3D Sim環境構築(2) UAVモデル＆制御則の置換

本記事の要約

• MathWorksさんの公式UAV 3Dシミュレーションサンプルに、別のUAVモデルと制御則を持ってきました。
• ……が、ライセンス制限により置換するとシミュレーションが実施できなくなりました。
• 今後はとりあえず、サンプルのモデルと制御則をそのまま使うことにします。

---

技術猫たちのおしゃべり

---

はじめに

という訳で、おはようございます、こんにちは、こんばんわ。
サバトラ先輩です。

本記事では、MATLABのUAV Toolboxを活用した『UAVモデル＆制御則の置換』を実践してみた結果を記述します。

しかし、先に結論を書きますと、今回はHomeライセンスにおけるブロック数の縛りの関係で、『UAVモデル＆制御則の置換』は最後まで実施できませんでした。

それでも宜しければ、ご覧いただけると幸いです。

なお、前回の『3D Sim環境構築(1) 導入』からの続きとなっていますので、
宜しければそちらの記事を先にご覧ください。

---

UAVモデル＆制御則を置換する目的

前回で3D Sim環境はひとまず構築できた訳ですが、ここで使われているUAVモデルとUAV制御則はサンプルの物です。
つまり、このままでは実機で使いたいUAVの機体運動を模擬した3Dシミュレーションが実施できないということです。
それは翻って、実環境を考慮した制御則開発ができず、実機試験が行えないことを意味します。今後を考えると、それは都合が良くないです。

そこで今回は、サンプルのUAVモデルとUAV制御則を実機で使う予定のある「Parrot minidrone mambo」の物に置き換え、今後は実環境を想定した制御則開発が実施できるようにと思います。
しかし、置換を行うにあたり、「UAVモデルと制御則を置換すると言うけど、一体どこからどこまでのブロックを置き換えればいいの？」という疑問があります。
その問いに答えるため、まずは本記事において『UAV制御則』とは何かを明確にしたいと思います。

---

UAV制御則の定義

『UAV制御則』とは、簡潔に言えば『UAVのコンピュータに書き込まれた制御システム』のことです。
つまり、UAVモデルや環境設定など、現実を模擬したブロック以外の全てが『UAV制御則』であると言えます。

本記事においては『UAV制御則』を以下の機能を持つシステムと定義します。
なお、これらは一先ずざっくりと定義したものですので、適宜修正が入るかもしれません

さて、これでUAV制御則については定義できました。しかし、上記の定義は機能の名称が無く、また機能が細分化されているので、今回のように制御則全体に関して論じる場合は煩雑でいけません。
よって、これらの機能を以下のように大まかに分類して、機能名を定義します。

なお、上記分類の名称を定義するにあたって、以下の資料を参考にさせて頂きました。
・鳥のように飛行する小型無人航空機・飛行ロボットの近未来自律制御技術
　引用元：野波健蔵. “鳥のように飛行する小型無人航空機・飛行ロボットの近未来自律制御技術.” 人工知能 34.2 (2019): 215-221.

---

置換の対象ブロック

それでは本題です。『3D Sim環境構築(1) 導入』で展開したSimulinkモデルの全体像は以下の通りになります。

今回変更したいのは機体運動に関わるUAVモデルと制御則です。なので、GCS、カメラ、Lider機能などの機体と独立した部分はそのまま残したいと思います。

そして、上記のSimulinkモデルを細部まで確認したところ、以下の「Multirotor」ブロックがUAV制御則に該当することが分かりました。

「Guidance Logic」ブロックはガイダンス機能、「Inner Loop and Plant Model」ブロックはUAVモデル、コントロール機能及びナビゲーション機能、左右にある「OBCMsgs、GCSCommands、OBCCommands、UAVState」はインターフェース機能に該当します。
このうち、機体の目標位置/方位を決めるガイダンス機能と、入出力を制御するインターフェース機能は、機体運動とは独立して定義できます。よって、ガイダンス機能及びインターフェース機能も置換の対象外とします。

以上のことから、今回の記事で置換する対象ブロックは「Inner Loop and Plant Model」ブロックであることが確認できました。
以降では、この「Inner Loop and Plant Model」をどのように置換するかについて言及します。

---

Inner Loop and Plant Modelの確認

「Inner Loop and Plant Model」の中は以下のようになっています。
以下の画像では高精度モデルの方をお見せしていますが、これは高精度の方が情報が多く区分が分かりやすかったからです。

ブロックを大別すると、「UAVモデル」「環境模擬」「コントロール機能」の３つです。「UAVモデル」は「コントロール機能」と「環境模擬」からの入力に応じて機体運動を計算し、計算結果を「UAV State」として「コントロール機能」にフィードバックしています。センサ模擬はなく機体情報が直接フィードバックされるので、ナビゲーション機能も用意されていません。
シミュレーションであればこれで問題ないですが、ナビゲーション機能が無いので現実では正常に動作しないことが想定されます。

