【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

APM ArduPilot Megaのフライトモード
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

ドローンやマルチコプターは、どのフライトモードを選択するかによって全く異なる飛び方をします。従って、空撮・測量・レースなど、フライトの目的に合った適切なフライトモードを選択することが非常に重要になります。

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このページでは、K-ki(K-ki@Ailerocket)がドローン・マルチコプター向けのフライトコントロールシステム(FCS)として推奨している「APM:ArduPilot Mega」(特にAPM:Copter)のフライトモードを中心に、DJIのPHANTOMシリーズの例も交えながら、フライトモードにはどのような種類のものが存在し、それぞれのフライトモードでどのような飛行方法となっているのかを解説します。

なお、以下のページではAPMよりもDJI ファントムシリーズのフライトモードや飛行制御・センシング技術の方に焦点をあてています。興味のある方は合わせてご覧ください。

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 ファントム 4は、ウェイポイントやフォローミーといった高度なフライトを可能にする、空撮向けクアッドコプターの代表とも言えるドローンです。これらの飛行を可能とする制御・センシング技術と、それによってどのようなフライトモードが実現されるのかを解説します。

フライトモードとは

まずは最初に、フライトモードとはそもそも何なのかを説明しておきます。

フライトモードとは、航空機を飛行させるためのソフトウェアである「フライトコード(飛行制御プログラム)」において、機体が意図通りの飛び方をするために使用する制御モードのことを指します。

例えば、「機体が一定の高度を保持して飛ぶ」とか、「指定された位置でホバリングする」という飛行を実現するために、対応する制御則上のモードがフライトモードです。ここで例として挙げたものでは、高度を保持する場合には「アルトホールドモード(Alt Hold)」、指定位置でホバリングする場合には「ロイターモード(Loiter)」というフライトモードが利用されます。

このページでは、紹介するフライトモードがどのような機能(高度保持や位置保持など)を有するのかを説明していきます。また、それぞれのフライトモードの特徴が、どのような目的のフライトで役立つのかという点も解説します。

フライトモードを構成する制御方式と基本機能

APMやDJIのPhantomシリーズでは、ピッチ・ロール・ヨーの3軸にスロットルを加えた4軸について、どのような制御を行うかを指定し、その組み合わせに対して名称をつけてフライトモードとして扱っています。

例えば、APMのアルトホールドモードでは、ピッチ軸とロール軸についてはスティック入力に合わせた姿勢角となるように機体を制御し、ヨー軸については方位角の変化率(レート)、高度方向(スロットル)は高度制御を行う、といった具合です。このそれぞれの制御の仕方を制御方式と呼ぶことにします。

さらに高度方向については、高度制御により機体の高度を維持するという「高度保持機能」を実現しています。制御によって得られる飛行特性を機能と呼ぶことにします。

以下では、APMのオートパイロットで使われる制御方式と、それによって実現される機能を紹介します。

なお、機体の制御を理解する上ではプロポの操作方法も理解している必要があります。知識に不安がある人は以下のページも参考にしてください。

プロポはモード1/モード2のどちらが良い?ドローン・ラジコンと実機の操縦比較
ドローンやラジコン飛行機の初心者は、操縦に使うプロポを選ぶ際にモード1のプロポを使うかモード2のプロポを使うか悩むと思います。プロポの操作モードや実際の飛行機の操縦方法を解説した上で、私がモード2を推奨する理由を紹介します。

姿勢角制御・方位角制御

ピッチ・ロール・ヨーの3軸で使われる制御方式の一つで、プロポのスティック操作を機体の姿勢角(ピッチ角・ロール角・ヨー角(方位角))の制御に対応付ける方法です。

レート制御

ピッチ・ロール・ヨーの3軸で使われる制御方式の一つで、プロポのスティック操作を機体の姿勢角変化率の制御に対応付ける方法です。姿勢角を制御するよりも機体の応答が早くなります。

一方で姿勢角は制御しないので、スティックから手を離した後も、手を離した時の姿勢が保持されることになります。これにより、スティックを操作しなくても機体は前進したりバンク角をとったりしてくれますが、不安定な姿勢で手を離すと墜落してしまいます。

