自律型ドローン向け高精度屋内測位システム
自律型屋内ドローンの設計・構築方法と、自律飛行しない屋内ドローンを追跡するための屋内測位システムについて解説します。
屋内ドローンおよび自律型屋内ドローンのナビゲーションに焦点を当てていますが、このドローン測位システムは屋外でも優れた性能を発揮します。
Pixhawk/ArduPilot/PX4ベースのドローンをご使用の場合は、以下のリンクをご利用ください。
屋内でのDJIドローンについては、専用ページをご覧ください：DJIドローンを屋内で自律飛行させるには？
DJIとPixhawkの選び方についてはこちらをご覧ください。
ドローンに関するMarvelmindのその他のサポート情報
- 導入事例：PixHawk + ArduPilotを使用した屋内ドローンの自律飛行
- 外部電源によるビーコンへの電力供給
- ドローン競技向け屋内測位システム
- 自律型屋内パトロールドローンでオフィス全体をカバーするために必要な固定ビーコンの数は？
- ドローンへのIAの活用
- DJI屋内トラッキング：2部屋対応版
- 屋内ドローン群および屋内ドローンショー向け高精度XYZトラッキング
- 自律型ドローン着陸パッド
- 高精度屋内測位システムにおける精度低下とその回避方法
- ヘルプ：位置と方向のためのPixHawk + PX4 + ペアリングビーコン（磁気センサーの代替として）
- ヘルプ：倉庫点検のための自律型ドローンの飛行
- 長距離屋内マイクロドローンのトラッキング
- リアルタイムプレーヤー有効時のマイクロドローントラッキング
- リアルタイムプレーヤー無効時のマイクロドローントラッキング
- GPS/GLONASSなしでのXYZ高精度（±2cm）屋内トラッキング
- GPS/GLONASSなしでの高精度（±2cm）屋外ドローントラッキング – 2段階高度での水平飛行
- 屋内完全自律飛行
- ヘルプ：コプターへのモバイルビーコンの取り付け
- ヘルプ：コプターのZ座標について – 詳細な説明
- 数センチメートルの精度で屋外追跡されたコプター
ドローン向け推奨屋内RTLS - クイックヒント
Marvelmind屋内「GPS」システムが初めての方で何を選べばよいか迷っている場合は、Starter Set Super-MPをお選びください。MPは多目的（multi-purpose）の略であり、最も安心できる選択肢です。
詳細については、以下の推奨オプションをご参照ください。
何を選べばよいか、またはどのような実験を行うかが明確でない場合に、最大の柔軟性と性能を同時に確保できる、総合的に最良かつ最も安心できる選択肢です。
Super-Beaconには接続用の2ピンがすぐに利用可能なため、PixHawkへの接続が必要な場合にも最適です。詳細はこちら。
構成：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 位置と方向の両方を取得するペアリングビーコン構成用の追加モバイルビーコン。ペアリングビーコンのデモの詳細はこちら
このセットは、Mini-TXモバイルビーコンが小型かつ軽量なため、マイクロドローン（100g未満）向けに設計されています。Mini-TXは固定ビーコンまで15〜20mの範囲をカバーでき、ほとんどの実用的なケースに十分です。このセットはより大型のドローンにも使用できますが、Mini-TXの超音波到達距離はSuper-Beaconより小さくなります。そのため、重量が特に重要でない場合は、モバイルビーコンとしてSuper-Beaconを使用するのが最善の選択です。重量のみが唯一の懸念事項である場合に限り、Mini-TXは他の追随を許しません。
Mini-TXはトラッキングに優れています。新バージョンのMini-TX-2は、Super-Beaconと同様にPixHawk接続専用の2ピン（TX + GND）を備えた特殊6ピンコネクターを底面に搭載しているため、PixHawkへの接続にも最適です。2022年以前に納品された旧型Mini-TXには、底面に6ピンコネクターがないことにご注意ください。
構成：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-nia-03-smalldrone
「Starter Set Super-MP-3D + Super-Beacon – ドローン上での位置＋方向の取得」オプションの上位版です。
Precise-Zは物理的に2台の追加固定ビーコンで構成されており、全てのZ範囲において正確なZ座標を取得することができます。
詳細はこちら：
– 配置マニュアル – Precise-Zのスライド
– Z座標とビーコン配置に関するビデオ解説
