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チューリッヒ大、ドローンが故障しても飛び続けるシステムを開発!
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土屋 武司東京大学 大学院工学系研究科 航空宇宙工学専攻 教授
マルチコプターはプロペラ4つのものをquadcopter(クワッドコプター,クワドコプター),6つのものをhexacopter(ヘキサコプター),8つのものをoctocopter(オクトコプター)と呼びます.プロペラの数は偶数個で,2個ずつ反対方向に回転しています.これは,モーターがプロペラを回すトルクの反トルクで機体自身が回転してしまうことを防ぐためです.プロペラの数を偶数個にして,回転方向を半数ずつにして反トルクを打ち消しています.ドラえもんのタケコプターの大きな疑問は反トルクをどのように打ち消しているのかということで,ここから考えるとタケコプターはプロペラの回転による推力で飛行しているのではないことが分かります. 一見,単純構造でプロペラ回転で安定して空中に静止(ホバリング)しているように見えるマルチコプターは静的に不安定で,ジャイロ・加速度センサなどの慣性センサやカメラから姿勢を観測し,それに基づいてプロペラの回転数を細かく制御しないと,すぐにバランスを崩してしまいます. プロペラ一つが機能を失ったとします.プロペラ6つのヘキサコプター,8つのオクトコプターであれば,他のプロペラが補うことで何とか姿勢を維持することができます.しかし,4つしかないクワッドコプターでは,たとえ残りの3つのプロペラが十分な推力をもっていて高度を維持できても,打ち消せない反トルクで機体は回転運動を始めてしまい,姿勢を保つことはできません.結局,墜落してしまいます. そこで姿勢を維持,つまり静止することをあきらめて,クルクル回転しながら高度だけは維持する,動的なつり合い状態を確保することになります.この辺りは研究がいろいろ発表されていて,数値計算(シミュレーション)はできるが,現状,実際に飛行する機体でできるかどうかという状態にあります.難しいのは,そのような回転状態では先に述べたセンサが機能を果たさなくなることにあります.また空力も非線形となります. で,この記事になります.
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