ドローンの飛行原理が分かっていないと墜落を防ぐことはできない。

ドローンの仕組み

ヘリとドローンの見た目が似ているので、同類と思ってしまうと危ない。

1万円以内の安い機体は、自動制御の装置が少ないので操縦者が常にステック操作をしないと安定したホバリングさえできない。頻繁にステック操作をしていると操縦者が操縦している気分になれるが、実はそうではない事を知られていない。

飛ぶ原理は非常に簡単で、プロペラが回ることで浮く力を得、各プロペラのバランスを変えることで移動できる。

原理は非常に簡単であるが、実際には制御出来きず、なかなか実現しなかった。

墜落せずに飛行させるには4つなら4つのプロペラを個別に完璧に制御する必要があるからである。しかも、望んだ高度と方向に動かすなどとうてい無理。

ヘリと似ているが、ドローンの機体自体には飛行できる構造がない。

空中に浮かぶ

ドローンを空中に浮かばせるのは、プロペラが回転することで生じる「揚力」です。ドローンのプロペラをよく見ると、全て一定の角度がついていると思います。この角度があることによって、プロペラが回転した時の上面と下面の空気の流れるスピードに差が生まれ、上向きの力を生むように設計されているのです。

進行方向の制御

進行方向の移動の力は、傾いた時のプロペラの推力の分力による. ドローンの基本操作は、プロペラの回転数を個別に制御することによって実現されています。回転数の違いによって機体に傾きが生まれ、揚力の向きが真下ではなくなるため、横方向への力が生まれてくるのです。

ヘリもドローンも上下方向の揚力と水平方向の移動する力を機体を傾けることで制御している。

ただし、実際に働く力はもう少し複雑である。たとえば前進すると空気がローターやプロペラに入ってくるので流入する空気の量が増え同じパワーでも全体の推力が増える。

回転翼機のローターの揚力発生に、地面効果が影響する。ヘリコプターの場合、メインローター直径の約半分以下の高度を地面効果内 (In Ground Effect, IGE) 、それ以上を地面効果外 (Out Ground Effect, OGE) と呼ぶ。回転翼機や垂直/短距離離着陸機(V/STOL機)がホバリングする時、ダウンウォッシュが地面とローターの間で圧縮され、より少ない推力で浮上できる。しかし、地面と胴体下面の間で二次的な渦が発生し、一点上空でのホバリングを不安定にすることがある。

ヘリの場合は、ローターの動きがドローンのプロペラより遥かに複雑である。

ローターは、コレクティブピッチコントロールによって全体のピッチを変えるだけでなくサイクリックコントロールによって機体に対する前後左右の位置で変えることができる。これによって機体の右側の推力を大きくすると言うような不均衡な力を与えることができる。

これがジャイロ効果という強い機体の制御力のきっかけを作る。

その他にもローターは、軸の根元の関節で上下と前後に動くようになっている。上下に動くことでローターが停止しているときは垂れ下がるのをストッパーで押さえている。回転すると遠心力とローター自身の揚力で万歳するような鉢型になる。これによってローターの根元に掛かる力は上下動のヒンジを持ちあげる力になりローターを折り曲げる力が弱くなる。

一方ドローンのプロペラは単純に固定された形状で人が乗る飛行機のプロペラに多い全体のピッチさえも変えずに固定でメカとしてはこれ以上ないくらい簡単である。

簡単であるので製造コストがとんでもなく安く済む、その代わりに恐ろしく複雑なプロペラのコントロールが必要となる。

自転(ヨー)の制御

ローターでも、プロペラでも回転して空気を押すものは、その反作用として反トルクと呼ばれる回転方向と逆向きの力を受ける

作用と反作用は空中で働く力でも起きるの。

ヘリはローターがひとつなので、テールローターで横向きに風を送ってこの反トルクをキャンセルする。

この反トルクの大きさはメインローターの操作に直結して変わるので、普通のヘリはメインローターとテールローターはローターを変速機で介して直結させて完全に同期させて制御の信頼性を上げている。

