ドローンの仕組みは？ その構造を簡単に解説

ドローンとは無人で飛行できる機械で、近年では屋根点検に活用されることもあります。
この記事ではドローンについて詳しく知らない方に向けて、ドローンとはどのような機械なのか、法律上の定義や仕組みを解説します。
「ドローンがなぜ浮くのか」「どうして自由自在に動かせるのか」など、基本的な仕組みを知りたい方は、ぜひ参考にしてください。

そもそもドローンとは？ 法律面から定義を解説

ドローンとは遠隔操作や自動操縦によって無人で飛ばせる機械で、下記の法律により飛行ルールが定められています。

・航空法
・小型無人機等飛行禁止法

一般的なドローンも、上記の法律を遵守して使用されています。

航空法とは？

航空法とは「航空機の安全を確保すること」「航空機による事故や障害を防ぐこと」の2点を目的とした法律です。

詳しくは後述しますが、重量が200グラム以上のドローンは「無人航空機」に該当するため、航空法を遵守するよう定められています。

平成27年4月22日に内閣総理大臣官邸の屋上で落下したドローンが発見された事件を覚えている方も多いのではないでしょうか。
航空法はその事件をきっかけに改正され、ドローンの飛行ルールが下記のように定められました。

・航空機や地上にいる人の安全に影響が出る場所では原則としてドローンは飛行禁止
・飛行禁止の場所でドローンを飛ばすには国土交通大臣の許可が必要

また下記のような危険な方法でドローンを飛ばすことも、航空法により禁止されています。

・アルコール等の影響がある状態でドローンを飛ばす
・不要な急降下を行うなど他人に迷惑がかかる方法でドローンを飛ばす
・夜間にドローンを飛ばす
・目視できない場所にドローンを飛ばす
・イベント会場などたくさんの人が集まる場所でドローンを飛ばす

例えば、2021年の東京オリンピック開会式では、インテル社製のドローン編隊飛行によってピクトグラムを描くショーが披露されました。この開会式でのドローン飛行は「夜間」「イベント会場」など航空法で規制されている方法だったため、特別な許可を取って行われています。

小型無人機等飛行禁止法とは？

小型無人機等飛行禁止法とは、重要な施設の上空やその周辺でドローン等を飛ばすことを禁止する法律のことです。

正式名称は「重要施設の周辺地域の上空における小型無人機等の飛行の禁止に関する法律」です。

小型無人機等飛行禁止法においてドローンは「小型無人機」に該当するため、以下のような重要施設やその周囲おおむね300メートルの上空では、原則として飛行禁止となっています。

・国会議事堂
・内閣総理大臣官邸
・皇居・御所
・防衛関係施設
・空港
・原子力発電所

ドローンを使用して屋根点検を行う際も、小型無人機等飛行禁止法が定める飛行禁止空域に注意する必要があります。

ドローンは「無人航空機」または「小型無人機」に該当する

ドローンは下記のいずれかに分類されます。

・航空法が定める「無人航空機」
・小型無人機等飛行禁止法が定める「小型無人機」

以下で分類の条件を詳しく説明しますが、最大のポイントはバッテリーを含めた重量が200グラム以上かどうかです。

ドローンが無人航空機に分類されるケース

下記5つの条件を満たす場合、ドローンは航空法が定める「無人航空機」に分類されます。

1.　航空できる
2.　飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船、その他政令で定める機器
3.　構造上、人が乗れない
4.　遠隔操作または自動操縦で飛ばせる
5.　重量が200グラム以上（バッテリー含む）

重量200グラム以上のドローンは無人航空機にあたるため、上述した航空法で定められている無人航空機の飛行ルールを守ることが義務付けられています。

屋根点検で用いられるドローンは主に重量200グラム以上の「空撮用ドローン」なので、航空法を遵守する必要があります。

ドローンが小型無人機に分類されるケース

下記3つの条件を満たす場合、ドローンは小型無人機等飛行禁止法が定める「小型無人機」に分類されます。

1.　飛行機、回転翼航空機、滑空機、飛行船その他航空できる機器
2.　構造上、人が乗れない
3.　遠隔操作または自動操縦で飛ばせる
4.　重量が200g未満（バッテリー含む）

