Raspberry Piを使って自分だけのドローンを作りたいが、どこから手を付ければよいかわからず不安な方は多いはずです。
部品選びの基準やフレーム組立、電源配線、モータとESCの接続、センサキャリブレーションなど、迷うポイントが多く失敗しやすいのが現実です。
本記事では実際に組み立てる手順と、Raspberry Pi側のソフト構成や通信設計、MAVLinkやDroneKitの活用法まで、実践的に整理してお伝えします。
また安全な電源管理やフェイルセーフ設定、飛行前チェックリストも詳しく解説し、トラブルを未然に防ぐコツを紹介します。
初心者から中級者まで、これ一つで全体像がつかめるように構成しているので、まずは手順の流れを確認して本文に進んでください。
ラズパイで自作ドローンを組み立てる実践手順と要点
ラズベリーパイを搭載した自作ドローンは、汎用性が高く、ソフトウェアで多彩な制御を実現できます。
ここでは実際の組み立て手順と、現場で役立つ要点を段階的に解説します。
部品選定
| 部品 | 選定ポイント |
|---|---|
| フレーム | 剛性と重量のバランス |
| モータ | 推力とKV値の整合性 |
| ESC | 対応電流とBEC出力 |
| バッテリー | 容量と放電レートの最適化 |
| フライトコントローラ | ファーム互換性とインターフェース |
部品選定は飛行時間と安定性に直結しますので、まず機体の目的を明確にしてください。
ラズパイを積む場合は重量増を見越して、モータとバッテリーの余裕を持たせることが重要です。
フレーム組立
フレームの組立は、パーツを仮付けしてバランスを確認するところから始めます。
アームのねじは適切なトルクで締め、過度な締め付けでカーボンを割らないよう注意してください。
ラズパイやフライトコントローラは振動の少ない場所に配置し、ゴムブッシュやフォームで簡易ダンピングすることをおすすめします。
配線の取り回しは、モータやプロペラの回転域から離れるように配慮してください。
電源配線
電源配線は安全と信頼性に直結しますので、太さと接続の確実性を最優先にしてください。
- 主電源ケーブルの太さ選定
- コネクタの種類と耐電流性
- バッテリー取り付けの固定方法
- BECからの供給ライン分岐
- 共通アースの確保
バッテリーコネクタは予備を用意し、ハンダや圧着の品質を確かめておくと安心です。
電源スイッチやヒューズを設けることで、誤接続や短絡事故のリスクを低減できます。
モータとESC接続
モータとESCの接続では、配線長を揃え、接触不良を起こさないように仕上げてください。
初回は低回転で回転方向を確認し、必要に応じてプロペラを付けずに動作チェックを行います。
ESCに付属のキャリブレーション手順でスロットルレンジを合わせると、スムーズなスロットル応答が得られます。
信号線はフライトコントローラとの距離を考慮し、必要であればシールド線やフェライトコアを使用してください。
フライトコントローラ連携
フライトコントローラとラズパイは、UARTやI2C、SPIなどのインターフェースで連携します。
MAVLinkを用いる場合は、UARTのボーレートとポート設定を一致させる必要があります。
レベル変換が必要なケースでは、必ず双方向の電圧変換器を挿入して信号を保護してください。
両者の時刻同期や起動順序にも注意してください。起動順序によっては通信が確立しないことがあります。
Raspberry Pi OS設定
Raspberry Pi OSは軽量なLite版をベースにセットアップすることを推奨します。
まずSSHを有効化し、デフォルトパスワードの変更とOSの最新化を行ってください。
シリアルコンソールが有効だとUARTを占有してしまう場合があるため、必要に応じて無効化してください。
Python環境の構築や、pymavlinkやDroneKitなどのライブラリをインストールしておくと、後の開発がスムーズになります。
ネットワーク設定は現地での更新やログ取得を考え、Wi‑FiとLTEの両面で冗長性を持たせると安心です。
センサ接続とキャリブレーション