とはいえパワーが変わるたびに反トルクは変わるのでメインローターの操作のたびにテールローターの効きを調整する必要がある。

前進中は尾翼が付いていることなどからテールローター以外の機体の向きをまっすぐする力が働くが、ホバリング時にはテールのコントロールを目いっぱいしなければならない。

テールが木などに接触するとくるくるとすぐに墜落するくらい重要な操作である。

ラジコンの場合は大きさが小さいため人力で操作するのはほぼ不可能で模型のヘリが何とかまともに飛ぶようになったのはテールの制御をジャイロセンサーを使って自動で行うようになってからである。

このテールローターでもう一つ面倒なのが横に風を送っているので当然機体を真横に押す力が働くことである。

ヘリがホバリングしようとしても機体が水平だとこれによってずるずると横に押されて動くので、機体を傾けてこの動きをキャンセルしなければいけない。

この傾いた状態が正しいというのは普通の神経の持主にとって相当奇妙な状態である。

しかし、人間は偉いものでそのうち慣れる。

メインローターをふたつにして逆向きにまわせば反トルクは相殺されて簡単に自転が止まるし、ホバリングのとき機体を傾けなくても良い。

これがトイヘリに多い同軸二重反転式のローターである。

上の写真、米国のヘリコプターメーカーであるシコルスキー・エアクラフトは、米陸軍の将来型偵察攻撃機(FARA)プログラムに基づき、現行の軽攻撃偵察ヘリコプターの後継機として、この独創的で高速な「S-97 RAIDER」を売り込もうとしている。PHOTOGRAPH BY ERIC ADAMS

オモチャのヘリは、機械工学の安全性でみたら全く基準を満たしていないが、墜落しても大丈夫という前提で成り立っている。人が乗るものはパイロットがいなくなると困るので、シングルローターのヘリと同じ複雑な仕掛けを上下2段に乗っけている。

コレクティブとサイクリックのふたつのコントロールは上下のローターで行なっていてシングルローター機と変わらない。

自転(ヨー)の制御はトイヘリでは上下のローターの回転数を変えて行っているが、人が乗るヘリでは電子デバイスに頼るような危険な真似はせず、ちゃんと上下のピッチを変えて反トルクの強さを変えることで行っている。

このローターを前後に並べても反トルクを相殺できる。

同軸でなくても重心周りに反トルクのモーメントが等しければ良いのである。

ローターが離れているので上下(ピッチ)の安定に優れた大型機に適している方法でタンデム型と呼ばれて輸送用の大型ヘリに多い。

重量を二か所で支えているので地上への風圧も軽減できる。

欠点はピッチ方向の運動性能が悪いことで、機敏な動きは期待できない。

二つのローターは当然逆回転である。また、ふたつのローターはシャフトで直結しているので壊れない限りふたつのローターはちゃんと同期して回転する。制御は普通のヘリと同じでサイクリックとコレクティブ制御で行う。 自転(ヨー)の制御は前後でピッチを変えたら前後に傾くのでサイクリックコントロールで揚力不均衡を起こし右に回るなら前は左を強くし、後ろは右を強くする。 このとき、単純な揚力不均衡だけでなく後で述べるジャイロ効果によってしっかり固定されているわけではないローターを傾けることも利用しているのだろう。

さてマルチコプターの制御の基本はヘリと同じでタンデム型を2組(もしくはそれ以上)装備したような見掛けだが、機体を傾ける力を得る方法は全く異なる。

ヘリの場合は、ピッチを変えて大きくて重いローターのジャイロ効果を使って機体をしっかり制御できる(自転は別)。
ドローンは、プロペラの回転数を変えることによる各プロペラの推力のアンバランスで機体を制御する。

(この違いを理解するには、運動を時間で捉えることが必要になる。
これは微分と積分の考えが必要になるということだが、このニュートンが最初に体系化した考えは常識的なことをわかり易くまとめただけのことで、受験用の数学のようなたまたま解ける場合を解けというような理不尽なものではない)

