ドローン空撮［技術解説］　－　技術解説100ページの区切

技術解説は、100ページ目となりました。

最初のページ公開日付けは、2011/12/10 1)　マルチコプターの導入
今読んでいる、このページの公開日付は、2014/06/20
この時点で、技術解説ページを書き始めてから2年6ヶ月が経過しています。
0 [Zero]は、事前の特許出願や構造の研究などを行っていたことから、2011年7月頃からマルチコプターの研究は始まりました。
つまり、マルチコプターの研究に入ってから3年が経過しました。

0 [Zero]がマルチコプター空撮参入を決めたのは、3.11を切っ掛けとする義援バルーン空撮　(外部リンク)の経験から。
人が保持する必要があるバルーンでは、現場での機動力の無さを痛感したことがラジコン空撮再開の理由です。
もちろん、バルーン空撮のメリットもあるのですが、災害撮影にはバルーンでは無くマルチコプターです。
なお、業務多忙である事からページ制作は追いついていないのですが、定期的に被災地の記録は撮り続けています。
今年も2回ほど義援空撮を実施済み。（当然の事ですが手弁当）
こちらは、ライフワークですので数十年単位でコンテンツは厚くしていきます。
0 [Zero]は当初から、機動性・メンテナンス性・降雪・強風・降雨など、普通の会社が向かわない方向に進んでました。
これは、スタート(災害記録)の理由からして当然の事でした。
なお、現在設計中の次期2.0kgクラス6モーター(主力機)は、完全降雨対応とされています。
現状のVer2機体でも降雨撮影は可能なのですが、見た目がよろしくありません。
主に、業務として降雨対応するためのVer3化です。
3Dプリンタの導入目的には、この雨対策の為。
開発の過程は、技術解説にて紹介していく予定です。

3つの問題提起

このページでは、以下の3つの問題提起を軸として述べていきます。

・安全性に関して
・ライセンス制度に関して
・マルチコプターの構造的な欠陥

この3つの選定理由は、「今語らなければならない事と、誰も語ってくれない事」から選定。
「安全性やライセンス制に関しては、随所で語られているでしょ？」
この様な意見もあるかと思いますが・・・
読み進めればわかりますが、本質に斧を下ろしています。
最終的には、0 [Zero]が望まない方向の、「形だけ」の安全対策やモラルに動く事は承知しています。
その未来は読めていても・・・ジタバタとしてみます。
ここが、一般的な事を述べているページとの最大の差です。

安全性に関して

マルチコプター墜落に起因するニュースはチラホラと増えてきました。
誰もが危惧しているところですが、「重大事故が発生するのは時間の問題」というところまで入っています。

いつもどおり、結論から入ります。
最初の重大事故は、防ぐことは出来ない。
そして、その後も何度も繰り返される。

これが結論です。
このページを含めて、安全をどんなに説いても、この流れを止めることが出来ません。
そして、どのように整備をしても事故はなくなりません。
歴史が、これを証明しています。

安全というのは、人の本質部分から生み出されます。
自由意志に任せているなら、緩くなる事は当然と言えます。
マルチコプター空撮業にも競争原理は働いています。
多くの会社が「緩く」安全ポリシーを引いてコストダウンしているのが現実。
それに対抗するには、勇気を必要とします。
損をする（原価が上がる）事を承知で安全に投資する。
真面目な方ほど、儲からない。
これは、どのような業種にも当てはまる話です。
競争に勝ちつつ、安全を貫くには、もの凄い努力と才能を必要とします。

