ドローンの飛行を支える影の主役!【ジャイロ(慣性センサ)】とは

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ドローンの性能によく「6軸ジャイロ搭載」などという記載をよく見かけます。よく訳も分からないまま、とりあえず何だか凄いものが搭載されているんだなということでドローンを選ばれる方もいるのではないでしょうか。

ドローンで使われるジャイロ(慣性センサ)とは、機体の姿勢・速度などをドローン自体が把握するためのものです。

ジャイロはドローンが安定して飛行するためには絶対に欠かせない存在です。ここでは、ドローンのジャイロについて詳しく説明していきます。

“6軸ジャイロ”とは

ドローンの性能に見られる「6軸ジャイロ搭載」とは、多くの場合“角速度センサ(3軸)”と“加速度センサ(3軸)”を組み合わせたもので、合わせて“6軸ジャイロ”と表記されているのです。ジャイロというものはたくさんのセンサの集合体なのです。

“角速度センサ”とは

角速度センサとは“角速度を検出”するためのセンサです。レートセンサと呼ばれることもあります。※たまに“角加速度センサ”と記載されている場合もありますが、これは恐らく誤記ですw 角加速度センサも存在はしますが、あまり一般に用いられるセンサではありません。

“角速度”とは「角(度)」の「速度」です。コマを例に挙げてみると、

角度の速度が速い(角速度が大きい) : ものすごい勢いで回っているコマ

角度の速度が遅い(角速度が小さい) : ゆっくりしたスピードで回っているコマ

と考えれば理解しやすいのではないでしょうか。

“角速度センサ”の単位

一般的に角速度センサの単位は、「°/s」または「rad/s」が用いられます。「°/s」は“1秒間に何度角度が回転したか”、「rad/s」は“1秒間に何ラジアン角度が回転したか”です。(“ °(度) ”も“ rad(ラジアン) ”も角度を表す単位です。“ s ”は時間の単位で1秒を表します。)

検出された角速度は何に使われるのか

角速度センサによって検出された角速度は機体の姿勢角(角度)の変化を取得するために利用されます。

角速度とは「角(度)」の「速度」であることは説明しましたが、どうすれば姿勢角を求めることができるのでしょうか?

少し数学の時間です。※読み飛ばしてもらってかまいません。

※角度の単位は「°/s」または「rad/s」ということは説明しましたが、ここでは分かりやすさのために「°/s」のみ説明します。

姿勢角(°)を求めるには得られた角速度(°/s)を時間(s)で積分します。積分というと難しく感じるかもしれませんが、要は掛け算の繰り返しです。

一般的にセンサからはアナログデータと呼ばれる区切りのないデータ(電圧など)が出力されます。しかし、ドローンの飛行制御にはアナログデータを使用することはできません。デジタルデータである必要があります。

よって、センサから出力される生のアナログデータを一定間隔(時間)で区切って使用しようとします。この一定間隔は1秒かもしれませんし1ミリ秒かもしれません。それはセンサの応答性や飛行制御の演算周期などによって決定されます。(一般的にこれをサンプリングといい、一定間隔のことをサンプリング周期といいます。)

ドローンが自身の姿勢角を得ようとするときはサンプリングされたデジタルデータの値(検出された角速度)とサンプリング周期を掛け算するのです。それをサンプリングごとに実施し、過去に掛け算した結果と足し合わせ続けることで現在の姿勢角を得ることができるのです。これを角速度を時間で積分するといいます。

“加速度センサ”とは

加速度センサとは“加速度を検出”するためのセンサです。

“加速度”とは、「加速」の「度合」です。つまり、ある時間あたりに速度がどの程度変化するかを表します。

皆さんが体感できる例を挙げると、重力(引力)も加速度の1つです。地面に立ったりジャンプしてもまた地面に降りることができるのは、地球上のあらゆる物体に重力がかかっているためです。地球上のあらゆる物体には地球の中心方向に引っ張られる力が作用しています。これは地球上の物体には常に地球の中心に向けた速度の変化を起こそうとある一定の力が加わっており、地面に立てているのはその力と同じ力を重力とは反対方向に足の筋力が常に生み出しているおかげなのです。

“加速度センサ”の単位

一般的な加速度センサの単位は、「m/s2」(s2はsの2乗(s×s))が用いられます。1秒間に何m/s速度が変化したかを表す単位です。

※ちなみに、重力の加速度は約9.8m/s2(=1G)です。加速度センサの軸を鉛直方向(地面に向けて)に静止させると、約9.8m/sの値を出力することでしょう。

検出された加速度は何に使われるのか

加速度センサによって検出された加速度は主に機体の速度や変位(位置の変化)を取得するために利用されます。

加速度センサで検出された加速度も、角速度センサのところで説明したのと同じように時間で積分することで速度や変位を得ることができます。加速度の単位が[m/s2]なので、速度を得たければ時間(s)で1回積分すればよく、変位を得たければ2回積分すれば得ることができます。

まとめ

このようにドローンは飛行している間、常にジャイロからの値を元にその時々に応じた細やかな飛行制御を行って飛行中の安定を保っています。

MEMSセンサ技術の発達により、ドローンのような小型軽量のものに多くのセンサを搭載することが可能となってきました。

ドローンにとってジャイロとは、まさに核といえる存在なのです。

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コメント

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