初めてでも出来る!ドローン自作初心者のための最低限の必要知識

2016/10/03

Let's make Drone_mini

誰だって最初は初心者!自作ドローンにチャレンジしよう

ドローンの自作といっても、フレームやモーターから自分で作るとなると、かなりの知識が必要となります。しかし、パーツを購入して組み立てるのであれば、初心者でも作成は十分可能です。イメージとしては大人版ミニ四駆といった感じでしょうか。

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ここでは、完成品パーツを購入してドローンを組み立てることを目標とした場合に、最低限必要となるドローン知識をご紹介します。ぜひとも自作ドローンを組み立ててみたいと思っている方には、チャレンジしてみてほしいですね。

また、ドローンの仕組みやパーツの理解は、自作ドローン以外でもドローンユーザーとしては役に立つ知識となるので、ドローン初心者の方は一度目を通していただけると幸いです。

ドローンの仕組み

ドローンの基礎知識

ドローンとは、「無人で操作可能な飛行機体」のことで、無人航空機(UAV:Unmanned Aerial Vehicle)とも言います。はじまりは、戦争での特攻兵器や偵察兵器として進化してきましたが、現在では農薬散布や測量・観測など産業用途で目覚ましい進歩を遂げています。

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ドローンは複数のプロペラで飛行するためマルチコプターと呼ばれます。一般的に世間に認知されているドローンは、4枚のプロペラで飛行するタイプですが、実はプロペラの枚数によって、マルチコプターの呼び名が決まっています。

プロペラ数 名称
3 トライコプター
4 クアッドコプター
6 ヘキサコプター
8 オクトコプター

ドローンの飛行原理

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ドローンが飛行する原理は、飛行機と同様に「揚力」という上方向に作用する力を利用しています。この揚力は空気を流れる風が、翼の形状から速い風と遅い風に分断されることにより、発生する圧力差から得られる力のことです。

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4つのプロペラが回転することで、それぞれのプロペラの翼が揚力を発生させて、ドローンは空を飛ぶことができます。もし仮に4つのプロペラがすべて同じ方向に回転している場合、ドローン自体が回ってしまいます。これを反トルク作用と言います。

しかし、隣同士のプロペラを逆向きに回転するようにすると、反トルクを打ち消しあうため、機体は回転せず、上向きの揚力だけ得ることができます。

方向転換の原理

ドローンの方向転換は、4つのプロペラによる揚力の強弱によって行います。これはプロペラの回転数を調整することによって、プロペラから発生する揚力をコントロールしています。

例えば前方に進むためには、前側のプロペラの回転数を落とし後ろ側の回転数を上げることで、前傾姿勢をとり前に進むことができます。

ドローンはこのようにプロペラの回転数を調整することによって、機体制御を行っています。

ドローンを構成する部品

フレーム

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フレームはミニ四駆で言うシャーシにあたる部分です。選ぶ際に考える点はサイズと素材です。

フレーム名には「○○○250」「△△△330」と言ったように、そのフレームのサイズが表記されます。この数字の意味は、対角線のモーター間の長さ(mm)を意味しています。

サイズが大きいほど、大容量のバッテリーや高出力のモーターなど多くのパーツを積むことが可能になりますが、その分重量も増えるので注意が必要です。

現在、ドローンレースで主流なのは、210~250mmクラスの比較的小型なフレームが選ばれています。フレームの素材は、安価なものではナイロン製、高価ですが強度があるのはカーボン製になります。

モーター

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ドローンではモーターに直接プロペラを取り付けるため、1つのプロペラに対し1つのモーターが必要となります。そのためクアッドコプター作成には、4つのモーターを用意することになります。

モーター名にある「○○○2306-2150kv」という数字は、モーターサイズと出力を表しています。前半の2306は直径23mmの高さ6mmということを意味しています。後半の2150kvというのはモーターのkv値を示しています。

