ドローンの装置・構造の基礎知識をチェック!

投稿日:2017-10-23 更新日:

こんにちは。ドローン愛好家のえいじです。ドローンをかじり始めるとPhantomなどは勝手に安定して飛んでるし、「どんな仕組みで飛んでいるのかな」とか興味がわいてきます。ドローンを知る事でその素晴らしさや魅力を理解すると共に、その機能が利用できなくなった時はどうなるのかをドローンの構造を知る事によってチェックしていければと思っています。

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フライトコントローラーとは?

ドローンが自立して飛行(オートパイロット機能)する為の頭脳のようなものがフライトコントローラーです。ラジコンとの違いはこのフライトコントローラー(FC)の違いです。フライトコントローラーは

1、慣性計測装置(IMU)

2、GPSモジュール

3、マイクロコントローラー(MC)

から構成されており、自作PCの様にそれぞれの装置(パーツ)を自作で組み上げることもできます。ドローンレースのチューニングはこれらを調整したり、フライトコントローラーを制御するソースコードなどがオープンソース化されたりと、ドローンの進歩・進化はこのフライトコントローラーが握っているといっても過言ではないのではないでしょうか。

慣性計測装置(IMU)

1、ジャイロセンサー(角速度センサー)ドローンの傾きを制御

2、加速度センサー

3、気圧センサー

4、磁気センサー

5、超音波センサー

6、光学センサー

このような様々なセンサーが搭載されているため、DJI Phantom等はプロポを手放しにしてもある程度オートでホバリングしていられるんですね。

GPSモジュール

自動車や、スマホでも「GPS」ってよく耳にしますよね。これは全地球測位衛星システム(GHSS:Global Navigation Satellite System)というもので、衛星から地球上のどの位置かを測位するシステムです。GPSは馴染み深いのですが、

  1. アメリカ:GPS
  2. ロシア:GLONASS
  3. EU:GALILEO
  4. 中国:Bei Dou(北斗)

というように、様々な国の衛星が地球の上空に浮いています。一般的なドローンはGPSとGLONASSを利用しており、同時に複数受信しながらドローンの位置を測位しプロポに伝えています。ドローンがGPSを受信できなくなることは多々あるようなのですが、これはGPSやGLONASSは日本の真上ではなく常に移動しているため、建物等があるとGPSを受信できなくなる為のようです。たしかに、スマホでグーグルMAPを利用しながら歩いていると変な位置に測位されることがありますが、これとドローンのGPSが効かなくなる現象と似ているのかもしれません。自動車のGPSは距離などのセンサーが同時に働いているため、トンネルのようなGPSが効かない場所でもNAVIは正常に動いているようですね。

余談になりますが、2017年10月に日本の準天頂衛星システム(みちびき)が打ち上げられた事がニュースで報じられておりました。こちらはGPSの精度を上げる働きもあるそうで、現在のGPS測位精度は5~10メートルと言われていますが、複数機の衛星を打ち上げる事により、測位誤差最小6cm程度まで精度をあげることができると言われているようです。

マイクロコントローラー(MC)

ドローンに搭載されているセンサーやプロポからの信号などを元にプロペラに繋がっているモーターに電流をどれだけ流せばよいか指令を出すのがマイクロコントローラーの役割です。一つのモーターに1つの電子速度コントローラー(ESC)が搭載され自由自在にプロペラの回転数を制御しています。

ドローンが飛躍的に発展したのはこれらのフライトコントローラーの精度が向上し、生産コストが下がったことにより急速に発展したとのではないでしょうか。

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長時間・複数回の飛行を可能にさせるブラシレスモーター

自動車のスターターであるセルモーターをご存知でしょうか?こちらは「ブラシモーター」といってコイルに電流を流すときに金属のブラシを通して電気を流し、モーターが回る事によりエンジンをスタートさせます。車の場合はエンジンスタートさせる時のみにセルモーターを利用し、あとはガソリンなどの燃料でエンジンを動かすためそこまでセルモーターを使用しません。

一方マルチコプターのドローンではガソリンエンジンなどの内燃機関がなく、常時モーターを回転させ、プロペラで揚力を得る必要があります。常時ブラシモーターで飛ばしていると、ブラシが直接コイルに当たるため、モーターが劣化してしまい長時間飛行することができません。これを打開するモーターが「ブラシレスモーター」です。

ブラシモーターの「ブラシ」にあたるものを「ネオジム磁石」というものに変えてモーターを回します。これにより、長時間、複数回の飛行を可能にさせているんですね。但し、弱点があり、120℃以上になると磁力の減少が著しくなる為、長時間の飛行では注意が必要です。ただ、ドローンの場合バッテリー交換を行う必要があるため、暑い地方に行ったりしない限りはあまりこういった現象は起きづらい様ですが、知識としては必要ですね。

いかがでしたでしょうか?メカや衛星の話がメインでしたので少しマニアックな話になってしまいましたw

冒頭にもお話しましたが、ドローンはとても魅力的で

  1. ドローンはラジコンと違いフライトコントローラーにより自立飛行できる
  2. GPSやGLONASSから複数の信号を得て測位している

のようにとても高性能で、誰にでも比較的簡単に飛ばす事ができます。

しかし逆に言うと、センサーが切れた時は「たんなるラジコン」みたいになってしまう事態があるという事ですね。ドローンを知れば知るほど、マニュアルでのフライト技術を学ばないといけないと考えてしまいますねw

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tri-drone運営者プロフィール

ドローン操縦士 えいじ
一般社団法人
日本UAS産業振興協議会(JUIDA)
・操縦技能証明証 取得
・安全運航管理者証明証 取得国土交通省 全国包括申請 取得
(30m以内・夜間飛行・目視外飛行)一般社団法人ドローン大学校を卒業後
「ドローン操縦士」×「ブロガー」として活動
ドローンの体験を中心とした情報を執筆中

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