なぜドローン?名前の由来や飛行する仕組みを解説

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ドローンは何故ドローンと呼ばれているの?どうして飛行するの?などと考えたことはありませんか。

日本では首相官邸にドローンが墜落したことを機に、ドローンという言葉が世間に広まってきましたが、いつからドローンという言葉が使われているのでしょうか。

またドローンはどうして飛行できるのでしょうか。

この記事ではそんな疑問を解決していきます。

なぜドローンと呼ばれる?ドローンの歴史について

まずはドローンの歴史についてですが、1930年代から無人航空機(ドローン)を遠隔操作する試みが行われており、その用途は軍事用としてでした。

第二次世界大戦では1万機以上の「ターゲットドローン(射撃訓練用標的飛行機)」が製造されており、現在では偵察機などに用途を変えて各国で利用されています。

有名なものでは1995年に開発された「RQ-1プレデター」というものがあり、最初にドローンを開発した人は軍事機密により非公開となっています。

プレデター

しかし軍事用と聞くとごく少数なのではないかと思われますが、世界ではかなりの数のドローンが軍事用として使用されていて、その数は全体の9割以上と言われています。

また軍事用ではありませんが、最近では民生用のDJIのドローンが中東のテロに使用されるなど、問題にもなりました。

ちなみに日本では1970年代から産業用のドローンの実用化が進められています。

ドローンの名前が広まるきっかけ

日本で多くの方にドローンの名前が知られるきっかけとなったのは、首相官邸にドローンが墜落したことですが、実はフランスのParrot社から2010年に発売された「AR.Drone」が機にドローンという名前が広まっていきました。

ar.drone

AR.Droneは今では当たり前のようにあるiPhoneやiPadで操作する機能が当時は革新的で、ラジコン業界やガジェット業界を騒がせました。

スペックも6軸ジャイロや超音波センサーなど、現在のドローンにも搭載されている技術があります。

ドローンの名前の由来

ドローンの名前の由来ですが二通りあり、どちらも蜂の名前に由来しています。

まずは、みなさんドローンが実際に近くを飛んでいる音を聞いたことはありますか。

ドローンのプロペラ音と風を切る音はミツバチの雄蜂の羽音によく似ています。

そのことから「ミツバチの雄(英語でドローン)」と呼ばれるようになったと言われています。

 

もう一つは、ターゲットドローン射撃訓練用標的飛行機が「クイーン・ビー(女王バチ)」と呼ばれていたことが転じて、ドローンと呼ばれるようになったという説もあります。

これもドローン?ドローンと呼ばれる定義はあるの?

ドローンの定義は日本では航空法で定められており

「飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船であって構造上人が乗る事ができないもののうち、遠隔操作又は自動操縦により飛行させることができるもの」※200g未満の重量(機体本体の重量とバッテリーの重量の合計)のものを除く

※2022年6月20日より重量が100gに変更となりました

 

難しい言葉ばかりですが簡単に言うと「空を飛べるが人が乗って操縦しない機体で遠隔操作や自動操縦ができるもの」です。

これに当てはまるものを航空法では「ドローン(無人航空機)」と言います。

 

ドローンと言えば一般的に広まっているのはこのような形ですが

dji-phantom-4

プロペラが無くても上記に当てはまれば「ドローン」と呼びます。

 

ですが最近ではこの定義に当てはまらないものでもドローンと呼んでいたりと、この定義が通用しなくなっています。

人が乗れるドローン、それはヘリコプターなのでは。

水中を移動するドローン、もう空を飛行すらしていません。

ドローン以外の名称

ドローンには他の名称があり「マルチコプター」とも呼んだりします。

マルチコプターとはヘリコプターの一種で、3つ以上のローターを搭載した回転翼機のことです。

マルチコプターにも種類があり、4枚プロペラのものを「クアッドコプター」、6枚プロペラのものを「ヘキサコプター」、8枚プロペラのものを「オクトコプター」と呼びます。

【おまけ】これもドローン!?珍しいドローンたち

世の中には空撮を行うだけでなく様々な目的でドローンが開発されています。

一般的なドローンを想像しているとありえないような形にその機能。

そんな珍しいドローンをご紹介。

宇宙ステーション向けに開発されたドローン

ガンダムに出てくるハロみたいな見た目。

JAXAが開発した宇宙ステーション向けに開発された自立移動型ドローン「Int-Ball」で、筑波宇宙センターから遠隔操作で、写真と動画を撮影します。

大きさは直径150mmですが、31mmという極小サイズの中に「誘導制御計算機」「6軸慣性センサー」「3軸ホイール」の3つが搭載されています。

 

開発理由は、宇宙飛行士を癒してくれるハロみたいなマスコットとして・・・ではなく、宇宙飛行士は1日の作業時間のうち1割を状況報告・業務報告を地上の管制センターに伝えるために撮影作業に費やしています。

限られた時間しか宇宙ステーションにいられない宇宙飛行士にとって、これは大きな時間ロスになるので、そのため代わりに作業をしてくれる「Int-Ball」が開発されました。

世界一軽い!?昆虫型ドローン

昆虫型ドローンRoboBee

昆虫みたいな羽が付いたドローン「RoboBee-X-Wing」

ハーバード大学の研究チームが開発した約2㎝の薄い羽根を4枚搭載した小型ドローンで、全長は10cm程度ありますが、その重量は259ミリグラムと1円玉以下の重量なのです。

また太陽光パネルを機体上部に搭載しており、光を浴びることで飛行に必要な電力を供給しています。

外部電源からの供給なしで昆虫サイズのロボットを飛行させるのは困難とされていましたが、電子機器の軽量化や羽の推進効率を上げて単独飛行を実現。

飛行時に消費する電力は110~120ミリワットで、ハナバチくらいの推力の効率に匹敵するそうです。

ついに人の手でUFOが完成!?

