ドローンはどうして迷子にならないの？ センサーとGPSが教えてくれる3つのこと

前回までは「なぜ飛ぶのか」（第1弾）と「なぜこの形になったのか」（第2弾）を見てきました。今回は、飛んでいるあいだ、ドローンは自分のことをどれくらい分かっているのかという話です。
第1弾「飛ばなくてもわかる！ドローンのひみつ」と第2弾「ドローンの歴史を親子で探検！」を読んでいなくても、ここから読めます。

今回のナビゲーター

スカイ博士：ドローン研究ひとすじ40年。「なぜだと思う？」と問いを返します。

ひなた：小学4年生。口ぐせは「なんで？ やってみたい！」。みんなの代わりに、気になることを聞きます。

ひなた

公園から帰るとき、いつも角のポストと、赤いやねのお家を見て曲がるの。帰り道を覚えているなら、絶対に迷子にならないね！

スカイ博士

いい方法じゃ。……では、その目印が見えなくなったらどうじゃろう？

ひなた

え。……夜とか？ 雪がつもったとき、とか？

スカイ博士

そうじゃ。ドローンはホームポイントや飛行ルートを覚えていることもある。じゃが、覚えた道だけで安全に飛べるわけではない。飛んでいるあいだじゅう、自分の状態をずっと確かめ続けているんじゃよ。

今日は、その「確かめ方」を分けて見ていきます。ひとつの魔法の部品があるわけではない、というのが今日のいちばん大事なところです。

第1章 ドローンが知りたいことは、ひとつじゃない

「迷子にならない」を、もう少し細かく分けてみます。このブログでは、安定して飛ぶために特に大切な3つへしぼります。実際の機体は、速さ、電池、通信の状態なども確かめています。

• どこにいる？ どの高さにいる？（位置・高度）
• どちらへ、どれだけ かたむいた？ どちらを向いている？（姿勢しせい・方位ほうい）
• すぐそばに、何がある？（障害物しょうがいぶつ）

大事なのは、この3つが別々の情報だということ。ただし、部品の担当がきれいに一対一で分かれるわけではありません。たとえば下向きカメラは位置を保つ助けにもなり、距離センサーは高さや障害物を知る助けにもなります。複数の情報を組み合わせて答えを出します。

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表1｜3つの問いは別々ですが、ひとつのセンサーが複数の問いを助けることもあります。

ひなた

GPSがあれば、ぜんぶ分かるんじゃないの？

スカイ博士

よく聞かれる質問じゃ。一般的なGPS受信機がおもに教えるのは、地図上のおおよその場所や高さ。「いま右にかたむいた」は教えてくれん。なぜだと思う？

ひなた

……上から見たら、かたむいていても、いる場所は同じだから？

スカイ博士

そのとおり！ 場所や高さと、姿勢・方位は、別のことなんじゃ。

色のついた線を、ドローンまでたどってみよう

青：GNSS
宇宙から「地図のどこ？」を調べる

オレンジ：気圧計・下向きセンサー
「どの高さ？」「地面までどれくらい？」を調べる

むらさき：IMU
「どちらへかたむいた？ 回った？」を調べる

緑：コンパス
地球の磁気を手がかりに「機首はどっち向き？」を調べる

赤：カメラ・距離センサー
「前に木や壁がある？」を調べる

第2章 「かたむき」と「向き」を感じる ― IMUとコンパス

目をつぶったまま、いすをゆっくり回してもらうと、回されたことが分かります。人はそれを、耳の中にある器官で感じています。第1弾で、ドローンの部品を人の体にたとえた表を作りましたね。あの「耳」の部分を、今日はもう少し細かく見ます。

ジャイロセンサー ― 「どれくらいの速さで回ったか」

ジャイロセンサーが測るのは、回る速さです。「1秒間にどれくらいの角度、向きが変わったか」を数字にします。かたむいた「量」そのものではなく、かたむきつつある「勢い」を見ている、と考えると近いです。

加速度センサー ― 「どちらが下か」の手がかり

加速度センサーは、動きの変化を測ります。ドローンが静かにしているときは、その値から地球の重力が向く方向を推定できます。正確には重力そのものを直接測るのではなく、機体を支えたり動かしたりする力を測り、それを「どちらが下か」の手がかりにします。飛行中の加速や振動が大きいと、重力だけを見分けにくくなります。

