きりばやしせいが氏名桐林星河授与学位博士 ( 工学 ) 学位授与年月日平成 28 年 3 月 25 日学位授与の根拠法規学位規則第 4 条第 1 項研究科, 専攻の名称東北大学大学院工学研究科 ( 博士課程 ) 航空宇宙工学専攻学位論文題目大型建造物内の調査を目的とした小型飛行ロボット - 不整地移

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れれすみい
7 years ago
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2 きりばやしせいが氏名桐林星河授与学位博士 ( 工学 ) 学位授与年月日平成 28 年 3 月 25 日学位授与の根拠法規学位規則第 4 条第 1 項研究科, 専攻の名称東北大学大学院工学研究科 ( 博士課程 ) 航空宇宙工学専攻学位論文題目大型建造物内の調査を目的とした小型飛行ロボット - 不整地移動ロボットの協調調査システム指導教員東北大学准教授永谷圭司論文審査委員主査東北大学教授澤田恵介東北大学教授吉田和哉東北大学教授田所諭東北大学准教授永谷圭司論文内容要旨巨大地震に代表される大規模災害が発生すると, 多くの建物は被害を受ける. 被災した建物内の人を救助するためには, まず要救助者がどこにいるかを把握しなければならない. また, 建物自体の詳細な情報を把握することで, 二次災害を防ぐことが可能となる. そこで, これまでに, 人間に代わって被災建造物内の調査を行うレスキューロボットの開発が望まれ, 多くの研究がなされ, また実用されてきた. レスキューロボットによる調査を行うにあたり, 大きな課題の一つが, 大型建造物内の高所調査である. この課題が重要な要素を持つ例として,2011 年 3 月に発生した東日本大震災により被災した福島第一原子力発電所内の調査が挙げられる. 被災した原子炉を廃炉するためには, 被災状況を把握することが必須であるが, 漏洩する放射線量が高く, 人間が長居することは不可能であり, ロボットによる調査が求められる. 原子力発電所の発電炉は, 地上高 50m 近くあり, 建屋内の複数のフロアにわたって多くの構造物が存在する. また, 天井高の高いフロア内の天井付近を配管が行き交っており, それらの放射線量を計測することが廃炉計画の制定に重要であるとされている. 一般的な地上を移動するロボット (UGV : Unmanned Ground Vehicle) による高所調査では, 重く安定した基礎と長大な腕を持つロボットが用いられるが, 発電所内部の通路は狭く, また, 階段が非常に急であるため, 走行可能な範囲が限られ, 十分な範囲の調査が行えない. これに対し, 高所調査を行うロボットとして, 地上移動型ではなく, 飛行型のロボット (UAV : Unmanned Aerial Vehicle) を用いる手法が, 近年, 注目されている. ところが, 飛行型ロボット, 特に屋内調査に利用可能な回転翼型ロボットは, 消費電力が大きいため飛行時間が短く, 調査可能な範囲を広げることが難しい. そこで, 本研究では,UGV と UAV を組み合わせることで, より広い範囲の調査が可能になるシステムについて提案し, 実験を元に有用性の検証を行う. 更に,UGV と UAV を組み合わせた調査システムにおける課題を解決するために,(1) UGV 上で UAV を充電するシステム, (2) テザー着陸機構を持つ折りたたみ可能な UAV,(3) 電線により地上から電源供給するシステム, の三種類についてそれぞれ提案し, 検証する. これらの研究により,UGV-UAV 協調調査システムの有用性を確認するととも 217

に同システムの性能向上を実現する本論文は全六章から構成される第二章では UAV と UGV による協調調査する手法について有用性を検討するため既存のロボットを用いた実験を行ったのでこれを報告する(図 1) この実験は東日本大震災で

では侵入できないエリアが複数存在したこのようなエリア図１図１屋内調査する屋内調査するUAV UAVととUGV UGV を UAV で調査することで調査範囲の拡大を図る UAV の電力消費を最低限に抑えるために UGV 上に設置したヘリ

建造物内の地図情報を図2 に示す図中の黄色の領域がUGV により情報収集した領域緑色の領域が UAV により情報収集した領域となるこのように UGV と UAV を組合せるシナリオにより調査範囲を拡大することに成功した一方 UAV については