構成：
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 位置と方向の両方を取得するペアリングビーコン構成用の追加モバイルビーコン。ペアリングビーコンのデモの詳細はこちら
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – Precise-Z機能用の追加固定ビーコン
小型ドローン向けの屋内測位システムは、より大型のドローン向けやその他の3D（XYZ）屋内測位システムと大きく異なるわけではありません。
唯一の特徴は、ドローンに搭載するモバイルビーコン（タグ）の重量です。これは、シェルの取り外しやバッテリーの取り外し、または非常に軽量なバッテリーへの交換など、Mini-TXの簡略版を使用することで解決されます。
また、小型ドローンは機能が限られていることが多く、例えばPixhawkのようなオンボードコンピューターや自動操縦装置を搭載していない場合があります。その場合、全ての制御はグラウンドステーションから行われます。ただし、例外もあります。
ドローン群やドローンショーには、数十台から数百台ものドローンが使用される場合があります。屋外での飛行にはRTK GPSが非常に有効ですが、RTK GPSは屋内では使用できません。
ドローン向けの典型的な屋内測位システムではNIAが使用されます。NIAではモバイルビーコンが超音波を発信しますが、この場合サポートできるドローンの実用的な台数は1〜8台となります。NIAではドローン1台あたりの位置更新レートがドローン台数に比例して低下するためです。
屋内ドローン群が数十台規模になる場合はIAを使用する必要があります。ただし、IAではモバイルビーコンが超音波を受信する仕組みのため、プロペラからのノイズに対処し、システムが正常に機能するための特別な対策が必要です。ソリューションの詳細はこちら。
倉庫点検、自動バーコードスキャン、またはRFID読み取りを目的とした自律型ドローンや屋内自律ドローン向け屋内測位システムに関するご要望を、毎週のようにいただいています。
このタスクには明確なニーズがあり、ドローンを使用して実現することへの強い関心があることは間違いありません。
実際のアプリケーション向けにこのようなシステムを構築することは複雑ですが、実現可能な課題です。実装の詳細について説明します。
Marvelmind屋内「GPS」はArduPilotおよびPX4搭載のPixHawkをサポート
Marvelmind屋内「GPS」はArduPilot搭載PixHawkおよびPX4の両方をサポートしています：
- MarvelmindとArduPilot – ArduPilot.orgへのリンク
- MarvelmindとPX4統合マニュアル – Mission Planner、PixHawk、およびハードウェア接続の設定とスクリーンショットを含むステップバイステップガイド
- PixHawkとMarvelmind統合マニュアル – ドローン向けPixHawk、ArduPilot、およびMarvelmind統合のステップバイステップガイド
MarvelmindとPixHawk
Marvelmind屋内「GPS」とPixHawkを組み合わせることが、屋内での自律飛行を実現する最も簡単かつ迅速な方法です。
クアッドコプター向け屋内測位システムを正しく構築する
屋内での飛行を成功させるために考慮すべき、いくつかのシンプルな要素があります：
- 自律コプター設定マニュアル – 屋内・屋外での自律コプター/ドローンへの屋内「GPS」システム使用に関する基本的かつ実践的な推奨事項
- 配置マニュアル – 様々なアプリケーションや構成でMarvelmind屋内「GPS」システムを最高のパフォーマンスで動作させるための取り付け方法の実践的なアドバイスと例
- ヘルプ：コプターのZ座標 – 詳細な説明 – 良好なZ精度を達成するための固定ビーコンの適切な配置方法を説明するYouTube動画。環境の制約により4+2固定ビーコンを使用したPrecise Z構成が使用できない場合でも、この構成は上級ユーザー向けであり、飛行エリア上方に4台の固定ビーコンを設置するより基本的かつ堅牢で精度の高いセットアップが使用できないか現実的でない場合にのみ推奨されます
各種スターターセットのオプションについては製品ページをご参照ください。
3D（XYZ）トラッキングにおいて、固定ビーコンが3台だけでは障害物への耐性がほとんどありません。固定ビーコンへの視線/音声経路が遮断されると、GPSの場合と同様に、トラッキングができなくなるか誤ったトラッキングが発生します。「衛星が見えない = GPS座標なし = トラッキング不可」と同じ原理です。
