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CSイノベーションが日々考えていること・発信したいことをブログにしていきます。 UAV /Drone /空気電池/ 燃料電池/ 等 をテーマに取り上げます。

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ドローン用燃料についての考察

今回は引き続きドローンの燃料について考察してみようと思います。

【ドローンの動力源用の燃料について】

2017年3月12日、関西の河川敷にラジコンヘリが墜落して河川敷の下草など23haが焼けたというニュースがありました。
動力源の燃料が液体燃料(小型エンジン)なのか、バッテリー(電動モータ)なのかは不明ですが、いずれにせよ落下した際の安全性は担保されるべきで、まして産業用途だったとしたならば原因も含め企業が原因究明に当たらないとならないレベルになります。

様々な用途に向けたドローンの運用試験などが活発に行われていますが、そろそろ行政もドローンの燃料に関する規制をよりブラッシュアップしていくべき時ではないでしょうか。

ドローンの動力源の燃料がガソリンであろうとバッテリーであろうと、落下などで強い衝撃を受けた場合、燃料が漏れない、爆発しないように安全な措置が必要です。例えば軽量且つ強度のある材料で作った箱に格納しておく、漏れると同時に中和するなど措置が取られていると安全です。

弊社の開発しているバッテリーは釘を打ち込んでも爆発しません。酸化反応によりバッテリー内部の材料特性が変化するため爆発が起こりません。

【ガソリンで飛ぶドローン】

最近では、ガソリンエンジンで飛行を可能にしたドローンも開発されているようですが、ガソリンエンジン式ドローンは期待が持てると考えます。ガソリンの格納方法などについては自動車産業から学ぶことができますし、バッテリーの充電時間と比較しますと、ガソリン式はタンクを交換する数十秒、またはガソリンを充填する数分間でよいのです。技術的課題も少ないので農作業などパワーが必要な用途に最適ではないでしょうか。

このように使用目的に応じて駆動源も様々なドローンが世に出てくることになると思います。

【リチウムイオン電池に関する規制をドローンにも】

ここでバッテリーと呼んでいるのはドローンに採用されているリチウムイオンポリマー電池(通称Lipo、リポ)のことです。現在ドローン用として中国より輸入されています。PCや携帯電話にも使用されており過去には発火の危険性あり、とリコールが発生した記憶も新しいです。リコールの原因は、異物である金属粉などが混入した事などで、落下とは別になりますが、やはり不安定なバッテリーだなという印象を受けます。

規制について調査してみますと、リチウムイオン電池の規制に関する経産省の資料を見つけました。これらは様々な用途に使用するリチウムイオン電池の規制であり、ドローン用のバッテリーは対象の規制にはなっていません。ドローンはラジコンから産業用途にまでになっているので、これくらいの規制は必要と考えます。ドローンを対象にした規制も付記しやすいのではないでしょうか?

◆リチウムイオン蓄電池 基本設計
http://www.meti.go.jp/policy/consumer/seian/denan/kaishaku/gijutsukijunkaishaku/beppyoudai9.pdf

◆平成19年リチウムイオン蓄電池の規制対象化
http://www.meti.go.jp/committee/materials/downloadfiles/g71212d04j.pdf#search=%27%E7%B5%8C%E6%B8%88%E7%94%A3%E6%A5%AD%E7%9C%81+%E3%83%AA%E3%83%81%E3%82%A6%E3%83%A0%E3%83%9D%E3%83%AA%E3%83%9E%E3%83%BC%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E9%9B%BB%E6%B1%A0%27

◆リチウムイオン蓄電池の特別承認制度について
http://www.meti.go.jp/policy/consumer/seian/denan/tetsuduki_annai/reigai/lithium_tokubetsu.pdf

【ドローンレース】
ここでポジティブな話題を。
ドバイで実施された国際ドローンレース (youtube等で ドローンレース ドバイ と入力すると動画がたくさん見られます)。
これは、ドローン業界の中でF1レースのようなもので、賞金は1億円に上るとか!技術力を示すこと、技術向上するにはここに参加し、高性能バッテリーを供給するなど目標にしています。


ドローン用電池の安全性

今回は安心安全なドローンをつくるために必要な電池についてお話したいと思います。

【リチウムポリマー電池のメリット・デメリット】

現在市場に出回っている多くのドローンには、ホビー用のリチウムポリマー電池が使われています。

メリットは、エネルギー密度の高さと、入手のしやすさです。エネルギー密度が高いと他の電池と比較して軽くなるので、より多くの時間飛行させることができます。ネット販売で手配すれば翌日にでも入手でき、価格も以前より安くなってきています。