少し脱線します。
安全に関するその方の物差しは、「住んでいるところ」と、「乗っている車」で大凡はわかります。
液状化が容易に起こる小綺麗な分譲地はリスクが高め。古い土地でも周囲が田んぼなら、地耐力は期待出来ません。
崖崩れや洪水も想定する必要があるでしょう。
都市部なら大規模な震災時に、何日間救助が入らないかを想定していますか？
車に関しても、同様です。
長距離移動が多い空撮業で、キャブオーバー車から選択するのは間違っていると思います。
0 [Zero]自身もキャブオーバーを採用していますが、それは特定の理由があってのこと。
自身の移動リスクがあがることと、客先の反応を天秤に掛けたまでです。
スペースの広さは望んでいません。
0 [Zero]のマルチコプター空撮(動画)の現場では、特定のキャブオーバー車のみしか入れないという雰囲気があるのです。
ただし、考えられる限り車両側の安全性は上げています。
※操安向上の為に重心位置まで気にした車両設定
なお、0 [Zero]の創業時の本業は、Web制作です。
社員が打合せ等で乗る車両は、「横滑りデバイスとカーテンエアバックが付いていること」
2006年頃には、社用車の全てに考えられる限りの安全デバイス「てんこ盛り」になっていました。
この社用車は、平社員が用いる物でも同様なポリシーになっていました。
情報関連のセキュリティーも同様。
事務所の開口部は、ステンレスの窓格子。(一般的にはアルミ。手練れのプロなら1分で突破可能)
出入り口は一ヶ所に限定してカメラ監視。
ネット回線・電話回線は二重化して、別々の場所から引き入れいました。(セキュリティーシステム関連から。その当時は、この様なところは非公開)
これは2004年の時点の0 [Zero]の事務所です。
個人情報の法整備が入る前の段階ですが、ここまでの備えをしていました。
3.11以前でも、キャビネットなども柱や床に固定することが当然。
その後のガソリン不足なども、社内の備蓄燃料を用いて乗り切っています。
この様な震災対策が3.11以前に普通にされていました。
空撮屋となった現在も守秘義務系のポリシーが高い事も0 [Zero]の特長。
撮影日にピンポイントに現場がわかるような情報は非公開とするのは当然。
※ジャマー対策
テレビ番組系の仕事なら、オンエアまで実績を出さない事も当たり前。
安全というのは、人がつくる物です。

話を戻します。
悲しいことですが、最初の重大事故後に様々な安全策が出てきます。
国内のマルチコプター空撮に関する安全への取り組みは、そこがスタートになります。
その後に法整備なども始まるとは思いますが、後手後手となります。
マルチコプターの世界は、規制よりも機材開発速度の方が勝っている段階。
しっかりと効果がある規制がかかるには時間が必要です。
そこまでは、静観と言いたいところですが・・・
空撮業を末永く継続したいなら、「その後」を見据えて備える事です。
「早期の社内ポリシー選定と掲示」
これに尽きると思います。
信頼は継続していないと価値がありません。
その継続も、「人に言われたからなのか？」「自発的なのか？」
当然ですが、後者の方が価値があります。

ライセンス制度に関して

安全性と平行して進んでいます。
免許制度や業界団体などが該当します。
ここに関しては・・・

「既得権益を守る、お手盛りになると予想」

これが結論です。
嫌なことを言うようですが・・・
多くの方は、安全という御旗の元で既得権益を守ろうとしているようにしか思えません。
例えば、「協会が認定した優良パイロット」という仕組みが出来たとします。
その際に・・・

必要ならば、選定に関わった方でも落とせますか？

本当に安全第一に考えているなら、既存のブロでも非認定とすべき方もいるハズ。
マルチコプターは、従来のラジコンヘリコプターと似ていても大きく異なる物。
具体的には、化石燃料から電気へのシフト。
そして、制御に関するコンピュータの知識。
ウン十年の業界のキャリアのあるベテランを、一定水準に達していないという理由で切ることが出来ますか？
切れないなら・・・
それは、お手盛りのライセンスと言う事です。

本気で、マルチコプターに特化した業界団体やライセンスをつくりたいなら、「ガラガラポン」が必要。
歴史が浅いマルチコプター業界なので、最初の段階がチャンスと言えます。
ただ・・・
よほど影響力があり、独裁的に力を振るえる方で無いと、この様な事は出来ないでしょう。
つまり・・・2014年現在の日本では、誰も出来ないと言う事です。

