静電容量式エンコーダを用いたドローンペイロードシステムの最適化

無人航空機（UAV）は、レクリエーション用の新製品から、精密農業、インフラ検査、空撮、環境監視、緊急対応、防衛などのさまざまな業界で欠かせないツールへと進化しました。ミッションプロファイルがますます複雑になるにつれ、UAVサブシステム、特にペイロードのモーションコントローラに関連するサブシステムに求められる機能や性能要件もますます厳しくなっています。

高解像度の画像装置の安定化から農業資材の正確な計量まで、多くのUAVペイロード機能は、正確でリアルタイムの位置フィードバックによって決まります。このような閉ループシステムの中心にあるのがロータリエンコーダです。これは、機械式シャフトの回転をモータドライバや制御ユニットが解釈可能なデジタル信号に変換するセンサです。フィードバックが不正確または遅延すると、システム性能の低下、ミッション信頼性の低下、さらには完全な動作停止を引き起こします。

Same SkyのAMTシリーズ エンコーダは、このような課題に対応するために特別に設計されています。AMTシリーズは、静電容量式検出技術、モジュール設計、プログラム可能な分解能、堅牢性を独自の組み合わせで提供し、UAVシステムエンジニアに、最新の空中モーションコントロールアプリケーションに最適なソリューションを提供します。この記事では、AMTエンコーダ、ジンバル、スプレー、監視システムなどのUAVアプリケーションへの統合に関するヒントについて説明します。

UAVペイロード制御における工学的制約

UAVペイロードのための信頼性の高いモーションコントロールを設計するには、航空システムに固有の機械的および電気的な制約を克服する必要があります。エンジニアは、以下の性能要件を最適化する必要があります。

• 耐環境性：UAVは多くの場合、塵埃の多い、湿度の高い、または熱的に不安定な環境で運用されます。部品は微粒子の侵入や湿気だけでなく、ローターの高調波や飛行中の乱気流によって誘発される継続的な振動にも耐えなければなりません。
• エネルギー効率：UAVの電力予測は、バッテリ容量によって厳しく制約されています。エンコーダなどのサブシステムは、飛行時間を確保するために消費電流を最小限に抑えながら、高い信号の完全性を維持する必要があります。
• サイズおよび重量の制限：追加されるペイロードの1グラムごとに、推力要件と飛行時間に直接影響します。エンコーダは、熱的または慣性的なペナルティを導入せずに、小型の実装面積で必要な性能を提供する必要があります。
• 信号精度および信頼性：地形測量、可変レート散布、LiDARなどのミッションクリティカルなペイロードは、正確な位置フィードバックによって決まります。信号のわずかな劣化でも、システムレベルで重大な制御エラーにつながる可能性があります。

これらの制約を考慮すると、エンコーダの選択は設計の基盤と位置付けられています。選択されたソリューションは、耐久性、低レイテンシ、設定可能性を、航空機搭載に適したフォームファクタで融合する必要があります。

注目のアプリケーション：ジンバル安定化システム

ジンバルは、カメラ、熱センサ、LiDAR、その他の画像ペイロードの精密な姿勢制御システムとして、UAVのペイロード機構の中でも最も目を引く存在です。これらの電気機械式アセンブリは、ピッチ、ヨー、ロールを含む複数の軸における運動を積極的に相殺し、飛行中に安定した画像とセンサの精度を維持する必要があります。

ジンバルの制御アーキテクチャは、高速な閉ループフィードバックによって決定されます。ロータリエンコーダは、モータコントローラにリアルタイムの角度位置データを出力することで、このアーキテクチャのセンシング基盤を構成しています。このフィードバックにより、システムはUAVが移動中や風乱流の影響を受けていても、ドリフト、ジッタ、振動を抑制するための迅速な補正を行うことができます。

Same SkyのAMTシリーズエンコーダは、UAVジンバルシステムへのシームレスな統合を目的として設計されており、高分解能デジタル出力、低消費電流、ソフトウェアでプログラム可能な分解能を提供します。これにより、設計エンジニアは、アプリケーションの動的応答要件に合わせてフィードバック感度を調整でき、監視ミッションでの高速で高精度な追跡や、空撮での滑らかで繊細な動作を実現できます。エンコーダの分解能をジンバルの機械的および制御システムのパラメータに合わせることで、エンジニアは全体的な安定性を高め、オーバーシュートを最小限に抑え、多様な動作条件下でのペイロード性能を最適化することができます。

