JP6815645B2

JP6815645B2 - ドローンの離着陸装置及び災害発生予測システム

Info

Publication number: JP6815645B2
Application number: JP2017181903A
Authority: JP
Inventors: 山田　忠幸; 忠幸山田
Original assignee: 山田技研株式会社
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-09-22
Also published as: JP2019055730A

Description

本発明はＧＰＳ、気象観測器、水平３６０°撮影カメラ、情報伝送器、水力発電とソーラ発電をタワー型式に一体化した電動式無人飛行機（ドローン）の離着陸装置、及び災害発生予測システムに関するものである。

火山噴火、土砂崩れ、洪水、雪崩などの災害が近年頻発しているが、山間地ではこれらの災害を予測する為に、火山性ガス・地盤傾斜・振動・温度・河川水位等を観測する装置を設け、災害の発生が予測される場所をカメラで画像監視するシステムが構築されている。
しかし、限定範囲での観測とは言え、災害発生場所はその時々に異なることから監視カメラの設置場所は全体を眺められる場所を選定しなくてはならず、災害発生点から比較的離れた場所になることが多く、また発生点が地形や立ち木の陰になって画像が得られない問題がある。

ところで災害の状況を把握する為に、近年急速に性能が向上しているドローン（電動式無人飛行機）の利用が進んでいる。
しかし、災害発生後に現場へドローンを持ち込んで状況を観測するのは時間的遅れが生じ、また多くのドローンは飛行時間が２０〜３０分と短く、安全な場所から飛ばすので無駄な飛行時間が必要になる。
災害発生が予測される場所では何時でも観測可能な体制が必要で、ドローンを持ち込んで飛ばす方法では情報の即時性が得られず、特に人災が予測される場合は避難情報としての即時性に欠ける欠点がある。

特開２００９−２２３４０７号に係る「管理装置および災害情報取得システム」は、災害が発生し、災害地での情報収集が決められた際、無人機を迅速に出動させられるようにする。
災害検出装置は災害を検知したとき管理装置に災害検出信号を出力する。管理装置は無人飛行機に発信前処理の命令信号を出力する。保管状態の無人飛行機はカタパルト上に配置されカタパルト端子と接続している。無人飛行機はカタパルト端子から管理装置の命令信号を受けて発進前処理を実行する。発進前処理において、無人飛行機はバッテリーを充電し、自律飛行用の測位センサを初期化する。システム運用者が無人飛行機を災害地に発進させる必要があると判断したとき、既に発進前処理が行われているため、無人飛行機は直ちに災害地に向けて発進し、災害地の情報を収集することができる。

特開２０１７−７１２３３号に係る「ドローン用シェルター」は、吹雪や風雨が強い時にドローンが避難待機し、自動で充電を繰り返し、断続的にドローンが運行可能なように配慮したドローン用シェルターである。
ドローン（自律式マルチコプター）の出入り口を下側にガード付で設置して吹雪や台風でも雪や雨が内部に浸入しないような構造とし、また内部に充電機の接点との合致を確実にするためのガイドを設置したドローン用シェルターであって、充電機及び画像伝送等の通信部を付帯し、さらに必要に応じ太陽光発電機又は風力発電機、あるいは太陽光発電機と風力発電機の両方を付帯する。

このように、各種機能を備えたドローンは知られているが、災害対策用として本発明が目的とする機能を備えたドローンの離着陸装置（ドローンタワー）は存在していない。
特開２００９−２２３４０７号に係る「管理装置および災害情報取得システム」特開２０１７−７１２３３号に係る「ドローン用シェルター」

このように、従来のドローン（電動式無人飛行機）を災害対策用として使用するには問題がある。本発明が解決しようとする課題は発生するあらゆる災害に対処することが出来るドローンの離着陸装置及び災害発生予測システムを提供する。

例えば火山性ガス・地盤傾斜・振動・温度・水位・土砂崩れ・雪崩等の観測値に異常を感じた場合、付近の詳細な画像をリアルタイムに取得して災害対策として活用するため、ドローン(電動式無人飛行機)を現地の危険個所付近に置いて必要に応じて遠隔で発着を制御するか、又は自動で発着することが出来るシステムが必要である。

