天井裏など狭所空間で長時間飛行が可能な「天井吸着移動型ドローン」を開発、東急建設と都市大：ドローン

東急建設と東京都市大学は、天井裏やピットなどの狭所空間で、気流の吹上げと天井吸着を維持した直線移動や旋回が可能な「天井吸着移動型ドローン」を開発した。天井吸着飛行で約30％の消費電力の削減効果と、気流の吹上げ利用で安定飛行に成功した。

[BUILT]

　東急建設は東京都市大学 理工学部 機械工学科 准教授 西部光一氏、機械システム工学科 准教授 関口和真氏らと、天井効果を利用することで、建築物の天井裏やピットなどの狭所空間で従来型ドローンよりも安定かつ長時間飛行が可能な「天井吸着移動型ドローン」を開発した。

　研究成果は、2023年9月11〜14日に開催された第41回日本ロボット学会学術講演会や2023年10月7〜8日に開かれた第66回自動制御連合講演会で発表された。

天井吸着飛行で約30％の消費電力を削減と飛行時間も30％アップ

　作業員のアクセスが困難な建築物の天井裏やピットなどの狭所空間では、ドローン近傍の上下に存在する壁面による「天井効果」や「地面効果」など、壁面とプロペラ気流の干渉によって安定した飛行が難しいため、需要に反してドローン活用が遅れている。天井効果は、ドローンが天井に近づくと、プロペラによって生成される旋回流が上壁と干渉し、ドローンと上壁間の気圧が下がって上昇する力（推力）が増大する効果のこと。地面効果は、地面や床に近接すると、プロペラで生成される吹き降ろし気流と下壁が干渉することで、迎角が増加して上昇する力（推力）が増大すること。ともに、推力が急増すると飛行制御が難しくなり、上壁に衝突する危険性が高まる。

　また、狭所空間向けで実用化されている手のひらサイズの「マイクロドローン」は、ペイロード（最大積載量）が小さくバッテリー容量が不足しているため、作業員の代替として十分な調査時間を確保できないのが課題だった。

　研究では、課題解決に向けて、これまで機体上部に構造物（上壁）がある場合に、ドローンの安定飛行を妨げていた天井効果を積極的に利用した天井吸着移動型ドローンを開発。天井吸着時の方がホバリング時よりも、プロペラ回転数が約10％低下することで、消費電力が約30％低下し、連続飛行時間が約30％増えることが飛行実験で明らかとなった。さらに、天井にプロペラが近接する際、ドローン近傍の気流が吹き上がる現象を利用して、上下壁に囲まれた狭所空間での安定飛行と気流乱れの抑制を実現した。

天井吸着移動型ドローンと屋内飛行実験例（吸着直線移動と吸着旋回の例）　出典：東急建設プレスリリース

天井にプロペラ近接でドローン近傍の気流が反転する現象と、地下配管空間（建築ピット）の調査イメージ　出典：東急建設プレスリリース

　狭所空間では、オペレーターが機体を目視しながら操縦するのは困難で、機体に搭載したカメラの映像をリアルタイムで見ながら遠隔操縦する方式が想定され、オペレーターには高度な操縦技能が不可欠だった。一方で、新開発した天井吸着型ドローンは、車輪駆動で天井面を移動し、気流が反転していることから、従来機体よりも操縦が容易。また、気流反転によって、吹き降ろし流れが生成されないことから、ホコリなどが舞い上がらずに撮影映像の視認性が向上することも期待される。

　今後は、上壁への吸着力が大きいため、屋内環境下にとどまらず、橋梁（きょうりょう）下などの横風による外乱の影響を受けやすい屋外構造物の点検への利用も検討されている。