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HNに表示: 3DプリントのVTOLドローンを作りました

349日前原文(tsungxu.com)

概要

  • 130マイル の航続距離を持つ VTOLドローン を 90日間 で開発
  • 3時間 の連続飛行が可能な 3DプリントVTOL として世界トップクラス
  • 開発者は CADや3Dプリント、空力設計の初心者 からスタート
  • 設計・製作過程や課題 については動画では詳細未公開
  • 主要スペック や 使用部品 も公開

130マイル航続VTOLドローン開発ストーリー

  • 90日間 で開発した130マイル対応の VTOLドローン
  • 1回の充電 で最大 3時間 の連続飛行が可能
  • 世界最長クラスの 3DプリントVTOL としての自負
  • 開発者自身 が最も誇りに思う成果物
  • プロジェクト開始時点での スキルレベル
    • CAD、3Dプリント、空力設計 は全て初心者
    • 過去に作成・飛行したVTOLはわずか1台
    • CADスキル は基本的なスケッチの押し出しのみ
    • Bambu A1 3Dプリンター の使用歴は1ヶ月
    • 発泡PLA の3Dプリント未経験
    • 空力シミュレーションツール （揚抗比、安定曲線等）未使用
  • 動画制作 も初挑戦
    • YouTube動画 の編集に多大な労力を要した
    • 音声解説や映像編集 により、当初予定より動画が短縮
  • 未公開の課題や工夫
    • 設計パラメータ選定 や エアフレームCAD設計学習
    • 部品調達 や 発泡PLAプリント品質向上
    • 電力損失のトラブルシュート
    • その他多数の開発上の課題
  • 詳細な設計・製作プロセス の情報提供も検討中

開発機体の主要スペック

  • 全幅 ：3.9フィート（1200mm）
  • 全長 ：2.5フィート（770mm）
  • 重量 ：5.6ポンド（2.55kg）
  • 機体構造 ：
    • 発泡PLA（Bambu PLA-Aero） と PETG構造部品 をA1プリンターでプリント
    • CFRP（カーボンファイバー強化プラスチック） 製ブーム・スパー
  • バッテリー ：
    • Li-ionシリコンアノード Amprius SA08セル
    • 6s2pパック （Upgrade Energy製）
  • モーター ：
    • 2807 AOS （リフト用・巡航用、最適化前）
  • ESC（スピードコントローラー） ：
    • リフト用： Holybro Tekko32 F4 45A 4in1
    • 巡航用： Flycolor Raptor 5 45A
  • プロペラ ：
    • 7042 Gemfan （リフト・巡航共用、最適化前）
  • フライトコントローラー ：
    • Speedybee F405 Wing
  • GPS ：
    • M10
  • ファームウェア ：
    • Ardupilot 4.6.0

プロジェクトの反響と感想

  • Reid Hoffman がX（旧Twitter）で動画を引用ツイート
    • 「100年前は兄弟と自転車工房が必要だったが、今は 適切なツールチェーン があれば個人でも飛行のパイオニアになれる」
  • 開発者自身の謙虚な感想
    • 歴史的な発明家たちと比較され、 非常に光栄 であるとのコメント

今後について

  • 設計・製作プロセスの詳細 や 技術的課題 の解説希望があればコメントを歓迎
  • より 詳細な解説動画 や 記事化 も検討

Hackerたちの意見

アマチュアにしてはすごい成果だね。縦と横の飛行用に別々のモーターを使ってるから、設計は簡単になるけど、横飛行のときに縦のモーターが結構な抵抗を生むんだよね。大したことじゃないかもしれないけど、どうかな。モーターを回転させると確実に重くなるから、航続距離が減っちゃうよね。

└

この場合、ティルトローター機構を追加するのは、複雑さと重さを考えるとあまり得策じゃないね。別々のモーターとプロペラによる重さと抵抗の増加については、君の言う通りだね。

└

実際にはそんなにひどい非効率じゃないよ。この構成だと、巡航用のモーターとプロペラが巡航に最適なサイズになってるから、推進モーターの効率とプロペラの効率の両方に大きなメリットがあるんだ。ティルトローターや翼、ボディの構成だと、巡航モーターが揚力モーターとしても働かなきゃいけないからね。ホバリングには巡航の4〜7倍のパワーが必要だから、モーターが最適なスロットル/RPM帯にないのがわかるよ。このことについて、アーチャーのCTOであるムニョスも公に言ってた。

└

それに、重量（と抵抗）のペナルティは約5%だよ。ティルト用のアクチュエーターやサブアセンブリもタダじゃないからね。電動モーターの特定出力が今世紀に入ってから急速に増加しているから、これがペナルティの最大値になるだろうね。

