でらサイエンス 第2回：最もシンプルな空飛ぶテクノロジー ～ドローンはなぜ自由に飛べる？～
タイトル：最もシンプルな空飛ぶテクノロジー ～ドローンはなぜ自由に飛べる？～
テーマ：4枚のプロペラだけで実現する3次元飛行の仕組み
ろーぼーる：
やっほー！名古屋の空を飛ぶどえりゃあ面白いでらサイエンスの時間がやってきたで！アタシはろーぼーるちゃんや。今日もはいさんと一緒に、最先端の科学をどえりゃあわかりやすく解説しちゃうでよ！
さあ、今日のテーマは、なぜ、ドローンは自由に飛べるのか？その仕組みと可能性についてや。
はいさん、ドローンってほんまにすごいよね。4つのプロペラだけで、自由自在に飛べるなんて。アタシ、特にドローンの安定飛行の仕組みがどえりゃあ気になるんやけど、あんたはどう思う？
はいぼーる：
ドローンは単純な機構で自由自在に飛ぶことができる。飛行機やヘリコプターと違って、稼働部分がなくモーターの回転数制御だけで、上下左右に自由に飛べるところがすごいんや。
ろーぼーる：
へぇ～、そうなんや！アタシ、そんなに単純な機構で自由に飛べるなんて知らんかったわ。
ほんじゃあ、はいさん。ドローンの基本的な構造について、もうちょっと詳しく教えてくれへんか？
例えば、どんな部品が必要で、それぞれがどんな役割を果たしとるんや？
はいぼーる：
説明むずかしいな。ラジコンカーはタイヤの向きを変化させて曲がっとる。飛行機はスロットルとエレベータ、ラダー、エルロンの操作が必要や。
それが、ドローンの場合は、4枚のペラの回転数制御だけやから、少数の部品だけで安定できるんやで。
ろーぼーる：
おお、そうやね！4枚のプロペラで停止できる仕組み、アタシも面白いと思うわ。簡単に言うと、こんな感じやね。
まず、4枚のプロペラのうち、対角線上にあるプロペラが同じ方向に回転しとるんや。例えば、左前と右後ろが時計回り、右前と左後ろが反時計回りってな具合や。これらのプロペラが同じ速度で回転すると、それぞれの力が打ち消し合って、ドローンはその場に浮かんだままになるんや。上下の力はプロペラの回転速度で調整して、重力とバランスを取るわけや。
でも、はいさん。これだけやと不安定になりそうやけど、実際はめっちゃ安定しとるよね。フライトコントローラーとジャイロセンサーの働きも大事やと思うんやけど、そのへんはどう思う？
はいぼーる：
いきなり、難しいこと聞いてきたな。フライトコントローラってドローンの姿勢を安定させるコンピューターやで。ジャイロセンサーはドローン自身の飛行姿勢の状態を把握するセンサーで、それを受けたフライトコントローラが自身の姿勢制御しとると思うんやが、これであっとるかな？
ろーぼーる：
そうやね、はいさん！フライトコントローラーはまさにドローンの頭脳みたいなもんやわ。ジャイロセンサーからの姿勢情報と人間の操縦入力を使って、4つのプロペラの回転速度を瞬時に調整して、ドローンを安定させるんや。
例えば、ドローンが不安定になったときに、どんな感じで修正が行われるか、もうちょっと詳しく考えてみよか。アタシ、そのプロセスがどえりゃあ気になるんやけど。
はいぼーる：
そうやな。ジャイロセンサーが傾きを感知して、それをフライトコントローラーに送って、フライトコントローラは４ペラの回転数を自動的に調整して安定させるんやろな。でも、具体的にはどうなっとるんやろ？
ろーぼーる：
そうやね、はいさん！その考え方、どえりゃあ正しいわ。アタシも同じように考えとったんや。
例えば、ドローンが前に傾いたとしよう。
そしたら、後ろ側の2つのプロペラの回転数を上げて、前側の2つを少し下げる。こうすることで、ドローンは水平に戻るわけや。この一連の動作が、ものすごい速さで繰り返されとるから、人間の目には安定して飛んでるように見えるんやね。
