示す実施例の管渠変形計測装置１は、管渠の内部を飛行する飛行体２と、飛行体２に設けられて管渠の天井を転動する所定の軸間距離をもつ前輪１１及び後輪１２と、飛行体２に設けられて管渠の変形を計測するセンサ１３，１４とを備えている。
【００２６】
図１に示すように、飛行体２は、一般的なマルチコプタとほぼ同様であり、前後方向に延びる中央の本体ボディ３と、本体ボディ３から横方向へ放射状に延びる４本のアーム４と、アーム４の途中部に設けられた４つのロータ５及びそのモータ６とを備えている。本体ボディ３の例えば前部にはテレビカメラ７が前向きに取り付けられ、テレビカメラ７はレンズ、撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等）等から構成されている。
【００２７】
本体ボディ３には、図２に示すように、一般的なマルチコプタと同様、無線モジュール８と制御用ＣＰＵ９が内蔵されている。遠隔のリモコン１７から送信される信号を無線モジュール８が受信し、同信号に基づいて制御用ＣＰＵ９が４つのモータ６の回転数を制御することにより、飛行体２の上昇・下降・前進・後進・左旋回・右旋回の操縦が行われる。また、テレビカメラ７が撮影した画像の信号を、無線モジュール８が送信する。
【００２８】
一般的なマルチコプタでは各モータ６の箇所で終わる４本のアーム４が、本実施例ではモータ６の箇所を超えて延長されている。そして、各アーム４の延長端部から脚１０が上方へ延びるように設けられ、前側２つの脚１０の上端部に２つの前輪１１が回転可能に軸着され、後側２つの脚１０の上端部に２つの後輪１２が回転可能に軸着されている。もって４つの脚１０は、４つのロータ５の回転軌跡外縁よりも外方にあり、ロータ５の回転に干渉しない。また、前輪１１及び後輪１２は４つのロータ５よりも上方にあり、ロータ５の回転に干渉しない。なお、前輪１１及び後輪１２の設け方は適宜変更でき、例えば本体ボディ３からアーム４とは別に延ばした部材に軸着してもよい。
【００２９】
前輪１１及び後輪１２は、非駆動輪であるとともに、飛行体２の前後方向にのみ転動する固定輪である。また、前輪１１及び後輪１２の軸間距離を大きくするために、前側２つの脚１０を前へ傾斜させ、後側２つの脚１０を後へ傾斜させているが、全ての脚１０を垂立させてもよい。
【００３０】
一般的なマルチコプタとは異なり、本体ボディ３の例えば上部には、前記センサとしての加速度センサ１３と距離センサ１４が取り付けられている。本体ボディ３には、図２に示すように、計測用ＣＰＵ１５とメモリカード１６が追加内蔵されている。計測用ＣＰＵ１５が、後述する計算等を行いその結果を、無線モジュール８が遠隔のパソコン１８に送信するとともに、メモリカード１６に記録する。なお、本例のように制御用ＣＰＵを追加するのではなく、前記制御用ＣＰＵ９に制御用ＣＰＵの機能を兼ね備えさせることもできる。
【００３１】
加速度センサ１３は、静的加速度を計測して角度に変換するものである。本実施例では、ＸＹＺ軸の３方向の加速度を１デバイスで測定できる３軸加速度センサが用いられている。この加速度センサ１３により、次の計測が可能である。
【００３２】
（ア）傾斜角度（縦断方向変位）
図３に示すように、重力加速度が１Ｇである場合、加速度センサ１３から出力される静止加速度は次式で表せる。
Ａｘｏｕｔ［Ｇ］＝１Ｇ×ｓｉｎ（θ）
重力加速度の軸にそって加速度センサを回転させた場合、加速度出力はサイン波の関係に従う。従って、静止加速度から傾斜角度θへの変換は次式（逆サイン関数）を使用して行う。
θ＝ｓｉｎ-1（Ａｘｏｕｔ［ｇ］／１ｇ）
θの単位はラジアンであり、度（°）に変換する場合は上式の結果に（１８０／π）を掛ける。
加速度センサを１軸で使用する場合、傾きの感度は、水平軸とセンサの軸がなす角度が大きくなるほど減少し、角度が±９０°に近づくと感度は０に近づく。逆に０°近くで最高の分解能が得られる。従って、使用するセンサ軸は管軸方向に水平に近いセンサ軸を使用する。
なお、アナログ式ＭＥＭＳセンサの分解能は１６ｂｉｔ程度を期待でき、傾斜角度の分解能を０．０１度程度まで計測できる。勾配にすると約０．０２％（５０ｍで１０ｍｍ）になる。
