損傷や外乱の影響を受けるドローンダイナミクスのリアルタイムモデル化手法の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04918
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 得竹 浩 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (80295716)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 吹きおろし / むだ時間

Outline of Annual Research Achievements

当初計画していた（目標1）故障モデルの定義，（目標2）故障モデルのリアルタイム同定，（目標3）同定に供するためのセンサシステムの開発なかで，本年度は目標3を実施した．
まず市販の小型超音波発信機，超音波センサーをローター下部に配置し，超音波の到達時間から吹きおろし速度を推定するシステムを構築した．音速は媒質の速度に依存するため超音波の到達時間からローター吹きおろし速度を求めることができる．しかし吹きおろし流れはローター回転による乱流により乱されているため，しきい値や波形情報を使う従来の超音波到達時間計測アルゴリズムの適用は難しい．そこで本研究では新たに超音波伝播モデルを構築し，状態オブザーバを適用することで正確に到達時間を計測することに成功した．そこではまず基本的な超音波の送受信実験を行い簡単な超音波伝播モデルを構築し，受信波形が参照信号入力とむだ時間をパラメータとして含む伝達関数で精度よく表現できることを示した．そして超音波の到達時間を伝播モデルに含まれるむだ時間で表現した．さらにむだ時間を状態変数に含む状態空間表現を新たに導出した．むだ時間を推定する手法として，主に評価関数を最小化することでむだ時間を決定する手法がいくつか提案されてきたが，実機への実装するためには計算量の小さなアルゴリズムが望まれる．そこで導出した創出したむだ時間を状態変数に含む状態空間表現に対して拡張カルマンフィルタを用いた状態オブザーバを適用することで，リカーシブなむだ時間推定するアルゴリズムを構築した．これによるむだ時間を推定する計算負荷の小さなアルゴリズムの構築が可能となった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は，計画していた（目標1）故障モデルの定義，（目標2）故障モデルのリアルタイム同定，（目標3）同定に供するためのセンサシステムの開発の中の目標3を実行した．ローター下部に超音波発信機と超音波センサを配置し，超音波の到達時間から吹きおろし速度を推定するシステムを構築した．超音波を使った非接触の風速測定装置は存在するが，吹きおろし流れはローター回転による乱流により乱されており超音波出力の波形も大きな乱れを含む．吹きおろし速度計測に従来の超音波計測の適用は難しかったが，本研究では新たに超音波伝播モデルを構築し，状態オブザーバを適用することで正確に到達時間を計測することに成功した．そこではまず基本的な超音波の送受信実験を行い，受信波形が参照信号入力とむだ時間をパラメータとして含む伝達関数で精度よく表現できることを示した．さらにむだ時間を状態変数に含む状態空間表現を新たに導出した．これにより，状態オブザーバを適用することで，むだ時間を推定するアルゴリズムの構築が可能となった．

Strategy for Future Research Activity

基盤研究(B)（19H02344）で製作したローター損傷実験装置を用いた吹きおろし測定実験を行い，吹きおろし分布およびその時間変動と，ローター損傷の関係を調査する．また，翼素理論・モーメンタム理論を併用してロータ性能を推算する手法を修正し，ロータ損傷時に発生する空気力を表現するモデルを構築する．さらにドローンの運動に注目し，ロータ損傷時の運動モードを運動シミュレーションで解析する．