以上が「Inner Loop and Plant Model」の説明になります。この確認で、「UAVモデル」「環境模擬」「コントロール機能」が明確に分かれており、また「ナビゲーション機能」が存在しないことが分かりました。後は、それぞれの機能に対応するブロックを他所から持ってきて、そのままそっくり置換すれば当初の目的が達成できそうです。

---

parrot minidrone mambo対応のUAVモデルと制御則へ変更

今回、置換するUAVモデル＆制御則は、parrot minidrone mamboの物になります。
具体的には、アドミン「Simulink Support Package for Parrot^® Minidrones」に付随されている「parrotMinidroneCompetition」モデルです。
参考となる公式ページを以下に記載します。
・Fly a Parrot Minidrone and Detect Objects（MathWorksさん公式）

ちなみに、今回このモデルを使用する理由は、以前筆者がMathworksさん主催の「Minidrone Competition」に参加して本モデルに慣れ親しんでいるからです。

さて、この「parrotMinidroneCompetition」において、「UAVモデル」「環境模擬」「UAV制御則」は以下の通りとなります。

また、「UAV制御則」の各機能は以下の通りに実装されております。

ParrotMinidroneモデルでは「センサ模擬」と「ナビゲーション機能」も実装されていますが、各機能の繋がり(入出力インターフェース)はほとんど同じです。
よって、各ブロックをコピペすれば簡単に置換ができそうです。

実際は以下の設定が追加で必要でしたが、このことさえ把握しておけば、置換作業は比較的簡単に済みました。

特に、データディクショナリの設定は今後も大事になるテクニックだと思います。これを使えば、既存モデルを参照してモデル階層を構築した際に、最上位モデルで使用しているデータを既存モデルでも使用できるので便利です。

モデル参照については本題じゃないので、この記事では参考になる公式ページだけ以下に記載しておきます。
・モデル参照の基礎（MathWorksさん公式）

---

Homeライセンスでの制限

上述の置換作業が終わり、いざシミュレーションを実施しようとした所、以下のエラーが発生しました。

エラー:ブロック線図 'MultirotorModel' 内のブロックとそれを参照するすべてのモデルの数は、1000 個の非バーチャル ブロックのライセンスの制限を超えています。

今までこの制限に掛かったことが無かったので全く気にしていませんでしたが、確かに下記ページにも「モデルは (参照モデルのブロックを含む) 1000 個の非バーチャル ブロックに制限されます」と記載されています。
・MATLAB Home（MathWorksさん公式）

つまり、Homeライセンスでは上述のUAVモデル＆制御則置換は実施できない（正確にはシミュレーションができない）ということですね。なんてこったい。

参考までに、各モデルに含まれているブロックの数を確認したので、以下にリスト化します。

ブロックの数え方は、下記のヘルプを参考にしました。
・非バーチャルブロックの数（MathWorksさん公式）

上記リストから、「parrotMinidroneCompetition」モデルは「UAV制御則」と「センサ模擬＆環境模擬」だけで1000ブロックを超えているのが分かります。ブロックが多いという事はそれだけ実環境に則していると言えますが、Homeライセンスにおいてブロックが多いのは致命的です。

ブロックの制限内に収まるようモデル内のブロック構成をリファクタリングしても良いのですが、それだと労力が嵩む上、当初の目的だった「実環境を想定した制御則開発が実施できるようにする」という状況からどんどん遠ざかることになります。これでは本末転倒です。

また、ぎりぎりブロックの制限内に収まった所で、今後の制御則開発で新機能を追加する度、このブロック数制限の問題が付いてまわります。
制限の無いライセンスへと切り替えることも検討しましたが、やはりコストが一気に上がるため、勉強段階で手を出すのは得策ではないというのが結論です。

以上のことから、残念ですが、今回の『UAVモデル＆制御則の置換』はここまでにしたいと思います。

---

UAVモデル＆制御則に関する今後の方針

ひとまずの間は、元々「UAVPackageDeliveryモデル」で使用されているUAVモデル＆制御則のままで、UAV制御則の開発を続けたいと思います。
なお、使用するのは簡易版のモデルです。高精度のモデルは現状でもブロック数が900弱あり、今後の開発で制限を超える恐れが出てくるからです。

もちろん、現状のモデルを使用する場合、機体運動に関する検討は十分にできません。
なので、コントロール機能とナビゲーション機能については深入りせず、概要設計に留めたいと思います。

ただ、実機実装のためにMatlab Coderを使用するため、いつかはライセンスをブロック数制限の無い物に切り替えます。
その時には、今回の『UAVモデル＆制御則の置換』を再トライしたいですね。

---

次回記事の予定

Tweet