Linuxベースのオープンソースフライトコントローラーの概要（ #ABC2015S ）

Linuxベースのオープンソース
フライトコントローラの概要
日本Androidの会
ドローンWG
hsgucci

I. Linuxベースのドローン用フライトコント
ローラの紹介（NAVIO+とErle Brain）
II. フライトコントローラのソフト構成
III.マルチコプターの制御方法
IV.フィルター処理と応用

フライトコントローラって何？
• 姿勢制御やナビゲーションを行う装置
呼び方はいろいろ
「姿勢制御装置」「オートパイロット」「飛行制御装置」
機体に積むのが「フライトコントローラ」
地上のPC,タブレットなどが「グラウンドステーション」

ドローンでやりたい事
• FCをソースコードレベルで書き直す
• PCソフトを自作する
2015/7/23 日本Androidの会ドローンWG Copyright hsgucci
• ドローン本体を機能拡張したい！！
• 作業結果データをスマートに管理したい
DJI 3DR
機体：
地上側：
機体：
地上側：
Dronecode
DroneKit
Onboard SDK
Mobile SDK
現状
大手メーカーの動き
無茶言うな！

ラジオコントロール航空機
センサ
GNSS
マイクロコンピュータ
•ジャイロ
•加速度
•コンパス
•気圧
…etc.
センサ・コンピュータを使って
ラジコンを姿勢制御すること
→フライ・バイ・ワイヤ制御
GNSSを使ってラジコンの移動を
自動化すること
→ウェイポイント・ナビゲーション
ケイアンドエス
Sparkfun
InvenSense
•8bit
•16bit
•32bit
•64bit(?)
•GPS
•GLONASS
•Galileo
•北斗
•みちびき
（グローバルナビゲーションサテライトシステム）
日本Androidの会ドローンWG Copyright hsgucci
フライトコントローラ

フライトコントローラ(FC)
① ラジコン操縦にはミキシングが必要
② フライバイワイヤで自動制御
③ GNSSを使って完全自動飛行
日本Androidの会ドローンWG Copyright hsgucci2015/7/23

①ミキシング
• 送信機のスティックを１つ動かすだけで，
複数のサーボモータorモータアンプを動かす機能．
車だとスロットルアンプ１つだけ
前進命令
ヘリだと３つのサーボを同時に動かす
ケイアンドエス

②フライ-バイ-ワイヤ制御
• マイコンとセンサを利用した
「フライトコントローラ(FC)」が自動的にミキシング
操縦が飛躍的に簡単に！
•ジャイロセンサ
•加速度センサ
•磁気方位センサ
•気圧センサ
•GNSS
姿勢
方向
高度
緯度経度
センサで機体の状況を計測し、
機体を自動制御
初期のフライトコントローラはミキサーが主。
センサはジャイロだけで補助的な役割だった。
現在では

③GNSSを使った自動飛行
• 緯度経度の座標（ウェイポイント）を指定す
れば，そこへ自動飛行してくれる

ドローンをつくるには

最低限の構成
本体フレームプロペラ＆モータ＆モータ駆動回路
フライトコントローラ

便利なキットを買う
http://www.sekido-rc.com/?pid=52727659
セキドラジコンセレクト

FCを買う
• 何を買う？

NAVIO+ Erle Brain
Raspberry Pi B+または2がベース Beagle Bone Blackがベース
そこでLinuxベースのフライトコントローラを！

様々なFC
2015/7/23
日本Androidの会ドローンWG
Copyright hsgucci

kkMultiCopter
(ATmega168p)
Eagle X6
ArduPilot
(ATmega328p)
ArduPilot Mega
(ATmega2560)
ArduPilot Mega2.x
(ATmega2560)
PX4
(STM32F427)
MultiWii
(ATmega328p)
Naze32
(STM32F103C)
SmartAP
(STM32F405)
ミニサーベイヤAP
Pixhawk
(STM32F427)
DJI
A2
ZERO-UAV
YS-X4
Xaircraft
Super-X
Tarrot
ZYX-M

フライトコントローラの流れ
1. ATmega(ライタで書込)
2. Arduino
3. Cortex-M
4. Cortex-A
KKmulticopter
ArduPilot, ArduPilot Mega, MultiWii
PX4, Pixhawk, baseflight, CC3D, SmartAP
Raspberry Pi 2, Beagle Bone Black

FCの開発
1. フルスクラッチで書く
2. Arduino,mbed,Teensyなどに乗っかる
3. RTOSを組み込んで動かす
4. Linuxで動かす
イマココ

NAVIO+ Erle Brain
Raspberry Pi B+または2がベース Beagle Bone Blackがベース
LinuxベースのフライトコントローラでDronecode!

