クアッドプレーンに挑戦（2）初飛行までの準備とVTOL初飛行

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前回に引き続き、1/3三田式3型改1製作記の著者である河上 宣道さんに、クアッドプレーン製作の様子を解説していただきます。今回は、特に初飛行へ向けた準備とVTOL形態での初飛行に関する解説です。機体の製作やクアッドプレーン用のフライトモードについて解説した前回の記事を始めとする、連載「クアッドプレーン製作記」の記事は、以下のリンクから読むことができます。

Arming不調多発とその対策

機器の配線が完了したので調整を進めるべく電源を入れてArmingしようとしても、Warningが頻繁に発生して前に進めなくなりました。Warningは次のようなものです。

尚、②のxy diff nnn>100のnnnは100より大きな数値でその時に応じて値が変わります。通常①が先に現れます。マニュアルを確認するとPre-Arm Safety Checksのタイトルの個所に、

と、記されています。そこで次の実験を行いました。

実験による挙動確認

まず①の状況を確認するために室内でシステムを立ち上げてみました。当然GPSは衛星を受信できませんので①のメッセージが出されます。続いて②のWarningも何回も発出されます。しかし機体を庭先に出してGPSの受信状況を見ていると徐々に受信衛星の数が増えて、5個か6個の衛星を受信すると次のメッセージが出て①のメッセージは出なくなりました。

ArduPilotのAHRS（Attitude and Heading Reference System: 姿勢方位基準装置）はFCU内蔵のIMU（Inertial Measument Unit：慣性計測ユニット）と、内部もしくは外部の磁気コンパスおよびGPS情報から、機体の姿勢と方位をカルマンフィルターEKF3を使って最適精度で推測計算します。そのため、GPSが十分な精度で受信できて始めてAHRS情報が得られます。

マニュアルによるとEKF3が機能するにはGPSの水平面内誤差（HDOP）が2m以下である必要があるようです。Mission PlannerでHDOPと受信衛星数を表示させて監視していると、衛星数が5乃至6個になるとHDOPが2を下回って上のメッセージが発せられます。EKF3が起動したことを意味し、AHRSの計算も行われたことから①のWarningが消えたことと理解されます。

しかし②のWarningはまだ続きます。コンパス較正をやり直しても状況は変わりません。ところが胴体左上面に貼り付けていたGPS/コンパスが偶々外れて垂れ下がった状態になった時にそのWarningも消えてArming準備完了となりました。当初「GPS/コンパスはこのように貼り付けてありました。

5つあるESCに電力を送るケーブルが作る電界から遠ざけるためにやむを得ずこのような位置に設置したのですが、未だ近すぎて干渉を起こしている可能性を否定できません。それが外れて機体の下に垂れ下がったことで干渉が減ったものと推測しました。

GPS/コンパス搭載ポストの新設

そこでこのようなポストを新設してGPS/コンパスを装着しました。尚、背中にしょっているのはXbee通信装置です。

この状態で庭先で実験を行いましたがAHRSがEKF3で正しく機能しても②のWarningが出されます。マニュアルでは周辺の金属の影響を述べて、受信衛星数のことは記されていませんが、その影響を確認すべくそのまま待ちました。団地内の庭先は周辺に住宅が密集しているために、受信衛星数は8個から中々増えません。辛抱強く待っていると10個から11個になって、HDOPが1m以下になったところで②のWarningが出なくなりArmingが可能になりました。周辺金属の問題だけでは無いようです。後日、もう少し開けた場所で再度実験したら電源ON後直ちに衛星受信数が10個以上になってArmingが可能になりました。これでPreArmのWarning問題も解決できました。

クアッドプレーンは多数のモーターへの電力ラインが機内を走るので、GPS/コンパスへの干渉を避ける工夫が殊更重要であることが判りました。

制御機能の確認

アーミングが問題なく行えるようになったので最初に地上で制御機能の確認を行いました。確認事項は次の3通りです。

1. VTOLモードでの安定化機能の確認

機体が前後左右に傾いた時に正しい方向に復元モーメントが発生することの確認です。クラブ仲間のパイロットSさんに写真のように機体を頭上に持ち上げて貰って実行しました。この状態でQSTABILIZEモードでプロペラを回転させ、機体を傾けて安定化方向のモーメントが発生することを確認しました。