このドローンの簡単な仕組みは製造コストは恐ろしく安いが、制御するのも恐ろしくシビアで難しい。
このためにドローンが実用化するのは電子デバイスとモーター、バッテリーの性能が上がった21世紀になってからである。

端的に言ってしまえば、ドローンを墜落させずに飛ばしているのは人間でも機体の構造によるものでもなく電子デバイスの支配のもとで墜落しない範囲で操縦させてもらっているのである。
人間はこの仕組みを安定して操作できるほどの処理速度を持っていない。

安定性

飛ぶ上で安定性があれば、簡単には墜落しないので安心である。
ドローンの安定性はどういうものか他の航空機との比較して考えよう。ドローンの特徴的な部分である。

有翼機(飛行機)

飛行機は機体の構造自体が自律安定性を持っている。
そのため真ん中が少しくぼんだお盆でボールを操るのと同じで、ほぼ水平に保持しておけば放っておいても真ん中でボールは落ち着いてくれるので、余計な操作をしない限りボールが落ちない。
飛行機は余計な操作をしない限り、機体の状態がまともでトリムなどの設定がまともなら墜落しないようにできている。
この自律安定性の仕組みはざっくり言えば重心に対して翼の働きが常に水平飛行に戻るような力になるように全翼の構造を決めることで得られている。
そのためのエネルギーは対気速度から得ている。
当然対気速度が落ちれば揚力が不十分になり自律安定性が働かなくなり墜落に向かう。

人が乗る飛行機はこの自律安定性がないと飛行許可が降りない。
姿勢と対気速度に注意してれば安定して飛んでくれるので簡単である(それ以外のちゃんと飛ぶための機体のチェックや地上との交信の方が大変)。

ラジコン飛行機がよく墜落するのは、遠くから見て機体の姿勢と対気速度を判断しなければならないからである。
またラジコンの機体は耐空証明がいらないので、そもそもその機体が安全に飛ぶようにできているとは限らない。
特にスケール機は重量や力がスケールに比例して変わらないため忠実にスケール化すると安定性が失われる機体になりがちである。

ヘリ

ヘリは、先に述べたようにメインローターはバンザイするようにコーンニング角が付いてくれるし、前進中は、尾翼がまっすぐ飛ぶための役に立ってくれる。前進中は飛行機と大して変わらないらしい。
もっとも操縦桿から手を離したらゆっくり傾いて墜落していくのをしっかりと実演してくれたので飛行機より安定性は無いのは間違いない。

ホバリング中は自律安定性がずっと小さくなる。
常に外乱に対して(自分の操作含む)カウンターの操作を打つことでバランスを保つ必要がある。
お盆とボールの例で言えば平らのお盆のようなものである。

ラジコンは小さいので実機よりさらに機敏に操作しないと間に合わないので、テールローターだけは自動で制御させるのが普通である。
さらにスタビライザーなどと呼ぶ安定化装置で外乱から左右と上下の傾きを守るのが普通である。
スタビライザーのおかげでボールが転がる速度がゆっくりになる(お盆が大きくなると考えても良い)。

電子式のものが実用化される前は機械式のベルヒラー式という巧妙な仕掛けが良く使われていた。
これはスタビライザー用の錘の付いたフライバーと呼ぶものが自由に回転するようにローターの下に付いていて機体が傾いてもこのバーは慣性により元の回転面を維持しようとするのを利用して舵を逆に切ることで外乱をキャンセルする。
人が操作した動きは巧妙な仕組みでフライバーの傾きに関係なくサイクリックコントロールからの動きはそのまま伝達していた。

人が乗るヘリの大きさではこういったものが無くてもパイロットの頑張りで何とか飛ばせることがわかり、効率の悪いヘリはこういった装置の負荷でも減らす要望の方が強かったため機械式のスタビライザーは廃れていったらしい。