ufo-drone

このUFO型ドローンはルーマニア国立航空研究所の科学者たちによって設計されたもので「ADIFO」(All Direction Flying Object)と呼ばれています。

機体の内部には電気ダクトファンが4つ搭載されていて、垂直に離陸、低速で操縦できて、機体にあるノズルから空気を噴射し動きを制御しているそうです。

またUFO型にすることによって、流れ場の中で速度がゼロになる「よどみ点」がなくなり、ソニックブームも発生せず、空気抵抗による発熱も少なく良い事尽くめとなるそうです。

ドローンが飛行する仕組み

ドローンが自由自在に移動出来たり、どうして浮かぶのか考えたことはありますか。

プロペラが回っているから浮かぶ。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。

 

ではドローンが浮かぶ仕組みがわかったところで、どうやって自由自在に動いているのでしょうか。

飛行機は翼の角度を変えて揚力を調整して飛行し、ヘリコプターは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。

ではドローンはどのようにして飛行しているのでしょうか?

 

答えは「各プロペラの回転数を変えているから」です。

ドローンの多くは下記画像のように4つのプロペラが付いています。

mavic2-pro

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。

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消しあっています。

なかには3枚プロペラの特殊なドローンもありますが、基本的にドローンは偶数枚のプロペラで作られています。

ドローンに搭載されている機器

ドローンには沢山の種類がありますが、まずは多くのドローンに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で様々なセンサーなどが搭載されています。

【ドローンに搭載されている機器】GPSセンサー

gps

GPSと聞くとカーナビやスマホなどで、現在位置を検知してナビなどをしてくれるイメージですが、ドローンでも現在位置を検知してくれるという点では変わりありません。

アメリカの「GPS」、ロシアの「GLONASS」などの衛星の電波を受信し、それらを統合してドローンの正確な位置(緯度・経度・高度)を算出します。

 

位置を算出することで、ドローンが風などの影響で動いてしまった場合、元の位置に戻そうとすることで飛行の安定化や、自動操縦機能が使用できるようになっています。

なのでGPSの電波が途切れてしまうと、自動操縦機能が使用できなくなったり、飛行が不安定になってしまいます。

【ドローンに搭載されている機器】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て、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はほとんど搭載されていませんが、高価なドローンには安全性を高める為ほぼ搭載されています。

【ドローンに搭載されている機器】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。

【ドローンに搭載されている機器】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て高度を維持してくれています。

安価なドローンであれば地上に近い場所や、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が、現在ではおもちゃのようなドローンにも当たり前のように搭載されています。

【ドローンに搭載されている機器】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を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で飛行させるときや、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。

【ドローンに搭載されている機器】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。

スマホにもジャイロセンサーが使用されており、スマホを横にすると画面が横向きになる。

これもジャイロセンサーで傾きを検知し行われているものです。

ジャイロセンサーの歴史

ジャイロセンサー自体が発明されたのは1817年で、現在は機械式ジャイロセンサーと呼ばれています。

ジャイロセンサーを使用した飛行機の操作の自動化の歴史は意外に古く、飛行機の発明からわずか11年後の1914年にローレンス・スペリーによって実現されています。

このときの飛行機は固定翼機(羽が動かない飛行する物)でしたが、ドローンと同じ回転翼機(羽が動く飛行する物)と操縦技術は1940年に確立されました。

この時点で使用されているジャイロセンサーは機械式ですが、現在のドローンには振動式ジャイロセンサーが使用されています。

ジャイロセンサーの種類

ジャイロセンサーの種類には「機械式ジャイロ」「振動式ジャイロ」「光ファイバージャイロ」の3種類があります。

 

一番歴史が古いのは機械式ジャイロセンサーですが、回転しているコマが姿勢を変えない性質を利用して傾きを感知しています。

機械式ジャイロセンサー

 

振動式ジャイロセンサーですが、スマホなどにも内蔵され広く普及しており、ドローンに使用されるジャイロセンサーも振動式が主流となっています。

振動式ジャイロセンサー

回転により検出アームの振動運動量が振動に対して非対称に変化するので、その変化量で傾きを感知しています。

 

光ファイバージャイロは巻いた光ファイバーの両端からレーザー光を入れて、左回りの光と右回りの光の干渉を利用し傾きを感知しています。

地球の自転や公転までわかるほど高い精度をもっています。

しかし小型化が難しく高価なため、大型のドローンや潜水艦などに使用されています。

光ファイバージャイロ

ジャイロセンサーが無いとドローンはどうなる?

ジャイロセンサーがないとドローンは平行を保つことができません。

ドローンは進んでるいる方向に傾きますが、進行を止めても傾きはもどりません。

また風などの影響でドローンが傾いたとしても、傾きが感知できないので傾いたままです。

このように様々な影響でドローンが傾くので、どれだけ傾いたかを感知して、平行に戻すためにジャイロセンサーは役立っています。

【ドローンに搭載されている機器】加速度センサー

加速度センサーは速度の変化を感知するセンサーです。

ジャイロセンサーは厳密には傾きではなく「角速度」を感知しています。

角速度とは「物体が回転する速度、すなわち単位時間あたりの角度移動量」で、どれだけ角度が移動したかを測っています。

本当の意味で傾きを測っているのは「加速度センサー」で、ドローンではこの2つを合わせて6軸センサーと呼ばれており、ジャイロセンサー3軸、加速度センサー3軸の合計で6軸です。

軸の向きですが人の動きで例えると、前転する向きが「ピッチ軸」、側転する向きが「ロール軸」、垂直方向の回転(その場で回る)が「ヨー軸」となります。

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