チビドローン開発#11 ～モーターのパワーを測定した結果…！？

チビドローンを開発しています。最終目標は、ドローンの頭脳にあたる「フライトコントローラー」を自作することです。既製品ではなく、汎用のマイコンで、小さなドローンを飛ばしてみたいと思っています。

前回は、ドローンの重要パーツであるモーターを制御するための、超小型のモータードライバの作成記録でした。何度かやり直した結果、4つで合計0.32gと、軽量のモータードライバーを作成することができました。

これでドローンを飛行させるための準備はできたので、次に、3Dプリンターで機体フレームを作るための設計に入ります。
…予定だったのですが、注文していた予備のモーターが届いたため、まずは、このモーターのパワー（推力）の測定試験を実施することにしました。

以前別のドローンを開発した際に、モーターの推力不足（この時はバッテリーの電圧が足りなかった）でドローンが浮上できずに悩んだので、今回は懸念を先に払拭しておきたかったんです。

↓以前の顛末

どうやってモーターの推力を測定するか

測定方法

量りの上でプロペラを取り付けたモーターを回転させます。

プロペラを下向きに取り付け、量りを押す方向に推力を発生させます。こうすることで、どの程度の重さのものを浮かばせられるかという推力を、量りのメモリで計測できます。

ドローンはホバリングするだけなら重量と同じ推力でも浮きますが、安定して飛んだり上昇したりするためには余裕がいります。なので用途にもよりますが、一般的には、機体重量の2倍程度の最大推力が必要とされます。

開発中のドローンは重さ30g未満を目指しています。

なので今回の場合、60gf（グラムフォース）が必要です。ただしモーターは４つあるので、モーター１つあたり15gfの推力があれば合格とします。

測定するモーターの種類

大小２つのモーターを測定しました。

小さい方のモーターで十分な推力がでれば、そちらを採用したいです。
というか、大きい方のモーターでは、目標の重量をオーバーするんじゃないかと思っています。

ちなみにコアレスモーターは「716」のような数字でサイズを表すことが多く、716は直径7mm・長さ16mm、612は直径6mm・長さ12mmを意味します。

以下のスペックは、購入サイト（Aliexpress）の表記です。
ノーブランドのモーターです（結果、これがまずかった…のかも）。

$$
\begin{array} {l|r|r}  & 716 motor & 612 motor
\\ \hline 重量×4 & 13g & 5.2g
\\ \hline 直径 & 7mm & 6mm
\\ \hline 高さ & 16mm & 12mm
\\ \hline 回転速度 & 50,000RPM & 60,000RPM
\\ \hline \end{array}
$$

モーターを制御するスマホアプリ

モーターの推力の変化の様子を確認したかったので、モーターを制御する簡易アプリを作りました。

まず、箇条書きで要件を書き、設計書を生成AI（Copilot）で作ります。

調子にのって高性能モデルで生成したら、数分でクレジットがなくなりました（無料版なので）。やることがなくなり肩透かしを食ったので、この日はガス人間を見て寝ました。

翌日、出来上がっていた設計書を元に、クレジット消費を抑えるため、廉価版モデルでコードを生成しました。これもすぐできました。
日数的には１日強かかりましたが、アプリ開発の所要時間はデバッグ含めて30分でした。

モーターを逆さに取り付ける試験台

3Dプリンターでパーツを作成しました。
上部の飛び込み台みたいなところの下にある丸い筒に、モーターを逆さまにはめ込みます。

これが試験環境です。
バッテリー、マイコン、モータードライバ、そして今回作成した試験台にモーターとプロペラを取り付け、量りに載せます。

当然、全部載せした状態で、メモリを0gに合わせます。

実験の様子

プロペラの回転状況で重さは常に変化しているので、以下の数値は写真撮影の瞬間の参考値です。

612モーター（パワー50%）　→　1.68g

612モーター（パワー100%）　→　3.18g

…ん？

716モーター（パワー50%）　→　2.96g

716モーター（パワー100%）　→　6.43g

あれ？

実験結果のまとめ

モーター一つあたりの必要推力15gfに対し、
フルパワーで、716モーターは6.43gf、612モーターは3.18gf。

716モーターを4個使っても合計推力は約26gfでした。
目標としている60gfには大きく届かず、このままではチビドローンは飛べないことがわかりました。

より力のあるモーターを求めて

バッテリーのスペック？

私が色々調べた限りでは、同サイズのモーターを使って、同程度の重量のドローンを飛ばしている事例はそれなりにありました。

利用しているバッテリーは、力強くモーターを回すのに必要なCレート（放電のスピード）が45Cという大きめのものなので、バッテリーパワーもスペック上は問題ないはず。

これなんですが…

モーターのスペック？

なので、モーターがスペック通りではないんじゃないかと疑っています。
ということで、再度コアレスモーターの選定に入ります。
チャッピーがいうには、中国のGuangdong CHAOLI MOTORというメーカーが最大手で実績豊富、らしいです。

ただAliexpressでは取り扱いが少なく、Alibabaでは、500～1000個単位での取引になるようです。仕事じゃないしねぇ～。
ブラシレスの時代にあえてブラシモーターを使おうとするのが良くないんでしょうか…。

おっと、愚痴っぽくなりましたが、絶対に飛ばしたいので、粘り強くパーツ選定をしたいと思います。幸い、チビドローンなので、パーツが小さく、お値段も相対的に優しめなので、その点はよかったです。

その他の要因？

また、チャッピーが、バッテリー抵抗、モータードライバの損失、電流や回転数なども測定して、本当にモーターが原因なのか切り分けた方が良いとおっしゃっています。
ごもっともだと思ったので、そちらの確認もこれから行っていきます。

思ったよりも開発に時間がかかりますね～（でも楽しい）。

おまけ

最後に、設計中の機体フレームの図を載せて終わりにします。
すぐに壊れたりパーツがはまらなかったり、まだ全然ダメなんですけど。