2021 年度工学部学生自主研究奨励

割り箸を用いた安価で手軽なマルチロータドローンの試作研究
航空宇宙学科航空宇宙学専攻

8BEU3132荒井 杏真

はじめに（研究の目的）
昨今，多くの場面で，容易に飛行させることが可能なロボットであるドローンが活用されるようになってきた．翼の付いた固定翼機や，1 枚のプロペラで飛行するヘリコプ
タ，数枚のプロペラを備えたマルチロータなど，様々な形式のものが存在するが，中でもマルチロータと呼ばれるドローンは，他の形式に比べて扱いやすく，幅広い分野で普及している．例えば，農業においては，農薬の散布や，カメラを搭載することで，生育状況の調査が，マルチコプタにより行われている．災害現場においても，人間が介入できない厳しい環境において，マルチコプタを自律制御させ，現場の状況を把握することが可能な技術も開発されている．こういったように，センサやアクチュエータなどと組み合わせることで，多くの場面で活用が期待されるマルチコプタであるが，難点として，DJI 社の Mavic シリーズなどのトイドローンに分類されないような，扱いが簡単で，安定したマルチコプタは，一般向けとしては高価であるということが挙げられる．さらに，落下等で破損してしまったり，電池が消耗してしまったりすると，メーカー生産品である部品が多いため，修理が容易に行えない．そこで，部品を簡単に入手できる手軽さと，一般家庭でもためらうことなく扱える安価さを両立したマルチコプタを製作することで，より多くの人がドローンの魅力を体感し，様々な応用例が生まれるのではないかと考えた．

図1

DJI 社製 Mavic Mini2 (https://www.dji.com/jp/より) [1]

方法-機体
機体のフレームは，割り箸を用いて製作する．これは，入手，加工が非常に簡単で，さらには非常に安価なため，一般用途でも躊躇することなく使用することが可能なである．今回は，コンビニエンスストアで食品を購入した際，食事用に手に入れることが可能な割りばしを採用した．割り箸一膳を半分に切断し，組木の一つである，相欠 [9] を用いて組み合わせることで，フレームを製作した．

図 1 相欠の構造

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図 2 フレーム

2021 年度工学部学生自主研究奨励- フライトコントローラ
フライトコントローラには，M5StickC を用いた．これは，Wi-Fi や Bluetooth といった機能を標準で搭載する ESP32 PICO をメインのマイコンに搭載し，6 軸の慣性計測装置（IMU）である MPU6886 や，Li-Po バッテリ，電源管理用のパワーマネ
ジメント IC の AXP192 など，便利なセンサや IC がコンパクトにまとめられているものである．さらに，GPIO ピンを 5 つ備えているため，4 つのモータを PWM（PulseWidth Modulation）により制御できる．こういった便利な点が多いことから，手軽なドローンを目指すべく，このマイコンボードをフライトコントローラに選定した．
- 推進系
推進系は，aitendo にて販売されているコアレスモータ（M716PA-10）と，プロペラを用いる．加えて，モータの駆動には大きな電流が必要であり，ドローンの制御には回転速度を調整する必要もあるため，N チャネル MOSFET を用いたモータ制御回路も製作した．ここでは，M5StickC が 3.3[V]系のマイコンボードであることと，外部電源として使用する Li-Po バッテリが 3.7[V]出力であることから，
MOSFET は 2SK1482 [7] を使用した．これらを用いて，実際のドローンの重量に対し，十分な推力が得られるのか調べるために，推力測定を行った．

図 3 モータ制御回路のブレッドボードモデル- 静止推力測定実験
推力を測定するために，図 4 に示すような装置を製作した．

図 4 推力測定装置
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推力測定装置は，はかり（dretec 社製 KS-616），モータ，モータ治具，モータ制御回路，M5StickC，安定化電源（A and D 社製 AD-822D）からなる．
M5StickC は 3.3[V]系であるため，MOSFET に入力する電圧を 0～3.3[V]，つまり，PWM のデューティ比を 0[%]～100[%]に変化させることで，モータに流れる電流を変化させることが可能である．そこで，この実験では，デューティ比を5[%]ごとに変化させ，モータに流れる電流[A]と，静止推力[gf]を測定した．
- 飛行実験
自宅の室内にて，飛行試験を行う．静止推力測定実験より，実際に飛行可能な出力の，±10[%]でモータを回転させ，最大の高度を計測する．積載量の都合上，気圧計や距離計といったセンサを搭載していないため，手元のレーザ距離計により，高度を計測する．
- 姿勢推定6 軸 IMU のセンサ値である加速度，角速度から，カルマンフィルタを用いて計算し，ロール，ピッチ角を導き出すプログラムを製作する．そこから，一定時間の姿勢を記録し，評価する．

