Dronevision: 飛行する光の斑点のための実験的な 3D テストベッド: 飛行する光の斑点

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概要と序論

飛んでいる光の粒

ユーザーインタラクション

マルチメディアシステムの課題

関連作業

結論と現在の取り組み、謝辞、参考文献

2 飛翔する光の粒

FLS は、光源が構成された小型のドローンです。各 FLS は単純すぎるため、単独でポイント クラウドを照明したり、複雑で目立つ触覚インタラクションを実現したりすることはできません。組織フレームワークの FLS 間関係効果により、個々の FLS の単純さが補われ、協力する FLS の群れが複雑な形状を照明し、触覚インタラクションをレンダリングできるようになります。したがって、FLS には、他の FLS と調整および協力するための通信、特定の座標で割り当てられた照明タスクをメモするためのストレージ、アルゴリズムを実装するための処理、および位置特定、衝突回避、触覚インタラクション用のさまざまなセンサーが含まれている必要があります。

（22）では、モーター軸からモーター軸までの長さが1.8インチ（45 mm）から5インチ（127 mm）、重量が0.4オンス（11.5 g）から2.5オンス（72 g）の11個のクアッドローターが評価されています。 （4）では、93個の回転翼航空機の調査が示されており、回転翼機をロータータイプ、用途、バッテリー容量など12の次元で分類しています。回帰分析を使用して、回転翼​​航空機の予備設計のサイズと性能パラメータの関係を確立しています。 この研究では、消費者向け製品としてすでに大量生産されているさまざまな小型ドローンが見つかりました。つまり、コンポーネントの小型化がすでに大きな注目を集めているということです。この小型化は、バッテリーと自動操縦の進歩とともに、より小型で軽量のFLSの実現可能性を示しています。

図 3 は、今日のドローンの電子機器のアーキテクチャを示しています (66)。最も重要なコンポーネントの 1 つであるフライト コントローラー (FC) は、FLS を安定させて正確な飛行操作を実行します。今日の FC は、モーターの速度を調整してドローンを目的の方向に動かす回路基板です。これらは、モーターに接続された電子速度コントローラー (ESC) とインターフェイスし、適用されたスロットルに対してモーターが回転する速度を制御します。4-in-1 ESC を使用すると、FC でクワッドローターの 4 つのモーターすべてを制御できます。

FC には、ドローンの動きを検知するセンサーが装備されています。基本的な FC センサーには、ジャイロスコープ (gyro) と加速度計 (acc) があります。ジャイロは角速度の測定に使用され、acc は直線加速度の測定に使用されます。その他のセンサーには、気圧センサーやコンパス (磁力計) などがあります。今日の FC は、LED 光源、カメラ、ビデオ送信機 (VTX) などの他のドローン周辺機器のハブとして機能する場合があります (図 3 を参照)。現在の傾向は、より小型でより多くの機能を備えた FC です。

FCボードによって必要なファームウェアが異なる場合があります。FCのファームウェアを構成することは、その設定を調整するプロセスです。

比例・積分・微分（PID）コントローラ、ドローンが軸を中心に回転する速度を決定するRCレート、および望ましい飛行特性を実現するためのその他の要素。これは、ターゲットアプリケーションに対してFCの潜在能力を最大限に活用することを目指しています。ファームウェア設定では、ジャイロ（2）などの1つのセンサーのみを使用することも、ジャイロと加速度の両方など複数のセンサー（3）を必要とする場合もあります。

FC にはワイヤレス ネットワーク カードが含まれる場合があり、マイクロコントローラ ユニット (MCU) を使用してファームウェア データを保存し、複雑な計算を実行します。この記事の執筆時点では、MCU の速度は 72 MHz ～ 480 MHz、メモリ サイズは 128 KB ～ 2 MB です。MCU は急速に進化し、速度とメモリ容量が増大して、古いモデルが廃止されています。

FC には、ドローンの姿勢、ジャイロ センサーの測定値、RC コマンド、モーター出力などを記録するブラックボックス機能があり、FLS の調整やトラブルシューティングに役立ちます。FC にはフラッシュ メモリ チップ (NOR フラッシュなど) または SSD カード レコーダーが必要です。ログ記録のレートは調整可能なパラメーターです。ブラックボックス ログの視覚化ツールを使用すると、ユーザーはトレースを選択して、興味のあるグラフを生成できます。タイムライン グラフの例には、FC スロットル レベル、姿勢、モーター出力、PID コントローラー出力などがあります。