そのため、固定ビーコンには少なくともN+1の冗長性を推奨します。これが、3D対応のスターターセットに固定ビーコンが4台含まれている理由です。
さらに理想的なのは、3Dサブマップを完全に重複させた2N冗長性の構成です。3+3または4+4の固定ビーコン構成となり、システムが自動的にトラッキングに最適なサブマップを選択します。このようなシステムは非常に高い耐障害性を持ち、ビーコンを適切に配置することで、例えば柱のある複雑な部屋でもトラッキングの問題なく飛行できます。
優れたトラッキングの鍵は、全ての飛行ポイントで適切なカバレッジを確保することです。つまり、ドローン上のモバイルビーコンから同一サブマップに属する3台以上の固定ビーコンに対して、30m以内で明確な直接視線/音声経路が確保されている必要があります。
適切な配置は特にドローンにとって重要かつ不可欠です。ドローンは3D対応が必要で、移動速度が速く、ミスが特にコストのかかる結果を招く可能性があります。注意すべき点は何でしょうか？
- 良好なトラッキングや自律飛行のための最も重要な要件は、ドローン上のモバイルビーコンから3台以上の固定ビーコンへの明確な視線/音声経路を確保することです
- 屋内では磁気センサーに頼らないでください。位置＋方向の取得にはペアリングビーコン構成を使用してください
- モバイルビーコンから固定ビーコンへの角度が30度以上になるように固定ビーコンを配置してください。動画による詳細な説明をご覧ください
- 他の方法では固定ビーコンへの適切な角度を確保できない場合は、Precise-Z構成を使用してください
広い開放空間での屋内ドローン1台のトラッキングは非常に簡単です。Starter Set Super-MPまたはStarter Set NIA-SmallDroneを使用すれば、開封とソフトウェアのアップデートを含めて10〜15分で高精度3Dトラッキングシステムを構築できます。事前に全ての初期ソフトウェアアップデートを完了している場合は、1分以内にシステムを展開できます。
自律飛行は、ドローンを正確にトラッキングし、その自動操縦装置をドローン/シャーシ（通常、シャーシ、モーター、モータードライバー、テレメトリー、リモートコントロールなど様々なパーツで構成される）と統合する必要があるため、はるかに複雑なタスクです。さらに、上述の通り、自動操縦装置と屋内測位システムを統合する必要があります。
単一ドローンの自律飛行が難しいタスクであるとすれば、ドローン群による自律飛行はこの複雑さのピラミッドの頂点に位置します。さらに困難ではありますが、一歩一歩進めていけば実現可能です。
屋内ドローン群について深く掘り下げる前に、基本的な疑問にお答えしましょう：「空を飛ぶあの何千台ものドローンはどうやって飛んでいるのか？」- 実はシンプルで、RTK GPS測位システムを使用しています。ただし、RTK GPSはGPSに依存しています。GPSがなければRTK GPSも機能しません。そのため、屋内やその他のGNSSが使用できないエリアに移動した瞬間、GPSは使えないと考えてください（GLONASS、Beidou、Galileoなども同様です）。
小型ドローンは小さすぎ、大型ドローンは大きすぎる
多数の小型ドローンで素晴らしいショーを演出できれば理想的です。しかし：
- バッテリーサイズ対ショー時間対ドローンサイズのバランス
- 自動操縦装置と屋内測位システムは無視できない重量があります。ドローンサイズの下限に制約があります
- ドローンには方向の把握が必要です。方向の把握はドローン上の2点以上の位置情報で最もよく実現でき、離れているほど角度精度が向上します
ドローンが大きすぎる場合：
- 間隔を保つことが難しくなります。ドローン間のより大きな安全距離が必要となり、その結果、ショーのためにより広いスペースが必要になります
- 大型ドローンは重く、騒音が大きく、より危険です。騒音や保護ネットがショー全体のコンセプトを損なう可能性があります
ドローンに「自分だけが飛んでいる」と思わせる
多くの場合、複数のドローンの自律飛行を、お互いの存在を認識しないように設定することが可能です。各ドローンは自分だけが特別で唯一無二だと思っています。この素朴な認識を維持することがあなたにとって有利です。ドローン群を実現する最もシンプルな方法だからです。
Marvelmind屋内「GPS」を使用したドローンショー向け屋内測位システムの構成例
複数のソリューションを組み合わせることで、IAを使用したドローン群の飛行が可能になります：ドローンショーおよびドローン群向け屋内測位システム。
