飛行の原理｜マルチコプターは、なぜ空中で止まっていられるんか

プロペラは空気を下へ押し出し、その反作用で上向きの推力を受ける。推力はおおよそ回転数の2乗と空気の密度に比例し、プロペラの直径が大きいほど効率よう出せる（式で書けば T = C_T × ρ × n² × D⁴。ρ は空気密度、n は回転数、D は直径）。じゃけぇ、標高が高い場所や暑い日は空気が薄うて、同じ重さを支えるのに回転を上げんといけんのよ。

ホバリングは、4枚（またはそれ以上）の推力の合計が重さ mg とちょうど釣り合った状態じゃ。クアッドなら1枚あたり mg ÷ 4。重い点検カメラや接触センサーを積むほど回転が上がり、上昇や突風に対応する余力（推力重量比の余裕）が減っていく。点検機の設計は、この余力の取り合いなんよ。

マルチコプターには舵がない。動きはすべてモーターごとの回転数の差でつくる。前のモーターを少し遅く、後ろを少し速うすると機体は前に傾き、推力の向きが前へ倒れて前進する（図の T·sinθ）。左右も同じ理屈じゃ。止まるときは、逆向きに傾けてブレーキをかけるんよ。

向きを変えるヨーは、少し事情が違う。プロペラは空気をかき回すときに、機体を逆向きに回そうとする反トルクを生む。クアッドでは対角の2枚を時計回り、残り2枚を反時計回りにして打ち消しとる。時計回りの組を速め、反時計回りの組を遅くすると、合計推力は変えずに反トルクだけが残り、機体はその場で回るんよ。

マルチコプターは、ほっといたら数秒で倒れる不安定な乗り物じゃ。それを飛ばしとるのが、フライトコントローラーの多重（カスケード）制御。外側から順に「位置→速度→姿勢→角速度」の目標を決め、一番内側の角速度ループが、ジャイロの値を見ながらモーターへの指令を出す。各段の多くは PID 制御（ずれの大きさ＝P、ずれの積み重ね＝I、ずれの変化の速さ＝D で補正）や、その一部（P だけ）を使う制御の組み合わせでできとるんよ（PX4 の例では、位置は P、速度と角速度は PID）。

内側ほど速う回すのがコツじゃ。姿勢の乱れは一瞬で大きゅうなるけぇ、角速度ループは数百回／秒以上で回し、位置のループはそれよりずっとゆっくりでええ。ミキサーは「この向きにこれだけ回したい」という指令を、各モーターの回転数に配り直す役目じゃ。チューニングが甘いと、構造物のそばの小さな乱れに過敏に揺れたり、逆に反応が遅れて流されたりするんよ。

制御は、正しい「いまの状態」があって初めて効く。けど、どのセンサーも一つでは頼りにならん。そこで、性格の違うセンサーを拡張カルマンフィルタ（EKF）などで混ぜて、位置・速度・姿勢・センサーの偏りまで同時に推定しとるんよ。

EKF は「IMU で速う予測し、ほかのセンサーでゆっくり正す」という分担をしとる。ポイントは、センサーが嘘をついとる時に、それを見抜いて外せるかじゃ。橋の下で GNSS が反射で飛んだり、鋼桁でコンパスが狂ったりしたとき、それを信じ続けると機体はまっすぐ構造物に寄っていくことがある。くわしくは非GPS環境と磁気の乱れ、次の章の測位と自律で見ようや。

風があるとき、ドローンは風上に傾いてその場に止まっとる。風が強いほど深く傾き、そのぶん推力の多くを横向きに使う。上下や旋回に回せる余力が減り、電池の減りも早うなる。メーカーが示す「最大風速」は、平らな場所で姿勢を保てる目安で、構造物まわりの乱れた風で寄って撮れる保証ではないんよ。

構造物は風を曲げ、はがし、渦にする。橋脚の裏や建物の角、風車のタワーの風下では、風向きが急に変わる「突風」が来る。機体は位置のずれを測ってから直すけぇ、必ず遅れが出る。その遅れのあいだに流される距離が、構造物との最低離隔を決めるんよ。強風・乱流も読んどいてや。

同じ風の話を、荷物を運ぶ側から見ると話が変わる。ホバリングと風が、運べる距離をどう削るかを読む（Airffic Logistics）も、比べてみると面白いよ。

ローターの近くに床や天井、壁があると、空気の流れが変わって推力も変わる。点検は構造物に寄るのが仕事じゃけぇ、これは避けて通れん話なんよ。

マルチコプターは、浮いとるだけで電力を使い続ける。ホバリングに要る電力は重さが増えるとそれ以上に増えるけぇ、電池を足すと、その電池を持ち上げる電力も増えるというジレンマがある。リチウム系電池のエネルギー密度は燃料よりずっと低く、一般的な点検用マルチコプターの飛行時間は数十分程度にとどまるんよ。

• 寒さ：低温では電池の出せる電力が落ち、急に電圧が下がる。離陸前に温めておく。低温・着氷
• 風と重さ：強風・重いペイロード・頻繁な上昇は、表示より早う電池を減らす。
• 帰り道の分：GNSS が弱い場所や構造物の奥では、帰還に時間がかかる。残量の閾値は「帰れる量」で決める。
• 電池の寿命：充放電の回数や保管状態で容量が落ちる。電池ごとに記録を取る。

点検に連れて行く機体を決める前に、ペイロードと電池で何分浮けるかを数字で見ときたいなら、機体の重さと電池から滞空時間を試算する（Airffic Architect、英語）で試せるよ。出てくるのは係数モデルの見積もりで、推力台で測った値じゃないけぇ、そこは混ぜんといてな。

固定翼機は、前に進む速さで翼に揚力を生む（揚力 = ½ × 空気密度 × 速度² × 翼面積 × 揚力係数）。浮くために回転翼を回し続ける必要がないけぇ、同じ電池でずっと遠くまで飛べる。パイプライン、送電線、鉄道、河川堤防のような何十kmも続く線状の設備には向いとる。ただ、止まって近寄ることはできん。

長い線を飛ぶには、操縦者の目の届かん所まで飛ぶ目視外飛行（BVLOS）がほぼ前提になる。機体の性能より、空域の調整と運航の仕組みのほうが壁になりやすいんよ。その話は遠隔・目視外の運用で続けようや。