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空撮から放射線量測定まで―ドローンの利用分野とは

ドローンが拓く「空の産業革命」(2)多様な分野での活躍

鈴木真二
東京大学大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻 教授
情報・テキスト
東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻教授の鈴木真二氏が、ドローンの機能と利用法について解説する。ドローンにはフィードバック制御による自動操縦システムが組み込まれている。これによって、空撮や物資輸送、物資投下から、無線の空中中継、空中でのサンプリング調査まで、さまざまな利用法が可能になっている。(全6話中第2話)
時間:09:12
収録日:2017/07/10
追加日:2017/08/27
≪全文≫

●ドローンにはフィードバック制御が用いられている


 ドローンは、ヘリコプターと同じように、不安定な動きをします。一般的に、動的なシステムの特性は、安定・中立・不安定の3つに分けることができます。「安定」は、少しバランスが崩れても、自動的に元の位置に戻ることを意味します。「中立」は、例えば平らな床の上に玉が置かれているように、どこでも止まることができるということです。また「不安定」は、少しバランスが崩れると、もう元には戻らないという意味です。マルチコプターは、こうした不安定な特性を持っています。

 つまり、常に操縦・制御しておく必要があるということです。しかし、人間がマルチコプターを制御するには、非常に難しい操縦をしなければなりません。そこで、自動制御であるフィードバック制御が用いられています。具体的にいうと、半導体ジャイロが中に組み込まれており、それが機体の傾きを検出すると、傾きが止まるように、自動的にプロペラの回転数を変えるのです。マルチコプターには、こうした自動操縦・制御のシステムが組み込まれています。

 また、GPSを利用すれば、同じようにフィードバック制御で、自動飛行も可能になります。GPSは、地球の周りを回る衛星から電波を捕獲し、自らの位置を予測します。そして、自機の位置とあらかじめ与えた目標位置の差によって機体を傾け、目標位置に向けて自動的に進んでいくように、マルチコプターを制御できるのです。ただし、GPSには通常10メートルほどの誤差があるため、高度を正確に求めるために、気圧高度計や超音波高度計などが利用される場合もあります。


●ドローンの操縦は、基本的にはラジコンと同じ


 ドローンの操縦は、基本的にはラジコン、いわゆる遠隔操作の模型飛行機と同じです。コントローラーのスティックを、マニュアルで操作して操縦します。ただし、ドローンにはGPSやコンパスが備えられている場合が多く、こうした機能を利用すれば、空中の一点で、自動的にホバリングさせることもできます。空中からの撮影を行う場合には、こうした機能は欠かせません。

 また、カメラの映像を、手元のタブレットやスマホに映し出す機能も備えられています。これは自分があたかもドローンに乗っているかのような、バーチャルリアリティーを作り出します。手元のカメラを見ながら操縦する、ファースト・パーソン・ビュー(第一人称視点)と呼ばれる飛ばし方で、機体を飛ばすことができるのです。さらに、GPSを利用して、あらかじめ飛行地点(ウェイポイント)をコンピューターの中に作成しておけば、その地点を随時目標位置として、自動で経路を飛ばすプログラム飛行(自動飛行)も可能です。


●無人航空機では2種類の無線が使われている


 このように、無人航空機では、無線が重要な役割を果たしています。無線には2つの種類があります。1つ目は、機体を制御するための無線で、コントロール・アンド・コマンド(C2LINK)と呼ばれています。この無線は遅延や途切れがなく、常に制御を行う場合に用いられます。2つ目は、画像転送などに用いられる、ペイロードLINKです。この無線は、大量のデータを送る必要があります。

 現状では、市販のマルチコプターは、無線LANが利用している2.4ギガヘルツ帯の無線を使っています。無線LANの周波数は、他でも使用されているものであり、注意しなければいけません。


●空中の放射線量計測にドローンを使う実験が行われている


 次に、ドローンの利用分野について、簡単に見てみましょう。まず、現在広く使われているのは、空撮です。すでに、テレビや新聞の報道、あるいは映画で、空からの映像を撮る場合には、ドローンが欠かせないものになっています。ヘリコプターやクレーンで行っていた従来の空撮に比べて、低い高度で、ダイナミックな撮影ができるのです。

 また、建物やトンネル、橋梁の点検など、高所の作業にドローンを使おうという試みも出てきています。最近では、空から撮影した映像を加工することによって、測量を行うこともできるようになりました。工事現場や作業現場での測量用に、今後、大きな市場が期待できます。

 小さな荷物の配送・輸送も、ドローンの重要な利用分野です。現状では、まだ大きなものは運べませんが、小さなパッケージであれば簡単に運べます。特に防災の分野で、薬品などの緊急物資を届けるといったことが期待されていますし、将来的には、配送業での利用も考えられています。

 さらに、日本ですでに行われている農薬散布は、空からの物資投下に相当します。空から消火剤をまけば、消防作業にも利用できるでしょう。

 空飛ぶドローンを、無線の中継機として使う研究も行われています。東日本大震災の際に、地上の無線局が機能を失い、通信ができなくなりました。空...
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