NEDO、土砂災害時にドローンによる埋没車両の探査を目指す

NEDO、土砂災害時にドローンによる埋没車両の探査を目指す

―つり下げ型の電磁探査システムで車両位置の特定実験に成功―


国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
株式会社エンルート
国立研究開発法人産業技術総合研究所
株式会社日立製作所
八千代エンジニヤリング株式会社

NEDOプロジェクトにおいて、(株)エンルート、産業技術総合研究所、(株)日立製作所、八千代エンジニヤリング(株)は、土砂災害時に地中に埋没した車両を空中から探査するシステムを開発しました。本システムはドローンに地下電磁探査センサーをつり下げたものであり、ヘリコプターと比べて、狭いエリアにアクセスでき、低空飛行でより細かな探査が可能です。
今回、実際に車両が埋設された静岡県内の実験サイトで検証実験を行い、地下1.5mの土砂内の埋没車両の位置の特定に成功しまた。今後、斜面などの実現場に近い環境下での実験を重ね、実用化を進めることで、人の立ち入りが困難な災害現場での救出活動の迅速化に貢献することを目指します。

図1 開発したシステムによる土砂災害現場での埋没車両の探査イメージ

1.概要

2016年の熊本地震による南阿蘇村立野地区での土砂災害や、2004年の新潟県中越地震に伴って発生した長岡市での土砂災害では、人命救助のために土砂に埋没した車両の迅速な探査が必要でしたが、二次災害の懸念もあり、人の立ち入りが難しい状況での車両探査作業は非常に困難でした。 また、地震による土砂災害だけではなく、近年はゲリラ豪雨などの不安定な気象に起因する土砂災害が頻発しています。例えば国土交通省によると2016年には1492件の土砂災害が発生※1するなど、今後、迅速な人命救助のための埋没車両の探査が必要となる可能性があります。
近年、災害現場で活用できるドローン※2の開発が盛んに行われています。ドローンは、空撮や測量、農薬散布、インフラ点検の分野での利用が進んでいますが、今後は災害対応の分野でも、人の活動が困難な災害現場で、ドローンを用いて埋没車両位置を探査できる技術の開発が期待されています。
そこで、NEDOのプロジェクト※3において、国立研究開発法人産業技術総合研究所、株式会社エンルート、株式会社日立製作所、八千代エンジニヤリング株式会社は、土砂災害および火山災害時に無人航空機や無人車両を用いて地形調査や地質調査を実施する技術の開発を行っています。地面に触れずに地下の様子を調査する物理探査法※4の一種である電磁探査法を用いて、ドローンによる地質調査を目指します。ドローンを用いた空撮や地形調査は既に一般的になっている一方で、地質調査の試みは世界でも先駆的です。
今回、プロジェクトの一環として埋没車両の探査に、ドローンを利用した技術の開発を進め、車両を埋設した実験サイトをもつ一般社団法人日本建設機械施工協会施工技術総合研究所(以下「施工総研」)において検証実験を実施しました。

2.実証実験の概要

今回、ドローンとセンサー部からなるドローンつり下げ型の電磁探査による、埋没車両位置特定システムを開発しました。システムのセンサー部は、地盤内の比抵抗※5分布を地表から計測することができ、地下に埋没した金属物体の探査ができます。本システムは、長さ1.6mの地下電磁探査センサー※6、位置情報収集用のGPS信号受信器、センサーの制御と計測データのモニタリングのための無線通信装置、地下電磁探査センサーの対地高度をモニタリングする超音波距離センサー※7で構成されます(図2)。

図2 ドローンつり下げ型電磁探査システムによる航行計測の様子(左図)とセンサー部(右図)