しかし、産業用ドローンをつくるにあたっては、ホビー用のリチウムポリマー電池は安全とは言えません。

その理由は

1)性能が担保されていない、仕様書通りの性能が保証されていない

2)そもそも、ホビーユースなのでそれ以外(産業用途)の使い方について想定されて開発設計、製造されていない。

3)リチウムポリマー電池自身、可燃性があり爆発の危険がある。
      過充電、過放電、衝撃(ドローン落下)などにより発熱、爆発します。
      爆発力は、電池(バッテリー)自身の容量によりますがかなりの威力になります。
      インターネットサイトで リチウムポリマー電池 爆発というキーワード
      で検索していただくとい公的機関の注意喚起や個人の方のアップしている動画などで、
      爆発するということは理解できると思います。

【リチウムポリマー電池の未来】

通常のドローン用に使用されているリチウムポリマー電池は外装が缶(金属)ではなく
アルミラミネートなのでニーズに合わせた形状や軽量化が図れています。しかしアルミラミネートは破損しやすいというデメリットもあります。

以前、非常に高価な海外製ドローンの性能調査を実施した際、機体内部に設けられた電池格納部は耐衝撃を考慮したBOXとなっており、落下の際にも大きな被害が出ないように設計されていました。

国内で高まるドローン需要に合わせてドローン用のリチウムポリマー電池や機体格納電池BOXなどの市場が立ち上がると予測されます。ドローン1機に対して備える電池の数量は1:1ではなく電池の数はn倍になります。中国製に先行されないようにしなくてはなりません。

【ドローン用電池には何が最適か】

では、産業用の安心安全かつ使いやすい電池とはそのようなものでしょうか?

当社のドローンにおいてはできる限りリチウムポリマー電池の容量を小さくしています。これは上記の通り、性能保証されていない、落下すれば衝撃で爆発や発火するという危険性があるからです。

当社のドローンは動力源を選べます、
①リチウムポリマー電池
②水素燃料電池
③リチウムポリマー電池と水素電池のハイブリット式

水素燃料電池とリチウムポリマー電池をハイブリット化して動力源とすることで、超長時間飛行が可能です。通常ドローンの2倍から3倍の時間、2時間程度、飛行させることができます。

水素燃料電池は、燃料が水素なので危険だと思われがちですが
水素は産業用として既に自動車にも採用されており、安全に水素を貯蔵(ボンベなどに蓄える)技術があります。そして法規制、安全規制なども整備されています。

【新たな2次電池の可能性】

当社では、リチウムポリマー電池、水素燃料電池以外にも、ドローンに搭載して安全安心な新しい電池システムを開発しています。

電池自身は、10C充電、10C放電が可能です。電池材料の組成によって電池に衝撃、破損が起こっても爆発、発火はしません。
放電能力が必要との声が聞こえてきそうですがホビーユースで使用したりレースを楽しむためのものではありません。

産業用なのですから10C放電でも十分です。充電も10Cなので他の電池の3倍速い充電時間で完了します。
また、充電回数寿命も10倍となり1桁多い寿命でコスト的にも充分産業用途と使用できます。

機体の安全性についての議論も必要なのですが、まずは大元になる動力源について
目鼻を付けなくては下流のシステム設計は進みません。

ちなみにこの電池はドローンだけでなく、電動車いすや電動スクーターにも最適な電池(バッテリー)なので短時間で充電して長時間運転できるという市場も狙って行けそうな優れものです。

【事故責任について考える】

結論ですが、一般的にラジコン用として販売されているリチウムポリマー電池は
過充電保護、過放電保護、温度保護などの機能はありません。さらに外国製のため一般電気製品に適用されるような規格には準じていません。産業用として使用してよいかは企業としての判断は明確です。

PL法なども関わってきますし、もちろん製造者だけでなくも販売者にも責任が問われます。

ドローン保険なるものがありますが、機体の安全基準を設けて適用範囲を明確にランク付けするべきだと思います。操縦者と機体の掛け算で安全性は担保されなくてはなりません。
自動車においても類似基準で保険金額が決まってきていることは保険屋さん自身ご存じのはずです。
 
今回電池について概略考察しておりますが、ドローンを自動車に置き換えてみてください
自動車に搭載されているバッテリーが過放電などで発火してしまいボンネットから煙が出て前方が見えなくなり、事故につながったとします。
この場合、自動車メーカーがリコールするなりすぐに対処するでしょう。

