【ドローンの仕組み】ドローンはどうして飛ぶの?

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ドローンはどうして飛ぶのでしょうか。

飛ぶだけなら竹とんぼと同じでプロペラが回転しているからとわかりますが、自由に移動できることや、何故プロペラが回転すると飛ぶのかそこまで考えた事はありますか?

今回はドローンが飛行できる仕組みや搭載されている機器・機能などを、ご紹介させていただきます。

ドローンが浮かぶ仕組み

プロペラが回っているから浮かぶとはわかりますが、では何故プロペラが回ると浮かぶのでしょうか。

それはプロペラが回転すると上に持ち上げようとする力「揚力」が発生するからです。

揚力は翼(プロペラ)の上面を流れる気流の速さが速いほど、また角度がつくほど(限界値はあります)大きくなります。

下記図は飛行機の翼で揚力を表したものですが、イメージ的にはこんな感じです。

揚力

 

この揚力が各プロペラにあると思ってください。

ドローンに限らず飛行するものはこの揚力によって、浮かぶことができています。

ドローンが浮かんで自由に動くには?

飛行機は翼の角度を変えて揚力を調整して飛行し、ヘリコプターもプロペラの角度や後ろに付いている小さいプロペラでバランスを取って飛行しています。

しかしドローンはプロペラの角度が変えれず、またヘリコプターみたいに後ろにプロペラもありません。

ではどうやって飛行しているのでしょうか?

 

それは各プロペラの回転数を変えているからです。

前に進みたい時は後ろのプロペラの回転数を上げて、後ろに進みたい時は前のプロペラの回転数を上げています。

 

しかし気づいている方もいると思いますが、ただ回転数を上げるだけでは上手く飛行してくれません。

結局はプロペラの回転数を上げようと一方向にしか力が加わっていませんので、一方向に早く進むか遅く進むかでの違いしかありません。

というか浮かぶことも難しいでしょう。

ではどうしているのかというと・・・

ドローン揚力

 

時計回りと反時計回りのプロペラを交互に付けて力を打ち消しあい、自由に飛行できるようになっています。

ですのでドローンは基本偶数枚のプロペラで作られています。

 

ではドローンが飛行する仕組みがわかったところで、ドローンにはどんな機器が搭載されているのでしょうか。

ドローンに搭載されている機器・機能

ドローンには沢山の種類がありますが、まずはどのドローンにも搭載されている基本的なものをご紹介致します。

 

 

  • モーター:プロペラを回すための機器で、ある意味ドローンのコアとも言える部分です。本格的なドローンにはパワーのあるブラシレスモーターが使用されています。
  • バッテリー:各機器に電力を送る役目を果たし、携帯電話にも使用されているLiPoバッテリーを使用します。特徴としてはエネルギー密度が高く、大容量の電気を蓄えることができ出力が大きいことです。
  • FCS(フライトコントローラーシステム):機体内部にある受信機が制御信号を受け取り、モーターへ信号を送る機器です。様々なセンサーの信号を処理し機体を制御する役目も果たします。
  • ESC(エレクトリックススピードコントローラー):FCSから信号を受け取り、モーターの回転数を制御する装置です。
  • PDB:(パワーディストリビューションボード):バッテリーの電力を各機器に供給するための装置です。
  • ジャイロセンサー:回転や向きなど傾きを計測するセンサーで、これによりドローンが姿勢変化を検知し安定した飛行を保つことができます。

 

以上が基本的なもので、これに+αで様々なセンサー機能が搭載されています。

GPSセンサー

GPSセンサー

アメリカの「GPS」またはロシアの「GLONASS」(両方合わせてGNSSセンサーとも言います)の衛星の電波を受信し、それらを総合してドローンの正確な位置(緯度・経度・高度)を算出し、風が吹いて動いてしまっても元に戻そうとドローンが自動で制御してくれるからです。

このGPSの電波が途切れてしまうと、たとえ風に強そうな大きなドローンでもふらふらとした飛行になってしまいます。

 

今では1万円程度のドローンでもGPSセンサーが搭載されているものもありますが、しかしGPSセンサーは万能という訳ではなく、普通に飛行していてもたまに途切れてしまうこともありますし、室内やトンネルなど閉鎖された場所ではGPSを受信することができません。

ですがドローンにはGPSセンサー以外にも沢山のセンサーが付いており、GPSが受信できなくてもある程度の飛行は保ってくれます。

【GPSセンサーの詳細】

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赤外線センサー

赤外線センサーは物体が放射する赤外線を「温度」として感知し映像にするので、周りの光の影響を受けることがなく、昼でも夜でも使用することができます。

これにより周囲の障害物を検知し、障害物にぶつかりそうになった時などに自動で止まってくれます。

低価格のドローンに搭載されている事はありませんが、本格的なドローンには搭載されているものもがあります。

 

超音波センサー

超音波センサーは超音波を対象物に向けて発射し、その反射波を受信することにより対象物の有無や距離を感知することができます。

主に地上付近での高度制御に使用されていて、機体の底面に搭載されています。

 

気圧センサー

気圧センサーはドローンの高度を感知するセンサーです。

高度による気圧差を感知し、ドローンの高度を測定したり高度を維持してくれています。

地上に近い場所や、急な突風、気圧の変化が起こるとうまく作動しない場合があります。

今では自動でホバリングを行うために、低価格のドローンにも搭載されているのが当たり前になってきています。

 

磁器方位センサー

磁器方位センサーはいわゆるコンパスで、ドローンがどの方角に向いているか感知します。

コンパスは飛行させる場所によって磁器の影響を受けるので、コンパスキャリブレーションという調整を行うことがあります。

コンパスキャリブレーションは最初に一度行えば基本的に大丈夫ですが、鉄塔など磁気の影響が大きい場所に行ったときや、磁気が変わる北から南への半球の移動となると必ず行わなければいけません。

 

ジャイロセンサー

上記でも紹介したジャイロセンサーはドローンが傾いた角度を感知するセンサーです。

スマホの横にすると横画面になったり、傾けてボールを転がすゲームなどと同じ仕組みです。

傾いた角度の量を計算し、次に説明する加速度センサーと組み合わせて機体の安定化に役立っています。

【ジャイロセンサーの詳細】

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加速度センサーはドローンの速度の変化を感知するセンサーです。

ジャイロセンサーと組み合わせて効果を発揮します。

組み合わせて機体が傾いた場合反対の向きに制御し、ドローンを並行し安定したホバリングを保ってくれます。

 

まとめ

ドローンは年々進化し新しい機能が増えていってます。

一昔前ですと赤外線センサーによる障害物検知などありませんでしたし。

そのうちこのドローンを飛行させる仕組みすら全く変わってしまうかもしれませんね。

 

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