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ドローンのフレーム:ドローンの基礎知識(構造編)3

ドローンの基礎知識(構造編)

更新日:2021年4月14日(初回投稿)
著者:フリーエンジニア&ライター 高橋 隆雄

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。

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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
ドローンで比較的よく用いられるのがカーボン(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)です。カーボン製のフレームは、軽量かつ高強度という条件を満たしています。その他、カーボンとアルミの組み合わせもよく使用されます。また、一部の小型ドローンでは、外装部分が強度のあるプラスチック製の構造材になっているもの(モノコック構造)もあります。汎用フレームの場合にはカーボンのみ、あるいはカーボンとアルミの組み合わせが多く、メーカー製ドローンの場合にはアルミなどの金属材料とプラスチック素材を組み合わせたものなどが使用されています。

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

図2:クワッド・エックス型

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