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UFOをつくろう! 空を飛ぶロボットの原理とメカニズムを学ぶ |
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～「サッポロバレーE.T.プロジェクト」レポート(1)
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イベントの参加者は中学生以上(20歳まで)の学生たち。今回は北海道各地の高専や高校の有志チームが集まった。また、講師や運営には、北海道大学や道内のIT企業がボランティアとして協力している。知的好奇心をくすぐる本イベントの模様と内容についてレポートしよう。 スクーリングは講義(午前)とハンズオンレクチャー(午後)に分けて実施された。午前中は、「オリエンテーリング」から始まり、「空中浮遊の基本原理と駆動メカニズム」、「自律制御メカニズム」、「自律制御プログラム」といった密度の濃い内容の講義が集中的に行なわれた。 まず始めの「オリエンテーリング」では、本プロジェクト実行委員会会長である山本強氏(北海道大学教授)が、空中浮遊ロボットの概要や、ロボットに利用される組込み型コンピュータなどについて解説した。 山本氏は、35年前に購入したカメラに既に組込み型コンピュータが搭載されていたエピソードを披露し、現在では家電など日常生活を支える製品にはなくてはならない重要なパーツになっていると述べた。
また、最近のクルマのエンジンを例に挙げて、組込み型コンピュータとパソコンとの違いについて比較した【図1】。組込み型コンピュータの構造は、基本的にはパソコンと同じだ。ただし、入出力となる装置や、－40度Cの真冬の世界でも動くような、厳しい条件下での動作、CPU性能やメモリに制約がある点などが異なっている。 さらに今回の浮遊ロボットの構成要素についての概要も紹介した。主な構成要素は、組み込みコンピュータ＋飛行制御プログラム、モータ(推力発生機構)、超音波距離センサ、エネルギー(電池)となる【図2】。浮遊ロボットは、飛行原理の理解から、高さを検知するサンサや、推力を発生させるモータ制御、空中でホバリング(静止)させる工夫、制御プログラムまで、さまざまな技術を組み合わせて実現するものなので、やはり難しい点もたくさんある。 「面白いことをやる前には、いろいろな苦労が必要だ。最初はわからなくても、これはこういうことだったのかと、後からわかることも多い」と述べ、臆することなくチャレンジするようにと、生徒たちを激励した。
● 浮遊の原理とメカニズム 次に、北海道大学 情報基盤センター副センター長の高井昌彰氏(北海道大学大学院情報科学研究科教授)が、浮遊体を空中に浮かべるための原理とメカニズムについて解説した。スクーリングの目的は、空中に浮かぶ自律型ロボットをつくることにある。物体を空中に浮かべるためには、1.翼の揚力を利用する(ヘリコプター型/自立コマ型)、2.空気より軽い物質を利用する(飛行船型)、3.電磁気力を利用する、といった方法があるが、今回は翼の揚力を利用するヘリコプター型を採用している。 翼に働く力は、空気の流れに対して翼に働く揚力(垂直方向)と抗力(水平方向)の合力となるが、この合力で上昇する仕組みだ【図3】。浮遊ロボットでは、抗力に打ち勝つようにプロペラを回転させ、回転軸方向の推力を発生させる。
ここで、回転力(トルク)を加えると、作用・反作用の法則から、その物体に逆方向へ回転させる反トルクが発生する。この問題を解決するために、プロペラを2重にして回転方向を互いに反対にすることで、反トルクを打ち消す(本体が回らないようにする)しくみだ【図4】。普通のヘリコプターでは、メインロータとテイルロータで相殺している。 次に高井氏は、上向きの力を制御する原理について説明した。具体的には推力をコントロールするために、プロペラの回転数を変化させればよいことになる。プロペラのピッチを変化させることでも制御は可能だが、機構が難しくなるため、今回は前者の方法をプログラミングで実現している。 また、浮遊ロボットは上昇しただけでは安定性を保つことができない。そのため、どうやって安定させるかという問題もある。この点については、重心を回転軸の直下に配置し、回転軸を立てる機構を採用することで解決する【図5】。 逆に意図的にロボットを水平方向に動かしたいなら、重りやテイルロータなどを利用して回転軸を傾ければよい(ただし、今回の浮遊ロボットでは水平方向の制御は行なわない。上下方向のみを制御する)。 浮上のポイントは「重心位置をできるだけ正確に合わせて、回転軸を垂直に立てて浮上させること。さらに、地面からプロペラ直径程度の高さで起こる地表効果を考慮し、すばやく地表効果圏外に出ることだ」と説明した【図6】。
● 具体的な制御方法 以上のような浮遊のメカニズムを踏まえた上で、さらに高井氏は具体的な制御方法についての詳しい解説をした。制御方法の種類は、一般的に「オープンループ制御」、「フィードバック制御」、「フィードフォワード制御」の3タイプに大別される。今回は自律型制御として、超音波センサで地表からの距離を測りながら、目標となる高さを維持する。目標に合わせて推力(モータの回転力)を制御するため、フィードバック制御(フィードフォワード制御でもよい)を行なうことになる【図7】【図8】。動力源となるモータには、市販のDCモータ(ブラシモータ)を利用する。モータの回転を制御する原理として、よく利用されるPWM(Pulse Width Modulation)制御について説明がなされた【図9】。