└

Wingがすでに使ってるデザインにすごく似てるね。今使ってるものに決める前に、コストや航続距離、複雑さ、安全性などのトレードオフをかなり分析したんだろうな。

└

ちょっと宣伝させてね： https://aliptera.com/ すべてのモーターにティルトローターがあって、さらに一工夫。翼の形が垂直モードでの揚力を増やすから、より小さいモーターでも使えるし、水平モードでも効率的なんだ。

すごいね！ドローンの自重に加えて、どれくらいのペイロードを持てるか試してみた？

└

ありがとう、まだ試してないよ！でも、このビルドのバッテリー質量比が53%だから、ペイロードを含めたいならVTOLの重量の約30%がバッテリーっていうのが目安だね。だから、もっと小さい6Sバッテリーを使うこともできるし、もう少し0.5ポンドくらい追加しても問題ないと思う。揚力モーターはだいたい45%のスロットルでホバリングしてるから、バッテリー質量比を減らさずにペイロードを増やす余裕はあるよ。

フォームフレームのデザインと比べてどうなのか気になるな。カスタマイズできるのは明らかに大きな利点だし、3Dプリントされたパーツの非固体充填もそうだね。剛性に関しては、3Dプリントのフレームはカーボンファイバーと比べてクワッドコプターにはあまり向いてないと思うけど、固定翼にはフォームの良い代替品になりそうだね。剛性の問題は、主に高性能なマニューバを行うときにクワッドで出てくるけど、このデバイスの離着陸モードではあまり関係ないと思う。（例えば、レーシングスタイルのドローンの高加速やマニューバ）もし誰か試したいなら、彼が使ってるパーツは全部アマゾンとかで買える標準の中国製のCOTSだよ。彼が使ってるArduPilotのファームウェアは非常に柔軟で頑丈だけど、設定が本当に最悪なUXだった。商業用UASはほとんどPX4を使ってるね。

└

俺はシングルウォールの発泡PLAを使ったけど、これはどんなフォームよりも衝撃に弱くて脆いんだ。安いフォームコアや特にEPPやEPOと比べてもね。クラッシュして再構築するのが大変だったよ。でも、俺の最初で唯一のVTOLビルドはフォームコアのレディボードで、アスファルトに12フィート落ちても胴体が少し圧縮しただけで、全然壊れなかった。交換したことないよ。もし次に印刷したビルドをするなら、印刷した部分にダブテールやクリップを追加するかな。はい、アビオニクスや推進部品はスピードのためにCOTSだし、Ampriusのパックはアメリカ製だけど、他は全部中国製だよ。最近、商業用でArdupilotが使われるのも見かけるようになったけど、UXはちょっと使いにくいね。

└

飛行機に関しては、PLAはフォームに比べてかなり悪いよ。重いし脆いから、ちょっとした着陸でも部品が壊れちゃうし、重い飛行機は飛びにくい。大きな利点は、部品を再印刷できることだから、ほぼPLAの価値があるって感じかな。ABSの方が多分いいと思う。耐久性があって軽いしね。でも、それでもフォームより重いし、ABSの印刷はあまり良くないよ。

ずっと作ってみたいと思ってたけど、まだ手を出してない者として、詳しいプランと初心者向けのチュートリアルが欲しいな。何かのために寄付やPatreonも喜んでするよ。

└

ありがとう！ナレーションやクリップを入れた長い動画を作るのは、すごく手間がかかるんだよね。

すごくクールだね。とても印象的だよ。他の人たちが自分の情熱を持ってるものを作るインスピレーションになればいいな。「自分でやってみたり、学んだりすればいいんだ。」許可を待ったり、授業（ましてや学位）やガイド/先生を必要とすることはないよ。

└

ありがとう、そう言ってもらえて嬉しいよ。ぜひ見てみたいね。実際に情熱を持って取り組むと、どれだけ速くて良い仕事ができるかを伝えるのは難しいよね。

これ、めっちゃ印象的だね。どんなスキルや知識から始めたのか、プロジェクトを完成させるために何を知る必要があったのか、もっと聞きたいな。Ardupilotにはどれくらいカスタマイズが必要だった？君のドローンの制御はユニークなの、それともどこか標準化されてるの？

└

APのカスタマイズは必要なさそうだね。APは箱から出してすぐにVTOLができるよ。

└

Ardupilotは非常に成熟したソフトウェアだよ。ウクライナから出てるドローンの映像のHUDオーバーレイは、たぶんArdupilotから来てると思う。思いつく限り、Ardupilotはサポートしてるよ。飛行機、ヘリコプター、VTOL、スピードボート、さらには帆船まで。

