ドローンのA to Z !ドローンの基本から丸わかりガイド

DJI Matrice 100
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ドローンは事件や事故を起こすだけのネガティブなツールではなく、これまで人間には見えなかった「新たな視点」を提供し、「輸送」や「測量」という領域まで範囲を拡張し、どんどん便利な世の中へと導いています。

そして今「ドローン」はスポーツになりつつあります。野球やサッカーのように、プレイヤーだけではなく、観戦者も楽しめるのが本当のエンターテイメントであり、それを一部の愛好家だけで楽しむには非常にもったいないです。

この記事では、ドローンの基本的な特徴や歴史から、どのように利活用がなされているかなど、「これだけ見ればドローンを語れる」ような内容を掲載することにしました。これがきっかけでドローンに興味関心がより高まれば嬉しいです。足りない部分は、随時追記更新していきます。

ドローンとは何か?

ドローンとは

Drone = オス蜂の意味

ドローンとは、無人で遠隔操作や自律制御によって飛行できる航空機の総称です。ドローンは英語で「Drone」ですが、「オス蜂」の意味を持つ単語であり、「ブーン」という羽音から転じて無人航空機を指すようになったと言われています。

無人で飛行することから、英語圏ではUAV(Unmanned Aerial Vehicle)やUAS (Unmanned Aircraft Systems)と呼称されることが多いですが、Droneと同義と考えている方が多いです。


ドローンとラジコンとの違い

ラジコンヘリ日本では古くからラジコンを趣味として遊ぶ人が多くいます。ラジコンカーやラジコンヘリなど一部の愛好家の間では今でも根強い人気があります。

ラジコンは正式には「ラジココントロール(Radio Control)」の略であり、無線電波を用いて操作を行うことを指します。プロポや送信機と呼ばれるコントローラーを用いて、機体の操縦を行います。

このように遠隔操作が可能な点から、ラジコンヘリもドローンの一つであるということもできますが、便宜上ラジコンヘリをドローンと呼ぶことはしていないのが現状です。

ドローンの歴史

ドローン製造工場で働いていた過去があるマリリンモンロードローンやラジコン技術をもとにした軍事利用は数十年前から利用されています。古くは第二次世界大戦の時からであり、当時マリリンモンローがドローンの製造工場で働いていたというのは有名な逸話です。また、「無人暗殺機 ドローンの誕生 (文春e-book)」によると、2001年9月11日の米同時多発テロ事件後はドローンによる攻撃が加速し、かのビンラディンの暗殺計画にも利用されていました。

高度5km〜10kmなどの高高度から地上の敵地を見るための偵察機や後の「RQ-1 プレデター」のように、ヘルファイアミサイルを搭載した攻撃機などがつくられ、見通し距離を長くするためのイノベーションが長年に渡り起きてきました。

そのような20世紀の技術が数十年経ち、徐々に民間企業へとおりてきました。2006年には、2015年現在ドローンの販売シェアNo.1の「DJI社」が設立されています。さらにドローンのムーブメントを作り上げてきたParrot社が2010年のCESで発表した「AR Drone」が衝撃的なデビューを果たしたのが6年前になります。

まだiPhoneが発売して2年ほどの2010年という時期に、iPhoneでWi-Fiを用いてコントロールするドローンが登場しました。そして底面に搭載されたセンサーによる自動ホバリングや自動離着陸などこれまでのラジコンとは異なる自動制御型のドローンとして注目を浴びました。

2015年はドローン元年となり、一部のテクノロジーを利用する人から、より一般消費者にも浸透し、気軽にドローンを購入したり、実験したりすることができるようになりました。

ドローンのタイプ

ヘキサコプター

現在多くの人が認知しているドローンは「4枚の羽がついた30cm前後の飛行物体」です。ドローンには様々なタイプがあり、「4枚羽のクアッドコプター」「6枚羽のヘキサコプター」「8枚羽のオクトコプター」など複数の羽(ローター)で飛行するものをマルチコプターと総称します。

また、他にも旅客機のような「固定翼」といったタイプや、マルチコプターと固定翼の「ハイブリッド型」、そして最近では、水中を遠隔操作で動く「水中ドローン」も登場してきています。

マルチコプターは、極端に言うとプロペラの回転数を調整するだけで、機体のホバリングしたり、前進後退を行うことが可能なシンプルな構造が特徴です。

一方、固定翼機やヘリコプターは、エンジンやプロペラの回転に加えて、翼やプロペラ部分の角度(迎え角)を調整することにより、浮力などを調整している分、複雑な設計となることが多いです。