災害が頻発する地点近くにドローンを置いて繰り返し無人で離着陸させる場合、該ドローンの設置場所は危険で人の点検は時間的制約があり、目安として年１回程度に留める必要がある。この場合、設置場所に自生する草木の年成長背丈を想定したドローンの格納庫高さを考慮する必要がある。また、無人でドローンの離発着を継続的に行うには、充電機能／情報伝送／その他必要な機能を柱形状のドローンタワーに一体化する必要がある。

本発明はドローン離着陸装置（ドローンタワー）であり、最上部にはドローン格納庫が位置し、ＧＰＳ、気象観測器、周辺状況記録カメラ、情報伝送盤、無線観測装置、並びに電源装置を一体化した構造と成っている。そこで、現地での組み立て作業を省くことで設置時間が短縮され、危険な場所での滞在時間を最短に抑制出来るように構成している。

ドローンタワーを構成する主な要件を説明する。
［ドローン格納庫］
上端に設けているドローン格納庫は電動又はその他の方法で開閉する屋根を有し、ドローンの離陸／着陸時に応じて自動で開閉するものとする。
［気象観測器］
気象観測器は、ドローンの離発着に影響する気象（風向／風速／気温／湿度／雨量／気圧）の６要素から成る観測機能を一体的に構成するものとし、離陸と着陸が可能な気象、特に風向・風速・雨量を考慮して自動で離着陸を行うことが出来る。
［電源装置］
山間地での電源確保はドローンタワー設置場所に左右され、離着陸時に風の影響が少ない場所が望ましい。谷間に設置することが多くなることから、太陽光発電が不利な場所になりがちで、その為に河川管理法の適用を受けない小川や沢の水を利用するのが有利で、電源装置はピコ水力発電を主体として太陽電池を補助的に用いた構造としている。
水力は落差３〜１０ｍ程度、水量２リットル／秒程度で３０〜１００ｗの発電を行い、渇水期に電力不足が生じる場合は補助的に太陽光発電を用い、電源装置の蓄電池を充電する。
そこで、電源装置の蓄電池容量は、ドローン搭載蓄電池容量の数倍の規模とし、緊急事態に行う繰り返し飛行に耐えるものとする。
ドローンの充電は短時間で済ませることを前提とし、飛行の連続性が必要な場合は蓄電池の自動取り換え装置を選択する。
電源装置の蓄電池は常に満充電状態を保ち、ドローン本体の蓄電池は着陸後、直ちに充電を行なって満充電とする。
渇水期の補助電源としての太陽電池は、ドローン格納庫の屋根に取付けられる。
［記録カメラ］
ドローンタワーは野生動物の生息域に設置することから動物被害が予測されるので、動物の体温に反応する赤外線センサー等を利用して画像の記録と情報伝送を行うと共に、定時撮影で周辺環境の変化記録を行ない、将来の獣害対策や植物対策等に活かすことが出来る。
カメラ台数はドローンタワーを中心に水平３６０°の画像を残す目的で３台程度を設けるものとする。
［情報伝送盤］
ドローンタワーには情報伝送盤が取付けられ、格納時のドローン状態、ＧＰＳ位置と時間の管理、気象観測、電源装置の状態、小電力無線観測の情報、記録カメラ情報、等を地上の無線情報インフラ、例えばドコモのデータ通信などを利用するか、又は、付近にインターネット回線があれば、ＷＩＦＩなどの無線伝送機能を用いてインターネトに接続してドローンを管制する専用の管制サーバーに情報を伝送するように構成している。
ドローンの定時観測の飛行業務は、あらかじめ設定したコースの画像撮影等の情報収集を定時毎に行うが、天候が悪く飛行出来ない場合は自動で管制サーバーへ通知する。
また、定点観測の定時観測と緊急観測はその都度管制サーバーへ伝送する。
［離陸方法］
ところで、タワー上端に設けた格納庫に収容されているドローンが飛び立つ場合、離陸を要求する前に気象状況を判断する。離陸可能な場合はドローン格納庫の屋根を開き全開信号を確認してドローンを固定している位置修正装置の固定を解除してドローンに離陸を指示する。ドローンを固定する位置修正装置は、ドローン着陸時にドローン格納床の中央から外れて着陸した場合、床の中央へ移動する装置であり、地震等の振動による移動を防止する為の固定機能を有するものである。
［狭所着陸方法］
そして、ドローンを狭い格納庫の床に着陸させる方法は次のように行う。
ＧＰＳでドローンタワー付近の上空へ戻ったドローンは、格納庫の屋根を開く無線信号を情報伝送盤に送って開き、ドローンは撮影用のカメラを真下に向け格納庫床のポインター図形を認識し、降下位置を決めて徐々に高度を下げ着陸する。
夜間は暗闇で画像が得られないので、ポインターをＬＥＤ発光素子で描き誘導する方法とする。
ドローン格納庫の床に着陸したドローンの位置は床の中央部から少し外れる場合が多く、床面に設けた位置修正装置でドローンを床中央へ移動すると共に、地震の振動などで位置ズレしないよう固定され、充電を行う。

