ドローンの安全を診る〜飛行空力安全性能評価の動向〜

産業技術総合研究所

岩田拡也 Kakuya Iwata

労働安全衛生総合研究所

岡部

1．はじめに主任研究員

主任研究員

康平 Kohei Okabe

バッテリーの状態確認、周囲の監視、咄嗟の回避操作など、操縦者らが現場で担う安全配近年、小型無人航空機（ドローン）を活用

慮は多いが、風などの気象現象とドローンのする産業分野が増加しており、ドローンの社性能の両者の相互作用の基礎となる飛行空力会実装が進行している。ドローンは1990年

的安全管理について解説する。

代から始まった農業分野の農薬散布を皮切りに、現在では高層建築物の外壁点検まで幅広い分野で活用されている。ドローン導入の効3．運用管理制度と飛行安全管理の関係

果として、危険作業の代替や、有人機飛行の代替による産業安全への貢献が期待されてい航空法のドローンに関する運用規定は度重る。その実現にはドローンの安全技術の更ななる改正で大きく変更されており、2022年る研鑽が必要である。そこでドローンの安全12月施行の改正では、第三者上空を飛行（有性能評価や標準化の動向と飛行空力的安全管

人地帯での補助者なし目視外飛行：レベル4）

理技術の現状を解説する。

するための機体の認証制度（型式認証）や操

2．ドローンの安全性を脅かす風の状況

縦者の技能認証制度が整備され3）、自動車と類似した運用管理がドローンでもなされるようになった4）、5）。注意しなければならないのは、自動車と類似しているのは制度の形であ

国土交通省に報告された無人航空機の事故
情報を参照すると、2020年度では70件発生
1），
2）り、安全管理の中身ではないことである。
安全管理の中身で自動車と決定的に異なる。ドローンの事故では、風に煽点は、自動車は不動の道路上を走行するが、られたり電波が届かなくなったりして、電線ドローンは動く大気の中に身を置いて飛行すや木などにドローンが接触して墜落する事例る点である。逆を考えるとわかりやすい。自が多い。
ドローン技術の発展は目覚ましいが、動車が動くムービングベルトの上を走行する

安全確保には使用者が風などの気象とドロー乗り物だったとしたら、目的地の方向と逆のンの性能の両者を熟知することが必要であ方向に走行速度と同じ速度でムービングベルる。安全管理の品質は、その相互関係を理解トが動いていたら、目的地にはいつまでたっすることに大きく依存している。回転翼やても到達できず、そのうち燃料が枯渇し停止している

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する。これは大きなリスクで、レベル4の目じ、それによって到着時刻も燃料消費量も大視外飛行の大きなハードルの一つである。逆きく変化する。ドローンの場合でも同じことに、目視内飛行では、ムービングベルトがどが、低速低高度で起こる。

ちらに動いているかを見ながら飛行の安全管

マルチローター型ドローンの場合、最高速理が可能なため、早期から社会が許容するリ度は55 km/h 程度であるが、風速10 m/s のスクレベルの内側に位置付けることができて中を飛行すると、追い風では距離20 km をいた。

飛行するのに15分もかからないが、向かい実際の旅客航空機の分野の安全運航管理で

風では1時間近くもかかり、通常のマルチは、このリスクアセスメントは、航空管制官

ローターのバッテリー持続時間では飛行できやディスパッチャーと呼ばれる運航管理者がない。向かい風では目的地に到達する前に担当している。前者は国家公務員で、後者はバッテリー切れを起こして不時着することに「航空無線通信士」及び「運航管理者技能検定」なる。このような事態は航空機ではディスなどの国家資格をもつ民間人であるが、飛行パッチャーによる安全な飛行計画策定の時点

経路と飛行高度の風向と風速の情報と飛行機で回避されるのと同様に、ドローンのレベル※1）の関係性、目的地4飛行の場合は、1等免許保有者による安全空港への到達時間や消費燃料量、空港周辺のな飛行計画の策定などの運航管理により回避

離着陸トラフィック量などから、離陸時間やされる。

材の性能（CONOPS

飛行ルートの航空運航管制や燃料搭載量の決

今後、より高度な自動化が進むことが予想定など重要な運航安全管理を行っている。

されるドローンの運航管理システムには、上上述のムービングベルト問題は、運航管理

記の回避を行い目的地まで到達できるかどう者の重要な解決課題で、例えば、旅客機の巡かを自動的に計算するために、正確な飛行高航飛行高度である10,000 m 上空では、45 m/s

度毎の風向、風速、正確なドローンの大気圧程度の風速があり6）、旅客機の巡航速度は、と対気速度毎の飛行効率や電力消費率のデー

マ ッ ハ0.85（ 約918 km/h、 約255 m/s） でタ及び計算アルゴリズムが必要となる。ド飛行するため、追い風と向かい風では新幹線ローンの運航管理の目的地到達可能性推定のの運行速度（300 km/h）以上の速度差が生計算だけを取り上げても、ドローンの関数化された性能評価の必要性の高さが分かる。
このため、次にドローンの関数化された性

