ドローンの急速な普及は、オープンソースのフライトコントローラーの開発によるところが大きい。ドローンの発展を阻んできた主要なデバイスは自動操縦装置だったからだ。では、オープンソースのフライトコントローラーとは何なのか、そしてどのように発展してきたのだろうか？

無人航空機の複雑な世界において、クアッドコプターは、そのシンプルな構造、使いやすさ、低コストにより、最初に世間の注目を集めました。

しかし、クワッドコプターには最高レベルの飛行制御能力が求められるため、MEMS センサーをベースにしたオープンソースのフライトコントローラーが多数登場しています。

オープンソースの定義方法

オープンソースとは、オープンソースソフトウェアに初めて適用された概念です。オープンソース・イニシアチブは、ソースコードが公衆に利用可能であり、その使用、改変、配布がライセンスによって制限されないソフトウェアを指すためにこの用語を使用しています。

各オープンソースプロジェクトには、チームまたは個人によって管理される独自のフォーラムがあり、そこでオープンソースコードが定期的に公開されます。プロジェクトに関心のあるプログラマーは、コードをダウンロードして修正し、自分の作品をアップロードすることができます。管理者は、多数の修正の中から適切なものを選び、それを用いてプログラムを改良し、新しいバージョンをリリースします。

オープンソースソフトウェアの開発は徐々にハードウェアと融合し、オープンソースハードウェア（OSHW）へと発展しました。ソフトウェアとは異なり、物理的なリソースは常に物理的な製品を作成することを目指すべきです。

したがって、オープンソース ハードウェア ライセンスに基づいてアイテム (製品) を生産する個人および企業には、製品が元の設計者の承認を得る前に製造、販売、認可されていないこと、および元の設計者が所有する商標が使用されていないことを確認する義務があります。

ハードウェア設計のソースコードは、特定の形式で他者が入手し、改変することができます。オープンソースハードウェアは、技術的な自由を可能にするだけでなく、知識の共有を促進し、ハードウェア設計におけるオープンなコミュニケーションと取引を促進します。

オープンソース ハードウェア (OSHW) 1.0 の定義は、オープンソース ソフトウェアの定義に基づいています。

この定義は、Debian フリーソフトウェアガイドラインの一部として、Bruce Perens と Debian の開発者によって作成されました。

オープンソースの飛行制御とは何ですか?

オープンソース ハードウェアの概念を理解すると、オープンソース フライト コントローラーの概念も理解しやすくなります。

いわゆるオープンソース・フライトコントローラーは、オープンソースの理念に基づくオープンソース・オートパイロット・プロジェクトであり、オープンソースのソフトウェアとハ​​ードウェアの両方を含みます。ソフトウェアは、フライトコントロールハードウェアのファームウェアと地上局ソフトウェアで構成されています。

愛好家はソフトウェア開発だけでなく、ハードウェア開発にも参加できます。ハードウェアを購入してソフトウェアを開発したり、独自のハードウェアを製作したりすることで、より多くの人々がプロジェクトの開発成果を自由に享受できるようになります。

オープンソースプロジェクトの利用には商業的な影響があるため、各オープンソースフライトコントローラープロジェクトは、開発者とユーザーの権利を定義する公式の法的条件を提供します。オープンソースフライトコントローラーごとに法的定義は異なります。

オープンソースの飛行制御の開発

第一世代のオープンソース飛行制御システムは、Arduinoなどのオープンソース電子プラットフォームをベースとしており、様々なMEMSセンサーへの拡張可能な接続により、ドローンのスムーズな飛行を実現します。主な特徴は、モジュール性と拡張性です。