IMUや磁気センサは振動の影響を受けやすいため、フライトコントローラ側でのフィルタ設定も考慮してください。
磁気キャリブレーションは屋外で実施するのが理想で、周囲の金属や高電流ケーブルから離れて行ってください。
GPSは視界の良い上方に取り付け、磁気センサとの物理的な距離を確保してください。
気圧高度計は仕切り板などで気流の影響を受けにくくし、キャリブレーションは地上高度基準で行います。
飛行ソフト導入
フライトコントローラにはArduPilotやPX4などの実績あるファームを導入してください。
ラズパイ側にはMAVProxyやmavros、DroneKitなどを用いて高レベルのミッション管理を実装できます。
SITLでまずシミュレーションを行い、制御ロジックと通信の確実性を検証してから実機へ移行すると安全です。
初飛行はプロペラ無しでの動作確認、次に低高度での試験飛行、段階的に運用領域を拡大してください。
常にログを取得し、トラブル時にはログから原因を追跡できる状態にしておくことが重要です。
自作ドローンの部品選定基準
自作ドローンの部品選定は飛行性能と安全性を左右します。
ここでは初心者から中級者まで役立つ、実践的で比較しやすい基準を紹介します。
Raspberry Piを搭載する前提で、電源や通信の互換性も重視して解説します。
フレーム
フレームは機体の剛性と重量配分に直結する重要な要素です。
サイズは一般的にモーター間距離で表現され、屋外向けなら250mm前後が汎用的です。
素材はカーボンファイバーが主流で、軽量かつ高剛性ですが、加工性や価格も考慮してください。
アームの交換性や取り付け穴の互換性も確認し、将来的な改修に備えると良いです。
ブラシレスモータ
モータ選びではKV値、サイズ規格、推力特性を重視します。
KV値は回転数とトルクのバランスを示すため、プロペラサイズとバッテリー電圧に合わせて選んでください。
サイズ表記は例えば2206や2306などで、数字が大きいほど一般に大きなローターを扱いやすくなります。
効率と耐久性を両立するために、信頼できるメーカーのベアリングや巻線品質を確認することをおすすめします。
ESC
ESCはモーターの電流を流す部品で、定格電流とプロトコルが選定の要になります。
定格電流はピーク電流の余裕を見て選び、バースト値だけで判断しないでください。
DShotやBLHeli_32などのデジタル通信をサポートするESCは応答性が良く、将来の拡張にも向いています。
プロペラ
プロペラはサイズとピッチの組み合わせで推力と効率が決まります。
大径で低ピッチは効率重視、小径で高ピッチは加速重視の傾向があるため用途に合わせて選択してください。
材質は樹脂製が軽量で扱いやすく、カーボン製は剛性が高くレスポンスに優れますが、破損時の危険性も考慮してください。
バッテリー
バッテリーは飛行時間と機体重量に直結しますので、容量と重量のバランスを最優先で考えます。
セル数はモーターとESCの設計電圧に合わせて決め、過放電や過電流に対する余裕を持ってください。
- セル数（例 3S 4S）
- 容量（mAh）
- 放電レート（C値）
- 重量とコネクタ規格
- BMSや充電器の対応
送受信機
送受信機は遅延と信頼性が命で、プロトコル互換性を最初に確認してください。
SBUSやCRSFなどのデジタル受信は遅延が少なく、フライトコントローラとの接続が簡単になります。
チャンネル数は将来的なペイロードやジンバル制御を見越して余裕を持たせると安心です。
長距離運用や屋外用途なら受信機の通信レンジとアンテナ配置も重視してください。
フライトコントローラ
フライトコントローラは安定化アルゴリズムや外部機器との連携に影響するため、機能をよく比較してください。
Raspberry Piと連携する場合はシリアルポートやI2Cの数、電源供給の仕様を確認する必要があります。
| 用途 | 主な特徴 | 推奨ファームウェア |
|---|---|---|
| レーシング | 小型軽量 高応答センサ 低レイテンシ |
Betaflight Butterflight |
