构造物的屋内监视系统以及方法与流程

本发明涉及构造物的屋内监视系统以及方法。

背景技术：

例如被用于火力发电所的锅炉炉膛需要在制作时以及运转开始后定期开放，操作者进入到内部并进行维护检查。在该维护检查时，需要明确检查区域，但锅炉炉膛的容量较大，通过目视观察难以准确地掌握检查区域。因此，以往，通过利用卷尺等来对检查区域的高度位置以及左右位置进行测定标记，从而掌握操作者的所在处或者维护检查位置，但在该方法中，需要操作人员的脚手架架设或吊舱设置，需要大量的劳力、成本以及检查时间。

因此，以往，提供了通过无人检查装置来清扫烟囱等构造物的内部的技术(专利文献1)。但是，该技术方案也需要用于设置线的架台，其准备中需要劳力、成本以及检查时间。

此外，提出了在屋外的构造物中，使用无人机和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的不需要脚手架架设的无人检查技术的应用(专利文献2)。

但是，在锅炉内部、烟囱等构造物的屋内的检查中，由于来自卫星的电波不能达到，因此不能进行基于GPS的飞行位置掌握，不能进行稳定的操纵，因此存在不能应用基于现有的无人机的检查技术的问题。

对此，也提出了能够进行不使用GPS的屋内的飞行的系统(专利文献3)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-73922号公报

专利文献2：日本特表2011-530692号公报

专利文献3：欧州专利申请公开第1901153号说明书

技术实现要素：

-发明要解决的课题-

但是，在专利文献3的提出中，取代使用GPS，在地上需要特征点(或者条纹)，该特征点(或者条纹)存在限定了能够设置的场所的问题。此外，由于锅炉炉膛或烟囱等构造物的内部是昏暗的封闭空间，因此存在不能确认特征点的问题。

因此，迫切希望出现一种在锅炉炉膛或烟囱等被封闭的屋内构造物中，能够进行使内部的位置信息可靠的基于无人的检查，通过不需要例如脚手架或架设从而能够减少劳力、成本以及检查时间的构造物的屋内监视系统。

本发明鉴于上述问题，其课题在于，提供一种能够进行使内部的位置信息可靠的基于无人的检查，通过不需要例如脚手架架设从而能够减少劳力、成本以及检查时间的构造物的屋内监视系统以及方法。

-解决课题的手段-

用于解决上述的课题的本发明的第1发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，具备：无人漂浮机，具备通过远程操作来使其在构造物的内部进行空中悬浮的漂浮单元；距离测量部，被搭载于所述无人漂浮机，对该无人漂浮机与所述构造物的内壁面的距离进行测量；惯性测量部，被搭载于所述无人漂浮机，对该无人漂浮机的机体姿势进行掌握；摄像部，被搭载于所述无人漂浮机，对所述构造物的壁面侧的构造体进行拍摄；操作部，对所述无人漂浮机进行远程操作；飞行位置信息获取部，根据所述距离测量部的信息和惯性测量部的信息，获取所述无人漂浮机的当前位置信息；和监视器部，对来自所述摄像部的图像信息和来自所述飞行位置信息获取部的位置信息进行显示，在所述飞行位置信息获取部中，执行以下步骤：通过所述距离测量部，对该无人漂浮机与构造物的内壁面的水平距离信息进行测量的水平方向距离测量步骤；通过所述惯性测量部，获取无人漂浮机的姿势角度的姿势角度获取步骤；使用所述姿势角度获取步骤中获取到的姿势角度来修正所述水平距离信息的水平方向距离修正步骤；以所述惯性测量部中获取到的偏航角为基准，获取所述无人漂浮机的前后左右的至少2点的距离的水平方向距离获取步骤；和根据所述构造物的已知的横剖面形状信息，获取水平方向的当前位置信息的水平方向当前位置信息获取步骤。

