【自律飛行】ドローンに使われるセンサー類まとめ

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この記事ではドローンにとって特に重要な6種類のセンサーをご紹介します。ドローンには姿勢制御のためのセンサーがたくさん入っています。GPSとか電子コンパス、ジャイロセンサー、加速度センサー、気圧センサー、カメラその他のセンサーなどが入ってます。

こういうセンサーからのインプットというのは、例えば:

  • どのぐらいの速度で走ってます
  • どのぐらい傾いてます
  • どのぐらいの高さにいます

このような情報をフライトコントローラーが受け取って処理して、その結果、例えば「右のモーターの回転が弱いです、そのままだと落ちます」という場合には自動的に右のモーターが早く回って墜落しないようにする。こうした賢い仕組みがドローンには搭載されていて、それによってドローンは簡単に、あるいは自律的に飛べるようになっています。

GNSS受信機 (GPS受信機)

GPS受信機は、人工衛星からの電波を受信してドローンが地球上のどの位置にいるのかを測定するセンサーです。受信機の見た目はこんな形をしています。

建設業とか測量屋さんの方はご存知かもしれませんが、人工衛星を使った測位システムのことを「GNSS (Global Navigation Satellite System)」と呼びます。広く、この技術全体のジャンルの名前です。GNSSとは何かというと、地球上を周回している人工衛星の電波を使って (ドローンに限らず何らかの) 物体の位置を測定する仕組みです。

[画像] http://terras.gsi.go.jp/geo_info/GNSS.html

「GNSS」という単語は、技術ジャンル全体を指す一般名詞です。GNSSを運営している組織は世界中に複数存在していて、その中でも最も有名なのがアメリカが運営している「GPS」です。正しい言葉遣いとしては「GPSは、アメリカが運営しているGNSSです」となります。

アメリカ以外にもGNSSを運営している組織はあります。日本は2018年11月から『みちびき』というGNSSの運営を開始しました。運用開始当初で4機の測位衛星が打ち上げられています。「GNSS」というグループの中に、アメリカの「GPS」があり、日本の「みちびき」があり、といった感じです。「お米」というグループの中に、「こしひかり」と「あきたこまち」と…、というのと同じです。

電子コンパス

ドローンには電子コンパスというセンサーが搭載されています。

コンパスというと磁石を思い浮かべますが、電子コンパスは磁石とは異なり、電流を流して磁界を計測するセンサーです。電子コンパスが搭載されることで、ドローンは自分が北を向いてるのか、南を向いてるのかを知ることができ、それを自律飛行の制御に役立てています。

IMU

IMUは、加速度センサーとジャイロセンサーを組み合わせた6軸のセンサーになっています。

[画像] https://en.wikipedia.org/wiki/Principles_of_Motion_Sensing

  • 加速度センサー
    • X方向の加速
    • Y方向の加速
    • Z方向の加速
  • ジャイロセンサー
    • ヨー軸の回転
    • ロール軸の回転
    • ピッチ軸の回転

このように、加速度センサーとジャイロセンサーをまとめたセンサーを「IMU」と呼びます。例えばDJI製のドローンを手動で操縦するためにDJI GOというアプリを使いますが、そのアプリの中でもIMUという単語は使用されています。「IMUをキャリブレーションしてください」のようななメッセージがアプリに表示されますが、これはジャイロセンサーと加速センサーのことです。

気圧センサー

気圧センサーが載っているドローンもあります。気圧計が搭載されていない機種もありますが、気圧計が搭載されていれば、それによってドローンが自身の高度を把握することができます。

障害物センサー

ドローンが自分の周りを計測して、飛行の障害となる物がないかどうかをチェックする障害物センサーとして、超音波センサーや赤外線センサーが載ってる場合があります。

対地高度センサー

Phantomのお腹側の部分にある小さい丸がありますが、これが赤外線センサーです。ドローンのお腹側に赤外線センサーがついていて、地面との距離を測っています

[画像] https://www.dji.com/jp/phantom-4-pro

Phantom 4の底面にはもう1種類、大きい丸いものがありますが、これは超音波センサーです。超音波センサーも下との距離、つまり地面との距離を測っています。

離着陸は、最もドローンがバランスを崩しやすいタイミングです。それなので、下側だけは強めに強化してセンサーを入れていたりします。もちろん機種にもよるので超音波センサーと赤外線センサーの両方が載っている機種もあれば、いくつか欠けてるものもあります。

以上のように、典型的にドローンにはこのようなセンサーが載っていますということをまとめました。こうした高度なセンサーが搭載されていることによって、人間が操縦しなくてもドローンは安全に飛行することができます。そこがラジコンとの最も大きな違いです。


この記事は、2018年12月5日に新潟県南魚沼市で開催された講演会『ドローンが開く地域創生!顕在化してきた勝機とアプローチ』からの抜粋です。

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