DJI PHANTOM4のフライトモードと高度な飛行を実現する制御・センシング技術

DJI Phantom(ファントム)4 クアッドコプター ドローン
DJI Phantom 4 drone / Andri Koolme

近年のドローンブームの火付け役を考えると、真っ先に名前が挙がるのはDJI社のPHANTOMシリーズの存在でしょう。ラジコン初心者でも出来る限り簡単に操縦できるようにしたフライトコントロールシステムや価格設定などが、マルチコプターをはじめとする無人航空機(UAV)・ラジコン航空機へのハードルを一気に下げたのは間違いありません。

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DJI PHANTOMシリーズも現在では「PHANTOM 4」まで発売されており、空撮ドローンとして非常に人気のある機体になると同時に、そのフライトコントロールシステム(FCS)も高度化されてきています。このページでは、2016年9月時点でシリーズ最新機種である「PHANTOM 4」について、その高度なフライトコントロールシステムとそれを支えるセンシング技術に着目し、分かりやすく解説していきます。

最高峰の空撮ドローン DJI PHANTOM(ファントム)4

PHANTOM 4のフライトコントロールシステム・センシング技術に踏み込む前に、まずはDJI ファントム 4がどのようなドローンであるのかを簡単に紹介しておきます。

DJI ファントム 4は、DJIが2016年3月15日に発売した空撮用クアッドコプターです。ファントムシリーズの前世代機であるPHANTOM 3に対し、「機体の剛性強化」「フライトモードの追加」「バッテリー容量増加による飛行時間の延長」「飛行速度の高速化」「障害物検知システムの追加」「電波送信距離の延長」などの改良が加えられ、より性能が向上した空撮ドローンになっています。

機体スペックは以下の通りです。(DJI公式サイトより)

重量(バッテリー・プロペラ込み) 1380 g
対角寸法(プロベラ除く) 350 mm
最大上昇速度 6 m/s (スポーツモード)
最大下降速度 4 m/s (スポーツモード)
最大速度 20 m/s(スポーツモード)
航行可能限界高度 6000 m
最大飛行時間 約 28 分
動作環境温度 0° ~ 40° C
GPS GPS / GLONASS
ホバリング精度 垂直:+/- 0.1 m (ビジョンポジショニングがアクティブの場合) または +/-0.5 m
水平:+/- 0.3 m(ビジョンポジショニングがアクティブの場合) または +/-1.5 m
作業周波数 2.400 GHz 〜 2.483 GHz
最大転送距離 3500m (屋外、障害物なし)
障害物検知範囲 0.7 ~ 15 m
ビジョンポジショニング速度範囲 10 m/s 以下(地上 2 m 以上)
ビジョンポジショニング高度範囲 0 ~ 10 m
ビジョンポジショニング作業範囲 0 ~ 10 m
動画モード UHD: 4096×2160 (4K) 24/25p
3840×2160 (4K) 24/25/30p
2704×1520 (2.7K) 24/25/30p
FHD: 1920×1080 24/25/30/48 /50/60 /120p
HD: 1280×720 24/25/30/48 /50/60p
最大動画ビットレート 60 Mbps
最大静止画サイズ 4000×3000
写真ファイル形式 JPEG / DNG ( RAW )
動画ファイル形式 MP4 / MOV ( MPEG – 4 AVC / H.264 )

スペックの中でも特に目を引くのは、飛行時間の長さです。一般的な自作ドローンでは飛行時間は10~15分程度ですが、ファントム4では28分と非常に長くなっています。もちろん自作ドローンは実測ベースであるのに対しファントム4はカタログスペックですから、ファントム4の方が大きな値が出る傾向にはありますが、機体全体の統合システムとして開発されているファントムの方が飛行時間が長くなるのは当然でもあります。

また、機体をコントロールするプロポからの信号が届く距離も、3.5kmと非常に長くなっています。遠く離れた場所の空撮でも安心してフライトできますね。

ビジョンポジショニングシステムにより高いホバリング精度を実現している点も注目です。ホバリング精度は撮影した写真・動画の質に直結するため、この点も重要な要素と言えます。

