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飛行ロボットで文字を読み取る! |
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● 小型カメラで文字を読み取る飛行ロボット競技
本大会は昨年初めて開催された新しいロボット競技会。飛行ロボットは、災害時の状況把握や自然環境の観測などを目的に開発が進んでおり、今後の実用化が期待される分野。この大会のテーマは飛行ロボットの研究開発を促進し、設計・製作・試験技術に関する教育を支援すること。飛行ロボット競技会は、総合的な工学教育に適しており、チームワークによる実践的な「ものづくり経験」を体得できる場としても有効だという。 大会初日は小中学生を対象とした「折り紙ヒコーキ大会」や、コンテストに向けた「機体審査」「プレゼンテーション」などが実施された。ここでは大会2日目に行なわれた飛行コンテストを中心にレポートする。 本大会のルールは、自作の飛行ロボットに搭載した27万画素の超小型カメラで、床に置かれた紙の文字を読み取り、得点を競い合うというもの【写真2】。超小型カメラにはアールエフ製の「RC‐12」が指定されている。このカメラは防水仕様のため、水中ロボットにも利用できる優れものだ。カメラからの映像は無線で別の場所にある観測ブースに送られ、チームの観測者がモニタごしに文字を判別・回答する方式【写真3】。得点は読み取り文字数、飛行時間、着地回数の有無をベースに、あらかじめ決められた計算式で算出する。 飛行ロボットをスタート地点からフライトさせ、通過ゲートをくぐり抜け、半径10mの観測フィールドに散りばめられた合計20枚の文字板の上を通過させる【写真4】。試合では2回のトライアルが許されている。飛行ロボット競技は、3次元という空間的な要素が入るため制御がとても難しい。しかし、逆に、これが本競技の面白さでもあり、醍醐味でもあるといえるだろう。また、うまく飛ばすための技術力に加えて、オペレータのテクニックや、それをサポートするチームメイトの協力も重要になる競技だ。 今回の大会は、「飛行船部門」と「飛行機部門」の2タイプの飛行ロボットに分けて競技が実施された。
● ジャイロを搭載して姿勢制御をする飛行船も 飛行船ロボット部門では、大学・高専など合計6チームがエントリーした。前述のように飛行ロボットの制御は難しい。特に飛行船の機体は外乱を受けやすいため、安定飛行させるための高度な制御技術も学術的レベルで研究されているほど。今回の競技では、外乱の影響を極力排除するために、試合中の外部の出入りは厳重に禁止されていた。飛行船の機体全長は1.5m以下に収めなければならない。また浮揚気体にはヘリウムを使用することになっている。自作の飛行船ロボットは、推進力を得るためにプロペラを搭載し、方向や高度を制御する機構が盛り込まれている。プロペラは2基付いており、一方をオンオフさせて方向を制御する。高度はプロペラの角度を変えて制御する仕組みがオーソドックス。競技時間は基本4分(最長6分)で、6分以内に帰還できないと失格となる。 飛行船部門で特に印象的だったチームは、東京都立科学技術大学の「じんべえ」【写真5】【動画1】と筑波大学の「筑波 Two Month」【写真6】【動画2】の2チーム。いずれも機体が安定しており、スムーズに飛んでいた。
じんべえの特徴は、機体にジャイロを搭載し、姿勢情報をフィードバックして制御をかけているところ。高さ方向を制御するために超音波トランスデューサも使用する予定だったそうで、基板回路にはすでに専用チップも載っていた。またドライブ用のMOSFETもスイッチング効率の良いものを選んだという。このチームの機体は近い将来、自律飛行もできるようになるかもしれない。操作方法も凝っており、市販の操縦桿とスロットルを段ボールのボードに載せ、コントロールできるようにしてあった【写真7】。操作信号はバックパックに入れてあるPCに入力され、無線アンテナ経由で飛行船に飛ばす。オペレータはサイバーな感じで、なかなか格好よかった。 一方、後者の筑波 Two Monthは、機体を軽くするために、徹底的な軽量化を図ったという。まず基板がとても小さい点が特徴【写真8】。基板裏側にあるマイコン(AVR)は表面実装品を使っている。これを手作業でハンダ付けをした器用さには驚かされた。機体のレシーバには、飛行機などのラジコンで用いられる双葉電子工業の「PCM1024」を使用【写真9】。ヘリウムガスを充填する素材にはアルミ蒸着の特殊品を業者から手に入れたそうだ。