ひなた

どっちか片方だけじゃ、だめなの？

スカイ博士

それぞれ得意と苦手があるんじゃ。ジャイロは短い時間の変化にとても強い。じゃが、長く使っていると答えが少しずつずれていく。加速度センサーは「下の向き」が分かるが、機体がガタガタ揺れているときは値が乱れる。

ひなた

じゃあ、2つの意見を合わせるんだ！

スカイ博士

そのとおり。2つ以上のセンサーの情報を足し合わせて、より確からしい答えを出す。これをセンサーフュージョンという。3方向のジャイロと3方向の加速度センサーをまとめたものは、多くの場合IMU（慣性計測装置かんせいけいそくそうち）と呼ばれておる。コンパスは別の部品になっていることも、同じモジュールに入っていることもあるんじゃ。

半導体メーカーのSTマイクロエレクトロニクスも、ジャイロを「角速度かくそくどを測るもの」と説明し、加速度センサーと同じパッケージに入れて、3次元の向きを推定する仕組み（センサーフュージョン）に使うと書いています。

地磁気センサー（コンパス） ― 「どちらを向いているか」の手がかり

ジャイロは、機体の向きがどれくらい変わったかを細かく測れます。ただし、その変化を足し続けるだけでは、時間とともに少しずつずれがたまります。そこで多くの機体が使うのが、地磁気センサー（コンパス）です。

ひなた

コンパスって、遠足で使う方位磁針と同じ？

スカイ博士

同じ考え方じゃ。地球の磁気を感じて、方位磁針が示す磁北という北を手がかりにする。それで、機首がどちらを向いているかを確かめるんじゃよ。地図で使う真北とは、場所によって少しずれることもある。

コンパスが教えるのは、地図の上の場所ではなく、機体が向いている方角の手がかりです。コンパスだけですべてが分かるわけではありません。IMUやGNSS、カメラなど、ほかの情報と組み合わせて使います。

第3章 「どこにいる」を知る ― GPSはGNSSのひとつ

かたむいていなくても、風で横へ流されることがあります。そこで役に立つのが、宇宙の人工衛星です。

衛星は「いまは何時何分何秒です。私はここにいます」という信号を出し続けています。空を飛ぶ受信機は、その信号が届くまでにかかった時間から、衛星までの距離を見積もります。受信機の時計にもずれがあるため、3次元の場所と時計のずれを同時に求めるには、通常は4機以上の衛星を使います。

米国政府のGPS公式サイトによると、GPSの衛星は「地球上のほぼどの地点からでも、少なくとも4機の衛星が見えるように」配置されています。

GNSSという言葉

こうした「衛星で位置を知る仕組み」をまとめた呼び名がGNSSです。GPSはそのひとつで、ほかにもいろいろあります。

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表2｜GNSSは「衛星で位置を知る仕組み」全体の呼び名です。

日本の内閣府「みちびき」公式サイトは、みちびきについて「GPS衛星と互換性を持ち、GPS衛星と一体で利用することができる」と説明しています。対立するものではなく、対応する受信機なら、受け取れる衛星信号を増やす助けになります。ただし、衛星の数が多いだけで精度が決まるわけではありません。空の開け方、衛星の配置、反射、受信機が対応する信号も関係します。

ひなた

じゃあ、衛星がたくさんあれば、ぜったい迷わないね！

スカイ博士

ここが今日の山場じゃ。……その電波は、衛星からまっすぐ届くほど正しく使いやすいんじゃよ。建物でさえぎられたり、反射した電波ばかりになったりすると、場所の答えがずれやすくなる。

内閣府のみちびきFAQには、はっきりこう書かれています。電波が直接届く必要があるため、一般的な受信機では、ビルなどの屋内や地下街、トンネルの中では利用できません。

精度についても、GPS公式サイトは、大気の影響、上空の遮蔽しゃへい、衛星の配置、受信機の設計などで実際の精度が変わると説明しています。米国政府が示す信号そのものの距離誤差（URE）は、世界平均で95％の確率で2.0メートル以下ですが、これは利用者の位置誤差と同じ数字ではありません。同サイトでは、開けた空の下のスマートフォンを一般に半径4.9メートル程度の例として挙げています。ドローンでも受信機と環境で結果は変わり、いつでも何センチ、というものではありません。