第2发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1发明中，在所述飞行位置信息获取部中，执行以下步骤：通过所述距离测量部，对该无人漂浮机与构造物的上下任意的高度方向的距离信息进行测量的高度方向距离测量步骤；通过所述惯性测量部，获取无人漂浮机的姿势角度的姿势角度获取步骤；使用所述姿势角度获取步骤中获取到的姿势角度来修正所述高度方向的距离信息的高度方向距离修正步骤；和根据所述构造物的已知的纵剖面形状信息，获取高度方向的当前位置信息的高度方向当前位置信息获取步骤。

第3发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1发明中，针对多个点进行所述水平方向距离测量步骤中的测量，将平均的距离用作为所述水平距离信息。

第4发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第2发明中，针对多个点进行所述高度方向距离测量步骤中的测量，将平均的距离用作为高度方向的距离信息。

第5发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1或者第2发明中，所述飞行位置信息获取部被搭载于无人漂浮机，通过发送部来向地上部一侧发送获取到的当前位置信息，并由监视器部进行显示。

第6发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1或者第2发明中，所述飞行位置信息获取部被搭载于地上部一侧的控制器终端，通过发送部来向地上部一侧发送所述距离测量部的信息和惯性测量部的信息，在所述飞行位置信息获取部中进行处理，并由监视器部显示当前位置信息。

第7发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1或者第2发明中，所述摄像部是静止图像摄像部或者动态图像摄像部的任意一者或者两者。

第8发明是一种构造物的屋内监视系统，其特征在于，在第1或者第2发明中，在所述无人漂浮机的周围具有保护部。

第9发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，使用无人漂浮机，该无人漂浮机具备通过远程操作来使其在构造物的内部空中悬浮的漂浮单元，所述构造物的屋内监视方法具备：距离测量步骤，被搭载于所述无人漂浮机，对该无人漂浮机与所述构造物的内壁面的距离进行测量；惯性测量步骤，被搭载于所述无人漂浮机，对该无人漂浮机的机体姿势进行掌握；摄像步骤，被搭载于所述无人漂浮机，对所述构造物的壁面侧的构造体进行拍摄；操作步骤，对所述无人漂浮机进行远程操作；飞行位置信息获取步骤，根据所述距离测量步骤的信息和惯性测量步骤的信息，获取所述无人漂浮机的当前位置信息；和监视器显示步骤，对来自所述摄像步骤的图像信息和来自所述飞行位置信息获取步骤的位置信息进行显示，在所述飞行位置信息获取步骤中，执行以下步骤：通过所述距离测量步骤，对该无人漂浮机与构造物的内壁面的水平距离信息进行测量的水平方向距离测量步骤；通过所述惯性测量步骤，获取无人漂浮机的姿势角度的姿势角度获取步骤；使用所述姿势角度获取步骤中获取到的姿势角度来修正所述水平距离信息的水平方向距离修正步骤；以所述惯性测量步骤中获取到的偏航角为基准，获取所述无人漂浮机的前后左右的至少2点的距离的水平方向距离获取步骤；和根据所述构造物的已知的横剖面形状信息，获取水平方向的当前位置信息的水平方向当前位置信息获取步骤。

第10发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第9发明中，在所述飞行位置信息获取步骤中，执行以下步骤：通过所述距离测量步骤，对该无人漂浮机与构造物的上下任意的高度方向的距离信息进行测量的高度方向距离测量步骤；通过所述惯性测量步骤，获取无人漂浮机的姿势角度的姿势角度获取步骤；使用所述姿势角度获取步骤中获取到的姿势角度来修正所述高度方向的距离信息的高度方向距离修正步骤；和根据所述构造物的已知的纵剖面形状信息，获取高度方向的当前位置信息的高度方向当前位置信息获取步骤。

第11发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第9发明中，针对多个点执行所述水平方向距离测量步骤中的测量，将平均的距离用作为所述水平距离信息。

第12发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第10发明中，针对多个点进行所述高度方向距离测量步骤中的测量，将平均的距离用作为高度方向的距离信息。

第13发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第9或者第10发明中，由无人漂浮机一侧处理所述飞行位置信息获取步骤，向地上部一侧发送获取到的当前位置信息，并由监视器进行显示。