図1

前進するドローンのモデル化の課題

能評価の課題について述べる。ドローンの数値制御に必要なモデル化は、無風環境での前後左右移動の少ないホバリング領域ではほぼ風完成している。しかし、前進や左右移動によ揚力小る対気速度の増加や屋外での風による対気速揚力大追い風度の増加を含めたモデル化は、図1に示すと
おりプロペラの半周で追い風、半周で向かい時計回り回転向かい風※1
CONOPS
Concept of Operation：
航空機の運用コンセプト

22

固定ピッチプロペラ

前進風となるため、揚力中心がプロペラ中心軸からずれるモデルを構築する必要がある。

4．ドローン飛行性能評価の現状と課題の結果を図4に示す。前進速度を上げるためには最適なピッチ角が存在し、そのピッチ角は速度の増加と共に増加することを示していドローンがホバリングだけでなく安全に目る。この関係式が線形性を持つことから通常視外レベル4の水平飛行を行うためには、ドドローンの飛行制御には線形制御が使われてローンのプロペラに対気速度が付加された状いる。

態での性能評価が必要である。それを行った

ところが、同様に前進飛行時のピッチ角と結果と、それに対する安全管理の基本として前進速度がバランスを保った状態で、ピッチ現在求められている保護方策（安全対策）と回りの回転トルクを計測したところ、図5のその実施状況について簡単に紹介する。

ように前進飛行速度にほとんど依存しない約
2.5 Nm 程度の回転トルクが発生する現象が（1）ドローンの目視外レベル4水平飛行の危険性観測された。これは、図1に示した前進速度によるプロペラの半周が追い風、半周が向か

目視外レベル4水平飛行ドローンの性能とい風となることによる揚力中心のずれに起因して重要な要素の一つに最高速度がある。こして発生しているトルクと考えられている。

れは、前述の通り最高速度が低いと向かい風

この前進速度に依存しない回転トルクは、ドで前進できなくなり目的地に到達しなくなるローン固有の値を示していると考えられる。

からである。屋外でのフリーフライトによる

この風洞試験の場合、E-470というドローン最高速度計測は、高速域では僅かなピッチ角の固有値として、約2.5 Nm という一定の頭の変化で加速と減速の摂動運動を伴うため高上げ回転のピッチトルクを発生させているこ

精度な計測は難しい。だが、風洞試験によりそれは可能となる7）。図2に風洞試験の写真、図3に風洞試験の供試体配置図を示す。ド図2

ドローンの風洞試験図3

風洞試験におけるドローン配置図

ローンが前進飛行する時に受ける風と同じ風速の風を風洞から受けて、ドローンに発生する力とトルクを計測する。
図3より、空気抵抗力 Fy は、前進するときに受ける空気抵抗の力の向きが正となっている。前進するときの空気抵抗に負けないプロペラ推力が発生している点でドローンは等速運動となるため巡航速度となる。この空気抵抗力とプロペラ前進推力が釣り合った条件でのドローンの機体を浮かせる力が機体重量と釣り合う点が平衡（バランス保持）状態で飛行していられる速度となる。風洞試験にはイームズロボティクス社 E-470というドローンを使用した。

浮上推力Fz

ドローン
機体のピッチ回転トルク

空気抵抗力Fyサポート

主流
機体のピッチ角

ドローンが前進飛行時にピッチ角を平衡状態にピッチを傾けた場合の最高風洞風速計測
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とがわかる。通常は定数なので、線形制御で前進ピッチ角ごとにプロットした図である。

はオフセットと同じであるために問題なく制各ピッチ角の曲線に示した丸印は機体のバラ御されるが、問題はその制御精度変動幅でンスが取れる状態を示している。前進速度がある。

低い領域では、縦軸のピッチ回転トルクの変図6は、 耐 風 時 に 発 生 す る ピ ッ チ ア ッ プ

動幅が小さいため、制御によるバランス点がモーメント（機首を上げる力）をドローンの少しずれても大きな回転トルクが襲って来ることはないが、15 m/s 以上の高速域では、

図4

 洞試験結果（各機体のピッチ角での最高飛風行速度）

バランス点から少し機体のピッチ角が浅くずれただけで、大きなピッチアップの回転トルクに襲われる。15度のピッチ角で18 m/s で20飛行している場合、ピッチ角が一瞬10度減っ機体のピッチ角(°)

15ただけで、バランス時のピッチ制御トルクの約5倍のピッチアップ回転トルクが発生し機10体がひっくり返る現象が発生する危険性があ50ることを計測データは示している。バランス点のずれは、機体の飛行制御だけでなく当然
05101520

風洞風速＝飛行速度(m/s)
図5する。

 洞試験結果（飛行速度無依存のピッチ回転
風トルク）
5

機体のピッチ回転トルク(Nm)

気象による外乱に多くの場合起因して発生（2）使用者の安全対策
使用者は上記の高速水平飛行時に襲われる「突然ひっくり返る危険性」に対策を講じて0飛行させなければならない。簡単に言えば、-5