仮に、0 [Zero]に試験問題の選定を任されたなら、以下の様な能力を試します。
◆学科
・電波：ここは当然。GPSに関しては特にしっかりと
・電気：電線の許容電流程度の理解は必要
・マルチコプターに関わる航空力学：特に上昇気流起因のパーシャル域の理解
・気象学：上昇気流発生のメカニズムと危険箇所の理解
・英語：非日本語化ソフトが多い事から。最低限の専門用語は理解する必要有り
・法規：航空法・電波法・刑法・民法。事故の責任の有りかをハッキリとさせます

◆実技
・GPS制御を用いずに、100m先からの対面呼び戻し動作
・飛行中を想定したプロペラを革手袋で掴む
・2回転/s程度のピルエット機体の任意位置への着陸
・上昇気流に入った場合の機体制御

学科も実技も幅広い範囲になってしまいます。
産業用ラジコンヘリ・実機(飛行機)・実機(回転翼)のどれにも属さない独特な物とする必要があります。
基本的な構造も、運用エリアも大きく異なる事から当然の事と言えます。
結果として合格率は低くなることでしょう。
数日間の講習を受ければ、誰でも取れる。
この様な型式だけのライセンスなら意味を持ちません。

「そこまで、広く・深くする必要は無い」と反論するかも知れません。
だから！！！！　お手盛りと呼ばさせて頂きます。
上記でも、0 [Zero]的には控えめな発言です。

マルチコプターの構造的な欠陥

以下は、この様な深いページを読み進める方に有用なコンテンツとなります。

「マルチコプターが下降時に不安定になる理由を説明出来ますか？」

試験問題になりそうですね。
この質問に、即時に回答出来るなら一流！
少なくとも、DJIのエンジニアよりも、あなたは優秀です。

この件に関しては、技術解説でも「パーシャル域」という単語で何回が出ています。
※その現象を示していると思われる該当単語が無い事から、0 [Zero]にて命名
パーシャル域に入ると以下の様な具体的な挙動を示します。

突然バランスを失う。ハンチングを起こすと酷い場合は墜落へ

「多くのプロペラが回転を落とす瞬間」がパーシャル域に入る条件です。
下降・上昇気流・風下への移動などの際に、スポッと入ります。
実務では、「風が弱い時」の方がパーシャル域は問題になります。
注意：
パーシャル域問題は、現場条件と機体特性が複合されて発生します。
都合良く、一部の記載のみを採用する事は止めて下さい。
原因は、フライトコントローラープログラム瑕疵とマルチコプターの構造的な欠陥。
防ぐには、パーシャル域を意識したフレーム配置と運用ポリシー。
ただし、ブレイクスルーにより一気にパーシャル域問題が解決されるという可能性も残します。

◆フライトコントローラー側
この件に関してはSEが優秀なら対策は可能。
ファームアップで突然対策が入る可能性有りという前提で話は進めます。
※可能性は極めて低いと推測しています。
高度とパーシャル域回避のどちらを優先させるか？
この問いに関する2014年現在のDJI Wookong_Mの回答は、「高度」です。

・スロットルはホバリング位置
・上昇気流が吹いている
・上昇気流が強くなってもコントローラーは高さを保持する為にプロペラ回転を落とす
・プロペラ回転数が一定水準以下となるとハンチング発生＝墜落

これが、風が弱い(上空では上昇気流発生)のに一発のハンチングで墜落する原因です。
墜落しないまでも、機体が不安定になる領域を、「パーシャル領域」と読んでいます。
パーシャル領域は、墜落域が近い事の警告。

ネット上にあるDJI　ファントムの墜落映像などを拝見すると・・・
多くは、パーシャル域起因の、「ブンブン現象」であると解説出来ます。
軽量且つ高効率のプロペラを用いて、Z軸方向の重心が高い。
この様な機体が該当します。
※物理的には正しい機体
対策は、以下が考えられます。
・重量を増やす
・重心を下げる
・GPSモードを用いない(高さの絶対値をコントローラーに委ねない)
・プロペラの効率を落とす
・ゲインを下げる