その結果ピッチ、ロール共に正しく安定化方向にモーメントが発生していることが確認できましたが、ヨー方向は発生モーメントが少なく良く判らないとのことでした。

2. ホバーモード時のクアッドモーターの回転の立ち上がり方

ホバーモードに入れた時、クアッドモーターはどのように回転を立ち上げるのが正常なのか私には知識がありません。そこで恐らくクアッドコプターのそれと類似であると予想してSygnusToriさん所有のクアッドコプターでモーターの立ち上がり方を実演して貰いました。それは次のようになります。

3. ホバーから前進飛行への遷移時の推進モーターの挙動

マニュアルによるとホバリング状態から前進飛行に入れるにはフライトモードをFBWAモードに切り替えるように記されています。しかし、ホバリング状態ではスロットル位置が50%付近に在りますので、モード切替と共に推進モーターもいきなり50%で回転することになり、急加速が懸念されます。そのことが気になっていたので①と同じ状態で試験しました。

結果はやはりフライトモード切替と同時に推進モーターは中スロットルで回転を始めることが判りました。しかし、考えてみると飛行機を離陸させるときはかなり急激にスロットルを上げるのが普通なので、実用上は余り問題が無いであろうと納得できました。更にマニュアルを再確認すると、「遷移飛行中にスロットルを下げると機体は高度を維持したまま飛行速度が下がり、スロットルをゼロにすると前進モーターが止まってホバリングする」と、記されていますので、ゆっくり前進させたいときはモード切替後ただちにスロットルを下げれば良いことが判りました。

上記③についてスロットル位置（RCIN.C3 緑）とクアッドモーター（RCOU.C5～RCOU.C8）及び推進モーター（RCOU.C1 茶色）の回転状況を試験のログデータで確認しました。

グラフから次のことが判ります。

4の推進モーターの挙動を見ると立ち上がりに傾斜があることが判ります。モード切替による急加速を恐れていましたが、その心配は不要のようです。他にこのデータで気になることは次の3点です。

これらの事象が異常なのか正常なのか考える必要があります。

最初のVTOL飛行へ向けての準備

制御機能の確認が済んだところで最初のVTOL飛行に向けて準備すべく、マニュアルを読み込んだところ色々な較正作業とパラメタ設定が必要なことが判明しました。一つづつ順番に対処することにしました。

①ESCの較正

マニュアルにはクアッドモーター制御用ESCの較正をするように記されています。これは送信機のスロットルが出す約1000μs～2000μsのPWM信号の最小/最大範囲にモーター制御をマッチさせるためです。較正手順は次のように書かれています。

ところがこの手順に従ってESC較正を行ったのですが、何度やっても8の段階のビープ音が聞こえません。諦めて次に進むことにしました。

②クアッドモーター制御用最低/最大PWM値の設定

ArduPlaneではクアッドモーターの最小/最大制御範囲のPWMをそれぞれQ_M_PWM_MINとQ_M_PWM_MAXで指定しています。そして前者はモーターが回転を始める値より20μs小さく、後者はESCの説明書に書いてある最大値に設定するように記されています。

そこで、使用しているDJI430LiteESCの説明書を見て驚きました。なんとPWMレンジではなくSignal Frequencyとして30～450Hzと記されています。PWMレンジに換算すると2222～33333μsになります。まるで範囲が異なります。そこで色々情報を集めたところ、ArduPilotのユーザーコミュニティの情報交換サイトで次の文言を見つけました。

You should have no issues with DJI ESCs and Ardupilot, I have used then extensively, you just need to be aware that DJI ESCs are not calibratable so just set your RC pwm range from 1000 to 2000 and you will be fine.

