第一工業大学研究報告第33号（2021）pp.1-8

ドローン設計・自作に関する研究
山本
第一工業大学淳二

航空工学部 航空工学科(〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2)

Study for Designing and Self Making of Drones
Junji Yamamoto
Department of Aeronautical Engineering, Daiichi Institute of Technology

Abstract: With the remarkable growth of drone market recent years, it has become relatively easy to purchase drone
components. At the same time, it can be expected that actually designing, making and flying a drone will be a goodpractical education for students studying aerospace engineering. Therefore, when starting drone study in ourlaboratory, we aim to realize a unique drone, specifically a VTOL aircraft that combines fixed wings and drones.
By this year, we first investigated the necessary points for making drones, and actually made a few our own drones,
simultaneously radio-controlled fixed-wing aircraft which is the base of VTOL aircraft and flew them. The half
way until realization of VTOL aircraft in our laboratory is reported.
1. はじめにらを活用した実証実験等も活発化している。

1.1 背景近年、ドローン関連技術の発展は著しいものがあり、多くの企業や研究機関が、それぞれ特色のあるドローンの研究・開発、また活用方法の研究、実践に積極的に取り組んでおり、今後もその市場は大きく拡大して行くことが予想される。
本学科でも、離島の多い鹿児島県の特異性を考

ドイツ WINGCOPTER 社殿
WINGCOPTER（参考情報(2)）

日本エアロセンス社殿
エアロボウイング（参考情報(3)）

図 1．VTOL 型ドローン実用例

慮し、離島間の迅速な物資輸送を実現させる上で、垂直離着陸型ドローン（VTOL1 型ドローン）が有VTOL 型ドローンはコンベンショナルな固定翼利であることを示し、これをベースにした新型ド機に加えドローンの要素を加えた航空機であるローンの構想を提案した事例もある(参考文献(1))。

ため、それを設計、製作、飛行を実現させるにはVTOL 型ドローンは、離着陸時はドローンモード

固定翼機の空力、構造、制御等の従来の航空工学

で離着陸するため滑走路が不要かつ任意のポイの知識はもちろんのこと、ドローンを制御する重ントでホバリングも可能であり、また水平飛行時要な部品である FC(フライトコントローラー)のは飛行機モードで主翼の揚力を利用して飛ぶた

プ ロ グ ラ ミ ン グ 、 設 定 等 の IT(Information

め燃費に優れ航続距離を大きく伸ばせる。

Technology)的要素を含め、多くの工学的要素を身これらそれぞれの利点を生かした機体が VTOLに着ける必要がある。この点から VTOL 型ドロー型ドローンであり、実際に物流や測量他さまざま

ンを大学研究室レベルで実際に実現することは、な用途に活用できる可能性も高く、図１に示すよ航空工学を学ぶ学生への良い実践教育になり得

うな、すでに実用化されている機体もあり、それると考えられる。

1VTOL; Vertical Take-off and Landing aircraft

第一工業大学研究報告 第33号 （2021）

また、個人でドローンを自作、チューニングしーラー）と意外とシンプルである。これら機体自て参加する FPV(First Person View)ドローンレース

体の部品に加えて、パイロットの操作入力を送るの愛好者の増加等も含め、ドローンの活用が多岐

送信機（プロポ）とそれを受信する受信機、およに広がって来たことの恩恵の一つとして、従来高びモーターを駆動させるためのバッテリーが必額であった FC 等のドローン構成部品が通販等で要となる。この中で、かなめとなる部品は FC 及も気軽にかつ比較的安価に入手できるようにな

び ESC であるが、これによりドローンの安定したり、ドローン自作のハードルがそれほど高くはな

飛行が制御される。FC にはジャイロや加速度計

くなって来ている背景もある。

が内蔵され、機体の姿勢角や加速度を検知するとともに、プロポからのパイロット信号とをミック

1.2 本報告内容

ス演算し各モーターへ適切な信号を出力する。

以上のような背景を鑑み、前述の当学科新型ド

ESC は FC からの信号に応じた電圧・電流をモーローン提案も参考に、引き続きドローンの研究にターに供給する。図 2 に小型ドローンの代表的構

取り組む上で、当研究室でも特色のあるドローン

成部品を示す。

を実際に設計、自作、飛行させることを目標とし、具体的には学生の卒業研究の一環として VTOL 型
ドローン実現を目指すこととした。そのために、まず実際にドローンを設計、自作する上での必要
プロペラ