第2世代のオープンソース飛行制御システムは、ほとんどが独自のオープンソースハードウェア、開発環境、コミュニティを持っています。完全に統合されたハードウェアアーキテクチャを採用し、10DOFセンサー、制御MCU、さらにはGPSデバイスまでもが単一の回路基板に統合され、信頼性が向上しています。姿勢制御システム（IMU）には全デジタル3軸MEMSセンサーを使用し、航空機を制御して完全な自律航行を行うことができ、装備すれば無線や地上局と通信することができ、完全な自動操縦の機能を予備的に備えています。このタイプの飛行制御は、固定翼航空機、マルチローター航空機、ヘリコプター、車両など、さまざまな無人装置をサポートし、手動飛行、半自律飛行、完全自律飛行など、さまざまな飛行モードを備えています。第2世代の飛行制御の主な特徴は、高い統合性と高い信頼性であり、その機能は商用の自動操縦基準に近いです。

第三世代のオープンソース飛行制御システムは、ソフトウェアと人工知能の革新を推進します。群集飛行、画像認識、自律障害回避、自動追尾飛行といった高度な飛行機能を備え、マシンビジョン、クラスタリング、開発プロセスのプラットフォーム化といった方向へと発展していきます。

Arduino飛行制御

オープンソースの飛行制御の開発について話すには、有名なオープンソース ハードウェア プロジェクトである Arduino から始める必要があります。

Arduino は、2005 年にイタリアの Interaction Design Institute Ivrea で Massimo Banzi、David Cuartielles、Tom Igoe、Gianluca Martino、David Mellis、および Nicholas Zambetti によって開発された、最も初期のオープン ソースの飛行制御装置です。

Arduinoは、電子開発愛好家向けに、柔軟なオープンソースハードウェアプラットフォームと開発環境を初めて構築しました。ユーザーはArduinoの公式ウェブサイトからハードウェア設計ドキュメントを入手し、実際の設計ニーズに合わせて回路基板やコンポーネントを調整することができます。

Arduinoは、CとC++ベースのArduino言語を採用したArduino IDEソフトウェアを通じて、ソースコードを閲覧したり、自分で作成したコードをアップロードしたりできます。Arduino IDEは非常に使いやすく、Windows、Macintosh OSX、Linuxという3つの主流オペレーティングシステムで動作します。

このプラットフォームが徐々に愛好家に受け入れられるにつれて、さまざまな機能的な電子拡張モジュールが登場しましたが、その中で最も複雑だったのは、MEMS センサーを統合したフライト コントローラーでした。

より優れた飛行制御設計のソースコードを入手するため、Arduinoは飛行制御のソースコードを公開することを決定し、オープンソースの飛行制御の開発への道を開きました。有名なオープンソースの飛行制御システムであるWMCとAPMは、Arduino飛行制御から直接派生した製品であり、現在でもArduino開発環境を用いて開発されています。

APM飛行制御

APM（ArduPilotMega）は、2007年にDIYドローンコミュニティ（DIY Drones）によって立ち上げられたフライトコントローラー製品で、現在最も成熟したオープンソースハードウェアプロジェクトです。

APM は、Arduino オープンソース プラットフォームをベースに、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計を含む慣性計測ユニット (IMU) など、いくつかのハードウェア コンポーネントを改良しました。

APMは優れたカスタマイズ性により、世界中のRCモデル愛好家の間で急速に普及しています。オープンソースソフトウェア「Mission Planner」を使用すると、開発者はAPMの設定変更、センサーデータの受信と表示、Googleマップを使用した自動飛行の実現など、様々な機能を使用できます。ただし、Mission PlannerはWindowsオペレーティングシステムにのみ対応しています。

現在、APM 飛行制御は成熟したオープンソース飛行制御のベンチマークとなっており、マルチローター、固定翼、ヘリコプター、無人車両などの無人デバイスをサポートできます。

マルチローターの場合、APM 飛行制御はさまざまな 4 軸、6 軸、8 軸製品をサポートし、外部 GPS センサーに接続した後、自律離着陸、自律航法飛行、帰還、高度保持、位置保持などの豊富な飛行モードを安定して完了できます。

APM は外部の超音波センサーや光フローセンサーに接続して、屋内での高度および位置保持飛行を実現することもできます。

PX4とPIXHawk

PX4はBSDライセンスに準拠したオープンソースのソフトウェアおよびハードウェアプロジェクトです。その目標は、学術機関、愛好家、そして産業界向けに、手頃な価格で高性能な自動操縦装置を提供することです。