早い話が「飛びの悪くなる方向の調整」がパーシャル域対策には有効です。
パーシャル域という単語は、技術解説ページの初期には出てきません。
特許出願の段階(2011年夏頃)には、「高価なフライトコントローラーは、転位というサブルーチンが組まれいるだろう」と推測していました。
推測と言うよりも当然入っているとして思考すらしていません。
0 [Zero]レベル(2011年当時は素人レベル)でも設計段階で予測出来て、実際は組まれていないのですから瑕疵と呼びます。
パーシャル域対策がされている例として、DJI　S800を取り上げます。
例の上半角です。
あれは、「効率を下げる」と、「真下に降りる際にも、擬似的に別の舵を入れる」
これによりパーシャル域を避けていると、0 [Zero]では読んでいます。
設計意図は別の部分にあったとしても、結果としてはこの様になっています。
コントローラー側を洗練させるのでは無く、フレーム設計によりパーシャル域問題に取り組むとは情けない話です。

なお、初期の0 [Zero]の機体では、機体開発の多くは浮力重心と機体重心を近づけるフレーム設計に割かれることになります。
※これが、マルチコプターの理想型である物理特性は不変
2012年の春には、可変重心のマグネシウムオクトコプターを実体化していことからも実証されます。
技術解説ページは、基本的に公開時の姿にて公開されています。
古い記事から時間を進めて読んでいくと、動力バッテリー位置が時代によって何回か上下していることが読み取れます。
墜落を伴うパーシャル域テストを繰り返し、2.0kgクラス6モーター＋Wookong_Mは、浮力重心から100mm下げが最適解と行き着きました。
※Z軸重心を浮力重心から-50～-80mmに設定
この数値のみを鵜呑みにするのは危険です。
モーター取付長さや機体のコンセプトにより、理想的なZ軸重心の位置は異なります。
各機体で異なるのですが、理想的なポイントよりも、大幅に低い位置に最適解があるとうのが現状です。
ここで注意が必要なのは、2014年夏の段階のDJI Wookopng_Mを用いているという大前提があります。
時間の経過と共に、ここは理想点に近づく方向になると予測します。
また、特定業務用に、動力バッテリーを浮力重心-30mmという高い位置に保っている機体も運用されています。
この機体は、「上昇気流発生の確認用」という極めて特殊なコンセプトの機体。
墜落しても問題が無い現場にて、上空50m以上に発生している上昇気流のポイントを探る為だけに用いています。
この機体も機会があれば解説します。

研究機関などで開発されているマルチコプターの中には、明らかに重心点が高いと取れる機体があります。
これは・・・
Ａ：パーシャル域を想定したフライト制御が入っている
Ｂ：研究室の中のみで開発された

このどちらかです。
なお、0 [Zero]自身がフライトコントローラーの基本を開発したとしても・・・
転位するポイント検出と、転位から復帰する動作で開発は難航すると思います。
ここをスムーズ且つ、安全に出来るフライトコントローラーは十分な特許性があるハズ。
既に、世界のどこかでは実体化されていることでしょう。(そう、思いたい)

◆マルチコプターの欠陥
もうひとつの、「機体の欠陥」に関して解説します。
上記のパーシャル領域起因の墜落は、モーターの回転数が一定を下回る事が切っ掛けで発生します。
それならば・・・
上空で上向きの力を発生させれば良いというのが次のアブローチ。
簡単なのが可変ピッチ。
複雑ですが副次的なメリットが期待出来る、主揚力機構とバランス機構の切り分け（特許性があることから詳細は非公開）
早い話が、強い上昇気流に入ったならマイナスピッチとする（正ピッチを弱くする）
これで、パーシャル域には理論的に入りません。
※マイナスピッチに入ると、転位が発生＝フライトコントローラー側の対応も必要
実務でありそうなのは、下降時の画質を最優先させた特務機。
余裕があったら運用してみたいロマン機ですね。
ただし・・・
ピッチ機構を持つと言う事は、マルチコプターの大きなメリットを捨てる事も意味します。
「マルチコプターは、軽く且つ単純」
このメリットが無くなるのですから・・・該当するワークは従来型(シングル)電動ラジコンヘリコプターに任せるところとも言えます。
2014年現在は、何でもかんでもマルチコプターという雰囲気にあります。
各機体の特性を理解して使い分ける事は必要です。

