立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第26号) 2017

小型無人航空機による災害直後の迅速な通信インフラ復旧支援
Communication Infrastructure Reconstruction based on Unmanned Aerial Vehicle
and its application to Disaster Managemen
2151027

研究代表者

筑波大学

システム情報系准教授

延原肇

害現場付近まで運び，投下する枠組みを構築す[研 究 の 目 的]ることであった。しかしながら，2 つめの目標
震災をはじめとする災害において，発生直後の機体開発については，2015 年 12 月に改正さに行わなければならない最重要タスクの一つが，れた小型無人航空機の改正により，これらの運被災地域における通信手段の確保である。通信用形態を大幅に修正せざるをえなくなった。

手段の断絶は震災だけではなく，台風や土砂崩

具体的な修正目標としては，災害箇所に近いれ等によっても発生し，孤立可能性のある集落場所に，ZigBee デバイスを搭載した UAV をは全国で約 1 万 7 千箇所 (人口換算で約 260 万運搬し，それらの機体からの情報をテレメトリ人)，土砂災害が発生するおそれのある危険箇し，お互いの自己位置を確認しながら，通信イ所は，約 52 万箇所も存在する。本研究では，ンフラを復旧するという運用形態に切り替える

この通信手段の断絶問題に対する効果的なソこととした。申請当初に比べて大幅な変更にな

リューションとして，災害発生後，小型無人航るが，結果的に，より高度な技術的挑戦となり，

空機 (UAV) と短距離無線デバイス (ZIgBee)また汎用性も広くなった。本研究で，最終的にを用いて数十分から数時間程度のオーダーで，構築を目指すシステム概観を図 1 に示す。

当該被災地域の数キロメートル四方をカバーす2．目標 1 に関する研究内容・成果る通信手段を確保する枠組みを提案する。

目標 1「ZigBee 規格のデバイスを，地理情報に基づき最適な配置計画を行うアルゴリズム[研究の内容，成果］の提案」に関する具体的な研究内容および成果を報告する。

1．はじめに本研究の申請当初の目標は 2 点あり，1 つめ

2. 1の目標は，ZigBee 規格のデバイスを，地理情報に基づき最適な配置計画を行うアルゴリズムを利用デバイスおよび通信可能範囲の導出

本手法では無線通信デバイスとして XBee デバイスを用いる (図 2)。

提案することである。2 つめの目標は ZigBee

これは XBee デバイスにメッシュネットワー

デバイスを内蔵した頑健な制御を行うことのでクが容易に構築できる利便性，省電力性，通信きる UAV 機体を独自に設計し，数万円という可能距離 (最長 1.5 km 程度)，低コスト，組み安価な価格で製作し，これらを有人航空機で災込み系や他のデバイスからの利用のしやすさに― 1 ―立石科学技術振興財団

表1

Wi-Fi

Bluetooth

ZigBeeCommunication
distance

100 m

10 m

10〜3000 m

Communication
speed

11 Mbps

1 Mbps250 Kbps

Network capacity 32 nodes

7 nodes

65,536 nodes

Severalhours
WirelessLANLife
Application

図1

無線通信規格の比較

NameSeveral
Several months
days
Wireless Instrumentation
Tools
control

本研究で構築するシステムの概観
図3

通信可能範囲を導出する対象地域である必要がある。よって，XBee デバイスの配置は 1. 最低でも他の XBee デバイス一つと相互に通信が可能である，すなわち互いに互いの電波を −80 dbm 以上の電波強度で受信できる，2. 全体で一つのネットワークを構築する，と い う 2 つ の 拘 束 条 件 を 持 つ。そ の た め，
XBee デバイスを用いてネットワークを構築す
図2

る際には，その発射する電波の減衰の程度をシ本研究で利用するデバイスミュレートする必要がある。
本研究では，土地利用を「市街地」「水地」よる汎用性等のメリットが存在するためである。
類似の無線通信規格である Wi-Fi，Bluetooth「森林」「草原」「道路」の五種類に分類し，そとの比較を表 1 に示す。

れぞれの土地利用に対応した電波減衰モデルを

XBee デバイス間で通信を行った際，正しく作成する。この電波減衰モデルに基づき，図 3

データを受信するためには受信した電波の通信に示す対象地域に Xbee デバイスを配置した結強度が −80 dbm 以上である必要がある。ここ

果，通信可能な範囲は図 4 のように算出するこで，通信強度を表す指標には受信信号インジとができる。

ゲータ (RSSI : Received Signal Strength Indica-

2. 2

無線通信デバイス配置最適化tion) を用いる。また，本研究によって設置すすでに言及したように，XBee デバイスを用るアドホックネットワークは，その目的からいて目的とするアドホックネットワークを構築

