ドローンの自動制御～全駆動ヘキサロータや倒立振子制御等～『東京科学大学 三平研究室』

基本情報

東京科学大学の三平研究室ではドローンを用いた研究をしています。 マルチロータ型ドローンに対して新規的な構造・制御手法を提案することで、耐故障性や独特な運動特性をもたせるといった研究をしており、他にもロボット複数台の協調制御（協調環境モニタリングや護衛制御など）といった研究をしております。

導入システム

OptiTrack(オプティトラック)

1mm以下の高精度、業界トップの低遅延 光学式モーションキャプチャーシステム

システム①

• Prime^X 13W / 8台
• Motive:Tracker

システム②

• Flex 13 / 9台
• Motive:Tracker

ギャラリー

導入の経緯

計測精度とサンプリング速度の課題を解決させたかった

どのような経緯でモーションキャプチャーの導入に至ったのでしょうか？

ドローンを安定して飛行させるには、短いサンプリングタイムでの位置・姿勢計測が必須です。従来はUSBカメラ＋ARマーカーによる位置計測を行っていましたが、計測の誤差やサンプリングタイムの長さが課題でした。特に、マーカーの大きさや取り付け位置で精度が変わってしまい、研究以外の部分に時間を取られてしまうことも多かったんです。
そこで、計測精度とサンプリング速度の課題を一気に解決できるモーションキャプチャーを導入することにしました。

実績が一番の信頼材料

数あるモーションキャプチャーシステムの中で、OptiTrackを選んだ理由はなんでしょうか？

一番大きかったのは「実績」です。他大学の先生から「OptiTrackいいよ」と勧められ、さらに三平研究室から他大学へも導入が広がっていて、情報交換できるコミュニティができていました。やっぱり知り合いの研究室で問題なく使えていると安心できますし、実績は大事ですね。

具体的にはどのような点を重視されましたか？

まずは計測速度です。サンプリングインターバルが短く、100FPSでフィードバックがかけられるとわかったことが大きかったですね。リアルタイムに制御できるかどうかは研究の根幹に関わるので、ここは外せませんでした。
それから、システムの構築がしやすいこと。骨組みの組み方や設置方法も相談できたので、導入がスムーズでした。
選択肢が多いのもありがたかったです。20〜30万円クラスから幅広いラインナップがあるので、予算に合わせやすいんですよね。
あとはサポート体制。国内正規代理店が対応してくれるので、トラブルがあった時も海外とのやり取りで時間がかかることがなく、安心して研究を続けられると思いました。

研究内容紹介

非線形制御理論による倒立振子制御

倒立振子をクアッドロータの上に載せ、非線形制御理論を用いて空中で安定化させる実験を行いました。

倒立振子を立てる制御は制御の分野ではオーソドックスなものなのですが，普通の制御理論を用いると横方向の運動のみでしか制御ができませんでした。そこで「非線形制御理論」を応用し，上下運動の動きを積極的に活用して振子の角度を制御する手法を提案しました。そのためにドローンの上で制御することを考えました。

実機実験ではOptiTrackを用いてドローンと振子の三次元位置・姿勢を100FPSで高精度に計測し、リアルタイムでフィードバック制御に活用しています。

外から力を加えて振子を乱しても、ドローンが適切に上下動を行い、再び安定状態に戻すことに成功しました。

→その他の研究はこちら

導入効果やメリット

計測結果を信頼して使えるため、制御系の検討に集中できるようになった

モーションキャプチャー導入後、どんな変化がありましたか？

今まではUSBカメラでARマーカーなどで計測をしていましたが、計測対象によってマーカーの大きさが変わると解像度が厳しくなったり、研究以外で気にしなければいけない部分が多かったです。また姿勢の誤差もあったため、計測誤差か制御系の不具合かを切り分けるのに苦労しました。
OptiTrackを一度導入して以降、マーカーを付けるだけで精度の高い計測ができるようになりました。キャリブレーション機能や測定精度は高く、計測結果を信頼して使えるため、今では純粋に制御系の検討に集中できるようになりました。
システム全体の理解も比較的容易なので学生間の引継ぎもスムーズになりました。

苦労した点や工夫した点などがあれば教えてください。

カメラの設置場所やドローンを飛ばすうえでの安全対策（防護ネットやその骨組み）の導入が大変な箇所だったかと思います。でもそのあたりも相談できるのが良かったです。

今後の展望を教えてください。

固定翼機とマルチロータ型ドローン双方の特性を切り替えられる可変構造を有するハイブリッド型ドローンの提案や、複数ドローンの協調、タスク分配といった協調制御方面に興味を持っています。
とにかく今までにない色んなことに挑戦したいと思っています。ハードウェアとして新しいものを作り、制御系として新しいものを提案したい。そういったやりたいことを簡単に実現させてくれるという点でOptiTrackはとても役に立っています。

その他OptiTrackを用いた研究内容

以下研究ではいずれも、OptiTrackを用いてドローンの三次元位置・姿勢を100FPSで高精度に計測し、リアルタイムでフィードバック制御に活用しています。

研究例①：全駆動ヘキサロータ型UAVの提案と設計最適化

従来のヘキサロータ（6ロータ型ドローン）は「劣駆動構造」と呼ばれ、前後左右に移動するためには機体を傾けて推力の方向を変える必要がありました。そのため風などの外乱に弱く、壁や対象物に押し付けるような作業にも向いていませんでした。

そこで研究室ではロータの配置と傾斜を工夫して「全駆動ヘキサロータ」を提案しました。ロータを傾けて配置することにより、機体を傾けることなく前後左右に移動させることに成功しました。

これにより、強風下での安定飛行や、空中で物体に力を加える作業（押す・支える・接触する）が可能になります。

研究例②：耐故障性を有するドローン構造の追求

一般的なヘキサロータドローンは、ロータが1基でも故障すると安定を失い墜落してしまいます。

本研究ではまず「従来制御では1基故障すると飛行不可能」であることを数学的に証明しました。そのうえで、ロータ配置を工夫することでどのロータが壊れても姿勢を保ち、飛び続けられる構造を設計し、実機実験で有効性を確認しました。

研究例③：複数ドローンでの環境モニタリング

1台のドローンカメラでは視野が限られており、解像度にも限界があるため、広範囲を同時に監視することは困難です。そこで研究室では，複数のドローンを同時に飛行させ，それらの視野間の見逃しを防ぎつつ広域を観測する制御手法を提案しました。

「被覆制御」と「制御バリア関数」を組み合わせ、複数機が効率的に領域を分担しながら監視し、重要なエリアを重点的にカバーできるようにしています。

将来的には、災害時の被災地全体の監視や、大規模施設の保守点検などへの応用が期待される研究です。

東京科学大学　三平研究室

東京科学大学の三平研究室では、マルチロータ型ドローンに対して新規的な構造・制御手法を提案することで、耐故障性や独特な運動特性をもたせるといった研究をしており、他にもロボット複数台の協調制御（協調環境モニタリングや護衛制御など）といった研究をしております。