第14发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第9或者第10发明中，在地上部一侧进行所述飞行位置信息获取步骤的处理，向地上部一侧发送所述距离测量步骤的信息和惯性测量步骤的信息，在所述飞行位置信息获取步骤中进行处理，并由监视器显示当前位置信息。

第15发明是一种构造物的屋内监视方法，其特征在于，在第9或者第10发明中，所述摄像步骤是静止图像摄像步骤或者动态图像摄像步骤的任意一者或者两者。

-发明效果-

根据本发明，能够进行使例如锅炉炉膛或烟囱等构造物的内部的位置信息可靠的基于无人的检查，由于不需要例如脚手架架设从而能够实现劳力、成本以及检查时间的大幅度的减少。

附图说明

图1是实施例1所涉及的无人漂浮机的示意图。

图2是表示进行实施例1所涉及的锅炉炉膛的检查的样子的示意图。

图3是实施例1所涉及的构造物的屋内监视系统的构成框图。

图4是实施例1所涉及的另一构造物的屋内监视系统的构成框图。

图5是表示使用激光扫描仪作为实施例1所涉及的距离测量部的情况下的扫描范围的一个例子的图。

图6是表示实施例1所涉及的无人漂浮机的姿势位置的3个方式的图。

图7是实施例1所涉及的水平方向的位置监控流程图。

图8是实施例1所涉及的高度方向的位置监控流程图。

图9是表示实施例1所涉及的水平方向的当前位置的获取的一个例子的图。

具体实施方式

以下参照附图，来对本发明的适当的实施例详细进行说明。另外，本发明并不由本实施例限定，此外，在存在多个实施例的情况下，也包含将各实施例组合而构成的情况。

【实施例1】

图1是实施例1所涉及的构造物的屋内监视系统的示意图。图2是表示进行实施例1所涉及的锅炉炉膛的检查的样子的示意图。图3是实施例1所涉及的构造物的屋内监视系统的构成框图。如图1至图3所示，本实施例所涉及的构造物的屋内监视系统具备：无人漂浮机11，具备通过远程操作来使其在例如锅炉炉膛等被封闭的构造物50的内部空中悬浮以及移动的漂浮单元即例如螺旋桨22；距离测量部(例如激光扫描仪、超声波传感器等)12，被搭载于无人漂浮机11，对该无人漂浮机11与构造物50的内壁面的距离进行测量；惯性测量部(Inertial Measurement Unit：IMU)，被搭载于该无人漂浮机11，对其机体姿势进行掌握；摄像部(静止图像摄像部13A、动态图像摄像部13B)13，被搭载于无人漂浮机11，拍摄构造物50的壁面侧的构造体(例如配管、接头等)；操作部15，对无人漂浮机11进行远程操作；飞行位置信息获取部16，根据距离测量部12的信息(信号)和惯性测量部的信息(信号)来获取无人漂浮机11的当前位置信息；和监视器部14，对来自摄像部13的图像信息和来自飞行位置信息获取部16的位置信息进行显示。另外，12a是激光射出部。

并且，在飞行位置信息获取部16中，执行以下步骤：通过距离测量部12，对该无人漂浮机11与构造物50的内壁面的水平距离信息(r(t)，α_s)进行测量的距离测量步骤(步骤1：S-1)；通过惯性测量部，获取无人漂浮机11的姿势角度的姿势角度获取步骤(步骤2：S-2)；使用步骤2中获取到的姿势角度来修正水平距离信息(r(t)，α_s)的距离修正步骤(步骤3：S-3)；以由惯性测量部获取到的偏航(yaw)角为基准，对无人漂浮机11的前后左右的至少2点(前(L_f(t))和左(L_L(t))、前(L_f(t))和右(L_R(t))、后(L_B(t))和左(L_L(t))、后(L_B(t))和右(L_R(t))的任意2点)的距离进行获取的距离获取步骤(步骤4：S-4)；和根据构造物50的已知的横剖面形状信息来获取水平方向的当前位置信息的水平方向当前位置信息获取步骤(步骤5：S-5)。