速度制御

速度制御は、固定翼機ではスロットル制御で、姿勢と移動が密接に関連する回転翼機ではピッチ軸・ロール軸・スロットル(コレクティブ軸)の制御で利用されます。機体の姿勢やレートではなく、スロットル出力や姿勢変化の結果として作られる移動速度を制御する方式です。

自動制御

APMのフライトモードの中には、ある制御軸に関してパイロットの操作入力を全く受け付けず、オートパイロットシステムが100%のオーソリティで制御を行うものがあります。こうした制御方式を、このページでは自動制御と読んでいます。さらに、姿勢角を自動制御する場合は自動姿勢角制御、レートを自動制御する場合は自動レート制御などと呼びます。

マニュアル制御

パイロットのスティック操作をそのままアクチュエータ制御やモーター回転数に結びつけます。スロットル制御や、固定翼航空機(ラジコン飛行機)の3舵(エルロン・ラダー・エレベーター)制御に利用されます。

この方法でマルチコプターの姿勢を制御しようとすると、操縦がとても複雑になってしまうため、マルチコプターではスロットル制御以外には利用されません。

位置保持機能

機体にGPSモジュールを搭載することによって得られる位置情報を利用し、縦速度(機首方向の速度)と横速度(水平面内で機首に対し垂直方向の速度)を制御することで、機体の位置を一定に保つことが出来ます。この機能を位置保持機能と呼びます。

方位角保持

コンパスから得られる方位に基づき機首方位を制御し、機首を一定方向に向けることが可能です。これを方位角保持機能と呼びます。

高度保持機能

スロットル制御によって実現される機能です。その名の通り、高度センサ(気圧センサが主流)が取得する高度を保持するようにスロットルの出力(モーター回転数)を調整することで一定の高度を維持します。

スタビライズモード(Stabilize)

名称(APM) スタビライズモード
ピッチ軸 姿勢角制御
ロール軸 姿勢角制御
ヨー軸 レート制御
スロットル マニュアル
GPS 不要

スタビライズモードは、APMでは最も基本的なフライトモードになります。ピッチ軸・ロール軸については、プロポのスティック操作により機体の姿勢角をコントロールできます。従ってモード2で右スティックから手を離すと、機体は自動でレベル(水平)状態に移行しホバリング飛行を行います。また、ヨー軸に関しては、スティック操作により方位角のレート(変化率)を変化させられます。

高度方向はパイロットのマニュアル操縦によりコントロールされるため、機体の高度には常に気を配り墜落を防ぐ必要があります。ただし、高度方向の自動操縦を行わない分、スロットルのマニュアル操作に対して俊敏な応答を示すという長所もあります。

アルトホールドモード(Alt Hold)

名称(APM) アルトホールドモード
ピッチ軸 姿勢角制御
ロール軸 姿勢角制御
ヨー軸 レート制御
スロットル 高度保持
GPS 不要

APMにおけるアルトホールドモードは、スタビライズモードに高度保持機能を追加したモードです。高度方向の操縦をオートパイロットに任せることができるため、操縦が簡単になって墜落の心配が減少します。スタビライズモードに比べて初心者にやさしいフライトモードと言えます。

DJIのPhantomシリーズでは、Alt Holdモードに相当する機能をAモードやATTIモードと呼びます。Phantomシリーズは、ラジコンヘリやマルチコプターの操縦に不慣れな初心者でも簡単に機体を飛行させることができるように、スタビライズモードの代わりに高度保持まで行うこのフライトモードが実装されています。

ロイターモード(Loiter)

名称(APM) ロイターモード
ピッチ軸 速度制御・位置保持
ロール軸 速度制御・位置保持
ヨー軸 方位角制御
スロットル 高度保持
GPS 必要

ロイターモードは、GPS信号を利用してドローンに位置保持飛行をさせることができるフライトモードです。APM:Copterでは定点ホバリング、APM:Planeではロイターモードを開始した地点の周りを旋回するような飛行になります。高度方向は高度保持が有効になります。

ここまでに紹介した他のフライトモードとは異なり、ドローン・マルチコプターの飛行速度を制御するため、操作感もやや異なります。速度と高度を保持した安定的な飛行を行うため、空撮や測量に適したフライトモードと言えます。

ポジションホールドモード(Pos Hold)

