メニュー

ドローンの基礎知識(構造編)

ドローンの基礎知識(構造編)

著者:フリーエンジニア&ライター 高橋 隆雄

ドローンは、昨今では目にする機会も増え、すっかり馴染み深いものとなりました。本連載では、全6回にわたりドローンの構造について解説します。第1回は、ヘリコプターとの違いを中心に紹介します。ヘリコプターとドローンは全く違うものという認識を持たれがちです。しかし、実はそうではありません。本稿でいうドローンとは、複数のロータ(回転翼)を持つ、いわゆるマルチコプターのことを指します。航空機における広義のドローンは、どのような形式であれ、無人航空機全般を指します。本稿ではマルチコプターに限定して、ドローンという用語を用いることにします。

第1回:ドローンとヘリコプターの違い

1. ヘリコプターの構造

ヘリコプターは、ロータの羽の傾きを制御することで、飛行を制御しています。一般的なヘリコプターというと、図1のようなものを思い浮かべるでしょう。代表的な構造部分としては、目立つ大きな羽と、後ろの小さな羽があり、いずれも回転します。大きい方をメインロータ、小さい方をテールロータと呼びます。メインロータは、上昇と移動(推進)の役割を持ち、テールロータは、メインロータによって機体が振り回されることを防ぐ役割と、機体の推進方向を制御する役割を兼ね備えています。

図1:一般的なヘリコプターの例

図1:一般的なヘリコプターの例(筆者が所有するラジコンヘリコプターのうちの1機)

ヘリコプターの操縦が難しいとされる理由は、機械的な制御構造にあります。図2は、その機械的な複雑さを表すロータ部分です。この部分は、メインロータの羽の角度を制御しています。なぜこれほど複雑なのかというと、ヘリコプターの羽は回転する位置によって、……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. ドローンの構造

ヘリコプターの場合、メインロータが、回転する位置によって羽の傾きを変化させることで、移動を制御しています。それに対してドローンは、ヘリコプターとは異なり、羽の回転数を制御します。図3は一般的なドローンです。この羽を4枚持つタイプは、クワッド・ロータ型マルチコプターと呼ばれます。

図3:ドローンの例(DJI/Ryze Tech. Tello)

図3:ドローンの例(DJI/Ryze Tech. Tello)

ヘリコプターと同じように、ロータ部分の構造を見てみましょう。図4に示すように、実に簡単な構造になっています。ドローンの場合は、複数のロータを使用し、移動したい方向、あるいはその反対側のロータの力を制御することで飛行するため、このように構造が簡単になります。力の制御は、モータの回転数を制御することのみで行っています。

図4:ドローンのロータ部分(モータとロータが直結されている)

図4:ドローンのロータ部分(モータとロータが直結されている)

ただし、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

3. ヘリコプターとドローンの比較

ヘリコプターとドローンは、ロータを使って飛行します。ドローンは、機械的複雑さをなくすために複数のロータを用います。ロータは、揚力と推進力を提供します。羽を回転させて飛行することから、ヘリコプターやドローンのような航空機は、回転翼機と呼ばれています。対して、普通の飛行機は、固定翼機と呼ばれます。

回転翼機の特長は、羽を回転させることによって、その場に留(とど)まることができる点です。回転させることで翼に常時空気が当たっている状態を作り出し、持ち上げる力、すなわち揚力を得ています。この点において、……

>>第3章の続きを読む(PDFダウンロード)

 

第2回:ドローンの構成要素

前回は、ドローンとヘリコプターの違いを紹介しました。今回は、ドローンの構成要素について解説します。前回、説明したように、ドローンの構造はヘリコプターに比べて、機械的には簡単なものになっています。その一方で、ドローンでは電子的な制御が多用されるために、電気や電子的な構造については複雑になっているともいえます。そこで、基本的な4枚ロータ式ドローン(クワッド・コプター)を例にとって、その構成要素を解説していきます。

1.ドローンを構成するもの

ドローンにはいくつか形状があります。図1に4枚ロータの構成要素を示します。1つのロータ(回転翼)は1つのモータで駆動され、モータはESC(スピードコントローラ)で駆動されます。仮に、これが6枚ロータのもの(ヘキサ・コプター)になった場合には、ESC + モータ + ロータの組み合わせが6セット必要になります。

図1:ドローンの構成要素の概略

図1:ドローンの構成要素の概略

この図の中に書かれていない、重要な構成要素が一つあります。それは機体そのもので、ドローンでは、フレームと呼ばれることが多いものです。フレームは、図に示した構成要素を全て搭載し、……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. 各要素の概要

