| 研究課題/領域番号 |
21K14189
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
増田 開 日本大学, 理工学部, 助教 (20801038)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 無人航空機 / ティルトウイング / モデル予測制御 / ロバスト制御 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，状態量を超平面に拘束することでロバスト性を向上させる拡張モデル予測制御（EMPC）を実装したクワッドティルトウイング無人機（QTW-UAV）の自律飛行制御システムの提案，飛行試験による実機実証を目的とする．
本年度は，QTW-UAVに搭載可能な小型で性能が限定的な計算機にEMPCを実装するためにEMPCの最適化計算における計算負荷の低減を行った．EMPCは一般的なモデル予測制御（MPC）と同様に内点法等を用いて二次計画問題を解く必要があるため，毎制御ループ時における計算量が大きいことが知られている．また，未来の状態量の予測区間を長く確保すると計算量が増大する．そこで，時刻ステップ毎に参照軌道と予測状態量の差を評価する従来のMPCとは異なり，参照軌道と予測状態量の一致点を評価し，制御入力を予め定めた基底関数で表現することで計算量を大幅に低減するロバスト予測関数制御（RPFC）を新たに提案した．RPFCは，数値シミュレーションによって，外乱入力に対するロバスト性を検証した．また，QTW-UAVの運動をロール軸周りの運動に限定した実験装置を用いて，姿勢制御系における追従性能および外乱影響に対するロバスト性を評価し，有効性の検証を行った．以上の成果は，第60回飛行機シンポジウムにて発表を行った．
来年度は飛行試験のためのQTW-UAVの実験機を完成させる予定であり，今年度は電装システムの統合を進めている段階である．飛行試験では，離陸，巡航，着陸まで自律飛行を予定しており，目標飛行経路への追従性，着陸地点における位置精度の評価を行う．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
QTW-UAVにEMPCを実装する際に，計算機の能力が不足しており，所望の制御周期を有する飛行制御器の性能に到達することが困難である問題を新たに確認した．提案するQTW-UAVの飛行制御システムは並進制御系と回転（姿勢）制御系で構築されており，特に回転制御器において50Hz程度の制御周期を達成する必要があった．この問題は，EMPCを発展させたRPFCを提案し，回転制御器にRPFCの実装を行うことで計算負荷を大幅に低減し，解決の見通しが立った．一方，今年度はQTW-UAVの開発が電装システムまでに留まっており，来年度の飛行試験を考慮すると計画はやや遅れていると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究としては，今年度に提案したRPFCを実装した飛行制御システムをQTW-UAVに実装を行い，飛行試験を実施する予定である．来年度は，以下の2点を進める．
1．QTW-UAVの飛行制御システムを完成させる．現状では，機体の並進制御系にEMPCを適用し，回転制御系にRPFCを適用した飛行制御システムを提案して有効性を確認済であるが，並進制御系の目標位置を生成する誘導システムが未構築である．誘導システムは一般的なWaypoint法を用いて設計を行う．
2．QTW-UAVの実験器を完成させる．現状では，昨今の半導体不足の影響により，部品調達が遅れ，電装システムの開発が遅れている．来年度は，電装システムの統合と機体の完成までを行い，実験機の初飛行を行う．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度は機体の制御システムの改良と昨今の半導体不足による電子部品の納期の遅れから，実験機の製作が遅れ，物品費に残額が生じた．繰り越した差額は来年度の実験機の部品の調達に使用する予定である．
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