名称(APM) ポジションホールドモード
ピッチ軸 姿勢角制御・位置保持
ロール軸 姿勢角制御・位置保持
ヨー軸 方位角制御
スロットル 高度保持
GPS 必要

ロイターモードと同じくGPS信号を利用して位置保持・高度保持を行うフライトモードですが、こちらは速度ではなく機体の姿勢角を制御します。姿勢角を操作するためスタビライズモードと操作感覚が近く、ロイターモードよりも操作感が自然で、操縦しやすいフライトモードと言えるでしょう。

DJI Phantom4のフライトモードでは、このポジションホールドモードと似ているものの、GPSに加えて超音波センサと画像センサも活用し、より高度・高精度の位置保持機能を実現したPモードが装備されています。さらにPhantom 4のPモードには障害物回避機能もあり、非常に高性能なフライトモードとなっています。

アクロモード

名称(APM) アクロモード
ピッチ軸 レート制御
ロール軸 レート制御
ヨー軸 レート制御
スロットル マニュアル
GPS 不要

アクロモードは、3軸(ピッチ軸・ロール軸・ヨー軸)のレート制御とマニュアルスロットル制御によって機体を飛行させるフライトモードです。このため非常に機動性の高い飛行を実現することが出来ますが、操縦もとてもむずかしくなります。習得するまでには何度もクラッシュするだろうとAPMのサイトに書いてあるほどです。

高機動飛行が行えるため、FPVレースに参加するならこの機能の習得は必須といえるでしょう。フリップやローリングのような高機動マニューバもできるため、操縦していてとても楽しいフライトモードでもあります。

スポーツモード

名称(APM) スポーツモード
ピッチ軸 レート制御
ロール軸 レート制御
ヨー軸 レート制御
スロットル 高度保持
GPS 不要

スポーツモードは簡単にいえば、アクロモードの機動性をやや下げる代わりに操縦を容易にしたフライトモードです。アクロモードではスロットルがマニュアル操縦でしたが、スポーツモードでは高度保持機能が有効化されています。

また、アクロモードで操作する「レート」が、機体固定座標系(ボディフレーム)まわりのレートであったのに対し、スポーツモードでは慣性座標系(アースフレーム)まわりのレートを操作することになります。姿勢角にも上限が設けられており(通常は45度)、極端に高機動なマニューバはできません。

ここで出てきた「機体固定座標系」や「慣性座標系」という言葉が理解できないのであれば、一度真面目に古典力学や航空機力学を勉強することをおすすめします。大学の学部生程度の物理学知識があるのなら、加藤寛一郎先生の航空機力学入門が制御分野にも詳しくておすすめできる良書です。

DJI Phantomシリーズにものスポーツモード(Sモード)が搭載されていますが、これは制御ゲインが上がっただけのポジションホールドモードだと思われ、根本的に操作感覚が異なります。

サークルモード(Circle)

名称(APM) サークルモード
ピッチ軸 自動速度制御
ロール軸 自動速度制御
ヨー軸 自動方位角制御(レート制御)
スロットル 高度保持
GPS 必要

APM:Copterのサークルモードでは、機体は指定点(サークルモード開始時点で機首方向に指定距離離れた地点)に機首を向けながらその点の周りを旋回します。APM:Planeのサークルモードでは、機体は位置保持をせずに風に流されながら旋回をします。

マルチコプターで特に重宝されるこの機能は、対象の周りをぐるっと回るような飛び方になるため、非常に空撮向けのフライトモードと言えます。DJI Phantomシリーズでは、同様の機能として「ポイントオブインタレスト」が実装されています。

オートモード

名称(APM) オートモード
ピッチ軸 自動速度制御
ロール軸 自動速度制御
ヨー軸 方位角制御
スロットル 自動高度制御
GPS 必要

オートモードでは、機体はあらかじめ設定されたウェイポイントに向かって自動誘導されます。ウェイポイントは緯度・経度・高度で指定され、さらにウェイポイントでどのような挙動をするか(旋回、着陸など)も指定することが出来ます。

このモードでは、パイロットによるスティック操作は一切受け付けず、機体は自律航行状態になります。ウェイポイントにより航路を指定した上で、一定速度の安定した飛行を行うため、空撮に非常に適したフライトモードになっています。

参考までに、私がこのオートモードで撮影した空撮動画を紹介しておきます。カメラジンバルを使っていないのでブレがありますが、機体の挙動は非常に安定していることが分かるかと思います。

