ドローンの操作をしようとすると必ず「GNSS」や「IMU」「フライトコントロールシステム」という聞きなれない用語が出てきます。
ここでは、「GNSS」や「IMU」「フライトコントロールシステム」といったドローンに関連する専門用語やGNSSとGPSの違いは何か？についてまとめています。
GNSSとは何か？
「GNSS」とは、Global Navigation Satelite Systemの略で、「全球測位衛星システム」という意味です。
これだけではさっぱりわからないと思います。
GNSSとは簡単に言うとGPSのようなものです。宇宙にある人工衛星と通信し、地球上のどの位置にいるかを正確に割り出す機能のことをいいます。
ドローンが飛んでいるときに自分がどこを飛んでいるのかを正確に理解するためにGNSSが使われています。
ドローンは4基以上の衛星から電波を受信し、自分の正確な位置を緯度と経度で算出します。この機能によって、同じ位置で停止するホバリングなどの動きが可能になります。
GNSSは全てのドローンで利用されているわけではありません。例えば、安価で小型のトイドローンにはGNSSがほとんど搭載されていません。
また、GNSSが使える機種でもどんな場合でもGNSSが使えるわけではありません。例えば、DJIの機体がGNSSを利用するための条件は、7基以上の衛星から電波を受信することとなっています。
GNSSとGPSの違い
わかりやすく解説するために「GNSS」は「GPS」のようなものだと述べましたが、より詳しく言うと、「GPS」は「GNSS」の一種です。
正確な位置情報を把握するために各国がこぞって人工衛星を打ち上げています。その中で、アメリカが運営しているGNSSのことを「GPS」と呼びます。
なお、GPSとはGlobal Position Systemの略です。
ちなみに、日本が運営しているGNSSシステムの名称は「みちびき」です。主要国のGNSSシステムの名称は以下のようになっています。
| 国 | GNSSシステムの名称 |
|---|---|
| アメリカ | GPS |
| 日本 | みちびき |
| ロシア | Glonass |
| 欧州 | Galilleo |
| 中国 | BeiDou |
| インド | NavIC |
ちなみに、DJIのRC2送信機には「GPS（アメリカ）」「Galileo（欧州）」「BeiDou（中国）」のGNSSが内臓されています。
フライトコントロールシステム
ドローンはGNSSからの位置情報や、送信機から発せられる信号、IMU（加速度・角速度センサ）や気圧、赤外線、超音波といった各種センサから膨大な情報を収集しています。
その情報を適切に処理して、機体を適切な状態に制御しているシステムのことを総括して「フライトコントロールシステム」と呼びます。
IMUとは何か？
ドローンにはIMUという装置が搭載されています。
IMUとはInertial Measurement Unitの略で、直訳すると「慣性を計測する装置」です。日本語では「慣性計測装置」や「慣性計測ユニット」と呼びます。IMUはスマホでも使用されています。
ドローンでは、3軸の加速度センサと3軸のジャイロセンサ（角速度センサ）により、3次元方向の角速度と加速度を高精度で計測します。
メーカーによっては気圧センサや温度センサを内臓している場合もあります。
IMUは各種センサーが内臓された機械装置です。
加速度センサーの役割
加速度センサーを使うと、速度、変位、傾き、平行移動がわかります。
ドローンが何かに衝突した場合の衝撃や落下などを検知するのも加速度センサーです。
ジャイロセンサー（角速度センサー）の役割
ジャイロセンサー（角速度センサー）は、その名の通り、回転速度や角度を計測します。
ドローンが現在停止しているか？一定の速度で回転しているかといったことがわかります。
ちなみに、「ジャイロ（Gyro）」とは物体の向きや角速度を検出する装置「ジャイロスコープ」の略です。
ドローンに搭載されているセンサー
ドローンは飛行中の物体との衝突を防いだり、狙った場所に正しく着陸するために様々なセンサーを搭載しています。
ドローンに搭載されている主なセンサーは次の5つです。
- ビジョンセンサー
- 超音波センサー
- 赤外線センサー
- 気圧センサー
- 地磁気センサー
以下でそれぞれのセンサーについて解説しています。
ビジョンセンサー
ビジョンセンサーとは何か？
ビジョンセンサーは「ビジョン（視覚）」という単語がつくように、カメラで撮影した画像を処理することで様々な情報を算出するセンサーです。
正確なホバリングをするためには、ビジョンセンサーが必須です。ホバリングや着陸のため多くの機種がドローン本体の下部にビジョンセンサーを備えています。