この複雑なソリューションは、当社システムやドローン全般に不慣れな場合には適さないかもしれません。しかし、位置更新レートの低下なしに複数の自律ドローンを飛行させることができ、最高精度の±2cm測位精度を提供するため、屋内ドローンショーに最高のパフォーマンスをもたらします。
構成：
- IA
- 4台 × https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 飛行エリアの周囲および上方に配置する固定ビーコン
- 1台 × Modem v5.1
- 10台 × Mini-RX + マイクロフォン – 各ドローン用のハイブリッドモバイルビーコン
上述のように、最初に決めるべきことは、ペアードビーコンに基づく方向情報が必要かどうかです。必要な場合は、ドローン1機につき2つのモバイルビーコンが必要です。不要な場合は、ドローン1機につき1つのモバイルビーコンで済みます。
モバイルビーコン1つで飛行することは可能ですが、オートパイロット上のSWはより複雑になります。これはすぐに使える構成ではなく、飛行中にドローンのジャイロのドリフトの方向と補正を提供する必要があるためです。これは複雑です。実現可能ではありますが、複雑です。可能な限り、屋内での方向確認（静止時も含む）の簡単なソリューションとして、ペアードビーコン構成を常に推奨しています。
ただし、上述のように、スワームドローンや屋内ドローンショーの場合は、最良の選択肢ではない場合があります。そのため、ドローンのメインバリアントとして、モバイルビーコン1つに基づく、より複雑で脆弱なオプションを想定します。
構成：
- MF NIA – ドローンスワームにはMF NIAを強く推奨します。NIAでは速度が遅すぎ、IAにはドローンのノイズが多すぎる可能性があります
- 4 x https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 飛行エリアの周囲と上方に設置する固定ビーコン
- 1 x Modem v5.1
- 10 x Super-Beacons – 10機のドローン用モバイルビーコン
- 14 x MF NIAライセンス
ドローンが小型で27gの荷重（Super-Beaconの簡略版）を搭載できない場合、追加バッテリーとハウジングなしのMini-TXが最適な選択肢です。簡略構成では、わずか6.7gです。
ただし、Mini-TXは単一周波数（31kHz）でのみ動作します。そのため、NIAのみが選択肢となります。したがって、10機のドローンがある場合、ドローン1機あたりの位置更新レートはシステムの位置更新レートの1/10になります。5x5mの小さなサブマップでは、システムあたり20〜25Hzを達成できます。したがって、ドローン1機あたりの位置更新レートは約2〜2.5Hzになります。この位置更新レートは低速移動のショーに適しています。それでも、何もないよりはずっと優れています。
構成：
- NIA
- 4 x https://marvelmind.com/product/super-beacon/ – 飛行エリアの周囲と上方に設置する固定ビーコン
- 1 x Modem v5.1 – システムの中央コントローラー。これを通じてデータの監視とドローンの制御が可能です
- 10 x Mini-TX – 10機のドローン用モバイルビーコン
UWBベースのシステム
UWBベースの屋内ドローン測位システムは、原理的にはMarvelmind屋内”GPS”とあまり変わりません。もちろん、基礎技術は異なります（超音波の飛行時間と比較したUWBの飛行時間）。しかし、アーキテクチャとネットワーク要素は非常に似ています。
UWBとMarvelmind屋内”GPS”の実際の違い：
- UWBは超音波より約10倍精度が低く、つまりドローンは空中でより不安定です
- ただし、UWBは原理的にドローンの音響ノイズの影響を受けません
- UWBは原理的により多くのドローンを同時にサポートできます。UWBが実際により多くのドローンをサポートできるかどうか、およびドローン1機あたりの結果的な更新レートは、UWBシステムの実装に依存します。IAベースのシステムは、容量の面でUWBベースのシステムと容易に競合でき、精度の面では10倍上回ることができます
光学システム - 周囲のQRコード
潜在的なシンプルさから、ますます人気が高まっています：
- カメラが床のQRコード（またはその他の特殊パターン）を下向きに捉えます。QRコードは位置と方向の両方を提供します
- より便利な場合は、QRコードをドローンの上方（天井）に設置できます
- QRコードをドローンの周囲に配置することもできますが、その場合は複数のカメラまたは特殊な魚眼カメラが必要です