【００３３】
（イ）飛行速度（速度制御に利用可）
加速度センサ１３は、Ｙ軸（進行歩行）の加速度を計測する。計測用ＣＰＵ１５はこの加速度を積分して計算した飛行速度を制御用ＣＰＵ９にわたし、制御用ＣＰＵ９は飛行速度を一定速に制御する（これにより自動操縦が可能になる）。計算した飛行速度は、無線モジュール８からパソコン１８に送信される。
【００３４】
（ウ）断面方向（姿勢制御に利用可）
加速度センサ１３は、Ｘ軸（断面方向）の静止加速度を計測する。計測用ＣＰＵ１５はこの静止加速度から計算した断面方向の傾斜角を制御用ＣＰＵ９にわたし、制御用ＣＰＵ９は飛行体２の姿勢を断面方向に傾かないように姿勢制御する（これにより自動操縦が可能になる）。なお、飛行体２の姿勢は、後述（図６）するように、推力の反力で生じる復元力によっても自然に制御される。
【００３５】
次に、距離センサ１４には、赤外線距離センサが用いられている。図５に示すように、２つの前輪１１が管材２１の内面上部に当接する点の間隔をＬ、距離センサ１４からこの点までの高さをｈ、距離センサ１４が計測する管材２１の天井頂部までの距離をＤ、Ｄ−ｈ＝ｄ、管厚をｔとすると、同図（ａ）に示す変形前の真円の管厚中心の半径がｒであるのに対し、図５（ｂ）に示す変形後の管厚中心の曲率半径ｒ’は次式で計算できる。本実施例では、この原理を応用して、計測用ＣＰＵ１５がたわみを計測する。
【数１】
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【００３６】
＜計測例１：鉄筋コンクリート管による管路のたるみの計測＞
さて、図４（ａ）に示す管渠２０を計測対象例とする。この管渠２０は、下水道であり、所定の距離をおく２つのマンホール２５，２６の間に、複数の管材２１をそれらの端部が内外に重なる継手部２２で連結して構成されている。２３は管渠２０の流水を示している。管材２１の種類は様々であり、多く使用されているのは鉄筋コンクリート管や硬質塩化ビニル管である。そこで、同例では、管材２１が内径３００ｍｍ・有効管長２０００ｍｍの鉄筋コンクリート管であり、この管材２１が２つのマンホール２５，２６間（１スパン）で１５本連結されて、１スパンの管渠長が３００００ｍｍ（３０ｍ）であるとする。
【００３７】
外力、地震による液状化、不等沈下等により、隣り合う管材２１と管材２１とが継手部２２でずれて相対的に傾き、管渠の管長軸線にたるみ又は蛇行が生じる。たるみにより継手部２２に生じる隙間から、地下水や木根が侵入すると、下水の流下能力が低下する。
【００３８】
この管渠２０のたるみは、上記のように構成された管渠変形計測装置１を使用して、次の方法で計測できる。管渠２０の流水２３は基本的に遮断しなくてもよい。
（ｉ）図４（ａ）の例えば左側のマンホール２５において、作業者は、同マンホール２５に開口する管渠２０の管渠口の天井に管渠変形計測装置１を進行方向に向けて（同例では右向きに）セットする。右側のマンホール２６においては、別の作業者が受信機としてのパソコン１８を持って待機する。
【００３９】
（ii）管渠変形計測装置１の飛行を開始し、飛行中は前輪１１及び後輪１２を管渠２０の天井に転動（天井走行）させることにより、飛行体２の姿勢を管渠２０の天井に倣わせる。天井は比較的付着物が少なく、走行、勾配計測に支障が少ない。また、管渠変形計測装置１は流水２３に触れない。飛行速度は一定の例えば５０ｍｍ／秒とする。１本の管材２１の調査時間は４０秒、１スパンの管渠２０の調査時間は６００秒（１０分）となる。飛行は、リモコン１７からの手動操縦でもよいが、前述した計測用ＣＰＵ１５と制御用ＣＰＵ９による自動操縦とすることが好ましい。
【００４０】
図６に示すように、飛行時に飛行体２の姿勢が断面方向に傾いたときには、推力の反力に生じる水平分力の成分によって、飛行体２の姿勢が傾きを減じる方向に自然に制御される。さらに、前述したように計測用ＣＰＵ１５と制御用ＣＰＵ９により、飛行体２の姿勢が断面方向に傾かないように姿勢制御される。
そして、加速度センサ１３により飛行中の加速度を計測し、加速度から飛行速度と移動距離を計算する。
【００４１】