たまたま、路肩に減速して助かった。
ドローンだったらどうでしょうか、ゆっくり減速はできません。
落下します。そして路肩ではなくてどこに落下するかわかりません。
人が乗れないからまだドローンの安全は軽視されているのでしょうか。

落下してその下に人間や動物や重要な建造物等があった場合、製造者、販売者、操縦者で責任をとることになります。
高まるドローン需要に合わせ、ドローンの安全安全性について深く考えていかなければなりません。

次回以降はドローンのハード面(機体設計)の安全性についてお話ししたいと思います。


複数機のテロドローンへの対策

前回のブログでお話ししたテロドローン対策について
読者の方から情報を頂きましたので、追加でご紹介致します。

◆フランス空軍が不審ドローンを鷹で捕まえる!

http://www.franceplusplus.com/2017/02/france-aigles-drones/
かなり訓練されていて現実的に有効な手段であることが動画から推察されます。
ケガなど心配になると同時に、大型の鷹の力強さも感じます。

◆自動運転バンは配達ドローンの移動基地

http://jp.techcrunch.com/2017/03/01/20170228fords-new-self-driving-van-concept-is-like-a-rolling-hive-for-delivery-drones/
コンセプトモデルながら攻守ともに有効な手段として使用される可能性はありそうです。
実用化まで時間はかかりそうですが、AIによる犯罪防止のための予知判断材料となる新たなアルゴリズムや管理手法の必要性を感じます。

さて、今回の本題に入ります。

【複数のテロドローンが飛来してきたら】

少し前になりますが、中国の春節イベントで1000機のドローンが一斉に飛行したという記事が話題になっていました。
http://www.bbc.com/japanese/video-38952799

テロドローンでいきなり1000機が飛来したら…
1000機というのは離陸準備させている間に不審通報がすぐに発生するでしょうし現実的ではないかもしれません。

テロ行為であるなら5機くらいで十分かもしれません。
例えば仮に時速40km/hで飛行してくるテロドローンは、10秒で約110m飛行します。
そのスピードで、4台が東西南北4方向からアクセスし、且つもう1台が上空から垂直に急降下する。
監視するドローンを複数にしても、10秒程度で対処できそうでしょうか?

応えはノーです。
当社で開発していたドローンの中には親亀子亀ドローンなどもありました。ドローンの中にもう1台のドローンを積んでいるドローンです。ドローンが分離した場合には、5機が大小合わせて10機になります。
数が多ければ多いほど捕獲が困難なのは言うまでもないでしょう。

また、テロの種類は様々です。
飛行用のプロペラは地上に向かって風を起こしていますので、例えば、化学兵器の噴霧・拡散などは容易です。
こうしたテロに瞬時に対応しなければならないのです。

【複数のテロドローン対策は?】

複数のテロドローンが飛来した場合。
今のところ複数の人間が地上から対処する他に、ドローン同士がお互いに通信し合いながら協調制御をなしている場合に限り、
協調制御を一瞬で反協調制御に誘導してしまうことも可能です。お互いを衝突させてしまう。
これはハッキングに近い手法となります。

以上のとおり、鷹による捕獲、人間による特殊捕獲器、ドローンによる捕獲、通信技術を使用したあらゆる捕獲方法を試行しながら、
強風下、悪天候、海上などの環境下での実運用に耐えうるようにするには時間が掛かります。
2020年はもうすぐです。
すぐにでも対策に取り掛かる必要があります。

【ドローン自体にも危険性がある】

最後に、テロ対策から少し話はそれてしまうのですが、
ドローン自体にも危険性があることを語っておきたいと思います。

ドローンのプロペラは超高速で回っています。
鋭利な刃物が回っているようなもので、間違って指に当たれば切断事故にもなるくらい危険です。

先日、工事現場でドローンが落下し怪我人が出るという事故が起きたというニュースを耳にしました。
顔を数針縫うけがをされたとのことでしたが、目に当たっていたら失明などもありますから本当に危険です。

また、危険なのはプロペラだけではありません。
ドローンにはリチウムポリマー電池が搭載されており、ドローンが落下し地面に衝突した際などに起こる強い衝撃により、破損し爆発するおそれがあります。最近のドローンは高出力化が進んでおり、バッテリー容量が大きくなっているため、爆発した際のエネルギーもかなり大きくなってきています。

一方で、リチウムポリマ―電池の3倍以上の充電速度を持ち、破損しても爆発の危険がない電池も存在します。
多くのドローンにはホビー用のバッテリーが使用されていたり等、危惧するところが多いです。
安心安全な産業用途のドローンをつくるには、”何を採用するか”も重要な視点となってきます。