メリット：
- 比較的低コストの測位システム
- 周囲にアクティブビーコンが不要
デメリット：
- 周囲にQRコードが必要 – 望ましくない場合や設置が不可能な場合もあります
- 特殊な照明への要件
- 三角測量ベースのシステムのため、QRコードは密に配置され、かなり近くにある必要があります。そうでないと位置精度が低下します
代替案を検討してください：自律型ドローン着陸パッド。
モーションキャプチャーベースのシステム
非常に印象的なドローンショーを見ると、ドローンが非常に高性能だと思わされます。しかし、その印象は大きな誤りです。測位システムこそがセットアップの核心であり、ドローンではありません。ドローンはむしろ単純です。自分が追跡されていることすら認識していません。さらに、追跡システムの位置データに基づいて完全にリモートで制御されています。つまり、さらに単純とも言えます。しかし、それで問題ありません。パフォーマンスが印象的で真に見事であれば、どのように達成されたかは重要ではありません。
モーションキャプチャーベースのシステム：
- 高速・高解像度の赤外線カメラ、カメラと中央コンピューター間の大量のデータ接続（ケーブル配線）、高性能コンピューター、および特殊な赤外線照明が必要なため、高価または非常に高価です
- 位置が三角測量に基づくため、カバーエリアが自然と制限され、通常10x10m程度に限られます
- 良い点としては、ドローン上のトラッカーが軽量かつパッシブであること（単なる光反射板）です
Marvelmind屋内"GPS"を使用したドローンの精密屋内測位・追跡・ナビゲーション実装例
DJI Phantomクワッドコプターの屋内3D（XYZ）精密追跡（±2cm）
- X,Y,Z軸の精密追跡（XYビュー + XZビュー + YZビュー）
- DashboardのPlayerからの生データと後処理データ – 現在は後処理ではなくリアルタイムプレーヤーで同様の機能が利用可能です
- DJIエコシステムは、少なくともPhantomとMavicシリーズにおいては閉鎖的です。そのため、Phantomの追跡は可能ですが、屋内での自律飛行は（より深いハッキングなしには）できません
- DJIドローンの屋内自律飛行についてもっと詳しく
DJI Phantomクワッドコプターの屋外3D（XYZ）精密追跡（±2cm）
- XYZの精密（±2cm）追跡（XYビュー + XZビュー + YZビュー）- 上記と同様ですが屋外での実施
- 4+2の固定ビーコンで構成される同じPrecise-Z構成がこのデモと上記のデモに使用されています。詳細は設置マニュアルをご覧ください
- DJIドローンの屋内自律飛行についてもっと詳しく
完全自律屋内飛行
- 小型コプターがMarvelmind屋内”GPS”を頼りに完全自律飛行しています
屋内ドローン追跡および屋内ドローンスワームへのIAの活用
小型・マイクロドローンの屋内追跡
ドローン追跡の最小構成は、3D対応のNIAセットであれば何でも構いません。例えば、固定ビーコン3つ + モバイルビーコン1つ + モデム1つと非逆アーキテクチャ（NIA）または多周波NIA（MF NIA）で、ドローンに対応可能です。
倉庫点検用ドローン
倉庫点検にドローンを使用することは非常に人気です。紛失パレットの発見やセキュリティなど、様々な用途があります。実現可能なタスクですが、実際には非常に複雑です：
- 全般的に非常に難しい環境
- ドローンは墜落・破損する => エラーのコストが高い
- ドローンの飛行は潜在的に危険であり、開発・運用が困難
それでも、このソリューションは有望です。そのため、ドローンメーカーや倉庫システムのメーカーが、このようなソリューションに私たちの屋内測位システムを活用しています。動画では、環境の特殊性（狭い通路と高い棚）、その特殊性が精度に与える影響、および最適なシステム構築方法について説明しています。
ドローン用自律着陸プラットフォーム
ドローン用の自律着陸プラットフォームを構築することができます。移動式にすることも可能です：
- プラットフォームの端に上向きの固定Super-Beaconを4つ設置します。プラットフォームが大きいほど、距離の精度が向上します
- 下向きのモバイルSuper-Beaconを2つ取り付けます
ドローンは遠方でプラットフォームから30m以上の場合、通常のRTK GPSまたはGPSを使用して飛行します。屋内”GPS”の座標にロックされ、その座標に基づいて着陸します。前述のように、プラットフォームは地面に対して静止していても移動していても構いません。ドローンにとっては関係ありません。そのため、例えば移動中の車両に精密着陸することができます。