Aerostack2：空中ロボティクスの新しいフレームワーク

近年、ロボティクスの分野では、地上および関節型ロボット向けのソフトウェアフレームワークが増えてきた。例としては、広く採用されているNavigation2やMoveItがある。でも、空中ロボティクスには同じレベルの協力や標準化が欠けてるんだ。各研究グループが独自のフレームワークを作りがちで、バラバラな努力が結合しづらい。

この問題に対処するために、新しいフレームワークAerostack2が開発された。このフレームワークは、自律型の空中ロボットシステムの構築に重点を置き、分野への標準化を進めようとしている。ROS 2のミドルウェアを基にしていて、さまざまなロボティクスの機能に適した効率的でモジュラーなソフトウェアセットアップを提供している。目的は、ミッションの設定、コンポーネントの再利用、完全な制御システムの開発のための論理的な方法を提供することだ。厳密なテストがシミュレーションや実際の飛行で行われ、その効果が確かめられている。

#Aerostack2の概要

Aerostack2は、Aerostackという以前のフレームワークのアップグレードで、6年以上の研究や産業プロジェクトで成功を収めてきた。この更新版は、より効果的なロボットシステムを作成するために多くの改善が盛り込まれている。ロボティクスで広く使われている人気のソフトウェアフレームワークであるROS 2上で動作し、分散ロボットシステムを作成するための貴重なツールを提供している。

#主な特長

1. プラットフォーム独立性: 特定のドローン専用の他のフレームワークとは異なり、Aerostack2はPixhawkコントローラーや商業用ドローンを含むさまざまな空中プラットフォームで動作できる。

2. 多様性: Aerostack2は、自律操作のための広範なロボティクス機能をサポートし、飛行制御、空間的位置特定、ドローン間の通信などの側面をカバーしている。

3. 簡単なミッション仕様: このフレームワークでは、開発者が空中ロボットのタスクをより簡単に定義できるようになっている。複雑な詳細を抽象化し、ミッションを簡単に概説できる。

4. 簡素化されたエンジニアリングプロセス: Aerostack2は、自律操作を可能にするための既製のコンポーネントを提供し、コンピュータビジョンや運動制御などの機能に特化したアルゴリズムを組み込んでいる。これらのコンポーネントは、さまざまな空中ロボットアプリケーションで再利用可能。

5. オープンソース: Aerostack2は無料でアクセス可能で、開発者がソフトウェアを使用・修正できるよう促進し、ドローン開発者の間での広範な採用を促している。

#関連作業

さまざまなシステムがドローンの操作を可能にしていて、主に低レベルの制御システム（フライトコントローラー）と高レベルの制御システム（エアリアルスタック）に分かれている。低レベルのシステムにはオープンソースや商業コントローラーが含まれ、高レベルのシステムはより複雑なタスクのために複数のアルゴリズムを統合している。

最近、多くの高レベルの制御システムが登場しており、それぞれに独自の特徴がある。しかし、ほとんどのものはAerostack2が提供するモジュラー構造と柔軟性が欠けている。

#ソフトウェアスタックの組織

Aerostack2フレームワークは、そのコンポーネントをいくつかの層に整理し、構造化されたソフトウェアスタックを構築している。各層には特定の機能がある：

1. ミドルウェア: 最下層にはオペレーティングシステムとROS、必要なソフトウェアライブラリがある。

2. プロセス間通信: この層には、異なるプロセスが通信できるコンポーネントがある。空中ロボティクスに共通するデータ構造が含まれていて、相互運用性を促進している。

3. プラットフォームとセンサーとのインターフェース: この層のコンポーネントは、さまざまな空中プラットフォームとセンサーをフレームワークに接続する。これにより、物理システムとシミュレーションシステムの両方を容易に組み込むことができる。

4. 基本的なロボティクス機能: ここにあるソフトウェアコンポーネントのコレクションは、自律操作のための基本的な機能を提供しており、運動制御や状態推定などが含まれる。

5. 行動: この層には、離陸やホバリングなどの特定のロボット動作のためのコンポーネントが含まれる。

6. ミッション制御: この層は、自律ドローンのミッションを定義し監視するのを助ける。

7. アプリケーション: 最上層には、下層のコンポーネントを使用して構築された特定のアプリケーションが含まれる。

このモジュラー構成により、開発者は自分のニーズに応じてフレームワークの任意の部分を使用できる。

#プロセス間通信

Aerostack2は、制御アーキテクチャを整理するために標準データチャネルを使用している。この共有チャネルにより、さまざまなプロセスがシームレスに連携できる。データ構造の確立された基準に従うことで、フレームワークはコンポーネント間の効果的な通信を可能にしている。

