- 3Dプリンターで製作したVTOLドローンが、1回の充電で130マイル（約210km）、3時間の飛行に成功し、世界で最も長い飛行距離と滞空時間を持つ3DプリントVTOLの1つとなった
- CAD、3Dプリンティング、空力設計の経験がまったくない状態から開始し、わずか90日で独力で設計、出力、組み立て、飛行まで完成させた
- Bambu A1 3Dプリンターとfoaming PLA素材を初めて活用し、さまざまなパラメータ調整や素材品質の改善、部品調達、電力損失のトラブルシューティングなど数多くの試行錯誤を重ねた
- プロジェクトの設計・ビルド過程の詳細は 動画編集と作業量の問題ですべては公開できておらず、要望があればさらに詳しいノウハウを共有する予定
- リード・ホフマンら 業界インフルエンサーによる引用ツイートで大きな話題を集め、個人向けeVTOL開発に挑戦する過程で非常に意義深い経験となった
プロジェクト概要と動機
- 3Dプリンターで自ら設計・出力した VTOL（垂直離着陸）ドローンが、1回の充電で130マイル、3時間の連続飛行に成功
- それまではCAD、3Dプリンティング、空力解析などの関連経験がまったくない完全な初心者の状態で挑戦
- わずか90日で設計、部品調達、組み立て、飛行までの全工程を独力で完遂した
試行錯誤と成長の過程
- Bambu A1 3Dプリンター、foaming PLA素材の使用など、ほとんどのツールと材料が今回のプロジェクトで初使用だった
- CADの力量も 基本的なスケッチと単純な押し出ししかできなかったレベルから、VTOL機体の設計と空力シミュレーションまで自力で習得していった
- 部品調達、出力品質の改善、電力損失のトラブルシューティングなど、各段階で数多くの難題に直面しながら実践的なノウハウを身につけた
未公開の詳細な設計・製作プロセス
- 動画編集およびコンテンツ量の問題により、機体設計パラメータの選定、エアフレームのCAD設計、部品調達、出力品質向上、電力損失分析などの深いプロセスまではすべて扱えなかった
- 希望があれば追加の設計・製作ノウハウを共有する意思がある
コミュニティの反応と今後の目標
- リード・ホフマンが「昔は兄弟と自転車工場が必要だったが、今は正しいツールチェーンさえあればいい」と引用ツイートするなど、業界およびコミュニティで大きな注目を集めた
- 本人は今回の経験をもとに、個人向けeVTOL機体の開発に継続して挑戦していく予定
- 非専門家でも3Dプリンターとオープンソースの知識、実験精神さえあれば先端ドローン／航空機の開発が可能な時代であることを証明
3件のコメント
うーん、自分のBambuプリンターはボードゲーム用コンポーネントしか印刷していないんだけど……
foaming PLA は、Bambuでは PLA Aero という名前が付けられた特殊フィラメントです。
内部に気泡ができることで、低密度化・軽量化が可能です。同じ体積で約50%の重さ
わあ……90日間閉じ込めたら武器まで出てきそうですね（笑）
Hacker Newsのコメント
foamフレーム設計との比較が気になる。カスタマイズ性や、3Dプリント部品の非ソリッドな充填構造には明らかな利点がある。剛性の面では、3Dプリントフレームはクアッドコプターではカーボンファイバーほど有効ではないが、固定翼ではフォームの代替としてかなり有力な選択肢に見える。クアッドでは剛性の問題が最大化されるが、この機体のように単純な離陸と着陸だけならそれほど重要ではない（高性能ドローンのような極端な加速や機動でなければ）。試してみたいなら、使っている部品はたぶん全部Amazonなどで買える一般的な中国製COTSだ。ファームウェアとして使っているArduPilotは柔軟性と安定性の面で素晴らしいが、設定時のUXは最悪に近い。商用UASの多くは、ほぼ例外なくPX4を使っている