オートモードを利用してマルチコプターに自律航行を行わせる方法は以下のページで紹介しています。あわせて読んでみてください。

【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。

また、DJI Phantomシリーズでは「ウェイポイント」というモードが同等のフライトモードとして実装されています。

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ガイデッドモード(Guided)

名称(APM) ガイデッドモード
ピッチ軸 自動速度制御
ロール軸 自動速度制御
ヨー軸 自動方位角制御
スロットル 自動高度制御
GPS 必要

ガイデッドモードは、テレメトリーラジオとグラウンドコントロールステーション(GCS)を利用し、パソコン上のGCSソフトウェアでGUI操作によりオートモードと同様の機体コントロールを行うモードです。

他のフライトモードのようにスイッチで有効にするわけではなく、機体とGCSの間でMAVLink通信が確立しているときにロイターモードを有効にすると、GCS側の操作でガイデッドモードの機能を利用することが出来ます。

ただし日本では電波法の規制によりテレメトリーラジオを利用することが出来ないため、飛行中の機体とMAVLink通信を合法的に確立することが難しいです。国内で使用するにはハードルの高いフライトモードであると言わざるを得ません。

フォローミーモード

名称(APM) ガイデッドモード
ピッチ軸 自動速度制御
ロール軸 自動速度制御
ヨー軸 自動方位角制御
スロットル 自動高度制御
GPS 必要

フォローミーモードもガイデッドモードと同じく、機体とグラウンドコントロールステーション間のMAVLink通信が確立している時に利用できるフライトモードです。MAVLink通信確立時にロイターモードをオンにし、APMのGCSである「Mission Planner」のフライトデータ画面で、Ctrl+Fボタンにより呼び出したウィンドウで「Follow Me」を選択すると有効化出来ます。

このフライトモードでは、機体とGCSのGPS情報を使って、GCSがある場所を追いかけるようにドローンが飛行します。スポーツの空撮などで重宝する機能といえますね。

シンプルモード(Simple)

シンプルモードは他のフライトモードとは異なり、アクロモードとドリフトモード以外の、何らかのフライトモードと組み合わせて使用します。このフライトモードを有効にすると、パイロットの操作入力はマルチコプターの機首方向には関係なく、離陸時の機首方位を基準とした入力として解釈されます。

言葉で説明するよりも図解したほうがわかりやすいと思いますので、下の画像をみてください。

シンプルモード(Simple)の操縦

パイロットの操作により、マルチコプターは離陸時の方位を基準とした方向に移動します。これにより、機体の向きに合わせてピッチ・ロール操作を行うことに慣れていない初心者パイロットでも安心してマルチコプターを飛ばすことが出来ます。なおこの機能にはGPSが必要です。

DJI Phantomシリーズには、このシンプルモードに似た機能としてコースロック機能が搭載されています。シンプルモードが離陸時の方位基準であるのに対し、コースロックはコースロックモードを起動したタイミングが基準となります。

スーパーシンプルモード(Super Simple)

スーパーシンプルモードはシンプルモードによく似た機能ですが、基準になる方位の設定方法が異なります。スーパーシンプルモードでは離陸時の方位ではなく、下図のように機体と離陸地点を結ぶ直線が基準となります。

スーパーシンプルモード(Super Simple)の操縦

つまり、モード2のプロポならば、右スティックを手前に引くと機体はパイロットのところに戻ってきて、右スティックを前に倒すとパイロットから遠ざかるという非常に単純な飛び方になります。シンプルモードと同じく、初心者パイロットの助けになるフライトモードです。なおこの機能にもGPSが必要です。

DJI Phantomシリーズには、スーパーシンプルモードに相当するフライトモードとしてホームロック機能が用意されています。

ドリフトモード(Drift)

名称(APM) ドリフトモード
ピッチ軸 姿勢角制御
ロール軸 姿勢角制御
ヨー軸 自動レート制御
スロットル 高度保持
GPS 必要

ドリフトモードは、ロール姿勢に応じてヨーレートを自動的に制御してくれるフライトモードです。もう少し分かりやすく言えば、モード2の場合にプロポの右スティック操作のみでターンコーディネーション(釣り合い旋回)を実現できるフライトモードです。