次にドローンの構成要素である、ロータ、モータ、ESC、各種センサ、FC、受信機の6つの概要について説明します。

・ロータ

ロータは、揚力と推進力を得るための羽です。多くの場合、モータに直結されます。機体によっては、ギアを介して接続されることもあります。ロータの大きさは、ドローンの重量と、要求される性能によって決定されます。以前は、ラジコン飛行機用のプロペラを流用することが多かったのですが、最近ではドローン専用のロータも増えてきています。

・モータ

モータは、ロータを回転させる部分で、いわばエンジンに当たります。トイラジコンなど小型のドローンでは、直流(ブラシ)モータが使用されることもある一方、中~大型のドローンではブラシレスモータと呼ばれるタイプのモータが使われます。これは、交流モータである三相電動機の一種で、制御された信号によって駆動されます。モータは、使用するロータに適応したものを選択する必要があります。

・ESC

ESC(Electric Speed Controller)は、モータを駆動する電子回路です。電動ラジコンでモータを使った動力を制御する場合に用いられ、ブラシレスモータの回転速度を制御します。ドローンでは、ロータの回転数によって揚力や推力を変化させるため、ESCに入力する信号によってモータの回転数を制御します。 ESCは、ドローンの動力であるモータを駆動するために大電流を制御します。モータの要求に応じたESCを選択する必要があります。一般的なESCでは、その入力信号にラジコンで使われるものと同じタイプを使用しています。

・各種センサ

機体の姿勢や状態、位置などを検知するために、さまざまなセンサが用いられます。代表的なものとしては、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

 

第3回:ドローンのフレーム

前回は、ドローン構造の構成要素を紹介しました。今回は、ドローンのフレームについて解説します。フレームは、ドローンを構成する機体そのもののことで、各種コンポーネントを搭載する部分です。フレームというと日本語では枠を意味します。一般的なドローンは、枠にモータやプロペラが付いたような形状をしています。ドローンがなぜそのような形状になっているのか、そして、さまざまなフレームの形と特徴について説明します。

1. フレームに必要とされる条件

フレームの基本条件は軽く、かつ丈夫であることです。飛行機を含む、飛ぶもの全てにおいていえることは、軽さは正義ということです。空中に何かを持ち上げて何か動作をさせるには、軽いに越したことはありません。飛ぶものに求められる要件は、何よりも軽いことです。ドローンに搭載される重量物としては、モータやバッテリなどがあります。これらは、物理的な大きさや重さによって性能が決まってしまうため、ある程度以上は軽くできません。このため、フレームを可能な限り軽く作る必要があります。

しかし、ドローンのフレームをできるだけ軽く作ろうとすると、飛行中に折れて墜落することがあります。飛行中のフレームには意外と力がかかることが分かります。実際の飛行機やヘリコプターでも同様で、軽い機体で無理な操縦をすると、やはり壊れてしまいます。軽くなったことで強度が失われ、機体がその動作に耐えられなくなるのは問題です。軽さに加えて、丈夫である条件をクリアしなければなりません。このバランス感覚が難しく、機体を丈夫に作ろうとすると重くなりすぎるので、壊れないギリギリの強度まで軽くし、無理な操縦はしないということが必要になります。

・使用される素材

……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. 形状による違い

ドローンのフレームは、ドローンの形そのものです。その形状によって、いくつか種類があります。フレームの形状の違いによってドローンの構成は、クワッド・プラス型、クワッド・エックス型、クワッド・エイチ型、トライコプター、バイコプターの5つに分類されます。丸部分がロータ、丸の中の矢印はロータの回転方向を指します。図の上側がドローンの進行方向です。

・クワッド・プラス型

クワッド・プラス型は、ドローンの機体を上から見ると、4つのロータが+型に配置されている形状のマルチコプターです(図1)。マルチコプターの登場初期によく採用されていました。この形状は、制御の方向とロータの位置が一致しているため、制御が比較的簡単です。一方、カメラを搭載して撮影する場合にフレームやロータの一部が写り込んでしまうため、今ではあまり好まれないスタイルです。

図1:クワッド・プラス型

図1:クワッド・プラス型

・クワッド・エックス型

クワッド・エックス型は、ドローンの機体を上から見ると、4つのロータがX型に配置されている形状のマルチコプターです(図2)。最も一般的なスタイルとして採用されています。進行方向の左右にロータがあるのが特徴です。しかし、最近のドローンは、ロータがこのように付いていないのでは? と感じるかもしれません。

図2:クワッド・エックス型

・クワッド・エイチ型

クワッド・エイチ型は、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

 

第4回:ロータとは

前回は、ドローンのフレームについて、さまざまな形状と特徴を紹介しました。今回は、ドローンの主要部品の一つであるロータを解説します。ロータは、一見すると単なるプロペラのようでありながら、実はドローンの翼そのものであり、飛行において大切な役割を担っています。回転翼機のロータは、揚力に加え推進力も得るための重要な部分です。