これらは一長一短であり、速度や燃費などを考慮すると固定翼が良いケースであったり、静止した状態が不可欠な場面ではマルチコプターなど用途によってドローンの使い分けが行われます。

ドローンの飛行原理

クアッドコプターのモーターの回転方向マルチコプター型のドローンは複数の回転するプロペラから発生する揚力をもとに飛行します。

しかし、プロペラが回転するときに、トルクの反作用が生じるため、機体が不安定になってしまいます。マルチコプターなどの航空機では、隣同士のプロペラ回転を反対にすることにより、このトルクを打ち消す仕組みとなっています。

上述のように、マルチコプターはシンプルな構造が特徴であり、プロペラの回転数を調整することにより前後左右に移動することが可能です。例えば、前方方向の回転数を落とすと前進します。

さらに、GPSや超音波センサーなどの各種センサーを用いて機体の安定性を高めていますが、これも安定した位置に居続けるための回転数の調整をしているともいえます。

ドローンの構成パーツ

機体タイプにより異なりますが、マルチコプター型ドローンに搭載されるパーツはやや限定的で用途に応じて各種センサーが搭載されるなどがありますが、

基本パーツとしては、「プロペラ/モーター/ESC/フライトコントローラー/受信機/センサー/バッテリー/記録媒体」となります。

マルチコプター電源供給と全体像

マルチコプター電源供給と全体像

マルチコプター型ドローンの全体像の流れを説明すると、まず「プロポ(=送信機)」から上昇下降・前進後退などの指示を受けます、指示を受けたフライトコントローラー(脳の部分)は、各種センサーや演算処理をして、モーターがどのような回転をするかを伝達します。

フライトコントローラーから受けた命令をESCでコントロールしモーターを回転させます。ドローンが飛行している間は基本的に、フライトコントローラーは飛行時の傾きや角度など様々な情報を検知し演算することで、再帰的にモーターへと回転数の命令をしつづけます。

この「様々な情報」の中にGPSや気圧、加速度や角速度、超音波などの様々なセンサーが活用されているという原理です。以下、個別に説明していきます。

プロペラ

プロペラドローンで利用されるプロペラは、浮力を生み出す重要な役割をにないます。プロペラを選ぶ際に「5030」や「3020」「9045」などの数字や、「5×3」や「3×2」、「9*4.5」など記載されていることがありますが、こちらはインチとピッチ(一回転で進む距離)を表しています。例えば、5030(=5×3)プロペラの場合は、5インチの3ピッチと読み替えることができます。

また、ドローンで良く使用されるプロペラの材質は、「プラスチック」、「カーボン」、「ABS樹脂」などありますが、業務用途や利用頻度などによって異なってきます。ホビードローンやレース用ドローンなどでよく使われているのは、プラスチックやABSの材質のプロペラです。

ESC(Electronic Speed Controlle)とは

ESC(Electronic Speed Controller)ESCとは、Electronic Speed Controlleの略です。昔からラジコンをやる方の中には「アンプ」と呼称する人もいますが、ESCはフライトコントローラーや受信機から受けた命令をもとに正しい電圧でモーターの回転スピードを調整しているパーツです。

ESCにはBECがついているものとついていないものがあります。BECとはBattery Elimination Circuitの略で、電圧を降圧する役割があります。ESCにBECが内臓されている場合は、この降圧した電力をフライトコントローラー、もしくは受信機の電源として利用することができます。

UBECとは

UBECUBECは、universal BECの略で、ESCにBECが内臓していない場合に利用することがあります。役割はBECと同様で、電圧の降圧などしてくれるパーツです。

このように電圧の流れを意識することは、ドローンを自作したり組み立てる上で重要なことです。当然ながらドローンで利用する電子部品は全て電力が必要です。

電力源となるのは「リポバッテリー」です。そのリポバッテリー(2Sなら7.4V、3Sなら11.1V)からひとまずパワーボードに電力を供給します。ここから必要な電圧(機器によっては5Vや12Vなどある)を各機器に渡す必要があります。大抵のフライトコントローラーや受信機は5Vが必要となる(12Vでは大きい)のでBEC付きのESCやUBECを用いて降圧する必要があるのです。

最近はパワーボードなどにBECが内臓されている場合があるので、UBECを利用しないで、そちらを利用するのも一つでしょう。

モーター

diy-motorドローンに利用されるのは「ブラシレスモーター」というモーターが一般的です。飛行時の重量や電圧、そしてプロペラによって推奨されるモーターはかわります。

モーターには、KV値という値があります。KV値とは電圧1Vで1分間に回転する数を表します。この回転数によって、上述のプロペラピッチを調整したりする必要が出てくるのです。

