法令遵守でなんとかドローンを楽しみたい(その9)- アクロバティックな飛行や本格的な空撮のためには、パワフルなブラシレスモーターを使いこなそう

法令遵守でなんとかドローンを楽しみたい(その9)
こんにちは、natsukiです。ドローンに使われるモーターは、大きく「ブラシモーター(Brushed Motor)」と「ブラシレスモーター(Brushless Motor)」に分けることができます。この2種類は、まったく特性が異なるため、モーターがどちらかによって、ドローンの構成を根本的に変えなくてはいけません。「ブラシモーター」は、安価で扱いも容易ですが、パワーで劣ります。「ブラシレスモーター」は、パワーに優れ、特に「瞬発力」がブラシモーターとは段違いなので、アクロバティックな飛行や、本格的な空撮性能を求めるなら絶対に欠かせません。FPVドローンの世界は、このブラシレスモーターを使ってこそ本番、といっても過言ではないでしょう。一方で、いきなり必要とされる知識量が増えるし、価格も高いので無駄にするとやだし……と、私自身もはじめてブラシレスの世界に飛び込むのにはずいぶん思い切りが要りました。そんなわけで、今回はそこをまとめてみたいと思います。

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語句については、適宜、連載第5回の用語集も参照してください。

1.ブラシレスモーターとは

仕組みの違い

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左が「ブラシモーター」、右が「ブラシレスモーター」です。「ブラシ」「ブラシレス」との名の通り、内部的に、「ブラシモーター」の場合は、軸に通電するための「ブラシ」と呼ばれる「接点」があります。従って、この接点による摩擦がどうしてもあって、回転数を上げればあげるほど摩擦が強まるため、パワーや耐久性に問題が生じます。「ブラシモーターが消耗品」というのは、最低限、どうしてもこの接点部分が劣化してくるためです。

「ブラシレスモーター」は、その名の通り、構造上、軸に通電する接点がなく、回転数を上げても物理的な摩擦は最小限で、少なくとも電気的な意味で挙動に影響することはないため、ブラシモーターよりも大きなパワーが出せます。また、理論上劣化も起きにくく、耐久性もあるはずです。まあ、よっぽど長期的に見れば使っている磁石の磁力低下はあるし、後述のように、構造上の物理的ダメージの受けやすさもあるので、現実問題として半永久的にとはいかないのですが、それでも、きちんと手入れして適切に使ってやれば、かなりの耐久性を持ちます。

特性の違い

要するにパワーと瞬発力が違います。上述のように、物理的な摩擦が少ないため、高電力によるハイパワーにも耐えられます。前回の記事で解説したように、高機能なFPVドローンには、高電圧の多セルバッテリーを使いますが、多セルバッテリーの使用に耐えうるのはブラシレスモーターならではです。

パワーがあるということは、それだけ操縦は難しくなるので、設定次第ではありますが、一般的に、動作の精密性ではブラシモーターの方が優れます。なのでマンションの自宅内みたいな狭い空間で、ゆっくりのんびり飛ばすなら、ブラシモーターでも十分だし、だからこそ、はじめはブラシモーターの機体で鍛えた方がいいですね。いきなりブラシレスモーター機は、様々な面で持て余すと思います。でも、やっぱり、慣れてきたらブラシレスモーターデビューしていきたい! 特に、一回転とかのアクロバティックな動きをしたければ、ブラシモーターでは力不足。それから、重い部品の搭載も。FHD以上の解像度で空撮が可能なカメラは、ブラシレスモーターでないと搭載するのは不可能でしょう。

つまり、ブラシモーターでは「ただ飛ばすだけ」が関の山、もっといろいろ世界を広げたければ、ブラシレスモーターを使うのは必須、となってくるわけです。

ドローンの構成や配線の違い

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あたりまえなんですが、根本的に構造が違うので、固定するフレームと、基板部分であるFC(それに一体化していることも多いESC)はまったく別です。

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一方で、VTXやカメラは、使い回しが可能です。ただし、配線の面でいうと、ブラシモーターのドローンではできる機種が少なく、ブラシレスモーターのドローンではまず間違いなくできる機能に、バッテリー電圧や操作電波の受信状態などドローンの状態を表示するOSDという機能がありまして、これは、対応していないとダメです。しょっちゅう例示している、定番の格安カメラVTXセットの「Eachine TX06」は、ちゃんと対応しています。

