それはまるで魔法のようなものです。ドローンを操縦しているときは、超楽しいフライトを実現するために、膨大な物理学、計算、ソフトウェア、エンジニアリングが行われていることをよく理解しています。しかし、人によっては、ただドローンを操作するだけでは十分ではありません。私もその一人で、自分のドローンで何が起こっているのかを正確に知ることで、より良いパイロットになり、問題が起こった場合の解決方法を理解する必要があると思っています。この記事では、ドローンが方向を変える方法をすべて説明します。それは、上、下、左、右、前、後、そして左と右のヨーです。
ドローンの方向転換は、プロペラの回転数を変えることで行います。ドローンがホバリングしている間は、隣接するプロペラが逆方向に回転することで安定しています。それぞれのモーターの回転数を変えることで、空中を3次元的に操ることができるのです。
ドローンパイロットにとっては、何が起きているのかを考えることはほとんどなく、ジョイスティックを動かしてドローンを操作するだけです。
ドローンパイロットにとっては、何が起きているのかを考えることはほとんどなく、ジョイスティックを動かしてドローンを操作するだけです。しかし、ドローンは、自分の加速度、運動量、高さ、高度を計算し、上昇気流や水平方向の風などの環境条件に対抗する必要があるため、非常に多くの作業を行っています。
ドローンを空中に維持する物理学は、実際には非常に複雑です。
目次
ドローンを空中に飛ばすための物理学
ドローンの心臓部であるフライトコントローラーは、電子速度制御ユニットを介してモーターに回転方向や速度などの情報を送ります。また、フライトコントローラーは、GPSデータ、加速度、ドローンが向いている方向を確認してから、GPSの固定位置で安定したホバリングができるようにモーターに情報を送ります。
モーターの一つ一つがプロペラを回転させます。
モーターの一つ一つがプロペラを回転させます。プロペラは、ドローンの推進力と動きの制御に使われます。このプロペラは、空気を地面に向かって押し出す扇風機のフィンのようなものです。空気が地面に向かって押し出されると、ドローンは自らを空気中に吸い込むことができます。プロペラの先端と上端には低圧が発生し、ドローンは文字通り空気中に吸い込まれていきます。
ホバリングするためには、ドローンの重さと同じだけの空気を排出しなければなりません。
ホバリングするためには、重さと同じだけの空気を排出しなければなりません。より多くの空気を排出するとドローンは上昇し、少しでもプロペラの回転が遅くなり、より少ない空気を排出するとドローンは下降します。
ドローンのプロペラの向きは非常に重要です。ドローンの各モーターは、隣にあるモーターと逆方向に回転する必要があります。これにより、角運動量が相殺され、ドローンは1つの場所で1つの方向を向いていることになります。
ドローンのプロペラの向き
私のDJI Mavic airには4つのモーターとプロペラがあります。それぞれのプロペラの回転方法は、モーターによって決まります。
プロペラの向きを決めるのは簡単です。
モーターの回転方向は、プロペラの前縁が回転する方向を見れば簡単にわかります。
ほとんどのドローンでは、各モーターのドローンプロペラの方向は次のようになっています:。
- 左前 – 時計回りのモーター(CW)
- 右前 – 反時計回りのモーター(CCW)
- 左後 – 反時計回りのモーター(CCW)
- 右後 – 時計回りのモーター(CW)
下の私のDJI Mavicの写真に、このような注釈をつけました。
ドローンのすべての動きは、プロペラをさまざまな方法で回転させることによって制御されます。動きをコントロールするために、あるプロペラは減速し、あるプロペラは加速します。
この動作は、登り坂や上り坂のように全体的に行われることもあれば、前進や後退のように機体の両側で異なるタイミングで行われることもあります。
次のセクションでは、ドローンの主な動きをすべて説明し、それぞれの主な動きがどのように実現されているかを具体的に説明します。
ドローンの主な動き
ドローンの飛行は、パイロットの視点では、ジョイスティックを可動範囲内で動かすだけです。その単純なジョイスティックの動きは、ドローンにとっては非常に複雑な動きとなります。ドローンの左ジョイスティックは、上昇とヨー（一定の位置で時計回りまたは反時計回りに回転すること）を担当しています。
左のジョイスティック
コントローラーの左側のジョイスティックは、ドローンを上昇・下降させたり、時計回り・反時計回りに回転させたりします。基本的には、ドローンがGPSの1つの位置に留まるためのすべての動作を行います。
アップ/クライム
ドローンコントローラーの左側のジョイスティックを押し上げると、すべてのドローンのプロペラの速度、つまり1分間の回転数が上がります。この回転数の増加により、より多くの空気を吐き出し、床に向かって強制的に押し出すことで、より多くの上昇推力を発生させます。
すべてのプロペラの回転速度が上がります。
プロペラは同じ速度で加速するように気をつけないと、動きに別の方向性が生まれてしまいます。GPSで固定された位置から動かずに上昇するためには、各プロペラを1分間に正確な回転数で回転させる必要があり、ドローンにとっては大変な作業です。
ダウン/下降