自分はsingle wall foaming PLAを使ったが、耐衝撃性も弱く、明らかにもろさが大きい。最も安価なフォームコア、EPP、EPOよりも弱い。実際、衝突や回収時に問題になった。以前作った最初のVTOLはfoamcore Readyboardで作ったが、12フィートの高さからアスファルトに落としても単なる圧縮だけで済み、交換もしなかった。次にプリントで作るなら、dovetailやクリップを追加して耐久性を補強するつもりだ。アビオニクスや推進部品は迅速な調達のためにCOTSを使っている。Ampriusバッテリーは米国製だが、残りはすべて中国製だ。商用でのArdupilot利用も徐々に増えているが、UXが難解なのは確かだ
PLA素材は重量もあり、もろさも大きいので、ドローン飛行にはフォームよりずっと劣る選択だ。少し強めの着陸でも部品が簡単に折れる。機体が重くなると飛行性能も悪くなる。それでも利点は、壊れた部品をすぐ再プリントできることだ。それだけでPLAに価値を感じるほどだ。ABSは耐久性が高く、より軽いが、フォームに比べればまだ重い。またABSのプリントには難しさもある
商用システムでは、メーカーが統合作業と完成度を高めたものを提供するので、設定UXが不親切でも大きな問題ではない。商用UASの多くがPX4を使う主な理由は、ライセンスと保守方針の違いだ。ArduPilotはGPLv3でコミュニティやホビー向きだが、PX4はBSDだ。商用メーカーは、自社独自のカスタマイズソースコードを公開するのを避けたがる（大したものでなくても、公開自体を嫌がる）
Amprius SA08のような最新のバッテリーセルが使われているのには驚いた。バッテリーパックの価格は1300ドル程度だが、Batemo Cell Explorerにある通り、現在の市場では重量当たりのエネルギー密度が最も高い
自分は200エーカーの土地でドローンによるマッピング任務飛行をしている。現在はdronelinkとDJIドローンで運用中。合計でおよそ3時間かかり、バッテリー1本あたり35分ほど飛べる。バッテリーは4本あるが、連続運用するには消費速度に見合うだけ充電しなければならない（4連充電器を使っても充電が追いつかない）。もし広い地域を飛行しながら連続撮影してくれる固定翼ドローンがあるなら大歓迎だ。ただ、自作やプログラミングはオフ・ザ・シェルフのDJIドローンを使うよりはるかに複雑そうだ。それに地形の起伏も大きく、近隣空域にも入れないので旋回も簡単ではない。著者や経験者に、この任務で固定翼機が価値のある選択なのか、それとも単にクアッドコプター用バッテリーをもっと買う方が経済的なのか、助言がほしい
とても良い質問だ！ 3時間連続飛行できる5000ドル以下のVTOL市販機は特にない。DJIほど簡単に使えるものを見つけるのも難しい。DIYに挑戦する意欲があり、ArdupilotやPX4（こちらの方が簡単だ）の使い方を学ぶ覚悟があるなら、Heewing T2 VTOLのようなキットを組んでみることはできる。ただ、同様の高エネルギー密度バッテリーを使っても、2時間以上の飛行は難しそうだ
1機で全部やろうとせず、むしろドローン10機を同時に飛ばして、並行作業と同時充電を勧める
200エーカーなら、4時間ではなく飛行高度120m、オーバーラップ75-65%基準で20〜25分あればカバーできる。Mavic 3なら3.5cm/pxのGSDも出せる。飛行オーバーラップと高度の最適化に注力することを勧める
eBee X 固定翼ドローンがあなたの用途に合っていそうだ
時間に余裕があるなら、FPVドローン自作の世界に入門できる。フレーム、モーター、ESC、コントローラーなど、すべて自分で交換可能だ。DJIよりはるかに多くのコントロール性と満足感が得られる。ただし、時間投資と費用対効果はよく考える必要がある