このプロジェクトは、ETH チューリッヒのコンピューター ビジョンおよびジオメトリ ラボ、自律システム ラボ、自動制御ラボの PIXHawk プロジェクトによって開始されました。

PX4FMUオートパイロットモジュールは、Nuttxをポータブルオペレーティングシステムインターフェース（POSIX）環境として使用する、高効率のリアルタイムオペレーティングシステム（RTOS）を実行します。これにより、ソフトウェアはprintf()、pthreads、/dev/ttyS1、open()、write()、poll()、ioctl()などのインターフェースを使用できます。ソフトウェアはUSBブートローダーを使用してアップデートできます。

PX4はMAVLinkを介して地上局と通信し、QGroundControlおよびMission Plannerと互換性があります。すべてのソフトウェアはオープンソースであり、BSDライセンスに準拠しています。

PIXHawkフライトコントローラーは、3DRがAPMおよびPX4チームと共同で2014年にリリースしたPX4フライトコントローラーのアップグレード版です。PX4とAPMの両方のファームウェアと、対応する地上局ソフトウェアを搭載しています。このフライトコントローラーは現在、フライトコントロール製品の中で最もハイエンドな製品であり、愛好家の間で最も人気のある製品です。

PIXHawkは168MHzの処理周波数を持ち、ハードウェア浮動小数点ユニットを統合したCortex-M4マイクロコントローラをメイン制御チップとして採用しています。互いに補完し合う2組のジャイロスコープと加速度計（MEMSセンサー）、外部接続可能な3軸磁場センサー、そして故障時に自動的に切り替わる2つのGPSセンサー（1つはプライマリ、もう1つはバックアップ）を搭載しています。

PIXHawkは、高速処理コアと浮動小数点アルゴリズムを基盤とし、最先端の高度維持アルゴリズムを採用しています。気圧高度計のみで機体の高度を1メートル以内の誤差で固定できます。トライコプターやH4など、不規則な構造を持つマルチローターを含む、ほぼすべての種類のマルチローターをサポートします。

これにより、航空機は、完全自律ルート、キーポイントサラウンド、マウスガイダンス、「FollowMe」、テールファーストフライト、その他の高度な飛行モードを含む複数の飛行モードを実現し、自律チューニングを完了できます。

プロジェクトアドレス: https://github.com/pixhawk

PIXHawkフライトコントローラーは非常にオープンで、数百ものパラメータをプレイヤーが自由に調整でき、基本モードをベースに簡単なデバッグで飛行させることができます。PIXHawkは複数の電子地図を統合しており、愛好家は現地の状況に合わせて選択できます。

OpenPilotとTaulabs

OpenPilotは、OpenPilotコミュニティによって2009年に立ち上げられた自動操縦プロジェクトです。低コストでありながら強力で安定した自動操縦を社会に提供することを目的としています。このプロジェクトは、OpenPilot Autopilotとそれに対応するソフトウェアの2つの部分で構成されています。

自動操縦装置のファームウェアは C 言語で記述されており、地上局は C++ で記述されており、Windows、Macintosh OSX、Linux の 3 つの主流オペレーティング システムで実行できます。

OpenPilot の最大の特徴は、その多様なハードウェア設計からもわかるように、非常にシンプルなハードウェア アーキテクチャです。

公式にリリースされている飛行制御ハードウェアには、CC、CC3D、ATOM、Revolution、Revolution nano、そして派生ハードウェアであるSparky、Quanton、REVOMINI、さらにはSTM32開発ボードから直接拡張されたFlyingF3、FlyingF4、DescoveryF4などがあります。中でもCC3Dは、ホイールベース300mm未満のドローンや超小型屋内モデルの飛行制御に好まれており、DiscoveryF4は愛好家の間で飛行制御の研究に広く利用されています。QuantonはTaulabsの推奨ハードウェアとなっています。

