第一工科大学研究報告第34号(2022)pp.1-6

ドローン設計・自作に関する研究（VTOL 型ドローン試作）山本
第一工科大学淳二

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(Trial making of VTOL Drone)
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 designing, making, and flying a drone will be a good practicaleducation for students studying aerospace engineering. Therefore, based on the research results of self-making
drones until last year in our laboratory, we designed and made a VTOL drone and conducted flight confirmation. In
this report, we show the progress of our trial making of VTOL drone (VTOL#01) in this year.
1. はじめに
近年、ドローン関連技術の発展は著しく、多く

本報告では、当研究室での VTOL 型ドローン試作についての本年度の進捗を紹介、報告する。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2. 改良型ラジコン固定翼機極的に取り組んでいる。

2.1 昨年度からの改善

本航空工学科でもドローンに関連する研究を参考文献(1)で報告したように、VTOL 型ドロー種々実施しているが、当研究室では参考文献(1)でンは飛行機モードにおいては、通常の固定翼機と述べたように、航空工学を学ぶ学生に対する、良して飛行するため、固定翼ラジコン機の特性を把い実践教育に成り得るとの考えから、学生たちに握することも必須である。よって昨年度、参考情実際にドローンを設計、自作、飛行させる研究を報(2)で設計情報が公開されている実績のあるラ実 施し ている 。本年度も 昨年度に引 き続 き、ジコン機を参考に、主に修理しやすさの観点から

VTOL1 型ドローン実現に向けての研究を行った。

軽微な設計変更を加えた機体（RW-1）を自作し、VTOL 型ドローンは通常の固定翼機にドローンのまずラジコン機の定性的な特性を把握した。本年要素を加えた航空機であり、その実現には従来の度、より安定した飛行を実現することを検討した

航空工学の知識に加え、ドローンを制御する重要

結果、RW-1 は参考情報(2)のオリジナルな機体にな部品である FC(フライトコントローラー)の設比較し、以下の点で劣っていることが分かった。

定、プログラミング等の IT(Information Technology)① 水平尾翼容積と垂直尾翼容積が小さい的要素を含めた知識、経験も必要となり、教育的② 主翼表面素材変更等により重量が重いにも良い教材になるのではないかと考えている。

また、製作上の精度が良くなく、上反角が設計より小さくなってしまっていた。よって、よりオリ1VTOL; Vertical Take-off and Landing aircraft（垂直離着陸機）

第一工科大学研究報告

ジナルに近いものに戻り再製作することにした。
図 1 に RW-1 と RW-2 の完成状況を示す。

第34号（2022）

・尾輪式のため離陸時のまっすぐな滑走が難しいが、最初エレベータを一旦下げ、早めに尾輪を浮かせると、まっすぐ加速し浮きやすい。
・浮くまでは脚の抵抗のためスロットルを上げる必要があるが、浮いた後は、そのままでは一気に上昇するので、ゆっくりスロットルを下げる。
・水平飛行（トリム）に入るにはエレベータ調整

RW-1

よりも、スロットルによる速度調整を優先する。
・旋回を始めると高度が下がるので、スロットル調整が必要。
RW-2図 1．ラジコン固定翼機の改善

2.2 設計・製作

・急なラダー操作は失速する。
3. VTOL 型ドローン
昨年度までの研究成果および 2 項でのラジコン以降の VTOL 型ドローン設計のために前段とし固定翼機での経験・知見をベースに VTOL 型ドロて、参考情報(2)の設計情報をもとに、3D CADーンの試作にとりかかった。形態は、4 枚の VTOL(Solidworks)でモデル化し、３面図・部品表・部品プロペラと 1 枚の前進プロペラを装備するもっと図を作成し、それをベースにバルサ材などを加工もシンプルな Non Tilt 型の VTOL 型ドローンし組み立てた。非常に簡単な例ではあるが、もの（Quadcopter）とし、名称は VTOL#01 とした。