クアッドコプターのモーター4基を活用して、ヨー／ピッチ／ロールをすべてコントロールサーフェスなしで実現できるのか気になる。不要なサーボを外して軽量化すれば、追加のバッテリー消費を相殺できるのではないかと興味がある
良い質問だ。巡航段階でリフティングモーターを回し続けるのは、燃費の面で不利だ。巡航モーターがCG基準で翼端に複数あるなら、差動推力でロールを誘導する方法はあるが、効率の問題であまり使われない。サーボの重量は機体全体の中ではごく小さい比率だ
ヨー制御はどうするのか気になる
このプロジェクトは本当に見事だ。プロジェクトに必要な知識やスキルはどうやって身につけ始めたのか、またどの点で新しい学習が必要だったのか気になる。Ardupilotをどの程度カスタマイズしたのか、ドローンの制御方式が独特なのかも知りたい
ありがとう！ ホバリング、遷移、巡航飛行はすべて標準のArdupilot制御を使っている。ファームウェアはパラメータとチューニングだけをカスタマイズした
Ardupilotは本当に成熟したソフトウェアだ。ウクライナから出てくる多くのドローン映像のHUDも、ほぼArdupilotベースだ。できると思うことの大半はサポートされている。飛行機、ヘリコプター、VTOL、スピードボート、ヨットまで可能だ
特別なカスタマイズなしで、Ardupilot標準のままVTOLは可能そうだ
アマチュアが作ったとは信じがたいほど印象的だ。垂直飛行用と水平飛行用のモーターを分ければ設計は単純になるが、水平飛行時に垂直モーターが大きなドラッグを生むという非効率の問題がある。大きければ問題になるかもしれないが、逆にモーターを回転させるようにすると重量が増えて、かえって航続距離が縮みそうだ
実はこの構成の非効率はそれほど大きくない。巡航用モーターとプロペラを最適にsizingできるので、無視できない効率向上がある。ティルトローター／ウィング／ボディ方式では、巡航モーターがリフトも兼ねる必要があるため、巡航時にモーターが最適rpmにならない。ホバリングは巡航に比べて4〜7倍の電力を消費するので、この場合モーターは最適でない領域で動作する。ArcherのCTO Munozもこうした点を公に言及したことがある
Wingでもすでにほぼ同じ設計を使っている。分析とシミュレーションにより、コスト、航続距離、複雑性、安全性など多方面で最適化されていると推測される
[Wing Aviationの設計を参照](https://en.wikipedia.org/wiki/Wing_Aviation#/media/File:Wing_delivery_Vuosaari_3.jpg)
DIYティルトローターVTOL設計は本当に多様だ。参考までに HackadayのティルトローターVTOL事例 を共有する
ティルトローター機構を追加するのは、このプロジェクトの規模と目的では、複雑性と重量増に見合う価値が少ない。別モーター／別プロペラによる重量増とドラッグ増があるのはその通りだ
宣伝になってしまうが、Aliptera は4モーターすべてをティルトローターにし、独特な翼構造を組み合わせて、垂直飛行モードで翼自体もリフトを生む。モーターをさらに小さくできるので、水平飛行時の効率も向上する
本当にすばらしい。多くの人が、自分で好きなものを作るインスピレーションを得られたらいいと思う。「とにかくやればいいし、学べる」。許可も、授業も、学位も、指導教員も要らない
「100年前、飛行の先駆者になるには兄弟が必要で、自転車店を持っていなければならなかった。今では正しいツールチェーンさえあればいい」という一文が印象的だ。想像から現実へというループは、すでに実現手段が存在するカテゴリで最も速く回る
本当に印象的だ。マルチモーター設計で、コントロールサーフェスがどれほど重要なのか気になる
以前からものづくりには興味があったが、まだ挑戦できていない。詳細な製作プランや初心者向けチュートリアルがあればいいのにと思う。プロジェクトに寄付したり、Patreonに参加したりする気もある