次回は、安心安全なドローンをつくるために必要な電池についてお話したいと思います。


テロドローンを捕獲する方法

【テロドローンの捕獲は時間が勝負】

捕獲対象のドローンかどうか判断する方法については、前回のブログの内容をご参考頂くとして、その判断までに要する“時間“について考えてみます。

ドローンの監視エリア内であれば、地上から離陸する時点で瞬時に発見できます。しかし多くは監視エリア外からの飛来であり、速度を仮に40km/hとしてみると1秒間に約11m、2分で1.2kmを超えるスピードで航行してきます。

テロ対策には避難、捕獲システム作動といった充分な時間的余裕が必要です。監視エリア外であってもすばやくテロドローンを発見しなくてはなりません。

監視エリア内においても、突然、自動車内など閉鎖された空間からドローンが飛び立つことも想定されます。とにかく瞬時に発見、素早い対処が求められるのです。飛行中のテロドローンを出来るだけ早く捕獲するという発想も必要ですが、目の前に現れた瞬間に捕獲するというシステムを構築する方が現実的ではないでしょうか。

【ドローンをドローンで捕まえられる?】

テロドローンの捕獲には、自動で発見し自動で捕獲システムが作動してドローンを捕獲するというのは一番理想的です。しかしこれは非常に都合のよい想定になります。前述の通り通常テロドローンは監視システムを回避するのが常です。(だからと言って監視システムが必要ないということではありません。あるからこそ相手側の行動が限定される面もあります。)

突然現れたテロドローンを一般人が発見したらどうなるでしょうか?警備員などが近くいて、避難をするよう言われても逆に混乱を巻き起こすかもしれません。テロドローン対策には、発見したら即座に捕獲できるシステムがあることがベストです。町中にある消火器やAEDのように、簡単に作動させることができるシステムです。

発見から捕獲システム作動まで5秒、実捕獲まで+3秒程度としてみると、捕獲出来る手法は絞られてきます。ドローンをドローンで捕まえる等の方法が提案されていますが、常に警備ドローンが飛行して見回りしているならよいですが、本当にテロドローンを発見し即座に接近して捕獲網などを作動させることができるのでしょうか。

相手は時速40km/hで飛び回っています。しかも無風などの条件ではありません。風の強い環境下では非常に難しい制御を行うことになります。産業用ドローンであればまだしもホビーユースのジャイロ、風速計算もされていいない、重心位置も定かでない、ソフトだけで何とかなるという考えで製造されているドローンも出回っているのです。そうしたドローンをドローンで捕まえることはできるでしょうか?

【ドローン規格はソフトの前にハード】

経産省が衝突防止や自動管制システムなど国際規格づくりに乗り出して2025年を目途に国際標準化機構(ISO)の承認を目指すと発表していますが、非常に良いことだと思います。しかしソフトやセンシング技術の前に、ドローン自体のハードの基本設計内容において、最低限JIS(日本工業規格)が順守されていることを確認し現状把握することが先ではないでしょうか。というのも、ドローンの機体に使われている部品や締結方法に疑問を抱いた経験が少なくないからです。

【テロドローンを捕獲する方法】

ドローンを即座に捕獲する方法には、地上から捕獲対象を目視できる人間によって遠隔操作(ハッキング)して落下させる、ダメージを与えて落下させる方法があるます。落下させる際には落下速度や姿勢についてはできる限り安全な方法を考えなくてはなりません。
また、ドローンの機体にダメージを与える方法については『指向性エネルギー兵器』があげられます。
以下いくつか例をあげます。

◆化学レーザーの開発

1970年代後半に大出力の化学レーザーの開発が兵器応用を裏に秘めて行われた。
Star Wars (SDI: Strategic Defense Initiative)
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%88%A6%E7%95%A5%E9%98%B2%E8%A1%9B%E6%A7%8B%E6%83%B3