はいさん、こう考えると、ドローンってまるでサーカスの玉乗りみたいやと思わへん？常にバランスを取り続けとるんや。ところで、この仕組みを応用して、ドローンを前後左右に動かすのも同じ原理なんやろか？そのへん、どう思う？
はいぼーる：
ろーちゃん。その前に、3軸センサーだけでドローンを安定的に飛ばすには、どういう制御をしてるか、教えたってちょ。
ろーぼーる：
はいさん、3軸センサーだけのドローンの話、面白いね！
そうやな、3軸センサーっていうのは、X軸（前後）、Y軸（左右）、Z軸（上下）の動きを感知するやつやろ？これだけで安定させるのは、ちょっと難しそうな気がするわ。でも、基本的な姿勢制御はできるんやないかな。
例えば：
傾きの検出：3軸センサーで、ドローンがどっち向きに傾いてるかを感知する。
姿勢の修正：傾きに応じて、対応するプロペラの回転数を調整して、水平に戻そうとする。
高度の維持：Z軸の情報を使って、全体的な上下動を制御する。
でも、はいさん。3軸センサーだけやと、風の影響とか、細かい揺れには対応しきれんのとちゃうかな？例えば、回転（ヨー）の制御は難しそうやし。
あんた、実際に3軸センサーだけのドローンを飛ばしたことあるん？どんな感じやった？アタシ、その挙動がどえりゃあ気になるわ！
はいぼーる：
3軸センサーしかないドローンを飛ばして安定させようと思うと、当て舵じ操作を人間が入力して、風に対抗する入力を与えて、それをコントローラ経由で4枚のペラの回転数を変えとるんよね。
ろーぼーる：
3軸センサーだけのドローンの場合、確かに人間の操作が重要になってくるね。こんな感じやろか：
・3軸センサーがドローンの傾きを検知する。
・その情報をコントローラーに送る。
・でも、3軸センサーだけやと、風の影響なんかは自動で補正しきれへん。
・そこで人間が介入して、風に対抗する入力を与える。これが「当て舵」ってやつやね。
・その入力がコントローラー経由で4枚のプロペラの回転数変化につながる。
つまり、完全自動やのうて、人間の技術も合わさって初めて安定するわけやね。
はいぼーる：
そうやね。ここまでが、3軸センサーしかついてないドローンを安定してホバリングさせる話や。じゃあ、次に、ドローンが上下と前後左右と回転するためにどんな4ペラの回転操作をしているか、ろーちゃん、順を追って説明してあげてや。
ろーぼーる：
わかったで、はいさん！
じゃあ、ドローンの動きと4枚のプロペラの回転操作について、順番に説明していくわ。
上昇: 全てのプロペラの回転数を同時に上げるんや。これで、上向きの推力が増えて、ドローンが上昇するわけや。
下降: 逆に、全てのプロペラの回転数を同時に下げる。そしたら、重力に負けて下降していくんやね。
前進: 後ろの2枚のプロペラの回転数を上げて、前の2枚を少し下げる。そうすると、ドローンが前に傾いて、前に進むんや。
後進: 前進の逆やね。前の2枚のプロペラの回転数を上げて、後ろの2枚を少し下げる。
左右移動: 左に動きたいときは、右側の2枚のプロペラの回転数を上げて、左側の2枚を少し下げる。右に動きたいときはその逆や。
回転（ヨー）: これが一番面白いんやけど、対角線上にあるプロペラのペアの回転数を上げて、もう一方のペアを下げるんや。
例えば、時計回りに回転したいときは、反時計回りのペアの回転数を上げて、時計回りのペアを下げる。
これらの操作を組み合わせることで、ドローンはあらゆる方向に動けるんやね。はいさん、こんな感じでええかな？何か付け加えることあるかい？
はいぼーる：
おお、ええね。基本的な説明はできとるよ。でも、前進は後ろペラ回転数上げるとできるって初心者の人には理解できんと思うよ。揚力と機体の向きの説明がないとあかんやろ。
ろーぼーる：
はいさん、そりゃあええ指摘やわ！確かに、初心者の人にはもうちょっと詳しく説明せなあかんね。
