Drone programming with ArduPilot

Drone programming
with ArduPilot
2018/7/26
LINE Fukuoka 難波健雄
LINE Developer Meetup #42

難波健雄
2014.06 LINE Fukuoka 入社
サーバサイドエンジニア (主にJava)
About me
自己紹介
個人的にドローンプログラミングにハマっている

• ドローンとは？
• ドローンの仕組み
• ArduPilot
• シミュレータ
Agenda

ドローンとは？What is drone?

● 日本でドローンといえば DJI Phantom (主に空撮用途)
● ドローン = 無人航空機 (UAV)
● コプター、プレーン、ローバー、ボート、サブマリン
What is drone?
ドローンとは？
https://www.dji.com/jp/phantom-4

● 本セッションではドローン = クアッドコプターとします
● プロペラ×4、モーター×4
What is drone?
ドローンとは？

ドローン機体
(Onboard)
リモート
(GCS)
What is drone programming?
ドローンプログラミングとは？

● 2017年の社内ハッカソン
● Sharing smile drone
● https://engineering.linecorp.com/ja/blog/detail/250
● Parrot Mambo
● iOSアプリ (Parrot SDK)
Why addicted to drone programming
ハマったキッカケ
● ドローンプログラミングは難しいものだと想像していた
● 実機でのデバッグは大変だった。。。
● 想像してたよりは難しくなかった

● 不満点
● 完成品なのでデバイスの追加できない
● センサー・カメラなど
● ハードウェアに制限があった
● GPSなし
Why addicted to drone programming
ハマったキッカケ
● 自作ドローン？
● ハードルが高そう。。。
● ドローンソフトウェアエンジニア養成塾に参加

ドローンの仕組みDrone mechanism

● プロペラの回転方向
● 互い違い
● 上昇・下降
● 全てのプロペラの回転数を上げる・下げる
● 前後・左右
● 進行方向に機体を傾ける
● 片側のプロペラの回転数を上げる
● 左右回転
● 回転方向と逆回転のプロペラの回転数をあげる
移動
ドローンの仕組みWhy can drone fly?
http://ardupilot.org/copter/docs/connect-escs-and-motors.html

● ドローン
● フライトコントローラ (FC)
● コンパニオンコンピュータ
● プロポ
● Ground Control Station (GCS)
● PC、スマホ
全体の構成
http://ardupilot.org/copter/docs/introduction.html

● LIPOバッテリー
● RC受信機
● FC
● ジャイロ、加速度センサ、気圧センサ
● 電子コンパス、GPS
● Electric Speed Controller (ESC)
● ブラシレスモーター
● コンパニオンコンピュータ
● 機体の姿勢制御
● FC -> ESC -> モーターの電流を変化させて
プロペラの回転数を制御
ハードウェア構造
http://ardupilot.org/copter/docs/advanced-pixhawk-quadcopter-wiring-chart.html

• ArduPilot
• PX4
• Onboard SDK (DJI)
FC
• Dronekit-Python
コンパニオンコンピュータ
• Dronekit-Python
• Dronekit-Android
• Mobile SDK (DJI)
• Guidance SDK (DJI)
• Parrot SDK
GCS (PC・スマホ)
ソフトウェア構造

● FC用のフライトコード
● Arduino + Pilot → ArduPilot
● 現在はarduinoは未サポート
● OSSではもっともメジャー https://github.com/ArduPilot/ardupilot
● 2018 World Drone Congress 受賞
● https://twitter.com/ArduPilotTeam/status/1010392967180251136
● C++
● サポートしているFC
● Pixhawk、navio2、etc
Flight code OSS for FC
ArduPilot
● メインコミッター
● Randy Mackay (養成塾の先生)
● Andrew Tridgell (rsync, samba)
● and so on...

● コプター
● クアッドコプター
● ヘキサコプター
● オクトコプター
● プレーン
● VTOL
● ローバー
● ボート
● サブマリン
Flight code OSS for FC
ArduPilot
http://ardupilot.org/

ArduPilotのアーキテクチャArduPilot architecture
http://ardupilot.org/dev/docs/learning-ardupilot-introduction.html

http://ardupilot.org/dev/docs/apmcopter-code-overview.html
400Hzで繰り返し実行される

● Extended Kalman Filter
● センサーの値から機体の姿勢・高度の推定
● FCのセンサー
● ジャイロ、加速度センサ、気圧計、電子コンパス、GPS
● センサーの計測値は不安定（ノイズ）
● 複数のセンサーを組み合わせて機体の姿勢・高度を算出
Extended Kalman Filter
EKF

● Proportional (偏差)
● Integral (積分)
● Derivative (微分)
● 機体の姿勢を目標角度に遷移させるためのスムーズな姿勢制御
● 現在値と目標値の差から必要な角速度を算出
PID Control
PIDコントロール
https://ja.wikipedia.org/wiki/PID制御

Stabilize 動画
AltHold 動画
Loiter 動画動画2
Auto 動画
RTL 動画
Circle 動画
AutoTune
Flight mode
フライトモード
他にも多数のフライトモードあり

ドローンプログラミングDrone programming

● LowSlow
● 養成塾の卒業課題
● https://github.com/groovelab/ardupilot/pull/1
● 高度が低いと低速移動
● 既存のフライトモードをコピー
● Loiter
● ArduCopter/mode_loiter.cpp
● run() のカスタマイズ
● パラメータの追加
How to add new flight mode
フライトモードの追加

● ArduCopter/mode_low_slow.cpp
● run()
● 高度を取得 (cm)
● int32_t alt_above_ground = get_alt_above_ground();
● 高度が低ければpitchとrollの目標値を小さくする
● float rate = alt_above_ground > g2.low_slow_alt * 100
? 1.0f : g2.low_slow_rate;
● attitude_control->input_euler_angle_roll_pitch_euler_rate_yaw(
target_roll * rate, target_pitch * rate, target_yaw_rate);
How to add new flight mode
フライトモードの追加
● ArduCopter/Parameters.cpp
● ParametersG2::var_info[]
● AP_GROUPINFO("LOW_SLOW_ALT", 28, ParametersG2, low_slow_alt, 10),
● AP_GROUPINFO("LOW_SLOW_RATE", 29, ParametersG2, low_slow_rate, 0.5),
● 実行時に変更可能なパラメータ

Simulator
シミュレータ
デモ動画

● SITL
● software in the loop
● FCでのフライトコードをシミュレート
● cd ArduCopter
./waf configure --board sitl
./waf copter
sim_vehicle.py --console -f flightaxis:192.168.x.x
● Mission Planner
● SITLに接続してドローンの状態を視覚化できる
● Real Flight
● SITLに接続してドローンの飛行を3D化できる
Simulator
シミュレータ

● FCにセンサーを接続 (SPI, I2C, etc)
● 自作ドライバを実装
● FCとラズパイを接続してラズパイ+カメラ or センサーを使って
ドローンの自律航行
● ドローンの群制御
● drone based follow
Todo list
今後やりたいこと

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