2021 Fiscal Year Research-status Report

コウモリの生物ソナーからひも解く大自由度な3次元音響ナビゲーションの解明

Research Project

Project/Area Number	19K15012
Research Institution	Hiroshima University
Principal Investigator	山田恭史広島大学, 統合生命科学研究科(理), 助教 (80802561)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	エコーロケーション / シンプルデザインセンシング / 生物ソナー / バイオミメティクス / ドローン / 構成論的研究手法 / 空間学習ナビゲーション
Outline of Annual Research Achievements	本年度の研究遂行により，①3次元定位に有効なエコー聴取時の耳介動態条件の理論化ができた．具体的には，網羅的な耳介動態パターンとそれに応じた聴取エコーパターンの数値シミュレーションを活用した分析から，4つの条件を満たす耳介動態パターンであれば，その効能を発揮することが分かった．定性的にしか理解できていなかった運動条件を理論化できたことで，超音波センシングを行うコウモリだけでなく，可聴域でのセンシングや工学応用へも展開が可能となった．現在は本成果物をまとめ，論文投稿中である．今後は理論を実際の超音波センシングシステムに実装し，実環境評価を実践していく．さらに本年度の研究遂行により，②コウモリ模倣のFMパルスと相互相関処理機構をドローンへと搭載し，飛行中のセンシング性能の検証を行うことで，膨大な飛行ノイズに対してもロバストな障害物検知が実現できることを評価できた．特にこれまでの空中超音波システムでは，飛行ノイズの影響でセンサ取付位置や方位に制約が設けられていた．本提案システムを採用することで，それら制約から解放され，ドローン用超音波ナビゲーション技術の飛躍的な発展が見込める．現在は，これら成果をまとめたものについて，論文執筆中である．両成果物は空中ナビゲーション技術への応用に必要な核となる要素技術である．今後は，これらシステムの統合化を図っていく．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の応募申請書類に記載していた3つのテーマが，①コウモリの耳動態分析から紐解く三次元空間定位プロセスの解明，②空間学習飛行・群個体飛行から紐解くコウモリの適応的なナビゲーション戦略の解明，③自律飛行型ドローンを用いたコウモリ模倣の3次元音響ナビゲーションの検証であった．これに対し，②に関する成果物は既に2020年に論文が採択された．①については理論的な分析を行った成果物を現在論文投稿中（in revision）であり，③についてはコウモリ模倣システムについての飛行ノイズに対するロバスト性という観点から現在論文執筆中である．これら3テーマの成果物について論文化が着実に進んでいることから，おおむね順調に進展していると判断した．
Strategy for Future Research Activity	前述のとおり3テーマに対して一定の成果が得られたが，それら各知見の統合集約化が未だ達成できていない．今後はこれら知見を集約し，ドローン実装からの有用性を示すことで生物模倣のソナーシステムの社会発信を行っていきたい．特に，空間学習に基づく適応ナビゲーション飛行については，詳細な飛行音響計測ができたものの，数理モデル化には至っていない．そこで，コウモリのふるまいに基づく適応的ナビゲーションモデルの構築を加速させる．具体的には，生物のふるまいの数理モデル化に定評のある伊藤賢太郎氏に助言をいただきながら，数理モデル化の加速を図る．本モデル化が達成できれば，既に理論化が図れている耳介動態に基づく3次元定位システムとの融合により，真の達成目標であった自律飛行ドローンによる3次元ナビゲーション飛行の展開が期待できる．最終的には，コウモリ模倣アルゴリズムの有無による性能差の比較から，その有用性を定量評価する．
Causes of Carryover	2020年からのコロナ禍の影響により，当初計画していた国際・国内学会への参加および出身研究室訪問が全てオンラインでの対応となった．これにより，当初計上していた2年目以降の出張費約120万円がまるまる残る形となった．また，出身研究室で予定していたマイクロホン・スピーカ特性の精密計測が遅れたために，論文執筆が遅れることとなった．これにより，論文投稿費約40万円が残る形となった．使用計画として，現在執筆・投稿中の2報の論文はオープンアクセスジャーナルを画策しており，投稿料・英文校閲料として50万円の費用支出を予定している．音響計測用フィルター装置及びドローン用補修部品費として，50万円の費用支出を計画している．また，国内学会（Rbomech2022, Sapporo）の参加費・宿泊費・移動費用として20万円，国際学会（International Ultrasonic Symposium2022,イタリア）への参加費・宿泊費・移動費用として40万円の費用支出を予定している．なお．国際学会がオンライン開催に変更された場合には，数値計算用PCの購入費用に充てることを画策している．