図1：エンコーダはリアルタイムの位置データを提供し、ジンバルが飛行中に動作を積極的に補正し、カメラの姿勢を安定させます。（画像提供：Same Sky）

注目のアプリケーション：農業用ディスペンサシステム

精密農業の分野では、UAVは大規模農場で肥料、農薬、除草剤、さらには種子の散布にますます活用されています。これらのシステムは、リアルタイムのフィールドデータに基づく可変レート散布戦略を使用し、処理が必要な領域のみにターゲットを絞ることで、資源使用量と環境への影響を削減することを目的としています。これらのドローンに搭載されるペイロードシステムには以下のようなものがあります。

• 電動ディスペンサバルブ：エンコーダにより、ハッチ機構を正確に作動させ、タイミングと投与量を制御します。
• 液体散布用ポンプ：軸位置フィードバックによりポンプ速度を調整し、安定した流量を維持します。
• 回転式スプレー：エンコーダ駆動制御により、飛行速度、風況、地形角度にかかわらず、均一な散布を実現します。

AMTエンコーダは、リアルタイムの環境要因に適応した応答を可能にする信頼性の高いモーションフィードバックを提供することで、これらの高精度システムをサポートします。AI強化型またはGPS協調制御システムに適切に統合されることで、これらのエンコーダは、均一な散布領域を最大限に増やし、廃棄物を最小限に抑え、収穫量のさらなる増加をサポートします。

AMTエンコーダがUAVペイロードに適している理由

Same SkyのAMTエンコーダ シリーズは、最新の電気機械システムの環境と性能の制約を考慮して開発されました。UAVの統合に特に適したいくつかの重要な特長を備えています。

• 静電容量検出技術：光学式エンコーダとは異なり、AMTエンコーダは静電容量検出技術を採用しており、塵、破片、振動に対する優れた耐性を備え、屋外環境で動作する航空プラットフォームに最適です。Same Skyのブログ「静電容量式、磁気式、光学式エンコーダの比較」をご覧ください。
• 低消費電力：エネルギーに敏感なアプリケーション向けに設計されたこれらのエンコーダは、消費電流を最小限に抑え、限られたバッテリ容量でも長時間のUAV運用が可能です。Same Skyのブログ「モバイルロボットにおける省電力化」をご覧ください。
• ソフトウェアでプログラム可能な分解能：エンジニアは、各サブシステムの精度要件に合わせて分解能をデジタルで設定可能です。高速アクチュエーションから微小角度安定化まで、幅広い用途に対応しています。
• 小型のモジュール型設計：AMTエンコーダは、複数のフォームファクタとシャフト構成に対応し、機械的な統合を簡素化し、サイズ制約のあるエンクロージャでの迅速な試作が可能になります。
• 信頼性：光学ディスクを一切使用せず、可動部品も少ないため、従来の光学式エンコーダよりも機械的衝撃に耐性があり、環境劣化にも優れた耐性を示します。
• 柔軟な出力オプション： インクリメンタル、アブソリュート、および転流信号により、ブラシレスジンバルからハイブリッドサーボシステムまで、多様なモータ制御トポロジーとの互換性を保証します。

これらの特長が組み合わさり、UAVペイロードサブシステムの機械的、電気的、環境的な要件に対応可能な汎用性の高いエンコーダプラットフォームを形成しています。

まとめ

UAVがより専門的で要求の厳しい役割を担うようになるにつれ、UAVが搭載するシステムは、現実の運用環境において安定した、高精度な性能を提供する必要があります。ペイロードサブシステムは、画像安定化、材料散布、または新しいアプリケーションなど、あらゆる用途において精密なモーションコントロールに依存しており、その基盤は信頼性の高いフィードバックにあります。

Same SkyのAMTシリーズエンコーダは、UAV設計の航空宇宙グレードの制約に最適化された、柔軟性、耐久性、効率性に優れたソリューションをエンジニアに提供します。静電容量検出技術、低消費電力動作、適応性のある機械的構成を特長とする、これらのエンコーダは次世代航空機システムのための高性能な基盤を構成します。