1980年代にレーガン大統領が始めた。日本の某研究機関では当時レールガンが開発されていて「SDIをやっていると誤解されませんね」と懸念されていたようだが、最近は実用化が見えてきているようだ。もちろん複数拠点必要で予算制限もあるので移動式になるかもしれない。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%8C%87%E5%90%91%E6%80%A7%E3%82%A8%E3%83%8D%E3%83%AB%E3%82%AE%E3%83%BC%E5%85%B5%E5%99%A8にいろいろ出ており、強力超音波でネズミを殺せるとしている。殺す前に聴力障害とかは低いレベルでも出てきそうだ。要注意(これは、ドローンに搭載されたら危険ということも考えられる。)

http://gigazine.net/news/20150731-railgun-laser-2020/
流れ弾が許容されるなら 散弾銃やライフルのほうが選ばれるだろう。 「撃ち落とし」は落下物が人に当たるリスクが問題。ネット捕獲はその心配がない。 ドローンのリモコン電波や光のジャミング、GPSジャミングとかについては ドローン側で「自律制御」「GPSに依存しない航行制御」ができるので有効とはいえない。

◆捕獲対象ドローンを引き寄せる銃

http://tabi-labo.com/279613/dronegun
非常に期待できる捕獲方法だが、ドローンの航行制御を定型の無線あるいは赤外なりのリモートコントロールでしている場合により、乗っ取るというものであるかもしれない。既成品のまま攻撃されるという前提がどれくらい成立するのか疑問。

複数機が同一場所で運用されることが一般的で、機体とリモートコントロールのあいだでペアリングといった手続きをはじめにしているので、PCを乗っ取るくらいの手立てをしないとドローンも乗っとり出来ないはずではないだろうか。あるいはドローンにウェイポイントが予め仕込まれているとの前提で GPSのにせ信号を与えるのかもしれない。 いずれにせよ前提次第。

◆鷹がドローンを倒す

http://www.larevistadeinternet.com/ja/halcon-derriba-un-dron/

小さめのドローンなら良いかもしれないが、大きめのドローンはプロペラもかなり高回転で大きいので鷹が倒せるかどうかは疑問であり、ケガしてしまう心配もある。

まとめとして、テロドローンの捕獲には、生き物(人間)が即座に判断し狙いを定め瞬時に捕獲システムを作動することが望ましいです。

例えば、特殊素材で製作した網で捕獲し、捕獲後は安全な地点に安全な速度で落下させるなどといったシステムが大切であり、現在弊社にて研究開発中です。

次回はテロドローンが複数であった場合について、対策を考察していきます。


ドローンを使ったテロ対策に関する考察

【そもそもテロとは】

テロにはどんな種類があり、どんな物質が使われているのでしょうか。文部科学省のサイトが参考になったので参照してみます。
安全・安心科学技術に関する研究開発の推進方策について (文部科学省 資料http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu2/suishin/attach/1333413.htm
0219 表

【テロが想定される実行場所と可能性】

テロの対象が一般市民の場合、インフラをターゲットにしたテロが考えられ、交通インフラ(鉄道、航空機、船舶、自動車)や生活インフラ(電気、ガス、水道など)、通信インフラ(光ファイバー網)などがターゲットになります。直ちに、人命に係わるテロ手段としては交通インフラ、生活インフラ(水道)へのC:化学、B:生物、E:爆弾によるものが考えられます。
ドローンを利用したテロの可能性は大いにあると言えます。現時点でドローンがどのような用途に使用されているか認識出来れば、テロの内容も想像できます。

ドローンは色々なテロの種類(C、B、R、N、E)に利用できるため、今から対策が必要です。
実例として、2015年4月22日に発生した『首相官邸無人機落下事件』では、実際に放射性物質が含まれた土がドローンに搭載されていました。
これはテロとして認識できる事件であり、その後法規制の整備が急がれたことは皆さんも記憶に新しいと思います。この事件はVIP(要人)を狙った手法ですが、多数の一般市民にも充分に起こりうる可能性があります。

【テロ対策方法の考察】

テロ対策のひとつとして、個別認識システムを採用する方法があります。携帯電話通信網などを利用して、航空管制を実施するのです。予め固体認識ユニットがドローンに装着(後付け可能)され動力源に作用できるシステムになっており、ドローンの飛翔前、航行中、など予め了承された時間と空間(位置)にドローンが存在するかを管制し、必要応じて動力源制御を管制側が制御できるシステムです。

個別認識システムが改ざんもしくは無視できるようにドローンそのものを改造した場合やGPS情報を外部から改ざん(海外であった事象)し、ドローンをハッキングや改造しなくとも制御できる方法を実行された場合は、個別認識方法は有効ではありません。改造された個別認識できないドローンを見つけ確保(捕獲)するには、ドローン特有の飛行時の音や電波、画像などで見つけると同時に個別認識システムによるダブルチェックの管制確認を実施し、即座に確保(捕獲)判断を下す必要があります。

次回は詳細に捕獲システムに関してお話ししたいと思います。