今は経験的に外乱が強い時にスピードを上げない操縦をすることにより安全対策を行って-10いる。ある程度自動化している海外製のド-15

0

5

1015

20

ローンもあり、ある速度以上は出ない保護制御機能を持ったドローンが市販されている。

風洞風速＝飛行速度(m/s)

しかしそれは外乱などの環境をセンシングし
図6

耐風時に発生するピッチアップモーメント

機首を上げる力 (Nm)

5御によるものがほとんどである。また、その保護制御機能は全ての外乱環境に適応するも0のではなく、あくまで使用者である操縦者の-5

経験と技能による飛行速度制御という安全対機体のピッチ角(°)
BP deg策に依存している。今後のドローンの飛行制

5.0
7.5
10.012.5
15.0-10-1505

御の自動化の進行には、風洞試験のような精度の高い運動の計測と、それによる前進飛行1015

風洞風速＝飛行速度(m/s)

24ている適応制御ではなく、シーケンシャル制20時のモデル化が欠かせない要素になる。このことからも、リスク評価にはドローンの性能試験や標準化の確立が安全管理の課題に挙げられる。

5．まとめ

謝辞
本研究の風洞試験において多大なご尽力を頂いた産業技術総合研究所の阿部裕幸氏に深く感謝申し上げる。また本研究の成果の一部は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技

空の産業革命と呼ばれるドローンの急速な術総合開発機構（NEDO）の委託事業「無人社会実装は、技術の進歩と慎重な使用法開拓航空機に求められる安全基準策定のための研による安全性の向上との連動でもたらされて究開発」によるものである。

いる。特に、日本では使用者らの団体等による操縦講習や安全教育によって慎重にドローンの活用拡大が進められてきており、今のところ大きな事故は発生しておらず、社会受容性を獲得しつつある。しかし、揺籃期の多くの産業機械と同様に、ドローン技術はまだ前進時のモデル化すらできていない未熟な領域にあり、操縦者の経験や技能に依る安全管理で支えられている。
今後ドローン産業が順調に発展期を迎えられるか否かは、ロバストな自動化に耐えうる高精度なモデル化と制御技術の高度化にかかっている。産業機械の安全確保には隔離の参考文献 1） 岡部康平，堀智仁：ドローンの安全を診る〜安全管理の動向〜，セイフティエンジニアリング，49（3），27-31，2022.
2） 国土交通省：無人航空機による事故等の情報提供，2021．
https://www.mlit.go.jp/koku/koku_tk10_ua_houkoku.html
3） 国土交通省：無人航空機登録ハンドブック，2022.
https://www.mlit.go.jp/koku/content/mlit_HB_web_2022.
pdf4） 無人航空機の目視外及び第三者上空等での飛行に関する検討会：無人航空機の目視外及び第三者上空等での飛行に関する検討会とりまとめ，2022.
https://www.kantei.go.jp/jp/singi/kogatamujinki/pdf/
siryou24.pdf
5） 岡部，堀，岩田，伊藤：産業用ドローンの安全管理，第12回横幹連合コンファレンス予稿集，B-5-3，2021.
6） ITmedia NEWS：気球の動きと高度，風速の関係，2020.
https://image.itmedia.co.jp/news/articles/2011/24/koya_
baloon3.jpg
7） 岩田，阿部，岡部，神村：ドローンサービスの安全と品質を担うドローンケージのリスク・ベネフィット最適化，第13回横幹連合コンファレンス予稿集，D-2-1，2022.

原則と停止の原則の2種類があると言われているが、ドローンは従来空港に隔離されていた航空を人共存環境に引っ張り出した上に、空中での機能停止が落下となるため、原則を近似的に実現する保護方策を考案していかな
ければならない。そのためには、多くの知見の集積が必要であるが、人間は空を飛ぶ生物ではないため直感的な飛行制御の理解ができず、試行結果の現象の観察から学ぶしかない。
飛行機が発明されて1世紀の間、航空技術は多くの冒険的試行を繰り返し安全に関する貴重な知見を得てきた。これが航空の冒険安全文化である。全盛期を迎えた産業機械に、隔離の原則と停止の原則の2種類の原則を徹底するための安全文化があったように、ドローンの技術史にも、冒険安全文化が新しい原則を醸成する流れが求められている。

いわたかくや1998年 通 商 産 業 省 工 業 技 術 院 電 子 技 術 総 合 研 究 所入 所。
2001年産業技術総合研究所、2008年経済産業省製造産業局
産 業 機 械 課を経て、2009年から産 業 技 術 総合研 究 所 帰 任、2022年経済産業省産業標準化表彰 経済産業環境局長賞受賞、現在に至る。次世代型エアモビリティ産業機械の安全設計・安全飛行空力技術研究に従事。工学博士。
おかべこうへい

2004年産業技術総合研究所、2006年東京大学 IRT 研究機構を経て、2010年から労 働安全衛生総合研究所、現在に至る。
次世代型産業機械の安全設計・安全管理の研究に従事。情報学博士。

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