ドローンを0から作る完全技術ガイド

重量・サイズによる分類（日本の航空法と直結）

自律飛行レベル分類

固定翼の飛行原理

ベルヌーイの定理: 翼の上側（曲面が長い）を通る空気は加速する → 圧力が下がる → 下側との圧力差 = 揚力

固定翼は速度が揚力の源。速度が落ちると失速する。この根本的な違いが、制御アルゴリズムの設計に大きく影響する。

ファームウェア開発（C言語で0から）

STM32はHAL（Hardware Abstraction Layer）経由でSPI/I2Cドライバーを実装する。最終的には1kHz制御ループ（1ms間隔でセンサー読み取り→PID演算→モーター出力）を目指す。

/* メインループの骨格 */
while (1) {
    IMU_Read(&gyro, &accel);              /* ~0.1ms */
    Attitude_Estimate(&roll, &pitch, &yaw); /* EKF/相補 */
    PID_Update(&pid_roll, roll_setpoint, roll); /* PID演算 */
    Motor_SetOutput(m1, m2, m3, m4);     /* ESCへPWM出力 */
    WaitForNextCycle(1000);              /* 1kHz = 1ms待機 */
}

カスケードPID（ドローンの実装構造）

ドローンは単純な1ループPIDではなく、3段階のカスケード構造にする:

なぜクォータニオンを使うのか

Mahony / Madgwickフィルター: クォータニオンベースの軽量姿勢推定フィルター。EKFより計算量が少なく、マイコンへの実装に適している。精度はEKFに迫る。

ESC（Electronic Speed Controller）

FCからのPWM信号（1000〜2000μs幅）を受け取り、BLDCモーターの3相電流切り替えタイミングを制御する電子回路。

軍民の技術的差異（自分で実装する視点で）

状態機械（State Machine）による自律制御フロー

各状態で遷移条件とセンサー健全性チェックを行う。異常検知時はFAILSAFE状態に即時移行。

Pythonで物理シミュレーター自作（最初のステップ）

Newton-Eulerの運動方程式を数値積分（RK4法）で解く。力・トルク→加速度→速度→位置の順に積分。

import numpy as np

def quadrotor_dynamics(state, u, params):
    """
    state: [x, y, z, vx, vy, vz, roll, pitch, yaw, p, q, r]
    u: [F1, F2, F3, F4]  各モーターの推力
    """
    m = params['mass']
    g = 9.81

    # 合計推力
    F_total = sum(u)

    # 姿勢角取得
    roll  = state[6]
    pitch = state[7]
    yaw   = state[8]

    # ワールド座標系の加速度（簡略版）
    ax = (F_total / m) * (
        np.cos(yaw) * np.sin(pitch) * np.cos(roll)
        + np.sin(yaw) * np.sin(roll)
    )
    ay = (F_total / m) * (
        np.sin(yaw) * np.sin(pitch) * np.cos(roll)
        - np.cos(yaw) * np.sin(roll)
    )
    az = (F_total / m) * np.cos(pitch) * np.cos(roll) - g

    return np.array([ax, ay, az])