づくりの基本的な流れを学生は体験した。

3.1 主要諸元設定
まずは、VTOL ドローンとして正常に飛行でき2.3 飛行完熟ることを目標とし、ペイロードは考慮せず、さらRW-2 を使用し飛行完熟を実施し、昨年度に比に製作のしやすさも考慮し、主翼は矩形翼、尾翼べ、狭くて飛ばしにくい体育館でも、かなり安定形状は RW-1/RW-2 の相似形とした。これらをベして飛行させることができるようになった。図 2ースに機体主要諸元を以下のように設定した。に飛行状況一例を示す。

3.1.1 重量/巡行速度/主翼面積等・目標重量：約 1,200ｇｆ
昨年度自作した#4 号機ドローン(約 700gf)とラジコン機 RW-1(約 210gf)から設定。
・巡航速度：約 40km/hr（11.1m/s）
RW-1、RW-2 の経験より、まず安全に飛行させるにはこの程度の速度が限界と考えた。

図 2．RW-2 飛行状況

飛行完熟の中で得た知見を以下に示す。一般的な事項ではあるが、学生自らの体験より得た知見である。
・単発機の左旋回傾向への対策として、送信機側でもラダーのトリム量を調整する
・低速で飛ばすには、エレベータを若干上向きにしてトリムさせる（アップトリム）

・主翼面積：1.2ｍ×0.24ｍ=0.288m2
約 40km/hr(11.1m/s)の巡行速度で自重 1,200gf 程度の揚力が出る面積とした。
・主翼翼型：Clerk Y
RW-2 と同。（底面が直線で製作容易）
・アスペクト比：5RW-2 の 4.4 と同レベルとした。

山本：ドローン設計・自作に関する研究（VTOL試作）

・VTOL プロペラ間距離：0.56ｍ
8”プロペラの吹きおろしが主翼にかからない成を実施した。
強度的に最も弱いと思われる左右翼取付け部や胴体と主翼の結合部については、簡単な強度検寸度とした。
・重心位置：主翼 MAC（平均空力翼弦）の 33%程度とし、4 枚の VTOL プロペラの中心を重心に討も実施し、飛行荷重（10G 程度を想定）に対しては問題ないレベルであることも確認した。

一致させた。
3.1.2 水平尾翼・垂直尾翼面積
ラジコン固定翼機の実績を踏襲し、尾翼容積がRW-2 よりも若干大きい値となるように、水平尾翼・垂直尾翼の面積を決定した。
・水平尾翼容積：
𝑆 ・𝐿

𝑉 =

𝑆・𝑀𝐴𝐶

=0.145 × 0.43 × 0.55
= 0.500.24 × 1.2 × 0.24

・垂直尾翼容積：𝑉 =𝑆 ・𝐿
𝑆・翼長=0.155 × 0.21 × 0.55
= 0.052
0.24 × 1.2 × 1.2

図 4．VTOL#01 3D モデル/３面図

3.3 製作製作方法は、基本的には RW-2 を踏襲、バルサ材・ヒノキ材・シナベニヤなどの木材を中心に製作。モーター取付け部等にはアルミ板等、主翼には軽量の熱収縮フィルムを使用した。曲線形状のある部品リブ等の部品は作成した部品図を 1/1 に焼いて型紙を作り切り出して作成した。

図 3．VTOL#01 主要寸法

3.2 設計前 項 で の 主 要 諸 元 を ベ ー ス に 3D CAD(Solidworks)にてモデル化・３面図作成・部品図作

図 5．部品切り出し/組立て

第一工科大学研究報告

3.4 FC 等部品搭載/配線/設定

第34号（2022）

3.5 VTOL 推力測定

ドローンをコントロールする重要な部品であ

ドローンモードで 4 枚の VTOL プロペラが適正る FC（フライトコントローラー）や ESC（Electricな推力を出せるかの計測を参考文献(1)に示した

Speed Controller）を含めた部品は、基本的に昨年のと同様な簡易な方法で実施した。すなわち推力度、オープンソースプロジェクトである Ardupilotが下方に出るようにプロペラを取付け、各プロペを活用して自作した#4 号機ドローンと同じ部品

