hakoniwa-drone-environment

箱庭ドローン・デモシリーズ 外部環境シミュレーション編 合同会社箱庭ラボ CTO 森崇

アジェンダ • 環境シミュレーションの基本構成 • 環境情報のデータ構造 • 環境とドローンの相互シミュレーションの構成要素 • 環境データのデータ伝搬の仕組み（箱庭PDU） • Disturbance PDUとは • 環境シミュレーション処理フロー • ドローンシミュレーション処理フロー • 環境とドローンの相互シミュレーションのシステム構成 • 環境データの拡張方法 • 電波強度とその影響 • シミュレーション改造内容 2

環境シミュレーションの基本構成 • 箱庭で定義できる環境データと設定イメージ (2025/9/16時点) 1. 風、温度、気圧 2. バウンダリ（境界） 3D空間を下図のようにブロックで区切り、それぞれ 空間IDを定義します。 風、温度、気圧は、各空間のプロパティとして定義します。 シミュレーション空間内の物理的な境界 （地面、天井など）を定義できます。 天井 空間 ID=1 空間 ID=9 空間プロパティ (風、温度、気圧） 壁 床 3

環境情報のデータ構造 • 環境情報は、json形式で定義します。座標系はROS座標系です。 空間情報 (area.json) space_areas 1..* ・area_id: string 空間の識別ID 空間プロパティ情報 (area_property.json) area_properties 境界情報（矩形） (boundary.json) 0..* ・area_id: string 空間の識別ID(参照) 0..* ・name: string 境界の名前 ・position: (x, y, z) ・bounds: AABB AABB(最小点、最大点) による空間の範囲 properties 1 ・wind_velocity: (x, y, z) 風の速度(m/s)をfloatで定義 ・temperature：float 温度を°Cで定義 ・sea_level_atm：float 境界の中心位置を(m)を floatで定義 ・size: (x, y) 2Dとしての境界の 広さ(m)をfloatで定義 ・rotation: (roll, pitch, yaw) 境界の片無をdegで定義 海面気圧をatmで定義 4

• https://github.com/toppers/hakoniwa-drone-core/blob/main/drone_api/assets/config/area.json
• https://github.com/toppers/hakoniwa-drone-core/blob/main/drone_api/assets/config/area_property.json
• https://github.com/toppers/hakoniwa-drone-core/blob/main/drone_api/assets/config/boundary.json

補足：AABBとは？ AABB(axis-aligned bounding box) AABBはゲームエンジンやシミュレーションで最も使われる衝突判定の基本方式 ・軸に平行な最小点と最大点でボックスを定義する ・3次元でも「(min_x, min_y, min_z)」と「(max_x, max_y, max_z)」の2点で表現可能 ・点（ドローン位置など）がAABBに含まれるかどうかは、座標が min ≤ x ≤ max の範囲にあるか判定すれば良い ・ボックス間の重なり判定も、AABBの最小点・最大点を比較するだけでできる 最大 y 入ってる ボックスAとボックスBの重なり判定： •A.max_x >= B.min_x かつ A.min_x <= B.max_x •A.max_y >= B.min_y かつ A.min_y <= B.max_y •A.max_z >= B.min_z かつ A.min_z <= B.max_z この3つがすべて成立 → 重なりあり 入っていない 最小 x 5

環境データのデータ伝搬の仕組み（箱庭PDU） • 環境データだけあっても、シミュレーションとして成立しません。 • なぜか、データは入力であって、出力（ドローンの位置・姿勢）変換が必要 • だから、その入力データを箱庭ドローンに伝搬する仕組みが必要になる • それが、箱庭PDUなのだ！ Drone’s Disturbance （環境データ） ドローンシミュレーション 環境シミュレーション Drone’s Pose/Orientation （ドローンの位置・姿勢） 箱庭PDU 6

Disturbance PDUとは • 箱庭PDUデータであり、環境データを伝播する役割をになっています。 • Disturbance は複数のサブメッセージで構成されます。 • Disturbanceのメッセージ構造： • hako_msgs/DisturbanceTemperature d_temp • value: (float64) 気温 (℃) • hako_msgs/DisturbanceWind d_wind • value: (Vector3) 風速ベクトル [x, y, z] (m/s) • hako_msgs/DisturbanceAtm d_atm • sea_level_atm: (float64) 海面気圧 (atm) • hako_msgs/DisturbanceBoundary d_boundary • boundary_point: (Point) ドローンに最も近い境界上の点 • boundary_normal: (Vector3) その点の法線ベクトル 7

• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/Disturbance.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceTemperature.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceWind.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceAtm.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceBoundary.msg