ドローンが高さを下げるためには、上昇の真逆のことが起こります。つまり、ドローンのプロペラ1つ1つの1分間の回転数が減少します。これにより、重力がプロペラの推力よりも大きな力となります。
ドローンが下降して停止する際には、1分間の回転数をわずかに増加させて、地球に向かう重力の力に匹敵するように推力を増加させる必要があります。トイ・ストーリー」のバズ・ライト・イヤーは、「自分は飛んでいるのではなく、ただスタイリッシュに落ちているだけだ」と言われます。ドローンが下降するときにしていることは、まさにこれです。重力が地球に向かって引っ張られるのを許容しているだけであり、これは空想的で制御された落下の形態です。
ヨー
ヨーとは、ドローンが1つのGPS位置にとどまっている間に、時計回りまたは反時計回りに回転することです。つまり、ドローンは前にも後ろにも移動しません。この動きには、ドローンのソフトウェアがかなり複雑な計算をしています。
時計回り、反時計回りに旋回する際には、対角線上にあるプロペラを制御する必要があります。対角線上にある右のプロペラが速く回転すると、角運動量の増加により力が発生し、ドローンが左に回転するようになります。対角線上にある左のプロペラが速く回転すると、その逆の動きが発生します。
つまり、ドローンの反時計回り、時計回りの動きは、対角線上にあるプロペラが速く回転したり、遅く回転したりすることで発生するのです。
右側のジョイスティック
ドローンのコントローラーの右側のジョイスティックは、私が冗談で「楽しいジョイスティック」と呼んでいるものです。これでドローンをあちこちにズームさせることができるからです。前後だけでなく、左右にも動かせるのがドローンのいいところですね。
ドローンのプロペラの向きによって、水平面内での動きが自在になります。
ジョイスティックの組み合わせにより、ヨーイングと移動を同時に行うことができます。
このような動きの組み合わせは、各モーターの1分間の回転数をソフトウェアが細かく制御することで実現しています。
右側のジョイスティックのすべての動きは、隣り合ったプロペラの回転速度に増加や深いしわを生じさせます。以下のセクションでは、それぞれの動きがどのように関連しているかを説明します。
左
ジョイスティックを左に動かすことに対応してドローンが左に移動したい場合、右側のプロペラは左側のプロペラよりも速く回転します。
これにより、ドローンの左側が少し下がり、右側が少し上がります。ローターの全体的な推力は変わらないので、ドローンは一定の高度にとどまることができますが、ドローンのローターの左右のわずかな差によって、ドローンは左に流れていきます。
右
ジョイスティックを右に動かしてドローンを右に移動させると、モーターの1分間の回転数に応じて、左側のプロペラが増加し、右側のプロペラがわずかに減少します。
左に移動した場合と同様に、これによりドローンの右端が少し下がり、左端が上がります。モーターの全体的な推力は変わらないので、ドローンは一定の高度を維持することができます。
前方へ
ドローンを前方に移動させるには、ドローンの前端をわずかに傾斜させ、ドローンの後端を上昇させる必要があります。
これは、前側のモーターの回転数を下げ、後ろ側のモーターを上げることで実現しています。このプロペラの回転数の違いにより、ドローンは前方に移動します。
後ろ向き
ドローンを後方に移動させるには、ドローンの後端をわずかに傾斜させ、前端をわずかに上昇させます。
それぞれの動きについて、次のように説明します。
右のジョイスティックの各動きについて、その動きを実現するためにドローンがどの方向に傾いているかを観察することができます。
右のジョイスティックを動かすたびに、ドローンがどの方向に傾いているかがわかります。
私は、比較的高い高度でドローンを非常に速く後方に移動させると、ドローンは単に高さが下がることに気づきました。
この計算は完璧ではありませんが、飛行中に手動でトリムを行うことにより、簡単に調整することができます。
すべてのドローンの動きを示す簡単な図
以下は、ドローンの各動作の簡単な図です。これは、上述の各動作を実行しているときに、各ローターがどのように動くかを示しています。上、下、時計回り、反時計回り、前、後、左、右です。
上の図では、それぞれの動きの中で速く回転するプロペラを赤いプラスで示しています。
上の図では、それぞれの動きの中で速く回転するプロペラが赤いプラスで示されています。また、左側のジョイスティックは左側に、右側のジョイスティックは右側に表示されています。なお、ドローンが一定の高さを維持している場合は、ドローンが生み出す全体の推力を変えないように、他のプロペラの回転速度は少し抑えられています。
これらすべての組み合わせで、ドローンを3D空間内で完全に動かすことができます。
ドローンがやっている他のこと
ドローンは、安定した飛行パターンを保つために、さまざまな計算を行っています。ドローンはさまざまなセンサーに依存しており、それらが連携してマイクロコントローラーボードに情報を提供し、ドローンを安定した位置に保つことができるのです。
自動ホバリングや安定した高度の維持ができないドローンもありますが、これは計算に必要なコンポーネントの一部が欠けているためです。
ドローンに搭載されているセンサーには以下のようなものがあります。
- GPS – 地球上の静止軌道上にあるいくつかの衛星に対するドローンの位置を特定して、座標を取得します。
