プロペラ3枚でドローンは飛べるのか？

危険な目にあったり、事故にあったりした後、ドローンを飛ばす人たちがよく抱く疑問です。プロペラが3つあるトンボは飛べるのか？もしあなたが厄介な事故に遭ったことがあるなら、あるいはただの好奇心旺盛な人なら、この疑問についてすでに実験しているかもしれません。この記事では、この質問に答えるためにオンラインで行われた科学と実験を見てみましょう。

急いでいますか？

簡単な答えです。

はい、科学者たちによって、ドローンは3つのプロペラで飛行できることが示されています。しかし、そのためには、ドローンの回収ソフトに特別なアルゴリズムを実装する必要があります。一般的な商用ドローンにはそのようなアルゴリズムはありませんので、プロペラが3つしかなくても飛行することはできません。

プロペラが3つしかないドローンもありますが、4つのプロペラを持つドローンとの違いは、最初からそのように設計されており、バランスが取れていることです。

プロペラが1枚、2枚、3枚と減ってもドローンが飛べるかどうか、最も興味深い研究の1つを見てみましょう。

科学は何を言っているのか

2014年に、まさにこの疑問を調べた研究が発表されました。それは、International conference on robotics and automation (ICRA)で発表されたものです。この論文では、4つのプロペラを持つドローンが、1つ、2つ、または3つのプロペラを失ったにもかかわらず、空間内の位置を中心に高さを維持していることを調べています。

いずれの状況においても、ドローンを制御するためには、ドローンは主要なアクセスの周りを制御する必要がありました。

いずれの状況でも、ドローンをコントロールするためには、プライマリアクセスの周りをコントロールしなければなりませんでした。つまり、プロペラを失ったときにぐるぐる回転するように特別にプログラムされていれば、3つのプロペラで飛行することが可能なのです。

プロペラを失ったドローンが軸を中心に回転し、自動的にソフトランディングするようにプログラムされていると、このようになります。

プロペラを失ったドローンが、軸を中心に回転し、自動的にソフトランディングする様子です。

このアルゴリズムは、まず、残っているプロペラを使って、ドローンをホバリングしながら水平方向に回転させます。各プロペラの推力を選択的に変化させてドローンの安定性を確保した後、回転角度を傾けてクアッドコアを操縦します。その後、ゆっくりと推力を下げ、ドローンを制御しながら着地させます。

興味深いことに、このアルゴリズムはプロペラが1つしか作動していない場合にも機能します。

興味深いことに、このアルゴリズムは、プロペラが1つしかない場合にも機能します。

科学者たちが話している方法は、プロペラが1つでも少なくなるように設計された回転体の設計にも応用できます。これにより、4つのプロペラを持つドローンよりもはるかに安価に製造できるようになりますが、その代償として、機体全体の高度や安定性をコントロールすることができなくなります。

プロペラ1枚で飛べるドローン

先ほど紹介した研究者グループの研究がBBCで報道されました。このビデオでは、1枚のプロペラで飛行するように設計されたドローンを実演しています。彼らは、ドローンでできることの限界を超えようとしていました。上のリンクにあるビデオでは、1つのプロペラで安定するために、ドローンがどれだけ回転しなければならないかを紹介しています。

つまり、ドローンはプロペラが3つしか機能していなくても、プログラムすれば飛ぶ（というか、回る）ことができるということですね。では、なぜプロペラが4つ必要なのでしょうか？

では、その疑問に答えていきましょう。

なぜドローンには4つのプロペラが必要なのか

ドローンを空中に浮かべるのは、意外と難しいものです。安定させるためには、膨大なエンジニアリングとソフトウェアの制御が必要です。ドローンに4つのプロペラが付いているのは、ドローンのバランスを保ち、ドローンが遭遇するさまざまな状況下で安定させるための、最も経済的な方法の1つだからです。

機体が暴走しないようにするには、時計回りと反時計回りに回転するプロペラの数を均等にする必要があります。

機体が暴走しないようにするには、時計回りと反時計回りに回転するプロペラの数をそろえる必要がありますが、推力を変えられる4つの独立したポイントを持つことで、4つのモーターそれぞれの速度を上げたり下げたりすることで、横方向、前後方向、回転方向の不安定さを克服することができます。

