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2023 年度 実績報告書

マルチロータ型UAVの運動性能解析に基づく構造設計と制御

研究課題

研究課題/領域番号 21H01348
配分区分補助金
研究機関東京工業大学

研究代表者

三平 満司  東京工業大学, 工学院, 教授 (00196338)

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)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
キーワード制御工学 / 機械力学・制御 / UAV
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.

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.

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.

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [国際共同研究] University of California, Irvine/Princeton University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of California, Irvine/Princeton University
  • [雑誌論文] Hoverable structure transformation for multirotor UAVs with laterally actuated frame links2024

    • 著者名/発表者名
      Funada Riku、Soliman Mustafa、Ibuki Tatsuya、Sampei Mitsuji
    • 雑誌名

      Advanced Robotics

      巻: - ページ: 1~14

    • DOI

      10.1080/01691864.2024.2324310

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Distributed Coverage Hole Prevention for Visual Environmental Monitoring With Quadcopters Via Nonsmooth Control Barrier Functions2024

    • 著者名/発表者名
      Funada Riku、Santos Maria、Maniwa Ryuichi、Yamauchi Junya、Fujita Masayuki、Sampei Mitsuji、Egerstedt Magnus
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Robotics

      巻: 40 ページ: 1546~1565

    • DOI

      10.1109/TRO.2023.3347132

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Design and Control of a VTOL Aerial Vehicle Tilting its Rotors Only with Rotor Thrusts and a Passive Joint2024

    • 著者名/発表者名
      Takumi Ito, Riku Funada, Mitsuji Sampei
    • 学会等名
      The 22nd European Control Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Patient-Specific Optimal Hemodynamic Control with Minimal Myocardial Oxygen Consumption2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Kataoka, R. Funada, K. Uemura, J. Peterson, K. Saku, K. Sunagawa, M. Sampei, and J. Alexander
    • 学会等名
      The 8th IFAC Conference on Nonlinear Model Predictive Control
    • 国際学会
  • [学会発表] 受動ジョイントで接続された傾斜ロータを有するVTOL機の制御2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 匠, 舩田 陸, 三平 満司.
    • 学会等名
      第11回計測自動制御学会制御部門マルチシンポジウム
  • [学会発表] 複数 UAV を傾斜接続した物資運搬システムの運動性能解析2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤 匠, 舩田 陸, 三平 満司
    • 学会等名
      第18回「運動と振動の制御」シンポジウム

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公開日: 2024-12-25  

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