モーターで大切なのは、フレームに対応したkv値のものを使うということです。kv値とは、1Ⅴ当りの回転数のことで、2150kvは1Ⅴの電圧で2150回転するモーターであることを意味します。フレームサイズによって、搭載できるモーターのkv値が決まります。

プロペラ

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当然プロペラは4枚必要となります。先ほどプロペラの回転方向は、隣り合うもの同士が反対方向になるようにすると説明しました。そのため、実は同じように見える形状ですが、時計回り(CW)と反時計回り(CCW)の2種類を2枚ずつ用意する必要があります。

プロペラのサイズの見方は、インチ表記になっています。例えば5×3サイズは、直径5インチで、1回転当り3インチ進むプロペラであることを示しています。5×3サイズは、プロペラには5030と印字されている場合が多いです。5030の後に「R」と書いてあるものは、時計回り(CW)のプロペラという意味です。ちなみに印字されている面が表側となるので、裏表にも注意しましょう。

ESC(Electronic Speed Controller)

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ESCとは、Electronic Speed Controllerの略で、モーターの回転数を制御するパーツです。フライトコントローラーからの信号を受けてモーターへ制御信号を送る役割を持っています。このパーツはモーター1つにつき1つ必要となるので、計4つ必要となります。

右上画像の場合、バッテリーから電源を供給するためのケーブル2本(太い赤と黒)、FCSにつないで信号受信するためのケーブル3本(まとまった細い赤・黒・白)、モーターにつないで回転制御するためのケーブル3本(青3本)の計9本のケーブルがでています。

フライトコントローラー(FCS)

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フライトコントローラーとは、ドローンの脳にあたる部分です。このパーツはミニ四駆に該当する部分はなく、ドローンが自由にフライトすることができる基幹パーツです。パソコンでいうOSのようなものと例えて考えるのが分かりやすいでしょう。

OSにMACやWINDOWS、LINAXがあるように、フライトコントローラーにもいくつも種類があります。レース用ドローンで使用される代表的なものは、「NAZE」「MultiWii」「OpenPilot」があります。

それぞれに特徴があり、設定方法なども異なっていますが、上記のなかではOpenPilotが比較的、設定方法が容易のため初心者向けだと思います。

送信機・受信機

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送信機とはドローンを操縦するコントローラーのことです。その信号を受け取ってドローンのFCに伝える役割を持つのが受信機です。送信機と受信機は、チャンネル数が4CH以上で、お互いに対応するものを用意します。

バッテリー

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ドローンのバッテリーには、リポバッテリーを使用します。リポバッテリーは、大容量で高出力が特徴ですが、扱い方を誤ると大変危険な電池なので、取り扱いについては、十分に注意してください。

関連記事:リポチェッカーの使い方を覚えよう

FPVカメラ

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FPV視点でのドローン操作をするために必要となるのは、「ドローンに搭載するカメラ」と「カメラからの映像を送る送信機」「映像を表示するモニター」の3つです。

モニターには、自分の頭に固定するゴーグルタイプとプロポに固定するディスプレイタイプの2つがあります。ドローンレースでは、ゴーグルタイプが主流となっています。但し周りが見えないため、初心者の場合にはディスプレイタイプを選ぶこと推奨。

モニター選びでは、まずはCCDとCMOSのどちらのセンサーにするかから始まります。基本的にはCCDの方が高価で、高画質な映像を映すことができます。しかし最近ではその差は、かなり小さくなってきているようですので、あまり気にしなくてもよいのかもしれません。解像度はTVLで表され、FPV用では600~700TVLが一般的です。

最後に

ざっと初心者向けにドローン自作に必要な知識をご紹介しました。パーツ数が多く、初めはよく分からないかもしれませんが、その都度、ネットで調べながら理解を深めていってください。

もちろん当ブログ「ドローン革命軍」では、初心者でも自作ドローンを完成させられるよう解説記事をどんどん書いていきますので、一緒に自作ドローンにチャレンジしましょう!

ドローン自作記事:ドローンレース入門

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