KeisukeKimura – 道木研究室

KeisukeKimura

名前:
木村 圭佑
学年/肩書:
博士課程前期課程2年
役職:
研究室一番の良心
グループ:
ロボット
趣味:
一日一善
一言:
youtubeで音楽を流しながら眠っている人がいたら間違いなく私です。

研究テーマ / Research topic

位置推定補助用UAV群を用いたUAV位置推定システムの実現
Realization of localization system by multiple UAVs

<J

English Ver.

位置推定補助用UAV群を用いたUAV位置推定システムの実現

研究背景

UAVの適用範囲の拡大と更なる要望

UAV(Unmanned Aerial Vehicle)の飛行性能はここ数年の間で飛躍的な進化を遂げている。当初は個人の趣味嗜好レベルでのホビー用のUAVが一般的であった。その後、産業用UAVとして農業・空撮・点検・測量作業といった分野にまでその適用範囲が拡大している。

現在の産業用UAVの運用方法としては、作業員による操縦が一般的である。しかし、作業員の操縦による運用では作業成否が操縦スキルに依存してしまう。そこで、UAVによる作業タスク実行に対する更なる要望としてUAVの自律飛行による作業タスクの効率化が挙げられる。

UAVの自己位置推定

UAVの自律飛行による作業タスクの効率化を行う上で重要となるのがUAVの自己位置推定である。UAVの自己位置推定には一般的にGNSS(全球測位衛星システム)が用いられる。GNSSは上空が開けた環境で有効に機能する特徴を持つ。一方、構造物付近では正確な位置推定が困難であるという特徴も持つ。点検等の作業タスクを想定したとき、UAVは構造物付近を必ず飛行する。その為、UAVの自律飛行による作業タスク実行を行う上で構造物付近の位置推定が課題となる。

位置推定補助用UAV群を用いたUAV位置推定システム

構造物付近でUAVの位置推定が困難になるといった課題を解決するために、本研究室では複数の位置推定補助用UAV(補機)を用いた作業用UAV(主機)の位置推定システムを提案している。ここで、補機はGNSSによる自己位置推定とカメラによる主機-補機間の相対位置計測を行い位置情報を主機へ伝達する。主機は、補機群から伝達される位置情報から自己位置を推定し作業タスクを実行する。このシステムにより主機単体で位置推定が困難な環境における位置推定を補機により補助できる。

研究目的
位置推定補助用UAV群を用いたUAV位置推定システムの実現

研究紹介

 

提案システムの原理検証

提案システムについての検討は、今までシミュレーション上でのみ行われてきた。名古屋大学内にあるモデル橋(N2U-BRIDGE)において、実際に主機・補機となるUAVを飛行させ、理想的な状態で提案システムが正常に機能するかどうかの原理検証を行った。

実験では、主機はGNSS信号が受信不可である領域を飛行し、補機はGNSS信号が受信可能な位置から主機位置の推定を行う。この時、主機・補機の位置関係が一定となるように制御を行い、相対位置関係を理想化させた。

結果として、主機単体での自己位置推定(GNSSのみ)では、数十mオーダの誤差が発生し、補機を用いた位置推定(GNSS+カメラ)では数mオーダの誤差となった。この時、補機を用いた位置推定ではGNSS誤差が数mオーダと支配的となっており、相対位置計測誤差は十数cmオーダであった。GNSS誤差に関しては、RTK-GNSSに代表される先行技術の導入により数cmオーダの誤差まで軽減可能であることが知られている。その為、実験において、本システムでは全体として十数cmオーダの精度での位置推定が可能だと判明した。

 

今後は、提案システムの更なる検証の為に、実橋梁での実機実験を計画している。

関連研究

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aa

Japanese Ver.

Realization of localization system by multiple UAVs

Research background

Expanded scope of UAV application and further requests

The flight performance of the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has evolved dramatically in recent years. Initially, UAVs for hobby at the level of personal taste preference were common. Since then, the scope of application has expanded to fields such as agriculture, aerial photography, inspection and survey work as industrial UAV.

