2016 Fiscal Year Annual Research Report
重力場における劣駆動システムの可制御性構造解析と制御
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16H04383
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
三平 満司 東京工業大学, 工学院, 教授 (00196338)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中浦 茂樹 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (20323793)
伊吹 竜也 東京工業大学, 工学院, 助教 (30725023)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 制御工学 / 機械力学・制御 / 劣駆動系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2016年度は，当初の計画にあった重力場における制御に関する2つの主要な課題に対してそれぞれ順調に成果を挙げた．まず，「重力場を活用した双線形システム表現に基づく新たな最適制御手法の提案と性能解析」を目的として，クアッドロータによる倒立振子安定化問題を考察し，従来の提案制御則に対する双線形性に基づく制御性能解析や実験環境の構築・改良を行った．特に，新たに構築した3次元飛行体に対する実験環境により，飛行体の検証実験を安定して行えるようになったことが大きな成果である．つぎに，2つ目の課題である「可制御性構造解析に基づく最適なドローンの開発と制御」に対して，6つのロータを有するヘキサロータの構造最適化問題に取り組んだ．ここでは，これまで対象としていたヘキサロータ構造のクラスを拡張し，より自由度の高い構造最適化手法を提案した．また，実機の製作，飛行実験にも成功し，製作した機体に対して重力場を活用したヘキサロータの切替位置・姿勢制御手法を新たに提案した．
さらに，上記の主要課題に加えて，2016年度より新たに2種類の課題に取り組んだ．1つ目として，代表的な劣駆動システムである2輪車両系に対して，実際の応用を意識したダイナミクスを陽に考慮した位置・姿勢制御則や単一カメラによる視覚情報に基づく位置・姿勢制御手法を新たに提案した．2つ目の課題では，非線形システムの座標変換問題に取り組み，動的フィードバックを用いたフィードバック線形化手法や，状態制約を有する非線形システムに対する状態方程式を保持する変換手法を新規に提案した．これらの提案手法は，実用的な劣駆動システムである2輪車両系やクアッドロータモデルに適用可能であり，制御則の構築が容易になることが期待される．
以上の成果は，複数の学術論文，多くの会議論文に採択され，学術的に意義が認められている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2016年度は，当初の計画の通り重力場における制御に関する2つの主要な課題に対してそれぞれ順調に成果を挙げている．さらに，当初の計画にはなかった2輪車両系に対する位置・姿勢制御則，非線形システムに対する座標変換手法を新規に提案していることから，本研究は当初の計画以上に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，「重力場を活用した双線形システム表現に基づく新たな最適制御手法の提案と性能解析」を目的として，クアッドロータによる倒立振子安定化制御の改良に取り組む．申請者らは，既に最適制御則の提案および実機実験を行っているが，現在の実験環境では制御に必要な情報を外部センサを用いて取得しており，実用的なシステムであるとはいえない．これに対して，実機に搭載されたセンサを用いて必要な情報を取得するように実験環境を改良する．これに伴い，制御則に直接観測不可能な情報を推定する機構を導入することを検討しており，この機構を取り入れた新たな制御則の提案や収束性解析，シミュレーション・実験検証を目指す．
つぎに，「可制御性構造解析に基づく最適なドローンの開発と制御」を目的として，マルチロータ型飛行体に対する構造最適化に関する研究を進める．申請者らは，これまでに最適化問題の基本的な評価指標として最大並進加速度や動的可操作性のみに着目していたが，様々なタスクに応じた新たな評価指標の考案や得られた構造に対する制御性能解析として可制御性の度合いを示す可制御度の解析を目指す．さらに，現状の成果では強い対象性を有するヘキサロータのみに限定して考察していることを鑑み，非対称構造を有するヘキサロータやロータ数を増やしたオクタコプターの構造最適化に取り組み，これらの実機の製作も行う．
また，新たに重力場におけるドローンのモデル学習を用いた制御手法の考案も検討している．飛行体であるドローンは，その機構の複雑さによるモデルの不確かさや風による外乱の影響を強く受ける制御対象であり，その解決手法の考案が重要な課題である．これに対して，試行に基づく学習機構の導入によりこれらのモデル化できない部分を補償する手法の考案を試みる．特に，ドローンは重力場の影響を強く受けるため，重力場ならではの課題や知見の獲得を目指す．
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