└

ありがとう！ホバリング、移行、巡航飛行には標準のArdupilot制御システムを使ってるよ。ファームウェアの面では、カスタマイズしたパラメータと調整が少しあるだけ。最初にやったことは、 - フォームボードからVTOLを一つ作ったことがある（3Dプリントではない）。 - そのプロジェクトからArdupilotに慣れて、マルチコプターやCOTSのVTOLを組み立てた。 - VTOLの荷重に耐えられる構造的にしっかりしたフレームを作る経験は少しあったけど、3Dプリントは新しい課題だった。 - どうやって解決したかは難しい質問だね。でも、デザイン、飛行テスト、トラブルシューティングに集中してたよ。必要なときはLLMやYouTube、フォーラムなどで助けを求めて。 - 公開で作ることは逆に役立った。公開で作ることで、モチベーションが上がって、早く進められるし、進捗を早く共有できるから、時間を節約できるんだ。ドキュメントや共有にかかる負担は増えるけどね。

発泡PLAのことは初めて聞いたよ、チェックしなきゃね。A1やA1ミニみたいな小さいプリンターで全体を作ったの？エアフォイルを印刷したいけど、個々のプリントを stiffnessを保ちながらつなげる方法を想像するのが難しいんだ。100cmの翼には10x（10x10cm）の印刷パーツが10個必要なんだけど、どうやってつなげるか分からない。これが解決するまで、作りたいタイプの飛行機（グライダー）はフォームボードで作るしかないね。

└

A1、256 x 256 mmで、これらの翼を4つのセクションに分けて印刷できる（ブームマウント用の二重壁の薄いセクションも含む）。高アスペクト比のグライダーだと、もう少し必要かもしれないね。カーボンファイバーのスパーとCA接着剤で取り付けるのがいいよ。

約200エーカーの土地があって、ドローンで調査ミッションをしてるんだ。今日は、DronelinkとDJIのドローンを使って操縦してる。問題は、エリアをカバーするのに約3時間の飛行時間が必要で、バッテリーは約35分しか持たないこと。バッテリーは4つ持ってるから、消費するのと同じくらい早く充電しないと、ずっと飛び続けるのは無理なんだ（残念ながら、クワッドチャージャーを使っても完全には持続できない）。固定翼のドローンがあれば、そのエリアを飛びながら真下の写真を撮れるのにって思うけど、手作りのドローンを作ってプログラムするのは、既製品のDJIドローンを使うよりもずっと複雑そうだよね。それに、土地は急勾配で、1000フィート以上の標高差があって、周りの土地は飛行できない空域だから、ターンをするのにも使えない。著者や他の人、固定翼機でこのマッピングミッションを追求する価値があると思う？それとも、既製品のクワッドコプター用に十分なバッテリーを買うのが一番コスパいいかな？

└

いい質問だね！3時間の航続距離に近いCOTSのVTOLは、5千ドル以下では買えないと思う。それに、DJIほど簡単に使えるものはないよ。もしDIYにやる気があって、ArdupilotやPX4（こっちの方が簡単）を使いこなせるなら、Heewing T2 VTOLみたいなキットを買って自分で組み立てることもできるけど、同じくらいの高エネルギー密度のバッテリーパックを使っても、2時間以上の飛行時間は無理だと思う。

└

WHISPRから小型ドローンをレビューして購入したよ。それを通じて、OPが示しているようなVTOLドローンも見たんだ。理論的には安いんだけどね： https://www.uavmodel.com/products/makeflyeasy-hero-2180mm-ua... このドローンは最大上昇率が3度だから、常に上昇し続けるルートを計画しないといけないし、急勾配を避けるために往復しなきゃいけない。だから、Mission Planningを使って飛行計画を立てることになると思う： https://ardupilot.org/planner/ それから、MavLinkプロトコルに従ってカスタムjsonを調整する必要があるね： https://ardupilot.org/dev/docs/mavlink-routing-in-ardupilot.... オープンソースのフライトコントローラーやシステムは、 https://ardupilot.org/copter/docs/common-autopilots.html#ope... ここがいいスタート地点だよ。全体の体験を構築している組織もいくつかあるけど、完全に統合されたオープンソースのハードウェアとソフトウェアには当然お金がかかるよ。君が描いているシナリオは、まさにVTOLや普通の飛行機のためのものだし、クワッドコプターでは十分な範囲をカバーできないからね。それにカメラも考慮してね。DJIは通常、質の低いカメラを搭載してるけど、 https://www.bhphotovideo.com/c/product/1785754-REG/sony_ilx_... これを使えば、もっと高い画素密度が得られるから、もしイメージングに興味があるなら、ライセンスの上限近くを飛んで、より早く地面をカバーできるよ。AIモデルも画素密度を計算する方法を知っているから、実際のドローンがなくても飛行計画を立てるのは簡単だよ。

└

使ったことはないけど、このデザインか、トライローターのV-22スタイルのティルトモーターが面白そうだなと思ってる。ちょっとチェックしてみる価値ありかも？

「100年前、飛行を開拓するには少なくとも兄弟と自転車屋が必要だった。今は、正しいツールチェーンさえあればいい…」すごく謙虚な気持ちになるね！想像力から現実へのループは、存在するカテゴリーに対して最も迅速に調整されている。