2021 Fiscal Year Research-status Report
接触飛行で高耐風化する車輪型ドローンのモデリングと最適制御設計と壁面打音点検実験
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21K04120
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
山田 学 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40242903)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仲野 聡史 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30847893)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 制御工学 / ドローン / 車輪型ロボット / 飛行ロボット / インフラ点検 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者の発明した「車輪型ドローン（マルチコプタ）」は、壁面や天井などの構造物にドローンを押し付け、接触飛行させることで耐風性能を制御できるという画期的な利点をもつ。本研究の目的は、高い耐風性能と高精度の目標値追従性能を達成できる車輪型ドローンの機体設計と自動制御システム開発である。そして具体的な研究目標は、インフラ構造物（例えばビル壁面）の打音点検システムへの応用（打音点検の自動化）である。そのための具体的な研究課題は以下の①～⑥である。研究課題①「風洞実験による車輪型ドローンに対する風外乱のモデリングとデータベース」、研究課題②「ビル壁面打音点検用車輪型ドローンの最適設計と試作機製作」、研究課題③「空中を安定・安全かつ高精度に飛行できる高耐風最適制御系の開発と実験」、研究課題④「壁に接触し安全かつ高精度に飛行できる高耐風最適制御系の開発と実験」、研究課題⑤「壁面上で安全に障害物回避できる高耐風最適制御系の開発と実験である」。
2021年度は研究初年度であるため、上記研究課題①と③～④の基礎研究として、以下の(1)～(3)のテーマについて研究を実施した。(1)タイル壁面目地の特徴線抽出を利用した車輪型ドローンの視覚フィードバック壁面走行制御、(2)ガウス過程回帰を用いた車輪型ドローンの形状が不確かな壁面上での走行制御、(3)壁面接触のための車輪型ドローンの切り替え制御。
以上の研究により。車輪型ドローンが空中飛行から壁面への接触飛行への安全な移行および壁面走行時においてロバストかつ高精度で目標値追従できることをシミュレーションにより確認した。
さらに、それらの研究成果を日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会などで発表し広く公開した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度は研究初年度であるため、上記研究課題①と③～④の基礎研究として、以下の(1)～(3)のテーマについて研究を実施した。(1)タイル壁面目地の特徴線抽出を利用した車輪型ドローンの視覚フィードバック壁面走行制御、(2)ガウス過程回帰を用いた車輪型ドローンの形状が不確かな壁面上での走行制御、(3)壁面接触のための車輪型ドローンの切り替え制御。そして、以上の研究により。車輪型ドローンが空中飛行から壁面への接触飛行への安全な移行および壁面走行時において、ロバストかつ高精度で目標値追従できることをシミュレーションにより確認した。
さらに、それらの研究成果を日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会などで発表し広く公開した。
以上のように、本研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の研究計画は、研究課題①～⑥の中で、主に、研究課題①「風洞実験による車輪型ドローンに対する風外乱のモデリングとデータベース」および、研究課題②「ビル壁面打音点検用車輪型ドローンの最適設計と試作機製作」に取り組むことである。具体的に、研究課題①では、本学の風洞実験室を利用して、様々な風速の下で車輪型ドローンの推力実験や機体まわりの流れの可視化実験を実施する。研究方法は、風洞にビル壁面を想定したセットを作り、下降流や上昇流や横風などの下で実験データを収集、解析する。橋梁やビル壁面での飛行データと合わせて、力学的な運動量保存則などに基づいて導出したモデルと比較しながら風外乱モデルおよびデータベースの精度を向上させる。研究課題②では、研究課題①の成果を応用し、壁面付近での風外乱や推力変動を考慮し、飛行時間の最大化と飛行制御の最適化の観点から、プロペラの配置や車軸取り付け位置・方法や車輪形などの最適化設計を行い、試作機を製作する。
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| Causes of Carryover |
上記に記載の通り、申請書に記載の研究課題について、シミュレーションでは研究目標を達成したが、コロナによる影響で、試作機の製作ができなかったため、次年度使用額が発生した。2022年度では、試作機製作に注力するため、必要な機材の購入（実験機は本研究室で自作することから、機体製作に必要なカーボン板、プロペラやモータ、フライトコントローラやリチウムポリマーバッテリなどの購入）、および成果発表による学会参加費に使用する予定である。
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