東京都市大学は2023年12月12日、同理工学部 機械工学科および機械システム工学科と東急建設との共同研究チームが、建築物の天井裏やピットなどの狭所空間で安定して長時間飛行できる「天井吸着移動型ドローン」を開発したと発表した。
近年、作業員の負担軽減を目的とする建設現場での小型ドローンの活用が進んでいる。一方で、建築物の天井裏やピットなどの狭所空間では、壁面とプロペラ気流が干渉することにより安定した飛行が困難となるため、ドローンの活用がなかなか進んでいない。
狭所空間向けとしては、手のひらサイズの「マイクロドローン」が実用化されている。しかし、マイクロドローンはペイロード（飛行時の機器や荷物の最大積載量）が小さく、バッテリー容量も不足することから、十分な検査時間を確保できない点が課題となっていた。
同研究チームは今回、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した。
天井効果とは、ドローンが天井などの上壁に近づいた際に、プロペラによって生じる旋回流が上壁と干渉してドローンと上壁間の気圧が低下し、上昇する力（推力）が増大する効果を指す。従来は、狭所空間にてドローンの飛行制御を困難にする一因となっていた。
天井吸着移動型ドローンの吸着直線移動
天井吸着移動型ドローンの吸着旋回
一方、今回開発したドローンでは、天井吸着時にホバリング時よりもプロペラ回転数が約10％低下、消費電力が約30％低下し、連続飛行時間が約30％増大することが飛行実験によって判明した。
屋内飛行試験時の回転数の時間変化
屋内飛行試験時の消費電力の時間変化
さらに、天井にプロペラが近づくとドローン近傍の気流が反転し、天井裏や空調のダクト内など機体下部に壁面が存在する場合において、作用する地面効果をキャンセルできることを確認した。
地面効果とは、地面や床などの下壁に近づいた際に、プロペラによって生じる吹き降ろし気流と下壁が干渉し、迎角が増加して推力が増大する効果を指す。
PIV解析で得たドローンプロペラ近傍の速度ベクトル（気流吹き下ろし時）
PIV解析で得たドローンプロペラ近傍の速度ベクトル（気流吹き上げ時）
これらにより、狭所空間での安定飛行や気流の乱れの抑制、飛行時間の長時間化が可能となることを確認している。
今回開発した天井吸着型ドローンは、車輪駆動により天井面を移動する仕組みとなっており、気流も反転していることから、既存のドローンと比べて操縦が容易になることが期待される。
従来方式による狭所空間でのドローン飛行では、機体に備えたカメラからの映像をリアルタイムで見ながら遠隔操縦する方式が予想されるため、高度な操縦技能が不可欠とみられていた。
また、気流反転により吹き降ろし流れが生じないため、埃などが舞い上がらず、撮影映像の視認性向上にも寄与する。
今回開発した機体を用いた建築ピット内での調査イメージ
今回開発したドローンは、上壁への吸着力が大きいため、屋内環境下に留まらず、橋梁下など横風の影響を受けやすい屋外構造物の点検や調査作業にも適用可能となることが期待される。