ラジコンの場合も、電子式の3軸ジャイロセンサーを使ったものの性能が上がって来て、電子式の方が普通になっている。
出始めは碌な性能で無かったが最近のは性能があがりベルヒラー式のような効率の低下もないため主流となっている。
電子式は開発費は掛かるが原価は遥かに安い。

電子式も3軸の加速度センサーを加えればおおよその重力の方向がわかるので外乱をキャンセルするだけでなく自動で水平を取れるものも出てきている。
ただし、操作している人が本当に機体を水平にしたいと思っているとは限らない。
特に上手い人にとっては余計なお世話かもしれない。

ヘリは当然飛行機より不安定な航空機で当然事故も多い。
ただし今のところホバリングというどうしても欲しい機能を持つ航空機の中では一番安全でリスクマネジメントからすると十分メリットがあるということになっているのでそういう用途では無くてはならないものになっている。

ドローン

ドローンはホバリング中のヘリと似たようなものだが、そのお盆は真ん中が高くなるように膨らんでいると思えば良い。

この差はジャイロ効果という強力で素早い制御方法を採用していないためである。

制御力の差

ジャイロ効果

ジャイロ効果は慣性力が回転体に及ぼす力で、回転体の軌道が傾けようとすると慣性力があるので軌道を維持しようとする力が90度ずれた方向に現れる現象である。
スケールに対して同じように変化しないのでスケール機の運動特性が変わったり、衝突時の危険性が大きさで大きく変わることになる
回転体なので質量の代わりに慣性モーメント呼ばれる重さと腕の長さの積和(積分値)と速度の代わり回転速度が計算に使われる。
トイヘリでないヘリが回転数でなくピッチで制御しているのもこの重要なジャイロ効果の強さを大きく変えないというのも一つの理由である。
この傾く大きな力が自転車やオートバイが走行中倒れようとしても倒れない方向にハンドルが切る力でもある。



一方ドローン(マルチコプター)では、ジャイロ効果は全く使わない。
単純に複数のプロペラの回転数を、ただ変えるだけである。
ジャイロ効果を高めるには重いほうが良いが回転数を変えなければいけないドローンではジャイロ効果は小さいほうがいい。

おかげで仕掛けは簡単だが制御性が優れているわけではない。

これを理解するには、ニュートンの古典力学の知識があれば簡単である。
ニュートンはこういう偉人にはよくある変わった変な人だったようだが、ニュートン力学自体は奇妙奇天烈なものでなく常識的な単純な現象を法則として明らかにしただけである。
見かけは複雑だが、りんごも鳥の羽も働く重力は重さに比例し、空気抵抗の違いで実際に落ちる速さが違うだけであるということを見抜くには洞察力が必要である。

ドローンの運動を理解するには、力をためていくと(時間で積分すると)エネルギーになり、重いと同じパワーでも運動速度がゆっくりしか変わらないなどというような中学校で習うような常識的なことをきちんと理解できれば良い。


ヘリのジャイロ効果による制御速度

ヘリではジャイロ効果を起こすためにサイクリックコントロールでローターのピッチを不均等に変えることで推力の小さなアンバランスを起こす。
ローターは軸を中心に回転していて自由に軸からの距離を変えることができない。
このときローターを傾けようとしてもローターの各部は、軸との距離を保ったまま同じ平面を動こうとする力が90度先でローターを傾ける力となる。
エネルギーの元は慣性力なのでローターが重いほど(比例)また速度が速いほど(速度と移動距離の両方に関係するので二乗に比例)大きくなる。
肝心なのはローターを傾ける力の源は最初のアンバランスでなく、ローターの慣性力という点である。
したがってヘリのような重くて速い速度で回転するローターは大きな制御力を持つことができる。

最初のアンバランスは直ちにローターを傾ける大きな力とすることができる。


ドローンの制御速度

ドローンのアンバランスを生む方法は

  1. プロペラのモーターのパワーを上げる
  2. プロペラへのトルクが上がりプロペラの慣性モーメントの抵抗を受けながら回転数が上げる
  3. 回転数が上がって初めてプロペラのアンバランスが生まれる

