概要
本研究は、ドローンを都市部で安全かつ精度の高いナビゲーションを行うために、3D都市モデルを使用して自己位置を推定するシステムを開発し、実証実験を行ったものです。ドローンの運航管理システムを使い、リアルタイムで飛行中のドローンの位置を高精度に推定し、効率的な自律飛行を実現することを目的としています。
実施事業者
株式会社A.L.I. Technologies
実施場所
山梨県甲府市
実施期間
2022年4月～2023年3月
背景
近年、ドローンの活用は急速に広がっており、特に物流やインフラ監視、災害対応などで目視外飛行の重要性が高まっています。しかし、都市部でのドローン運用では、ビルの間でGPS信号が弱まることが多く、精度の高いナビゲーションが困難です。そのため、GPSに依存しない自己位置推定技術として、LiDAR（光検出と距離計測）やVisual SLAMが注目されています。これらの技術を利用することで、GPSが使えない環境でも高精度な自己位置推定が可能となります。
目的
この実証実験では、3D都市モデルを事前に作成し、LiDAR SLAMやVisual SLAMを用いてドローンの自己位置をリアルタイムで推定するシステムを検証しました。さらに、これらの自己位置推定に必要な計算処理をドローン本体ではなく、外部サーバーで行うことで、機体の負荷を軽減し、効率的な運用を目指しています。最終的には、都市部でのドローン飛行の安全性と精度を向上させ、オペレーションコストを削減することが本研究の目的です。
手法
LiDAR SLAMとVisual SLAMの2つの技術を組み合わせたシステムの開発
LiDAR SLAMは、ドローンに搭載されたLiDARセンサーから得られる点群データを使い、自己位置推定を行います。Visual SLAMは、ドローンに搭載されたカメラから得られる映像データを基に、自己位置を推定します。
3D都市モデルの作成
飛行予定の都市部の3Dモデルを事前に作成し、そのデータをドローンのシステムに取り込みます。この3D都市モデルは、ドローンの自己位置推定のための基準データとして使用されます。
データ処理の外部サーバー化
ドローンの自己位置推定に必要な大量のデータ処理を、ドローン本体ではなく、外部サーバーで行うことで、機体の負荷を減らし、軽量化を実現しました。これにより、長時間飛行や高精度な自己位置推定が可能になります。
飛行実験
山梨県甲府市で実証飛行を行い、実際の飛行ルートと自己位置推定の精度を比較しました。また、通信ネットワーク（LTE、5G）を介して、外部サーバーでのデータ処理がどの程度有効であるかも検証しました。
結果
自己位置推定の精度向上
LiDAR SLAMおよびVisual SLAMを用いることで、GPSのみのナビゲーションよりも精度の高い自己位置推定が可能であることが確認されました。特に、都市部のビルの間など、GPS信号が不安定な環境での飛行が安定し、事故のリスクが減少しました。
オペレーションコストの削減
データ処理を外部サーバーで行うことで、ドローンの機体を軽量化し、バッテリーの持続時間を向上させました。また、複数のドローンを同時に管理できるため、大規模なドローン運用にも対応可能となりました。
リアルタイムモニタリング
サーバー側でのデータ処理とリアルタイムでのモニタリングにより、飛行中のドローンの位置やステータスを遠隔で確認でき、異常が発生した場合にも迅速な対応が可能となりました。
考察
本実証実験により、GPSに頼らない高精度な自己位置推定技術の有効性が確認されました。LiDAR SLAMやVisual SLAMは、都市部でのドローン飛行において非常に有用であり、今後のドローン運用の標準技術となる可能性があります。また、外部サーバーを利用したデータ処理の仕組みにより、ドローンの機体に高性能なコンピュータを搭載する必要がなく、軽量化とコスト削減が実現できました。
しかし、外部サーバーへの依存度が高いため、通信環境が不安定な場合には、自己位置推定の精度が低下する可能性があります。このため、通信環境の整備や、通信が途絶えた場合のバックアップシステムの導入が今後の課題となります。
結論
本研究は、3D都市モデルとSLAM技術を組み合わせたドローンのリアルタイム・ナビゲーションシステムの実用性を実証しました。GPSに依存せず、外部サーバーを活用した自己位置推定技術は、都市部でのドローン運用において非常に有効であり、今後のドローンの自律飛行システムにおいて大きな役割を果たすと期待されます。また、通信技術やバックアップシステムの整備により、さらなる安全性と信頼性の向上が期待されます。
この技術の実用化により、物流やインフラ監視、災害対応など、さまざまな分野でのドローン活用が加速することが予想されます。
出典元
https://www.mlit.go.jp/plateau/use-case/uc22-025/
