プロペラに替わるチルトスラスト推進機構を搭載した安全ドローンの研究
| Project/Area Number |
21K18695
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
延原 肇 筑波大学, システム情報系, 准教授 (80359687)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河合 新 筑波大学, システム情報系, 助教 (40803549)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
|
| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
|
|---|
| Keywords | ドローン / コアンダ効果 / UAV / 流体シミュレーション / 自己組織化マップ / チルトスラスト機構 / 制御モデル |
|---|
| Outline of Research at the Start |
世界的なドローンブームが落ち着き、冷静な視点からドローンの利活用について見直しが行われている。特に、人の手などがドローンのプロペラに接触することで怪我をする事故が後を絶たないことから、安全対策への注目が集まっている。本研究では、プロペラを用いない推進機構を搭載したドローンを開発するための、推進機構の搭載方法から、それに基づく制御理論を新たに構築する。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ドローン利活用をポジティブに推進するための対策として、機体構造および制御設計を抜本から改善した安全ドローンを提案することである。すなわち、リスク要因の大半を占める回転推進機構（プロペラ）を使わずに、コアンダ効果による推進機構を採用した新たなドローンを提案する。
今年度は、このドローンの推進機構を、流体シミュレーションと実環境での実装結果とのデータ同化を融合した自己組織化マップによる最適設計を行うことに注力した。スラスト機構に関しては、調整可能なパラメータが多数存在し、それぞれを変化させた場合に得ることのできる推力および推進機構自体の重量が変化する。基本的には、推力を最大化し、さらに推進機構自体の重量を最小化することが望ましいが、この最適化問題を解析的に解くことは難しく、流体シミュレーションおよび3Dプリンタを使って実機を作成し評価するといった試行錯誤が必要となる。一方で、3Dプリンタによる実装は、1候補あたり数日、流体シミュレーションに関しても、1候補あたり数時間必要となる。
本研究では、このような計算時間のコストの観点から、あらゆる設計変数の組み合わせが調査困難である問題を解決するため、実際に試行できる組み合わせだけを使って、設計候補の探索空間全体をマクロに視覚化し、最適な候補を絞り込むことのできる、自己組織化マップに基づく設計手法を提案している。特に、本研究で提案する手法が優れている点は、単に機械的に最適化するのではなく、相反する目的変数（推進機構の推力と重量）をそれぞれ考慮できるように視覚化しながら、設計側の融通を反映して候補の絞り込みを行うことできる点でもある。
本研究によって提案した手法によって得られた最適候補が、重量推力比（スラスト機構自身の重量と、推力の比率、これが1.0以上で浮上）が約10程度を実現することを、実機実装および計測によって確認している。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、順調に進展している。特に、最適化された推進機構によって、重量推力比が当初の想定以上の値となっており、この点からも順調という結論になっている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は、推進機構を従来のドローンのように4箇所、垂直方向に噴出するように搭載した場合、可制御性を失ってしまうため、これを解消するために、噴出方向に角度をもたせたチルトスラスト機構を有するドローンを設計する。チルトスラスト機構の角度は、積載重量や運動性能のトレードオフを行う変数となっており、運動方程式の導出、数理モデルの解析、そしてシミュレーションに基づく角度の最適化を行う予定である。また、最適化された機体を3Dプリンタ等によって実装、機体の浮上および飛行実験を実施する。
|
Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
