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．