在本实施例中，以例如锅炉炉膛、烟囱等单纯形状(剖面形状为矩形、圆形)的构造物50为对象。由于是构造物50的内部，因此提供一种使用不利用GPS的距离测量部(例如激光扫描仪、超声波传感器等)12、用于无人漂浮机11的机体姿势控制的传感器群即惯性测量部(Inertial Measurement Unit：IMU)，来监控无人漂浮机11的飞行位置(当前飞行位置信息)的系统。

在本实施例中，如图2所示，通过被设置于被封闭的构造物(锅炉炉膛)50的外部的地面工作站的个人计算机PC的监视器部14，确认无人漂浮机11的飞行位置、影像(损坏部位)，并通过操作部15，操作无人漂浮机11，进行锅炉炉膛50的封闭空间的内壁检查。

检查是从图2所示的锅炉炉膛50的入口导入无人漂浮机11，然后使其在锅炉炉膛50内上升规定距离，通过地上侧的操作部15的操作，使其沿着4个方向的壁的内面旋转。然后，再次使其上升规定距离，相同使其沿着4个方向的壁的内面旋转。反复进行该操作，直到检查到锅炉炉膛50的顶部之后，使其下降并结束检查。

通过摄像部来检查内面的配管的龟裂等损伤的程度。在该检查时，在被封闭的屋内构造物，根据本实施例，由于在监视器部14中进行飞行位置以及损坏部位的确认，因此能够进行使内部的位置信息可靠的基于无人的检查。

如图1所示，无人漂浮机11通过机体保护部21(前方侧保护部21A、左侧保护部21B、右侧保护部21C、后方侧保护部21D)来防护周围，具备：设置于该机体保护部21的四角的上表面的漂浮单元即螺旋桨22、搭载于机体主体21E的中心部的距离测量部12、设置于前方侧保护部21A的一部分的静止图像摄像部13A、和经由支撑部13b而设置于后方侧保护部21D的动态图像摄像部13B。另外，由于距离测量部12扫描规定角度(在本实施例中为±135°)，因此能够通过未图示的旋转单元来进行旋转。

这里，作为确认内部信息的摄像部13，可以是静止图像摄像部13A或者动态图像摄像部13B的任意一个。

以下，在本实施例中，对使用激光扫描仪来作为距离测量部12的情况下的位置监控的顺序进行说明。

<水平方向的监控>

(1)为了实施水平方向的监控，首先通过距离测量部12来获取距离(r(t)，α_s)。

这里，图5中表示激光扫描仪的扫描的范围的一个例子。在本实施例中，使用了北阳电机社制的扫描式范围传感器“UTM-30LX(商品名)”来进行扫描。

如图5所示，该扫描式范围传感器是通过激光来进行扫描并且测定到检测物为止的距离的二维扫描式的光距离传感器，以0°为中心，扫描角度是±135°。

在图5中，距离(r)是从距离测量部12的激光扫描仪到内壁50a的测量时刻的实测距离，α是进行该测量的扫描步幅的角度。本装置中的扫描仪的测量步幅(s)为每0.25°。

(2)接下来，在惯性测量部(IMU)中，获取无人漂浮机11的姿势角度俯仰(pitch)角(θ(t))、偏航(yaw)角(ψ(t))、侧滚(roll)角

图6是表示实施例1所涉及的无人漂浮机的姿势位置的3个方式的图。

惯性测量部(IMU)对掌管运动的3个轴的角度(或者角速度)和加速度进行检测的装置。

这里，图6中，上段是无人漂浮机11的上下旋转的样子，是使朝向内壁50a侧的前方侧保护部21A(机首侧)升高或者降低的旋转(俯仰(θ))。图6中，中段是无人漂浮机11的机体的左右旋转的样子，是使机首的朝向向左右偏离、左侧保护部21B和右侧保护部21C向左右摇动的旋转(偏航(ψ))。图6中，下段是围绕无人漂浮机11的行进方向的轴的旋转的样子，是将机体向左右倾斜的旋转(侧滚)。另外，机体的左右是以行进方向为基准。

