科学観測用UAVの研究開発と運用 -...

九州大学大学院 工学研究院航空宇宙工学部門

東野 伸一郎

科学観測用UAVの研究開発と運用

科学観測用UAVの研究・開発• 国立極地研究所との共同開発開始(2004年)

• 南極昭和基地における有人航空機の代替手段• 磁場探査，映像取得

• 専用制御装置の開発(2005年)• 自動飛行によるウェイポイント飛行実現(2006年)• 国内外での飛行実績・予定

– 連続3時間の自律飛行達成(2009年)– タイ 水域面積調査(2011年)– 南極デセプション島磁場探査飛行 距離300km(2011年)– 南極昭和基地エアロゾル観測高度10km(2013年)– モンゴルウランバートル郊外テスト飛行(2014)– 南極S17 エアロゾル観測飛行高度23km(2015年)– エチオピアアファール地域 磁場探査(2017年予定)– 南極昭和基地越冬観測(予定)

南極リビングストン島～デセプション島の磁場探査フライト(2011, 2012)

ケープホーン

エレファント島

サウスジョージア島

キングジョージ島

リビングストン島

デセプション島

サウスシェトランド諸島

Ant-Plane 6-3

Ant-Plane 3-5

AntPlane6-3

Span : 3mWeight : 30kgPayload : 5kgEndurance : 5hrs

南極リビングストン島～デセプション島の飛行経路，飛行距離:300km

南極デセプション島上空の磁場探査結果

Magnetic Anomaly Map taken by the UAV Observation Result taken by ships(Munoz Martin，2005, Spain)

No data were taken over Deception Island

AntPlane3-5

南極でのフライト(AntPlane3-5)

科学観測用UAVの研究・開発• 国立極地研究所との共同開発開始(2004年)

• 南極昭和基地における有人航空機の代替手段• 磁場探査，映像取得

• 専用制御装置の開発(2005年)• 自動飛行によるウェイポイント飛行実現(2006年)• 国内外での飛行実績・予定

– 連続3時間の自律飛行達成(2009年)– タイ 水域面積調査(2011年)– 南極デセプション島磁場探査飛行 距離300km(2011年)– 南極昭和基地エアロゾル観測高度10km(2013年)– モンゴルウランバートル郊外テスト飛行(2014)– 南極S17 エアロゾル観測飛行高度23km(2015年)– エチオピアアファール地域 磁場探査(2017年予定)– 南極昭和基地越冬観測(予定)

気球とUAVの組み合わせによる

新しいエアロゾル観測法-福岡大学との共同開発-

• 気球観測では回収が困難な観測機器とエアロゾルサンプルを放球点で回収したい!!

1. UAVに観測機器を搭載し気球に懸架，放球

2. 所望の高度で分離，自律滑空開始

3. 自律滑空帰還

4. 回収

気球とUAVの組み合わせによる

新しいエアロゾル観測法-福岡大学との共同開発-

• 気球観測では回収が困難な観測機器とエアロゾルサンプルを放球点で回収したい!!

1. UAVに観測機器を搭載し気球に懸架，放球

2. 所望の高度で分離，自律滑空開始

3. 自律滑空帰還

4. 回収

2013年1月，高度10kmまでの観測と滑空による全機器とサンプルの回収に成功!!

↓観測高度を30kmまで上げたい!!

PhoenixSの飛行高度と飛行速度

旅客機

PhoenixSU2,RQ4

パラシュート降下の併用- 高高度(30km程度)までの観測を実現 -

1. UAVに観測機器を搭載し気球に懸架，放球

2. 所望の高度で分離，パラシュート降下

3. パラシュートから分離，滑空開始

4. 回収

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翼幅 2.9[m]最大全重量 9.6[kg]

最大ペイロード重量 2.0 [kg]

最高飛行速度 260[km/h](高度10km)

動力飛行時間 5[min]

機体諸元

Phoenix と搭載機器

HDビデオカメラGPSゾンデ

パラシュートハッチ

折り畳み式プロペラ

気球分離装置

データ通信アンテナ

エアロゾルカウンタ

エアロゾルサンプラ

カウンタインレット

サンプラインレット

飛行制御装置

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Aerosol Observation Ground Station

UAV Ground Station

Rubber Balloon

Phoenix UAV

Onboard System

Ground System

Flight Control System

Data Link Antenna

Aerosol Counter & Sampler

HD Video Camera

GPS Sonde Sensors

Folding Props

Parachute Hatch

Thin line →(50m)

Motor-Glider UAV “Phoenix”Span 3.0mTotal weight 11kgPayload weight 2kg

エアロゾル観測システムの構成

2015年1月の観測フライト(観測高度23km達成)

エアロゾル数濃度分布の観測結果

UAV利用の現状と可能性

• UAV利用が有利な領域– 有人機において3K(3D)である飛行

• 生存が困難な高高度の飛行(南極エアロゾル)• 長距離・長時間の飛行(空中磁場探査)• 一定高度をひたすら飛行(空中磁場探査)• 測線に沿って正確に飛行(空中磁場探査)• 劣悪な環境条件下での飛行(南極・アフリカ)

– 手軽さ・・・マルチコプタはこれを可能にした• 固定翼UAVでもこれが可能になれば可能性が広がる• 有人機をチャーターするのは資金とスケジュール調整が必要• 観測したいときに利用したい• 科学者のみで利用したい• ただし，手軽だからと言って限界を知らずに利用するのは大変危険

科学観測用UAVの研究・開発• 国立極地研究所との共同開発開始(2004年)