ファームウェアの違い

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ここが最大の壁かもしれませんね。ほとんどのブラシレスモーターFPVドローンは、「Betaflight」か、それに相当する高度なファームウェアを利用します。箱出しでいきなり飛ばすというわけにはいかないんです。えーっと、これは、分量が多くなりすぎてしまうので、今回の記事では割愛させてください。次回に解説する予定でいます。なお、ブラシモーターのFPVドローンでも「Betaflight」を使うFCはありますので、丁寧に段階を踏んでいくなら、
「ブラシモーター」&「Silverwareなどの比較的シンプルなファームウェア」
「ブラシモーター」&「Betaflight」
「ブラシレスモーター」&「Betaflight」
とステップアップしていくことになるでしょう。

2.最適なモーターを選ぼう

ブラシレスモーターのスペックには、主なものとして、4つの値があります。「サイズ」「回転数(KV値)」「軸の太さ」「ネジ穴の数」です。前回の記事で解説したように、はじめのうちに扱うFPVドローンは、フレームサイズは「65mm」か「75mm」、バッテリーは「1Sバッテリー」か「2Sバッテリー」までが通常なので、とりあえずその枠内で話を進めます。

シンプルなのは軸の太さ。これは、「1mm」でファイナルアンサー。理由は、やはり強度。あと、後述のスペア部品の都合もあります。「0.8mm」のものもあるんですが、モーターがパワフルであることを考えると、1mmにしておいた方が無難です。ブラシモーターの軸はほとんど0.8mmなので、0.8mmの太さなら、プロペラを共有できるんですが、プロペラはドローンの部品の中ではかなり安い部類なので、このくらいはブラシレスモーター専用で買い足しましょう。

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ネジ穴の数は、今回扱うサイズなら、3つ以外は考えなくていいと思います。フレームやモーターを買うときは、念のため確認しましょう。

そして難しいのが、サイズと回転数。こっからの理屈は難しいので、結論を知りたい人は、節の最後まで読み飛ばしてください。ただ、このあたりをちゃんと解説しているサイトは案外少ないので、理解しておいて損はないと思います。

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サイズは、例えば、「0703」と書いてあれば、モーター部分の直径が7mm、高さが3mmという意味です。で、サイズが大きければ大きいほど、当然重くなって、電力を喰い、トルクも大きくなります。この「トルク」という概念はなかなか理解しづらいのですが、一般的には「回転させるために必要な力」と説明されますね。これが大きいほど、「強い加速」が可能というわけです。じゃあ、モーターを大きくすれば電池消耗も激しいんだろうと考えると、結果論では必ずしもそうではないのがドローンの不思議なところ。65mmフレームドローンに0603、0802のどのサイズを積むかってのはよく議論になる話で、0603サイズの方がまろやかな素直な飛びで、0802サイズの方が反応がよく、なぜかスタミナもあるというのが比較的よく効く評価。理屈で考えると、サイズの小さい0603は、トルクが小さい分、加速をかけてもいろいろな抵抗に「負けて」しまって、結果的にまろやかな飛びになるけど、「負けて」いる分、ロスもあって燃費が悪いのかなとも思いますが、ファームウェアの制御の問題も関係しているという説もあり、よく分かりません。なお、私は天邪鬼なので、あえてオーソドックスを外した、0703と08028の2種類のサイズで組んでいて、これだと、スタミナはさほど変わらず。飛びは、理屈通り、0703の方が扱いやすく、08028はピーキーといったところです。もっとも、FCなどをそろえているわけでもないので、モーター以外の要因も、十分に大きいと思われるわけですが。

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それから、回転数「KV値」。これは、1Vの電圧をかけたときのモーターの理論上の回転数です。もちろん、現実には様々な抵抗が加わるので、この値を100%出せるわけではありません。で、高ければ高いほどいいモーターか?というと、これも、さにあらず。KV値がより高ければ、同じ電圧で回転数が多いので、一般にはそれだけ多くの電流が流れます。つまり、操作がピーキーで燃費が悪い。サイズが変わらない=トルクが変わらないのに、回転数を上げれば、それだけ抵抗も上がって、これも燃費を悪化させます。実際の挙動としても、KV値が高いほど、スピードが出てアクロバティックな動きが可能な一方、じゃじゃ馬で操作はしづらく(これをファームウェアの設定でなんとかするのも腕の見せ所ですが、その設定を詰めるだけの腕前と知識がないといけません)、飛行時間も短いです。