じゃあ、前進の仕組みをもうちょっと詳しく説明してみるわ：まず、ドローンの4枚のプロペラは、全部上向きの揚力を生み出しとるんや。これが、ドローンを空中に浮かばせる力になっとるわけや。前進したいとき、後ろの2枚のプロペラの回転数を上げるんやけど、これには2つの効果があるんや
・後ろ側の揚力が強くなる 、ドローンの重心を軸にして、機体が前に傾く
・機体が前に傾くと、プロペラの生み出す揚力の向きも少し前に傾くんや。
この前に傾いた揚力が、ドローンを前に押し出す力になるんやね。前の2枚のプロペラの回転数を少し下げるのは、バランスを取るためや。でも、全体としては前に傾いた状態を保つんや。つまり、「後ろのプロペラの回転数を上げる」っていうのは、直接前に進むためやのうて、機体を前に傾けるためなんや。
そして、その傾きによって揚力の向きが変わって、前進する力が生まれるってわけやね。はいさん、これなら初心者の人でも、ドローンがどうやって前進するんか、イメージしやすいんとちゃうかな？
はいぼーる：
ええけど、それだと降下して墜落せんかね。
ろーぼーる：
あぁ、そうやね！はいさん、ええとこ突いてくれたわ。確かに、そのままやと降下しちゃうね。大事なポイント忘れとったわ。ごめんな！
じゃあ、もうちょっと詳しく説明するわ：
前に傾く時、全体の揚力が減るんや。だから、このままやと確かに降下しちゃう。でも、これを防ぐために、全体的なプロペラの回転数を上げるんや。つまり、後ろのプロペラをかなり回転数上げる。前のプロペラはちょっとだけ回転数上げる。こうすることで、前に傾きながらも、全体の揚力は維持できるんや。結果として、機体は前に傾く、高度は保たれる、前への推進力が生まれる。これで、降下せずに前進できるってわけや。
はいさん、こんな感じやと、墜落の心配もなくなるよね？ドローンの制御って、ほんまに繊細なバランスが必要なんやなって感じるわ。どう思う？
はいぼーる：
そやな。全体の揚力を上げた上で、前ペラの回転数より後ろペラの回転数を上げることによって、高度を維持しながら前進するのがドローンの仕組みだで。これは前進、後進、横移動も同じ仕組みやな。
ろーぼーる：
そのとおりや、はいさん！うまくまとめてくれたね。確かに、ドローンの動きの基本原理は、全体の揚力を調整しながら、特定の方向のプロペラの回転数を変えることで傾きを作り出すんやね。これが前進、後進、横移動全てに当てはまるわけや。
例えば前進：後ろのプロペラの回転数を前より多く上げる、後進：前のプロペラの回転数を後ろより多く上げる、右移動：左のプロペラの回転数を右より多く上げる、左移動：右のプロペラの回転数を左より多く上げる。どの動きでも、全体の揚力を上げつつ、進みたい方向と反対側のプロペラをより多く回すことで、その方向に傾きながら移動するんやね。この仕組みを理解すると、ドローンがどうやって自由自在に飛べるのか、よくわかるよね。
はいさん、この説明なら初心者の人にもわかりやすいんちゃうかな？
はいぼーる：
よし、じゃあ次は、ヨー、について説明してもらおうか。
ろーぼーる：
あ、ヨーの説明やね。了解や、はいさん。ヨー、つまりドローンの水平面での回転について説明するわ。これがちょっと面白いんや。
まず、ドローンの4枚のプロペラは、2枚ずつ逆方向に回転しとるんやね。例えば、右前と左後ろ：時計回り、左前と右後ろ：反時計回りや。ヨー回転をさせるには、この特徴を利用するんや。時計回りにヨー回転させたい場合は反時計回りのプロペラの回転数を上げて、時計回りのプロペラの回転数を少し下げる。反時計回りにヨー回転させたい場合はその逆やね。こうすることで、プロペラの反動トルクのバランスが崩れて、ドローンが回転するんや。でも、全体の揚力はほぼ変わらんから、高度は保ったままで回転できるわけや。
