Photonic Edge 株式会社フォトニック・エッジ EN
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R&D IN PROGRESS / DRONE POSITIONING & NAVIGATION SENSING

ドローンの位置センシング

屋内・構造物の近傍・トンネルなどGPSが届かない環境、暗所や粉塵でカメラが効かない環境でも、ドローンの位置は知り続けなければなりません。当社は、GPSレス・カメラが使えない環境に強い「無線による位置センシング」を軸に、ドローンの測位・航法支援を研究開発しています。方式ありきではなく、UWB測位・電波の到来方向推定(AoA)といった無線の手段を軸に、カメラ・GPS/GNSS・IMUとのフュージョンまで、シーンに合わせて構成します。本ページでは、取り組みの考え方と、シミュレーションによるデモ事例をご紹介します。

GPSレス・カメラレス環境に強い無線測位カメラ・GPS・IMUとのフュージョン可研究開発進行中・共同検討歓迎
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考え方 — 方式ありきではなく、シーンに合わせて手段を組み合わせる

位置センシングの手段には、それぞれ得意なシーンと限界があります。当社の強みは、GPSやカメラが頼れない状況でも効く無線の手段(UWB・到来方向推定など)を自前で作れることです。その上で、カメラやGPSが使える場面ではそれらとのフュージョンや冗長化も含めて、用途ごとに最適な組み合わせを設計します。

手段特徴と使いどころ
UWB測位(ToF測距)cmオーダーの測距ができる無線測位。アンカー設置型で屋内・工場向き。当社は隊列走行の研究開発で実データ動作まで到達しています。
到来方向推定(AoA)アレーアンテナで電波の到来方向を測り、位置を求める方式。地上側で完結し、機体は電波を出すだけ。下のデモ事例で追尾シミュレーションを公開中です。
カメラ・画像情報量が大きい一方、遮蔽・照明・粉塵に弱い。無線センシングとのフュージョンで弱点を補い合えます。
GPS/GNSS屋外広域の基本手段。非GPS環境では使えませんが、使える場面では無線測位との相互補完・冗長化手段として活きます。
IMU(慣性センサ)外部インフラなしで短時間の自己位置を保てますが、ドリフトするため他の手段との統合が前提です。

周波数帯・アレー構成・アンカー配置などは固定ではなく、対象の距離・精度・設置制約に合わせて設計します。

CONCEPT

センサをリアルタイムに使い分ける制御プラットフォーム/ソフトウェア定義ドローン(SDD)

複数のセンサ(カメラ・GPS・UWB・AoA・IMUなど)を、飛行中のシーンに応じてリアルタイムに使い分け・統合するコントロールプラットフォームや、その先にあるソフトウェア定義ドローン(SDD)——ハードウェアは固定し、測位・航法の振る舞いをソフトウェアの書き換えで進化させる構成——の検討も進めています。この「固定ハード+ソフトウェア再構成」の型は、当社がソフトウェア定義の開発プラットフォームとして提案している開発スタイルと同じ枠組みです。

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デモ事例 — 固定アレー×到来方向推定でドローンを追尾(シミュレーション)

無線による位置センシングの一例として、地上に固定した2基のアレーアンテナだけでドローンを追尾する構成をシミュレーションでデモンストレーションしました。8素子の円形アレー(UCA)2基が機体からの電波の到来角をMUSIC法で推定し、2本の視線の交点として3次元位置を求めます。機体側に必要なのは電波を出すことだけです。

ドローン(電波源) UCA #1(8素子円形アレー) UCA #2(8素子円形アレー) 到来角(仰角・方位角) 2本の視線の交点=機体の3次元位置 各アレーでMUSIC法により到来方向を推定し、三角測量で位置を求めます

デモ構成の原理。周波数帯・素子数・アレーの数や配置は固定ではなく、用途(距離・精度・設置制約)に合わせて設計するパラメータです。

STEP 1 — AoA

到来角スペクトラムが機体の移動に追従

右は、移動する機体に対して1基のアレーが計算した到来角スペクトラム(MUSIC疑似スペクトラム)のアニメーションです。横軸が方位角、縦軸が仰角で、明るいピークが「電波がやって来ている方向」。機体の移動に合わせてピークが移動し、その頂点(△)を到来角の推定値として採用します。

  • 8素子UCAの受信信号からMUSIC法で到来方向を推定
  • 反射波・雑音(SNR)・素子ばらつきを含めた条件で検証
  • 本デモではマイクロ波帯(5.8GHz)を想定(帯域は設計パラメータ)
MUSIC疑似スペクトラムのアニメーション。機体の移動に合わせて到来方向のピークが移動し、推定値のマーカーが追従している
1基のアレーが見た到来角スペクトラム。ピーク(明るい部分)が機体の方向を示し、△が推定値です。
STEP 2 — TRACKING

8の字飛行をカルマンフィルタで追尾

右は、8の字に飛行する機体を2基のアレーで追尾するシミュレーションです。各時刻で2基のAoAから三角測量した「素の推定値」は雑音でばらつきますが、カルマンフィルタで平滑化することで、真の軌跡(白破線)に沿った安定な追尾(マゼンタ)が得られています。

  • 2基のAoA→三角測量→追尾フィルタまでの一連の流れを検証
  • アレー間隔(基線長)・距離・SNRと精度の関係を定量評価
  • 基線に対して距離が遠いほど角度誤差が位置誤差に効くため、配置設計が鍵
2基のUCAの到来方向コーンが8の字に飛行する機体を捉え、カルマンフィルタによる推定軌跡が真の軌跡に追従しているシミュレーション
8の字飛行の追尾シミュレーション。2基のアレーの視線(コーン)が機体を捉え、カルマンフィルタ後の軌跡(マゼンタ)が真の軌跡(白破線)に追従しています。
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現在地とこれから

NOW 無線測位の要素技術を検証中 UWB測位は隊列走行の研究開発で実データ動作まで到達。到来方向推定(AoA)方式は、上のデモの通りシミュレーションで追尾までの一連の流れを検証済みです。
NEXT 実証とフュージョン・SDDへ アレーアンテナとSDR受信系による実証、カメラ・GPS・IMUとのフュージョン、センサをリアルタイムに使い分ける制御プラットフォーム(SDD構想)へ発展させます。
CONTACT 共同検討を歓迎します 屋内・プラント・橋梁近傍などの非GPS環境での点検・搬送ドローンの測位や、飛来ドローンの位置把握など、応用のご相談・共同検討を歓迎します。

※ 本ページは進行中の研究開発のご紹介であり、構成・仕様は検討中のものです。デモ事例は数ある構成の一つであり、「この方式のみ」を提供するものではありません。用途・環境に合わせた方式選定からご相談いただけます。

高周波関連に関するお困り事は、ぜひ当社にご相談ください。

受託研究・開発(業務委託)、計測装置の開発・製造、ソフトウェア開発、共同研究など、形態を問わず対応します。

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