本発明に係るドローンタワーは、ドローンを上端に設けた格納庫に収容し、何時でも該格納庫から離陸し、また格納庫に着陸することが出来る。格納庫には屋根が取付けられていて、その為に収容されているドローンは風雨に曝されることなく、床面には位置修正装置が設けられている為に、着陸したドローンの位置を正しく修正すると共に地震が発生しても位置ズレしないように固定することが出来る。そして、着陸と同時に床に設けた充電電極によって再び飛び立つことが可能なように充電される。
電源としては、僅かな水量で発電することが可能な水力発電装置を備え、また補助的に太陽電池を取付けている。

定点観測装置とドローンタワーにはＧＰＳと省電力無線装置を取り付け、河川水位、火山性ガス、傾斜計、土砂崩れ観測器、雪崩観測器、等の観測値をドローンタワーに送る。特定小電力無線の通信距離は見通しの良い場合、数キロメートル届くものを用いる。
観測は定時観測と緊急観測に分け、緊急観測はセンサー毎に予め設定した異常な値を観測した場合、観測場所・時間・測定値を即時に伝送することが出来る。
［定点観測と連動する飛行］
異常内容を受信した情報伝送盤は続けて管制サーバーへ情報を伝え、サーバーは予め設定してある携帯電話へ情報内容を伝えて人的支持を待つものとするが、待ち時間を過ぎても指示が出ない場合は、自動で異常を発信したセンサー上空付近の画像を撮影して伝送することが出来る。
［被災者救助への応用］
ドローンの到達可能範囲で人的災害が発生したときは、管制サーバーに被災場所のＧＰＳ位置を入力して自動で指定場所へ直行する飛行指示を出し、付近に到達した場合は自動飛行から人の操作に切り替えて被災者を探す。被災者が見つかった場合は管制室から音声で被災者に呼びかけ、収音マイクで遭難者の音声を聴きとる機能を付加して、遠隔会話ができるようにしている。
［農業等獣害対策への応用］
農業分野で問題となっている鳥や獣による害の対策を目的にドローンタワーの応用では、獣を感知する赤外線センサーとＧＰＳを組み合わせ、ドローンで追い払うことが出来る。

ドローンタワーの実施例を示す正面図。ドローンタワーの実施例を示す側面図。格納庫の床面平面図。格納庫の屋根平面図。

図１、図２は本発明に係るドローンタワーを示す実施例であり、正面図と側面図を表している。同図の１はドローン、２は格納庫屋根、３は格納庫床、４は屋根開閉機を表し、ドローン格納庫は複数本の支柱１２，１２・・・で構成しているタワーの上端に設けられ、ドローン格納庫は格納庫屋根２、格納庫床３、及び屋根開閉機４にて構成している。
そして、５は気象観測器、６は記録カメラ、７は情報伝送盤（ＧＰＳ内蔵）、８は無線観測装置、９は水力電源装置で、これらを一体化して現地の組み立て作業を短縮することが出来る構造としている。また、上記情報伝送盤７は電波が通る樹脂製の箱でＧＰＳを内蔵している。給水管１０と排水管１１は水力発電用であり、太陽電池１３を収納庫屋根上に取り付けている。

