第一工科大学研究報告第36号（2024）pp.5-10

ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作Ⅱ）
山本 淳二, 上西
第一工科大学太陽, 川原 拓斗, 立石 晟日彦

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(Trial making of an ornithopter droneⅡ)
Junji Yamamoto, Taiyo Kaminishi, Takuto Kawahara, Masahiko Tateishi
Department of Aeronautical Engineering, Daiichi Institute of Technology

Abstract: With the remarkable growth of the drone market in recent years, many institutions and companies areconducting various research and developments. In our laboratory, we are conducting research on making drones
based on the belief that designing, making, and flying a drone by ourselves is a good practical education for students
studying aeronautical engineering. This year, continuing from last year, we continued completing a ornithopter
drone with quantitative evaluation in a wind tunnel. This paper reports the progress and results of this year.
1. はじめに
近年のドローン関連産業の発展に伴い、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、実践に取り組んでいる。本航空工学科でもドローンに関連するさまざまな研究を実施しているが、当研究室では参考文献(1)で述べたように、航空工学を学ぶ学生に対する良い実践教育に成り得るとの考えか
ら、学生たちに実際にドローンを設計、自作、飛図.1 「はばたき 2022」ドローン行させる卒業研究を実施しており、昨年度(2022

はばたきドローンには、プロペラ方式のドロー年度)は、その一環として、はばたきドローンの設ンに対し静粛性や安全性の利点があるため、それ計・試作を行った（以降昨年度試作機を「はばたを活かした活用も考えられ、種々研究も進められき 2022」と呼ぶ、図.1 参照）。その結果、短い距ている。

離ながらある程度はばたき飛行できるところま以下、本論では本年度（2023 年度）のはばたきで進捗したと同時に、はばたきドローン自作に関ドローンに関する検討・試作状況等について紹介、するいろいろな知見も得られた。今年度は、さら報告する。に長時間安定した飛行のできるはばたきドローンを設計、製作することを目標に卒業研究に取り組んだ。

2. 「はばたき 2022」風洞試験「はばたき 2022」からの改善を検討するにあた
り、まず「はばたき 2022」が発生している揚力、

第一工科大学研究報告第36号（2024）

推進力、抵抗を定量的に把握するため、本学の低デジタル計

速風洞試験装置を用いて風洞試験を行った。
2.1 風洞試験装置への供試体取付け
図.2 に示すように、風洞装置のインターフェースに合わせた取付け治具を設計、製作し「はばたき 2022」を治具にタイラップで固縛し、設置した。

データロガー
図.3 計測装置

2.4 試験結果
2.4.1 滑空状態
タイラップ

取付け治具

滑空状態の静的計測結果の一例として、迎角を0°に固定し、風速を 5m/s から 8m/s に変更した
際の抵抗と主翼揚力の測定結果を図.4 に示す。データを 2 次曲線で近似しているが抵抗、揚力とも

図.2 風洞試験装置への設置にほぼ風速の 2 乗に比例することが確認できる。
また、風速 7m/s 程度で 100gf 強の主翼揚力が発生

2.2 試験ケースしており、ある程度の前進速度が得られれば「は試験は、滑空状態およびはばたき状態双方につばたき 2022」は自重（約 100gf）を支えるだけのいて実施した。滑空状態では、迎角や風速を変更揚力は発生可能であることがわかった。

して静的な計測を実施。はばたき状態では、静止[gf]推力を得るための風速なしの状態、および飛行中を模擬した風速あり（5m/s）の状態で動的な時歴揚力計測を実施した。試験ケースを表.1 に示す。

抵抗表.1 試験ケース

風速[m/s]図.4 計測結果例（滑空状態）
2.4.2 はばたき状態
はばたき状態での動的な計測結果一例を図.5 に2.3 計測装置示す。上が風速なし、下が風速ありの状態での抵滑空時等、静的状態での 6 分力 (Fx, Fy, Fz, Mx,抗と主翼揚力の時歴である。風速なしの状態では、My, Mz) は、風洞試験計測器のデジタル計で計測

Fx はマイナスとなっており後方へ推力を発生しし、はばたき時の動的時歴は風洞試験計測器からていることがわかる（静止推力）。風速ありの状態の信号をデータロガーにて記録し計測した。

では、揚力は風速なしの状態に対し風速のよる揚図.3 に計測装置を示す。

力が加えられ、プラス側にオフセットしているのがわかる。

山本・上西・川原・立石：ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作Ⅱ）[gf]

主翼形態②揚力推力[ms]

図.7 に 2 種目の主翼形態②を示す。
「はばたき2022」と同じフィルムを使用したが、剛性を上げるためガセット部を強固にし、カーボン材の補強パターンを変更した。

