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

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）

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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


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


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

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)


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


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

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


• 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






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.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

http://emlid.com/files/APM/apm.deb

http://emlid.com/files/APM/apm.deb

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



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-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）


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


＋

＋

＋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

Science

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 ）

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