な事項を調査し、本年度までに数機のドローンを自作、飛行確認、また VTOL 型ドローンのベース

モーター

フレーム

となるラジコン固定翼機の自作や飛行確認等を行ったので、当研究室における VTOL 型ドローン
実現までの途中経過として紹介、報告する。

バッテリー
FC
ESC

2. ドローン自作に関する調査および自作状況
2.1 自作方法概要
ドローンを自作する上での基本的な知識を調受信機

査、理解する目的で、まず一般的なドローン自作
キットを購入し学生とともに#1 号機として組み立てた。本キットに限らず、市販の安価な部品を送信機（プロポ）

図 2．ドローン構成部品

通販等で入手する場合、マニュアルが付属していないケースが多いが、インターネット上で比較的(2) 組み立て方法

容易に必要な情報を入手することができた。また、

基本的に上記(1)の部品をフレーム上に取付け

自作の入門ガイドとして参考文献(5)を参考にし組み立てる。部品の配置位置は、モーター、プロ

た。ドローンの基本的な構成部品、組み立て、セペラはフレーム形状により必然的に決まるが、FC、ッティング方法概要を以下に示す。

ESC や受信機、バッテリーは、それぞれの大きさ
やフレーム上の空間、全体での重心等を考慮して(1) ドローン構成部品
ドローン自体の基本的な構成部品は、フレーム、
プロペラ、モーター、FC（フライトコントローラー）、ESC（エレクトリック・スピード・コントロ

設定する。配線は、FC、ESC および受信機のマニ
ュアル等を参照して適切に配線する。図 3 に小型ドローン組み立てと配線の状況を示す。

山本：ドローン設計・自作に関する研究

2.2.1 #1 号機-LibrePilot 機
市販キットに含まれていた FC (製品名：CC3D)
は、Librepilot に対応したものであり、これを使用
しセッティング、飛行を試みた。
当初、筆者および学生ともに不慣れなこともあり、安定した飛行はなかなか難しく、ホバリング
図 3．ドローン組み立て・配線状況も安定しなかった。飛行は室内で行ったが、機体の不意の動きや墜落などから、飛行中の安全に対(3) FC セッティング

する十分な注意が必要なことやステップを踏ん

FC には、ドローンを制御するためのソフトウエ

で徐々に飛行に慣れて行くことが重要であるこアをインストールし、正常に機能するようにするとを教訓として学び、ヘルメットや手袋の着用等ためのセッティングが必要となる。ソフトウエアの安全や飛行上の注意事項の設定などを行った。

を 提供 する代 表的 なプロ ジェクトとして は、（図 5 参照）

Librepilot、Betaflight、Ardupilot 等があるが、これらはいずれもオープンソースの形式を取っているため、インターネット上に FC セッティング用
アプリケーションを含め必要な情報が無料公開されている。これらを PC にダウンロードして使用する。設定は FC と PC を USB ポートを介して接続し実施する。図 4 に Betaflight での設定状況を示す。

図 4．FC 設定状況(Betaflight)#1 号機-Librepilot 機
プロペラ対角距離：280mm
重量：375g

図 5．#1 号機と教訓

2.2.2 #2 号機-Betaflight 機
2.2 自作機概要

Librepilot 機の飛行が安定しない一つの原因と前述した市販キットによる機体を含め、段階をして、機体が比較的大きく(プロペラ対角距離：280

踏んで数機の自作機を製作した。以下、代表的なｍｍ、重量：375ｇ)、飛行時の慣性が大きいわり

3 機についてその概要と得られた教訓等を記す。

に FC (CC3D) が F1 系と呼ばれる比較的演算速度

第一工業大学研究報告 第33号 （2021）の遅い CPU を使用しているためではないかと考えた。よって、次に小型(プロペラ対角距離：150
ｍｍ、重量：170g)で演算速度も速い F3 系の FC(SP Racing) を使用して機体を製作した。部品はキットではなく個々に選定して揃えた。結果、ホバ
リングも含め、かなり安定した飛行ができる機体が完成した。なお、Betaflight 設定のガイドとして参考文献(5)を参考にした。図 6 に#2 号機概要を示す。