- 気圧計 – 気圧を検出して、ドローンの高さを間接的に計算することができます。
- 磁力計 – 地球の磁場を検出し、地球の磁場に対するドローンの向きを計算することができます。これはドローンのコンパスのようなものです。
- 加速度計 – ドローンの加速度を測定しますが、主に重力がドローンを引っ張っている方向を知るために使用されます。
- ジャイロスコープ – ジャイロスコープはドローンの角速度を提供し、3D環境での向きを計算するために使用されます
これらのセンサーは、プロペラの回転速度を決定するために使用される情報を常に制御ユニットに供給しています。ドローンは、PIDコントローラーを使用して、3D空間でドローンをどのように動かすかを考えています。
PIDコントローラー
PIDとはProportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)の頭文字をとったもので、様々なドローンソフトで調整することができます。これらのゲインのネーミングに惑わされることなく、実際には以下のような洒落た言い方をしているだけです。
- Pは現在の誤差を見ます。現在の設定がセットポイントから離れている場合、P設定はセットポイントに近づけるように働きかけます。
- I は、過去のエラーから得られた知識です。これは、過去のエラー (継続的な外力によって引き起こされる) に注目し、それらを打ち消します。
- D は、将来のエラーの予測です。P が値を設定値に近づけ始めると、D の値は、大幅なオーバーシュートを阻止します。
各PIDパラメーターの効果
ドローンのPID値を弄り始めると、それぞれの値が異なる方法でドローンに影響を与えることに気付きます。それぞれの値をもう少し詳しく見てみましょう。
Pゲイン
P値(ゲイン値とも呼ばれる)は、ドローンの飛行を調整する上で最も重要な要素の1つです。
この値は、望ましい飛行経路(コントローラーの送信によって制御される)を達成するために、ドローンが自分自身を修正するためにどれだけ努力すべきかを決定します。高すぎても低すぎてもいけません。
高すぎると、ドローンは振動します。これは、ドローンが積極的に過矯正を行っていることを示しており、高周波の振動が見られます。
高すぎると、ドローンは振動します。
低すぎると、ドローンの反応が鈍くなり、モーターの回転が遅くなる音が聞こえることもあります。
適切なP値を見つけるには、ドローンが振動し始めるまでP値を徐々に増加させ、この値を50%に設定します。
Iゲイン
Iゲインは、風の中で位置を保持したり、重心がずれたりするような外力に対して、ドローンがどの程度反応するかを決定する設定です（ドローンのコンポーネントをアップグレードすることで簡単に発生します）。
高すぎると、ドローンが反応しないように感じます。
低すぎると、ドローンの飛行パターンを手動で修正しなければならないことがわかります。
飛行パターンを手動で修正しなくても済むように、I値はできるだけ低くしておきたいものです。
Dゲイン
Dゲインは、P値のショックアブソーバーのようなものです。
D値が低すぎると、ドローンは十分な速度で反応しません。
D値が高すぎると、ドローンは急激な小振幅の振動をします。
D値が高すぎると、ドローンは急激に小さな振幅で振動し、クアッドのレスポンスが低下し、ドローンの動きが鈍く感じられます。
ドローンが小さな急激な振動を始めるまで、Dゲインを増加させます。
Dゲインは、ドローンが小さく急激に振動し始めるまで増加させ、その50％まで減少させます。
PIDコントローラーは、ドローンの安定性を保つ役割を果たしています。自分でドローンを作る場合、この機能を正しく設定して、ドローンが楽しく飛べるようにし、ジョイスティックの動きの末端で何もしないようにすることが非常に重要です。
ドローンはプログラムできるのか
「ウェイポイント」と呼ばれるものを使ってプログラムできるドローンもたくさんあります。ウェイポイントとは、GPSで空に設置された位置のことで、ドローンが通過すべき経度・緯度・高度があらかじめ設定された特定のポイントを自動的に通過するようになっています。
オンラインでダウンロードできる多くのウェイポイントやドローンの自動パスがあり、それをドローン飛行ソフトウェアにサイドロードすることができます。
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概要
ドローンは、4つのプロペラとモーターのそれぞれの1分間の回転数を変えることで、飛行や方向転換を行います。この結果、4つのモーターのそれぞれが異なる量の推力を発生させ、それによってドローンを空で動かしたり、ヨーの場合のように固定された場所で操作したりすることができます（角運動量を使用）。
素晴らしいことに、このソフトウェアと計算の多くはすべて自動化されているので、あなたの飛行体験は、それぞれの動きがどのように作られているかを理解できるかどうかに左右されるのではなく、ジョイスティックを動かして飛行プロセスを楽しむのと同じくらい簡単です。
この記事を最後まで読めば、ドローンの方向転換を理解していない多くのドローンパイロットの先を行くことができます。
この記事を最後まで読めば、ドローンがどのように方向転換するのかを理解していない多くのドローンパイロットに先んじることができます。