電力・バッテリー

リチウムポリマーバッテリー(リポバッテリー)ラジコンヘリなどではガソリンエンジンを動力とすることがありますが、空撮機やホビー用途などを中心としたマルチコプター型ドローンに利用される電力の多くは「バッテリー」が利用されます。中でも「リチウムポリマーバッテリー」が主流です。

現在のバッテリー効率では、5分〜20分ほどの飛行を行うドローンが一般的です。また寒さに弱いため、雪のふる冬の時期などは電圧の低下が発生しやすく、取り扱いにも注意が必要なケースがあります。

バッテリーの容量や重量に対して飛行可能な時間が限られてしまうため、水素電池などの代替電池の開発や、無線給電などの給電方法の技術革新なども起きており、これから益々改良されていく領域です。

フライトコントローラー(FC)

DJIのフライトコントローラーフライトコントローラー(FC)はドローンの中核部分、つまり脳の部分です。パソコンやスマフォでいうOSであり、各種情報をもとに演算処理を行い、機体の飛行を指示したり様々な情報を送受信することができます。

コントローラー(プロポ)との接続が切れてしまったら自動帰還するといったフェールセーフ機能もフライトコントローラーの中に組み込まれている機能です。

フライトコントローラーは種類が豊富であり、業務やレースなど用途に応じて使われているのが現状です。また、dronecodeというLinux財団がサポートするオープンソースプロジェクトが行われており、こちらも継続的な発展が続いている分野です。

送信機(プロポ)と受信機

フタバのT14SGとT10Jドローン本体を手動で操作する場合に利用するのが、プロポやトランスミッターと呼ぼれる送信機・コントローラーです。基本的に送信機は受信機と対になっており、受信機をドローンに装着させます。

なお、ドローンの機体の操作やテレメトリー情報の通信に利用されているのはWi-Fiと同じ帯域である2.4Ghz帯の無線電波です。この2.4GhzはISMバンドといい多くの電子機器で利用されている帯域です。混信や干渉をさけるためにも、ドローン専用の周波数帯を設置する動きが求められます。

VTX(ビデオ送信機)とVRX(ビデオ受信機)

FPVに利用するビデオ受信機内蔵のゴーグル ドローンの機体操作と同様にカメラの映像も無線電波で送受信を行います。CCDやCMOSカメラの映像をビデオ送信機に伝送し、それを無線電波でゴーグルなどの受信機で受信します。

この際に利用される周波数は1.2Ghzのものや2.4Ghz、5.8Ghzなど様々ですが、原則無線送信には免許が必要です。(2.4GhzのISMバンドは免除)

ドローンの利用周波数

有線で電源を供給しながら操作する機体もありますが、ドローンの多くは無線電波で機体をコントロールします。その際に利用される電波の周波数帯ですが、業務利用かホビー利用かで大きくわかれますが、Wi-Fiと同じ2.4Ghzの電波は一定の出力までであれば無免許で利用できる帯域であり、商用問わず多くのドローンに利用されている周波数帯です。

ドローンと無線通信するときの内容は、「機体の操縦」と「映像の送受信」の大きく2つに大別できます。前者の操縦には、上述の2.4Ghz帯が使われることが世界的に見ても多いです。

後者の映像の送受信は、近年盛り上がってきたFPVドローンレースなどの映像伝送にも利用されますが、こちらは「非商用」のアマチュア無線で利用可能な5.8Ghz帯を利用することが一般的です。ただしFPVドローンなどで利用する場合は、「アマチュア無線免許4級」の取得と「ビデオ送信機の無線局開局」が必要となります。

商用利用を目的とした帯域ではないので空撮などの業務に利用することは違法となります。

総務省 5GHz周波数の利用状況

総務省 5GHz周波数の利用状況

商用に映像送受信用の帯域を利用する場合は、DJI社の提供する「LightBridge」など操縦も映像もどちらも同じ周波数帯で行う機器を利用するか、第三級陸上無線資格を取得して総務省へ無線局開局を行い1.2Ghzの帯域に対応するビデオ送受信機を利用するなどの手段もあります。

2016年現在、ドローン専用の周波数帯はない状況ですが、現在総務省と関係者により協議しているということです。

ドローンの活用

空撮

これまで人間には見れなかった「視点」を提供する空撮は、見る人を感動させることができます。新たな表現方法として、大学のカリキュラムにも導入されている事例もあるように、クリエイターやカメラマンには大変関心の高い表現手段となっている状況です。

