2017 Fiscal Year Research-status Report

位置姿勢を独立して制御可能な冗長系無人航空機による高精度空中マニピュレーション

Research Project

Project/Area Number	17K14634
Research Institution	Japan Aerospace EXploration Agency
Principal Investigator	大瀬戸篤司国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (10775703)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	ドローン / マニピュレータ / 制御理論 / 飛行制御 / 最適化 / 産業用ロボット / Unmanned Aerial Vehicle
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は、位置と姿勢を任意に制御可能な無人航空機（以下UAV）とロボットハンドの組み合わせにより、UAV全体をマニピュレータ化し、作業範囲に制限がない空中マニピュレータを実現することである。空中マニピュレータの実現には、空気力を考慮した冗長多リンク系UAVの高精度制御理論、作業動作を空中マニピュレータの手先軌道へ変換するアルゴリズムが必要となる。平成29年度はそれらを実現するために以下の課題に取り組んだ。空中マニピュレータにより高精度な作業を実現するためには、アクチュエータを正確に制御する必要がある。そこで空中マニピュレータの一部であるUAVにおいて、プロペラの回転数とローターチルト角を正確に制御するシステムを構築した。またロボットハンドは重量増加を回避しつつ把持などの作業を実現するために、1つのアクチュエータで多指を開閉可能なハンドを開発した。さらに開発した空中マニピュレータのモデリングを行った。三次元運動方程式の導出とアクチュエータ及び実験システム（遅れなど）を優先的にモデル化し、静的な飛行で必要となるモデルを得た。空中マニピュレータは先行研究が少ないため、どのような制御理論が適切かということを十分検証する必要がある。そこで検証のための三次元シミュレータの開発を行った。システムの時間遅れや空力パラメータを自由に変更可能とし、モーションキャプチャシステムとも連接することで、実際の飛行とシミュレーションを連動可能とした。構築したモデルをシミュレータに実装し、空中マニピュレータのための制御理論の構築を行った。任意の姿勢で飛行する時に、消費エネルギを最小化するような推力、チルト角を決定する飛行エネルギ最小化理論を構築した。そしてシミュレータ上で理論の検証を行い、任意の姿勢において最小エネルギで飛行するが可能であることを確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 平成29年度はシミュレータ開発及び制御理論の構築は順調に進行した。しかし機体開発とモデリング作業において遅れが発生し、当初予定していた試験が行えなかったため、全体としては、やや遅れ気味である。また、予定していた論文投稿、学会発表が行えなかった。当初予定では、29年度中に飛行試験を行う予定であったが、アクチュエータ選定及びUAV設計に時間を要したため、飛行試験が行えなかった。しかし、その結果として設計要求を満たすような屋内飛行に適したコンパクトかつ高性能な冗長多リンク系UAVを開発することができた。また全体モデリングの中の空気力学モデルの部分においては、風洞試験が行えず動的な空力データの取得が行えなかったため、無風状態での推進機のモデリングにとどまった。その他のアクチュエータや実験装置全体の遅れモデルについては予定通りモデル化ができている。
Strategy for Future Research Activity	平成30年度は29年度に実施できなかった飛行試験を優先的に実施する。まず飛行試験を通して空中マニピュレータの飛行特性を解析し、構築したモデルが正しいことを検証する。次に29年度に構築した制御理論の評価を行うとともに、構築した制御理論を拡張させ、空中マニピュレーションのための位置姿勢誤差を最小化する制御理論の構築に取り組む。モデル構築では、動的な空力データの取得を行い、29年度に構築したロボットモデルの高精度化を行う。また30年度から、作業動作を空中マニピュレータの手先軌道に変換するアルゴリズムの開発を開始する。地上マニピュレータによって実際に行われている作業を解析し、作業のための位置・姿勢・速度・作業力・作業トルクを求める。そして作業中に発生する空気力、システムの遅れを考慮したうえで、効率的な空中マニピュレータ手先軌道に変換するアルゴリズムを構築する。29年度に動的な空力データを取得できなかったため、30年度はまず動的な空力データが不要な、比較的ゆっくりとした作業動作にターゲットを絞り、開発した空中マニピュレータで実際に作業を行わせることを目指す。平成31年度からは、空中マニピュレータの対象とする作業の範囲を広げ、30年度までに行っていた作業よりも高速、高精度な飛行が必要なものについて空中マニピュレータで実現することを目指す。また、前年度までに開発した制御理論とアルゴリズムの検証・改良を随時実施し、実環境の利用に対する耐久性の高い理論構築を行うまた論文投稿、学会発表は本年度より積極的に行う。