DJI PHANTOM 4のフライトコントロールシステム(FCS)とフライトモード

DJIのファントム4が優れたスペックを持つことは分かってもらえたと思います。次に、このスペックを実現するためにどのようなフライトコントロールシステムが作られているかを説明します。

機体のフライトコントロールシステムの仕組みを理解することで、機体の性能をより引き出したフライトを行うことが可能になります。質の高い空撮を行うためにも、マルチコプターの根幹であるフライトコントロールシステムについてよく理解してください。

フライトモードとは

航空機を飛ばすためには、エルロン・ラダー・エレベーターなどの舵面を動かしたり、エンジンやモーターの出力を変化させて推力・揚力を調整する必要があります。これらを行うのが飛行制御システム(フライトコントロールシステム)です。

飛行制御システムでは、状況に応じて適切に機体を制御するため、制御モードの切替ができるようにしています。これが「フライトモード」と呼ばれるものです。

適切なフライトモードを選択してファントムのようなドローンを飛行させることで、「高度を保持する」「ホームポイントに帰還する」などの機能を実現することが出来ます。従って、ドローンを操縦するためには各フライトモードで何ができるのか(どんな機能が実現されるのか)を正しく理解する必要があります。

以下で、DJI PHANTOM 4に搭載されているフライトモードについて紹介していきます。なお、各項目の詳細はページ下部で解説しています。また、フライトモードと制御則の関係や、PHANTOM以外のドローンにはどのようなフライトモードが存在するのか、という点に興味のある人には、以下のページも参考になるはずです。

【APM】ドローン・マルチコプター・RCプレーンのフライトモードの種類と効果
ドローン・マルチコプター・ラジコン飛行機向けのオートパイロットプラットフォームであるAPM(ArduPilot Mega)のフライトモード(飛行制御モード)を、制御方法と実現する機能に注目して解説します。また、空撮用ドローンとして有名なDJI Phantomとの比較も行います。

ノーマルフライトモード

ファントム4には、以下の3つのフライトモードがスタンダードなものとして実装されており、これをノーマルフライトモードと呼ぶこととします。

ノーマルフライトモードでは、操縦は基本的にパイロットが行いますが、フライトコントロールシステムが機体の制御を補助することで、操縦を容易にしたり、パイロットの作業量を減らしたりすることが可能です。

インテリジェントフライトモード(IFM)

インテリジェントフライトモード(IFM)には以下の5つのフライトモードが該当します。インテリジェントフライトモードでは、オートパイロットがより積極的に機体を制御することでノーマルフライトモードよりもさらに高度な飛行を自動的・自律的に行うことが出来ます。

これらのインテリジェント・フライトモードを使用することで、従来は練習を積まなければ実現が難しかったフライトを容易に行うことができるようになります。これにより、初心者でも高度な空撮映像を撮影することができるようになります。

その他のフライトモード・機能

ノーマルフライトモード・インテリジェントフライトモード意外にも、ファントム4には特徴的なフライトモード・機能が備わっています。代表的なものに以下の3つがあります。

RTH機能はフェイルセーフとして非常に重要な役割を果たしています。また、ActiveTrack(アクティブトラック)とTapFly(タップフライ)の2つの機能は、ファントム4から新しく追加されたものです。

DJI GO

DJI GO
DJI GO / DJI

DJI PHANTOM 3 および DJI PHANTOM 4 に対応したスマートフォン・タブレットアプリです。このアプリを利用すると、従来はプロポによる操作が必要だったドローンの操縦を、GUI(Graphical User Interface)による操作に置き換えることが出来ます。

また、飛行中のファントムが撮影している映像を手元でリアルタイムに確認したり、フライトログを確認したり、撮影した映像を編集・管理したりすることも可能となります。ドローン空撮に感じる「難しそう」という感覚を取り去ってくれるアプリです。

Pモード

Pモードはファントム4の標準フライトモードで、GP信号と障害物検知システムを利用し、機体を自動的に安定させて飛行するモードです。また環境が適切であれば、ビジョンポジショニングシステムも有効化出来ます。