DJIではビジョンセンサーのことを、ビジョンシステムと言ったりもします。
ビジョンセンサーの注意点
ビジョンセンサーはカメラを使用して情報を処理します。このためカメラで上手く被写体を捉えることができない状況では、適切に動作しないことがあります。
具体的には、以下のような状態では注意が必要です。
- 遠くにあるくらい物体
- 同じ模様や質感が繰り返されている物体
- 明確な模様や質感がない物体
- 輝いている物体（街頭やガラスなど反射率が高い物体）
- 点滅している物体
- 高速で動いている物体
- 機体やジンバルが早く動いている場合
- 焦点距離の異なる物体
超音波センサー
超音波センサーとは？
超音波センサーとは、超音波を使って物体との距離を計測するためのものです。
超音波を発し、発した音波が障害物に反射し戻ってくるまでの時間を計測することで、障害物までの距離を算出します。
超音波センサーを使うことで、衝突を回避したり、着陸時に地面との距離を計測し安全な着陸をすることが可能になります。
超音波センサーのメリット
超音波センサーはビジョンセンサーと違って、被写体がよく見えないような状況、例えば、多少のホコリや霧があっても適切に作動することができます。
同様にビジョンセンサーが苦手とする、輝いている物体（街頭やガラスなど反射率が高い物体）との距離も正確に把握することができます。
赤外線センサー
赤外線センサーとは何か？
赤外線センサーはその名の通り「赤外線」を使って温度を計測することで、周囲の状況を把握するためのセンサーです。
赤外線とは、目に見える光（可視光線）よりも波長が長い（周波数が低い）目に見えない光のことです。波長700nm ～1,000μmの波長のことをいいます。
赤外線はこの世にある全ての物体から発せられています。温度と比例していて、温度が高ければ高いほど多くの赤外線を発します。温度が低いと赤外線の量は少なくなります。
ドローンでは赤外線センサーを使って、物質から発せられる赤外線を検知して映像化し、その情報を使うことで障害物との接触や衝突を避けます。
赤外線のメリット
赤外線は可視光線を使わないため、日中だけでなく夜などの真っ暗な状態でも検出できるといったメリットがあります。
ただし、赤外線の届く範囲が限られるため、一般的には15~30m程度の範囲での検出となります。
気圧センサー
気圧センサーとは何か？
気圧センサーは、薄い膜を使って大気中の気圧を計測するセンサーです。
地球には圧力があり、地上から上に上がっていくにしたがって気圧が下がります。よく「山の上は空気が薄い」と言いますが、これは気圧が低いためです。
また、ポテトチップすなどの密閉した袋を山の上に持っていくと袋がパンパンに膨らみます。これは、袋の中の気圧は地上と同じままなのに、外の気圧（押す力）が下がったために起こる現象です。
この気圧を計測することで、ドローンが今いる高度を計測することができます。
気圧センサーでできること
気圧センサーでは「高度」と「飛行速度」の2つを検出することができます。
高度を検出するには、風などによる影響を排除する必要があります。無風の場所で大気圧を検知する気圧センサーを使用します。これを「静圧センサー」と呼びます。
飛行速度を検出するには、ドローンの移動速度に合わせて当たる風圧の変化（差分）が必要になります。これを検出する気圧センサーを「差圧センサー」と呼びます。
地磁気センサー
地磁気センサーとは何か？
地磁気センサーとは、地球の磁力を検出するためのセンサーで、電子コンパスとも言います。
地磁気を計測することで、現在北に向かっているのか南に向かっているのかといった進路の方位を知ることができます。
地磁気とは何か？（地球の磁力）
地球は全体を磁力が覆っており、北極点がS極、南極がN極になっています。
磁石は反対側同士が引き合うように、磁石のN極が北極を指し、磁石のS極が南極を指します。
最後に
ドローンにはGNSSや、IMU（加速度センサー、ジャイロセンサー）、気圧センサー、ビジョンセンサー、超音波センサー、赤外線センサー、気圧センサー、地磁気センサーなど様々な情報を検知するシステムやセンサーが備わっています。
これらの膨大な情報をフライトコントロールシステムで処理して、衝突などが発生しないよう、飛ばしたい場所を狙い通りに飛ばすための様々な工夫が盛り込まれています。
最先端の技術がたくさん詰まったドローンが今になってようやく広まってきたことも納得できます。
ドローンの制御システムの仕組みを知って、みなさんのドローンライフが一層楽しくなることを願っています。
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