| 撮影安定化 | 高精度IMU 多ポート電源供給 外部コンパニオン対応 |
INAV ArduPilot |
| 研究開発 | 拡張ポート多数 ログ機能充実 外部通信サポート |
ArduPilot PX4 |
表の項目を基に、自分の用途に最も合うモデルを絞り込んでください。
ファームウェアの互換性とサポート状況も購入前に必ず確認してください。
Raspberry Pi側のソフト構成と通信設計
Raspberry Piをドローンの頭脳として使うには、OSや通信スタックを整えることが重要です。
ここでは実務で使える構成例と設計上の注意点を、具体的に解説します。
Raspberry Pi OS
まずはRaspberry Pi OSの選定です。
軽量な環境が欲しければRaspberry Pi OS Liteを選ぶと良いです、GUI不要でメモリを節約できます。
リアルタイム性が求められる場合はカーネルのプリエンプティブ設定やリアルタイムパッチを検討してください。
I2CやSPI、シリアルポートは有効化しておき、必要なデバイスツリーオーバーレイを追加します。
サービスはsystemdで管理し、起動順や再起動ポリシーを明確に設計すると安定度が増します。
MAVLink
MAVLinkはドローンの標準的なテレメトリプロトコルで、Raspberry Piとフライトコントローラの橋渡しに最適です。
バージョン2は認証や拡張性があり、可能ならv2を使うことを推奨します。
通信はシリアルやUDPで行い、適切なボーレートやパケットフローの設計が重要です。
| 用途 | 推奨ストリーム |
|---|---|
| 基本テレメトリ | HEARTBEAT SYS_STATUS ATTITUDE |
| 位置情報 | GLOBAL_POSITION_INT GPS_RAW_INT |
| コマンドと制御 | MAV_CMD COMMAND_LONG |
MAVProxyやmavrosを使えばプロトコル変換やルーティングが楽になります。
ログの肥大化や帯域不足には注意して、必要なストリームだけを選別してください。
DroneKit
DroneKitはPythonでMAVLinkを扱いやすくするライブラリです。
ミッションの自動化やテレメトリ処理を簡潔に書ける点が魅力です、ただしリアルタイム制御には注意が必要です。
バックグラウンドで走らせる場合は例外処理と接続の再試行をしっかり実装してください。
安全に関するフラグやフェイルセーフルーチンは必ず入れて、想定外の動作を防ぐ設計にします。
MQTT
MQTTは軽量なメッセージングプロトコルで、地上局との疎結合な通信に向いています。
ブローカはMosquittoなど手軽に構築できるものが便利です、クラウドサービスを利用する手もあります。
トピック設計は階層化しておくと拡張が楽になります、例えば vehicle/uuid/telemetry や vehicle/uuid/command のようにします。
QoSや保持設定、TLSによる暗号化を組み合わせてセキュリティと信頼性を確保してください。
GPIOとPWM制御
Raspberry PiのGPIOで直接ESCを駆動するのは精度と安全性の面で課題があります。
PWM信号はタイミング精度が重要で、ソフトウェアPWMだとジッタが出やすいです。
ハードウェアPWMやDMAベースのライブラリであるpigpio、あるいは外付けPWMドライバPCA9685の利用を推奨します。
DShotなどのデジタルプロトコルはマイコンで生成し、PiとはMAVLinkやUARTで連携するのが現実的です。
モータやESCに通電する際はプロップを外すなど安全対策を徹底してください。
Wi‑FiとLTE接続
通信回線はミッションの性質で選びます。
近距離の低遅延が必要ならWi‑Fiを、広域運用や障害物越しの接続が必要ならLTEを検討します。
接続切れに備えたリトライやオフラインログ保存の設計が重要です。
- ローカルWi‑Fiアクセスポイント
- 携帯回線LTEルータ
- デュアルリンク構成
- VPN経由のリモートアクセス