図 7．Ardupilot ホームページ（参考情報(6)）(1) Ardupilot 機(#4 号機)の自作
プロペラ対角距離：150mm
重量：170g

図 8 に Ardupilot 機を飛行させる際の全体構成を示す。Ardupilot に対応した FC ハードウエアは種々市販されているが、一般的で汎用性も高いも

図 6．#2 号機-Betaflight 機のとして Pixhawk（商品名）がある。FC の各種設
定は PC にインストールした GCS (Ground Control

2.2.3 #4 号機-Ardupilot 機#1 号機および#2 号機で使用した FC のソフトウ
エア (Librepilot/Betaflight) は、オープンソースとStation) を使用して行う。GCS のアプリケーショ
ンソフトとしては、Mission Planner (M/P) が一般的である。また、機体には GPS を搭載する。

して公開されているファームウエアをユーザー
が FC にインストールして使用する。よって、ユPixhawk

ーザーが自分でファームウエアのプログラムコ

GPSードを作成または変更することは想定されていない。VTOL 型ドローンを目指す上では、ドロー
ンモードと飛行機モードの遷移（トランジション）も必要であり、それに対応したソフトウエアが必要となる。そこでユーザー自身がソフトのプログ
ラムコードも作成、変更でき、自由度が高くかつ実績、適用例も豊富なオープンソースプロジェク

GCS

ト で あ る Ardupilot を 適 用 す る こ と と し た 。
Ardupilot は、ドローンをはじめ固定翼やローバー
等の自動操縦もサポートしており、VTOL 型ドロ

図 8．Ardupilot 機全体構成（参考情報(6)）

ーンも固定翼のカテゴリー内でサポートされている（図 7 参照）。これに習熟することは VTOL 型

Ardupilot で は M/P お よ び FC の 通 信 に は

ドローン実現のみならず、さまざまな拡張性が期

Mavlink (Micro Air Vehicle Communication Protocol)

待できる。よって、まず Ardupilot 習熟の一環としと言うプロトコルが使用され、接続は USB を介て以下(1)～(4)のような事項を実施した。

した有線でも行えるが、PC と機体に送受信デバ

山本：ドローン設計・自作に関する研究イスを設定した無線通信(テレメトリー)も可能で作成した Python コードは PC 上で実行し、あり、飛行中の機体姿勢、飛行経路他を M/P 上でconnect() 関数を用いて機体へ接続する。接続先がモニターできる。テレメトリー送受信デバイスと

SITL の場合は PC 内の機体のポート、実機の場合しては、プロポと同じ 24GHz 帯を使用し、日本のは送受信デバイスを介した実機のポートを指定

技術適合証の取れている Xbee S2C を使用した。

して接続した。

M/P では、飛行経路の設定や飛行ログの記録も可能であり、PC 上での飛行シミュレーションも可(3) 新フライトモード作成能である。図 9 に#4 号機の完成状況を示す。

Ardupilot では機体制御用各種フライトモード

送受信デバイス(Xbee S2C)のプログラムコード(C++)が設定され、GitHub 上#4 号機

で公開されており、それらのコードをユーザーが改良、修正することが可能である。前項と同様に習熟の一環として簡単なフライトコードを作成
し、SITL でシミュレーションおよび実機での飛行

GCS(Mission Planner)

図 9．#4 号機-Ardupilot 機確認を実施した。作成したコードは、機体にピッチ、ロール、ヨーの一定の姿勢角を与えサークル
状の飛行をするシンプルなものである。図 11 にシミュレーション状況を示す。