環境シミュレーション処理フロー ドローンの位置を リアルタイム監視 空間情報と付き合わ せする 空間プロパティ を取得する 当該ドローンへ 環境情報を通知 Drone’s Pose/Orientation 空間 ID=1 空間 ID=9 Drone Simulation 空間プロパティ (風、温度、気圧） Drone’s Disturbance Environment Simulation 環境シミュレーションを箱庭アセットとして定義 （Python実装） 8

ドローンシミュレーション処理フロー Drone’s Pose/Orientation センサー Environment Simulation ドローン制御 処理 温度 ドローン物理 処理 気圧 アクチュエータ Drone’s Disturbance 風 Drone Simulation 9

環境とドローンの相互シミュレーションのシステム構成 • 環境シミュレータを箱庭アセットとして配置し、ドローンの位置情報を監視する。 • ドローンが環境情報の空間に入った場合、Disturbanceとして箱庭ドローンに干渉情報を通知する(箱庭PDUの仕組みを利用) • 箱庭ドローンは、干渉データセンサや物理系に入力し、ドローンの挙動に影響を与える • 結果として、ゲームエンジン側で、その動きをビジュアライズされる Hakoniwa Drone Simulation (Sensor/Physics) Drone’s Disturbance Game Engine (Unity/Unreal) Drone’s Pose/Orientation Hakoniwa PDU Hakoniwa Environment Simulation (Hakoniwa Asset/Python) 環境情報 (json) 10

環境データの拡張方法 • 電波強度を例にして、環境データの拡張方法を紹介します。 • 電波強度の種類 • Wi-Fi / LTE / 5G / 専用無線リンクの通信品質に直結 • 単位は dBm（デシベルミリワット） • 通信機器が受信できる電波の強さを示す指標 • 値が大きいほど強い（例: -40dBmは強い、-90dBmは弱い） • GPS • 衛星数・信号強度 (SNR)・位置精度 (DOP値) GPS • 電波強度によって影響を受けるセンサ • 通信モジュール（Wi-Fi, LTE, 5G, 無線LAN） • FPVカメラの映像伝送装置（電波が弱いと映像が途切れる） • テレメトリリンク（飛行制御用の送信/受信データが欠落） • GPS受信機（干渉や遮蔽で位置精度が低下） • ドローンが受ける影響 テレメトリ FPVカメラ • 通信途絶や遅延による 操縦不能リスク • リアルタイム映像が途切れ、操縦者の視認性低下 • 安全性低下に伴う フェールセーフ動作（リターンホーム、ホバリング） • GPS信号ロストによる 航法精度の低下 11

シミュレーション改造内容 • 改造の全体像 電波強度によるセンサ/物理挙動の再現 電波強度のビジュアライズ 電波強度として ・dBm ・DOP値 を追加 電波強度を通知 電波強度として ・dBm ・DOP値 を追加 12

Disturbance PDUの改造例 • Disturbanceに、DisturbanceSignalStrengthを追加 • hako_msgs/DisturbanceTemperature d_temp • hako_msgs/DisturbanceWind d_wind • hako_msgs/DisturbanceAtm d_atm • hako_msgs/DisturbanceBoundary d_boundary • hako_msgs/DisturbanceSignalStrength d_signal • dbm_value: 通信系（Wi-Fi / LTE / 5G / テレメトリ / FPV）用の信号強度。単位は dBm(float)。 • snr_value: GPS 系の信号品質（SNR の平均）。float で表現。 • dop_value: GPS 系の信号品質（DOP値）。 float で表現。 箱庭PDUデータの拡張方法詳細は、こちらを参照ください。 →hakoniwa-pdu 13

• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/Disturbance.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceTemperature.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceWind.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceAtm.msg
• https://github.com/toppers/hakoniwa-ros2pdu/blob/main/workspace/src/hako_msgs/msg/DisturbanceBoundary.msg
• https://www.docswell.com/s/kanetugu2015/ZQ8VN7-hakoniwa-pdu

環境シミュレーション処理フロー ドローンの位置を リアルタイム監視 Drone’s Pose/Orientation 空間 ID=1 空間情報と付き合わ せする 空間 ID=9 空間プロパティ を取得する Drone Simulation 空間プロパティ (風、温度、気圧） 電波強度を通知 当該ドローンへ 環境情報を通知 Environment Simulation 環境シミュレーションを箱庭アセットとして定義 （Python実装） Drone’s Disturbance 電波強度を通知 14

ドローンシミュレーション処理の改造例 電波強度に応じて、 GPSノイズを付与 Drone’s Pose/Orientation センサー Environment Simulation ドローン制御 処理 電波 強度 温度 ドローン物理 処理 気圧 アクチュエータ Drone’s Disturbance 風 Drone Simulation 15