[gf]

揚力
抵抗
[ms]

図.5 計測結果例（はばたき状態時歴）
フィルム

補強(カーボン）

2.4.3 考察

図.7 主翼形態②以上の風洞試験より「はばたき 2022」の特性について、以下のように考察した。

3.2 はばたき機構の改善

・はばたき機が受ける抵抗に対し、はばたきによ3.2.1 飛行確認

る前進推力が小さい。よって手投げの初速を保主翼形態の比較が目的のため、主翼は途中で関てず継続した飛行ができない状態である。

節のないシンプルな形態とし、モーターは当初・揚力も滑空状態では 7m/s 程度で自重を支える「はばたき 2022」に使用したのと同等の Akozon

だけの揚力は発生するが、5m/s のはばたき状態

ロングシャフトモーター2 個を用いギアボックスでの平均揚力は自重を下回り、揚力は不足する。

にて出力を 1 本に合わせた（図.8 参照）。主翼形態①、②での風洞試験を実施する前に、定性的な傾

3. はばたき機改善検討

向をみるために飛行確認したところ、特に主翼形「はばたき 2022」についての考察より、はばた

態①では、良好に滑空するものの、はばたかせたき機ドローン 2023 年度版（以降「はばたき 2023」

状態で飛行させると主翼に発生する揚力にモーと呼ぶ）の改善を検討した。はばたきによる推力タートルクが打ち勝てず、はばたきが止まる結果が抵抗に比較して小さいため、まずは、これを改となり、モータートルクの不足が判明した（図.9善する必要があることから、材質の違う 2 種の主参照）。

翼形態を作成し、それらの推力、揚力等を風洞試

モーター(2 個)

験にて比較検討することとした。
3.1 主翼形態
主翼形態①
図.6 に 1 種目の主翼形態①を示す。厚さ 1mmのスチレンフォームを使用した主翼である。

ギアボックス
図.8 当初モーター/ギアボックス
飛行中はばたきが止まる

スチレンフォーム(1mmt)

図.6 主翼形態①

図.9 飛行確認

第一工科大学研究報告

3.2.2 モーター/ギアの改善

第36号（2024）

4. 「はばたき 2023」風洞試験

モータートルクが不足しているため、風洞試験

主として、主翼形態①と主翼形態②および「はを行っても風速ありの状態でははばたかないこ

ばたき 2022」の推力、揚力、抵抗を比較するため、とは明白なため、モーター及び減速用ギアの機構それぞれの形態で風洞試験を実施した。試験装置を改善した。改善にあたっては、良好にはばたきへの取付けや計測要領は「はばたき 2022」と同等飛行している参考情報(2)のはばたき機を参考にである。図.12 に主翼形態①および②のセットアした。モーターはコスモテック CT2211-1700 を用ップ状況を示す。

い、ギアは AXON ギアを組み合わせて使用した（図.10 参照）。
平ギア
(100T)

主翼形態①
ピニオン・ギア
(22T)

平ギア

主翼形態②

平ギア
(74T)

ブラシレス・モーター
図.10 モーター/ギアの改善

3.2.3 「はばたき 2023」製作
以上の改善を実施したはばたきドローンを設
図.12 風洞セットアップ

計、製作し「はばたき 2023」とした。主翼や尾翼のサイジングは「はばたき 2022」と比較しやすくするため同じ形状、大きさとした。組立て状況、

4.1 試験ケース
主翼形態①および②について、「はばたき完成状態を図.11 に示す。
完成重量は想定よりも重2022」と同等のデータを取得すべく、表.2 に示す

く 210gf と「はばたき 2022」の 2 倍程度となった。

試験ケ ースの風洞試験を実施した。
表.2 試験ケース

組立て状況

4.2 試験結果
4.2.1 滑空状態
滑空状態における試験結果を主翼形態①、②お完成状況（重量：210gf）
図.11 「はばたき 2023」

よび「はばたき 2022」について比較した。図.13 に
風速に対する抵抗、揚力を各形態比較して示す。

山本・上西・川原・立石：ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作Ⅱ）

各値を分析し、以下のような考察を得た。

[gf]

・風速のない静止推力の大きさは、形態②、「はばたき 2022」、形態①の順となり、他の 2 つの形

主翼形態①

態に比較すると形態②が突出した。これは、形態②での周波数が他に比べて大きいことも関連
主翼形態②する。
・周波数については、回転系メカニズムの精度が「はばたき 2022」上がらず精密なコントロールが難しかったため、
風速[m/s]

今回周波数をパラメータとした計測ができなかったが、以降周波数と推力の関係を実験によっ[gf]ても明らかにする必要がある。
・風速がある場合、いずれの形態でもはばたきに主翼形態①
主翼形態②