• 南極昭和基地における有人航空機の代替手段• 磁場探査，映像取得

• 専用制御装置の開発(2005年)• 自動飛行によるウェイポイント飛行実現(2006年)• 国内外での飛行実績・予定

– 連続3時間の自律飛行達成(2009年)– タイ 水域面積調査(2011年)– 南極デセプション島磁場探査 距離300km(2011年)– 南極昭和基地エアロゾル観測高度10km(2013年)– モンゴルウランバートル郊外テスト飛行(2014)– 南極S17 エアロゾル観測高度23km(2015年)– エチオピアアファール地域 磁場探査(2017年予定)– 南極定着氷縁～大陸沿岸上空エアロゾル

観測(2017/2018予定)

エチオピア・アファール地域における磁場探査計画

南極氷縁～昭和基地間水平面内のエアロゾル観測計画

・ミッション1 ・ミッション2

Edge of SeaiceSyowa St.100km

Syowa St.100km

5km

Range:600km+α，Ceiling:5km Range:200km+α，Ceiling:5km

南極氷縁～昭和基地間水平面内のエアロゾル観測計画

・ミッション1 ・ミッション2

Edge of SeaiceSyowa St.100km

Syowa St.100km

5km

Range:600km+α，Ceiling:5km Range:200km+α，Ceiling:5km

Edge of Seaice

長距離用UAVPhoenix LRの開発状況

• 各種長距離飛行観測用FRPバージョンが完成，初飛行(2016.8.16 タイにて)に成功!!

Wing Span : 3.2mMaximum Range : 900kmCruising Speed : 30m/sPayload weight : 15kgEngine : 70 to 100cc

Gasoline

First Flight Test15 Aug 2016, Thailand

初飛行の様子

• International Society for Atmospheric Research Using Remotely Piloted Aircraft (http://www.isarra.org/)

• 気象観測にUAVを使っている人たちの学会(会費無料)– 今回は，欧米から100名程度(アジアは日1名，韓2名のみ)– サイエンティストが主，UAV開発側大学，メーカも(少数)

• 欧米持ち回りで年1回(5月末)講演会．今回で4回目@Meteo France(ツールーズ，仏)，次回はマンチェスター(英)

• 学会の前に1週間のフライトキャンペーン(観測飛行会)を実施．観測機器とUAVメーカのミニ展示会もあり．

• 発表内容は気象研究に関するものがほとんど

手軽さ について

ISARRA(イザーラ)について

www.isarra.org/

ISARRA2016プログラムとアブストラクト

• プログラム

http://www.meteo.fr/cic/meetings/2016/isarra/programme_ISARRA_2016.pdf をご覧ください

• Abstracthttp://www.meteo.fr/cic/meetings/2016/isarra/abstracts.pdf をご覧ください

• 口頭発表 約40件「大」はグローバルホークから「小」は発泡機まで

• ポスター発表 約20件(飛び入りで私も発表)

フライトキャンペーンの紹介http://www.meteo.fr/cic/meetings/2016/isarra/PO2A_informations.pdf

• Centre de Researches Atmospheriques，Lannemezan(ラヌムザン，ピレネー北山麓)

• Meteo France, Univ. Bergen(Norway)の小型UAS，Meteomatics(Switzerland, 会社)のマルチコプタで

高度1600mまでの各種気象データを取得，比較

(タワーのデータとも)

↑風向風速計など

フライトキャンペーン参加機

Meteo Franceの小型UAS

• GMEI : Groupe de Météorologie Expérimentale et InstrumentaleのDr.Greg Robertがキーマン

• 機体は発泡スチロール製の市販品• 制御装置はENAC(仏の大学)が開発• 翼幅は1.2～1.5m前後，重量わずか数kg• モータで約20分飛行，高度1500mまで• 搭載センサの異なる多数の機体を準備• 気温，気圧，湿度センサだけでなく，OPCやブラックカーボンセンサ，5孔ピトー(乱れ計測)等も搭載

• 高度1500mまで旋回上昇，降下しながら観測(20分)• 離着陸のみ手動 あとは自動• 雲の中も飛行

↑Greg Robert

↑OPC

↑5孔ピトー

静電センサ→

←気温

フライトキャンペーン参加機

Univ. Bergen(Norway)の小型UAS• Prof.Joachim Reuderが(観測側)キーマン，開発は別

• SUMO (“スモウ”と呼んでいた，Small Unmanned Meteorological Observer)

• かなり飛行実績がある模様，累積飛行時間は100時間以上と言っていた．(南極でも飛行実績あり)

• 高度1500mまで旋回上昇，降下しながら観測(20分)，離着陸のみ手動，あとは自動

←Joachim Reuder

↑開発キーマン

↑センサ

フライトキャンペーン参加機

Meteomaticsのマルチコプタ

• スイスの私企業

• 高度1000mまで水平面内一定値を上昇，下降，風向・風速・気温・湿度等を観測

• 風速10m/sまで観測可能

• 非常用パラシュートは欠かせない，とのこと

↑パラシュート

マルチコプタ↓

↑離着陸オペレータ上昇・下降は自動

即時性のシーズ

• 電動機よりもガソリンエンジン機が即時性あり(燃料さえあれば，バッテリ充電不要で即発進可)

• 移動時間がかかると言っても，50km先までわずか30分

• カタパルト+パラシュートがあれば離発着場所は問わない

• 船上発進，船上回収方式も一つの手• 小型化すれば携行も可．船上運用も容易．• 航空法に基づく申請は同一場所であれば1年分などまとめて申請することが可能

軍事用はこんな仕掛けParis Airshow(2015)より

カタパルト

UAV

グランドステーション車モニタ+電源+整備専用車

通信用アンテナ 拡大

船上発進・回収の様子

• Youtubeより

– SeaScanhttps://www.youtube.com/watch?v=NY1Y9LBATHo

– CloudCaphttps://www.youtube.com/watch?v=Ymj-D9ET_Ss

ご清聴ありがとうございました