2021 Fiscal Year Research-status Report
Object throwing using self-rotating energy without translational motion by unmanned aerial vehicle
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20K14707
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 無人航空機 / 機械学習 / 動作生成 / 制御理論 / 飛行制御 / ドローン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、無人航空機（以下、無人機）の高速自転によって発生する回転運動エネルギーを利用することで、位置変動を伴わない物体投擲（空中定点スピン投擲）を実現することである。これによって並進運動・火薬・投射器の必要なく無人機からの物体の投擲を可能とする。回転エネルギーを利用した空中定点スピン投擲によって、無人機がこれまで実現できなかった任務の遂行が可能となり、無人機の適用範囲を拡大する。さらに無人機の高速回転状態を維持する制御理論を構築することで、有人航空機のスピン状態からの回復など、航空機の安全性向上にも貢献することを目指す。これらを実現に向けて2021年度は以下の課題に取り組んだ。
まず2021年度までに構築した回転運動が既知の場合に、空中で回転状態のまま位置・姿勢の制御を可能とする制御理論の検証を行うため、開発した三軸回転試験装置を用いて試験を行った。機体の回転運動を周期関数で表し、それらの周期関数と遅延時間等を考慮してアクチュエータの出力を周期的に変えることで、回転状態を維持したまま、無人機が任意の姿勢を維持可能であることを実験を通して確認できた。
さらに操縦者が予期しない回転状態（きりもみ状態など）に対しても本制御を適用するため、機体の回転運動の計測、解析するための運動分類器の開発を行った。回転試験装置を用いて、複数の姿勢軸が連成した回転状態を模擬し、回転運動データを計測・蓄積した。そして蓄積したデータを用いた機械学習による回転運動の分類器を開発した。
また風洞試験により取得した空力データを、ニューラルネットにより近似して無人機の動力学シミュレータに適用することで、無人機の飛行を精度よく、かつ高速に模擬可能とした。これによってシミュレータは無人機の様々な研究に適用可能となり、シミュレータの活用についても論文等で報告を行うことが出来た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は、空中で高速回転運動を維持するための制御理論と回転状態の運動分類器を無人機に実装し、高速回転状態でのホバリング飛行試験と、運動分類器を用いた飛行中の回転運動の分類、さらに動力学シミュレータの高度化を行う予定であった。
回転状態が既知の場合に、無人機の高速回転運動を維持し続けることが可能な制御理論を無人機に実装し、回転試験装置を用いた高速回転状態の維持と、回転状態での姿勢制御を行うことに成功した。しかしモーションキャプチャを用いた屋内飛行実験装置に不具合があり、回転状態を維持したままのホバリング飛行試験が行えなかった。
また運動分類器を開発するため、昨年度開発した三軸回転試験装置を用いることで、さまざまな回転運動のデータを蓄積し、蓄積データと機械学習を用いた分類器を開発した。しかし開発した分類器では、二軸以上の回転が連成した状態では正確に運動を分類できない場合があり、かつ試験装置に不具合により、飛行させている状態での回転運動の解析を行うことが出来なかった。
一方で、動力学シミュレータについては、予定通り高度化することができている。
そのため結果として研究全体としては、やや遅れ気味と区分した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、2021年度に実施できなかった高速回転運動を維持するための制御理論を実機に実装しての実証試験を優先的に行う。また回転状態の運動分類器の精度向上を行い、二軸以上の回転運動が連成している状態での運動分類を高精度で行えるようにすることを目指す。そして回転運動の分類器と、制御理論を組み合わせることで、回転状態が未知の場合でも、無人機自身が回転状態（周期、回転軸等）を解析し、回転状態を維持したままの飛行を行うことを目指す。
さらに2022年度から、無人機による物体の投擲動作理論の構築も開始する。投擲の動作を複数の回転運動の重ね合わせにより表現することで、並進運動を伴わない投擲動作を実現する。また任意のタイミングで投擲物を開放するための把持装置についても開発を開始する。
そして2022年度は、それまでに開発した制御理論を統合し、高速自転によって発生する回転運動エネルギーを利用した位置変動を伴わない物体投擲を実演することを目指す。
また論文投稿、学会発表も積極的に行う。
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