このフライトモードでは、TapFly(タップフライ)やActiveTrack(アクティブトラック)などの高度な機能を利用することが出来ます。

Sモード(スポーツモード)

Sモード(スポーツモード)は、ファントム4から追加されたフライトモードで、従来よりも高機動な飛行を行うことができます。最大上昇速度は5m/sから6m/s、最大降下速度は3m/sから4m/s、水平飛行速度は16m/sから20m/sへと、それぞれ向上しています。

もちろんFPVレースなどで使用されるドローンの飛行速度にはかないませんが、空撮用途では十分な速度と言えるでしょう。スポーツの撮影のように被写体が高速で動く場合や、迫力のある映像を撮影したい場合などに活用できます。

Sモードでは飛行速度が早過ぎるため、障害物検知システムが無効になります。当たり前ですが前方には十分注意した上でフライトを行ってください。

Aモード(ATTIモード)

Aモード(ATTIモード)は、パイロットのマニュアル操縦によるスムーズな飛行が重視されるフライトモードです。このモードではプロポのスティック操作によりファントム4の姿勢角(ピッチ角・ロール角・ヨー角(方位角))をコントロールします。AモードのAはAttitude(姿勢)のAということですね。なお、機体の高度は気圧センサから得られる高度データを使って自動的に保持される制御となっています。

Aモードは環境要因などによってセンサーが上手くデータを取得出来にない場合に利用するフライトモードでもあるため、GPS、ビジョンポジショニングシステム、障害物検知システムの全てが無効化されます。いざというときにも安心してフライトできるように、Aモードでの操縦練習も積んでおくべきでしょう。

フォローミー

インテリジェントフライトモードの一つであるフォローミーモードは、パイロットを自動追尾する機能を備えたフライトモードです。サーフィンやスキー、Cyclingなどのスポーツを楽しんでいるシーンを撮影する、といった用途が想定されているフライトモードです。

後述のアクティブトラック機能と似ていますが、アクティブトラック機能はビジョンポジショニングによる追尾、フォローミーモードはGPS信号による追尾という違いがあります。フォローミーモードで追尾するのは、正確にはDJI GOをインストールしたモバイル端末であり、機体とアプリの間の通信が確立されている必要があります。

コースロック

コースロックはパイロットの操縦を簡単にするためのインテリジェントフライトモードの1つです。コースロックモードが有効化されると、PHANTOM 4はそのタイミングでの方位を記憶し、パイロットのスティック操作は全て記憶された方位に基づくものになります。

具体的には、こちらの図をみてください。

DJI PHANTOM(ファントム)シリーズ コースロックモード(インテリジェントフライトモード)

コースロックがオフになっている場合は、プロポのスティックを前に倒すと機体は「機体から見て前方に」進みます。それに対して、コースロックがオンになっている時には、プロポのスティックを前に倒すと機体は「記憶した前方に」進みます。

このフライトモードでは、機体の向きと進行方向を自由に変化させられるため、移動する被写体と並進しながら撮影する、というような使い方も出来ます。

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ウェイポイント

ウェイポイントモードでは、緯度・経度・高度で指定されるウェイポイントをDJI GOアプリで設定します。ウェイポイントモードでは、このウェイポイントを順番に追いかけるように、ファントム4が自動的に飛行してます。

機体は自律航行を行うため、パイロットはプロポのスティックを操作して操縦する必要がありません。これにより、カメラワークに集中することができ、空撮映像の品質を向上させることが可能です。

ウェイポイントモードは、インテリジェントフライトモードの中でもかなり重要な機能の一つです。上手く空撮を行うためには、このフライトモードをできる限り有効活用するべきでしょう。

【ドローン空撮】APM:CopterのAUTOモード・ウェイポイント飛行の設定・実施法
オープンソースのオートパイロットプラットフォーム「APM:ArduPilot Mega」を利用して、指定航路を飛行するウェイポイント飛行(ミッション飛行)を実施する方法を解説します。ファームウェアにAPM:Copter/ APM:Plane、フラコンにPixhawk等を使用します。