はいさん、こんな感じでどうやろ？ヨー回転の仕組み、うまく伝わったかな？
はいぼーる：
ええよ、よく説明できとるわ。これでドローンの基本動作については一通り説明できたと思うな。
ろーぼーる：
そうやね！今日はドローンの基本的な仕組みについて、おもろく学べたわ。4枚のプロペラの回転数制御だけで、こんなに自由に飛べるなんて、ほんまにすごいよね。はいさん、他に付け加えたいことあるかい？それとも、次のトピックに進もうか？
はいぼーる：
よし、ドローンの基本的なとこは説明できたから、次にいこうか。ろーちゃん、次の話題にいこう。
ろーぼーる：
わかったで、はいさん！じゃあ、次の話題に進んでいこうか。そうやね、ドローンの基本的な仕組みについては理解できたわ。じゃあ次は、ドローンの実際の応用例について話していこうか。
はいさん、ドローンってどんなところで使われとるん？アタシ、宅配とか災害救助で使われとるって聞いたことあるけど、他にもいろんな使い方があるんちゃうかな？
はいぼーる：
宅配や災害救助以外にも、ドローンはいろんな分野で活躍しとるで。例えば、農業での農薬散布や作物の生育状況の監視、建設現場での測量や状態観測、それに映画やテレビの空撮なんかにも使われとるんや。
ろーぼーる：
へぇ～、思った以上にいろんなところで使われとるんやね！農業でも使うんか、それ面白いわ。農家の人の仕事がだいぶ楽になりそうやね。はいさん、農業でのドローンの使い方について、もうちょっと詳しく教えてくれへんか？どんなふうに役立っとるん？
はいぼーる：
僕は実際に使っとらんからしらんけど、農薬散布とかの労力はめっちゃ減ると思うよ。自宅とか事務所からドローン飛ばして、しかも、航路をあらかじめインプットしとけば、なんもせんでも短時間で全圃場に農薬散布を終えてかえってくることが可能になるからな。
ろーぼーる：
おお、そうなんや！はいさん、農薬散布のドローン利用について詳しいんやね。確かに、そんなふうに使えたら農家の人の負担がどえりゃあ減りそうやわ。でも、ちょっと気になるんやけど、航路をあらかじめインプットしてって言うたよね。それってどうやってやるん？例えば、畑の形とか障害物なんかはどうやって認識させるんやろ？それと、農薬散布以外にも使い道あるんかな？例えば、作物の生育状況をチェックするとか、そういうのにも使えそうな気がするんやけど、どう思う？
はいぼーる：
おお、細かいとこ気にするな。ドローンにはカメラを搭載できるしＧＰＳも搭載できる。だから、圃場を一度飛ばせば圃場全体を把握することは簡単や。圃場を把握してまえば、航路設定も簡単にできるやろ。
ろーぼーる：
へぇ～、そうなんや！カメラとGPSで圃場全体を把握できて、近接センサーで障害物も避けられるんやね。これはほんまにすごいわ！はいさん、あんたの説明を聞いとると、ドローンって農業をがらっと変えてしまいそうな気がするわ。例えば、大規模な農場でも、一人で管理できるようになるんやないかな？それと、さっき言うてた作物の生育状況のチェックも、カメラがついとるならできそうやね。例えば、上空から撮影した画像を分析して、生育が悪いところを見つけたりできるんちゃうか？あと、ちょっと思いついたんやけど、害虫や病気の早期発見にも使えそうな気がするわ。はいさん、そういう使い方についても何か知っとることあるかい？
はいぼーる：
ああ、ドローンでやってる事例は知らんけど、病害虫とか果菜類の自動採集とかでカメラとAIで判別して自動採集をするシステムを作成しているベンチャーはもうやってるみたいやで。
ろーぼーる：
おお！そんな先進的な取り組みがあるんやね。はいさん、ありがとう。カメラとAIを使って病害虫を見つけたり、果菜類を自動採集したりするシステムがあるって、これはすごいわ。そういえば、そんなシステムとドローンを組み合わせたら、もっとすごいことができそうやね。例えば、ドローンで広い農地を飛んで、AIで病害虫や収穫適期の果菜を見つけて、その情報を農家さんに教えてあげるとか。そしたら、農家さんは効率よく対処できそうやわ。
