近年，小型無人航空機（以下，ドローンまたは UAV あるいは UAS と呼ぶ）の進化と利活用が急速に進んでいる。連日，どこかのメディアに登場して最新の話題を提供している。ここでいうドローンとは明確な定義がされているわけではないが，広く普及している機体重量の観点から，一般的に全備重量約25 kg 以下の小型無人航空機を指している。また機種としてはほとんどがマルチロータヘリコプタであるが，シングルロータヘリコプタや，固定翼機，固定翼と回転翼を併用したハイブリッド機（VTOL 機）等も含む総称である。

筆者はこうしたドローンの自律制御の研究に，構想を入れると四半世紀以上取り組んできた。実際には 1998 年からまずエンジン駆動のシングルロータヘリコプタの自律制御に取り組み，2001 年に日本では最初に約 10 kg クラスのシングルロータヘリコプタの完全自律制御に成功した。その後，2005 年頃から約1 kg 程度のモータ駆動のマルチロータヘリコプタの自律制御や，当時，世界最小・最軽量と呼ばれて大きな話題となった約 12．3 g のピエゾ素子駆動のマイクロフライングロボットの自律制御，さらに，クワッドティルトウイング（QTW）と呼ばれる，約 20 kgのモータ駆動型ハイブリッド機（VTOL 機）の自律制御，約 2～3 kg のモータ駆動のシングルロータヘリコプタ，電動型二重反転ヘリコプタ，電動型マルチロータヘリコプタの自律制御などに取り組んできた。
筆者が行ってきたドローンの自律制御の研究とは，もう少し正確に述べれば「姿勢推定アルゴリズムの研究」と「モデリングと制御の研究」に分かれる。姿勢推定アルゴリズムの研究とは，いかに正確に 3 次元空間を飛翔する飛行体の姿勢を推定するかというアルゴリズムの研究である。モデリングと制御の研究とは，さまざまなタイプのドローンをどのように正確にモデリングするか，そして，固定翼機を除く回転翼機は本来不安定系の機体であるため，風外乱を受ける環境下でいかにロバストな安定化制御を実現するかという研究である。
ドローン工学は，①　機体システム，②　推進システム，③　ガイダンス・ナビゲーション・コントロールシステム，④　通信システム，⑤　地上局システムから構成されており，これらの構成要素には，ハードウエアのみの場合とハードウエアとソフトウエアの両方が含まれる場合とがある。ハードウエアについては時代の進化とともに急速に高性能化されていくのが一般的である。筆者は普遍性を有するソフトウエア，特にドローンの頭脳部であるオートパイロットに代表される自律制御技術に注目して，研究を進めてきた。本書は筆者の研究室で蓄積してきた技術を中心に「ドローン工学入門」としてまとめたものである。
1 章では，クォータニオンを適用した姿勢推定アルゴリズムについてまとめている。2 章では小型無人航空機のモデリングについて，非線形厳密モデリングの導出の観点から，オイラー・ラグランジュの運動方程式，ニュートン・オイラーの運動方程式によるモデリング，線形モデリングの観点から非連成系簡易モデリング，システム同定モデリングの合計 4 つの方法について詳細に述べ，それらを比較することで長所短所を述べている。同時に小型の無人航空機のモデリングに限定すれば，いずれも大差ないことを示している。

3 章では，5 章で用いる最適制御理論，カルマンフィルタ，H ∞制御理論などの代表的な線形制御系設計理論についてポイントを解説している。4 章でも同様に，5 章のための基礎となる非線形制御理論であるスライディングモード制御理論について，オリジナルな研究成果も含めて述べている。

5 章は本書の核心部分であり，筆者の研究室の代表的な研究成果をまとめており，自律飛行制御の実際とモデルベース制御系の検証，および，自律飛行制御の未来について言及している。まず，小型クワッドロータ機の自律飛行制御とフォーメーション制御，シングルロータヘリコプタのモデルフォロイング型スライディングモード制御，世界最小最軽量の二重反転型小型飛行ロボットのモデリングと制御，シングルロータヘリコプタのモデル予測制御によるフォーメーション飛行，小型ヘキサロータ型マルチコプタの自律制御とフォルトトレラント制御，ティルト翼機構を有するクワッドロータ QTW-UAV の自律飛行制御，非 GPS 環境下の自律飛行制御に関して，レーザーSLAM からビジュアルSLAM までを多くのページを割いて詳しく紹介している。
　最後に，大脳型ドローンである「ドローン×AI」の重要性について述べている。そして，超低空間を飛行しなければならない宿命をもつ小型無人航空機は，機体自身の飛行自律性を高度化しても，環境複雑性，ミッション複雑性に大きく依存するため，どのような空間を飛行するのか，どのようなミッションを有するのかを考慮したうえでの，固有の飛行自律性が要求されてくることを強調している。
　
本書は，和書として最初のドローンに特化した専門書であり，ドローンの制御技術の全貌を理解いただけるものと確信している。またドローンの制御に関わる企業の技術者や大学等の研究者には，必携の書と考えている。さらに，基礎的な制御工学を学んだ後，ドローンの制御技術について基礎から勉強したいという大学生，大学院生にも待望の書であると思われる。

ドローン産業は目下，激烈なグローバル競争の中にある。そして，ドローン自身も大脳部分がこれから著しい進化を遂げていくものと想定しているが，小脳部分の制御技術自身はある程度体系化できるレベルに到達してきていると考えている。この小脳部分の体系化という意味で本書が一石を投じることができたのであれば光栄である。本来であればもっと早く出版すべきであったが，コロナ社の熱意にようやく応えることができ関係各位に感謝する次第である。
ドローンの頭脳部であるオートパイロットに特化して，さらにヘリコプタ，マルチコプタのような不安定系をいかに安定化させるかという観点から，モデルベース制御に集中して本書はまとめている。じつは筆者の研究室ではこの20年間，ヘリコプタ，マルチコプタのモデルベース制御に集中的に取り組んできた。その結果，13 名の博士と 30 名の修士が誕生している。本書はこうした当時研究室メンバーだった方々の寝食を忘れた献身的な成果を 5 章にまとめており，ここに謝意を表したい。

2020 年 7 月　野波健蔵