水力電源装置９は給水管１０から入る水を利用して水車を駆動、水のエネルギーを電力に変換した水は排水管１１に接続した管から河川に放流する。この小型水力発電は落差約９ｍで水量２リットル／秒の水を利用してペルトン水車を駆動し、２倍の増速機で発電機を回し、直流１８Ｖ・８０Ｗを発電して発電装置に内蔵する１５０ＡＨの主蓄電池を充電することが出来る。
ドローンの蓄電池容量は１５Ｖ−４０ＡＨ程度で、電源装置の蓄電池で概ね連続３回の飛行をカバーすることが出来る。

上記太陽電池１３は渇水で水力発電が低下した場合のバックアップ電源として主蓄電池の充電を行う。
情報伝送盤７にはＧＰＳ／ＥＣＵ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通信機器を収納し、ドローンタワーの状態、水力発電装置９の回転数／発電電圧／発電電流、並びに、太陽電池１３の電圧／発電電流、主蓄電池電圧、格納庫屋根２の開閉状況、気象観測器の観測値、並びに、タワー周辺の状況を得る記録カメラ６の画像情報、及び、ドローン１との通信、無線観測装置８が収集する観測情報を、無線を用いたインターネット回線で専用の管制サーバーと結んでいる。

そして情報伝送盤７とドローン１の通信はＷＩＦＩを用いた。
無線観測装置８は所定の場所に配置して河川の水位を計測する河川水位計と、山間部での土砂崩れを観測することが出来る傾斜振動計を含み、現地観測機器の計測信号を省電力無線を用いて受信することが出来るようにしている。

ドローン１は格納庫屋根２の全開信号を確認し、飛び立ち半径１０ｍ以上離れたことを確認して格納庫の屋根を閉じる。そして、飛行を終えドローンタワーへの帰還は、ＧＰＳでドローンタワー附近に戻り、半径１０ｍ以内に戻るとドローン１から格納庫屋根２を開く信号を送る。信号を受けたドローンタワーは着陸可能な気象状態を確認して開き、全開信号をドローン１に送る。屋根全開信号を受けたドローン１は格納庫床ポインター１４に向かって降下し着陸する。着陸点は格納床中央から少々ずれるので中央へ移動する機能と床固定機能を持つ位置修正装置１５，１５・・・で中央に移動して固定すると共に接触式充電端子で水力電源装置９に内蔵する１５０ＡＨの主蓄電池から充電される。

ところで、ドローンタワーの試験運用を行ったが、ドローンタワーは、管制サーバーからの飛行指示信号を情報伝送盤７が受信し、格納庫の屋根２を屋根開閉機４にて開き、ドローン１は屋根の全開信号を認識して飛び立ち、予め設定した河川を見立てた水槽上空への経路をＧＰＳの緯度-経度に沿って飛行し画像を伝送した。
格納庫屋根２はドローン１が飛び立ち、屋根から１０ｍ以上離れたことをドローン１のＧＰＳ信号から位置を割り出して自動で閉じた。

予め設定した飛行経路の動画や写真撮影を終えたドローン１はＧＰＳの緯度経度信号でドローンタワーの上空に戻り、格納庫屋根２の開信号を送信し、屋根開閉機４は情報伝送盤７の開指示に従って駆動し、情報伝送盤７を通じて全開信号を上空で待機するドローン１に送信し、全開信号を受信したドローン１は格納床の床ポインター１４を認識してポインターに向かって降下した。そして、着陸点は床の中央から５ｃｍ程度離れた場所に着地した。
ドローン１から着陸確認信号を受信した情報伝送盤７は、ドローン１を地震等の振動で移動しないように固定する機能を持つ位置修正装置１５を駆動して、床中央へ移動して固定した。
ドローン１の固定完了を確認した後、格納庫屋根２を閉じて充電端子+１６と充電端子−１７からドローン１の充電を行った。

ところで、豪雨によって河川の水位が上昇して堤防が破壊し、また山間部では土砂崩れが発生する。本発明ではこれらの災害を未然に防止する為に、適当な場所に河川水位計を取付けて水位を測定し、また土砂崩れを予測する為に傾斜振動計を配置している。
河川水位計及び傾斜振動計の配置方法に関しては限定しないが、河川水位計は一般に橋桁に取付けることが出来、傾斜振動計であればコンクリートブロックに取付けて山間部の傾斜面に配置することが出来る。

