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

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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，ロータ故障に対する耐故障性を有しつつ，良好な運動性能をもつヘキサロータを設計し，実験検証をした．提案したヘキサロータは，任意のロータ一つが飛行中に故障しても，ホバリング飛行を維持できる．この耐故障性を保証するために，ロータを非対称な位置に配置する必要があるため，運動特性も飛ぶ方向によって非対称な特性を有し，既存の対称的な形状をもつドローンと比べて制御が難しくなる．そこで，本研究では耐故障性を保証しつつ，できるだけ対称的な運動特性を有するドローン構造を設計した．実機検証により，耐故障性と所望の運動特性が満たされていることを確認した．つぎに，(2)に関して，昨年度までに導出していた安定飛行が可能な条件を，マルチリンク型の可変構造ドローンに対して適用した．この際，どのように各リンク角を制御すれば，安定した飛行を保てるかを考察した．特に，これまでは計算量が大きくオフラインの軌道計画しかできていなかったが，飛行不可能な形状を避ける制御入力をオンラインで計算する制御手法を提案した．提案手法の有効性はシミュレーションで検証をした．最後に，(3)に関しては，複数ドローンでの物資運搬といったタスクを例にして，その制御手法や機体の構造を考察した．提案した構造は，重量削減のためにできるだけアクチュエータの個数を少なくしている．また，ドローン同士の衝突回避といった制御手法も提案した．