CC3D

CC3DはOpenpilotで最も人気のあるハードウェアです。この飛行制御ボードは、72MHz 32ビットSTM32マイクロコントローラ1個とMPU6000 1個のみを使用して、クワッドコプター、固定翼航空機、ヘリコプターの姿勢制御飛行を実現します（ただし、このハードウェアは3自由度姿勢制御のみを実行でき、安定化は実行できません）。回路基板のサイズはわずか35mm×35mmです。

他のオープンソースの飛行制御装置とは異なり、GPSフュージョンや磁場センサーによる補正を必要とせず、長期的な姿勢制御を維持できます。上記の機能はすべて単一のファームウェアで実現されており、設定によって機体の種類、飛行モード、ジンバル安定化などの機能を切り替えることができます。

コンパイルされたファームウェアはわずか100KB程度のストレージ容量しか必要とせず、コード効率も非常に優れているため、あらゆる飛行制御プログラマーにとって模範となるでしょう。地上局ソフトウェアは完全な電子地図を統合し、無線を介して航空機の状態をリアルタイムで監視できます。

TauLabs フライト コントロールは、OpenPilot フライト コントロールの派生製品です。

現在、TauLabs で最も人気のあるハードウェアは Quanton と呼ばれ、元の OpenPilot 飛行制御チームのメンバーによって独自に完成されました。

OpenPilotのシンプルで効率的な機能を継承し、気圧計と3軸磁力計を追加することで機能を拡張しています。主制御マイクロコントローラは、ハードウェア浮動小数点演算機能を備えたCortex-M4コアにアップグレードされています。この飛行制御装置は、自動パラメータチューニングをサポートし、飛行中に姿勢PID制御パラメータを自動調整できるモデル識別アルゴリズムを備えた、最も初期のオープンソース飛行制御製品です。

TauLabsは多くの高度な飛行モードを実現でき、外部GPSを接続することで、高度維持、位置維持、帰還などの機能をマルチローターに提供できます。飛行制御には電子地図が統合されており、インターフェースは非常に使いやすく、初期設定用のウィザードモードにより初心者でも簡単に使い始めることができます。

マルチWiiコプター（MWC）

マルチWiiコプター（MWC）フライトコントローラーは、低コストでマルチローター向けに特別に設計された、典型的なArduino由来の製品です。開発、デバイスのアップグレード、そしてArduino IDEの使用方法を完全に継承しています。

このフライト コントローラーは、低コスト、シンプルなアーキテクチャ、成熟したファームウェアを備えているため、国内外で多くの愛好家がいます。

このフライトコントローラーの最大の特徴は、一般的なクアッドコプター、ヘキサコプター、オクトコプターのサポートに加え、トライコプター、バイコプターのようなアバタースタイルの機体、Y4型マルチローター（2軸が垂直に配置されている）など、多くのユニークなタイプの機体をサポートしていることです。これにより、このフライトコントローラーの開発は面白くなり、皆の愛を勝ち取りやすくなります。

KKマルチコプター

KK Flight Control（KKFC）は、韓国発のオープンソース飛行制御プロジェクトであり、オープンソース飛行制御開発の初期段階において、初めて広く受け入れられたマルチローター飛行制御システムでした。その登場は、クワッドコプター業界全体に衝撃を与えました。

この飛行制御は、3 つの低コストの単軸ジャイロとシンプルな 4 チャンネルのリモート コントロール デバイスのみを使用して、一般的な 3、4、6 ローターの航空機を制御し、「クロス」、X 型、H 型、上下反転などのさまざまなレイアウトをサポートします。

飛行制御装置は、3つの可変抵抗器を用いて感度を調整するチューニング方式を採用しており、初期型ジャイロの特徴を継承しています。マルチローター飛行制御の黎明期を物語る重要な証人として、この「アンティーク」なクラシック飛行制御装置は、今もなお多くの愛好者を魅了しています。

パパラッチ(PPZ)

Paparazzi（PPZ）は、柔軟で強力なオープンソースの自動操縦システムの開発を目指して2003年に開始されたソフトウェアとハ​​ードウェアのオープンソースプロジェクトです。PPZのユニークな特徴の一つは、ハードウェアやソフトウェアといった飛行制御システムの一般的なコンポーネントだけでなく、各種モデムやアンテナといった地上局のハードウェアも含まれており、いわば完全な小型無人航空システムと言えるでしょう。