この件に関して、フラッシュムービーにて専用のページを設けて解説します。
マルチコプターに関わる、もっとも重要な物理特性。
そして、理解されている方が少ないところ。
ここは、0 [Zero]が道を引きます。
ただし・・・
フラッシュムービーを制作する社内のデザイナが本業の画像加工の仕事で冬になるまで手一杯です。
オフシーズンとなる来年の1月を目処に該当コンテンツは責任を持って公開させて頂きます。
取りあえずは、上記のテキスト中心の上級者対象の内容で問題提起は終了となります。

◆防ぐには、上昇気流を理解することが必要
2014年6月現在は、パーシャル域対策の決定打はありません。
運用テクニックで回避するしかありません。
具体的には・・・
・上昇気流が発生するポイントを理解する
・上昇気流が発生するポイントでの練習
・高度を下げる場合は、螺旋を描くように降りてくる
もしも、ファントムを用いているならば・・・以下を試しましょう。

Ａ：ホバリング中に突然ハンチングに入り墜落
・重心を下げる

Ｂ：下降時にハンチングに入り墜落
・まっすぐに下ろさない＝前進などの舵を混ぜる

パーシャル域対策の決定打は、2014年夏の段階では何もありません。
いつでも、どこでも安全運用の為には、どこに上昇気流が発生するのかを語れるパイロットが必要です。
グライダーやカイトの経験者は多少は有利ですが、もっとも適しているのはバルーン空撮経験者。
都市部でフライトさせるには、都市独特の風の吹き方を理解する必要があります。
理解と言っても・・・風は目視出来ないことから、この技術を習得するのは困難です。
手前味噌となるのですが・・・
0 [Zero]は、車載式バルーンを用いてタワーマンションの眺望撮影をするのが主業務です。
長い経験から、風向きによりどの位置に上昇気流や下降気流が発生しやすいかを熟知しています。
地上の風が3m/s以下でも、上空が8m/s以上の風が吹いているなど、持っているバルーンから感じ取る事が出来ます。
パーシャル問題の根本に気がつけたのも、上空の風を読める眼を持っていたから。
風が無くてもハンチングを起こして墜落するという条件を、様々な方向から分析して行き着いた答えです。

都市部の風に関して、東京を例に掘り下げます。
都内は、エリア毎に基本的な傾向があります。
湾岸エリアの80m以上は、強い風が吹くことが多いが乱流は出にくい。
新宿付近（内陸）では、湾岸よりは風が弱いが上昇気流に遭遇することが多い。
河川付近の開発エリアの風は読みにくいなど・・・
バルーン空撮屋としての長い歴史で身についている都市部上空の風を読む力が0 [Zero]にはあります。
これを文章化するのは簡単なのですが・・・
ここは、控えます。
上記なども、あくまで他のエリアと比較した場合の傾向です。
その時の、上空の風の吹き方。
周囲のビルの具合。
色々な物が混ざり合って、最終的に上空の風は組み立てられています。
地上が南風3m/sの場合に・・・
60m：南風下降気流含む2m/s
80m：北風5m/s
140m：北風3m/s(上昇気流あり)
こんな状況は、日常的に発生しています。
地上から登っていくバルーンは、60mから上空にて「クルリ」と回ります。
その際に、ヒモと機材が引っかからない様にするのが、バルーンオペレーターの腕の見せ所。
こんな事を日常業務で行っていないと、気がつけないことなのです。申し訳ないのですが、上昇気流の、「読み」に関しては、0 [Zero]を超えることは出来ないでしょう。
例え、ラジコングライダーの第一人者でも無理。
なぜならば、都市部でラジコングライダーを用いて上昇気流を探ることは困難だからです。

公開日：2014/06/20
最終更新日：2014/06/24

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