ラ下方に計量計を置き、スロットルを上げ計量計を使用し、配線等もこの経験を活かした。Ardupilotの目盛りをカメラで撮影、記録した。

では通常のドローンのみではなく VTOL 型ドロー

その結果、VTOL モーター用に 3S バッテリをン(Quadcopter)も固定翼のカテゴリーとしてサポ使用したケースでは、推力は 4 つの合計がートしており、参考情報(3)に種々詳細な情報を公1000gf~1200gf 程度と十分ではなかったが、4s バ開している。最初の VTOL 型ドローンを安定してッテリを使用した場合は、2000gf 程度とホバリン飛行させるにあたり、この実績のある情報を十分グにも十分な推力が得られることが確認できた。に活用した。FC は Pixhawk を使用し、これに PCにインストールした GCS（Ground Control Station）である Mission Planner（M/P）を用いて、VTOL 用のファームウエアをインストールした。
前進用モーター

3.6 主翼揚力確認
VTOL 型ドローンは、前進モーターによる前進速度が十分大きくなると主翼が揚力を分担し、飛行機モードとして飛行し VTOL プロペラの推力は不要となる。よってバッテリ消費が抑えられ通常バッテリVTOL モーター（4 個）のドローンよりも長距離飛行が可能になる。そこ
で VTOL#01 を初飛行させる前に、主翼が十分な揚力を発生するかを、VTOL プロペラを外した状FC(Pixhawk)態で地上滑走することにより確認した。その結果、主翼は想定程度の速度(40km/hr)で、自重を浮揚さGPS アンテナせるだけの揚力を発生することを確認できた。
図 6．部品の搭載/配線

3.7 飛行確認

図 6 に機体の中心をなす VTOL 部分に各種部品

飛行確認は、参考情報(4)で規定される飛行禁止を搭載/配線した状況を示す。これに左舷、右舷の空域でない場所にて、かつ安全のため機体と地上主翼および尾翼を取り付け、つなぎ部分のフィルに置いたウエイトを十分な強度のテグス（以降バムを貼り、プロペラ、バッテリ等を取り付けて完ンジーテグスと言う）で繋ぐことにより実施した。

成した。完成状況を図 7 に示す。

なお、本年 6 月、航空法改正により無人航空機の登録が義務化されるため、事前登録申請を行い、登録番号を機体に貼付した。

尾翼

ウエイト
ウエイト

VTOL プロペラ（4 枚）
前進用プロペラ
主翼

図 7．VTOL#01 完成状態バンジーテグス
約 30m

糸巻き（収納時）

図 8．バンジーテグス

山本：ドローン設計・自作に関する研究（VTOL試作）

3.7.1 飛行モード切替えの反応が緩やかで操縦しやすく、運動性よりもまVTOL 型ドローンは、まずドローンモードで離ずは安定した飛行を目標としている点からする

陸、モード切替えスイッチを切り替えた後、前進と、良好にホバリングできることが確認できた。

モーターで前進、加速し飛行機モードへと遷移して行く。着陸時はその逆で飛行機モードからスイッチを切り替え、ドローンモードに戻りホバリング後、着陸する。
ドローンモードでは通常のドローンと同じく、ピッチ・ロール・ヨーの動きは 4 個の VTOL モー
ターの回転数の調整でコントロールするのに対して、飛行機モードでは主翼のエルロン、尾翼のエレベータ、ラダーを動かしコントロールする。
よってモードスイッチ切替えにより、送信機の左右スティックの役割も変わる。

図 10．ホバリング状況

3.7.3 飛行機モードへの遷移
続いてモード切替えスイッチを切り替えて、飛行機モードへの遷移を試みた。スイッチを切り替

また、不時の際にはモーターを停止できるエマ

えた後、前進用プロペラが回りはじめると、しばージェンシー・モーター・ストップを送信機のスらくして前進をはじめ、徐々に加速する。飛行機

イッチに設定した。

モードではスロットルスティックは前進用モーエマージェンシー・モーター・ストップ

飛行モード切替えスイッチ*)

ターの回転数を調整するため、スロットルを上げると加速も早くなる。ある程度、直線飛行したところでモードスイッチをドローンモードのQHOVER に戻すと、良好にホバリングに遷移できた。ただし、スイッチを戻した後は、スロットルスティックは VTOL モーターの調整へと切り替わ