と、理論は非常にややこしく、理屈のみで最適な値を見極めるのは至難です。で、ズバリ、基準として考えるちょうどいいサイズと回転数を書いておきます。私自身、たいした腕前はないので、それなりに飛ばせる人からしたら、異論は大いにあると思いますが、あくまで目安としてご覧ください。

・「65mmフレーム」「1Sバッテリー」
  → サイズ:0603~0803、 KV値:19000
    (最近の傾向では、0802サイズ、19000KV採用が多い)
・「65mmフレーム」「2Sバッテリー」
  → サイズ:0802~0803、 KV値:12000~14000
・「75mmフレーム」「2Sバッテリー」軽量級(「飛ぶこと」メイン)
  → サイズ:0802~0803、 KV値:12000~16000
・「75mmフレーム」「2Sバッテリー」重量級(「空撮」など重い部品を積む)
  → サイズ:1102、 KV値:10000~11000

ぶっちゃけ、このクラスの名機を輩出している「Eachine」「Happymodel」「BETAFPV」ブランドの機体の引き写しです(BETAFPVはけっこう挑戦的な構成もある)。一応、私はFPVドローンの完成品を購入したことがあるのは「Happymodel Mobula7 HD」のみで、他は全部部品バラ買いからの組み立てなので、経験則にも基づいています。ただし、腕前はヒドイもんです。

基本的な理屈としては、モーター以外のスペックが変わらない場合、「高い回転数で安定させたい=重量が重いor巡航速度を速くしたいor屋外で風に抵抗することを想定」なら、サイズを大きく。「スタミナは要らないから瞬発力が欲しい=速いスピードで曲がったりアクロバティックな動きをする」なら、KV値を大きく、です。

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3.最適なプロペラを選ぼう

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プロペラも、FPVドローンの飛びを大きく左右する要因です。サイズは、最近出てきた「Eachine UZ65」をのぞき、「65mmフレーム」ならプロペラは「31mm」、「75mmフレーム」ならプロペラは「40mm」で固定です。軸穴の太さについては、強度とスペア部品の問題から、「1mm」推奨。

迷いどころは羽根の枚数で、一般的に、羽根の枚数が少なければ、レスポンスが落ちる代わりにスタミナが増し、増えればレスポンスがよくなる代わりにスタミナが落ちるといわれていますが、全体のバランス次第でかならずしも実感できない場合も多いです。

これは、理屈じゃないです。完全経験則と採用ドローンの数(笑)で、ブラシレスモーターなら、

・「65mmフレーム」のときは3枚羽根
・「75mmフレーム」のときは4枚羽根

でいいと思います。まあ、プロペラは安いんで、それぞれ買って飛び比べてみてもいいでしょう。

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ブランドによって、見た目の形状はずいぶん異なりますが……、人気の「Gemfan」ブランドは、圧倒的に見た目がカッコいいです(笑) すいません、このレベルの性能を評価するだけの腕が私にはありません。いや、ほら、気分って大事じゃないですか。要するに、よっぽどの腕前でなければ、あんまりこだわらなくていいと思います。

4.ブラシレスモーターのお手入れ

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耐久性はブラシモーターよりブラシレスモーターの方が優れる……ハズなんですが、実際のところ、なかなかそうはいきません。単純にパワーがあるから、クラッシュしたときに破損の危険が大きいのはもちろんのこと、ご覧のように、構造上、開口部があるため、ここから異物が入ることで傷んでしまうんです。

草むらに突っ込んで、草汁ぶしゃーから錆び付いたり、というのはどうしようもないとして、もっとよくあるのが、何しろ強力な磁石なもんで、砂鉄が入り込んで回らなくなるパターンです。そんなときは、分解掃除。

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この上下2カ所に付いているクリップを、ピンセットやカッターナイフで引っかけて外します。「パチンッ」とはじけてどっか飛んでいくと、永久に見つからないこと請け合いなので、ビニル袋の中で作業したりするといいでしょう。

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上面を外しました。下面も外した後なのでクリップが映ってしまっていますが、もちろん、片面1つずつです。

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下面も外しました。下面はワッシャーも付いていたので、なくさないように。