As a current method of operating an industrial UAV, a maneuver by a worker is common. However, in the operation by the operation of the worker, the success or failure of the work depends on the control skill. Therefore, as a further request for the execution of task tasks by the UAV, the efficiency of task tasks by autonomous flight of the UAV can be mentioned.

Self-localization of UAV

It is self-localization of UAV that is important to the efficiency of task tasks by autonomous flight of the UAV. GNSS (Global Navigation Satellite System) is generally used for self-localization of UAV. GNSS has features that work well in open environments. On the other hand, there is also a feature that accurate position estimation is difficult near the structure. The UAV always flies near the structure when assuming a task such as inspection. Therefore, position estimation in the vicinity of the structure becomes an issue when performing work tasks by UAV autonomous flight.

Localization system by multiple UAVs

In order to solve the problem that it is difficult to estimate the position of the UAV near the structure, this laboratory proposes a position estimation system for a working UAV (Main-UAV) using multiple UAVs (Sub-UAV) for position estimation. Sub-UAV perform self-position estimation by GNSS and relative measurement between  Main-UAV and myself using camera, and transmit position information to Main-UAV. The Main-UAV estimates its own position from the position information transmitted from Sub-UAVs and executes the task task. This system can assist position estimation in an environment where it is difficult to estimate the position of Main-UAV alone with Sub-UAVs.

Purpose of research
Realization of localization system by multiple UAVs

Research

Experimentation

The proposed system has been studied only on simulations. Therefore, we have verified the principle of the proposed system to work properly under ideal environment. UAVs were actually flown as Main-UAV and Sub-UAV, at the model bridge(N2U-BRIDGE) in Nagoya University.

In the experiment, Main-UAV flies in the area where the GNSS signal cannot be received, and Sub-UAV estimates Main-UAV position from the position where the GNSS signal can be received. At this time, we controlled the position relationship between Main-UAV and Sub-UAV to be constant, and idealized the relative position relationship.

As a result, GNSS error of Main-UAV (GNSS only) was several tens of [m], and estimation error of Main-UAV from Sub-UAV(GNSS + camera)was several of [m]. At this time, in estimation of Main-UAV from Sub-UAV(GNSS + camera), the GNSS error was dominant on the order of several [m], and the relative position measurement error was on the order of tens of [cm]. Regarding the GNSS error, it is known that the error can be reduced to the order of several [cm] by introducing the prior art represented by the RTK-GNSS. Therefore, in experiments, it was found that this system can estimate the position with an accuracy of the order of tens of [cm] as a whole.

In the future, in order to further verify the proposed system, an actual machine experiment on an actual bridge is planned.

Related research

 


    学術論文
  • 木村 圭佑, 前田 圭吾, 麻 晃太朗, 舟洞 佑記, 道木 慎二, 道木 加絵,``無人航空機による構造物外観自動計測のための補助用無人航空機群を用いた無人航空機位置推定システム'', 計測自動制御学会論文集, 2020.
    国内会議予稿
  • 木村 圭佑, 舟洞 佑記, 道木 慎二, 道木 加絵,``位置推定補助用UAV群の幾何的配置と相対位置計測が位置統合に及ぼす影響の考察'', 令和元年度電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会講演論文集, 2019.
  • 木村 圭佑, 舟洞 佑記, 道木 慎二, 道木 加絵,``補助用UAV群を用いた相対位置計測に基づくUAVによる構造物外観自動計測の実現 ~相対位置計測精度が点検用UAVの位置制御と外観点検タスクに及ぼす影響~'', ロボティクス・メカトロニクス講演会2019講演概要集, 2019.
  • 木村 圭佑, 前田 圭吾, 舟洞 佑記, 道木 慎二, 道木 加絵,``構造物点検用UAV の位置推定を補助するUAV 群の配置法の評価'', 平成30年電気・電子・情報関係学会東海支部連合大会講演論文集, 2018.