(2) 自動飛行コード作成
Ardupilot で は 、 オ ー プ ン ソ ー ス と し て
GitHub(参考情報(7))上で公開されている DroneKit
Python と言うアプリ開発キットを使用して、ドローンを自動飛行させる他、ユーザー独自のアプリ
ケーションを Python コードで作成することができる。習熟の一環として、本 DroneKit Python を使用して簡単な自動飛行の Python コードを作成し、図 11．シミュレーション

M/P 上で SITL (Software In The Loop) と言うシミ（新フライトモード）

ュレーターを使用してシミュレーションと実機での飛行を実施した。図 10 に状況を示す。

(4) 静止推力・電力消費量測定
ドローン、VTOL を含めた飛行機を設計する際の主要な緒元の一つが推力である。また VTOL 型
ドローンの大きなメリットの一つは、飛行機モードでの水平飛行による燃費（電力消費量）の低減である。
よって静止推力および電力消費量を特別な装置を必要としない簡易な方法で計測する方法を考案し、実際に数種類のモーター、プロペラ、バッ
テリーについて実測した。電圧、電流値は前述のMission Planner でモニターできるため、その機能を使用した。以下に簡易計測方法概要、図 12 に計図 10．シミュレーションと実機確認（DroneKit Python）

測状況と結果例を記す。

第一工業大学研究報告 第33号 （2021）

簡易計測方法概要；

飛行させるスキルに習熟することが必要である。

・ドローンが推力を下方に出すようにプロペラをそこで、ネット上で設計情報が公開されている実

さかさまに取付ける

績のあるラジコン機を自作、飛行させることによ・ドローンを一般の計量秤の上に設置

り、まずラジコン機の定性的な特性を把握するこ・電圧値、電流値は Mission Planner でモニターとにした。

・計量秤、電圧、電流値をストップウオッチの時
間とともにデジカメで動画として記録
・横軸に時間、縦軸に推力、電圧、電流値をグラ

3.1 自作ラジコン機概要
参考情報(8)に公開されている実績のあるラジ

フにプロット

コン機の情報をもとに、修理しやすさ等を考慮し・ 電流 値を時 間で 積分す ることで電力消 費量てマイナーな設計変更を加えた図 13 のようなラ[mAh]を算出

ジコン機を自作した。

推力[gf]

電流[A]
電圧[V]

時間[s]→

デジカメ

計量秤
図 13．自作ラジコン機#4 号機
M/P 画面

3.2 飛行確認状況
自作したラジコン機を体育館で飛行させ、その

ストップ
ウオッチ

安定度の確認や操縦の完熟を試み、以下のような事項を確認した。
・単発機の顕著な左旋回傾向
・重量重心位置、上反角、尾翼面積等の正確な設定、精密な調整の重要性

図 12．静止推力・電力消費量測定状況

いずれも飛行機設計において一般的に重要な事項であるが、机上での知識のみでなくラジコン機

3. ラジコン固定翼機自作・検討状況を実際に飛行させることにより、それらの重要性

VTOL 型ドローンは水平飛行時は通常の固定翼を学生も身をもって体感した。得られた経験は以として飛行するため、ドローンに関する習熟と平降の学生と共有し今後の設計、製作に活かす予定

行して、固定翼ラジコン機に関してもその特性をである。飛行状況を図 14 に示す。

理解し、安定した飛行ができる機体を設計、製作、

山本：ドローン設計・自作に関する研究

4.2 VTOL 型ドローン試行
実際の VTOL 型ドローンの設計・製作の前に、手軽に VTOL 型ドローンの定性的な感触を得るための試みとして、単純にドローンと自作ラジコン
ラジコン機

機を結合させての飛行を体育館で試行した。ドローン用の送信機とラジコン用の送信機は別々に 2人で操作し、まずドローンで浮かせ、飛行機のプロペラで前進させ、ドローンで着陸すると言うシ

図 14．ラジコン機飛行状況

ンプルなものである。ラジコン機では離陸時の安定した滑走による増速が非常に難しいと実感し

4. VTOL 型ドローン検討たが、VTOL では機速が不要なドローンモードに4.1 VTOL 型ドローンの制御よる離陸でゆっくりした増速が可能であるため、VTOL 型ドローンは、まずドローンモードで垂適切な機体が実現できれば、操縦もしやすいので