DJI 430 Lite ESCより引用

"I have used then extensively"は"I have used them extensively"の誤記と思われますが、これで、①のESC較正ができなかったことも異常ではないことが判りました。この文章に従って、

と設定しました。

➂スロットルカーブの較正

クアッドモーターの推力はスロットルスティックに比例することが望まれますが、4つのモーターが回ると大量電流が必要になるために電源の電圧降下が起きて比例しなくなります。それを補正する手順です。パラメタを次のようにセットします。

電源容量が関与しないのは不思議ですがマニュアル通りに設定しました。

クアッドモーターのSPIN設定

クアッドモーターのSPIN（回転）に関する次の3つのパラメタを設定します。マニュアルにはデフォルト値と共に次のように記されています。

Q_M_SPIN_ARMの意味が今一つ判らなかったのですが、先のクアッドコプターのArming実演から考えて、Armした時にクアッドモーターが略推力ゼロで回転する状態にセットするパラメタと解釈しました。そこでQ_M_SPIN_ARMの値をデフォルトの0.10から0.01刻みで少しづつ上げて試験しました。その結果、Q_M_SPIN_ARM=0.15にするとArmした時にクアッドモーターが回り出しました。それより少しスロットルを上げると機体が動きそうになるのでQ_M_SPIN_MIN=0.17としました。

又、ホバリングに必要な推力の発生位置であるQ_M_THST_HOVERをデフォルトの0.35からマニュアル指示の0.25に変えました。

➄PID制御パラメタの初期値設定

マニュアルに従ってPID制御に関わる下記のパラメタの初期値を設定しました。

最初のフライトの手順

最初のフライトは次の点を確認し、手順に沿って行います。

最初の飛行時には、次のパラメタが指定値にセットされていることを確認します。

また、以下の点にも注意します。

初飛行の手順

以上が初飛行前の準備と初飛行手順です。

初めてのVTOL飛行

いよいよ初めてのVTOL飛行です。姿勢安定のみのQSTABILIZEモードで前進用のプロペラを外した状態でVTOL飛行を行いました。次の3回の浮揚試験になりました。

尚この時の試験の様子は私のブログでご覧になれます。

参考クアッドプレーンに挑戦　その12　初めてのVTOL飛行に成功！ – 1/3三田式3型改1製作記

データ解析

試験結果をSDカードに記録されたデータで分析しました。

ア）飛行時の高度/旋回/振動

3回の飛行時の対地高度（紺）、旋回（オレンジ）、振動（上下加速度 緑）です。

初回浮揚では2旋転程回転しているが2回目は殆ど旋転しないこと、3回目は操縦桿の操作で旋転していることが判ります。また、2回目に大きかった上下加速度の振動が3回目には少なくなったことも明らかです。

イ）ピッチ制御特性

3回目の浮揚時に行ったピッチ操作（オレンジ）に対する機体の応答（グリーン）です。良好に応答していることが判ります。紺は対地高度です。

ウ）ロール制御特性

同じ3回目の浮揚時に行ったロール操作（オレンジ）に対する機体の応答（グリーン）です。ロール方向は慣性が大きいので大分オーバーシュートしていることが判ります。

エ）ヨー制御特性

同じくヨーの制御特性です。概ね良好な制御特性であることが判ります。

オ）電流データが採れないことが判明

クアッドモーターを回した時にどのくらいの電流が流れ、電圧降下がどの程度生じているのか確認したくバッテリー情報を読みだして驚きました。電流データ（オレンジ）が異常に少ないのです。

考えてみると当然です。先に記したようにクアッドモーターへの電力ラインは、FCUのプリント基板から取るのを嫌ってLiPoの出口に直接繋いでいます。従ってFCUに組み込まれた電流センサーはFCU内の電流しか感知していません。これは私の配線ミスです。配線をやり直すのは大変な上に余り実害はないのでこのままでいくことにしました。

尚、この試験中に脚が壊れてしまったので取り外しました。クアッドプレーンは地上運転中の脚にかかる振動荷重が通常の機体より大きいようです。

脚をスキッドに変更

後日壊れた脚に替えてスキッドを製作して交換しました。

取付個所はクアッドモーターを支えるカーボンパイプです。胴体に取り付けたこれまでの主脚より幅が広がって安定性が増しました。スキッド本体は取付金具と2本のネジで留めましたので壊れたときに交換可能です。

次回：ホバリングとロール運動を中心とするチューニング

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今回は河上 宣道さんにクアッドプレーン製作の中でも初飛行に関連する作業を中心にご紹介いただきました。次回は、初飛行の結果を受けて実施されたチューニングについて、特にホバリングトロール運動を中心にご紹介頂く予定です。お楽しみに！