DJI PHANTOMシリーズではありませんが、自作ドローンのフライトコントロールシステムとして人気の高い「APM(ArduPilot Mega)」というプラットフォームで、ウェイポイントフライトを行う方法を、こちらのページで紹介しています。ファントム4以外にも高品質な空撮映像を撮影できるドローンに興味のある人は、こちらも読んでみると良いでしょう。

ホームロック

ホームロックモードはコースロックモード似たフライトモードですが、基準になる方位の設定方法が異なります。コースロックではモードを有効にしたタイミングの機首方位が基準でしたが、ホームロックでは、機体と離陸地点を結ぶ直線が基準になります。

DJI PHANTOM(ファントム)シリーズ ホームロックモード(インテリジェントフライトモード)

これにより、ファントムの操縦は、スティックを前に倒すと自分から離れる方向に進み、スティックを手前に引くと自分の方に戻ってくるという非常に単純なものになります。操縦に自信のない初心者パイロットは、積極的にこのホームロックモードを利用していくべきでしょう。

ポイント オブ インタレスト(POI)

ポイント オブ インタレスト(POI)は対象物が明確な空撮を行う場合に有効なインテリジェントフライトモードです。このフライトモードでは、ドローンは指定された目標地点に対して常に機首を向けながらその周囲を旋回します。

DJI PHANTOM(ファントム)シリーズ ポイント オブ インタレスト(インテリジェントフライトモード)

建築物など、何かしらのオブジェクトを対象とした空撮を行う際におすすめです。

リターントゥホーム(RTH)

リターントゥホーム(RTH)は、GPS信号を利用してホームポイントまで自動的に帰還するフライトモードです。このモードを利用すれば、機体の向いている方向が分からなくなったり、機体を見失ったりしても、自動的にパイロットの場所までフライトさせることが可能です。また、リターントゥホーム中も障害物検知システムは有効です。

パイロットにとっては心の支えにもなる重要な機能ですが、必ずしもいつも上手く働くわけではありません。GPS信号が上手く取得できなければ、上手く帰還できる可能性は低くなります。リターントゥホームはあくまでも「保険」であり、マルチコプターは自分でコントロールできる範囲で飛行させるようにしてください。

ファントム4でRTHを有効にする手順は3通りあります。以下でそれぞれを説明します。

フェールセーフRTH

プロポからの操縦信号が3秒以上失われると、RTH機能が自動的に有効化されます。これがフェールセーフRTHです。信号が回復すると、リターントゥーホームが中止され、コントロールはパイロットに戻ります。

スマートRTH

プロポ(送信機)のRTHボタンをオンにする、または、DJI GO アプリのRTHボタンをタップするとスマートRTHを有効化出来ます。スマート RTHが有効になっている間は、プロポのスティック操作により機体をコントロールすることが可能です。RTHボタンをオフにすると、スマートRTHが終了し、コントロールがパイロットに戻ります。

低バッテリーRTH

ファントムに搭載されているバッテリー(インテリジェントフライトバッテリー)が機体のホームポイントに帰還できない可能性があるレベルまで消耗すると、バッテリーレベルのフェールセーフ機能が有効になります。その後低バッテリー警告が発生するとDJI GOアプリに通知が表示され、さらに10秒経過しても何もしない場合、低バッテリーRTHが有効になります。

RTHボタンを押すことで低バッテリーRTHはキャンセルすることができます。また、低バッテリーRTH中もスティック操作による機体のコントロールが可能です。

ActiveTrack(アクティブトラック)

ActiveTrack機能では、DJI GOアプリ画面上で対象物をマークして追跡することができます。さらに、ファントム4は対象物の追跡中、飛行経路上の障害物を自動で回避しながら飛ぶことができます。この機能はPモードで、バッテリー残量が50%以上の時に使用することが可能です。

インテリジェントフライトモードのフォローミーと似ていますが、アクティブトラック機能はビジョンポジショニングによる追尾、フォローミーモードはGPS信号による追尾という違いがあります。GPS信号を使用しない分アクティブトラック機能では色々な対象を追尾できますが、光加減などの環境要因の影響をうけやすい傾向にあります。