上記河川水位計及び傾斜振動計にて計測された計測値はドローンタワーに送信し、必要に応じてドローン１が飛行して現場を観測することが出来る。すなわち、現場の状況を撮影してドローンタワーへ送信し、該ドローンタワーから専用サーバーへ撮影された写真などのデータが送られる。該データを観て人災が発生する可能性があると判断した場合には、避難指示が出される。

このように、本発明はドローンタワーを設置し、また適当な場所には河川水位計及び傾斜振動計を配置し、これらセンサーから送られる計測値を基にしてドローンを飛ばすことが出来るシステムである。
そこで、該システム全体の機能を確認する為に準備した空き地を観測フィールドに見立て、各センサーを数十メートル隔てて設置、センサー毎の異常観測に対してドローン１の発着と画像観測機能を確認した。

ドローン１を用いて被災者救助を行うことが出来る。
人的災害を想定して専用サーバーから被災場所のＧＰＳ位置情報を入力し、自動で指定場所へ直行する飛行指示を出してＧＰＳ位置に配置した被災者を見立てた人とドローン間での通話の可能性を実験した。その結果、ドローン１から発する音声は被害者に届いたが、被災者の声はドローン１の羽の回転音で聞き取り難いことが分かり、ドローン１の羽回転に伴う音を消すソフトを付加して音声として聞き取ることが出来る改善が必要と分かったが、被災者が大声で話せば全く聞き取れないものではなかった。

農業分野で問題となっている鳥や獣による害の対策を目的に実験を行った。
赤外線を用いた人体感知センサーにＧＰＳと無線装置を組合せた獣感知装置を試験製作し、その信号でドローン１を飛ばし獣感知装置附近の画像観測を行った。今後は、ドローン１に獣が嫌う音と光を発する機能を付加して追い払うことを検討する。

１ドローン
２格納庫屋根
３格納庫床
４屋根開閉機
５気象観測器
６記録カメラ
７情報伝送盤
８無線観測装置
９水力電源装置
10 給水管
11 排水管
12 支柱
13 太陽電池
14 床ポインター
15 位置修正装置
16 充電電極＋
17 充電電極−

Claims

ドローン格納庫、ＧＰＳ、ドローンの離着陸可能な気象状況を判断する気象観測器、水平３６０°周記録カメラ、情報伝送盤、及び小川や沢の水を利用して発電が可能な水力発電装置と渇水期の補助電源として機能する太陽電池を備え、タワー型式に一体化した構造とし、上記ドローン格納庫をタワー上端に設けると共に、開閉機によって開閉する屋根を備え、格納庫の床には着陸したドローンを位置決め固定することが出来る位置修正装置を取付けたことを特徴とするドローン離着陸装置。
河川の水位、土砂崩れなどの災害を予測するシステムにおいて、遠隔指示でドローンの離陸と着陸を可能とする格納庫をタワーの上端に備えると共に該格納庫には開閉機によって開閉する屋根を取付け、タワーには小川や沢の水を利用して発電が可能な水力発電装置と渇水期の補助電源として機能する太陽電池を備え、該タワーにはドローンの離着陸に影響を受けない高さに気象観測器を付帯すると共に該気象観測器によってドローンの離着陸可能な気象状況を判断し、そしてタワーには、水平３６０°周辺の画像を監視できるように複数のカメラを備え、また情報を伝送する情報伝送盤を取付け、上記タワーの附近には防災観測器である河川水位計／土砂崩観測用の傾斜振動計／雪崩観測器等を配置し、観測情報をリアルタイムに情報伝送盤を経由して、ドローンをコントロールする専用の管制サーバーへインターネット回線又は無線を利用して送るように構成し、ドローンが格納庫の床に着陸する際には、ＧＰＳでタワー付近の上空に戻って上記格納庫の屋根を開く為に無線信号をタワーに取付けている情報伝送盤に送り、撮影用のカメラを真下に向けて格納庫床のポインター図形を認識して高度を下げて着陸するもので、上記ドローン格納庫の床には着陸したドローンを位置決め固定することが出来る位置修正装置を設け、一方、ドローンが格納庫から離陸する場合には屋根を開き、全開信号を確認してドローンを固定している位置修正装置の固定を解除してドローンの離陸を指示するようにし
たことを特徴とする災害発生予測システム。