最新のテクノロジーが満載!ドローンが飛ぶ仕組みを理解しよう!

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現在ではホビーだけでなく、空撮や農薬散布、インフラの点検、測量、配送などさまざまな分野で活躍を続けているドローン。

既に見慣れたドローンの飛行シーンですが、ふと気づくと「なぜドローンは自由自在に飛べるのか」という疑問に対して、正確に答えられることができない人もいるのではないでしょうか。

現在の高度なテクノロジーを搭載したドローンは最新技術の塊であり、一般には内部の構造は見えないようになっています。

一方で、レース用ドローンや自作のドローンは部品ひとつひとつから作り上げていくため、その構造が非常に見やすく、機体を組み立てることでドローンの仕組みや各アイテムの役割が明確になってきます。

そこで今回は、ドローンはどのような仕組みで飛んでいるのか、というシンプルな疑問に答えられるように、ひとつひとつのアイテムの役割を紹介していきたいと思います。

ドローンの動力源は?

現在、一般的に飛んでいるドローンのほとんどはリチウムポリマーバッテリー(リポバッテリー)を動力源としています。

パンチ力があり、高容量かつ高放電を誇るリポバッテリーは、ドローンより以前に、RC飛行機やRCヘリで使われてきました。

その流れを引き継いで現在のドローンもリポバッテリーを動力源に、飛行をおこなうようになっています。

ドローンはなぜ浮上できるのか?

ドローンは一般的に4~6本のアームの先端にモーターを搭載し、そこにプロペラが付いています。

このプロペラにはねじれがついており、回転するとねじれによってプロペラの上面と下面の対気速度が違ってきて、上向きの揚力が発生します。

これによりドローンは浮上することができます。

一気に上に行きたいならば回転を速くし、ゆっくり浮上したいならモーターをゆっくり回転させます。

機体を降ろしたい時は、一気に降ろすと危険ですのでゆっくりとスピードを落として着陸させます。

モーターの回転数はどう制御しているのか?

フライヤーがプロポのスロットルを上げると、その電波は機体の受信機へ飛び、受信機からESC(別名アンプ)と呼ばれるデバイスへいきます。

このESCがモーターの回転数を制御するデバイスであり、ユーザーのスロットルの量を細かくモーターへ伝え、回転数を上げたり下げたりします。

後述しますが、モーターの回転数は浮上降下だけでなく、前後左右の移動も制御しますので、ESCはドローンの動きをそのまま司っている重要なデバイスということになります。

ドローンはなぜ移動できるのか?

前章で説明したように、モーターの回転数を変化させることでドローンは前後左右に移動したり、その場で右回転や左回転をして機首の向きを変えることができます。

例えば、機体を前へ進めたい時には、進む方向にある2つのモーターの回転数を落とし、後ろとなる2つのモーターの回転数を上げます。

これにより、機体は前傾姿勢で前へ進んでいきます。

同様に左右の移動は、進む方向の2つのモーターの回転数を落とし、進行方向とは逆の2つのモーターの回転数を上げます。

このモーターの回転数を調整するのが、前章で述べたESCになります。

このESCがフライヤーの意思を汲み取って、各モーターに指示を出すことでドローンは前後左右に移動することができるのです。

ドローンの姿勢はどうやって維持しているのか?

ドローンは非常に安定感の良い機体であり、この安定性が大きな武器となって、空撮の世界で導入が進み美しい風景を撮影することができるようになりました。

そんなドローンはなぜあれほど安定感良く飛行することができるのでしょうか。

その答えはドローンに搭載されているフライトコントローラーにあります。

このフライトコントローラーの内部にはさまざまなセンサーが搭載されており、機体のわずかな傾きでも逃さないようになっています。

例えば、機体が風の影響で決められた位置から流されそうになっていたら、フライトコントローラーはその場に留まるようにESCに指示を出し、モーターの回転数を調整するようになります。

現在のドローンは、このフライトコントローラーの良し悪しによってその性能が決まる、と言われるほど重要なアイテムであり、ドローンを飛ばし込んでいくうちにそのありがたみが分かってくることでしょう。

GPS搭載機の特徴は?

小型のトイドローンをのぞく昨今のドローンは、そのほとんどにGPS機能が搭載されており、GPSを使ったゴーホーム機能(離陸場所に戻る)やウェイポイント機能(あらかじめ飛び先を決めてそれに従って航行する)、そして定点でのホバリング保持機能などが装備されています。

中にはアメリカのGPSだけでなく、さらにロシアのGLONASSといったGNSSの電波を受信できる機体も登場しています。

GPSは建物や山などの影に入ってしまうと電波を受信しにくくなってしまうため、GNSSの受信できる電波は多ければ多いほどよく、それだけ高精度でズレのない航行ができるようになります。

気圧センサー搭載機の特徴は?

最近では小型のトイドローンにも気圧センサーを搭載した機体が増えています。

気圧センサーの特徴は地上からの高さを機体自身が認識できるため、高度の維持ができることです。

この技術を応用しているのが自動離着陸機能です。

ボタンひとつで機体が自動で離陸と着陸をしてくれるこの機能は、初心者には非常にありがたいもの。

プロペラが固定ピッチのドローンは特に着陸が難しいと言われています。

どうしてもモーターの回転数を落とした時に、十分な揚力が得られず、急速に降下してしまいからです。

それをセンサーとフライトコントローラーで自動でコントロールしてくれるので、安全に無理なく機体を降下させることが可能です。

まとめ

今回はドローンの離陸からホバリング、移動、姿勢制御、GPS機の特徴といった部分を見てきましたがいかがでしたでしょうか?

ハイテクの塊であるドローンは、少しでも時間が経つと新しいテクノロジーが出現している状況です。

日進月歩のこの世界の新しいトレンドや技術を、これからも随時お届けできればと思います。

 

 

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