これはプロペラが2枚では効率が悪いため、次の均等なプロペラの数は4枚です。

これが2つのプロペラでは効率的に行われないため、4つのプロペラが必要となります。

プロペラの数を増やすには？

ドローンには6枚、8枚のプロペラがありますが、そのルールは以下の通りです。

プロペラの数は偶数であること
ドローン本体を中心に対称的に配置されていること
時計回りと反時計回りの回転数が同じであること
動きを個別に制御できること

ドローンの周囲に設置するプロペラの数に制限があるのは、それぞれのプロペラに与えられる物理的なスペースだけです。

プロペラの数に制限があるのは、各プロペラに与えられる物理的なスペースだけです。もしプロペラがお互いに近づきすぎると、プロペラの表面を効率的に流れることができず、ドローンは著しく不安定になります。

モーターとプロペラの重量を可能な限り少なくして、ドローンを空中に保つためのバランス調整です。

あまり科学的ではありませんが、YouTubeでDJI Phantom forを使った実験が行われています。

あまり科学的ではありませんが、DJI Phantomを使ったYouTubeの実験があります。

DJI Phantom 4を使ったYouTube実験

この動画では、前提条件は比較的シンプルです。実験者は、4つのフルプロペラを搭載したDJI Phantom forを使用し、プロペラの1つの長さをゆっくりと削っていきました。

このビデオでは、4つのプロペラを備えたDJI Phantomを使い、プロペラの長さを少しずつ削っていきます。

ビデオを見ると、ブレードがのこぎりで切られ、エッジがぼろぼろになっていても、ブレードの大部分が取り除かれるまでは、安定性に問題があることがわかります。

重要なポイントは、プロペラの時計回りと反時計回りのバランスの悪い動きのために、ドローンが軸の周りを回転していることです。これは、ドローンが安定性の限界に達していることを示すシグナルであり、これ以上離陸すると、ドローンは回転するのではなく反転してしまいます。

飛行中にプロペラが折れてしまった場合の対処法

飛行中に誤ってプロペラを破損してしまった場合、いくつかの対処方法があります。しかし、DJIのドローンは、プロペラを完全に失ってしまうと、完全に復旧することはできません。先ほどの理科実験で紹介したドローンのように、安定して着陸するためのアルゴリズムを持っていないのです。

ここでは、飛行中に誤ってプロペラが欠けたり、破損したりした場合の対処法を見てみましょう。

コントロールから手を離す – ドローンに自動安定化機能がある場合、あなたができる最善のことは、ドローンにチャンスを与えることです。もしドローンの安定性に問題があることに気づいたり、何かに接触したりした場合は、差し迫った危険から逃れるために操縦する必要がない限り、コントローラから手を離します。
Look for spinning – ドローンが周囲の何かに接触した後に回転している場合は、ドローンが空から落ちて飛べなくなる寸前であることを示しています。
Return to land if it’s safe – 飛行中にプロペラが欠けたり壊れたりしても、ドローンがまだ空中にある場合は、操縦して安全に着陸地点に戻すことができるかもしれません。
ブレードの交換 – ブレードが破損した場合（どんなに小さな破損であっても）、それを交換することは言うまでもありません。車のタイヤのように、ドローンのプロペラは空を本当に維持している唯一のものであり、ほんの小さなヘアライン骨折であっても、飛行中の回転の力で簡単に大きくなってしまいます。
ドローンを捕まえようとしないでください。自分の上空を飛行中にドローンが自分に向かって落ちてきた場合、邪魔にならないようにして、ドローンを捕まえようとしないでください。なぜなら、プロペラは非常に高速で回転しているため、軟部組織を損傷しやすいからです。特にプロペラが損傷して鋭利になっている場合は注意が必要です。

ドローンが制御不能になった場合は、比較的危険です。私の別の記事をチェックしてください – ドローンのブレードは危険ですか？[Full blade safety article） – click here.

ドローンのブレードは危険ですか？

ドローンのブレードは危険か

破損したプロペラは、一般的なドローンのプロペラよりもはるかに鋭いので、アドバイスとしては、破損したり外れたりした場合、回転しているドローンのブレードに接触しないようにすることです。ドローンのブレードは回転数が非常に高く、破損すると通常よりも速いスピードで回転してしまうため、非常に危険です。ブレードの鋭いリーディングエッジは、軟部組織を容易に切り裂き、裂傷を引き起こしますが、例えば指を切断するような大きなダメージを与えることはできません。

ブレードを保護したい場合は、プロペラガードを使用することができます。ほとんどのドローンにはプロペラガードが付属しており、ドローンのブレードだけでなく、周囲にあるものも保護してくれます。ほとんどのドローンにはプロペラガードが付属しており、ドローンのブレードだけでなく周囲にあるものも保護してくれます。