| 研究課題/領域番号 |
20K14707
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| 研究機関 | 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 |
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研究代表者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
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している。
2022年度は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を実証するため、屋内でモーションキャプチャを用いた飛行実証試験を実施した。実験では機体のヨー軸の回転速度を変化させ、回転状態のまま位置、姿勢を制御できるか検証を行った。実験の結果、機体の回転が低速の場合には飛行には成功したが、機体の回転が一定速度を超えた付近で、制御が不安定となり飛行を継続することができなかった。これらの問題を解決し、高速回転状態でのホバリングを実現するため、研究期間を一年延長した。
また高速回転のエネルギーを利用した物体投擲については、投擲手法を構築しシミュレーションで検証を行った。さらに物体投擲に必要な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試作を行った。
また昨年度までに構築した機械学習により運動推定を行うアルゴリズムを発展させ、制御対象の状態が不確かであっても飛行制御を実現する制御器へと拡張を行った。そして、その制御器を用いて、1軸の回転試験装置により機体の重心位置が変化する場合でも、姿勢が制御可能であることを実証した。
これらの成果について、学会発表や雑誌論文への投稿を行うなど、成果を報告した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
2022年度は、空中で高速回転運動を維持するための制御理論を無人機に実装し、高速回転状態でのホバリング飛行を実証する予定であった。実験では、ホバリング状態で姿勢の1軸を低速で回転させ続けたまま飛行することに成功した。しかし高速回転状態では、構築したモデル（アクチュエータモデル、空力モデル等）と実システムとの差異や遅れ等により、制御が不安定となり回転状態を維持することができなかった。そのため、予定していた高速回転状態での飛行制御と、高速回転エネルギーを利用した物体投擲を、まだ実証できていない。これらの結果を考慮して、進捗状況を「遅れている」と区分した。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度は、2022年度に実施できなかったホバリング中に高速回転状態を保つ制御の実証することを優先的に行う。そのため、アクチュエータモデル、空力モデル等を再検証し、より高精度なモデルを構築し、制御器のパラメータを調整することで高速回転状態での安定した飛行の実現を目指す。またモデル差異がある状況でもロバストに無人機を制御するために、2022年度の開発した推定モデルと実モデルに差異がある場合においても適用可能な、機械学習による制御器の適用も試みる。現在は、この機械学習による制御器は、1軸の姿勢制御のみが可能であるが、位置・姿勢の6軸の制御に適用可能なように拡張する。
上記の制御理論が実証でき次第、無人機による物体の投擲動作も実験により検証を行う。まずは1軸の回転エネルギーを用いた投擲動作を検証し、次に複数の回転運動の重ね合わせた並進運動を伴わない任意方向への投擲動作を実証する。
また研究成果の論文投稿、学会発表も積極的に行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
構築した制御則に課題があり、安定した飛行制御が行えず、制御則を改善して再度実験により検証する必要が発生したため、研究期間を一年延長した。
構築した制御理論の実証には無人機を用いた飛行実証試験が必要であり、2023年度は飛行実証を繰り返し行うため、無人機の機体部品の劣化や破損等が生じる可能性がある。そのため、実験に必要な機材や、無人機の飛行に必要な消耗品、部品等を購入する資金として2022年度に実験用に確保していた資金の一部を2023年度に繰り越しを行った。
さらに2023年度も研究成果の対外発表を継続して行うため、繰り越しを行った資金の一部は学会参加費や論文投稿費用に使用する。
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