メッシュ構造を持つ全体で一つのネットワークするためには 1. 最低でも他の XBee デバイス

― 2 ―

Tateisi Science and Technology Foundation

図4

通信可能範囲シミュレート結果

図6

図7

図5

評価実験の対象地域

最適配置後の RSSI 値分布したものと定義する。

デバイス配置最適化のための処理フローチャート

このように定義した染色体を，図 5 に示すフ一つと相互に通信が可能である，すなわち互いローチャートに基づき最適化を行う。に互いの電波を −80 dbm 以上の電波強度で受

2. 3

評価実験

信できる，2. 全体で一つのネットワークを構提案した手法の有効性を実証するため，実際築する，という 2 つの条件を満足する必要があに提案手法を用いて Xbee デバイスの配置最適る。これらの条件を満足しつつ対象地域の全て化を行い，導出された位置に無線通信デバイスをカバーする無線通信デバイスの配置を解析的を配置しそれらの構築するネットワーク内におに求めることは，電波の減衰が土地利用によっいて通信を行う実験を行った。て変化し減衰そのものも非線形であるために困図 6 に示す対象地域 (筑波大学構内南北 1.5

難である。よって，遺伝的アルゴリズムによる

km，東西 0.5 km，面積 0.784 km 2) に対して，近似解探索を行う。ここで，個体の染色体としデバイス数を 4，目標ネットワークカバー率をて，地図上の二次元座標を設置可能な無線通信90% に設定し Xbee デバイスの配置最適化をデバイスの数，遺伝子型は染色体に保存された行った結果，対象地域のネットワークカバー率各デバイスの座標を独立に二進数で表し，連結を 98% となり，RSSI 値の分布が図 7 となる結― 3 ―立石科学技術振興財団

果を算出することができた。この時，CPU にしたような，シミュレーションで計算された最i7 4790 k を用いた PC によって計算を行ったと

適配置について，実際に配置した場合に通信可ころ，15 分 14 秒で最適配置を算出できている。

能とならなかった場合でも，UAV が自律的に得られたデバイス配置案に基づき実際に配置補正を行いながら，通信可能な領域まで移動すを行い通信実験を行ったところ，一部通信がでるなどの調整が可能となる。

きない部分が観測された。これは，電波減衰シ

3. 2

飛行実験

ミュレーションにおける地形の属性 5 種類であ図 8 に示すシステムを搭載した UAV を 3 機

り，実際の地形の属性を詳細に反映していない体構築し，これらの機体間通信をしながら通信ことから得られた結果と考えられる。この点に範囲を拡大させてゆく飛行実験を行った。

ついて，全体的に強い減衰を起こすようなシ安全を考慮して飛行実験は，大学の虹の広場ミュレーションにすることで，より信頼性の高において実施した。図 10 に示すように，各機い最適配置が実現できると考えられる。
3．目標 2 に関する研究内容・成果
本研究の目標 2「各機体間の情報をテレメトリし，お互いの自己位置を確認しながら，通信インフラを復旧」を実現するための UAV の開発についての研究内容および成果報告を行う。
3. 1

各機体間のテレメトリについて

UAV の位置をテレメトリする機材は，海外

図9

グランドステーション画面の一例

で市販されているが，日本の電波法が厳しいため，それらを利用することができない。よって，
本研究では，UAV の位置やその他の制御情報(コンパスや加速度センサ情報) などを，ZigBee
デバイスを用いてテレメトリするシステムを構築した (図 8)。この装置によって，地上側のグランドステーション (ノートパソコン) に加速度や高度情報がテレメトリされる様子を，図9 に示す。
以上のシステムが構築できれば，第 2 章で示図 8 ZigBee デバイスによるテレメトリ装置を搭載した UAV

図 10― 4 ―ZigBee デバイスによるテレメトリ装置を搭載した
UAV3 機体 (上) と飛行の様子 (下)Tateisi Science and Technology Foundation

体間のテレメトリを確認しながら，ある程度の［成果の発表，論文等］

機体間距離を保持しながら，協調飛行をさせる[1] T. Sugiura, M. Haris and H. Nobuhara, ʻTactile

ことができた。一方で，機体のコントローラがFeedback for Intuitive UAV Control System,ʼ 2nd

不安定であった点など，通信範囲とは別の問題

International Conference on Digital Fabrication,が発生し，当初の目標であった，機体間距離を大きくしながら，どの程度まで通信可能であるのかを測定するところまでは至らなかった。

ICDF2016, Tokyo, Japan, Mar. 3-5 (2016)[2]

霜村瞭，鋤先星汰，張鶴鳴，李宏陽，ムハバド

ハリス，延原肇，複数ドローン編隊飛行に基づく同時画像撮影と高精細計測への応用，第 34 回日本ロ
ボ ッ ト 学 会 学 術 講 演 会 (RSJ2016)，山 形 大 学，
2016 年 9 月 7 日-9 日― 5 ―