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M5Stamp Flyドローンの姿勢を自動制御


高度と横ずれを検出するセンサをオプション搭載

垂直方向はToF，水平方向はオプティカル・フロー・センサ

図1　ドローンの垂直のブレは近距離での高精度な測距が可能なToFが，水平のブレは物体の動きによって生じる画像の「流れ」を計測するオプティカル・フロー・センサが有効だ． 画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］伊藤 恒平（Kouhei Ito）
詳細：［受講無料，簡単登録］LiDAR×RTK×IMUフュージョン！自動運転＆SLAMロボット開発 要点100 セッション1

M5Stamp Flyドローンの姿勢安定化システム

M5Stamp Flyは，小型でありながら高度な機能をもつドローン・プラットフォームです．姿勢安定化のために，飛行のブレを自動的に抑えるためのセンサを搭載することが可能です．

垂直安定制御用のToF（Time of Flight）

垂直方向の安定には，ToF（Time of Flight）センサを使用します．このセンサは距離測定を行い，地面や障害物との距離を精確に測定します．

ToFセンサは，光の飛行時間（Time of Flight）を利用して，反射光の戻り時間から距離を計算します．これにより，ドローンが一定の高度を維持することが可能です．ドローンが飛行中に垂直方向で不安定になると，ToFセンサがそれを検知し，必要に応じて姿勢制御を行うことで高度の変動を抑えることが可能です．

ToFセンサは，近距離での高精度な測距が可能であり，急激な高度変動がない状況での垂直安定化に非常に効果的です．距離測定は正確で，反応速度も速いため，ドローンが安定してホバリングするのに最適なセンサです．

水平安定制御用のオプティカル・フロー・センサ

M5Stamp Flyの水平安定化にはオプティカル・フロー・センサが有効です．

オプティカル・フロー・センサは，画像センサの一種で，物体の動きによって生じる画像の「流れ」を計測します．このセンサは，画素数が荒いため，細かな映像は取得できませんが，ドローンの水平移動を検出するのに十分な解像度をもっています．

ドローンが風などの外的要因で水平にずれると，このオプティカル・フロー・センサでそのずれを検知できます．I$^2$C通信などを通じて制御装置に送信された情報により，ドローンは自動的に位置補正を行い，安定した飛行を維持することが可能です．このセンサによって，風や手動操作の影響でのずれを最小限に抑えることができます．

ToFとオプティカル・フロー

ToF（Time of Flight）センサの原理と応用

ToFセンサは，レーザやLED光を発射し，対象物から反射されて戻ってくるまでの時間を計測することで距離を算出する技術です．

このセンサは通常，赤外線を利用し，視界や照明の影響を受けにくい点が特徴です．そのため，ドローンだけでなく，ロボットやスマートフォンの顔認証など，さまざまな分野で活用されています．特に短距離での高精度測定が得意であり，リアルタイムでの距離把握が可能です．

オプティカル・フロー・センサのしくみと用途

オプティカル・フロー・センサは，カメラを使用して画像の連続フレームから移動ベクトルを解析する技術です．この技術は，物体が動く際の画像変位を追跡し，そのほう向と速度を計測します．これにより，ドローンの水平移動や滑りを検出し，即時に補正をかけることが可能です．〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • ドローンやロボットの自作を通じて制御工学や関連技術の生涯勉強情報を提供
  • 防衛大学大学校　航空宇宙工学教室，筑波大工学博士
  • 陸自入隊，対戦車誘導弾などの装備品開発，国際高専教員，金沢工業大学教員
  • ロボット・ランサ優勝，マイクロマウス・ニューテクノロジー賞受賞，指導者としてつくばチャレンジバンナム賞，飛行ロボコンマルチコプタ部門1位など
  • 北海道函館出身，工学博士

著書

  1. つぶやき制御工学（YouTube）

参考文献

  1. ［VOD］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【ロバスト制御編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【PID制御編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Pythonで一緒に！ロボット制御のモデルベース設計【状態フィードバック制御編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/Pi2W KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］ラズパイ×Pythonで動かして学ぶモータ制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. Pythonによる制御工学入門（改訂2版），オーム社（2024）．
  7. "［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. ［VOD/Pi400 KIT］SLAMロボット＆ラズパイ付き！ROSプログラミング超入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. ［VOD/KIT］確率・統計処理＆真値推定！自動運転時代のカルマン・フィルタ入門，ZEPエンジニアリング株式会社．