はいさん、こういう技術って、小規模農家でも使えるもんなんかな？それとも、大規模農場向けなんやろか？コストとか、使いやすさとかはどうなんやろ？
はいぼーる：
わからん。技術的好奇心があればすぐに使えるし、なければ使えん。小規模の専業農家にはコスト負担で使えん。が、好奇心があってある程度資本投資できてトントンでええわと思う人は導入できると思う。大規模農家は導入すればめちゃ利益が上がると思うよ。
ろーぼーる：
なるほどね、はいさん。技術と人の興味、それにお金の問題が絡んでくるんやね。確かに、新しい技術って最初は高くて、使いこなすのも大変やろうけど、好奇心があって挑戦する人がおるから広まっていくんやろうね。大規模農家さんなら、導入コストも回収しやすそうやし。でも、小規模農家さんでも、みんなで共同購入したりレンタルしたりできたら、もっと使いやすくなるんちゃうかな？そういう取り組みってあるんかな？それと、はいさん。こういうハイテク農業が広まったら、農業のイメージも変わりそうやね。若い人たちにも興味を持ってもらえそうやし、新しい農業の形ができそうな気がするわ。あんたはどう思う？農業の未来ってどんな感じになると思う？
はいぼーる：
ろーちゃん、イイこといったね。いままで農業に興味はあるけどやれなかった人に、レンタル農園で最先端の家庭菜園を貸し出すとかはいいアイデアだね。
ろーぼーる：
わぁ、はいさん！そう言うてもらえて嬉しいわ。レンタル農園で最先端の家庭菜園を貸し出すっていうアイデア、ほんまにええと思う！そうやね、例えばこんな感じになるんかな。ドローンやAI技術を備えた小さな区画を貸し出す、利用者はスマホアプリで作物の状態をチェックしたり、水やりや農薬散布の指示を出せる、実際の作業はドローンやロボットが行う、休日に収穫だけ楽しみに行ける。こんなんやったら、忙しい人でも気軽に農業体験できそうやし、子どもの教育にもなりそうやね。はいさん、こういうサービスがあったら、あんたも使ってみたい？それとも、もっと本格的な農業にチャレンジしてみたいって思う？
農業の未来について、あんたの夢とか理想とかあったら聞かせてほしいわ。
はいぼーる：
いやあ、そういうのを実際にやってみたいんだよな。そろそろ今回はしめようか。ろーちゃん、今回の会話のまとめと次回の予告やっちゃって！
ろーぼーる：
おお、そうなんや！はいさん、そういうのを実際にやってみたいんか。それはどえりゃあ楽しみやね！ほんじゃあ、今回のまとめと次回の予告をさせてもらうわ。
今回の、でらサイエンスでは、ドローンの基本的な仕組みから始まって、農業での活用まで、幅広く話し合うことができたね。特に印象に残ったのは：ドローンが4枚のプロペラの回転数制御だけで自由に飛べる仕組み、農業でのドローン活用、特に農薬散布や生育状況チェックへの応用、カメラやAI技術との組み合わせによる、さらなる可能性、最先端技術を使ったレンタル農園のアイデア。はいさんの農業への興味と知識のおかげで、どえりゃあ面白い話になったわ。ハイテク農業の未来が楽しみになってきたね！
次回のでらサイエンスでは、"未来の街づくり～テクノロジーが変える私たちの暮らし～"というテーマで、スマートシティについて話し合っていくで。自動運転車から、IoTを活用した省エネ住宅まで、これからの街がどう変わっていくのか、わくわくするような話題が盛りだくさんや！みんな、来週も楽しみにしといてな！
でらサイエンスでは、みなさんからのコメントやリクエストお待ちしています。（アタシが全部読ませていただきますよ...はいさんは...）
それじゃあ、また来週！またねえ！
(放送日：2024年9月5日）