知能ロボコン史上初の飛行型ロボット。第34回大会(オンライン)に参加、ファイナリスト賞・日本ロボット学会特別賞受賞。
知能ロボコンで車輪以外のあっと驚くロボットを作ろうとして、二足歩行型ロボットを開発していました。 しかし、すでに他チームで二足歩行の移動方式を取り課題を達成したものも出てきました。
そこで、今までにない方法として空を飛ぶロボットを作ることにしました。
名前の由来は駒の銀将が雲雀のように高く上がっていく将棋の戦法あるいは囲いの名称から。
地面の模様を選ばない位置制御飛行。
市販の小型クワッドコプターは下向きのカメラから得た相対移動情報を積分して自己位置を推定するものがある。 オプティカルフローセンサと呼ばれる、カメラで画像を得つつテクスチャの差異から移動量を計算するところまで一体化したICもある。 ドローンの移動を簡単にプログラミングという文脈でおそらく最もよく使われるRYZEのTelloが、この方式である。
知能ロボコン競技台は真っ白で、ライン等の模様も部分的にしか描かれていないため、単純なオプティカルフローに基づく移動量推定はうまく働かない。 したがって、Telloは知能ロボコン競技台の上空を安定して飛行することができない。特に下方視界のすべてを競技台が占めるような低空飛行の場合は顕著である。
本システムではそのような環境を前提とする。地上にステーションを設置し、そこから子機として飛ばすクワッドコプターの位置を観測して制御する方式を取る。
子機には6軸姿勢制御センサーと制御装置・無線通信装置のみを搭載すれば良い。高度計や障害物センサ、カメラ等を省略できる。
| 質量(バッテリ・ノートPC込) | 約3.1kg |
|---|---|
| 長さ×幅×高さ | 400×400×560 |
| 電源 | ラップトップPC内蔵バッテリ& リチウムポリマー電池11.1V1000mAh |
| 素材 | アルミフレーム、MDF板、EPS板等 |
| モーター | KONDOのロボット用サーボ KRS-50xx 2個 |
| 処理装置 | ラップトップPC |
| センサー | Intel RealSense D435 |
子機の位置計測のためのRealsenseと、それをパン方向に動かす能動雲台の役割。移動機能はなく、スタートエリアに留まる。
ラップトップPCもロボットに搭載することで外部接続ケーブルをなくし、知能ロボコンのルール上「自立型」ロボットの条件を満たす。
子機を離陸地点まで運ぶアーム。平行リンク機構。ルール上スタート時45cm角に収めるために折りたたむ。
離陸地点を親機から離れたところにする理由は: 1.カメラからの最小距離制限と視野を考慮、位置計測可能な場所に入れるため 2.気流に影響のある物体(親機と床)から遠ざけて飛行特性の変化を避けるため。
KONDOのロボット用サーボで駆動。もう一つ見える黒い箱はいわゆるダミーサーボ。モーターではなく、ベアリング固定場所を作るための部材。
子機保持部。磁石で吸着する機構を作りかけたものの、再びアームでキャッチする機能は諦めたので後に撤去。
ボールをゴールまで導くための展開式の壁。PET板の弾性を利用して自動的に閉じるヒンジとした。アームに出っ張りを付けて機械的に干渉させることで、連動して展開する。
| 質量(バッテリ込) | 87g |
|---|---|
| 長さ×幅×高さ | 170x170x50 |
| 電源 | リチウムポリマー二次電池 3.7V 600mAh |
| 素材 | FDM成形ABS、エラストマー系樹脂 |
| モーター | 8520型DCモーター x4 |
| MPU | ESP32 PICO(M5 ATOM Matrix) |
| センサー | 6軸慣性センサMPU-6886 |
旧バージョンでの検討後、自作基板で再設計したもの。IMUおよび制御・無線通信装置としてM5Stack ATOM Matrixを用いた。
プロペラはRyze Tello用のものを使用。
モーターはRyze Tello用としてサードパーティから販売されているDCモーターを使用。
また、Tello用として売られているサードパーティ製のプロペラガードが流用できる設計とした。
推力は1基あたりおよそ45~50g重(テストベンチでの実測値)。本体重量のおよそ2倍を支えられる計算。 制御の際の操作量として考えたときduty=0%で下向き1G(重力加速度)、100%で上向き1Gとなって対称に使える範囲が最大限確保でき、必要十分ではないかと思う。
上部に付いている白い十字型の板は、位置観測をしやすくするための工夫。 平べったい機体形状のため、真横から見ると投影面積が小さい。 それに加えて網状の構造から背景の色が透けて見えるため視認性が悪い。 そのためステレオカメラでも検出しづらいのではないかと予想して設置。
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(この項目は書きかけです)
M5AtomMatrixの接続。裏面の端子だけではピン数が足りなかったためGroveコネクタも使用。
専用に作成したプリント基板。強度が確保できる範囲で軽くと考えて1mm厚を採用、電波通信するものなのでM5Stack周辺はベタパターンを避けたが、気休め程度かもしれない。
モーターへの電源線で複数並べたビアの配置にイースターエッグ。裏返しを別扱いしたテトロミノ7種類のうちI字型を除いた6種類が全部揃っている。I字は2倍の大きさでM5Atomの足が担当。
2020年12月、製作開始。
2021年1月、ラジコンとしての飛行に成功。(tweet)
2021年2月、外部からの観測と位置安定化自動制御に成功。 (tweet)
(2021年知能ロボコンは開催中止)
2021年5月、新型の子機を開発。Maker Faire Kyotoオンラインイベント(Twitter)で発表。
2021年9月、新型の子機での位置制御実験。ホバリング時誤差およそ10cm以内。 (tweet)
2021年10月、事前に与えた経路の追従でボールを動かす実験。Maker Faire Tokyo 2021 (オンライン) にて発表。
2022年5月 親機製作
2022年6月、知能ロボコン（オンライン）・チャレンジャーズコーズに出場。ファイナリスト賞・日本ロボット学会特別賞受賞。
山口 辰久