PWMはパルス幅変調と訳されるが、モータに流れる電流のパルス幅(デューティ比)を変えることによって制御する仕組みだ。たとえば、図9のように、ONの時間が長くなるようにデューティ比を変えれば、平均出力電流(電圧)は上がる(モータが高速回転する)。逆にOFFの時間が長くなるようにデューティ比を変えれば出力される平均電流は下がる(モータが低速回転する)。 モータに電流を流す際には、FET(電界効果型トランジスタ)が用いられる。先ほどのパルスをFETのゲート部に加えてスイッチングをすると、モータを駆動するための電流がFETのソースからドレインに流れる。ゲートに加えるパルスはマイコンからの出力となるが、このパルスのデューティ比をマイコンに内蔵されているタイマで調整する(詳細については後編で説明)。 一方、距離を測定するためには超音波センサモジュールが用いられる。センサモジュールは約40kHzの超音波を出す発信機と、床に反射した超音波を受ける受信機で構成されているが、距離に比例した電圧を出力するようになっている。そこでマイコンから20ms以上の周期で、測定するタイミングを設定し(トリガーパルスを出力)し、距離に比例した出力電圧をマイコン側で受け取る仕組みになっている【図10】。 とはいえ、たとえこのような原理がわかったとしても、現実世界ではなかなか理論どおりにはいかないという。言うはやすし行なうは難しの典型で、そう単純ではないのだ。高井氏は、具体的に浮遊物体制御の難しさとして、「駆動系の慣性による遅れ」、「距離の測定誤差」、「サンプリングレートの問題」、「電池の消耗」などの問題を例に挙げた。
たとえば、プロペラの推力をモータの回転数で変化させる場合には、慣性モーメントの影響で、目標となる回転数に到達するまでの応答時間に遅れが生じる。超音波センサを利用した距離の測定でも、床の状態や遮蔽物の影響、さらに超音波の指向性によって誤差が出る。また、超音波モジュールは距離に比例した信号が出力されるが、40~50msごとにサンプリング(計測)するため、リアルタイムで高さがわかるわけではない。バッテリーにはエネルギー密度の高いリチウムポリマー電池が使われているが、長い間駆動しているとバッテリーが消耗し、推力も落ちてくる【図11】。これらを解決するヒントとして、以下のような考え方を示した。 ・駆動系の慣性・効果の遅延を考慮する ・急激な推力変化を絶対に出さないこと ・パラメータはカット＆トライで試行錯誤する ・フェイルセーフも考慮する このあたりの問題をクリアするには、プログラミングを十分に検討する必要がある。さらに、うまく飛ばすためのポイントとして、高井氏は以下のような「離陸」、「静止」、「着地」の動作パターンについて説明した。 ・離陸モード(テイクオフ) 3秒程度は本体が浮かない上限で少し留めて、ロータの回転を安定させ、その後、一気にモータ出力をあげて浮上させる。 ・静止モード(ホバリング) 出力アップから高度上昇までの時間遅れがあることに注意する。ある程度の高さになったら回転数を落とし(あまり高すぎると超音波センサが距離を測定できなくなるため、暴走する危険がある)、回転数が一定になるようにしてホバリングさせる。 ・着地モード(ランディング) 吊り上げながら徐々に降下させるイメージで着地させる。このとき回転数を徐々に落としていく。上昇時と同じようなパターンで一気に回転を落とすと、重力があるため急落下してしまうので注意する。着陸直前(最後の1秒程度)に出力を微増しながら姿勢を安定させる。 高井氏は、このような浮遊のメカニズムに基づいて、このイベントの準備段階に製作した浮遊体のプロトタイプ「UFOモデル」の実演を披露した。これはイベントでは使用するプロペラタイプの浮遊体のモデルとなったものだという。
● 制御プログラミングのポイント つづいて、サムシングプレシャスの古賀信哉氏(代表取締役社長)が、浮遊体ロボットを自律で制御するプログラムをどのように作成したらよいのか、そのポイントについて具体例を交えながらレクチャーした。古賀氏は、まず浮遊体ロボットのコントロールボードに搭載されている2個のLEDを利用して、ワンチップマイコンの動作について説明した。I/Oポートに接続したLEDを点滅させるWaitルーチンなどのプログラムを紹介し、実際にデモンストレーションを実施。プログラムはC言語で記述するため、ある程度の知識が必要となる。 プログラム開発環境 にはベストテクノロジー社の「GCC Developer Lite」を用いる。記述したソースファイルからマシン語にコンパイルする方法や、それをコントロールボード側にダウンロードする方法などについて一通り解説した。今回のイベントでは、C言語の知識がある生徒も多かったが、中にはプログラムが初めてという学生もおり、チームによっては難易度がかなり高いと感じられたかもしれない。
次に、プロペラの回転速度を変化させるサンプルプログラムを紹介。モータの回転数の設定は、前述のようにモータに流れる電流のON/OFFを切り替えるPWM制御用の関数を用いる。古賀氏は、最初の1秒間は最小パワーで出力、中間のパワーで2秒間ほど動作させ、最後の1秒間で最小パワーに戻す実験を試みた。 また超音波センサで距離を測るための関数についても触れた。ここでは、センサで距離を測りながら、モータの出力を丁度よい具合に調整できるように、ループ処理を行なうルーチンを呼び出す。 次回は浮遊体のハードウェアの紹介と、午後に行なわれたハンズオンによる飛行実験の模様をお伝えする。さて、うまく浮遊体を飛行させることができるか、乞うご期待。 ■URL サッポロバレーE.T.プロジェクト http://www.sv-et.jp/
（ 井上猛雄 ）
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