今日の FC は、Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) というハードウェア シリアル インターフェイスを使用して、外部デバイスを FC に接続できるようにします。例としては、シリアル無線受信機、テレメトリ、レース トランスポンダー、VTX 制御などがあります。ファームウェアで追加の UART ポートを作成し、MCU を使用して複数の UART をエミュレートすることができます。この機能は SoftSerial と呼ばれます。 将来の FLS アーキテクチャ: FLS の将来のアーキテクチャには、システムオンチップ、SoC、および分散設計が含まれると想定しています。SoC は、FC で実装された追加機能を備えた図 3 のものと似ています。分散設計は図 4 に示されています。これは、実験者が代替デバイスで使用できるようにするためのプラグアンドプレイ システム バスを想定しています。この 2 つのトレードオフには、重量、サイズ、およびコンポーネントを切り替える機能を備えたモジュール性が含まれます。SoC はほぼ確実に軽量でコンパクトになります。ただし、1 つ以上のコンポーネントを変更することは困難 (不可能ではないにしても) になります。たとえば、WiFi ハードウェア コンポーネントを電力効率の高い ZigBee (802.15.4、2.4 GHz) に置き換えることは難しい場合があります。これは、次世代のゲーム ディスプレイなどの製品には理想的かもしれません。 ただし、研究や評価の目的では、異なるアルゴリズムを設計および実装する際に、実験者が代替ハードウェア コンポーネントとそのトレードオフを評価できるため、分散設計が望ましい場合があります。基本的に、分散設計を使用して SoC のコンポーネントを識別できます。以下では、分散アーキテクチャについて説明します。

図 3 のアーキテクチャと図 4 の分散アーキテクチャには、いくつかの違いがあります。まず、分散アーキテクチャでは、外部デバイスがシステム バスと直接インターフェイスする必要があり、UART が不要になります。次に、MCU が中央処理装置 (CPU) に置き換えられます。CPU は、汎用オペレーティング システムをホストします。これにより、実験者は、衝突検出と回避 (5～7、12、13、16、17、23、24、31～33、35、44、45、47、53、54、67、70～74、77)、STAG などの連続バッテリ充電技術 (26)、位置特定 (15、30、40、79)、3D オーディオ (25) など、さまざまなアルゴリズムを実装して評価できます (25)。 ローカリゼーション デバイス LOC を使用すると、実験者は Bluetooth (48、75)、Wi-Fi (55、59)、RFID (9、50、76、81)、UWB (36、39、63)、Lidar (18、65)、RGB カメラ (8、51、65、80)、赤外線 (35、54、57) などの代替ローカリゼーション センサーをプラグインできます。これらは、ローカル CPU でホストされているソフトウェアによって使用され、FLS の他の FLS に対する位置と表示ボリュームを計算します。

図 4 の課題は、実験者が最小限の労力で軽量、コンパクト、経済的、調整可能なレイアウトを実現する方法です。図 3 のアーキテクチャは調整可能ではありませんが、軽量でコンパクトです。たとえば、SpeedyBee(4) F7 (66) は、FC と 4 in 1 ESC をスタックし、重量は 19.2 グラム、寸法は 45.6mm (長さ) x 40mm (奥行き) x 8.8mm (高さ) で、価格は 119 ドルです。理想的には、分散設計はこれらの仕様に近似する必要があり、将来の SoC 実装は桁違いに小型、軽量、安価になるはずです。

ダウンウォッシュとは、FLS のローターによる急速な空気の移動です。他の FLS の位置に影響を与え、不安定な視覚効果や一貫性のない触覚フィードバックを引き起こす可能性があります。FLS は、近隣認識状態などの既存の方法を使用して、ダウンウォッシュに対抗するポリシーをトレーニングすることができます (58、62)。さらに、FLS は外乱に対抗するために追加の推力を割り当てることができます。これにより、FLS は、触覚フィードバックなどの他のタスクを実行するために推力をプロビジョニングする必要があります。

FLS は、完全に充電されたバッテリーで飛行できる時間は決まっています。代替案としては、レーザー パワー ビーム (2) などの連続電源を使用するか、電源にアンビリカル リンクで接続されたテザー FLS (46) を使用します。飛行中にレーザー ビームで FLS を充電することも可能です (49)。STAG (26) などの充電ソフトウェア ソリューションは、FLS が消耗したバッテリーを完全に充電されたバッテリーと交換できるようにするハードウェア ソリューションの恩恵も受けます (69)。

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（２）これはBetaflightファームウェアのAcro Mode設定です。

（3）例としては、Betaflightのアングルモード、ホライゾンモード、レスキューモードなどが挙げられます。

（4）F7は0.5MBまたは1MBのメモリを搭載した216MHz MCUを識別します。