外観が面白かったものとしては、早稲田大学の「Airframer」【写真10】【写真11】と電気通信大学の「さかな」【写真12】【動画3】が挙げられる。前者は2つのバルーンを組み合わせている。また後者は名前のとおり魚の形をしており、尾びれをパタパタさせて動く。残念ながら推力をうまく発生できなかったものの、とてもユニークな発想だと感じた。このほか、防衛大学校【写真13】や青森職業能力開発短期大学校【写真14】の機体も善戦した。
● 創意工夫が凝らされた多数の飛行機ロボットがエントリー
また、高度の制御も重要だ。あまり高すぎるとカメラのピントが合わず、肝心の文字を読み取ることができなくなってしまう。機体を操作するための練習として、事前にフライトシミュレータを利用して、みっちりと訓練してきたチームもあった。さらに、規定時間内に帰還しなければ失格になるため、文字読み取りの時間配分も戦略上のポイントになるだろう。 エントリーされた19機の飛行ロボットは各チームごとに個性がいかんなく発揮され、バラエティに富んだモノが勢ぞろいしていた。数が多いため、以下に特徴的だった機体をチョイスして紹介する。 名古屋大学の「カワセミ」【写真16】は、ブーメンランのように主翼だけしか構成要素を持たない全翼機と呼ばれるもの。このタイプは水平尾翼の機能も主翼に設けた舵面で代替しなければならない【写真17】。無駄な要素がないため、重量が軽く、空気抵抗も小さい。その一方で、少ない構成要素で機能を実現させるために、1つの要素に複数の機能を兼ね備える工夫が必要。うまく飛ばすためには、機体設計から離陸テクニックまでハードルが高い。カワセミはこれらをクリアし、安定した飛行を実現していた【動画4】。
また、東京大学の「飛悠人」(ひゅうまん)【写真18】も機体が特徴的だった。主翼とVテールを結合したジョインド・ウイング方式(結合翼式)を採用。この形態は、翼端で主翼とVテールが互いに支え合って頑丈になる構造だが、その飛行技術は大変難しい。機体の調整やスラスト軸の合わせ方、精度のよい組み立てができないと飛ばすこともままならないというが、見事にうまく飛んでいた【動画5】。
東京都立航空工業高等専門学校の「鴎」【写真19】や「IGA」【写真20】【動画6】はフレーム構造で軽量化され、スムーズなフライトを可能にした機体。同じような構造としては、福岡工業大学の「Slow Flier」や、日本大学大学院の「Libellen-07」【写真21】【動画7】もあった。Libellen-07はカメラが可動式になっており、文字の読み取りにもひと工夫していた。
金沢工業大学の「弐号機」【写真22】は、オーソドックスなタイプながら、リベンジを果たすべく入念な準備を進めてきた機体だ。昨年の設計データを基に機体バランスを熟考し、機体の改良に努めてきたという。その成果が大会でも十二分に発揮され、安定した飛行を実現【動画8】。日本工学院専門学校の「ILLUSION_68」【写真23】【動画9】も同様に安定していた。こちらはクローバ型の水平尾翼が目立った。新居浜工業高等専門学校の「Double Fault 2nd」【写真24】は、機体後端にプロペラを備えている点が特徴。機体を水平に保ったままでの離陸ができないため操作にテクニックがいる。 このほか、主翼や胴体を2つに分け、運動性が増したり、安定性を向上させる工夫も見られた。要素が増えた分だけ抵抗が増えるが、デザイン的には面白かった。早稲田大学の「昴」【写真25】は双胴機タイプで、重量が分散されるため、主翼の負担が軽減される。また、主翼が2枚ある古典的な複葉機として、東京都立科学技術大学の「ぺけとんび」【写真26】【動画10】もあった。
● 将来的には国際大会も視野に! プレゼンも英語で実施 2回のフライトのあと、前日のプレゼンテーションなどの内容を加味して、入賞チームが発表された。以下に各部門の入賞チームを紹介する。【飛行機部門】 1位 Libellen‐07(日本大学大学院) 2位 弐号機(金沢工業大学) 3位 鴎(東京都立航空工業高等専門学校) 4位 ILLUSION_68(日本工学院専門学校) 5位 IGA(東京都立航空工業高等学校) 6位 Slow Flier(福岡工業大学) 【飛行船部門】 1位 じんべえ(東京都立科学技術大学) 2位 筑波TwoMonth(筑波大学) 【特別賞】 ・プレゼンテーション賞 Libellen‐07(日本大学大学院) ・ベストデザイン賞 カワセミ(名古屋大学) ・ユニークデザイン賞 さかな(電気通信大学) ・ベストクラフト賞 飛悠人(ひゅうまん 東京大学) ・ベストパイロット賞 筑波TwoMonth(筑波大学)
■URL 全日本学生室内飛行ロボットコンテスト実行委員会 http://www.indoorflight.t.u-tokyo.ac.jp/
（ 井上猛雄 ）
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