第4章 「まわりに何がある」を見る ― カメラと距離センサー

場所・高さや姿勢が分かっても、目の前の木の枝までは分かりません。そこで、まわりを見る部品を積んだ機体があります。

下向きのカメラ

機体の底についたカメラで地面の模様の動きを見て、「どちらへ、どれだけ動いたか」を見積もります。風で横に流されたら、模様がずれるので気づけます。屋内などで位置を保つ助けになりますが、カメラだけで地図上の絶対位置が分かるわけではありません。多くの機体は、IMUや下向きの赤外線・距離センサーなどと組み合わせます。

ただし、条件があります。DJI Mini 4Kユーザーマニュアル v1.0では、下向きビジョンによる精密なホバリング範囲は高度およそ0.5〜10メートルです。動作環境はおよそ15ルクスを超える明るさで、模様を見分けられ、光を強く反射しない面とされています。数値は機種ごとに異なります。

そして、うまく働かない場所も、はっきり書かれています。

• 真っ白・真っ黒など、一色でのっぺりした面
• 強く光を反射する面、水面、透明な面
• 動いている面（走っている車の上など）
• 明るさが急に大きく変わる場所
• 鏡のように赤外線を強く反射・吸収する面
• 同じ模様がくり返しならぶ面（同じ柄のタイルなど）
• 木の細い枝のように、面積の小さいもの

ここに挙げたのは、主にカメラを使うビジョンシステムと下向き赤外線センサーの苦手な条件です。LiDARやミリ波レーダーなどは暗所でも使える場合があり、同じ「障害物センサー」でも性質は同じではありません。

前・後ろ・横を見る目

上位の機種では、前後左右と上下を見るカメラ、赤外線のセンサー、レーザー（LiDAR）、ミリ波レーダーなどを組み合わせているものもあります。何がついているかは機種によってまったく違います。

ひなた

じゃあ、ドローンって絶対にぶつからないんだ！

スカイ博士

……そこは、今日いちばん覚えて帰ってほしいところじゃ。第6章で、じっくり話そう。

第5章 感じる → 計算する → モーターを調整する

第1弾で、ドローンの流れを「感じる → 考える → 動く」と説明しました。今日出てきたセンサーは、その「感じる」の中身です。ただし、センサーの数字がそのままモーターへ送られるわけではありません。

まず、フライトコントローラーがIMU、コンパス、GNSS、気圧計、カメラなどの情報から、いまの姿勢・位置・高さ・速度を推定します。次に、目標の場所や高さと比べて、「どちらへ、どれくらい動き直すか」を決めます。その結果が必要なかたむきや力に変換され、最後に各モーターの回転数が調整されます。

ここには、速さの違う制御の輪があります。ジャイロを中心に回転や姿勢を整える輪は、機体によっては1秒間に何百回も動きます。一方、GNSSやカメラなどは別の周期で更新されます。すべてのセンサーが同じ速さで動いているわけではありません。

風の中で同じ場所にとどまるときは、機体をただ水平へ戻すのではなく、風に向かってあえて少しかたむき続けることもあります。位置を戻すための目標を作る輪と、その姿勢を正確に保つ輪が重なって、ホバリングになります。

1　目印の上にいる下向きセンサーなどで、いまの場所を確かめる。

2　風で流される青い目印から、機体が横へずれる。

3　ずれに気づくセンサーの情報をフライトコントローラーが計算する。

4　元へ戻す風へ少しかたむき、モーターの力を変えて同じ目印へ戻る。

4つの絵にある青い丸は、ぜんぶ同じ場所です。

ひなた

え、止まって見えるのに、ずっと動いてるの？

スカイ博士

自転車で、止まったまま立っていられる人が、たえず小さく直しているのと似ておる。ドローンも直し続けている。しかも風に流されないためには、水平に戻るのではなく、風に向かって少しかたむくこともあるんじゃ。