接下来，参照图3对位置监控测量步骤进行说明。

在飞行位置信息获取部16中，基于距离测量部12的实际距离信息和惯性测量部(IMU)的姿势角度信息，求出真实的距离。这是由于无人漂浮机11并不局限于能够一直沿着XY坐标飞行，因此需要进行修正。

图7是实施例1所涉及的水平方向的位置监控流程图。

水平方向的测量是通过第1步骤(S-1)～第5步骤(S-5)来进行的。

另外，在本实施例中，在该测量之前，设置了对在构造物50的内部将无人漂浮机11设置于底部时的初始朝向信息进行获取的初始朝向信息获取步骤(S-0)，但也可以省略该步骤。

1)第1步骤是通过距离测量部12，对无人漂浮机11与构造物50的内壁50a的水平距离信息(r(t)，α_S)进行测量的水平方向距离测量步骤(S-1)。

2)第2步骤是通过惯性测量部(IMU)，获取无人漂浮机11的姿势角度的姿势角度获取步骤(S-2)。

3)第3步骤是使用第2步骤(S-2)中获取到的姿势角度来修正水平距离信息(r(t)，α_S)的水平方向距离修正步骤(S-3)。

4)如图9所示，第4步骤是以惯性测量部(IMU)中获取到的偏航角(ψ)为基准，对无人漂浮机11的前后左右的至少2点(前(L_F(t))和左(L_L(t))、前(L_F(t))和右(L_R(t))、后(L_B(t))和左(L_L(t))、后(L_B(t))和右(L_R(t))的任意2点)的距离进行获取的水平方向距离获取步骤(S-4)。

5)第5步骤是根据构造物50的已知的横剖面形状信息，获取水平方向的当前位置信息的水平方向当前位置信息获取步骤(S-5)。

通过执行该第1步骤(S-1)～第5步骤(S-5)，能够获取将无人漂浮机11的测量时的姿势角度考虑在内的水平方向的真实的距离信息。

这里，利用第3步骤(S-3)中获取到的姿势角度来修正测量距离是如下进行的。

将由(r(t)，α_S)得到的激光测量点变换为(x_R，y_R)坐标。该坐标变换是根据下述式(1)来求出的。

【式1】

修正后的测量点(x’(t)，y’(t))的旋转坐标系的变换是根据下述式(2)来求出的。

【式2】

将根据式(2)而求出的值变换为激光测量的(r，α)坐标系。该坐标变换是根据下述式(3)来求出的。

【式3】

接下来，在第4步骤(S-4)中，以由惯性测量部(IMU)获取到的偏航角ψ(t)为基准，获取无人漂浮机11的前后左右的距离。但是，在扫描角超出规定的扫描范围的情况下，作为距壁侧的距离而不采用。

·将成为扫描角α₁＝ψ(t)的扫描角的数据设为正面距离L_F(t)

·将成为扫描角α₂＝Ψ(t)-90°的扫描角设为左侧距离L_L(t)

·将成为扫描角α₃＝ψ(t)+90°的扫描角设为右侧距离L_R(t)

·将成为扫描角α₄＝ψ(t)+180°的扫描角设为后方距离L_B(t)

在最后的第5步骤(S-5)中，使用能够测量的距离(最低2个：前后左右各自的至少2点)，根据已知的横剖面形状来获取当前位置(x(t)，y(t))。

由此，能够获取真实的当前位置，能够通过监视器部14来确认在该当前的位置拍摄到的摄像信息和位置信息。

每当无人漂浮机11移动就进行该位置信息的测量，由此能够可靠地进行连续的位置信息的掌握。

<高度方向的监控>

图8是实施例1所涉及的高度方向的位置监控流程图。

获取初始朝向信息的初始朝向信息获取步骤(S-10)使用获取水平方向的初始朝向信息的初始朝向信息获取步骤(S-0)中的信息。

高度方向的测量是通过以下的第11步骤(S-11)～第14步骤(S-14)来进行的。

6)第11步骤是通过距离测量部12，对无人漂浮机11与构造物50的高度方向的下方侧的距离信息(L_D(t)，α_s)进行测量的高度方向距离测量步骤(S-11)。

这里，基于高度方向的激光的测量通过未图示的反射镜等的反射光学系统来进行。在随着激光的照射距离上升而不能达到的情况下，也可以使其向上方侧反射来测量上方侧的距离信息(L_U(t)，α_s)。

