2023 Fiscal Year Research-status Report
接触飛行で高耐風化する車輪型ドローンのモデリングと最適制御設計と壁面打音点検実験
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21K04120
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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) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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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 |
申請者の発明した「車輪型ドローン（マルチコプタ）」は、壁面や天井などの構造物にドローンを押し付け、接触飛行させることで耐風性能を制御できるという画期的な利点をもつ。本研究の目的は、高い耐風性能と高精度の目標値追従性能を達成できる車輪型ドローンの機体設計と自動制御システム開発である。そして具体的な研究目標は、インフラ構造物（例えばビル壁面）の打音点検システムへの応用（打音点検の自動化）である。そのための具体的な研究課題は以下の①～⑥である。研究課題①「風洞実験による車輪型ドローンに対する風外乱のモデリングとデータベース」、研究課題②「ビル壁面打音点検用車輪型ドローンの最適設計と試作機製作」、研究課題③「空中を安定・安全かつ高精度に飛行できる高耐風最適制御系の開発と実験」、研究課題④「壁に接触し安全かつ高精度に飛
行できる高耐風最適制御系の開発と実験」、研究課題⑤「壁面上で安全に障害物回避できる高耐風最適制御系の開発と実験である」。
2023年度は、以下の(1)～(3)のテーマについて研究を実施し成果を得た。(1)実験実証結果の評価に基づいて、ビル壁面打音点検用車輪型ドローンを再設計し、第２号試作機を製作した（研究課題②）。(2)壁面接触時の衝撃を緩和する車輪型ドローンの外乱抑制制御系を開発し、その有用性を実機による実験検証で実証した（研究課題④）。(3)デジタル制御法を応用して、非ホロノミック拘束を回避する車輪型ドローンの障害物回避制御系を開発し、その有用性を実機実験検証で実証した（研究課題⑤）。
以上のように、実際のビル壁面の実証実験での評価に基づいて、飛行時および接触走行に最適な機体と自動制御系の同時開発を行っており、実用的な成果が期待できる。それらの研究成果は2024年5月の日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会などで発表し広く公開する。
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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
2023年度は研究3年目であり、以下の(1)～(3)のテーマについて研究を実施し成果を得た。(1)実験実証結果の評価に基づいて、ビル壁面打音点検用車輪型ドローンを再設計し、第２号試作機を製作した（研究課題②）。(2)壁面接触時の衝撃を緩和する車輪型ドローンの外乱抑制制御系を開発し、その有用性を実機による実験検証で実証した（研究課題④）。(3)デジタル制御法を応用して、非ホロノミック拘束を回避する車輪型ドローンの障害物回避制御系を開発し、その有用性を実機実験検証で実証した（研究課題⑤）。
以上のように、実際のビル壁面の実証実験での評価に基づいて、飛行時および接触走行に最適な機体と自動制御系の同時開発を行っており、実用的な成果が期待できる。それらの研究成果は2024年5月の日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会などで発表し広く公開する予定である。以上のように、本研究は実用化に向けて、順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度に実際のビルの壁面で実証実験した結果、ビル壁面は、多様な形状や材質のタイルが使われており、その形状に合わせた打音機構や壁面走行制御の調整が必要であることがわかった。そこで、2024年度の研究計画は、打音検査の実用化を研究目標として、研究課題①～⑥の中で、主に、研究課題②「ビル壁面打音点検用車輪型ドローンの試作機改良」と研究課題④と⑤の拡張として「壁に接触し、高精度な打音検査を行うための高耐風最適制御系の開発と実験」に取り組むことである。
具体的に、研究課題②では、これまでの実証実験結果の評価を踏まえて、さらなる改良機を製作する。また、高精度な打音検査の実現のため、現場のビル壁面のタイル形状から、最適な打音機構や壁面走行制御を調整できるシステムを開発し、数多くのビル壁面での打音実験で評価し、ビル点検業者や有識者などに意見を伺いながら、実用化に必要とされる要件を検討し、実用化に向けて開発を進める予定である。
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| Causes of Carryover |
上記に記載の通り、申請書に記載の研究課題について、シミュレーションと実験検証では研究目標を達成したが、材料調達に時間がかかり、試作機の改良が十分にできなかった（試作機は２号機のみ製作）ため、次年度使用額が発生した。2024年度では、改良機など、新たな機体製作にも注力する必要があるため、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予定である。
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