| Project/Area Number |
22K14280
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 21040:Control and system engineering-related
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
川口 夏樹 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (90824392)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 消費電力モデル / 入力冗長系 / 分配器設計 / 適応制御 / 故障診断 / 零空間補償制御 / 耐故障制御 / 故障診断系 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究課題は、全輪駆動電気自動車や6つ以上のロータを備えたドローンなどの入力冗長系を対象とする。
入力冗長系では、複数の駆動源が発揮する力が互いに打ち消しあい、余分なエネルギー消費や機器摩耗を引き起こす可能性がある。その一方で、これらの相殺力を積極的に利用して故障診断を行うことも可能である。
そこで本研究では、冗長系の相殺力をオンラインで適切に管理する冗長性統合制御システムを提案する。これにより、余分なエネルギー消費や機器摩耗の極めて少ない高効率制御ならびにアクティブ故障診断・故障補償による高信頼性制御の両立を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題「入力冗長系の高効率・高信頼性制御を実現する冗長性統合制御システム設計」は，複数の冗長な入力系統（アクチュエータ）を有する電気-機械システムを対象として，冗長性を積極的に活用した高効率と信頼性を両立する制御系設計法の確立を目指すものである．
2023年度は，冗長ドローンにおけるモータの消費電力を考慮した制御則の検討や，エネルギー最適化を行うための分配器設計を行った．またプラズマを利用した薄膜製造装置における圧力とガス流量など，冗長駆動関係にある他の電気-機械系における冗長性の取扱い方法についても検討を行い，それを活用した制御設計および実験を行った．前述の一部を具体的に述べると，ドローンに実際に使用されるブラシレスDCモータとESC（電子速度制御器），およびプロペラの組み合わせを用いて実験を行い，回転数と発生揚力，端子間電圧を計測した．この計測値とロータの等価回路をもとにロータの消費電力モデルを構築し，これに基づいた制御則や制御分配器について検討を行った．これらの検討の結果として，冗長ドローンにおける消費エネルギーのほとんどを占めるロータの消費電力についての数理モデルや，その数理モデルを考慮した制御システムを構築する上での知見が得られた．これらの成果の一部を雑誌論文や国内会議にて発表している．
次年度以降は，これらの成果を踏まえて冗長ドローンにおける高信頼性と制御性能を両立した制御システムを構築し，またトレードオフ関係にあるこれらの性能の配分を運転動作中に適切に調整可能な統合制御システムを構成する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究課題遂行のため，今年度は主として（1）ドローンに使用される駆動電装の消費電力の特性把握に必要となる実験装置の構成，（2）実験結果に基づいたロータ消費電力モデルの構築，（3）プラズマCVD装置における複数chガス流量-チャンバ内圧力-真空ポンプ出力における冗長性の取扱い検討とその制御への応用，の3点について研究を遂行した．
上記（1）について，冗長系の一対象であるドローンに通常用いられるロータ電装系（モータ，ESCとプロペラの組み合わせ）を用いた推力計測装置を構成し，ロータの推力と回転数，端子間電圧の測定実験を行った．次に（2）として，この実験結果からロータの消費電力モデルを構築し，冗長系における消費電力を最適化するための制御・分配器設計に繋がる知見が得られた．今後は知見を活かし，オンラインで対象の健康状態を把握し，それを信頼性・効率性のトレードオフ配分へ反映する制御システムの構築に活かすことを目指す．また上記（3）については，より複雑な電気-機械系における入力冗長性のモデリングや取扱いについて検討するため，薄膜生成に用いられるプラズマCVD装置における複数chガス流量とガス圧力，真空ポンプ出力の間に存在する冗長関係について調べる実験を行った．ここで得られた知見を制御設計に活かし，冗長性を適切に用いた制御系設計を行った．
これまでの進捗により，高効率制御において重要なロータの消費電力モデルやそれを用いた分配器設計，より複雑な電気-機械系における冗長性のモデリングや取扱い条件など高信頼性制御に必要な発展的な成果が得られた．次年度はこれらの成果をもとに，高効率性と高信頼性のトレードオフ設計のための理論構築や検証実験を実施することを計画する．
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は，前年度に引き続いて課題解決に重要な消費電力モデル構築や複雑な電気-機械プラントにおける実験を通して入力冗長性のモデリングや特性把握についての研究を実施し，概ね期待通りの成果を得ることができた．今後の研究の推進方針として，（1）理論検証のための実験装置の設計と実験を実施し，（2）オンラインで高信頼性と高効率性を適切に調整可能な意思決定系（冗長性管理システム）の理論構築を引き続き進める．
前者として，デスクトップや研究室内での実験が容易な冗長小型ドローン装置の構築を検討する．具体的にはモータ間寸法が100～150mm程度で重量100g未満の大きさのドローン装置を設計製作し検証実験の簡易性・フィードバック周期の高速化を図る．この小型実験装置を製作するうえで，製品として入手可能なトイドローンや小型ドローンを参考に，構造や電装系・フライトコントローラを検討する．
また後者として，冗長系における高効率性と高信頼性のトレードオフ特性をオンラインで適切に調整する冗長性管理システムの理論構築を進める上で，代表者らの構築した零空間補償制御をベースに，冗長アクチュエータの健康状態を適切に把握するための監視系を用いることを検討する．この監視系では，冗長駆動系の健康状態を定量的に把握する機能と，それに対応した方策を決定する機能が必要となるため，それぞれ個別に検討したのち統合的な開発を行う．
これらの（1），（2）の方策を進めることにより，提案理論が実現可能な要件や計算量，実験が可能かどうかを常に考慮し，実験結果を適宜フィードバックすることで理論構築に活かす．
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