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Three-dimensional noise and spatial mapping system
with aerial blimp robot
バルーン型無人飛行船を用いた環境地図作成
5116E007-9 齊藤 良二 指導教員 及川 靖広 教授SAITOU Ryouzi Prof. OIKAWA Yasuhiro
概要:騒音問題を解決する手がかりとして,騒音マップとして騒音を可視化することは重要である.近年,様々な種
類の無人航空機が開発され注目を集めている.中でも,複数の回転翼を持つマルチコプタは,利便性が高い・低コス
トであるという利点があり,様々な分野で積極的に活用がなされている.マルチコプタを騒音計測へ適用することが
可能となれば,高い高度の騒音や,広範囲における騒音を手軽に取得することが可能である.本研究では,バルーン
型無人飛行船を用いた環境地図作成システムを作成した.また,3つの実験を行い,システムの有効性を示した.
キーワード:無人航空機(UAV),マルチコプタ,バルーン,周囲環境地図作成と自己位置推定,環境モニタリング
Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV), multirotor, balloon, simultaneous localization and mapping
(SLAM), environmental monitoring
1. ま え が き
騒音問題を解決する手がかりとして,騒音マップとし
て騒音を可視化することは重要である.近年,様々な種
類の無人航空機が開発されて注目を集めている.無人航
空機の中でも,複数の回転翼を持つマルチコプタは,有
人航空機と比較し,利便性が高い・低コストであるという
利点があり,幅広い分野で活用がなされている.マルチ
コプタを騒音計測へ適用することが可能となれば,高い
高度の騒音や,広範囲における騒音を手軽に取得するこ
とが可能である.しかし,マルチコプタは飛行時に大き
なプロペラ騒音が発生し,取得した音情報にプロペラ騒
音が混在してしまう.また,周囲環境情報を取得する必
要や,計測した音情報と位置情報を同期させる必要があ
る.しかし,マルチコプタを用いての騒音計測は,GPS
が使えない箇所などの周囲環境情報が未知な状況では測
定が困難であるという問題がある.そこで本研究では,
バルーン型無人飛行船を用いた環境地図作成を行う.機
体の浮力分のヘリウムガスを充填したバルーンにプロペ
ラを搭載し,従来のマルチコプタと比較し移動時のプロ
ペラ騒音を低減し,かつ,前後・左右・上下への全ての
方向に移動が可能である.また,機体にステレオカメラ
を搭載し,Simultaneous and localization and mapping
(SLAM)の技術を利用することで,周囲環境状況の取得
と自己位置推定が可能である.
2. システム概要
図-1, 2にシステムの外観と模式図をそれぞれ示す.シ
ステムは機体重量分の浮力を得るため,直径 1.4 mのバ
ルーンにヘリウムガスを充填した.移動のためのプロペ
ラをバルーン赤道に 2 つ,バルーン上部から 1/4 の箇
図–1 システム外観
図–2 システム模式図
所に 4つの計 6つ,システム制御のための制御基板をバ
ルーン最下部,SLAMのためのステレオカメラをバルー
ンの下部から 1/4の箇所にそれぞれ搭載した.
180°
135°
90°
45°
0°
45°
90°
135°
40 dB
50 dB
60 dB
70 dB
80 dB
SPL(Multirotor)A-weighted SPL(Multirotor)SPL(Proposed system)A-weighted SPL(Proposed system)
図–3 一般的な無人航空機と本システムのプロペラ騒音の比較
図–4 バルーンがある場合のインパルス応答のグラフ
図–5 三次元空間と騒音マップの作成
3. 評 価 実 験
3. 1 プロペラ騒音の評価
本システムは,一般的な無人航空機と比較しプロペラ
騒音を低減している.図-3は一般的な無人航空機と本シ
ステムのプロペラ回転騒音の比較である.どちらの機体
もホバリングさせた状態で,騒音計を機体に対して垂直
方向に 45度ずつ騒音計を回転させ計測を行なった.0度
が機体の真下,180度が機体の真上である.騒音レベル
を比較すると,本システムのプロペラ回転騒音は一般的
な無人航空機と比較して,平均で約 20 dBの低減が確認
された.
図–6 騒音計と本システムでの音圧レベルの計測の比較
3. 2 バルーンの音響特性
ヘリウムガス充填バルーンが計測に与える影響を評価
した.バルーンの中心から 3.0 m離れたところにスピー
カーを設置し,TSP信号を出力した.また,マイクロホ
ンをバルーンの表面から 0.05 m離した箇所に設置し,5
度ずつ回転させながらインパルス応答を計測した.図-4
はバルーンがある場合のインパルス応答である.バルー
ンがある際には,0~40度まではスピーカからの直接音
が最初に観測されているが,45 度以上になるとバルー
ンの透過音が最初に観測され,その後にスピーカからの
直接音が観測している.これは,バルーン内のヘリウム
ガス中の音速は空気中に比べ約 3倍の速さとなるからで
ある.
3. 3 三次元空間と騒音マップの作成
本システムを用いて三次元空間と騒音マップの作成を
行なった.図-5は本システムを 6 m × 6 m × 6 mの音
場内を自由移動させた際の,三次元空間と騒音マップを
作成した結果である.左図は実際のシステムの軌跡,中
図・右図は Unityで作成したシステムの軌跡上における
音圧レベルのマッピングである.音圧レベルは色のつい
た円で示されている.図-6は騒音計と本システムを用い
ての音圧レベルの計測の比較である.これは,システム
が飛行している位置における騒音計で計測した音圧であ
る.結果より,騒音計との計測は 2 dBほどの音圧差が
あるが,それを考慮しても騒音計測に十分適用できる範
囲であると考える.
4. む す び
バルーン型無人飛行船を用いた環境地図作成システム
を製作した.また,本システムと一般的な無人航空機の
プロペラ騒音を比較し,約 20 dBの低減を確認した.本
システムのバルーンの音響特性を比較し,ヘリウムガス
を充填したバルーンのインパルス応答と計測し,45度以
上の角度で入射した音は先に到達することが判明した.
また,本システムを用いて三次元空間と騒音の作成し,
本システムの有効性を示した.