2022 Fiscal Year Annual Research Report

Modeling of Two-Wheeled Multi-Copters Based on Wind Tunnel Experiment, Adaptive Optimal Control System Design, and Flight Experiment

Research Project

Project/Area Number	18K04196
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	山田学名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40242903)
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)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2023-03-31
Keywords	制御工学 / ドローン / 車輪型ロボット / 飛行ロボット
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。最終年度（2022年度）は、研究課題①～⑥の中で、研究課題⑤と⑥の研究に注力し、壁面接触ながら安定かつ高精度に飛行できる車輪型ドローンの自動制御系に関する新しい設計法を開発し、風などに対する外乱抑制性の新しい評価法を提案し、実機での実験検証も実施した。研究期間全体を通じて、申請書に記載の全ての研究課題①～⑥を達成した。主な研究成果は以下の通りである。まず、小型で軽量な車輪型ドローンの試作機（車輪径30cm、重量1kg）を製作した（研究課題①）。つぎに、接触飛行時の構造物からの反力や劣駆動性などの拘束条件も陽に表現できる新しいダイナミクスモデルを導出し、風洞実験などによりモデルの精度を向上させた（研究課題②）。さらに、空中飛行や地上走行だけでなく、壁面接触した状態で、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できる車輪型ドローンの新しい実用的な自動制御系を開発した。特徴は、従来のオイラー角表現による特異点などの問題点を解決するため、姿勢表現に特殊直交群SO(3) を導入し、3次元位置ベクトルも含めた集合SE(3)に基づき、車輪付きドローンの壁面走行時の新しい軌道追従制御システムの設計法を提案したことである。その結果、空中飛行や地上走行だけでなく壁面走行時における特異点を回避でき、任意の目標軌跡に高精度で追従できることをシミュレーションおよび実機実験検証により確認した（研究課題③～⑥）。