ドローンのPID制御を理解！チューニング手順と指標の使い方を解説

思い通りに止まり、狙い通りに曲がり、急な風にも負けない機体に仕上げる鍵がPID制御です。
本記事では、PID各項の働きから内外ループの考え方、実際のチューニング手順、ログの見方、フィルタ設計、よくある症状の対処までを体系的に整理します。
競技用の鋭いレスポンスを狙う場合も、空撮の滑らかな画作りを狙う場合も、根本の考え方は同じです。
最新情報を踏まえつつ、数式に偏りすぎず実践で役立つ判断基準と手順を具体的に解説します。

ドローン PID制御の基礎と全体像

ドローンの姿勢とレートを安定させる中心にPID制御があります。
Pは誤差の即時補正、Iは累積誤差のバイアス補償、Dは未来予測的なブレーキとして作用します。
現代のフライトコントローラーでは、内側に角速度ループ、外側に姿勢角ループを持つ二重ループが一般的です。
操作感はセットポイントの与え方やフィードフォワードの使い方でも大きく変わります。

ビギナーはまず安定動作の確保、次に応答性の最適化という順序で取り組むと安全です。
必要最小限の調整から始め、ログや観察で根拠を持って一項目ずつ進めることが成功の近道です。

PID各項の役割

Pは誤差に比例して出力を増減させ、舵の効きに直結します。
過大なPは高周波の揺れを生み、過小なPは操縦に対して鈍く漂う印象になります。
Iは重心ずれや風、センサーのわずかなオフセットなど持続的な外乱を打ち消します。
大きすぎるIは遅い揺れや巻き込みを招くため、アンチワインドアップの設定が重要です。
Dは変化の速さに反応し、オーバーシュートを抑えるブレーキです。
ノイズに弱いのでフィルタとセットで使い、温度やプロペラの状態で効きが変わる点も理解が必要です。

姿勢制御のループ構成

外側の姿勢角ループは目標角度と現在角度の誤差を計算し、内側の角速度ループへ目標レートを出力します。
内側ループは高周波で動作し、機体の機械特性やモーター応答に直結します。
内側が強く速く、外側は遅く穏やかにという設計思想が安定の基本です。

レートモードとアングルモードの違い

レートモードはスティック位置が角速度の目標になり、直感的な旋回が可能でアクロバットに適します。
アングルモードは水平を基準に角度目標を与えるため、初心者や空撮での穏やかな操作に向きます。
同じPIDでもモードにより外側ループの有無と重みが変わるため、設定は別々に最適化します。

モデル化と座標系の理解

PIDの調整はモデルを意識すると速く正確に進みます。
機体軸の定義、オイラー角と角速度の関係、推力とトルクの生成を把握すると、どの軸で何を調整すべきかが見えてきます。

機体軸とオイラー角とレート

ロールは機体前後軸回り、ピッチは左右軸回り、ヨーは鉛直軸回りの回転です。
オイラー角の目標は外側ループ、角速度は内側ループで使われます。
大舵や高レートでは角度表現に特有のカップリングが起きるため、実装はクォータニオンや適切な順序で処理されます。

推力とトルクの関係

各モーターの推力差がロールとピッチのトルクを生み、回転方向の相殺の差がヨートルクを生みます。
プロペラ径やピッチ、モーターKV、バッテリー電圧が応答に影響し、同じゲインでも機体ごとに最適値が異なります。

センサーフュージョンの基礎

ジャイロは角速度、加速度計は重力方向、気圧計やGPSは高度や位置を補います。
フィルタや推定器でこれらを統合し、遅れとノイズのトレードオフを制御設計に反映します。

PIDチューニングの手順

安全な場所で基本を押さえ、PからD、Iの順に当てるのが王道です。
フィルタ設定とループ周波数を先に整え、フィードフォワードは最後に微調整します。

準備と安全確認

プロペラのバランス取り、フレームの締結確認、モーターシャフトの曲がり確認を行います。
初期は保守的なゲインと十分なフィルタで開始し、GPSや高度制御など外側機能はオフで姿勢だけに集中します。

Pゲインの当て方

ホバリングと小さなステップ入力で反応を見る方法が有効です。
Pを少しずつ上げ、機体がシャキッと止まるが高周波の震えが出ない境界を探します。
その後わずかに下げて安全側に置きます。

Dゲインでブレーキと振動抑制

ストップ時のオーバーシュートとバウンドを観察し、Dを増やして減らします。
熱やノイズでモーターが粗く鳴る場合はDを下げるか、D項フィルタのカットオフを下げます。

Iゲインでバイアス補償

前進やヨーを長く維持してスティックを離し、狙った角度で止まるかを確認します。
風下へゆっくり流れるなどの遅い偏りがあればIを少しずつ増やします。
離陸直後のふわつきや着地前の吸い付きが出たらIが過多の兆候です。

フィードフォワードとセットポイント重み

スティック追従性を高めるにはフィードフォワードが有効です。
過多にすると操縦がカクつくため、ログでセットポイントとレートの重なりを確認しながら最小で狙い値に揃えます。