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クリップのスペアは、Banggoodなどで売っています。もちろん、この手の単純な工業部品は、Aliexpressをあさればさらに安く手に入りますので、どっちでも買いやすい方で。で、これなら、軸の太さ1mmであれば、サイズにかかわらず汎用的に使えます。0,8mm軸用のもあるのかもしれませんが、ちょっと探し出せませんでした。これも、モーターの軸に1mmを勧める理由です。

10 PCS E-Clip Compatible 0603/0703/0802 Brushless Motor:Banggood

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パカッ。異物が挟まっていると、引っかかって素直に抜けてくれないことも多いので、慎重に外します。いやー、砂場に墜落しちゃったんですよ。見事に、砂鉄だらけです。これじゃ、回りません。

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ドローンの手入れに大活躍の、サイズを間違って買ったコーヒーグラインダー用ブラシです。まあ、歯ブラシでOK 綿棒を使ってもいいですが、糸くずが残らないように注意。これで砂鉄を掻き出してきれいになりました。

あんまり頻繁に分解すると、フレームに固定するネジ穴がバカにならないかという心配もあるので、しょっちゅうはできないですが、あきらかにジャリジャリいっている場合はこれで復活します。

5.着陸場所に注意

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はい、気づきましたでしょうか? ブラシレスモーターの最大の天敵は「砂鉄」です。なので、着陸場所はできる限り選びましょう。砂地は最悪、一発でダメになります。アスファルトも、案外に砂鉄はあるものです。水分も大敵なので、草地も避けたい。せめて、乾いた木の葉の上や、踏み固められた土、ベンチやテーブルがあればその上など、不時着するにしても、できる限り着陸場所には気を使ってあげましょう。

理想は、着陸パッド。でも、めんどくさいんですよね。重りがないと風で飛ぶし。デカいのはかさばるけど、小さいのは、確実に着陸させる腕前が……。いや、飛ばす場所にもよりますが、真面目な話、1枚は持っておいた方がいいと思います。直径40cm~55cmあたりが手頃ですかね。これは、Amazonでも海外通販でも、あんまり値段は変わらず1,000~2,000円くらいなので、Amazonで買っておけばいいでしょう。「ドローン」「パッド」で検索すればたくさん出てきます。

6.まとめ

一番大変なファームウェアの設定部分を避けちゃいましたが、それは次回ということで。まずは、ブラシレスモーターのハード面でのあれこれをまとめてみました。やはり、FPVドローンはブラシレスモーターで飛ばしてこそ。最後に、どのくらい飛びに違いがあるかという、実例を。

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ブラシモーター機と、ブラシレスモーター機の宙返りの練習を比較してみます。いずれも、バージョンは違うものの、ファームウェアはBetaflight。進みながらではなく、ホバリングからの宙返りという、回転数の変化が大きい、ドローンが比較的苦手とする動作です。もちろん、構成のバランスや、電池の残量、部品の質、ファームウェアのバージョンや設定、風の強さ、何よりアクロバティックな動作は操縦者の腕前による部分も非常に大きいので、あくまで雰囲気です。それでも、動画に載っていない部分で、そもそもの成功率がブラシモーターでは半分くらいなのに対し、ブラシレスモーターでは、バッテリー残量が十分にあるときにはほとんど失敗していない、という根本的な違いがあります。ともかく、トリッキーな動きをしたときの安定性に、明らかに差があるのは伝わるかと思います。ブラシレスモーターを使ってこそ、自由に空を飛び回ったり空撮したり、真のドローンの世界のはじまりですよ!

ドローンで宙返り

参考までに、動画で飛ばしているドローンの構成は以下の通りになります。

・ブラシモーター機
フレーム:65mmサイズ、716ブラシモーター用
モーター:Eachine E011 Spare Parts 716 Brushed Motor(KV19000?)
プロペラ:Eachine 31mm 4枚羽根
FC:Eachine Beecore F3 V2.0 Brushed
VTX,カメラ:Eachine TX06
バッテリー:Crazepony 300mah 1S HV 3.8V Lipo Battery

・ブラシレス機
フレーム:65mmサイズ、ブラシレスモーター用
モーター:BETAFPV 0703 1S Brushless Motors 19000KV
プロペラ:Gemfan 31mm 4枚羽根
FC:BETAFPV F4 1-2S AIO Brushless FC
VTX,カメラ:Eachine TX06
バッテリー:Crazepony 300mah 1S HV 3.8V Lipo Battery

7.関連リンク

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