センサー部をドローンからつり下げて、航行しながら計測するには以下のような課題があげられました。

(1) 比較的重量のあるセンサー部(総重量4.5kg)をつり下げての安定飛行
(2) ドローンのモーターから発生する電磁ノイズの地下電磁探査センサーへの影響
(3) 風などの影響によるセンサー部の水平方向の回転
(4) 地表の小さな起伏や突風などの影響によるセンサー部の対地高度の変動
さらに、埋没車両の位置を災害現場で迅速に特定するには、以下の機能が必要です。
(5) 航行計測中の計測データのリアルタイムモニタリング
(6) 現場での迅速なデータ処理と可視化
課題(1)については、(株)エンルートが開発した最大積載可能重量が6.6kgであるマルチコプターZION CH940を採用しました。
課題(2)の電磁ノイズの影響を回避するには、ドローンとセンサー部の距離を離せばよいのですが、距離が離れすぎるとセンサー部が振り子のように揺れて、ドローンの航行が不安定になってしまいます。そこで、電磁ノイズによる影響を評価するために、ある固定地点でドローンとセンサー部の距離を3m、4m、5mと変化させて地下電磁探査センサーのデータを計測し、そのばらつきを表す標準偏差を算出しました(図3)。ドローンとセンサー部の距離が5mの場合にばらつきが最も小さく、電磁ノイズの影響が小さいと考えられますが、航行時の不安定性を考慮し、開発したシステムではドローンとセンサー部の距離を4mとしました。

図3 ドローンとセンサー部の距離を3m、4m、5mと変化させて計測した探査データの標準偏差
(ある固定地点でドローンの対地高度を15mに保ち、約20秒間、計測した探査データ(170サンプル)を使用。)

課題(3)については、センサー部がドローンの航行方向を向くように、センサー部の片端に垂直尾翼を装着しました(図2の右図)。装着した垂直尾翼による回転抑制効果は、ドローンの航行速度にも依存し、ドローンの航行速度を1m/sから5m/sに変化させた場合の回転抑制効果の観察から、少なくとも2m/s以上の速度が、回転抑制には必要であることを確認しました。
課題(4)のセンサー部の対地高度については、地下電磁探査センサーが地面に近すぎると地盤の導電性の影響を受けて計測データに金属物体と同様の異常を示す場合があり、これを避けるためにはセンサー部の対地高度を1m程度に保つ必要があります。また、ドローンにもレーザー高度計を装備してドローンの対地高度を一定に保つよう制御していますが、小規模な地表の起伏や突風などの影響による対地高度の変動は避けられません。そこで、今回、センサー部に距離センサーを取り付けて常にセンサー部の対地高度をモニタリングして、対地高度が小さい場合に計測された探査データは使用しない方針とし、今回の実証実験では対地高度が70cm以上の場合のみの探査データを採用しました。
課題(5)のリアルタイムモニタリングは、航行中のセンサー部の正常動作を確認する上でも重要なため、地下電磁探査センサーの制御やデータ伝送を無線化する装置を作製し、センサー部に装着しました。
課題(6)に関しては、計測した探査データとセンサー部の位置や対地高度の情報を調査現場で統合し、探査データを可視化するソフトウェアを開発しました(図4)。このソフトウェアはGIS※8を用いた測定データを航空写真に重ね合わせて表示する機能も備え、車両の埋没箇所を災害現場で特定できます。

図4 電磁探査データの処理・表示ソフトウェア
(上段)探査データ(緑色)と対地高度データ(灰色)のプロファイル表示
(下段)探査データを航行軌跡に沿って表示させた図

4.実証実験の結果

次に、開発したシステムを用いて、施工総研で実証実験を行いました。
施工総研には、軽自動車2台を地下1.5m(浅部)と3.0m(深部)に埋設し、埋没車両探査を模擬できる実験サイトが整備されています(図5)。今回、この実験サイトで、ドローンにセンサー部をつり下げて、航行速度約2m/s、センサー部の対地高度を約1mで航行させて計測する実験(ドローン航行計測)を行いました。実験では、探査対象エリアを比較的粗い飛行間隔で網羅的に探査する広域探査と、それにより抽出された特定のエリアをより細かな飛行間隔で詳細に探査する精密探査の2種類の実験を実施しました。

図5 施工総研の埋没車両実験サイトの車両埋設の配置
(2台の軽自動車が、深さ1.5mと3.0mの地中にそれぞれ埋設されている)

