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近年、無人航空機(ドローン)が非常に発展し、軍用、商用を問わず、さまざまな分野で活躍しています。また、近い将来においても、さらなる活躍の場が期待されています。

では、なぜ今無人航空機(ドローン)が活躍できたのか、それは多くの技術の発展を活用したために他なりません。

本記事では、無人航空機(ドローン)に使用されている技術について紹介します。

姿勢制御技術

加速度センサ、ジャイロ(各加速度)センサ

古くの無人航空機はジャイロスコープで制御されたものでしたが、その性能は悪く、とても姿勢制御に使用できるものではありませんでした。

ところが、近年のMEMS(Micro Electro Mechanical System)の発展によって、性能が高く、かつ微小な加速度センサやジャイロセンサが作製されるようになりました[i]

これらのセンサは皆さんがお持ちのスマートフォンにも搭載されていて、さまざまなアプリケーションで使用されています。

3軸の加速度センサとジャイロセンサを有することで、無人航空機の姿勢や動きを把握することができ、安定した姿勢制御を行うことができます。

飛行制御コンピュータ

以前の無線操縦による無人航空機は、全ての姿勢制御や飛行制御を人間が行わなければならなかったため、機体として安定している固定翼機はまだしも、ヘリコプタの操縦には高い技術がなければ操縦することができませんでした。

しかし、現在の無人航空機には飛行制御コンピュータが搭載されており、加速度センサやジャイロセンサからの情報に基づいて、自動で姿勢制御を行っています。

特に現在ドローンとして多く利用されている4つのロータを持つクァッド型マルチコプターは、それぞれのロータがバランスしていなければ、即座に飛行不能となってしまいます。

しかし、これらを制御するための複雑なアルゴリズムが開発され、飛行制御コンピュータで制御することにより、操縦者は姿勢を気にすることなく、飛行のみに集中できるようになりました。

例えば、宙返りなど、スイッチひとつで実現できるようにもなっています。

航法制御技術

軍用に使用されているグローバルホークなど大型の無人航空機は、有人航空機と同様な航法装置を有しており、高度な航法制御が行われていますが、ドローンなどの小型の無人航空機は、主としてGPS航法を用いています。

GPS機器はMEMS技術により小型のものが製造可能で、かつ現在は精度も高いため、屋外において視界外飛行をする小型無人機は、全てGPS航法を用いていると言ってもいいでしょう。

そのため、あらかじめ決められたウェイポイントにしたがって、無人航空機は自律して飛行することができるようになっています。

通信技術

従来のホビー用のラジコンと呼ばれる無人航空機は、免許のいらない周波数帯が用いられていたため、混信が発生するなどして使用者間で適切にバンド管理をしなければなりませんでした[ii]

しかし、現在使用されているドローンは2.4GHz帯を使用しているため、面倒なバンド管理など必要がなくなり、誰もが簡単に使用できるようになりました。

しかし、2.4GHz帯は無線LANとの干渉や見通し外通信に不向きなため、新たに5.7GHzや300MHz以下のVHF帯も使用できるように検討されはじめています。

また、軍用では専用の周波数帯のほか、衛星通信も使用されており、地球の裏側にいる無人航空機も制御できるようになりました。

おわりに

無人航空機に使用されている技術を紹介しました。

今後は複数の無人航空機が協調して飛行することや、目視外飛行の実現のためのさまざまな課題がありますが、近い将来には解決されていくことでしょう。


参考文献

[i] 細田慶信、「我が国の無人航空機の歴史と今後の展望」、日本ロボット学会誌 Vol.34 No.2、pp81〜85、2016年
[ii] 野波健蔵 他、「飛躍するドローン」、エヌ・ティー・エス 2016年