トンネル掘削工事での自律飛行ドローンの必要性
トンネル掘削工事では、掘削が計画通りに進んでいるかの確認を切羽直下で目視により行うが、切羽付近は崩落のリスクがあるため、作業員が危険区域に立ち入ることなく確認できるよう、スキャナ等を用いた計測の開発が進んでいる。
しかし、地上型スキャナの場合、トンネル坑内の状況によっては切羽付近まで進入できないため計測精度が落ちてしまう。また、ドローンにスキャナを搭載する場合では、飛行ルート上に人や重機が入れないため、目視での確認よりも時間を要することが課題となっていた。
そこで、大林組とトップライズは、カーネギーメロン大学機械工学科の嶋田憲司教授が主宰する、計算工学・ロボティクス研究室の協力を得て、非GNSS環境（GPSのような衛星測位システムが利用できない環境）で動く障害物を自動で回避しながら自律飛行するドローンを開発した。
技術の概要とメリット
今回開発されたドローンには、撮影した対象物の距離と色を認識するセンサー付カメラが搭載されており、センサーで検知した物体を独自のアルゴリズムにより、動的障害物かどうかを判別する。
また、カメラから取得した情報はドローンに搭載されたコンピュータ上で処理され、リアルタイムでトンネル坑内の3次元地図を生成するため、非GNSS環境下（全地球航法衛星システムが使えないところ）での自律飛行が可能となり、動的障害物を回避しつつ、目的地への最適飛行ルートを自動生成することができるようになったのだ。
さらに、撮影したカメラ画像から3次元の形状を復元するSfM解析により掘削形状を計測。そして、計測結果をもとに設計値と実際の掘削形状を比較し、可視化することで重機オペレーターに掘削不足箇所を指示する。
これにより、従来は作業員が目視でチェックし、レーザーポインターを用いて重機オペレーターへ指示していた掘削不足箇所の確認作業が不要となり、重機オペレーターは画面上で掘削箇所と形状を確認しながら作業可能となるため、安全性・生産性・施工精度の向上が期待できるというわけだ。
今後の展望
大林組とトップライズは、2023年度中にカーネギーメロン大学からプログラミングや操作の技術移転を受ける予定であり、今後、さまざまな状況下での実証実験を重ねながら、トンネル工事の安全性と生産性の向上のため、自律飛行ドローンの実用化を目指している。
さらに、今回開発した動的障害物を回避しながら自動的に飛行ルートを生成する機能は、トンネルの掘削形状を計測する目的以外でも、広く活用の場が見込めることから、他工種や建設業以外での活用も視野に入れて開発を進めていくとのことだ。
