2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of drones with the capability to fly at low altitudes without downwash and their application to measurement and physical actions
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22H02464
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
延原 肇 筑波大学, システム情報系, 教授 (80359687)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丸山 勉 筑波大学, システム情報系, 教授 (00292532)
山口 佳樹 筑波大学, システム情報系, 教授 (30373377)
河合 新 筑波大学, システム情報系, 助教 (40803549)
林 久喜 筑波大学, 生命環境系, 研究員 (70251022)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ドローン / スマート農業 / 精密農業 / ステレオマッチング / ダウンウォッシュ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
農業分野では、ドローン自身のロータが発する下向きの強力な風（ダウンウォッシュ）が計測時の致命的な外乱となり、圃場上の2から5メートルの超低空域は、ドローンによる計測やサンプルの物理的採取等が極めて困難な未踏の領域となっている。本研究では、飛行中にロータ角度を変化させることで、超低空域を安定飛行でき、かつダウンウォッシュの影響を対象物に及ぼさないドローンを開発することを目的としている。
2022年度は、提案コンセプトを具体的な設計に落とし込み、H型のフレームの4ロータを装備し、長軸シャフト両端の回転によってロータマウントの角度を変化させ、ダウンウォッシュの影響を機体外周に分散させるドローンを設計、開発した。開発した機体の有効性、つまり、ロータマウントの角度の変化によって、ダウンウォッシュの影響をどの程度外周に分散させることができるのか、逆に、機体直下にどの程度の無風空間を創出できるのかを定量的に観測するため、3次元的に機体直下の風速を計測可能な装置を開発し、提案機体構造の有効性を確認している。一方で、提案機体構造によって、機体直下に無風空間を創出できることは明らかになったが、機体の変形によって、フライトコントローラの制御パラメータをそのまま利用できず、変形に合わせた調整が必要であることも明らかになった。
また、2022年度は、機体構造等の設計と並行して、それらが実現した場合の実環境圃場における対象作物の精密観測に関する検討を行った。具体的には、対象作物の高さ方向に関してどの程度の精度まで引き出すことができるのかを調査、および新たなアルゴリズムを提案、その実証を完了することができた。その成果をまとめた論文は、Scientific Report（IF = 4.9）に採択されるに至っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2022年度は、提案コンセプトを具体的な設計に落とし込み、H型のフレームの4ロータ（2重反転プロペラ）を装備し、長軸シャフト両端の回転によってロータマウントの角度を変化させ、ダウンウォッシュの影響を機体外周に分散させるドローンを設計、開発した。このドローンに関しては、当初よりも大型となり、機体直下のダウンウォッシュのふるまいを計測するための環境構築が、通常の体育館サイズの屋内環境をもってしても難しく、設計を大幅に変更することとなった。具体的には、2重反転プロペラをやめ、小型化することで、機体直下のダウンウォッシュの様子を観測可能となった。これによって、2022年度は計画よりも遅れ気味となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
提案する機体構造の設計を大幅に変更し、具体的には、2重反転プロペラをやめ、小型化することで、機体直下のダウンウォッシュの様子を観測可能とする。これに小型化された機体に関する、ダウンウォッシュの定量的な観測、さらに、運動方程式、制御モデルを定式化し、市販のフライトコントローラ（Pixhawk）の制御パラメータを変化させることで、どこまで安定化制御できるのかを、シミュレーションによって明らかにすることで、遅れを取り戻す。
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