測量

コマツとスカイキャッチ工事現場の着工前の測量など数cm単位の違いが見積もり額に大きな影響を及ぼすと言われています。この正確性が求められ時間のかかる作業にドローンを利用しようという動きがあります。

建設機械などを展開する日本企業のコマツがドローンメーカーのスカイキャッチと提携し測量分野に注力しているように、現在多くのドローンが測量でも活躍しています。

輸送

Amazon Prime AirAmazonのプライムエアを筆頭に、空の領域を利用した輸送を行いサービスの実証実験が既に始まっています。日本でも千葉市が規制緩和地域「国家戦略特区」に指定されました。

注文から30分以内にドローンによって運ばれる荷物。そんなわくわくするような構想が実現するのはそう遠くありません。このように、空の経路を利用することにより、物流の中でもまだまだマンパワーのかかっている「ラストワンマイル」の問題への解決にもつながる可能性が大きいです。

農業

ヤマハ発動機の農薬散布ヘリドローンがドローンとして注目を浴びる前より、日本で大変利用されていたのが「ヘリによる農薬散布」です。ヤマハ発動機の農薬散布ヘリは世界的なシェアとしてもトップであり、まさに農業分野でのパイオニアです。

農薬散布だけでなく、高精度カメラや各種センサーを利用して、農作物の状態監視などにも応用されようとしています。

災害時調査

災害時の人命救助など一刻も争う事態において、より迅速に救助者を発見することが求められますが、そこにドローンを活用することが消防や警察などにも検討されています。人が容易に立ち入ることができない場所へ向かうことは、二次被害を考えずにすむドローンの大変得意とする領域です。

先日の鬼怒川の洪水でもドローンを活用されました。

医療

AEDをドローンで運搬「交通事故などで心肺停止になってから8分半が経過すると、命が助かる可能性が大幅に減ってしまう。」このような場面にAEDを搭載したドローンを現場に輸送するなどのプロジェクトをHecatoncheirという団体が行っています。

先の、千葉市が行おうとしているドローン輸送でも、療用医薬品(処方薬)の宅配も視野に入れられており、現場に迅速に移動することができる長所を活かすことができそうです。

ドローンレース

FPVドローンレースなど、賞金が1億円を超えるスポーツイベントが世界中で開催されており、スポーツイベントとしてのドローンが今後益々注目されています。タイムアタックで競うだけではなく、人間には難しいと思われるコースを飛行したり、特別な演出を施した見事なエキシビジョンが実施されています。

もはやスポーツの一つとなりつつあるドローンレースは参加者が続々と増えています。

日本国内で開催されたドローンレース一覧

また、これまでに日本国内で開催された、開催される予定のドローンレースは以下です。

◯2015/1/25 @秋葉原 第1回 ジャパン・ドローン・チャンピオンシップ
日本ドローンレース協会主催

◯2015/4/5 @秋葉原 第2回 ジャパン・ドローン・チャンピオンシップ
日本ドローンレース協会主催

◯2015/9/6 @秋葉原 ドローンレース
Catalyst(MicroAd)主催

◯2015/11/7 @千葉県香取市THE FARM ドローンインパクトチャレンジ
Drone Impact Challenge 主催

◯2015/12/5〜6 @千葉県リソル姓名の森
日本ドローンレース協会主催

◯2016/2/14 @慶応義塾大学SFC
https://www.facebook.com/WDPJAPAN/

◯2016/3/26 @幕張メッセ
Drone Impact Challenge 主催

ダンス・演出

ドローンを予めプログラミングした上で、自律飛行させ、編隊飛行によるダンスをさせることも可能です。こちらの映像は、3人のダンサーと24機のドローンが共演した演出です。

ドローンの規制

改正航空法(通称ドローン規制法)

ドローン規制法のわかりやすい説明図

ドローン規制法のわかりやすい説明図

航空法が2015年12月に改正され、無人航空機(ドローン)に関する制限が初めて設けられました。これにより、ルールに違反した場合は罰金となるなどの罰則が設けられると同時にルールが明文化されることで、運用上の問題点などが顕在化されてきました。

ドローンの規制内容は、「飛行禁止区域」と「飛行方法制限」の大きく2つです。なお、規制の対象外となる条件は、「200g未満の機体」と「屋外、あるいは四方と上辺が囲われた場所」です。

飛行禁止区域

人口密集地域=DID空港などの既存の航空機の経路となる空域や高度150m以上においては、ドローンの飛行は原則禁止となります。また、今回新たな飛行制限場所となったのは、「DID=人口密集地域」です。

