[シュウ・コバヤシのDRONE MANIA]Vol.11 ドローンにおけるジンバルの歴史

ジンバルとは

一般の人にはジンバルといわれてもピンとこないかもしれません。英語だとGimbal（発音ではギンバルですが、あえて日本での通名であるジンバルで通します）と書きます。明確な日本語はよくわかりませんが、宇宙雲台とか回転台とでもいいましょうか。1つの軸に対して回転する台です。それを複数組み合わせる事によって左右縦の振れを吸収し、水平を保つことができます。古くからジャイロスコープや羅針盤で使われています。

このように、複数の回転台を組み合わせることによって各方向の傾きを打ち消し、水平を保つことが可能です。そしてこの機能はドローンに搭載するカメラには必須となっています。

ドローンは飛行の際、進行方向に傾いて飛びます。左の図のようにカメラが固定されていると、ドローンの傾きにカメラが追従してしまい、思った方向が撮影できません。なので、右の図のようにジンバルにカメラを搭載すると、機体が傾いてもカメラが水平を保つようになります。

実際の飛行時は飛行方向だけではなく、周囲の環境により、横方向など、複数の方向からの風や、姿勢を保つために複雑な傾きの制御をするため、機体はいろいろな方向に傾きます。カメラが固定されているとその動きをすべて拾ってしまい、ブレる見にくい映像となってしまいます。

ジンバルには映像を安定化させる機能だけではなく、カメラを上下左右の任意な方向に向けることができるという機能もあります。そのおかげで被写体をしっかり捉えた映像も撮影可能です。ドローンにはジンバルは必要不可欠な部品と言えます。

ジンバルの歴史

DJI WEBサイトより

DJIからPhantom 1が2013年に発売されましたが、当初は写真の通りアクションカメラがマウントに直接接続されていました。カメラの上下の角度もマウントのネジを緩めて調整し、締めて固定というなんとも原始的な方法でした。目見当です。そもそも当時のPhantom 1は映像送信もありませんでしたので、何を撮っているかも想像で判断し、アクションカメラの広い画角に頼り、着陸してから映像をプレビューして確認していました。

当然機体の振動から揺れまですべてダイレクトに影響してしまうので、品質はいいものとは言えませんでした。当時の映像を探したのですが、見当たりませんでした。残しておく気もしなかったということですね。

わかりやすいようにDJIのPhantom 1を例に出しましたが、当時主流は大型な機体でした。小型な機体では離陸重量が小さく、ジンバルを搭載する余裕が少なかったのと、カメラの性能も低かったからです。大型機ではジンバルを搭載していましたが、現在とはちょっと状況が違います。

サーボジンバルとブラシレスジンバル

初期の大型機にはサーボジンバルというものが使われていました。サーボとは、回転する角度や速さを制御できるモーターのことです。

そして、ジンバルに使われるのは飛行機の羽根や、ヘリコプターのプロペラの角度を変えたり、車のラジコンのステアリングなどに使われていました。基本的には180度ほどしか動かないものが多いのですが、改造して360度回るようにしたり、回転角度を検出するポテンショメーターを外付けしたり、ジャイロセンサーを併用したり、いろいろな工夫が有りました。

サーボジンバルの一例としては、Photohigher社製のAV200シリーズなどがあります。カメラの横方向の揺れを半円形のレールにて吸収する仕組みで、よくできていたのですが、レールの調整が難しく、ネジの締め具合で動きが変わってしまったり、アルミ製のため簡単に歪んでしまうなど、取り扱いが大変でした。サーボジンバルはサーボモーターを直接接続せず、歯車や、ベルトを介して駆動するような仕組みのものが多かったです。

サーボジンバルのメリットはモーターの力が強いので重いカメラでも駆動でき、バランスが多少ずれてしまっても動かすことができました。デメリットは反応速度が遅いため、揺れを完全には抑えることができませんでした。多少の揺れが残ってしまい、カメラの手ブレ補正を併用するか、編集の後処理で揺れを抑える必要がありました。

ブラシレスジンバル

DJI WEBサイトより

反応速度の早いジンバルとしてブラシレスモーターを利用したブラシレスジンバルが登場しました。真っ先に現れたのが、DJI製のZenmuse Z15シリーズだったと思います。

これは画期的なものでした。ドローンにおける大きな発明のうちの一つだと思います。大きな特徴が2つあり、まず1つに、サーボを使用せず、ブラシレスモニターを使用していることと、モーターを歯車やベルトを介さずダイレクトに接続していることです。それにより反応速度が早いという大きなメリットがあります。デメリットはモーターの力に限界がありバランス、つまり重心がピッタリ中心にないといけないということです。

Zenmuse Z15は対応カメラが限られていた上に、レンズも指定されたものしか使えませんでした。そうすることによってバランス問題を解決していたのですね。その後、FREEFLY SYSTEMS社からMoviというブラシレスジンバルが発売されます。

このジンバルは大型のカメラも搭載でき、バランスさえ取れればどんなカメラも搭載可能です。また、Moviには大きな特徴があり、手持ちハンドルを付けることにより、ドローンだけではなく地上での撮影も可能にしたことです。この事により、三脚に据えなくても安定した映像を動きながら撮影することが可能になりました。

以前からステディカムなど揺れを取る仕組みはありましたが、かなり専門的な知識が必要でした。Moviだけでなく、その後DJIから発売されたRONINシリーズも色々なカメラが搭載可能ですが、重心を真ん中にするバランス調整が必要です。この作業は慣れないとなかなか難しく、ケーブルの硬さや位置だけでも大きく影響を受けてしまいます。よくやってしまう失敗に、バランス調整がやっと終わったと思ったら、レンズキャップがついていてやり直しということがあります。

DJIで始まりDJIで終わったDIYブラシレスジンバル

Zenmuse Z15が発売されてすぐ、海外のフォーラムを中心にブラシレスジンバルの解析研究がすすみました。飛行用のブラシレスモーターの銅線をいったんほぐし、ジンバル用に巻き直したり、コントローラーのオープンソースボードSimpleBGCが出たり、ロシア人のアレックス・モスカレンコ氏のAlexmosシリーズなど、2013年付近は日本のFacebookページからブログまでいろいろな人が挑戦していました。空撮だけではなく、地上での撮影でも自作ジンバルを研究し、DIYでジンバルを作る人も多かったです。ところが、現在ではかなり下火になりました。

まず、大元のドローン空撮ですが、現在のドローンにジンバルとカメラを別々に組み合わせて搭載する人は殆どいません。Phantom 3からはカメラとジンバルが標準搭載されましたし、Mavicシリーズに至っては、もはやそこを意識することもありません。プロ用の空撮カメラもINSPIREシリーズにX5、X7というジンバルとカメラが一体になったレンズ交換カメラシステムになりました。

地上撮影ではMovi、RONINシリーズの大型カメラ用は健在ですが、DJIからOSMOシリーズが登場したことにより、ジンバルを使用した撮影もかなり手軽になり、いろいろな会社から類似した商品が溢れています。OSMO POCKETにいたっては、その名の通り、POCKETに入るサイズながら、単体で4K撮影までできて、すごく安定した映像が撮影できてしまいます。

わざわざDIYしてまで作るメリットは殆どなくなってしまったのが現状です。寂しいですが、これもまた正しい進化だと思います。そんなことを書きながら、私は現在写ルンです用のジンバルのブラシレス版を設計していたりします。