在新能源产业技术综合开发机构[会长古川和夫]（以下简称“NEDO”）的项目中，国立产业技术综合研究所[所长中钵良二]（以下简称“AIST”）地圈资源与环境研究部Yuji Mitsuhata，研究部部长，Takumi Ueda，地球物理勘探研究组客座研究员，智能系统研究部[研究部部长 Yoshihiro Kawai] 现场机器人研究组组长加藤进、首席研究员神村秋也等人来自 enroot 株式会社 [社长泷川雅康]（以下简称“enroot 有限公司”）、日立制作所 [社长兼 CEO 东原日立株式会社（以下简称“enroot”） “日立制作所”）和八千代工程株式会社[代表董事兼社长和泉重光]（以下简称“八千代工程株式会社”）开发了一种在滑坡期间空中搜索埋在地下的车辆的系统。
这个系统是无人机和地下电磁勘探传感器悬浮勘探传感器稳定导航技术和各种传感器更准确地定位埋藏位置，实现自动飞行全面勘探和手动控制精确勘探。与直升机相比，它们可以进入更小的区域并在更低的高度飞行以进行更详细的探索。此次，我们在静冈县实际埋藏车辆的实验场进行了验证实验，成功定位到地下15米处的埋藏车辆。未来，我们的目标是通过反复试验，探索该系统在斜坡等接近实际现场的环境中的适用性，推动其实际应用，并在灾害准备中进行传播，从而为加快人们难以进入的灾害现场的救援行动做出贡献。
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| 使用开发的系统在山体滑坡灾害现场搜索埋藏车辆的图片 |
2016年熊本地震导致南阿苏村馆野地区山体滑坡，2004年新泻县中越地震发生在长冈市，为了挽救生命，需要快速搜寻埋在土沙中的车辆。但由于担心次生灾害，在人员难以进入的条件下进行车辆搜寻作业难度极大。
此外，不仅是地震引起的山体滑坡，近年来暴雨等不稳定天气引起的山体滑坡也时有发生。例如，根据国土交通省的统计，2016 年发生了 1,492 起山体滑坡1，有人担心，将来有必要搜寻埋藏的车辆，以快速挽救生命。
近年来，可在灾害现场使用的无人机的开发正在积极进行。无人机越来越多地应用于航拍、勘测、农药喷洒、基础设施检查等领域，而在未来的灾害应对领域，预计将开发出利用无人机在人类难以活动的灾害现场定位埋藏车辆的技术。
AIST 与 Enroute Co, Ltd、Hitachi Ltd 和 Yachiyo Engineering Co, Ltd 一起，正在开发在 NEDO 项目*中发生山体滑坡和火山灾害时使用无人机和无人机进行地形和地质调查的技术。在不接触地面的情况下调查地下状况物理探索方法
作为该项目的一部分，我们推进了利用无人机搜索埋地车辆的技术的开发，并在日本建机建筑协会的建筑技术研究所（以下简称“建筑研究所”）进行了验证实验，该研究所设有埋地车辆的实验场地。
*NEDO 项目
项目名称：解决基础设施维护、管理和更新等社会问题的系统开发项目（2014 财年-2018 财年）
研究主题名称：灾害排查地空联合机器人系统研发（2014-2017财年）
这次，我们开发了一种使用悬挂式无人机进行电磁勘探定位埋地车辆的系统，该系统由无人机部分和传感器部分组成。系统的传感器部分位于地下。电阻率可以从地表测量分布，并且可以探索埋在地下的金属物体。 16m长的地下电磁勘探传感器，用于收集位置信息的GPS信号接收器，用于控制传感器和监测测量数据的无线通信装置，监测地下电磁勘探传感器的高度超声波距离传感器（图1）。
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| 图1 使用悬挂式无人机电磁探测系统（左图）和传感器单元（右图）进行导航测量 |
将传感器部分悬挂在无人机上并在导航时进行测量时，人们担心以下问题。
① 悬挂较重的传感器单元（总重45公斤）时飞行稳定
② 无人机电机产生的电磁噪声对地下电磁勘探传感器的影响
③由于风等影响传感器单元水平旋转
④由于地面小起伏、阵风等影响，传感器距地面高度的变化
此外，还需要以下功能来快速识别灾难现场埋藏车辆的位置。
⑤导航测量时实时监控测量数据
⑥ 现场快速数据处理和可视化
第1期我们采用了Enroute Co, Ltd开发的ZION CH940多旋翼飞行器，其最大负载能力为66公斤。为了避免电磁噪声的影响（问题2），可以增加无人机与传感器之间的距离，但如果距离太远，传感器会像钟摆一样摆动，使无人机的导航不稳定。因此，为了评估电磁噪声的影响，我们在3 m、4 m和5 m的固定点改变无人机与传感器之间的距离，测量来自勘探传感器的数据，并计算代表变化的标准偏差（图2）。当无人机部分和传感器部分之间的距离为5 m时，变化最小，电磁噪声的影响被认为很小，但考虑到导航过程中的不稳定，在开发的系统中无人机部分和传感器部分之间的距离设置为4 m。
