2013 Fiscal Year Research-status Report
実用追従制御法に基づいた外乱とノイズに強い飛行船の最適制御系の設計と屋外飛行実験
| Project/Area Number |
25420435
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
|
| 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)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 制御工学 / 航空宇宙工学 / 飛行船 / 実用追従 / 最適制御 |
|---|
| Research Abstract |
本研究の目的は、屋外飛行のための実用的な飛行船の自動航行制御システムを開発し、屋外飛行実験により有用性を実証することである。この鍵となる制御法が「実用追従制御法」であり、追従誤差を零でなく、任意に与えられた値以下に保証することを目的とする。本研究代表者は、この手法により制御対象の非線形性・非ホロノミック性を緩和できることに着目し、車両型ロボットなどの簡単な非線形系に応用した。さらに非線形系の制御問題をある簡単な線形系の制御問題に帰着させ、目標値追従を達成する低ゲインフィードバック補償器の設計に成功した。以上の背景の下、平成25年度はつぎの2点を明らかにした。
・実用追従制御系の設計と最適化：
まず、本応募者が提案した車両型移動ロボットの実用追従制御法を、３次元空間で運動する飛行船に拡張し、目標値追従を達成する低ゲインフィードバック補償器を設計した。つぎに、評価関数と入力変換の工夫により、飛行船の非線形最適制御問題を、ある線形系の標準的な最適制御問題に帰着させ解き、過渡応答と制御入力を最適化した。同定実験により得られた小型飛行船の物理パラメータに基づいた数値シミュレーション実験を行い、有効性を検証した。
・屋外用飛行船の改良・データ解析・同定・評価：
まず、屋外実験用飛行船（現有設備）について、アクチュエータやセンサの種類・数量・配置などを再検討し、高い運動性と風などの外乱に強いシステムの設計を行った。その後、屋外用実験機に必要なパラメータ（飛行船や翼の空力係数など）の同定を飛行実験などにより求め、同時に、飛行船の運動テータの取得とコンピュータシミュレーションによる解析を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の主な研究目的は、①実用追従制御系の設計と最適化と②屋外用飛行船の改良・データ解析・同定・評価の２点である。第一の目的である、「実用追従制御系の設計と最適化」については、交付申請書に記載の通り、まず、本応募者が提案した車両型移動ロボットの実用追従制御法を、３次元空間で運動する飛行船に拡張し、目標値追従を達成する低ゲインフィードバック補償器を設計した。つぎに、評価関数と入力変換の工夫により、飛行船の非線形最適制御問題を、ある線形系の標準的な最適制御問題に帰着させ解き、過渡応答と制御入力を最適化した。最後に、同定実験により得られた小型飛行船の物理パラメータに基づいた数値シミュレーション実験を行い、有効性を検証した。一方、第二の目的である、「屋外用飛行船の改良・データ解析・同定・評価」については、交付申請書に従い、アクチュエータやセンサの種類・数量・配置などを再検討し、高い運動性と風などの外乱に強いシステムの設計を行った。その後、屋外用実験機に必要なパラメータの同定を飛行実験などにより求め、同時に、飛行船の運動テータの取得とコンピュータシミュレーションによる解析を行った。以上の理由により、おおむね順調に進展していると評価した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後は予定通り、提案法の実用性の向上のため、４元数に基づいた制御系の設計に関する研究（姿勢角に4元数表現を導入し、運動範囲を広げ、大域的な目標値追従と外乱抑制を達成する補償器を設計する研究）と未知風外乱適応制御系の設計に関する研究（ヘリコプター用に本応募者が提案した手法を改良し、未知の風外乱をオンライン推定・抑制し、飛行船の揺れを抑えながら、目標軌跡追従を達成する実用追従制御系を設計する研究）を実施し、飛行実験検証を行い、理論と実機を同時に見直しながら研究を進めていく。
また、平成２５年度の研究中、今回研究している「実用追従制御法」に関して、研究してみて初めてわかった知見がいくつかあった。その重要な一つが、飛行船の姿勢の応答と目標軌跡の関係である。「実用追従制御法」は、任意に与えられた値以下に保証する新しい制御法で、制御対象の非線形性・非ホロノミック性を緩和できる利点を持つ。しかし、追従偏差は零ではないため、目標軌跡とフィードバックコントローラのパラメータの与え方により、飛行船の姿勢が振動的になる問題点をもつ。今後は、実用上の向上のため、このように新たなわかった問題点も研究課題に含め、交付申請書に記載のスケジュールで解決法を研究していく予定である。
|