TapFly(タップフライ)

TapFly機能では、DJI GOアプリ画面上をタップすることで、プロポを使わずに機体を目的の方向に誘導飛行させることができます。この機能はビジョンポジショニングを利用するため、ビジョンポジショニングを有効化できる、照明が暗すぎず明るすぎない環境である必要があります。タップフライ機能はアクティブトラック機能と同様、Pモードで、バッテリー残量が50%以上の時に使用することが可能です。障害物検知システムも有効になります。

また、GPS信号も利用するため、GPS信号が弱くなるとタップフライ機能は自動終了します。

DJI PHANTOMのセンシング技術

ファントム4では、上に紹介したような高度なフライトコントロールシステムが実現されています。このような制御システムを実現するためには、機体の状況を正確に取得するための優れたセンサーが欠かせません。

また、センサーの性能を十分に引き出すためには、取得したデータをより有用な情報の形にする「センシング技術」が重要です。この項目では、ファントム4の優れたフライトコントロールシステムを支えるセンシング技術を紹介します。

ビジョンポジショニングシステム

ビジョンポジショニングシステムは、機体の底面に搭載した超音波センサーとイメージセンサーを使って機体の正確な現在位置を取得し、ホバリングの精度を向上させるシステムです。

一般的には、マルチコプターが位置を保持したホバリングを行うためにはGPS信号を利用する必要があります。しかしこの方法では、屋内や木が高密度で生えている森林内部など、GPS信号が届かない場所では位置保持ホバリングをすることが出来ません。

ファントム4ではこの問題に対し、超音波センサーによる距離情報とカメラセンサーによるオブジェクト(物体)情報を利用して、自機位置を取得できるようになっています。これによって、GPS信号が利用できない環境でも安定した飛行が可能になり、空撮が行える環境が広がることとなりました。

なお、この機能はパイロットのマニュアル操縦によるスムーズな飛行が重視されるAモードでは無効化されます。

障害物検知システム

障害物検知システムは、機体の前方にある障害物を検知し、衝突する可能性のある飛行が行われないようにするシステムです。多くのドローンが障害物検知システムの搭載を目指しながら中々実現していないところ、ファントム4にはいち早く実装されている点に関しては、さすがDJIと言う他ありません。

この機能では、前方0.7~15メートル、水平方向60°、垂直方向54°の範囲内にある障害物を検出し、DJI GO アプリに表示してくれます。さらに障害物検知システムはアシストブレーキ機能も備えており、障害物との距離が近すぎる場合には、前進することが出来なくなります。また、安全な距離で機体が停止できるように、障害物検知システムが有効になっている時の飛行速度は秒速8メートル(時速28.8キロメートル)以下に制限されます。

障害物検知システムは、ActiveTrack、TapFly、Pモード、そして全てのインテリジェンフライトモードで有効にすることが可能です。ただし、マニュアル操縦が優先されるAモードと、飛行速度がはやいSモードでは無効になります。

DJI PHANTOM 4のフライトコントロール・センシング技術のまとめ

DJI ファントム4には、多くの高度な技術が活用され、洗練されたフライトコントロールシステムを構築しています。少なくとも本格的な空撮用途では、現時点でこの機体よりも(コストパフォーマンスも含めて)優れているクアッドコプターはほとんど存在しません。

高度な空撮をできる限り簡単に行いたいと考えている人にとって、ファントム4はベストソリューションの1つになるでしょう。また、操縦の容易さから、空撮ドローンの入門機としても良い選択肢になります。

空撮に本格的に取り組もうという人はだれであれ、ファントム4を手に取り、飛ばしてみる価値があるはずです。

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著者:K-ki 子供のころに作った模型飛行機がきっかけで航空宇宙の世界に足を踏み入れたエンジニア。HNは「けーき」と読みます。 好きなものは航空機(固定翼・回転翼・ドローンなど全般)と生き物・アクアリウム。水棲生物の中では特にニホンイシガメが好き。
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