ついに浮上！推力計算って大事～3Dプリンターで自律ドローン作成（10）

今回は、ついに、ドローンを浮上させるところまで行きました。ただしまだ、手動の操作のみです。自律飛行については次回以降で取り組みます。手動でだめだと自動でも飛ばせられないので、まずはそこをめざしました。

飛行させるまでに思ったより時間がかかりましたが、私的には知見が溜まったので、有意義で勉強になりました。
最後に浮かんだ動画も載せていますので、ぜひご覧ください。

これまでの概略

前回の記事で、自律ドローン（人が操作しなくても、事前の指示通りに自分で飛ぶドローン）のモーターが回るところまでを確認しました。

今回の確認ポイントは、ドローン全体像の赤枠の部分になります。モーターの制御と、プロペラの装着、そして飛行テストです。

なかなか空中に浮かび上がらなかったドローン

モーターは回ったものの、浮かびません

モーターが回るようになったので、飛行できるようになるのは時間の問題…と思いきや、まだ壁がありました。

モーターにプロペラを接続して、アームし、スロットルを上げます。
モーター回りの設定やプロペラの向きは確認したので、大丈夫なはず…なのですが、ドローンが上昇しません。

普段室内でドローンを飛ばすときにスロットル（モーターの回転数を上げ下げする）を最大にするなんてことはしないんですが、フルスロットルにしても、浮かびません。正確には、浮かぼうと動いてはいるのですが、力不足で浮かず、よろよろと地面を這っている感じです。

ドローンを浮かばせるために必要な要素

モーターの回転数を設定で５０％にしているのではないかとか、モーターの故障を（懲りずに）疑ったりしたのですが、これらは原因ではありませんでした。

浮かばない理由は、作成したドローンの重量（140g）を浮かばせるだけの推力を出せていなかったためでした。

プロペラを通じた推力（浮かんだり進んだりする力）問題は、航空会社やNASAが研究するような壮大なテーマのようです。ちょっと調べてみようと思いましたが、付け焼刃でとても手を出せるものではなさそうでした。

推力を計算する式

それでも簡単に調べると、複数のサイトで同じ計算式が出てきました。
この式は、モーター＋プロペラ１基あたりの推力の推定方法です。

$$
T(gf)=(D/10)^3 × (P/10) × (N/1000)^2 × k
$$

この式は以下の通りと理解しました。もし違っていたらどなたか教えてください…。

• この式は、運動量理論＋経験データをまとめて使いやすくした近似式。

• 静止推力（T）は重力に対抗して空中で静止させられる力（fg）を表しているので、実際に上昇したり移動するためにはこれ以上の推力が必要。

• モーターのKV値は理論値なので、実際には半分程度と見積もった方が良い。

• 曲者は定数kで、メーカーが決めるわけでも絶対的な値があるわけではなく、経験的に求められた値。

手持ちのパーツで推力を計算してみると

いったん私の手持ちのパーツの値を式に当てはめて、どの程度の推力が出るはずか、確認してみます。

以下、計算結果は所々わかりやすく丸めています。

$$
T(gf)=(3/10)^3 × (1.8/10) × (5000/2×7.4/1000)^2 × 22 = 約36.6(gf)
$$

モーター＋プロペラ１基の推力、約36.6gfが空中で静止させられる力。ドローンはモーターを４基積んでいるので、静止推力は約146gfです。

一方、私のドローンの重さは140g。静止するのがギリギリで、浮かばないという状況とおおよそ合っているように思います。ただ、回転数を半分と見積もったりK=22という定数がどこまで正しいのか、微妙ではありますが…。

次に試してみたこと。バッテリーの電圧を上げてみた

浮かばない理由が、理屈の上でも正しい？ことがわかったので、次に推力を上げる方法を考えます。

$$
T(gf)=(\text{プロペラ直径}/10)^3× (\text{プロペラピッチ}/10)\\\\
× (\text{モーターKV}/2×\text{電圧}/1000)^2 × k
$$

ぱっと見で一番効果がありそうなのはプロペラを大きくすることです。
ただ、これ以上ドローンを大きくするのはなんかイヤでした。さらに重くなるし。機体のモデリングのやり直しも正直しんどい。