「トイドローン」など小型無人機に該当するドローンには航空法が適用されません。しかし、小型無人機等飛行禁止法などの法律や地方自治体が定める条例を遵守する義務はあります。

ドローンはなぜ浮くのか？

屋根点検に使われるドローンは主に、4枚のプロペラを持つ「マルチコプター」（回転翼機）と呼ばれるタイプです。

ここではマルチコプターのドローンを例として、プロペラや揚力の仕組みを簡単に解説します。

仕組み(1)プロペラの形

ドローンに付いている4つのプロペラにはねじれがあり、回転するとプロペラの上下で空気の流れる速度が変化します。

このとき、プロペラ下面の圧力がプロペラ上面より高くなり、圧力の違いによって「揚力」と呼ばれる上向きの力が発生します。

ドローンはこの揚力を利用して、空中に浮くことができるのです。

揚力とは？

揚力とは、液体や気体の中を進んでいる物体にかかる力のうち、進行方向に対して垂直に働く力を指します。

気体の中を進むことで浮かぶ物体の例として、代表的なものは飛行機です。飛行機の翼の断面は、上が丸く下が平面になっています。そのため翼の上は空気の流れる速度が下より速く、圧力が小さくなります。
一方、翼の下は空気の流れる速度が遅く、圧力が上より大きくなります。
翼の上下に発生した圧力差によって、飛行機は圧力が小さい方、つまり上の方向へ引き寄せられるのです。ドローンもこれと同様に、プロペラを回転させることで発生する揚力によって空中に浮かびます。

仕組み(2)プロペラの回転

屋根点検に用いられるドローンには4つのプロペラがあり、よく見ると時計回りのプロペラと反時計回りのプロペラが対角線上に配置されています。

仮にすべてのプロペラを同じ方向に回転させると、「作用・反作用の法則」によってドローンの機体がプロペラの回転方向と逆の方向にグルグル回ってしまいます。この作用・反作用の法則で生まれる力を「反トルク」といいますが、ドローンは「時計回りのプロペラ」と「反時計回りのプロペラ」を対角に配置することで、反トルクを相殺しているのです。

そのためドローンは、すべてのプロペラの回転数を上げればまっすぐ上昇でき、すべてのモーターの回転数を下げればまっすぐ下降できます。回転数を調整すればホバリングも可能なので、ドローンは屋根点検など空撮を必要とする作業や測量などに適しています。

ドローンはなぜ自在に動けるのか？

ドローンが屋根点検で活躍するのは、ホバリングや上下左右への移動が自由自在にできるためです。

ドローンは搭載されている4つのプロペラの動かし方によって、旋回・回転・前進・後退などさまざまな操作が可能です。
また下記のような装置が搭載されており、自在な遠隔操作だけでなく姿勢制御や自律飛行、追尾や宙返りまでバリエーション豊かな操作ができるようになっています。

ここではドローンが自在に動ける仕組みを、搭載されている装置の機能に注目しながら解説します。

仕組み(1)動かすプロペラの位置

ドローンに搭載されている4つのプロペラのうち1つだけ回転数を下げると、ドローンは回転数を下げたプロペラの方向に前進します。

このとき回転数を下げたプロペラは揚力が小さくなるため、ドローンの機体は進行方向に対して頭を下げて突っ込んでいくような姿勢になります。

また進行方向と逆のプロペラは回転数を上げるため、機体の進行方向と逆側は揚力が大きくなり、より前傾姿勢が強くなります。

なお、機体を左右に方向転換（ラダー）するときは、下記のようにプロペラの回転数を調整します。

・右へ進む：右側のプロペラの回転数を下げ、左側の回転数を上げる
・左へ進む：左側のプロペラの回転数を下げ、右側の回転数を上げる。

仕組み(2)ジャイロセンサー

ドローンには「ジャイロセンサー」と「加速度センサー」という2種類のIMU（慣性センサー）が搭載されており、センサーから得られる情報を基にプロペラを回すモーターの出力が調整されます。