このオープンソースプロジェクトのもう一つの特徴は、Ubuntuオペレーティングシステムを使用していることです。このオペレーティングシステムは、すべての地上局ソフトウェアと開発ツールを1つのシステムに統合しており、プロジェクトではこれをLive CDと呼んでいます。ユーザーはこのCDと飛行制御ハードウェアを使用することで、すべての開発および運用タスクを完了できます。

PPZのハードウェアバージョンとして現在最も人気のあるのは、Paparazzi (PPZ) Lisa/M v2.0です。これは多数の拡張インターフェースを備え、拡張可能な独立したIMUセンサーボードを使用しています。このアプローチは、デスクトップコンピュータのアップグレードと同様に、センサーの改良によるハードウェアの継続的なアップグレードを可能にしたため、オープンソースのフライトコントローラーの初期に人気がありました。

オートクアッド飛行制御とESC32 ESC

Autoquadは、オープンソースのフライトコントロールの黎明期に開発されたドイツのオープンソースフライトコントローラーです。Autoquadは強力な機能で知られていますが、当時利用可能なセンサーの制限により、多数のアナログMEMSセンサーを使用する必要がありました。

アナログセンサーとは、センサーチップ内にアナログ-デジタルコンバータ（ADC）とコンピューティングコアを内蔵していないセンサーを指します。アナログセンサーは、マイクロエレクトロメカニカルセンサーの変化を増幅とハードウェアフィルタリングを経て電圧として直接出力するため、メイン制御MCUによるAD取得が必要となります。

センサーの出力値はさまざまな温度環境の影響を受けるため、アナログ MEMS センサーでは多くのキャリブレーション問題が発生します。

多くのプレイヤーは、フライトコントローラーを初めて使用する際に、センサーのキャリブレーションに冷蔵庫を使用する必要がありました。また、ロット製品の安定性を確保するため、一部のメーカーは機体の回路基板を加熱して一定の温度を維持する必要がありました。

しかし、このキャリブレーション方法は、一部の熟練プレイヤーに更なる楽しみをもたらし、多くの人々に楽しんでもらいました。しかし、ほとんどの一般愛好家にとっては、実に困難な作業でした。工場出荷時にキャリブレーションされたデジタルセンサーの普及に伴い、Autoquadは歴史的蓄積としてその使命を終えました。

しかし、このオープンソース プロジェクトの別のブランチである ESC32 は、徐々にプレイヤーの間で受け入れられるようになりました。

このESCは、デジタルインターフェースを用いた制御を採用した初のESC製品です。プレイヤーは、従来のPWMインターフェースよりもはるかに高速なシリアルポート、I2Cインターフェース、CANインターフェースを介してモーターの速度を制御できます。

一般的なPWM ESCの波形更新レートは1秒あたり400回ですが、デジタルインターフェースの更新レートは1秒あたり数百万回に達します。この高速通信は、特に出力の変化に非常に敏感なマルチローター航空機にとって不可欠です。

このESCは速度閉ループ制御もサポートしており、従来のRC ESCでは不可能だったモーターの詳細なパラメータ調整が可能です。プロジェクトはhttp://autoquad.org/wiki/wiki/aq-esc32/でご覧いただけます。

もちろん、Autoquadも進歩を遂げています。同社は、汎用性の高いSTM32F4 MCUとデジタルセンサーを採用し、メイン制御MCUとセンサーを全面的にアップグレードした新しいフライトコントローラー製品「Autoquad M4」をリリースしました。

しかし、PIXHawk や APM など、長年にわたって成熟してきた高度な飛行制御製品に直面して、前身から新参者に転落しました。

そのため、オープンソースの飛行制御は、クアッドコプタードローンなどの製品が一般家庭に普及することを促進し、無人航空機技術の発展に貢献し、さらには人々が空を飛ぶ夢を実現するのにも役立っています。