2017 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 |
平成29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つの主要な課題に加えて，新たに取り組んだ課題に対して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に対して実験環境を大きく改良した．特に，安全性を考慮したドローン専用の実験場を新たに構築し，新たな実験環境下において倒立振子安定化実験に成功した．また，制御に必要な情報を機体に搭載されたセンサのみを用いて計測・推定する自律飛行型クアッドロータを新たに製作し，自律安定飛行実験に成功した．
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，マルチロータ型飛行体の構造最適化問題に引き続き取り組んだ．ここでは，これまでに最適化の対象としていたロータ配置構造のクラスの拡張や，ロータを立体的に配置する新たな実験機の製作・実験，最適化のための評価関数の改良を行った．さらに，平成29年度より新たに2つの課題に着手した．1つ目として，マルチロータ型飛行体がモデルの不確かさやロータ間干渉の影響を強く受ける制御対象であることに着目し，飛行時の未知ダイナミクス学習に関する研究に着手した．2つ目として，複数のクアッドロータから成るドローンネットワークに対する協調型位置・姿勢制御問題を考察し，クアッドロータのモデルを陽に考慮した制御手法を提案した．双方ともに，前述の新たなドローン実験場で良好な実験結果を得ている．
さらに，平成28年度より着手している劣駆動性を有する2輪車両系の制御に関する諸問題に対しても順調に成果を挙げた．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
平成29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た．さらに，新たにドローンの制御に関する2つの課題に着手し，これらに対しても成果を挙げている．また，平成28年度より取り組んでいる2輪車両系の制御に関する諸問題に関する研究も順調に進めている．以上のことから，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引き続き取り組む．研究代表者らは，平成29年度に完全自律型の実験機の製作を行い，自律安定飛行実験に成功している．しかし，倒立振子の安定化までには至らず技術的課題が残っているため，この課題の解決に取り組み，完全自律型の倒立振子安定化実験を目指す．
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して3つの課題に着手する．1つ目は，構造最適化に関する研究を進める．研究代表者らは，これまでに最大並進加速度や動的可操作性という物理的な評価指標を用いて構造最適化を行っている．これに対して，構造最適化のパラメータを新たに最適制御則の設計で用いる評価関数と関連付けることで，構造と制御の同時最適化に取り組む．
2つ目として，マルチロータ型飛行体の学習機構を用いた制御手法の考案に取り組む．平成29年度は，ガウス過程回帰と呼ばれる学習機構を導入することで，マルチロータ型飛行体のモデル化できない部分を未知ダイナミクスとして考慮した状態空間モデルの導出に成功している．しかし，制御手法の構築までは至らなかったため，ロバスト制御やモデル予測制御など，得られたモデルと比較的親和性の高い制御則を用いた新たな制御系設計に着手し，検証実験を行う．
3つ目として，耐故障性に優れたマルチロータ型飛行体の考案に新たに取り組む．平成29年度には，準備結果として，現在主流であるクアッドロータやヘキサロータはロータが1つ故障するだけで可制御性が著しく劣化し，安定したホバリング飛行ができないという解析結果を既に得ている．この解析手法を応用し，ロータ故障時にもホバリング飛行が可能な新たな構造の提案や実機の製作，飛行実験に着手する．
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