まず、広域ドローン航行計測で約70m×35mの実験サイト全域を測定したところ、以前建設されていた実験施設の地下に残された構造物は検知できたものの、浅部の埋没車両はわずかに把握できる程度でした(図6)。そこで、精密ドローン航行計測を行い、埋没車両によると思われるデータを検知したエリアを細かく航行しました。その結果、今度は浅部の埋没車両を明瞭に検出でき、深部の埋没車両もわずかながら検出できました(図7)。

図6 広域ドローン航行計測による探査データ(測定周波数60kHz)
(ドローン航行軌跡に沿って探査データの振幅を青線で表示(ただし、センサー部の対地高度が70cm以上の場合だけを表示)。過去に建設されていた実験施設地下残留構造物のある箇所が顕著に検出できた。また、浅部にある埋没車両も検出できた。)

図7 精密ドローン航行計測による探査データ(測定周波数60kHz)
(ドローン航行軌跡に沿って探査データの振幅を表示(ただし、地下電磁探査センサーの対地高度が70cm以上の場合のみを表示)。浅い埋没車両を明瞭に検出するとともに、深部の埋没車両もわずかながら検出できた。)

今回の実証実験のようなドローンを使用しての埋没車両探査の報告は見当たらず、今回の実験で成功により、実用化への道を開いたと言えます。今後、本システムの更なる改良を行うことで、災害現場で埋没車両を探査する技術として救助の迅速化に貢献できる可能性があります。

4.今後の予定

実際の災害現場は地形が急峻な場合が多いため、センサーをつり下げた状態での航行が不安定になる可能性があります。今後はより実際の状況に近い、起伏の大きな地形の実験サイトでの実証試験を行い、システムの改良を継続することが必要です。また、今回開発した技術を民間企業などに橋渡しし、災害時に役立つ技術となるよう実用化を促進します。

【用語解説】
※1 2016年には1492件の土砂災害が発生
平成28年の土砂災害 (国土交通省)
※2 ドローン
無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle、UAV)の総称。本件では小型無人航空機で4つ以上のプロペラを利用したマルチコプターを使用。
※3 NEDOのプロジェクト
プロジェクト名:インフラ維持管理・更新等の社会課題対応システム開発プロジェクト(2014年度~2018年度)
研究テーマ名:災害調査用地上/空中複合型ロボットシステムの研究開発(2014年度~2017年度)
※4 物理探査法
地下の資源や地質構造等を調べるために利用する物理的な手法。重力、磁力、放射能、地震波あるいは電気や電磁気等を利用した探査法がある。
※5 比抵抗
電気の通しにくさの指標。電気伝導度(電気伝導率、導電率)の逆数。岩石や地層の比抵抗は、空隙の割合や、それを満たす水の割合や水の比抵抗、および含まれる粘土成分の割合、さらに温度等で変化する。
※6 地下電磁探査センサー
送信ループと受信ループを内蔵し、電磁誘導現象を利用して地盤内の比抵抗分布の把握や金属物資の存在を検知する装置とシステム。送信ループに数十kHzから百Hzの変動電流を流すと、電磁誘導により、地盤内部や埋設した金属物質内に誘導電流(渦電流)を発生し、その誘導電流から磁場が発生する。その磁場を受信ループで受信することにより地盤内部の様子を非接触で把握する。
※7 超音波距離センサー
20 kHz以上の超音波を発信し、物体表面で反射し、戻ってくるまでに要した時間から、センサーから物体表面までの距離を計測するセンサー。
※8 GIS
地理情報システム(Geographic Information System)の略。地理的位置を手がかりに、位置に関する情報を持ったデータ(空間データ)を総合的に管理・加工、視覚的に表示し、高度な分析や迅速な判断を可能にする技術。

5.問い合わせ先

(本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先)
NEDO ロボット・AI部 担当:安川(裕)、長野、内山 TEL:044-520-5241­

国立研究開発法人 産業技術総合研究所 地圏資源環境研究部門
研究部門長 光畑 TEL:029-861-2387 FAX:029-861-3688 E-mail:y.mitsuhata@aist.go.jp

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)
NEDO 広報部 担当:藤本、坂本、髙津佐 TEL:044-520-5151­ E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp

情報提供元:国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100779.html

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