ジャイロセンサーは角速度センサーとも呼ばれ、「一定時間のうちに機体がどれだけ回転したか」を検知します。身近な例なら、スマートフォンやデジカメの手ブレ補正などにもこのジャイロセンサーが活用されています。

加速度センサーは「一定時間のうちに機体がどれだけ動いたか」を検知するセンサーで、機体にかかった重力・振動・衝撃もわかります。身近な例では、カーナビで車の移動距離を検知するために用いられています。

ドローンには「フライトコントローラー」という姿勢制御システムがあり、ジャイロセンサーと加速度センサーから得られる情報を基にして飛行をアシストしてくれています。そのためプロポ（操縦機）のスティックから手を離しても、自動で機体を水平に保ったまま安定してホバリングを続けられるのです。

また風などの影響で機体が流されそうなときでも、4つのプロペラの回転数を微調整することで、安定した飛行が可能になります。

仕組み(3)GPS機能

ドローンにはGPS機能が搭載されていて、一般的なものだと誤差1～3メートル程度の正確さで、機体の位置が把握できます（用途によってはより誤差の少ないドローンもあります）。GPS機能が搭載されているドローンは自律飛行や自動運転・自動追尾が可能で、あらかじめ設定したルートの通りに飛んで自動帰還してくれます。

仕組み(4)気圧センサー

気圧センサーとは名前の通り気圧の変化を感知するセンサーで、ドローンの高度を割り出すことを可能にしています。気圧は通常、高度が上がると低くなり、高度が下がると高くなります、そのため、現在の気圧情報を計測すれば、それを基にドローンの高度を測定・維持できるのです。

ただし、急な突風など高度以外の要素で気圧が変化した場合は、気圧センサーがうまく機能しないこともあります。また地上に近い場所では気圧センサーが正常に機能しないことがあるため、後述する超音波センサーが併用されます。

仕組み(5)超音波センサー

超音波センサーとは、超音波を発生させ、その跳ね返りにかかる時間を計測することで地面との距離を検出できるセンサーです。

地面との距離がわかるので、地上に近い位置での高度維持が可能になります。

また超音波センサーは人や建物などの障害物との距離も検出できるので、衝突防止に活用されることもあります。

仕組み(6)電子コンパス

電子コンパスとは方位磁針（コンパス）のように方位（東西南北）がわかる機能で、地球の磁気を利用するため「地磁気センサー」と呼ばれることもあります。

ドローンは電子コンパスを利用して「今どの方向を向いているのか」を検知し、進行方向を調整してくれます。ただし、電子コンパスは場所によって磁気の影響を受けるため、「キャリブレーション」と呼ばれる調整を行う必要があります。

仕組み(7)カメラ

屋根点検などで使用される空撮用ドローンにはカメラが搭載されており、映像を電波で送信してスマートフォンやタブレットなどに映し出すことが可能となっています。

最近のドローンの中には、映像をデジタル変換して無線Wi-Fiで通信できるタイプもあります。無線Wi-Fiで映像を送信する場合は、ドローン本体がキャッチしている映像とのタイムロスが若干生じますが、屋根点検においては問題にならないレベルです。

基本的に、ドローンのカメラでは解像度の高い画像を撮影可能なので、目視と同様に細かい傷まで判別できるので、屋根の中で修繕が必要な箇所がはっきりわかります。

仕組み(8)アプリ

最近のドローンの中には、ドローンの操縦を「自動操縦アプリ」で行えるものがあります。

一般的なドローンは「プロポ」と呼ばれるスティック操作のコントローラーで操縦しますが、操作方法が複雑なので誤操作の原因となりがちです。
一方、自動操縦アプリを利用するとスマートフォン画面をタッチするだけでドローンを直感的にコントロールできるため、事故率を低く抑えることにもつながるでしょう。
自動操縦アプリには画像編集や面積計算など屋根点検に必要な機能が実装されているものもあり、屋根の撮影だけでなく点検結果の報告にも活用できます。

まとめ

ドローンとは無人の飛行機械で、法律上は「無人航空機」や「小型無人機」にあたります。また、ドローンに搭載された4つのプロペラが適切に制御されることで、自由自在な操作や自律飛行が可能となっています。
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