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Development of autonomous drones based on compound-eye procedure and three-dimensional observation network by multiple drones

Research Project

Project/Area Number 20H02354
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

Hokamoto Shinji  九州大学, 工学研究院, 教授 (80199463)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂東 麻衣  九州大学, 工学研究院, 教授 (40512041)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Keywords自律航法 / オプティックフロー / 運動推定 / 距離推定 / ドローン群ネットワーク / 強化学習 / 自律飛行システム / ドローン / 障害物検知 / 障害物回避 / 観測ネットワーク / 障害物検知・回避 / 自律システム
Outline of Research at the Start

本研究では、昆虫の複眼システムを模倣した工学システムについての研究を発展させ、障害物が存在する空間においてもドローンが自在に飛行できる完全自律型の航法誘導システムを開発する。これは、ドローンに搭載された画像センサから、ドローンの飛行状態、周囲にある障害物までの距離、障害物の形状を高速に推定するシステムである。さらに、自律飛行するドローンを空中プラットフォームとして捉え、複数の自律ドローンを用いて、これまでにない能動的3次元観測ネットワークを構築する。

Outline of Final Research Achievements

For development of autonomous drones, experimental research has been conducted by using PX4FLOW sensors to estimate both vehicle’s motion-variables and distances to obstacles. First, the relationship between the accuracy of optic flow and obstacle-distance has been investigated. Then, by utilizing two PX4FLOW sensors, it has been shown that simultaneous estimation for motion-variables and obstacle-distance is possible. The simultaneous estimation from one camera-image has been also experimentally investigated. Furthermore, by utilizing multiple autonomous drones, this research has discussed how to develop effective observation networks for various missions. A design procedure by applying policy-based strategy to a reinforcement learning has been considered, and it shows that the developed drones-network is effectively adaptable for the drone-number change.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

昆虫の複眼システムを模擬したWFI of optic flowという手法で、飛行体の運動変数と障害物までの距離を同時に推定できるシステムの構成法を示し,その特性を実験的に調べた。これは、小型・軽量・低消費量のセンサと低計算能力のPCで構成されるため、搭載システムだけで障害物がある空間を自在に飛行できる自律ドローンの実現に極めて有用なシステムである。また、ドローン群による観測ネットワークについては、実ミッションで大きな問題となるドローン数の変化に対応できるシステムの設計法を示しており、将来の広域探査システムや被災地での通信網確立に向けて有用である。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Autonomous flight system for drones based on Wide-Field-Integration of optic flow2021

    • Author(s)
      平岩央光,坂東麻衣,外本伸治
    • Journal Title

      Proceedings of the Japan Joint Automatic Control Conference

      Volume: 64 Issue: 0 Pages: 310-314

    • DOI

      10.11511/jacc.64.0_310

    • NAID

      130008127938

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Journal Article] Construction of 3D Observation Drone Network Using Reinforcement Learning2021

    • Author(s)
      Ryota Maikuma, Mai Bando, Shinji Hokamoto
    • Journal Title

      Proceedings of the 30th Workshop on JAXA Astrodynamics and Flight Mechanics (in press)

      Volume: -

    • NAID

      120007026292

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Obstacle Shape Estimation by Wide-Field-Integration of Optic Flow2020

    • Author(s)
      Xiaoxu Feng, Mai Bando, Shinji Hokamoto
    • Journal Title

      Proceedings of the International Symposium on Electric Aviation and Autonomous Systems 2020

      Volume: - Pages: 93-96

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Adaptive Dispersion Network of Multiple Drones Based on Reinforcement Learning2024

    • Author(s)
      Ryota Maikuma, Tenta Kawai, Mai Bando, Shinji Hokamoto
    • Organizer
      The 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 複眼視覚航法による運動推定精度の改善に向けた実験的研究2023

    • Author(s)
      本田悠樹, 坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      第66回自動制御連合講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 複眼視覚航法を用いた運動推定における障害物の影響の低減2023

    • Author(s)
      岡林竜一郎, 坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      日本航空宇宙学会西部支部講演会(2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Altitude Estimation by Wide-Field-Integration Optic Flow2022

    • Author(s)
      Hiromitsu Hiraiwa, Mai Bando, Shinji Hokamoto
    • Organizer
      Proceedings of the 33rd Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 複眼視覚航法を用いた小型無人航空機の運動・距離推定2022

    • Author(s)
      本田悠樹, 坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      第65回自動制御連合講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 強化学習を用いた3次元観測ドローンネットワークの構築2022

    • Author(s)
      毎熊良太,坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 複眼視覚航法に基づく小型UAVの自律システムについて2021

    • Author(s)
      平岩央光,坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      第64回自動制御連合講演会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 強化学習を用いた3次元観測ドローンネットワークの構築2021

    • Author(s)
      毎熊良太,坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      第8回 制御部門マルチシンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 強化学習を用いた3次元観測ドローンネットワークの構築2020

    • Author(s)
      毎熊良太,坂東麻衣,外本伸治
    • Organizer
      アストロダイナミクス・シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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