センサーのひとつが使いにくくなったとき、別のセンサーで補える機体もあれば、飛行モードを変えたり、位置を保てなくなったりする機体もあります。必ずその場で止まる、必ず帰る、必ず着陸するとは限りません。残っている情報、機種、設定、飛行モードで挙動が変わります。

第6章 苦手な場所と、「自動」の限界

ここまでで、ドローンが3つの情報を別々に集めていることが分かりました。では、その情報が集まりにくい場所では、何が起きるのでしょう。

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表3｜「使える・使えない」ではなく、どの手がかりが弱くなるかが場所ごとに違います。

自動で帰ってくる機能は、条件つき

多くのドローンには、電波が切れたときなどに出発点へ戻る自動帰還（RTH）の機能があります。ただし、通信が切れたら必ず帰るわけではありません。機種によっては、通信喪失時の動作をRTH・着陸・ホバリングから選べます。

DJI Mini 4Kユーザーマニュアル v1.0では、ホームポイントが記録され、GPS信号が十分に強いことがRTHの重要な条件です。DJIのRTH公式解説では、機種によってコンパスが正常であることや、通信喪失時の設定がRTHになっていることも条件として示されています。RTH開始後に測位信号が弱くなったとき、いったんホバリングしてから着陸する機種もありますが、挙動は機種・設定・飛行モードで異なります。

障害物をよける機能も、条件つき

障害物を検知する機能についても、メーカーはこう書いています。ビジョンシステムと赤外線センサーは特定の状況でしか働かず、人の操作と判断の代わりにはならない。飛行中はつねに周囲に注意し、機体の制御に責任を持つこと。

さらに、障害物検知そのものを持たない機種もあります。同じメーカーの別の機体の説明書には「機体は経路上の障害物を自動では感知しません。操縦者が周囲の環境に注意し、障害物を避けるように操作してください」と書かれています。

ひなた

ぜんぶ自動でやってくれると思ってた……。

スカイ博士

がっかりしたかね？ わしはむしろ、ここが面白いと思うんじゃ。どこまでが機械の仕事で、どこからが人の仕事か。それを知っている人が、いちばん上手に道具を使える。飛ばす前に、その機体の説明書を読む。プロもそうしておるよ。

親子で挑戦｜「ひなたを家まで案内しよう」

ひなた

付箋を全部はがしたら、こんどはかんたんだった！

スカイ博士

じゃろう。ドローンにとっての「付箋」は、屋根や、ビルや、暗さなんじゃ。

今日わかったこと

1. このブログでは、安定して飛ぶための情報を「場所と高さ」「かたむきと向き」「まわりの物」の3つにしぼった。実際の機体は速さ、電池、通信なども確かめている。
2. ジャイロセンサーは回る速さを測り、加速度センサーは動きの変化を測る。静かなときは、加速度から重力方向の手がかりを得られる。
3. ジャイロと加速度センサーをまとめたものは、多くの場合IMUと呼ばれる。センサーの構成は機種によって違う。
4. 地磁気センサー（コンパス）は、地球の磁気と磁北を手がかりに、機体がどちらを向いているかを確かめる。
5. GPSはGNSSのひとつ。3次元の場所と受信機の時計のずれを求めるには、通常は4機以上の衛星を使う。
6. 衛星の電波は直接届くほど使いやすく、遮蔽・反射・衛星配置・受信機・電波干渉で精度が変わる。GPSだけで姿勢や障害物は分からない。
7. 下向きカメラは地面の模様の動きから相対的な移動を見積もる。高さや位置を保つには、IMU、距離センサー、GNSSなどとの組み合わせが必要。
8. ホバリングは、位置を考える輪と姿勢を整える輪の重なり。風の中では、同じ場所にいるために機体をかたむけ続けることもある。
9. 自動帰還も障害物検知も条件つき。通信が切れたときの動きも、機種・設定・測位・風・電池・飛行モードによって違う。

ひなた

ドローンって、思ってたより「わかっていない」んだね。

スカイ博士

うむ。機体がセンサーの異常に気づいて、警告したり安全な動きへ切り替えたりできることもある。じゃが、すべての間違いに必ず気づけるわけではない。だから人が飛ばす前に条件を確かめ、飛行中も見守ることが大切なんじゃ。