DIDとは、平成22年度の国勢調査による人口密集地域をもとに定義されたものであり、総務省の資料などから確認することも可能です。ドローンのシェアNo.1の「DJI社」でもマップ情報が提供されており参考になります。

飛行ルール

SKYZONEの3D対応ゴーグルモノの投下や輸送、また夜間の飛行や、FPVゴーグルなどを装着した目視外飛行なども禁じられています。つまり、FPVドローンレースは屋外で行う場合、原則禁止となります。もしも屋外で行う場合は、事前に国交省への飛行申請を行う必要があります。

飛行申請

無人航空機の飛行申請飛行禁止区域を飛行する場合や、飛行ルールを守ることができない場合は、国交省大臣の承認を受けることで飛行することも可能です。

空撮や測量業務など、上記の飛行ルールや飛行禁止場所でドローンを操作する機会は非常に多いため、多くの会社が申請対応を行い、国交省でも連日書類の審査作業を行っているということです。

なお、2016年1月現在、無人航空機の電子申請は開始しております。こちらの国交省のサイトより申し込みすることが可能です。

ドローンの機種

ドローン価格性能一覧表

おすすめドローンドローンには様々な機体があり、多くのメーカーが制作しております。およその価格帯やどのような機体があるかなど一覧にして一度確認してみるのが良いでしょう。

ドローン価格一覧表

ドローンはラジコンショップだけではなく、Amazonやドローンメーカーなどからオンラインで購入することが可能です。


ドローンの選び方

入門用・初心者用・プログラミング

崖をもよじ登るドローン ROLLING SPIDER ドローンをまずは入門用として購入される方は非常に多いですが、最初に購入するのであれば、カメラのついた安定飛行をするドローンがおすすめです。

特におすすめなのがParrot社のドローンであり、200g未満の小さいドローンから、高性能なカメラを搭載したドローンまで幅広くラインナップがあります。また、Parrot社のドローンはすべてSDKが公開されており、AndroidかiOSでアプリ開発などプログラミングを行うことが可能です。

初心者の場合、搭載センサーが少ない(自動ホバリング機能のない)ドローンの場合、うまく操作ができず墜落したり、フライアウェイ(遠くに飛んで行く…)することが多いです。2016年現在、これを行うとニュースにもなるでしょう。そのような心配が比較的少ない機体を選ぶのも重要なポイントです。


練習用

室内でのドローンの操作練習におすすめなのが「Hubsan X4 HD」既にドローンを所有していて、安定的に操作ができるように練習するためのドローンを購入するのも一つです。

屋内で利用可能な比較的小さな6軸ジャイロの機体がおすすめです。ここでは、あまり高性能なセンサーを乗せすぎず、自身のコントロールでうまく操縦できるようになることがポイントです。

世の中の多くのサイトや記事でおすすめされているのが1万円前後で購入可能なドローンです。「高性能」や「安定した飛行」と記載していることがありますが、初心者には必ずしも安定して飛ばせるものは限られています。1万円前後の安価なドローンはあくまで練習用として利用するのが良いです。


空撮用

Inspire 1空撮用のドローンとして世界中で売れているDJI社のInspire1Phantom3は高い品質の映像や静止画を撮影することが可能なドローンです。商用利用だけではなく、旅行に携行していく人も多くいらっしゃいます。

空撮業務に利用するのであればInspire1ははずせないアイテムです。


レース用

ZMR160ドローンレースなどを参加する場合は、既成品では中々柔軟な操作やスピード走行をすることは難しいため一般的には、フレームセットやモーター、フライトコントローラーなどを自分で調達し組み上げる「ドローンの自作」を行います。

機体のセットアップからチューニングまで行い、うまく走行するためには相当な練習量や経験が必要となります。しかし、ドローンレース自体がまだまだ黎明期であり、チャンスは誰にでもあります。

ドローン自作パーツ一覧


農業用や測量用

プロドローンの製品太陽光発電のパネル調査のためのサーモセンサーの搭載、測量用に利用するカメラや専用のソフトウェアなど業務用途によって搭載するセンサーや機器、またドローンの形状なども異なります。

そのため、用途に応じて組み上げる必要があります。ここでは、特定の業者などの記載はいたしませんが、お困りの方はお問い合わせフォームよりご連絡ください。


ドローンの可能性

まずはドローンを購入したり、レンタルしたりして実際に飛ばす体験をしてみるとニュースで受ける印象とは違ったドローンの一面を体験できると思います。ドローン体験会や各種イベント/勉強会なども定期的に開催されているため、ぜひ参加してみてください。

イベントなど最新情報があれば、Twitterで告知いたします。


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