直離陸し、つぎに飛行機モードに遷移して行くが、はないかとの感触も得た。図 16 に VTOL 試行の

遷移中前進速度の増加とともに主翼の揚力が増状況を示す。

加し、その分ドローンによる揚力を減少させる制御が必要である。逆の飛行機モードからドローン
モードへの遷移も同様である。Ardupilot では、これら VTOL 型ドローンを飛行機の一形態としての#4 号機ドローン

QuadPlane としてサポートし、遷移を含めた各種
フライトモード用コードも提供している。
図 15 にサポートされている QuadPlane の分類を示す。ま自作ラジコン機（旧）ず、もっともシンプルな形態である Non Tilt 型のVTOL ドローン の実現を目指し、ハードの設計、製作とともに Ardupilot を適用した FC の設定を実施して行く予定である。

図 16．VTOL 機試行状況↑適用予定の形態

図 15．QuadPlane サポート
（参考情報(6)）

第一工業大学研究報告 第33号 （2021）

5. 今後の予定とまとめ

謝辞

以上、メリットの多い VTOL 型ドローンを 1 機

Ardupilot 習熟に関しては、ドローン・ジャパン

トータルで実現させて行く過程は、当航空工学科

株式会社殿主催のドローンエンジニア養成塾（第学生への良い工学的実践教育にもなり得るもの

９期）に参加させていただいた。本報告にあたっ

として研究を進めているが、その現状までの途中ては、塾でのトレーニングにより得たスキルを使経過を紹介、報告した。

って実施した内容も掲載した。有益なトレーニン

これらの経過で得られた知識やスキルを活か

グコースの主催に感謝する。

し、今後以下のような過程で、まず最もシンプルな形態である Non Tilt 型 VTOL ドローンを具体

参考文献及び情報的に設計、製作、飛行させたいと考えている。

(1) 中村愼悟ほか：”鹿児島県の特異性を考慮した(1) ベースとなるラジコン固定翼機の設計、制作、
飛行確認

ドローンの研究，第一工業大学研究報告，第 29号，pp. 11-19，(2017)(2) FC の VTOL 用セッティング、テスト(2) ”WINGCOPTER”，https://wingcopter.com/(3) Non Tilt 型 VTOL ドローンの設計、製作、飛行(3) “AeroSense エアロボウイング[AS-VT01]”，

実現
その後、その他のユニークな特徴も取り入れ第一工大のオリジナルな VTOL 型ドローン開発も目指して行きたい。
なお、実際に卒業研究の中で実践教育として研究を実行して行く中で、以下のような点への留意が必要であると考え付記する。
(1) 卒業研究に着手する 3 年時までに航空工学に関する一通りの講義を受けているので、それをこの卒研で実際の設計や製作に落とし込み理解を自分のものとする点を意識づける。
(2) 未学習の事項、特にドローンに関する事項については、年度のはじめに前年度の卒研成果も含めしっかり説明、操縦も体験させ興味を持たせる。また未学習事項は、3 年時までのカリキ
ュラムに組み込むことも考慮する。
(3) 研究の過程で逐次出てくる問題や課題をひとつずつ分析、解決して行くことは、難しい点であると同時に、ものづくりのおける一つの重要な過程であり、将来実際の現場で技術者として活躍する上で様々な示唆を得られる貴重な体験となることも意識づける。

https://aerosense.co.jp/vtol-as-vt01/(4) 高橋隆雄：”ドローンを作ろう！飛ばそう！
[第 2 班]”，秀和システム，(2017)(5) 下 山 崇 ： ”DETAILED PRACTICAL FULL
VERSION***DRONE***詳細・実践・完全版”，(2019)(6) ”ARDUPILOT Versatile, Trusted, Open”，
https://ardupilot.org/(7) ”Where the world builds software”，
https://github.com/(8) ”ラジコン飛行機を作ろう”，
https://horo1929.sakura.ne.jp/index.html#bk00