VPNを組むと安全に機体へアクセスできますが、遅延が増える点には注意してください。
また帯域やパケットロスがフライトに与える影響を理解して、フェイルセーフを設計しておくことが肝要です。
センサと航法の実装ポイント
ここではラズパイを搭載した自作ドローンで重要なセンサ類と航法アルゴリズムの実装ポイントを整理します。
実務で役立つ注意点や設定のコツを中心に、ハードウェアとソフトウェア両面から解説します。
IMU
IMUは姿勢制御の根幹であり、加速度計とジャイロの特性を理解することが最優先です。
サンプリング周波数は制御ループに合わせて高めに設定し、フィルタリングはローパスとカルマンなどでバランスを取ってください。
取り付けは剛体に固定し、モーターや電源配線からの振動をゴムダンパなどで吸収することをおすすめします。
センサフュージョンはフライトコントローラ側で行う場合が多いですが、ラズパイ側で独自に補正を入れる場面もあります。
キャリブレーションは温度ドリフト対応のために環境温度ごとに確認し、必要ならば補正式を導入してください。
GPS
GPSは位置決めの基礎であり、モジュール選定とアンテナ配置で精度が大きく変わります。
一般用途から高精度まで用途に応じたモジュールを選び、受信レートやマルチGNSS対応を確認してください。
アンテナはできるだけ機体上方で磁気干渉の少ない位置に置き、視界が開けるよう配慮してください。
| タイプ | 代表モジュール | 想定精度 |
|---|---|---|
| 廉価モジュール | NEO M8N | 数メートル |
| 高感度マルチGNSS | SAM M8Q | 数メートル第一秒 |
| RTK対応 | ZED F9P | センチメートル級 |
受信機とフライトコントローラ間はシリアルかUSBで接続し、MAVLinkなどのプロトコルで取り込みます。
屋内や障害物の多い環境ではGNSS補完のためにビジョンや光学流を併用してください。
磁気補正
磁気センサは方位取得に重要ですが、近接磁界の影響を強く受けます。
モーターの配線やESCは磁場源になるため、コンパスは離して設置するのが基本です。
ハードアイアンとソフトアイアンの補正を行うことで誤差が大きく減少します。
キャリブレーションは地上での8の字旋回などフライトコントローラの手順に従って実施してください。
磁気異常が残る場合はソフトウェア側で外乱検出と補正を入れると信頼性が向上します。
気圧高度計
気圧高度計は高度制御に使われますが、気温や気圧の変動に敏感です。
本体のエアフローが遮られないよう、静かな位置にセンサを配置してください。
温度補償とローパスフィルタを設定し、機体加速時のダイナミックな圧力変化を除去します。
気圧高度のみで長時間の高度精度を期待せず、GPSや光学流との融合で安定化を図ってください。
光学流計
光学流センサは低高度での位置安定化に強力で、GPSが使えない環境で威力を発揮します。
地面のテクスチャや照度に依存するため、センサ選定時に想定環境を確認することが重要です。
光学流は高さが上がると精度が落ちるため、使用高度範囲を考慮してフィルタを調整してください。
カメラベースの実装では画像処理負荷が増すため、ラズパイのCPUリソースに余裕を持たせると安定します。
ブレや振動は計測誤差につながるので、取り付けの剛性と振動対策を怠らないでください。
RTK
RTKはセンチメートル級の位置精度を実現しますが、インフラと通信設計が鍵になります。
基準局と移動局の構成を用意し、Correctionデータを低遅延で伝送する必要があります。
受信機はRTK対応のチップを選び、アンテナは位相センターが安定したものを用いてください。
以下はRTK運用で最低限必要な項目です。
- 基準局
- 移動局
- 通信リンク
- 固定アンテナ
- 対応受信機
通信はLTEやローカル無線で補正を送る方法が一般的で、遅延とパケットロスに注意してください。
RTK導入後もフェールオーバー用に通常のGNSS融合を残しておくことをおすすめします。
電源管理と飛行安全対策
自作ドローンの安全運用は、電源管理とフェイルセーフ対策が土台になります。
