SPH Engineering開発のTTF及び関連するアプリケーションをシリーズでご紹介します。第2回目です。一覧は、「製品サポート」の「UgCS/TTF関連」をご確認ください。

１はじめに

UgCS SkyHubは完全な機密性とセキュリティでデータを収集するドローン搭載用オンボードコンピュータです。市販のUAVの機能を強化し、多様なセンサとの統合を可能にします。

２特長

２-１ SkyHub第3世代

その特徴には下記のようなものが挙げられます。

SkyHubは、市販の産業用UAVの機能を強化し、多様なセンサの統合をサポートするために設計されたオンボードコンピュータです。
SkyHubがあれば、データは常に保護されます。SkyHubの革新的なオンボードコンピュータは、すべてのデータをオフラインで処理し、クラウドへの保存や転送を一切行いません。このローカルデータ処理アプローチにより、最大限のセキュリティと機密性が保証され、プライバシーが重視される現代社会でも安心してお使いいただけます。
SkyHubハードウェアの第1世代バージョンは、DJI M600 Proドローンに低周波GPR（Ground Penetration Rader:地中レーダ）システムを統合するために2017年に開発されました。
それ以来、その機能は常に改善され、より多くの種類のドローン（DJI M300およびM210シリーズ、ならびにArduCopterおよびPX4ファームウェアを搭載したPixhawkベースのドローン）のサポート、接続性の拡張、計算能力の向上、サポートされるセンサ（GPR、メタン検知器、磁力計、金属検知器、エコーなど）

参考動画：https://youtu.be/dtFqKuscaLk

２-２機能

SkyHubの機能には下記のようなものが挙げられます。

レーダまたはレーザ高度計からのリアルタイムデータを使用して、地表上の高度を自動的に一定に保つDJIドローン用のTTF（True Terrain Following）の実装。
安全な高度でウェイポイント間を飛行しているドローンが、測定（NDTセンサ、エコーサウンダなどを使用）を行うため、または小包や地震センサを投下するために、ウェイポイントで設定された高度まで降下するGrasshopperモードの実装。
データロガーが内蔵されていないGPR、メタン検知器、ガンマ線カウンターなどのセンサからのデータ収集ができます。データはCSVフォーマットで記録され、センサーデータ処理用の専用ソフトウェア（SEG-Y、NMEA-0183など）と互換性のあるフォーマットでも記録されます。
ペイロードとオートパイロットのテレメトリからのデータ統合が可能です。座標のないデータ（非ジオタグ）は、ほとんどの場合役に立ちません。UgCS SkyHubは、ドローンからの測位情報を使用してセンサのデータにジオタグを付与します。
SkyHubは外部センサにNMEA座標ストリームを供給することができます。センサによっては、データレコーダを内蔵していても外付けのGPSレシーバが必要な場合があります。SkyHubはそのようなセンサのGPS受信機を代用することができます。

参考動画：https://youtu.be/qjouqKcKZfE

２-３互換性

SkyHubと互換性のある機材について説明します。

SkyHubは、一般的な市販の産業用ドローンやプラットフォームと互換性があります。
- DJI M300 RTK
- DJI M600/M600 Pro
- M210/m210 V2/m210 V2 RTK
- ArduCopterまたはPX4ファームウェアを搭載したPixhawk自動操縦をベースとするドローン。
- DroneBase X4-1000、Hexadrone Tundra、SkyFront Perimeter、Avartek Boxerハイブリッドなどその他多数。
DJIドローンの場合、UgCS SkyHubは、オンボードコンピュータ用の標準コネクタを利用し、DJI Onboard SDKを使用してドローンと通信します。
Pixhawkベースのドローンの場合、UgCS SkyHubはオートパイロットのTelemポートとMAVLinkプロトコルを使用します。
UgCS SkyHubの電源は、ドローンのメインバッテリーから供給され、入力電圧は、DJI M210のような比較的小型のドローンから、60Vの内部電源回路を持つ重いリフタードローンまで、あらゆるバリエーションをカバーする12～60Vの範囲で使用できます。

２-４統合能力

UgCS SkyHub第3世代は、ほぼすべてのセンサをサポートするために複数の通信ポートとチャンネルを持っています。

1x高速イーサネットインターフェイス
2x RS-232ポート
4x UARTポート
4x GPIO（汎用入出力）ピンペア
WiFi
Bluetooth
USB 2.0ポート×2（USB接続センサに最大3Aまで給電可能）