右スティック
左スティックるため、前進速度が速い状態でスイッチを戻した
場合は一旦上昇する。よってスロットルを落ち着いて調整する等、操縦の注意が必要となる。
飛行機モードで前進中

図 9．送信機スイッチ*)飛行モード切替えスイッチ；

上段：QSTABILIZE モード（通常のドローンモード）
中断：QHOVER モード（高度・位置保持ドローンモード）
下段：FBWA モード（一般的な飛行機モード）

3.7.2 ホバリング
事前に安全上の注意事項を再周知し、またバン

図 11．飛行機モードへの遷移

3.7.4 旋回飛行

ジーテグス(半径約 30m)により、機体が不意に安次に飛行機モードでの旋回飛行をこころみた。

全なエリアから出て行かないことを確認したのモードスイッチを飛行機モードに切り替えた後、ち、ドローンモードでホバリングを実施した。

送信機の右スティックを左に倒し、エルロンで左結果、#4 号機ドローンに比較して重量が重く、へロールさせる。速度が低い状態では、VTOL プ慣性も大きいことから、スティックに対する機体ロペラは推力を出すと同時に機体制御の補助も

第一工科大学研究報告

第34号（2022）

行うので、機体は比較的容易にロールし旋回に入る。速度がある程度上がると、VTOL モーターの寄与は低くなり、エルロンでのコントロールが主となる。さらに主翼のみで揚力が十分出る速度に達すると VTOL モーターの寄与はなくなる。
操縦の観点では、2.3 項で飛行完熟を実施した
ように、固定翼ラジコンでは、離陸時は十分な速度を得るまでの滑走が必要であるのと、常に速度が必要であるため、通常のドローンよりも操縦の図 13．M/P による飛行状況モニター

難易度は高い。今回の VTOL#01 の飛行において4. まとめは、バンジーテグスを付けた状態であるため、旋4.1 今年度成果

回半径約 30m の円内での飛行と言う制約がある

昨年 度まで の研 究成果 をベ ースに 、本 年度

こともあり、やはり飛行機モードはドローンモー

VTOL 型ドローン(VTOL#01)を設計・試作し、あドに比較して操縦の難易度が高かった。しかしる程度の飛行確認まで実施することができた。実VTOL 型ドローンは、第一に離陸滑走が不要なこ機製造に対して比べる由もないが、ものづくりのと、また飛行機モードでコントロールが難しくな基本的な流れや難しさ、あるいは楽しさを学生はったと感じた際、ドローンモードに戻して空中静体験できたのではないかと考える。

止できると言うメリットも大きく、もちろん十分

4.2 今後の予定

な完熟訓練は必須であるが、通常の固定翼ラジコ今後以下のような予定で VTOL 型を含めたドロンよりかなり操縦がしやすい感触を得ることがーンの設計、自作に関する研究を継続したい。

できた。

・VTOL#01 の飛行完熟
機体を安全かつ意図通り飛行できるように飛行訓練を継続する。
・Ardupilot を活用した自律飛行検討
・水上離着水化に関する検討
離島の多い本地域でのドローン活用を検討す（旋回飛行の写真）る一環として、VTOL#01 の水上離着水化を検討。
・ユニークな第一工大オリジナルドローンの開発

図 12．旋回飛行中

参考文献及び情報(1) 山本淳二：”ドローン設計・自作に関する研究”，なお飛行中の速度・高度・電圧等は、機体と PCの Mission Planner (M/P)を無線通信（テレメトリー）で繋いで実施した。テレメトリー送受信デバ
イスとしては、プロポと同じ 24GHz 帯を使用し、日本の技術適合証の取れている Xbee S2C を使用している。図 13 に M/P の飛行中のモニター画面を示す。

第一工業大学研究報告，第 33 号，pp. 1-8，(2021)(2) ”ラジコン飛行機を作ろう”，
https://horo1929.sakura.ne.jp/index.html#bk00(3) ”ARDUPILOT Versatile, Trusted, Open”，
https://ardupilot.org/(4) 国土交通省 HP：”無人航空機（ドローン・ラジコン機等）の飛行ルール”
https://www.mlit.go.jp/koku/koku_tk10_000003.html