| 研究課題/領域番号 |
23K20943
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| 補助金の研究課題番号 |
21H01348 (2021-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2021-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21040:制御およびシステム工学関連
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
三平 満司 東京工業大学, 工学院, 教授 (00196338)
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| 研究分担者 |
中浦 茂樹 佐世保工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (20323793)
伊吹 竜也 明治大学, 理工学部, 専任講師 (30725023)
舩田 陸 東京工業大学, 工学院, 助教 (50844247)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2024年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
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| キーワード | 制御工学 / 機械力学・制御 / ドローン / UAV |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，複数のロータからなるマルチロータ型の無人航空機（UAV）に対して，運動性能解析に基づいた新規の構造設計および制御理論の構築を行う．マルチロータ型UAVに要求されるタスクの多様性と複雑性は増すばかりであり，それらタスクに対応できる高い運動性能が求められる．また，ロータが故障したときに墜落を防ぐといった耐故障性も重要である．一方，マルチロータ型UAVの構造には，ロータの個数や種類，その取り付け位置といった高い設計自由度がある．これらの事実を踏まえ，本研究ではUAVの運動性能を制御理論に基づいて解析し，既存構造よりも高い性能・安全性を有する構造設計及び制御指針を与えることを目標とする．
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，複数のロータから構成されるマルチロータ型の無人航空機（UAV）に対して，運動性能解析に基づいた新規の構造設計および制御理論を構築することである．この達成のために，(1)ドローンの運動性能評価指標の考案とその解析に基づく最適構造設計手法の提案，(2)運動性能解析に基づく可変構造ドローンの開発と構造変化過程の計画，(3)設計されたドローンの構造に対する最適制御手法の構築に取り組んだ．
まず，(1)に関して，昨年度まではロータの角度が固定されたマルチロータ機を考察してきたが，今年度は新たに固定翼機とマルチロータ機双方の運動特性を実現できるハイブリッド型マルチロータ機を提案した．提案した機体は，ロータ角度を傾けるための追加アクチュエータを必要としないため，より小型で軽量な機体を作成できるという利点がある．この機体提案に際しては，良好な運動性能を実現するためのロータ配置などを検討した．本機体の制御手法は，以下の(2)において検討した．
つぎに，(2)に関して，昨年度同様にマルチリンク型の可変構造ドローンに対して，安定飛行が可能な形状を取りながら所望の形状に変形させる手法を提案した．特に，オフラインで計算を実施する軌道計画手法を改善し，より多様な種類のマルチリンク型可変構造ドローンに適用できるようにした．本研究成果は，国際学術雑誌に採択された．さらに，(1)において述べたハイブリッド型マルチロータ機の制御手法も新たに提案した．特に，機体前方に設置されたロータ角度をどのように制御すれば，安定かつ効率的な飛行ができるかを検討した．本成果は，国際会議にて発表予定である．
最後に，(3)に関しては，複数ドローンでの物資運搬や環境モニタリングといったタスクを例にして，その制御手法と機体の構造を考察した．また，昨年度に引き続き，ドローン同士の衝突回避といった制御手法も検討した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
課題(1)と(2)に関しては，当初予定していなかったハイブリッド型マルチロータ機に関しても，新規的な構造と制御手法を提案することができた．また，課題(1)に関しては，従来のロータ角度を固定とした機体に対しても興味深い結果が出ており，現在論文投稿準備中である．また，課題(3)に対しても，環境モニタリングや物資運搬，衝突回避といった具体的な要件を考慮した制御手法が順調に提案できている．以上を鑑みて，当初の計画以上に進展していると評価する．
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年度は，まず課題(1)「ドローンの運動性能評価指標の考案とその解析に基づく最適構造設計手法の提案」を目的として，ロータが傾いたドローンに対する検討も進めていく．さらに，機体構造の提案だけでなく，ロータ故障に頑健な制御手法の構築も進める
つぎに，課題(2)「運動性能解析に基づく可変構造ドローンの開発と構造変化過程の計画」に対しては，これまで考察してきたマルチリンク型マルチロータ機と，2023年度に新たに提案したハイブリッド機それぞれに対した構造変化過程の最適化を考察する．
最後に，課題(3)「設計されたドローンの構造に対する最適制御手法の構築」に対しては，今年度新たに提案したハイブリッド型マルチロータ機を用いた具体的なアプリケーションを考察する．この際には，ハイブリッド型機がもつ高効率な飛行と静止飛行の両立を活かした制御手法の提案を目指す．
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