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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
04/15/2023 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 hsgucci04/15/2023
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
日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci04/15/2023
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！
KK Multicopter
•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
日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci04/15/2023
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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？
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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
04/15/2023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)
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Naze32(STM32F103C)
SmartAP(STM32F405)
ミニサーベイヤ AP
Pixhawk(STM32F427)
DJIA2
ZERO-UAVYS-X4
XaircraftSuper-X
TarrotZYX-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
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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
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イマココ
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
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• 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！
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright 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
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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.debsudo 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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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
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(Win)
(Android)
を使う
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
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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
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基本原理
• 旋回
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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
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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
高度を維持する浮上力
高度を維持する浮上力
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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
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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
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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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
3DRobotics： LEA-6HRTK-LIB： LEA-6TNAVIO+： 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）
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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
1𝑠
𝑠
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
＋
＋
＋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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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
04/15/2023 日本 Android の会 ドローン WG Copyright hsgucci
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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