よる推力よりも抵抗が上回り、飛行中は現状の３形態の主翼では前進のための推力が得られないことが判明した。

「はばたき 2022」
図.13 風速－抵抗、揚力の比較

風速[m/s]

・揚力については、風速がない場合、はばたきによる揚力はいずれも上向きよりも下向きの力の方が上回る結果となった。
・風速のある場合の抵抗について、形態①、②でこれより、材質が”フィルム＋補強”であり近いは滑空時よりもはばたき時の平均値の方が小形態である主翼形態②と「はばたき 2022」では、さいが、「はばたき 2022」では、はばたき時の抵抗、揚力ともにほぼ同等であるのに対し、主翼方が大きい結果となった。間接型の翼であるこ形態①はそれぞれ 2 倍程度となることがわかった。とと関連がある可能性がある。
・風速のある場合の揚力について、いずれの形態

4.2.2 はばたき状態
主翼形態①、②のはばたき状態についても、図.5においても滑空時よりもはばたき時の平均値の方が小さくなり、同じ風速では滑空時と同等に示した「はばたき 2022」と同様に推力（抵抗）までの揚力は得られないことがわかった。

および揚力の時歴を、データロガーで計測した。

・はばたき時の揚力の変動値については、いずれ

表.3 に主翼形態①、②の計測結果を「はばたきのケースでも風速がある場合の方が風速がな2022」も含めて滑空時の値とも比較した結果を示い場合よりも小さくなることがわかった。

す。いずれも迎角は 0°の場合の値である。
表.3 推力（抵抗）、揚力の比較

5. 「はばたき 2023」飛行確認
4 項の風洞試験結果より、今年度考案した主翼
形態①および②でも、前進飛行時の推力が十分発生しないことや、形態①でははばたき時の揚力は自重(210gf)を支える程度は発生するものの、形態②では、速度、迎角ともにある程度大きくしないと十分な揚力が発生しないことが予想された。しかしながら滑空状態およびはばたき状態での飛行確認を実施することにした。

第一工科大学研究報告

なお、はばたき機構のモーターやギアなどの重第36号（2024）

6.2 今後の予定

量物が機体前方に位置し前方重心となり頭下げ

今年度までの知見を活かし、自作「はばたきド傾向が強いため極力重量ロスは減らしつつ重心ローン」を完成させるために、以下のようなアプを後方に下げるため、後方にカーボンロッドを伸ローチで検討を継続するとともに、これまでの本ばしその先に 10gf 程度のダミーウエイトを搭載研究室での自作ドローン設計・製作から得られたし重心を調整した。

経験も活かし、ユニークな第一工大オリジナルド

その結果、滑空状態では主要形態①および②とローンの開発を目指したい。

もに比較的安定した飛行が確認できた（図.14 参・他機例も参考に推力、揚力ともに良好な主翼形

照）。ただし、はばたき状態では、主翼形態①およ態を検討し、風洞試験でデータを取得する。

び②とも風洞試験結果から予想されたように上・はばたき周波数と動的推力、揚力の関係も明確手く継続した飛行はできない結果となった。

化する。
・より軽量でスムースなはばたき機構を調査・検討し採用する。
・重量・重心・主翼、尾翼面積等サイジングを見直し、設計・製作する。

滑空状態
参考文献及び情報
図.14 主翼形態② 滑空飛行

(1) 山本淳二：”ドローン設計・自作に関する研究

6. まとめ(はばたきドローン試作)”，第一工科大学研究6.1 今年度成果

報告，第 35 号，pp. 6-11，(2023)「はばたき 2022」を改善し、安定した飛行を目(2) y.takemura：”鳥型羽ばたき機「patapata4 Ver1」指して取り組んだ「はばたき 2023」であったが、First flight test”

結果として、今年度はうまく飛ばすところまで行

https://www.youtube.com/watch?v=sq126k6aTBAけなかった。しかしながら風洞試験によるはばたき中の動的な推力や揚力の定量的な特性などを把握でき、また新しいはばたき機構を実際に製作することにより、はばたきドローンを設計、製作する上での実践的なノウハウや知見を積み重ねることができた。また、本年度卒研生の大学生活はコロナ禍とともに始まったが、4 年次ではその制限も緩み仲間と毎週対面で卒業研究を進めることができ、以下のような感想も得た。
▶ 実際に飛行するものを作りあげる難しさを痛感した。
▶ 仲間といろいろ考え目標に向かって研究を進める楽しさを知った。
▶ 自分で結果を予測することや、試験結果からどう改善したらより良くなるのかを考えながら研究を進める大切さを学んだ。