狭い通路やドアを通り抜ける必要があるためロボットの寸法が制限されるその図 3 構築した UAV と UGV ため推力を得るために有利となる大きなプロペラを使うことはできずペイロードが限られる三つ目の課題は着陸の困難さである

3 に同システムの性能向上を実現する本論文は全六章から構成される第二章では UAV と UGV による協調調査する手法について有用性を検討するため既存のロボットを用いた実験を行ったのでこれを報告する(図 1) この実験は東日本大震災で被災した東北大学の研究棟の内部を調査することを目的とするが被災した研究棟は地上 9 階建てで広範囲にわたって被害を受けたため入居者は荷物を残した状態で退去していたそのため床面には障害物が散乱したまま残されており UGV では侵入できないエリアが複数存在したこのようなエリア図１図１屋内調査する屋内調査するUAV UAVととUGV UGV を UAV で調査することで調査範囲の拡大を図る UAV の電力消費を最低限に抑えるために UGV 上に設置したヘリポートで UAV を運搬し UAV による調査が必要な地点でロボットを離陸させ調査を行うというシナリオを提案しこれに基き実験を実施した二つのロボットにより収集された図 2 調査により得られたマップ(参考文献[1]より引用) 建造物内の地図情報を図2 に示す図中の黄色の領域がUGV により情報収集した領域緑色の領域が UAV により情報収集した領域となるこのように UGV と UAV を組合せるシナリオにより調査範囲を拡大することに成功した一方 UAV については大きく分けて三つの課題が実用化に向けての大きな障壁となることがわかったひとつ目の課題は飛行時間の短さである UGVによりUAVを運搬したとしても飛行可能な時間自体は変化しない二つ目の課題は UAV のペイロードである屋内調査の場合狭い通路やドアを通り抜ける必要があるためロボットの寸法が制限されるその図 3 構築した UAV と UGV ため推力を得るために有利となる大きなプロペラを使うことはできずペイロードが限られる三つ目の課題は着陸の困難さである提案したシナリオで調査するためには UAV は繰り返し UGV 上のヘリポートに着陸する必要があるところが着陸制御は世界的に見ても未だに精力的に研究が行われている分野であり今回のような未知環境を対象とする場合十分な着陸精度を繰り返し得ることはできていないそこで以降の章にてこれらの課題を解決するための三つの異なるアプロー 218

チを提案し検証する第三章ではひとつ目のアプローチとして UGV 上で UAV を充電する方式を提案するこの方式を用いることでロボットを帰還させずに繰り返し飛行させることが可能となり飛行時間という課題について解決を図ることができるまた繰り返し着陸を実現するため着陸時の許容誤差の大

協調調査システムの外観を図 3 に充電システムの構成を図 4 示すこのシステムを用い実際の調査ミッションを想定した評価実験を行った結果同じ飛行調査時間を得るためのミッション合計時間を 1/3 程度に短縮可能なことが確認された一方で要求図 5 構築した可折型マルチロータ機

この手法では UAV を運搬時に小型化することができ調査対象空間で展開することで十分なペイロードを得ることができるペイロードが拡大することによりより大きなバッテリを搭載することが可能になるため飛行時間の延長についても期待できるまたテザー方式は UAV の機体とヘリポート間を鋼製ワイヤのテザーで結び