1. ロータとは

ロータは、回転翼機における回転部分であり、推進力を生み出す役割を担っています。また、ロータは、ドローンにおいてはプロペラと呼ばれることが多く、正確に表現すれば、回転翼機の回る翼です。回転翼機が、英語でRotor Craftと呼ばれるほど、その中心的存在なのです。

一般に、推進力を得るためのものをプロペラ(Propeller:推進機)と呼びます。このため、船のスクリューもプロペラと呼ばれます。飛行機の場合には、固定翼(Fixed wing)を使って揚力を生み出し、これを前進させる(飛ばす)推進力を得るためにプロペラを用いています。

では、なぜドローンでは回転翼のことをプロペラと呼ぶことが多いのでしょうか。それは、マルチコプターが作られるようになった初期に、飛行機用のプロペラが流用されていたからではないかと考えられます。マルチコプター、あるいはドローンが登場した初期においては、回転翼専用の部材が存在していなかったため、ロータには飛行機用のプロペラが、ロータの回転には飛行機用のモータが使われていました。このために、プロペラという呼び方が定着したのでしょう。今でも、自作ドローンなどには飛行機用のプロペラを流用することがよくあります。

ロータ(プロペラ)に対するイメージは、風を送るファンのようなものと思われがちです。しかし、……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. 形状・種類の違い

ロータには、形状と回転方向、直径・ピッチによって、さまざまな要素が決まります。ホビー用途の場合には、飛行機ラジコン用のプロペラを流用することが多くなっています。

・ロータの形状と回転方向

ドローンでよく使用されるのは2枚羽か3枚羽のいずれかで、最もよく用いられるのが2枚羽です。それ以上の枚数のものはあまり見かけません。

ドローンでの最重要ポイントは、回転方向に応じた2種類のロータを必要とすることです。ドローンのロータは、取り付け位置によって右回転か左回転かが決まっています(第3回)。このため、回転方向に応じたロータを用意する必要があります。図2は2枚羽ロータの例で、上が左回転、下が右回転用です。右や左は、ロータを上から見た場合の回転方向を示しています。図のロータに貼られているシールは、ロータバランサと呼ばれ、羽の微妙な重さの違いを調整するためのものです。2枚のロータが同じものであっても、重さに微妙な差が出ることがあるため、それを調整するためにロータバランサを使用します。

図2:回転方向が異なる2枚羽ロータ、1セット分

図2:回転方向が異なる2枚羽ロータ、1セット分

図2に示したロータは「5030」と呼ばれるタイプで、直径が5インチ(12.7cm)、ピッチが3インチ(7.62cm)のものです。ラジコン用のプロペラの場合には、このように呼び方に数値が使われます。

・ロータの直径とピッチ

ロータの形状を決めるには羽の枚数だけでなく、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

3. ロータの選択方法

ロータの選択方法は、自作機などの場合には、機体の大きさやモータの特性から決定します。しかし、自作機でのロータの選択は難しい問題の一つです。まずフレームの大きさが決まると、必要なパワー量に適したモータが決まります。モータが決まると、それに適したロータの直径とピッチが決まります。自作機をつくる場合には、フレームを購入する際に説明書に書かれているモータの仕様を参考にし、適したロータを選択することが基本です。

メーカー製のドローンの場合には、ロータはその機体にあったものが採用されているため、交換の際は同じメーカーの部品を使います。純正のオプションとしてロータが用意されていれば、問題ありません。

ロータは、非常に壊れやすく、……

>>第3章の続きを読む(PDFダウンロード)

 

第5回:駆動系

前回は、ドローンの主要部品であるロータを解説しました。今回は、ドローンを浮上させ、飛行させるための重要な部分である、駆動系について説明します。駆動系は、エンジンの出力を伝えるシステムのことで、基本的にモータと、それを制御するESCと呼ばれる部分から構成されます。ドローンでは、この2つが駆動系の主要な構成要素となります。

1. モータ

モータとは、電気エネルギーを力学的エネルギーに変換する装置の総称です。モータは、ブラシモータと、ブラシレスモータに分類されます(図1)。一般的なドローンでは、ブラシレスモータを用います。ブラシレスモータには、駆動用の回路が必要です。

図1:ブラシモータとブラシレスモータ

図1:ブラシモータとブラシレスモータ

・ブラシモータ

ブラシモータは、線が2本出ているモータで、模型や小型のトイ・ドローンなどに使われています。モータ内部にブラシと呼ばれる電極と、コミュテータと呼ばれる整流子を設け、その2つを接触させ機械的に電流の切り替えを行って、モータを回転させます。速度変化は、PWM(Pulse Width Modulation)と呼ばれる方法で行います。

