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成果報告書詳細
管理番号20190000000351
タイトル平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)/インフラ維持管理・更新・マネジメント技術 維持管理ロボット・災害対応ロボットの開発 二輪型マルチコプタを用いたジオタグ付近接画像を取得可能な橋梁点検支援ロボットシステムの研究開発
公開日2019/6/14
報告書年度2014 - 2018
委託先名富士通株式会社 国立大学法人名古屋工業大学 国立大学法人東京大学 国立大学法人北海道大学
プロジェクト番号P14031
部署名ロボット・AI部
和文要約件名:平成26年度―平成30年度成果報告書 SIP(戦略的イノベーション創造プログラム)インフラ維持管理・更新・マネジメント技術/維持管理ロボット・災害対応ロボットの開発/二輪型マルチコプタを用いたジオタグ付近接画像を取得可能な橋梁点検支援ロボットシステムの研究開発

 本研究開発では、ロボット技術、情報技術により、橋梁点検・維持管理を支援する技術の実現を目的として、コンクリート橋梁の橋脚、箱桁、および支承部の近接撮影を行うため構造物に接触しながら移動可能な二輪型マルチコプタ、撮影画像に点検個所の位置情報を付与することで、構造物の三次元モデル上に点検データを蓄積・管理するデータベース技術の研究開発に取り組んだ。

【二輪型マルチコプタの開発】
 点検用途に応じた3種の二輪型マルチコプタを開発した。
・小型二輪型マルチコプタ:支承高30cmの狭隘部に進入して、支承部の近接撮影を行うことができる車輪径25cmの機体を開発した。支承部上を車輪駆動で移動し、LED 照明とカメラ雲台制御により、支承部内の所望の場所を所望のアングルで撮影することができる。
・中型二輪型マルチコプタ:桁内等の狭隘部に進入して、狭いコンクリート面の近接撮影を行うことができる車輪径50cmの機体を開発した。保護フレームにより、構造物と接触しても機体/構造物ともに破損しないように保護する。
・大型二輪型マルチコプタ:高橋脚などの広いコンクリート面を全面掃引して、近接撮影を行うことができる車輪径100cmの機体を開発した。3台のカメラで広域の近接画像を効率的に撮影可能である。また、長時間運用のための有線給電装置を開発した。
さらに、二輪型マルチコプタの操縦を簡単化する制御アルゴリズム、非直接目視下での遠隔操作のための俯瞰カメラ装置を開発した。

【構造物の三次元モデル上に点検データを蓄積・管理するデータベース技術の開発】
 ジオタグ添付技術、3D-CADモデルの半自動生成技術、点検データを3次元で一元管理する技術等を開発した。
・ジオタグ添付技術:撮影画像への位置情報の自動添付を実現するため、全天球カメラを用いたSfM(Structure from Motion)により、マルチコプタの自己位置推定と周辺環境の3次元モデリングを行う技術を開発した。9.3mの移動で誤差0.09m以内の位置推定精度を実現した。
・3D-CADモデルの半自動生成技術:3次元計測点群を完全自動で高速位置合わせするレジストレーションソフトウェア、3次元計測点群から橋梁の主要平面領域を自動抽出してその抽出平面データを3D-CAD用のシステムスクリプトに自動変換するソフトウェア等を開発した。メジャー計測と手動操作による3D-CADモデル生成に比べ、モデル作成時間を約1/10―1/3に短縮した。
・点検データを3次元で一元管理する技術:国際標準規格IFCをベースにして、橋梁定期点検調書だけでなく国土交通省が案として提出した橋梁管理カルテに必要となる情報を格納できるように拡張した橋梁維持管理データモデルを開発した。また、この橋梁維持管理データモデルを用いた3次元維持管理データベースシステムを開発し、点検画像や損傷情報等の点検データをWebアプリで登録/参照可能なシステムを実現した。

 開発した二輪型マルチコプタとデータベース技術は、SIP地域実装支援チーム主催による現場実証試験に参加して検証・評価を行い、社会実装に向けた課題抽出・改良を継続的に実施した。また、開発成果は講演会等で発表を行い、開発技術の普及および社会実装に向けた活動に取り組んだ。
英文要約Title: Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion Program (SIP), Infrastructure Maintenance, Renovation, and Management / Development of a bridge inspection support robot system that uses proximity-images with Geotag and a two-wheeled flying robot (FY2014-FY2018) Final Report

To support bridge inspection and maintenance using robotics and ICT, we developed a two-wheeled multicopter and a 3D-model-based bridge maintenance database system. The two-wheeled multicopter flies in the air but its wheels keep in contact with a bridge structure to take close-up images of the bridge piers and bearings. The 3D-model-based bridge maintenance database system stores and manages inspection data on a 3D-CAD model by attaching geotag information to the close-up images automatically.

[Development of the two-wheeled multicopter]
We developed three kinds of two-wheeled multicopters.
(1) A small-sized two-wheeled multicopter that has two wheels of size 25 cm and can enter narrow spaces near bridge bearings. We also developed a wheel driving system and a camera gimbal device that can be controlled remotely to take close-up images of a bearing.
(2) A medium-sized two-wheeled multicopter that has two wheels of size 50 cm and can take close-up images of the narrow concrete surface. A cylindrical cage protects the multicopter and bridge against damage caused by collision.
(3) A large-sized two-wheeled multicopter that has two-wheels of size 100 cm and can sweep a wide concrete surface, such as a high pier to take close-up images.

[Development of the 3D-model-based bridge maintenance database system]
We developed the following technologies for the 3D-model-based bridge maintenance database system:
(1) Geotagging technology: We developed a SFM (structure from motion) algorithm using a 360 degree spherical camera to estimate the camera positions and generate the 3D structure of the surrounding environment.
(2) Semiautomatic 3D-CAD model generation technology: We developed a fast algorithm for the automatic markerless registration of laser-scanned point clouds of bridges. We also developed a software in which planes are extracted and solid models of piers are generated.
(3) 3D-model-based bridge maintenance data modeling technology: We developed a data model for bridge maintenance based on the Industry Foundation Classes (IFC). We also developed a database system to store and search inspection data, which are expressed by the data model for bridge maintenance based on the IFC model, and a web browser application to register and view inspection data.

We participated in the verification test held by the SIP local implement support teams to verify and evaluate the development of our technology. We continuously worked on the improvement and expansion of our technology and the activities for social implementation.
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