航空機、とくに回転翼機にとって旋回というマニューバは、基本的なものでありながら意外にも操縦の難しい挙動です。ピッチ・ロール・ヨーの3軸全てを適切にコントロールしなければならないため、初心者は上手く旋回できるようになるまで時間がかかります。

このドリフトモードを使用すれば、ヨー軸の制御はオートパイロットが全て自動で行ってくれるため、非常に簡単に旋回ができるようになります。初心者の操縦練習用や、FPV飛行を飛行機と同じような操作感覚で操縦したい時、安定した動画や写真を空撮したいときなどに重宝するフライトモードです。

スローモード(Throw)

名称(APM) スローモード
ピッチ軸 自動姿勢制御・位置保持
ロール軸 自動姿勢制御・位置保持
ヨー軸 自動方位角制御・方位角保持
スロットル 高度保持
GPS 必要

スローモードは、最新のAPM:Copter version 3.4から実装されたフライトモードで、マルチコプターを手で投げ上げると、そこからホバリングを開始するというモードです。実際にフライトの様子を見たほうがわかりやすいと思うので、APMの紹介動画を貼っておきます。

投げ上げて飛び始めるのは面白いですが、通常の離陸と比べて危険なので、特に必要のない場合には通常の離陸を行うことが推奨されています。このフライトモードではパイロットの操作入力を受け付けないため、ホバリングが確立された後は他のフライトモードに切り替える必要があります。

ランドモード(Land)

名称(APM) ランドモード
ピッチ軸 GPSロック時:速度制御・位置保持
GPSアンロック時:姿勢制御
ロール軸 GPSロック時:速度制御・位置保持
GPSアンロック時:姿勢制御
ヨー軸 レート制御
スロットル 高度保持
GPS 有無によって挙動変化

ランドモードは着陸時に使用するフライトモードです。指定された降下率(降下速度)で降下を行います。GPSロック(GPS信号を補足している状態)時には、ロイターモードのように位置保持を行い、GPSアンロック時にはスタビライズモードのような姿勢安定化を行います。

便利といえば便利ですが、登録できるフライトモードの数にも限りがあるので、その内の一つをこのモードに割り当てるのはちょっともったいないかなと思います。マニュアル操縦で着陸する練習をしたほうが良いでしょう。

RTLモード(Return-to-Launch)

名称(APM) RTLモード
ピッチ軸 自動制御
ロール軸 自動制御
ヨー軸 方位角制御・方位角保持
(設定変更可能)
スロットル 自動制御
GPS 必要

RTLモードは、機体をアームした地点(ホームポジション)まで自動誘導するフライトモードです。ドローンを飛ばしている途中で、機体の状態(主に方位)が分からなくなりコントロールできなくなった場合など、何かしらのトラブルがあった時に使うと、機体が自動的にパイロットの元まで帰って来るため、安全にドローンを飛ばす上で非常に重要な機能です。フェイルセーフ機能としてもよく利用されるフライトモードです。

非常に役立つモードではありますが、必ずしも上手く機能するとは限らないため、フライト時には極力このモードに頼らなくても自力で帰還できる状況を維持してください。

このフライトモードをオンにした場合は、障害物に衝突することを回避するために一度設定した高度まで上昇した後、ホームポジションの上空に到達してから降下を始めます。

DJI Phantomシリーズでは、RTHモード(Return-to-Home)と呼ばれる同様の機能をもつフライトモードが用意されています。

ブレークモード(Break)

名称(APM) ブレークモード
ピッチ軸 自動速度制御
ロール軸 自動速度制御
ヨー軸 自動方位角制御
スロットル 高度保持
GPS 必要

ブレークモードはフェイルセーフ機能として利用されるフライトモードの一つで、ロイターモードと同じ制御則により、機体を出来る限り早く停止させます。このフライトモードではパイロットからの操作入力は一切受け付けないため、モードをオンにした後でコントロールを取り戻すためには、他のフライトモードを有効にする必要があります。

APMのフライトモードまとめ

APMのフライトモードは非常に種類が多く、初心者向けのものから上級者向けのものまで多種多様です。自分の操縦レベルとフライトの目的に合わせ、適切なフライトモードを選択する必要があります。

フライトモードを適切に選択するためにも、その制御方法を詳しく知っておくことは重要です。ぜひこのページの情報を参考に適切なフライトモードを選択し、素晴らしいフライトを実現してください。

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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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コメント

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