ここではバッテリーの扱い方から配線整理、電圧分配、フェイルセーフおよび過熱対策まで、実践的に押さえておきたい要点を解説します。
バッテリーは飛行時間と安全性を左右する最重要部品です。
リチウムポリマーバッテリーの選定では容量とCレートを用途に合わせて決め、過放電や過充電を避けることが基本になります。
保管時は満充電ではなく概ね50パーセント前後のState of Chargeで冷暗所に保管してください。
充電時は必ずバランス充電器を使用し、セル間の電圧差が大きい場合はセル不良の可能性を疑ってください。
バッテリー管理システムBMSや専用の電圧アラームを導入すると、飛行中の電圧低下を早期に検知できます。
またバッテリーの外装膨らみや端子の過熱が見られたら直ちに使用を中止し、安全な場所で廃棄手順に従って処理してください。
BECと電圧分配
フライトコントローラやペイロード機器には安定した電源が必要です。
BECの選定は出力電流と安定度を基準に行い、不要なノイズが出ないタイプを選ぶと安定性が向上します。
| コンポーネント | 推奨電圧 | 備考 |
|---|---|---|
| フライトコントローラ | 5V | 安定化必須 |
| 受信機 | 5V | 冗長電源推奨 |
| オンボードカメラ | 5V | ノイズ対策 |
| ペイロード機器 | 12V | 機器仕様準拠 |
高電流回路とロジック回路を切り分け、共通グラウンドの接続不良を避けることが重要です。
必要なら分岐用のパワーディストリビューションボードを使い、配線の直列抵抗や発熱を最小化してください。
配線整理
配線整理はトラブル防止の基本であり、飛行安定性にも寄与します。
はんだ付けは確実に行い、ホットスポットとなる部分には絶縁と固定を施してください。
- 配線は短くまとめる
- 高電流線は太めの線材を使用する
- 信号線と電源線は分離する
- 振動防止に接着やタイラップで固定する
- 熱を持つ部品から配線を離す
振動や引っ張りによる断線を防ぐために、ケーブルスリーブやスパイラルチューブで保護すると安心です。
フェイルセーフ設定
万が一の通信途絶や異常発生時に安全に復帰させるための設定を必ず行ってください。
送受信機のフェイルセーフは、信号途絶時のスロットルやスティック状態を明確に定義しておく必要があります。
フライトコントローラ側では低電圧検出時の挙動をRTLや着陸に設定し、バッテリー残量閾値も実機で検証してください。
地上に戻る機能以外に、ジオフェンスで飛行区域を制限したり、姿勢復旧用の自動モードを有効にするのが有効です。
定期的なフェイルセーフ動作確認は、現場での安心感につながります。
過熱対策
モータやESCの過熱は性能劣化や火災の原因になりますので、冷却対策を怠らないでください。
プロペラ選定で過負荷にならないようにし、ESCやモータには放熱フィンやアルミ製マウントで熱伝導を促進してください。
通気を確保するためにフレームにエアフロー経路を設け、熱がこもらない設計にすると効果的です。
またフライト中の電流と温度をログして、異常傾向があれば即時に飛行を中止する運用ルールを設けてください。
最終的に、電源管理と安全対策は設計段階と運用段階の両方で繰り返し見直すことが重要です。
実運用前のチェックリスト
自作ドローンを実運用に投入する前に、機体の安全性と通信の信頼性を必ず確認してください。
機械系と電気系の点検、ソフトウェア設定の最終確認、バッテリー管理とフェイルセーフの動作確認を重点的に行ってください。
以下は最低限確認すべき項目のチェックリストです。
- プロペラ取り付けと締め付け
- モータの回転と軸のガタ確認
- ESCキャリブレーション完了
- フライトコントローラのファームウェアと設定
- IMUとコンパスのキャリブレーション
- GPSの取得状況とホーム位置
- バッテリー残量と電圧、コネクタ状態
- 送受信機のレンジチェックとフェイルセーフ設定
- テレメトリ／映像リンクの安定性確認
- 予備の安全装備と緊急停止手順の周知
初飛行は広い無人エリアで、第三者の安全を確保したうえで実施してください。