観測指標とログの読み方

勘だけで調整せず、明確な指標で評価すると再現性が上がります。
目標追従、オーバーシュート、立ち上がり、定常誤差、振動周波数を確認する習慣を持ちます。

目標追従と誤差

セットポイントと実測レートの差が小さく短時間で収束していれば良好です。
常に遅れるならP不足またはループ遅れが大きい可能性があります。

オーバーシュートと立ち上がり時間

一定角度のステップで最大値の行き過ぎ量と時間を測ります。
Dを上げると行き過ぎが減り、Pを上げると立ち上がりが速くなります。
双方のバランスが鍵です。

振動周波数とノッチ

ログの周波数成分から主要なピークを特定し、その近傍を狙ってノッチフィルタを配置します。
プロペラの径や回転数に応じてピークは変わるため、ダイナミックノッチやRPM連動ノッチが有効です。

ログの活用

ループエラー、モーター出力、I蓄積量、D項の絶対値、フィルタ後のジャイロノイズを見ます。
過度なモーター飽和やIのクリッピングは設定の見直しサインです。

フィルタ設計とサンプリング

フィルタはノイズを減らしますが位相遅れを増やします。
遅れは制御の余裕を減らすため、目的の周波数帯だけを最小限に狙う設計が重要です。

LPFとノッチの使い所

LPFは全体の高周波を抑え、ノッチは特定の周波数ピークを狙い撃ちします。
一次より二次の方が減衰は強い一方で遅れも増します。
必要最小限の段数と適正なカットオフを選びます。

ループ周波数と位相遅れ

内側ループはできるだけ高周波で回すのが理想ですが、センサー品質やCPU負荷との兼ね合いがあります。
サンプリングとフィルタで生じる遅れを見積もり、ゲインの上限を安全側に設定します。

デリバティブのノイズ対策

D項はノイズを強調するため、専用の低域フィルタやスーパーレートの微分設計が用いられます。
DブーストやスマートDなどの機能がある場合は、熱やノイズを見ながら控えめに使います。

よくある症状と対処

症状から原因を素早く仮説立てできると、調整が一気に楽になります。
下表は現場で頻出のケースと調整方向の目安です。

ふらつきとオシレーション

低周波のふらつきはI過不足、高周波のオシレーションはP過多が多いです。
周波数で見分け、原因に対応した項目だけを動かします。

風やペイロードの影響

重いカメラや風が強い日はIとフィードフォワードの必要量が増えます。
状況に応じたプロファイルを用意して切り替えると安定します。

Iワインドアップ対策

長時間の飽和でIが溜まりすぎると反転時に大きく乱れます。
I制限、抗飽和クランプ、ゼロスロットル時のI減衰などの機能を活用します。

競技用と空撮用での設定方針

求める操縦感により、同じ安定を前提にしても最適値は変わります。
比較で方向性を固めてから微調整に入ると効率的です。

レスポンス優先の考え方

遅れを最小にするため、フィルタ段数を抑え、カットオフを高めに設定します。
その上でPとフィードフォワードで狙いの追従を作り、Dで止めのキレを出します。

安定性優先の考え方

風の揺れやカメラ振動を避けるため、外乱に強いIと適切なDで穏やかに収束させます。
スティックカーブやエクスポを穏やかにして微操作域を広く確保します。

バッテリーとスロットル管理

電圧低下で推力余裕が減ると飽和が増えます。
ダイナミックアイドルやスロットル制限を状況に合わせて使い、終盤の乱れを抑えます。

自動化されたチューニング機能の活用

近年は自動チューニングが充実し、初期値の設定が短時間で整います。
ただし最終的な操縦感の作り込みは手動での微調整が不可欠です。

オートチューンの原理

ステップ応答やシステム同定で機体の周波数応答を推定し、安定余裕を確保するゲインを算出します。
飛行スペースと安全確保を前提に実施します。

限界と手動微調整

プロペラの汚れや風の変化など、当日の条件で結果がぶれます。
自動で得た値を基準に、目的に合わせた微小な調整を加えて仕上げます。

機体固有の差異

フレーム剛性、モーターの応答、重量配分で最適解は変わります。
プロファイルを用途別や環境別に複数保存して運用します。

機体ハードウェアとPIDの関係

ハードの改善は制御の自由度を大きく広げます。
根本的な振動源を抑えるほど、低遅延で高いゲインを安全に使えます。

プロペラとモーターとフレーム

バランスの良いプロペラ、軸ブレのないモーター、高剛性のフレームはそれだけでフィルタ量を減らせます。
ネジの締結とダンパーの劣化チェックを定期化します。

ESCプロトコルとループ同期

デジタルプロトコルと高い更新レートは遅れと量子化誤差を減らします。
ループ周波数とスロットル更新の同期が取れているかを確認します。

振動対策とマウント

フライトコントローラーのソフトマウントは低域の共振を避けつつ、過剰に柔らかくしないバランスが重要です。
カメラやバッテリーの固定も共振を避ける配置を心掛けます。

まとめ

PID制御はPで舵の骨格を作り、Dで止めを整え、Iで外乱を抑えるという役割分担が基本です。
フィルタとループ周波数は遅れとノイズのトレードオフで最小限に設計し、ログで根拠を持って調整することが成功の近道です。

競技と空撮で最適は変わりますが、どちらも安定の土台があってこそ狙いの操縦感が活きます。
自動チューニングを活用しつつ、最後は目的に合わせて手で仕上げる。
この一連の流れを確立すれば、どの機体でも短時間で思い通りのフライトに近づけます。
最新情報を取り入れながら、機体固有の変化に合わせて継続的に見直していきましょう。