（iii）上記天井走行を伴う飛行をさせながら、通過する管材２１の１本毎に、加速度センサ１３により静的加速度を８００Ｈｚでサンプリングして、前述の原理により傾斜角度に変換する。１本の管材２１のサンプリング数は、４０秒×８００Ｈｚ＝３２０００サンプルとなる。管材２１の端は、継手部２２の目地を前輪１１が通過する時の振動を検知して判定する。図４（ｂ）に、計測される傾斜角度のイメージを示すように、継手部２２の目地でノイズが現れる。また、図４（ｂ）には、傾斜角度と飛行速度から計算されるたるみの変位量のイメージも示す。
【００４２】
そして、計測用ＣＰＵ１５は１本の管材２１の平均傾斜角度を計算し、計算した平均傾斜角度は無線モジュール８からパソコン１８に送信されるとともに、メモリカード１６に記録される。
【００４３】
なお、管渠変形計測装置１の加減速時には動的な加速度が発生するため、加減速時に取得した加速度は傾斜角度の演算には利用できない。この問題を解決するためには、加減速時の途中で停止させて静止加速度を計測するか、一定速走行時（動的加速度の影響が無い）のデータのみ取得するか、加速度が変化する時刻のデータを排除するかの、いずかの方法を採ることができる。
【００４４】
＜計測例２：鉄筋コンクリート管による管路の蛇行の計測＞
上記たるみの計測と同時に、加速度センサに１３より得られた横方向の加速度を、計測用ＣＰＵ１５が変位に変換することにより蛇行量を計測することもできる。蛇行量は、別途水平に装備した距離センサ（図示略）により管材２１の側部に対する飛行体２の左右ずれを検知し、その左右ずれを除外するように補正することが好ましい。
【００４５】
＜計測例３：硬質塩化ビニル管による管路のたわみの計測方法＞
上記鉄筋コンクリート管による管渠は、たわみが実質的に生じないため、たわみを計測する必要はない。しかし、硬質塩化ビニル管による管渠は、５％程度のたわみが当初から許容されており、経年変化、道路載荷重、地震応力等により、たわみは増加するため、たわみを計測する必要がある。
【００４６】
そこで、硬質塩化ビニル管による管渠の場合は、上記たるみの計測と同時に、図５に示すように、距離センサ１４により管材２１の天井頂部までの距離Ｄを計測し、前述した原理を応用して、計測用ＣＰＵ１５により管材２１のたわみを計算する。
例えば、管材２１のたわみ変形前の内径が３００ｍｍ、距離Ｄが１２３．６ｍｍであり、たわみ変形後の上下の内径（短径）が２８５ｍｍ、距離Ｄが１１９ｍｍであった場合、管材２１の偏平率９５％、距離Ｄの変化率９６％、変化量４．６ｍｍである。
【００４７】
以上詳述した本実施例によれば、管渠２０の流水遮断や清掃をしなくても、流水、異物、損傷等に影響されずに、管渠２０のたるみ、蛇行及びたわみを少ない時間と手間とコストで計測することができる。
【００４８】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば次のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。
（１）図７に示すように、左右の脚１０を上側ほど間が広がるように傾斜させ、左右の前輪１１の距離を大きくするとともに、前輪１１を管材２１に極力直角に近く当接させること。後輪１２についても同様である。
【符号の説明】
【００４９】
１    管渠変形計測装置
２    飛行体
３    本体ボディ
４    アーム
５    ロータ
６    モータ
７    テレビカメラ
８    無線モジュール
９    制御用ＣＰＵ
１０    脚
１１    前輪
１２    後輪
１３    加速度センサ
１４    距離センサ
１５    計測用ＣＰＵ
１６    メモリカード
１７    リモコン
１８    パソコン
２０    管渠
２１    管材
２２    継手部
２３    流水
２５    マンホール
２６    マンホール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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