2015 Fiscal Year Research-status Report
遠隔操縦で検査できるコンクリート壁面検査ロボットの開発
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15K05905
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
高田 洋吾 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (70295682)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 移動ロボット / リモートセンシング / 社会インフラモニタリング / 遠隔操縦 / 数値流体力学 / 壁面走行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
橋梁やトンネルなどの社会インフラや、ビル、マンションなどの建築物について、老朽化が問題視されている。定期的点検と要補修として判断された損傷に対する大規模補修に比べ、頻繁点検と軽度補修の方が、社会インフラや建築物を長寿命化させることができる。しかし、労働人口減少の影響で点検員は減る方向にあるにもかかわらず、点検対象は益々増える方向にあるため、ロボットによる点検に強い要望が寄せられている。
そこで、社会インフラや建築物の壁面を撮影しながら走行可能なティルトローター駆動式壁吊観測用ロボット調査機 HORNETを開発した。壁面を検査するという目的において、マルチローターラジコンヘリと比較して、HORNETは、操縦安定性、消費電力、耐外風性能などの面で著しく優れている。ただし、現状のHORNETでは、フィードバック制御を行っていないため、建物の壁面検査中に横からの突風に煽られる。また、ロボットをいつでも直視して操縦できるわけではないため、ロボットが撮影した画像を遅延なく映し出すモニターを見ながら遠隔操縦することも必要になってくる。
本研究では、壁面に接触した状態で走行するHORNETの操縦安定性を確保するため、モデリングとそのモデルに基づく制御系設計を行う必要がある。また、遠隔操縦を行うためには、HORNETに取り付けられる小型軽量な映像転送装置が必要である。この装置は、広角レンズ付きのCMOSカメラとWi-Fiモジュール、FPGAによって構成されており、カメラが捉える映像をロボットの遠隔操縦者のすぐ手元のモニターに表示する。HORNETの安定化と、遠隔操縦技術が確立の後、現場で検査用ロボットとして有用かどうかを確認する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
開発済みのロボットHORNET一号機を用いて、面が粗い垂直壁にロボットの爪が接触しているときの消費電力が、非接触で空中静止しているときの消費電力に比べて少なくて済むことを確認した。ただし、消費電力の低減率は壁面粗さとローターの傾き角に依存する。比較的壁面が滑らかな場合は、ローターが水平になるようにティルト角を調整するのが好ましく、また、壁面が粗い場合は、摩擦力を利用できるため、壁にロボットを押し付ける形にティルト角を調整すれば消費電力が低減することを確認した。
HORNETを遠隔操縦するために、広角レンズ付きカメラとWi-FiモジュールをFPGAを介して結合し、得られた画像を外部へ送信することに成功した。離散ウェーブレット変換と算術的符号化を整数和減算のみでFPGA上で行うVHDLプログラムは、320×240ピクセルの画像をカメラの最大フレームレートである15 fpsで、カメラの撮影から外部モニターに映し出されるまでの遅延0.2 秒未満で、撮影、圧縮、無線送信、復元、画面表示を実現する。
新しく製作したHORNET二号機にはFPGAが搭載されているため、HORNET制御用のVHDLプログラムと遠隔操縦用VHDLプログラムを併合できる。そのHORNET二号機を用いて垂直壁面浮上の実験中に、カメラ画像に基づいた遠隔操縦を試みることができた。
現場適用に向けて、まず身近な大学内の六階建て校舎で、安全確保の上、地上から屋上に向けて壁面走行実験を試みた。その途中で横からの突風に煽られてHORNETが激しく暴れる現象が確認された。今まで、フィードバック制御を行うことは無かったが、現場適用に向けてその必要性を強く感じる結果となった。そこで、まずHORNET二号機にはジャイロセンサーを取り付けた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ロボットHORNETは小型軽量であるため、ロボットが高い位置に到達すると、横風で煽られる。安定化を図る手段としては、ロボットを重く作ること、ワイヤをレール代わりにしてロボットをそのワイヤに沿って動作させること、適切にフィードバック制御して、外乱の横風に対して頑強にすることなどが考えられる。ロボットを重くすれば、消費電力が大きくなり、ワイヤで支えれば、ロボットの自由度が失われるため、横風に強い制御系をロボットに構築するのが最も適していると考えて、今後は、制御系設計に向けて、ロボットのモデリングを行う。
ロボットのモデリングを目的として、HORNETのプロペラ周りの空気の流動解析を数値流体力学(CFD)を用いて行う。CFDコードは、以前からエンジンシリンダ内解析や魚ロボット周りの解析に用いてきたGTTコードをプロペラ解析用に改めて用いる。なお、CFDの活用は、揚力係数CL値と抗力係数Cd値を求めるためだけに限定する。なぜなら、ロボット全体のモデリングは複雑になることが想像されるためである。
得られたCL値、Cd値を用いて表現される常微分方程式を導き、それをルンゲ・クッタ法など簡易な数値解法で解いて、ロボットの運動をシミュレートする。ロボットの空間座標やローターの回転数、電流値など、各変数について、実験結果とシミュレーション結果を比較して、定量的にほぼ一致させるように調整する。得られたそのロボットHORNETのモデルを活用して制御系設計を試みる。また、ローターの断面形状として揚抗比が優れている形をCFDで算出して、その算出結果に基づいて3Dプリンターでローターを作ることも計画している。
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