【RCラジコン・プロポの歴史】「プロポ黎明期から2.4GHz(PCM方式)までのラジコン技術史」のご紹介｜RCラジコン入門

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今回は、RCラジコン「プロポ黎明期から2.4GHz(PCM方式)までのラジコン技術史」をご紹介します。

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ラジコンの制御方式の進化は、無線通信方式の進化と密接な関係にあります。そしてラジコンの制御技術の流れは、トランジスタ回路を用いたアナログ処理から高速CPUを用いた高精度デジタル処理へと変遷していくことになります。

無線通信方式も、「27MHz AM変調方式」から「5.7GHzのスペクトル拡散通信」へ、2.4GHz(PCM方式：マイクロ波通信)へと高度な符号通信へと進化してきました。

初期のラジコンの送信機は複雑な情報を伝送する技術がなかったことから、送信機に実装されたボタンにより電波(キャリヤ)をオンオフし、サーボ(姿勢制御)の動作を制御していました。

搬送周波数をLC発振回路で27MHzを発振していたため温度による周波数安定性は悪く、搬送周波数が大きくずれると通信距離が短くなり制御が不安定になっていました。

その後クリスタル発振方式が採用され約±20ppmほどの安定した27MHzと40MHzの周波数が用いられるようになります。

受信機は超再生回路でオンオフ信号を復調して、リレーをオンオフしてモータを動作させたり、電磁石をオンオフさせ順序式のエスケープメント(下図)を制御して使用していました。

エスケープメントとは、「機械式時計のがんぎ車構成」と呼ばれ、ゴムにより回転する歯車の外周部分にピンを取り付けることで歯車が回転する仕組みです。そしてピンの位置が左右または前後に変化します。

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AM変調方式は、電波の強弱で信号を伝達するため、外来雑音に対して影響を受けやすい方式でした。特に受信していない状態は外来雑音の影響を受けやすかったのです。

更に受信機(超再生方式自体）も雑音に弱い受信回路構成であり受信不能になることがしばしばありました。またシングル方式は1系統の操作制御しかできず、複数制御ができない方式でした。

AM受信機の超再生受信機は搬送波を受信している状態であれば動作は安定していますが、送信機のオンオフのオフ時は復調信号が不安定出力でした。

そこで上図（信号と送信電波）のような送信機側でキャリヤを常に出しトーン変調で信号を伝達する方式が考案されることになります。

更に制御方式を改善し、電波を変調する時のトーン周波数を複数用意し、受信機にトーンデコーダを設けて複数のトーン信号を分離して各サーボを制御する方法が考案されることになります。

いわゆる固定電話で用いられているピ・ポパと同じ方式(DTMF:Dual-ToneMulti-Fre-quency)に近い方式に進歩することになります。

このトーン復調に機械式のリードリレーを用いたものがリード式です。リードリレーは電磁石の上に長さの異なる振動板が多数付いている構成になっており、各振動板は特定の周波数に共振するように設定されています。

所定のトーン信号を電磁石に入れると、それに共振した振動板が振動します。振動板が大きく振動すると電気接点に接触するので電気接点から信号の断続を取り出し、対応したサーボモータが動作する仕組みでした。

リード式になって各舵を独立して操作できるようにはなりましたが、各舵は中立と最大舵しかなく、こまめにスイッチを操作して微妙な姿勢制御をするため飛行機の操縦はかなり難しかったようです。

リード式は複数の操作ができましたが、最初は全てが同時に操作できませんでした。そこでトーン信号の周波数分離を受信側で行い、2操作を同時に制御できる無線機が登場します。

模型飛行機では、縦と横方向の2方向の操縦が同時にできればかなりの曲技演技ができます。縦方向のエンジンコントロール、エレベータ、エレベータトリムとエルロン、ラダーを分けて、この2種類の各1操作のみを同時に操作できるようにしたのです。

シングルのトーンを間欠送信してそのトーンの長さと間隔を変化させることで、比例制御(プロポーショナル)に似たリニア的な動作を実現したプロポが登場します。

数Hzの低周波信号を搬送波に乗せて、受信側で復調後低周波信号を電圧変換してリニアな比例制御を実現したのが「アナログプロポーショナル方式」です。

「デジタルプロポーショナル方式」は。現在のプロポで主流として利用されている制御方式です。

この制御方式を「デジタルプロポーショナル」と呼び、それまでの方式に比べ動作の安定性が優れていました。

具体的には送信機のスティックに連動したポテンショメータやスイッチにより制御データが生成され、無線でデータを受信機に送り受信機で比例制御データをサーボに送るシステムが考案されます。

下図（PPM方式送信機(変調)）はPPM方式を用いる無線機のブロック図です。パルスとパルスの位置間隔で情報を送る方式でアナログ信号をアナログ伝達する方式で、高周波にAM変調やFM変調して通信します。

以前までRCラジコンで採用されていた方式です。下図（PPM方式受信機(復調)）は、受信したパルス位置間隔をサーボチャネルごとにパルス幅として出力するブロック図です。

下図（サーボ信号処理ブロック図）は、サーボ信号処理のブロック図で受信機からの入力パルス幅とサーボの舵角に応じたワンショットパルス幅を比較してパルス幅が等しくなるようにサーボを制御する方式です。

PCM方式は、パルスの位置でサーボの角度情報を送るという、それまでのPPM方式とは異なった技術を採用しています。

下図（通信プロトコル例(通信パケット)）は、無線データパケットの一例です。通信パケットのデータの部分にサーボチャネル番号や位置データ等を入れて送信します。

PCM方式は情報データを符号として伝達していため、雑音が混入して通信パケットをエラーと判定した場合は、誤パケットとして処理してサーボ信号には反映しないため、以前のPPM方式のようにガシャガシャというような雑音的な動作はしなくなり、非常に安定したプロポになりました。

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