ジャイロ効果のダイレクトに近い制御力と違って当然レスポンスが悪い。

さらに面倒なことにこのアンバランス力の制御が結構複雑である。
アンバランス力は力なので機体を傾けようとするこの力は加速度(角加速度)となる。
ヘリの場合は大きな抵抗となる慣性の大きいメインローターがあるが、ドローンは制御性能を高めることと裏腹に機体自体の慣性モーメントを大きくないので、この力と逆向きの力が働かにと早晩ひっくり返ってしまう。
ただし、重心の位置がプロペラの面より下にある場合は傾いたときは上のプロペラのモーメントアームが小さくなるので水平に戻ろうとする力が働くので傾斜の角度が大きい場合は回復力が働く。
ただし、定位置にとどまる微妙な調整が必要な水平付近ではその効果は小さい。
傾斜角が大きい場合は、墜落しないように全体のパワーを上げる制御の方が大変になる。

簡単なマルチコプターといっても腕の長さや重心の位置(高さ)、質量の分布(慣性モーメント)で特性が変わってくる。プロペラもホバリング中は空気を吸い込まなければならないが前進中は斜めに風が入ってくる。
よく見る形状とはことなる別のアイデアが出てくるかもしれない。
したがって実際の性能で工夫をする余地は残っているだろう。
しかし、実現されているよく見る形状ではヘリと比べると格段に安定性も制御性も悪いと考えなければならない。

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これを解決するのが電子デバイスによる自動制御である。
人間の反応速度で間に合わなければ光の速さで制御すれば良いのである。

この問題点は電子デバイスってパソコンやスマホのことだと気が付けば、たまにバグったり落ちたりすると言うことにも気が付くので、落ちると大変なことになるものには呑気に使えないということである。


人命が非常に高い先進国ではドローンの有人化は簡単に進まないので、ドローンが無いともっと多くの人が無くなりそうな地域から有人ドローンは普及するだろう。

無人のドローンは落ちても死人が発生しないような使い方に限定されて普及することになる。

なお、電子デバイスだからと言って正常に働いていても限界はある。
センサーで状態を読み取ってマイコンで処理してモーターなどの出力を制御するが、

  1. センサーはある時間間隔でデジタル値を吐き出す場合が多い。
  2. センサーの精度が常に十分とは限らない
  3. マイコンにも処理時間が必要で、また複数のマイコンで効率よく処理するがその同期の時間も必要
  4. 出力も有効になるのに時間がかかる

などで十分な反応速度を持たせるのは簡単というわけにはいかない。
ただし、最近の撮影用やTiny Whoopなどを見ているとかなりの実用性を持っているのがわかる。
もちろん、人間より遥かに上である。

人間の反応速度

人間の反応速度はたいして早くないが、高度な処理システムを持っている。
神経の反応速度は驚くほど遅いが、高度な並列処理でその遅さからすると驚異的な処理速度を誇る。

特に視覚は他の感覚器官よりも処理する情報が複雑なので処理に時間がかかる。
単純な視覚への反応速度でも180~200ミリ秒などと言われている(Wikipedia 反応時間)
見えたものがどういうことなのか判断が必要になるとさらに時間が必要になるが、人間は学習によってこの時間差をうまく処理できる場合がある。

たとえば、エスカレーターに乗る場合は、実際に視覚として捉えているのは少し前の位置だが、転ばずに足を踏み下ろすことができる。
これは人間の脳が実際に見えている位置よりも先にあることを予測することを学習して足を出しているから。
止まっているエスカレーターに乗ると、予測位置と階段が違うのでけ躓きそうになる。

ラジコンのドローンの操作は動き始めた後の操作シーケンスは学習である程度対応できるかもしれないが外乱による動き始めは予測できないので、補正用の操作が間に合うときだけ自動制御を使わずに墜落させずに済む可能性が出てくる。

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