4 チを提案し検証する第三章ではひとつ目のアプローチとして UGV 上で UAV を充電する方式を提案するこの方式を用いることでロボットを帰還させずに繰り返し飛行させることが可能となり飛行時間という課題について解決を図ることができるまた繰り返し着陸を実現するため着陸時の許容誤差の大きなヘリポートの開発を行うこの提案方式を実現するためには外部から制御可能な充電器や UAV に用いるリチウム図 4 構築した充電システム構成系バッテリを安全に充電するためのバッテリ管理デバイスが必要となるそこでこれらのデバイスの開発を行い提案手法の検証を行った構築した UAV-UGV 協調調査システムの外観を図 3 に充電システムの構成を図 4 示すこのシステムを用い実際の調査ミッションを想定した評価実験を行った結果同じ飛行調査時間を得るためのミッション合計時間を 1/3 程度に短縮可能なことが確認された一方で要求図 5 構築した可折型マルチロータ機仕様一杯の寸法で構築したヘリポートを用いても着陸に失敗することがあることが分かった第四章では二つ目のアプローチとして UAV に折りたたみ機構を搭載しプロペラ径を拡大する可折型マルチロータ機を提案すると共に提案する特殊な UAV を繰り返し安全に着陸させるための手段としてテザー方式を提案するこの手法では UAV を運搬時に小型化することができ調査対象空間で展開することで十分なペイロードを得ることができるペイロードが拡大することによりより大きなバッテリを搭載することが可能になるため飛行時間の延長についても期待できるまたテザー方式は UAV の機体とヘリポート間を鋼製ワイヤのテザーで結びヘリポート上図 6 テザーを引きながら飛行する可折型マルチロータ機に設置した巻き上げ機構でテザーを巻き上げることで強制的に UAV を着陸させる手法であるこの方式ではテザーによる飛行領域の制限を受けるが本研究が目的とするような屋内高所調査ではその制限が大きな問題とはならずむしろ飛行範囲が制限されることで不測の事態が発生した場合においても安全が保てるという 219

メリットとなる. 提案を基に実装した UAV の外観を図 5, 実験の様子を図 6 に示す. 折りたたみ時に従来機体と同寸法となる機体では, ペイロードは最大で 4 倍程度の改善を得られ, それに伴い, 最大で 3 倍程度の飛行時間を得られる. さらに, テザーによる着陸を行うことで, 繰り返し半径 10mm 程度に着陸することが可能であった.

5 メリットとなる. 提案を基に実装した UAV の外観を図 5, 実験の様子を図 6 に示す. 折りたたみ時に従来機体と同寸法となる機体では, ペイロードは最大で 4 倍程度の改善を得られ, それに伴い, 最大で 3 倍程度の飛行時間を得られる. さらに, テザーによる着陸を行うことで, 繰り返し半径 10mm 程度に着陸することが可能であった. 第五章では, 三つ目のアプローチとして,UAV に電線により電源を供給する有線給電方式を提案する. この手法図 7 提案する有線給電方式では, 地上から電源を供給するため,UAV には搭載できない巨大な電力源を用いることが可能になり, 連続飛行時間を拡張することが可能となる. 有線給電システムの概要を図 7 に, 飛行実験の様子を図 8 に示す. 構築した有線給電システムによる飛行実験の結果, 有線給電に用いる電線の種類により, 到達可能な高度, ペイロードの余裕が大幅に影響を受けることがわかった. そこで,UAV の実機を計測することで, 新たにアクチュエータ系のモデル化を行うと共に, 有線給電システムに用いるべき電線の選定手法について提案する. この提案手法を用いることで, 要求される高度まで到達可能な有線給電システムの構築が可能となる. 図 8 有線給電方式の実験の様子 ( 参考文献 [2] より引用 ) 以上に示した提案及び結果より,UAV-UGV 協調調査システムは, 福島第一原子力発電所のような大型な建屋内の調査に有用であることを確認した. 更に, 運用する対象に合わせて, 複数の性能向上手法を提案し, それぞれの手法について実運用上での有用性の検証を行った. 本研究により,UAV-UGV 協調調査システムの実用性を高め, レスキューロボットとして運用可能となったと言える. 参考文献 [1] Nathan Michael, Shaojie Shen, Kartik Mohta, Yash Mulgaonkar, Vijay Kumar, Keiji Nagatani, Yoshito Okada, Seiga Kiribayashi, Kazuki Otake, Kazuya Yoshida, et al. Collaborative mapping of an earthquakedamaged building via ground and aerial robots. Journal of Field Robotics, Vol. 29, No. 5, pp , [2] Seiga KIRIBAYASHI, Jun ASHIZAWA, and Keiji NAGATANI. Modeling and design of tether powered multicopter. In 2015 IEEE International Symposium on Safety, Security, and Rescue Robotics,

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isai300413web.indd 2012.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 研究動向紹介修士論文概要次元計測に基づくテレオペレーションシステム中京大学大学院情報科学研究科情報科学専攻日比野翔太郎高所や災害現場などの極限環境での作業には人的被害が起こりやすいというリスクが常に伴うその対策の一つとしてテレオペレーションロボットと呼ばれる遠隔操作ロボットによる作業が挙げられる