結果ならびに考察- 静止推力測定実験
実験の結果を以下に示す．

図 5 ゲート電圧 Vgs とドレイン電流 Id の関係

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図 6 ゲート電圧 Vgs と静止推力[gf]の関係

図 5 は，M5StickC から FET のゲートに入力する電圧のデューティ比 Vgs と，モータに流れる電流 Id の関係である．ここからわかるように，モータは最大で1.35[A]の電流を必要とするため，直径が 0.36[mm]（AWG27）以上の導線を用いてモータ制御回路を作成する必要がある．また，図 6 は，FET のゲートに入力するデューティ比 Vgs と，モータの静止推力の関係である．ここからは，4 つのモータを使用した際，50[%]のパワーで 22.4[g]のものが，100[%]のパワーで 49.6[g]のものを持ち上げる能力があることがわかる．ドローン本体を構成する部品の全重量が 47.9[g]であったため，上昇するには 95[%]～100[%]のパワーが必要となる．
- 制御回路
回路図を以下に示す．

図 7 回路図
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フライトコントローラの電源は M5StickC 内蔵の Li-Po バッテリから，モータの電源は，外付けにした Li-Po バッテリから FET を通して供給することで，電力不足を防ぐよう設計した．これにより，モータの急激な電流消費に耐えられるようにはなったものの，外付けの Li-Po バッテリによって 6[g]の重量が追加されてしまった．また，M5StickC とゲート間にプルダウン抵抗を挟むことで，M5StickC からの信号が無い際には確実に基準電位に下げ，PWM 制御の安定を図った．
- 機体の製作

図 8 完成した機体制御回路とフレーム，モータを組み合わせることで，割り箸ベースのドローンを製作した．外付けバッテリは，購入した 1 セルのものが PH-2.0 コネクタを採用していたため，同様のものを基板に取り付け，簡単に接続可能なものにした．
また，モータの接続部分は，圧着作業があまり難しいものではなく，重量も重すぎない，NH コネクタを使用した．
- 飛行試験
静止推力測定実験の結果から， Vgs を，85[%]～100[%]に設定して，実験を行った．出力 100[%]の状態で機体は上昇したものの，レーザ距離計で測定可能な高度を飛ばず，また，かなり不安定な飛行であったため，姿勢推定を行う十分な飛行時間を確保することが困難であった．これは，マイコンボードと外付け Li-Po
バッテリが，全体重量の 45[%]を占めるほどであり，全体重量を結果的に増加させてしまったためだと考えられる．また，数回連続で飛ばした後，モータが 1つ動作しなくなる問題に見舞われた．調べたところ，このモータに接続されている M5StickC の GPIO ピンから，PWM 信号が出ていないことが分かった．基板の制約
上，そのピンは，GND 線の近くを通り，モータに接続されているため，墜落の際の衝撃で短絡し，ピンを破壊してしまった可能性がある．

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まとめ
割り箸をベースとした，安価で手軽なマルチコプタドローンを製作するべく，実験を行った．今回製作したドローンは，研究等で使用するための十分な高度を飛行することは難しく，改良が必要である．今後の課題として最初に挙げられるものは軽量化であるが，マイコンボードとモータ用の電源を一本化することや，マイコンボードの機能をさらにそぎ落とし，より軽量なものを使用することで，改善可能であると考える．また，軽量化に成功し，十分な飛行高度を確保できるようになれば，次の課題として，安定した飛行が求められる．これには，姿勢情報と PID 制御を用いて，ドローンの姿勢を維持することで，対応可能であると考えられる．
今回のドローン製作に使用した部品は，すべて身近な場所で手に入れることが可能であり，予算も 3000 円弱と，非常に安価である．このような手軽さであれば，一般家庭でもドローンに対して手を出しやすくなり，多くの人がドローンの技術に触れ，より幅広い分野で活用されるようになることが期待される．

参考資料（文献）[1] DJI，https://www.dji.com/jp/（2022.01.09）[2] 野波健蔵，“ドローン産業応用のすべて”，オーム社，2018．
[3] “Interface 2020 年 3 月号”，CQ 出版社，2020．
[4] 木村誠聡，“アナログ電子回路のキホンのキホン”，p.112-131，秀和システム，2013．
[5] 谷腰欣司，“トコトンやさしい トランジスタの本”，日刊工業新聞社，2008．
[6] “トランジスタ技術 2006 年 10 月号”，p.103-121，2006．
[7] aitendo，https://aitendo3.sakura.ne.jp/aitendo_data/
product_img/transisitor/2SK1482/2SK1482_nec.pdf(2022.01.09)[8] AA ポータブルパワー株式会社，
https://www.batteryspace.jp/html/page28.html(2022.01.12)[9] ヒダクマ，https://hidakuma.com/kumiki/aikaki/(2022.01.12)6