２-５自動地形追従

TTF（True Terrain Following）、自動地形追従飛行の必要性には複数の理由があります。

いくつかのセンサ、特に地球物理学的なセンサでは、センサとターゲットの間の距離は検出を成功させるために決定的に重要です（GPR、磁力計、EMIツール）。
センサによっては、一貫した有用なデータを収集するためにセンサの高度を一定に保つ必要があります（地磁気センサ、エコーサウンダ）。
超低高度での飛行の安全性の確保。
規制要件（GPRの場合）の遵守。

２-６センサ用電源の供給

UgCS SkyHubは、センサ用のバッテリーや電源回路を別途用意する必要がありません。通信ポートのある全てのコネクタには+5Vと+12Vのピンがあり、センサに必要な電力の99%をカバーします。
追加電源コネクタは1つ設定可能で、最大5A負荷で9、12、15、18Vを出力できます。

３地中レーダ, 磁力計における距離の問題の解決

GPRアンテナとターゲットの間の距離だけを考慮したGPR信号の反射/伝播の簡単なモデルを見てみましょう。信号の減衰、空気と表面の界面からの反射、その他多くの要因は考慮しません。

GPRは円錐の形でインパルスを放射すると仮定します。これは大まかな仮定ですが、私たちの頭で考える実験では問題ないように思えます（上図参照）。

GPRはエネルギーEのインパルスを放射します（上の図の緑色の円錐）。ターゲットの平らな水平部分の面積は S、GPR アンテナとターゲットの間の距離は D。

コーンの角度がαのとき、ターゲットに当たるGPRインパルスのエネルギー量（Et）は式を使って推定できます：

ここで唯一重要なことは、ターゲットが受信するエネルギー量はアンテナとターゲットの間の距離の2乗に反比例することです。

次に、ターゲットは受信したEtエネルギーの一部を反射して送り返します。ここでは簡単のため、ターゲットはほぼ100％のエネルギーを反射すると仮定します（乾燥した砂の中の鉄板でも構いません）。ターゲットが GPR アンテナに戻る方向を持つ集束反射器として機能する確率は非常に低いので、反射されたインパルスはいくつかの円錐形（図の赤）を形成します。

受信側のGPRアンテナは反射された信号のエネルギーの一部を得ますが、それは距離Dの2乗に反比例します。

距離が2倍になるとどうなるでしょうか？
Etは4倍減少します（距離増加の2乗）
Erは初期値の4×4＝16倍減になります！（Erは受信側のエネルギーを表します。）

つまり、理想的な条件では、GPRアンテナとターゲットの間の距離を長くすると、ターゲットから受信するエネルギー量は距離の4乗として減少します。現実の状況では、GPRの分解能（水平面内）も距離に依存するため、これはさらに悪くなります。

ドローンのGPRにはどんな意味があるのでしょうか？地下の浅いターゲットでも検出できる確率は、アンテナ高度の4乗として減少するため、できるだけ低空で飛行する必要があります。

法律上の制限

多くの国では、地表上のGPRアンテナの最大高度が1mに設定されています。

そのため、高度1mの地形に追従できないドローンにGPRシステムを使用することは法律に反する可能性があります。

距離は磁力計にとっても重要です。磁力計はパッシブデバイスです。磁力計には「距離」という特性はありません。何か（人工物、公共施設、不発弾、鉱床など）を検出する原理は、磁場の違いの分析に基づいています。ある場所や領域で磁場が周囲と異なる場合、そこに「何か」が存在する可能性があるということです。

この磁場が異なる場所を「anomaly（アノマリー）」と呼びます。残念なことに、鉄や磁性体の塊が集中することによって生じる磁気異常の振幅は、物体からの距離の3乗に比例して小さくなります。

不発弾の検出を例にとって説明しましょう。地表下30cmにある手榴弾F1は、高度0.5mからSENSYS MagDrone R4磁力計を使い、振幅約3.5nT（ナノテスラ）の磁気異常として検出されます。高度1mからでは、このターゲットは振幅<0.5nTの異常を発生させ、現実の条件では実質的に見えなくなります。