次に、モーターの回転数を上げるか電圧を上げるのはどうでしょう。モーター自体のスペックを上げるためには買い直す必要があります。同様に、電圧を上げるためにもより電圧の高いバッテリーを購入する必要があります。

あと、機体を軽くするという方法もあります。パーツの見直しや、3Dプリンターで作成した機体を、頑丈さと重さのバランスを取りながらスリム化する…。時間かかりますね。10グラム削るのもそれなりに大変そうです。

まとめると、労働するかお金で解決するかの２択になります。

ここで、モーターが回らなかったときに購入して手元に置いていた3セルバッテリーを思い出しました。今試していたバッテリーは2セルなので、試しに3セルバッテリーをドローンにつないでみます。

3セルバッテリーは3.7Vを3つ直列にしているので、電圧は7.4Vから11.1Vの1.5倍になりますが、回転数が推力に与える影響は2乗されるので、効果は2.25倍になります。

計算した推力は約328gfです。140g（ではなく160g）のドローンは浮かぶはず…！実際にバッテリーを2セルから3セルに変更した動画をご覧ください。

※2026.5.6追記：2セルから3セルにバッテリーを変更したことで、重量が約20g増加し、140gではなく160gになっています。記載漏れでしたので、追記します。

やっと自律ドローン開発のスタート地点

最初なかなか浮上できなかったお陰で、推力の考え方を調べるきっかけになったのは、収穫でした。

でも本当は、パーツ類を購入する前に計算しておくべきでした。機体本体の重さがデザインしてみないとわからなかったこともあり、深く考えてなかったのが実際のところでした。

モーターメーカーの公式ページには、2セルバッテリーにも対応しているとの記載があったので、きちんと設計すれば飛んだはずです。パーツを乗せすぎ＆機体本体重めの設計になってしまったのだと思います。

何はともあれ飛ぶようにはなったので、これから自律飛行の方に取り組んでいきたいと思います。

余談１：いろいろなプロペラを試してみました

バッテリーの変更に行き着く前に、同じサイズで形状が異なる色々なプロペラに変更して、浮かぶかどうか試してみました。プロペラの枚数やピッチで推力が変わるようなので、浮いてくれればラッキー、くらいに考えてです。プロペラは１セット数百円と安価です。

結果はどれもダメでした。静止推力の計算式の通り、ピッチが推力に与える影響は相対的に小さいようです。プロペラは、飛行音やエネルギー効率を考えて選ぶものなのかもしれません。

余談２：メーカーが推力を掲載している場合も

今回採用したモーターはHappymodel EX1204 KV5000というものです。
実はメーカーサイトに、推力に関するデータが掲載されていました。実験データがある場合はそちらを確認した方がよさそうですね。

フルスロットルのデータは下から２番目（スロットルの最小値は1000、最大値は2000なので）だと思います。推力は210.5gfになっています。
※スペック表の推力の単位はGとなっていますが、gfと同じ意味と解釈

ただこの表は電圧14.8V（4セルバッテリー）での実験結果なので、2セルにすると、電圧＝半分、推力への影響度は$${\frac{1}{4}}$$になります。公開されている推力を単純に$${\frac{1}{4}}$$にしても計算合わないですがあえて割ってみると、モーター１基あたり約50gf、４基で200gfです。対してドローンは140g。

数値だけを見るとちょっとは浮きそうなものですが、実際には浮かなかったので、やはり最低でも静止推力の２倍～３倍は確保すべきという先人の教えは正しいのだと思います。

最後に。今後の課題について

まずは自律飛行を優先させますが、今後の課題もいくつか見つかったので、見返せるようにまとめておきます。

1. 機体をもっと軽くしたい。方法は３つ

   • 機体デザインを変更して、強靭さと軽量さのバランスを追求する

   • 搭載するパーツをより小さなものに変更する

   • 機体を印刷するフィラメントを軽量PLAに変更してみる

2. ドローンを開発する前に、重量と推力をきちんと計算する

ちょっと長めの記事になってしまいました。
お付き合いくださりありがとうございます。