2020 Fiscal Year Research-status Report
風洞実験に基づいた車輪型ドローンのモデリングと適応最適制御系設計と飛行実験実証
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18K04196
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山田 学 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40242903)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仲野 聡史 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30847893)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 制御工学 / ドローン / 車輪型ロボット / 飛行ロボット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請者は、車輪型の保護フレームを付けた車輪型ドローンを2013年に発明し、これまで、壁面や天井などの構造物に接触しながら飛行し、狭い場所でも安定かつ正確に移動できる車輪型ドローンを開発してきた。本研究の目的は、構造物に接触しながら目標値に高精度で追従飛行できる車輪型ドローンの自動制御システムの開発である。
2020年度は、研究３年目であるため、当初の予定通り、2018年度と2019年度の研究成果を応用して、研究課題①～⑥の中で、研究課題⑤の「壁や天井などに接触し安定かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」と、研究課題⑥の「風速・風向をオンラインで推定し最適に飛行できる適応制御系の開発と実験」に着手した。
2020年度の研究実績は以下の通りである。課題⑤については、壁や天井などに接触した状態で、空中で安定に静止でき、壁面上に指定させた任意の目標軌跡に高精度で追従する車輪型ドローンの自動制御系を設計・開発した。研究方法は、まず、壁面接触飛行するドローンのダイナミクスをオイラー・ラグランジェ方程式を用いてモデリングした。次に、本研究申請者の提案する「厳密な線形化手法」の理論を適用し、飛行状態のドローンに応用することで、モデルベースの目標値追従制御系を設計した。そして、シミュレーションにて、本研究の目標である、位置追従精度20cm以内の目標値追従性能を確認した。一方、課題⑥についても、課題①から⑤の成果を応用して、風速・風向など測定困難な外的環境因子を機体の運動からオンラインで推定し最適に制御する適応制御システムを開発した。シミュレーションにて、本研究の目標である、風速5m/s程度の風外乱下での定常位置偏差20cm以内の高精度追従性能を確認した。計画通り順調に進んでいる。
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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
本研究課題では、構造物に接触しながら目標値に高精度で追従飛行できる車輪型ドローンの自動制御システムの開発を研究目的とし、これまで3年間にわたり、申請時に研究計画に記載した6つの研究課題を計画通り解決してきた。第一に、研究課題①として、「小型・軽量、墜落しても壊れにくい車輪型ドローンの試作機製作」を行い、その試作機を用いて、研究課題②として、「風洞実験による風外乱下での車輪型ドローンの推力特性の解析とモデリング」を実施した。そのモデリング成果に基づき、実用的な自動制御系の設計法について研究し、具体的には、研究課題③として、「空中を安定・安全かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発」、研究課題④として、「地上を安定・安全かつ高精度に走行できる自動制御系の開発」、研究課題⑤として、「壁や天井などに接触し安定かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発」、研究課題⑥として「風速・風向をオンラインで推定し最適に飛行できる適応制御系の開発」を遂行し、当初の研究計画に記載した本研究の定量的な飛行性能目標を達成できることをシミュレーションにて確認できた。
ただし、2020年度では実機を用いた実験がコロナの影響で十分に実施できなかったため、2021年度では、十分な飛行実験を実施した上で制御性能を評価し、必要ならばモデリングや制御システムを改良する予定である。
以上のように、実験実証・評価および改良以外、当初の計画通りおおむね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の研究計画は、研究課題①～⑥の中で、研究課題⑤の「壁や天井などに接触し安定かつ高精度に飛行できる自動制御系の開発と実験」と、研究課題⑥の「風速・風向をオンラインで推定し最適に飛行できる適応制御系の開発と実験」の飛行実験と性能評価に取り組むことである。とくに研究課題⑥では、これまでの研究課題①～⑤の成果を応用し、風速・風向など測定困難な外的環境因子を機体の運動からオンラインで推定し最適に制御する実用的な適応制御システムを開発する。
上記の「現在までの進捗状況」に記載の通り、課題⑤や⑥の成果について、シミュレーションでは研究計画に記載した飛行性能目標を達成しているが、実機を用いた実験を十分に実施していないため、2021年度では、実験実証と性能評価に注力し、必要ならばモデリングや制御システムを改良し、実用的な制御システムの研究を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
「現在までの進捗状況」に記載の通り、申請書に記載の研究課題について、シミュレーションでは研究計画に記載した飛行性能目標を達成したが、コロナによる影響で、実機を用いた実験などを十分に実施できなかったため、次年度使用額が発生した。2021年度では、実験実証と性能評価と実用化のための実機および制御システムの改良に注力するため、実験環境の構築と実験に必要な機材の購入（実験機は本研究室で自作することから、機体製作に必要なカーボン板、プロペラやモータ、フライトコントローラやリチウムポリマーバッテリなどの購入）、および成果発表による学会参加費に使用する計画である。
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Research Products
(2 results)