#情報の主なグループ

1. センサー測定: カメラからの画像やGPSデータなど、センサーからの直接データ。

2. アクチュエータコマンド: ドローンが理解できる指示、例えばスラスト値。

3. 自己位置特定: 環境におけるロボットの位置と速度に関する情報。

4. 運動参照: 運動コントローラーの目標値、希望する位置や速度が含まれる。

5. その他のメッセージ: 複数ロボットのセットアップのための通信メッセージや緊急事態のアラートが含まれることがある。

#プラットフォームとセンサーインターフェース

Aerostack2は、プラットフォーム抽象化のための専門クラスを使用して、フレームワークとさまざまなプラットフォームの接続を管理している。この設計により、新しいプラットフォームをフレームワークに簡単に統合でき、通信の一貫性を確保できる。

プラットフォームインターフェースは、航空機のセンサーからデータを収集し、それをフレームワークに戻す。この設計により、フレームワークは物理ドローンとシミュレーションドローンの両方と効果的に通信できる。

#基本的なロボティクス機能

Aerostack2は、自律操作に必要な基本的なロボティクス機能を実行するためのコンポーネントを備えている。機能には次のものが含まれる：

1. 運動制御: このコンポーネントは、運動コマンドをドローンに対するアクショナブルな信号に変換する。

2. 状態推定器: センサーのデータを組み合わせて、ドローンの状態（位置や速度など）を予測する。

これらの機能は柔軟に設計されており、さまざまな状況に適応できるよう、開発者がさまざまなアルゴリズムから選べるようになっている。

#ロボットの行動

Aerostack2では、ロボットの行動は特定のタスクを実行できる専門モジュールである。各行動は、パスに沿って移動したり、写真を撮ったりするなどのユニークなスキルに対応している。このフレームワークは、さまざまな行動を活性化することで、ミッション計画をより簡単に形成できる。

#行動の種類

1. 目標ベースの行動: 特定の最終状態を達成するために定義されている（例：離陸）。

2. 再発行動: 特定の状態を維持するために設計されている（例：ホバリング）。

行動は複雑なタスクを管理可能な操作に洗練させるのを助ける。また、実行を監視して堅牢なパフォーマンスを確保する。

#ミッション制御と監視

ミッション計画を設定し、監視することはドローン操作の成功に重要だ。Aerostack2は、実行すべきタスクを指定するミッション計画を設計するためのツールを提供している。

#ミッション仕様ツール

1. Python API: プログラマーはこのインターフェースを使用してミッション計画を書くことができ、複雑な制御やタスクを可能にする。

2. 行動ツリー: ミッション計画を定義するためのグラフィカルな方法で、構造と簡単な監視を提供する。

どちらのツールも、さまざまな行動間でのタスクの実行を調整するのに役立つ。

#実世界でのアプリケーション

Aerostack2は、さまざまな実世界のシナリオで使われ、その多様性を示している。いくつかの注目すべきアプリケーションには次のものがある：

1. 風力タービン検査: ドローンを使って風力タービンを監視し、実際の飛行とシミュレーションデータを組み合わせている。

2. 太陽光発電所検査: 一群のドローンが、シミュレーション環境で計画された経路に従って検査を行った。

3. ゲート越えチャレンジ: ドローンが競技設定で障害物を通過することに成功した。

4. パッケージ配達: ドローンはAerostack2を使って、自律的にパッケージを配達するように設計された。

5. 海上作業: 複数のドローンがGPS信号がない大きなエリアで特定の物体を捜索するために協調し、このフレームワークの能力を示した。

#結論と今後の計画

Aerostack2は、空中ロボットシステムの共通フレームワークを作る上で重要な一歩を示している。モジュラー性やプラットフォーム独立性などの注目すべき特徴は、さまざまなシナリオでの広範なテストによって検証されている。

今後、このフレームワークは進化を続け、新しい行動を追加し、機能を強化して空中ロボティクスコミュニティにより良く応じるようになっていく。ほかの開発者との協力が、フレームワークの能力をさらに豊かにし、より効率的で多様な空中ロボットシステムへの道を切り開いていく。