・ブラシレスモータ

ブラシレスモータは線が3本出ているモータで、専用の駆動回路を用いて回転させます。ブラシモータで必要なブラシと整流子などの機械的な接触部分を取り除いて整流回路を備えているため、エネルギー効率上優れています。信号によって回転方向を変えることも可能です。しかし、ドローンでは……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. ESC

ESC(Electronic Speed Controller)はモータを回転させるためのコントローラで、ラジコンなどでブラシレスモータの速度制御に使用されます。モータ1個に対して1つのESCが使われ、図4のように、制御する回路とモータを駆動する回路が組み込まれています。左側の3本の線が出ている方がモータに接続する部分で、この線の繋(つな)ぎの順序で回転方向が決まります。右側の細い3本の線が出ている方がコントローラ、および電源(バッテリー)に接続する部分で制御用です。また、図で見えている面は制御用の回路で、裏側には電力を制御するパワー半導体が搭載されています。

ESCの内部例(外部の保護チューブは撮影用に外してある)

図4:ESCの内部例(外部の保護チューブは撮影用に外してある)

一般的に制御信号はラジコン式で、ラジコンのサーボモータと同じ信号を用います。ドローンや飛行機ではモータの回転方向が通常1方向なので、入力された制御信号に応じて回転数が変わるESCが用いられます。一方、自動車ラジコンの場合にはモータを逆回転させる(バックする)必要があるため、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

 

第6回:制御系

前回は、ドローンの駆動系について説明しました。今回は、最終回です。ドローンがドローンたる所以ともいえる制御系を解説します。制御系が発達したことにより、ドローンは登場した当初に比べ格段に飛ばしやすくなった上、自律制御で自動航行することも可能になりました。搭載されるコンピュータの性能が向上したことで、より複雑な処理が機体上で行えるようにもなりました。ドローンの安定した飛行を支える制御系、そのカギとなるフライトコントローラ、そして各種のセンサを、紹介します。

1. フライトコントローラ

フライトコントローラ(FC)は、機上でさまざまな処理を行うコンピュータのことをいいます。ドローンの内部構造の中では、最も重要なパーツです(図1)。特に、機体の安定化や自律航行などを自動的に制御します。登場当初のフライトコントローラは、機体の安定化を主眼としたものでした。というのも、ただ飛ばすだけであれば、マルチコプターはモータの回転数制御を行うだけなので、物理的に複雑な機構を持つヘリコプターに比べて制御は簡単に行うことができます。しかし、いざ安定した飛行をさせようとすると、その制御は人力では困難でした。このため、何らかの安定機構が必要になりました。決して操縦が簡単というわけではないヘリコプターでも、練習すれば人力で何とか制御できていました。ところが、マルチコプターの制御はそれ以上に困難だったのです。

図1:ドローンの内部構造

図1:ドローンの内部構造

安定化を実現するため、当初搭載されていたのはジャイロでした。ジャイロというのは、角速度(1秒間に回転した角度)を検出するもので、機体における3軸の回転を検出することによって機体の安定化を図ります。これは、安定化の最も基本的な考え方となります。

現在のドローンでは、……

>>第1章の続きを読む(PDFダウンロード)

2. 使用されるセンサ

フライトコントローラには、各種のセンサが使われます。最近では、カメラを使った画像認識が多くなっています。搭載されているセンサの種類や数が多いほど、より高度な制御が可能になるといえます。以下、代表的なセンサを紹介します。

・ジャイロ、加速度センサ

ジャイロは角速度を、加速度センサは加速度を検出します。この2つは、機体の安定化を主眼に使われます。3軸ジャイロ+3軸加速度を合わせて6軸センサと呼ばれることもあります。

・距離センサ

距離センサは、離着陸時に地面からの距離を検出したり、ホバリング(空中で停止している状態)時の高さを検出したりするのに用いられます。距離センサにはいくつかの方式があり、光学式(PSD:Position Sensitive Detector)や超音波式(図2)などが代表的なものです。いずれも測定可能な距離がそれほど長くないため、地上付近での距離測定に使われます。

図2:超音波式距離センサの例(DJI Mavic Proのもの)

図2:超音波式距離センサの例(DJI Mavic Proのもの)

・高度センサ

高度センサは、機体が飛行している高さを測定するのに用いられます。一般的には、高さが上がるほど気圧が下がることを利用した気圧センサが用いられています。比較的高い高度まで利用できるので、高い位置での上下位置の安定化にも使用されます。高度の推定にはGPSも利用できるものの、あまり正確ではありません。このため、気圧センサとGPSを併用する場合もあります。

・磁石(コンパス)

ここでいう磁石は、いわゆる方位磁石のことです。半導体式の磁気センサを用いることで、……

>>第2章の続きを読む(PDFダウンロード)

ピックアップ記事

tags