7)第12步骤是通过惯性测量部(IMU)，获取无人漂浮机11的姿势角度的姿势角度获取步骤(S-12)。

8)第13步骤是使用第12步骤(S-12)中获取到的姿势角度(θ(t))来修正高度方向的距离信息(L_D(t))的高度方向距离修正步骤(S-13)。

9)第14步骤是根据构造物50的已知的纵剖面形状信息来获取高度方向的当前位置信息的高度方向当前位置信息获取步骤(S-14)。

第13步骤(S-13)的修正是根据下述式(4)来求出修正后的测量点(z’(t))。

【式4】

Z′＝z cosαcosβ…式(4)

根据以上所述，水平方向和高度方向能够从实际测量距离变换为真实的距离，能够可靠地获取位置信息。

其结果，能够实现可靠地掌握不能使用GPS的构造物50的屋内的基于无人机的测量位置的检查。其结果，不需要如以往那样在构造物50的内部设置脚手架或架设，能够大幅度地削减用于内部检查的劳力、成本以及检查时间。

图3是实施例1所涉及的构造物的屋内监视系统的构成框图。图4是实施例1所涉及的另一构造物的屋内监视系统的构成框图。

如图3所示，在本实施例中，是在无人漂浮机11一侧来执行位置信息处理的情况。

在本实施例中，飞行位置信息获取部16被搭载于无人漂浮机11一侧的规定区域(未图示)，这里，获取真实的当前位置信息，通过发送部13a来将该获取到的真实的当前位置信息发送到地上部一侧，并由监视器部14进行显示。

另外，无人漂浮机11的操作是由接收部15a接受来自操作部15的信号，并向漂浮机驱动部19发出飞行的指令。

此外，在本实施例中，将摄像部13(静止图像摄像部13A，动态图像摄像部13B)13的摄像信息同时经由发送部13a发送到地上侧，并由监视器部14进行显示。

与此相对地，在图4所示的另一实施例中，是使位置信息处理处于地上部的个人计算机PC的控制器终端一侧的情况。

在本实施例中，飞行位置信息获取部16被搭载于地上部一侧(基站)的PC的控制器终端，通过发送部13a来将距离测量部12的信息(信号)和惯性测量部(IMU)的信息(信号)发送到地上部一侧。然后，基于接收到的信息在飞行位置信息获取部16中进行处理，获取真实的当前位置信息，由监视器部14显示该获取到的当前位置信息。

虽然在本实施例中，通过发送部13a来发送由摄像部13拍摄的摄像信息，但在本发明中，并不限定于此，例如也可以将摄像信息暂时保存于无人漂浮机11一侧的摄像部的存储器部，在观察结束后，向地面工作站侧发送信息，使摄像信息与位置信息一致。

如以上所说明的那样，根据本实施例，能够实现使例如锅炉炉膛或烟囱等构造物50的内部的位置信息可靠的基于无人的检查，能够实现通过不需要例如脚手架架设从而大幅度减少劳力、成本以及检查时间。

【实施例2】

虽然在实施例1中，将距离测量部12中的测量作为一个点的信息，但本发明并不局限于此，也可以基于多个点的测量信息来提高位置测量的精度。

也就是说，在水平方向以及高度方向的距离计算中，以距离测量部12中的扫描角为中心来提取多个点，将平均的值作为各自的距离。并且，在该多个点之中半数以上为距离测量异常或者不能测量的情况下，不用于位置监控。

其结果，能够减少距离获取误差的影响。

-符号说明-

11 无人漂浮机

12 距离测量部(激光扫描仪)

13 摄像部(静止图像摄像部13A、动态图像摄像部13B)

14 监视器部

15 操作部

16 飞行位置信息获取部

21 机体保护部

22 螺旋桨

50 构造物