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图2 将无人机部分与传感器部分之间的距离更改为3 m、4 m和5 m时测得的勘探数据的标准偏差
使用在固定点测量约 20 秒的探索数据（170 个样本），同时将无人机的离地高度保持在 15 m。 |
对于第 3 期，将垂直尾翼连接到传感器单元的一端，使传感器单元面向无人机的行进方向（图 1）。附加垂直尾翼的旋转抑制效果取决于无人机的巡航速度，通过观察无人机巡航速度从1 m/s变为5 m/s时的旋转抑制效果，我们确认至少需要2 m/s或更高的速度来抑制旋转。关于问题4，传感器部分距地面的高度，如果井下电磁勘探传感器距离地面太近，可能会受到地面电导率的影响，出现类似于金属物体的测量数据异常。为避免这种情况，需要将传感器部分距地面的高度保持在1m左右。无人机还配备了激光高度计，控制无人机离地高度保持恒定，但由于地面小范围起伏、阵风等造成的高度波动是不可避免的。因此，本次我们在传感器单元上安装了距离传感器，持续监测传感器单元的离地高度，并决定不使用离地高度较小时测得的勘探数据，而在本次演示实验中，我们仅采用离地高度70厘米以上时的勘探数据。
第5期的实时监控对于确认传感器单元在导航过程中的正常运行也很重要，因此我们为地下电磁勘探传感器创建了一个无线控制和传输数据的设备，并将其附加到传感器单元上。关于问题 6，我们开发了软件，将测量的勘探数据与勘测现场传感器的位置和距地面高度的信息集成在一起，并将勘探数据可视化（图 3）。这个软件是地理信息系统的函数显示叠加在航空照片上的测量数据，从而可以在灾难现场识别埋藏车辆的位置。
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图3电磁勘探数据处理与显示软件
（上排）探索数据（绿色）和地面高度数据（灰色）的剖面显示； （下排）显示沿导航轨迹的勘探数据的图表。 |
接下来，我们利用开发的系统在建筑科学研究院进行了演示实验。
建设研究院有一个实验场地，将两辆轻型车辆埋入地下15 m（浅层）和3 m（深层），模拟埋地车辆勘探（图4）。这次，在这个实验现场，我们进行了一项实验（无人机导航测量），其中传感器部分悬挂在无人机上，无人机以约2m/s的速度巡航，传感器部分距地面的高度约为1m。进行了两种类型的实验：广域探索，其中以相对较粗的飞行间隔对目标区域进行全面探索；精密探索，其中从调查中提取的特定区域以更精细的飞行间隔进行详细探索。
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图4 建设研究院埋地车辆实验场埋地车辆布置
两辆轻型汽车分别埋在地下15 m 和30 m 的深度。 |
首先，我们使用广域无人机导航测量测量了整个约 70 m x 35 m 的实验场地。尽管我们能够探测到先前建造的实验设施留在地下的结构，但我们只能在浅滩中辨认出一些埋藏的车辆（图 5）。因此，我们进行了精确的无人机导航测量，并仔细导航了我们检测到的数据似乎来自埋地车辆的区域。结果，我们能够清晰地检测到浅层区域的埋地车辆，以及深层区域的少量埋地车辆（图6）。
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图5 广域无人机导航测量的勘探数据（测量频率60 kHz） 探索数据的幅度显示为沿无人机导航轨迹的蓝线。 （但是，仅显示传感器单元距地面高度为 70 厘米或以上的情况）。我们能够清楚地发现过去建造的实验设施中残留的地下结构的区域。还在浅滩中发现了一辆被埋的车辆。 |
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图 6 精密无人机导航测量的探索数据（测量频率 60 kHz） 显示沿无人机轨迹的探索数据的幅度。 （但是，仅当传感器部分距地面的高度为 70 厘米或以上时才会显示）。除了清楚地检测浅埋车辆外，还可以检测深埋车辆，尽管它们很小。 |
目前还没有像本次演示实验那样利用无人机搜索埋地车辆的报道，可以说，本次实验的成功范例为实际应用铺平了道路。今后，通过进一步完善该系统，作为在灾害现场搜寻被埋车辆的技术，有可能为加快救援行动做出贡献。
实际的灾害现场往往地势陡峭，因此悬挂传感器时的导航可能会变得不稳定。未来还需要继续完善系统，在地形崎岖、更贴近实际的实验场地进行示范测试。此外，这次开发的技术将被传递给私营公司和其他组织，以促进其实际应用，以便在灾难发生时发挥作用。