Linuxベースだと何が良い？
• こだわりたいところだけイジればいい
– >姿勢制御(フィルタとか制御則とか)
– >GNSSの精度(RTKとか)
– >無線方式の変更
– >センサの追加
– >アクチュエータの追加

NAVIO+のセットアップ
• EMLIDのドキュメントページ
• ハードウェアのセットアップ
• Raspberry Piのセットアップ
• APMのセットアップ
http://docs.emlid.com/
http://docs.emlid.com/Navio-APM/hardware-setup-navio-plus/
http://docs.emlid.com/Navio-APM/configuring-raspberry-pi/
We provide an SD card image of Raspbian
with fully preemptive real-time Linux kernel.
リアルタイムカーネル入りの
Raspbianが最初からある！
wget http://emlid.com/files/APM/apm.deb
sudo dpkg -i apm.deb
ラジコン受信機はPPM(CPPM)だけなので注意
http://docs.emlid.com/Navio-APM/installation-and-running/
Debianのパッケージが
最初からある！
テレメトリはUARTでもTCP or UDPでも可

おまけ
• ラズパイ２ならビデオストリーミングも可能
Streaming real-time video from a drone powered
by a Raspberry Pi 2 has never been easier.
sudo apt-get install gstreamer1.0-plugins-good gstreamer1.0-plugins-bad gstreamer1.0-libav

ということで
• Dronecodeに準拠したシステムは
比較的簡単に準備が可能
• 地上の操作者は Mission Planner
Droid Planner
DroneKit
(Win)
(Android)
を使う

ロール・ピッチ・ヨー角
wikipedia

基本原理
• 前後や左右の回転数を変えて、
推力のバランスを崩すことで姿勢を変える

基本原理
• 旋回
前
後
右左
CWの回転数を上げ、CCWの回転数を下げると、
反作用の相殺のバランスが崩れてヨー方向に回転する。
シングルコプターは
テールロータで相殺

基本原理
• 並進移動
揚力高度を維持する
浮上力
前進力
高度を維持する
浮上力
浮上力
浮上力
後進力
左移動力右移動力
揚力
揚力
揚力

制御項目
• ロール・ピッチ・ヨー角
• 高度
• 緯度・経度
• ウェイポイントナビゲーション
• 送信機入力に対する反応
制御周期
最速が400Hz(2.5ms)周期
ブラシレスモーター駆動回路（アンプ）が
400Hzのサーボパルスなので

Mission Plannerのチューニング画面
http://copter.ardupilot.com/wiki/configuration/tuning/

制御アルゴリズム
センサー値の取得
フィルタ処理
制御則の計算
モータへの出力
PID制御
ミキシング計算
サーボパルス
機体の構造に応じて変更
数値積分、相補、カルマン…etc
ほとんどのセンサはI2Cで取得

センサー
• ジャイロ・加速度センサー MPU-6050
• 電子コンパス HMC-5883L
• 気圧 MS5611
Amazonだと600円前後。。。
PixhawkだとMPU-6000
派生版のMPU-9150,9250もある
Amazonだと300円前後。。。
10cm精度
MultiWiiではBMP180を使用

センサー
• GNSS ubloxシリーズ
3DRobotics： LEA-6H
RTK-LIB： LEA-6T
NAVIO+： NEO-M8N
DJIや3DRのGNSSモジュールは
電子コンパスも同じ基板に実装。
磁石から距離を離すため
DJIや3DRのGPSモジュール

フィルタ処理
• ローパスフィルタ（ノイズ除去）
• 相補フィルタ（センサフュージョン）
この辺のフィルタ処理が「制御」をややこしく見せている

PID制御
• ブロック線図．．．
KP
KI
KD
1
𝑠
𝑠
＋
＋
＋目標値と
現在値の差
出力
多くの本がブロック線図でPIDを説明するワカンネエ

例：原始的なPIDプログラム
now = millis();
timeChange = (now - lastTime);
error = x_desire – x_now;
errSum += error * timeChange;
dErr = (error - lastErr) / timeChange;
Output = kp * error + ki * errSum + kd * dErr;
lastErr = error;
lastTime = now;
// 現在時刻取得
// サンプリングタイム算出
// 目標値ー現在値
// 差の積分(長方形の面積)
// 差の微分
// 次回のループで使用
P項 I項 D項
もちろん、積分や微分の計算方法は、もっと複雑で正確な式がある

フライトコントローラの発展
• ロール・ピッチ・ヨー角
• カルマンフィルタ
• PID
クォータニオンへ
姿勢推定精度の向上
内部センサだけで移動
ジンバルロックのない角度表現スタイルへ
セルフチューニング
現代制御理論

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