Stochastic Optimal Control of Unmanned Aerial Vehicles Against Cyber Attacks in the Presence of Uncertainty

存在不确定性的情况下无人机抵御网络攻击的随机最优控制

• 批准号: 21K14351
• 负责人: 松野 賀宣
• 金额: $ 1.66万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14351/
• 关键词: 確率最適制御; 不確実性; 飛行制御; サイバーセキュリティ; 無人航空機

本年度は，昨年度に続き不確実性を考慮した最適制御アルゴリズムの開発を進めた．気象予報や機体性能モデルの不確実性を考慮し，最適制御アルゴリズムの中で，これらの不確定性が航空機の飛行軌道に与える影響（飛行軌道の期待値や分散等）を定量化する．気象予報の不確定性には，アンサンブル予報と呼ばれる，初期条件や大気パラメータに異なる摂動を与えた多数の数値気象予報結果を用いた．ここでは，21通りの数値気象予報を用いることで，気象予報の不確定性の影響を定量化する．また，機体性能モデルの不確実性には，飛行データから推定した確率分布で表される機体性能モデル（他研究成果）を用いた．機体性能モデルの確率分布は4000点のサンプル点から構成されるが，arbitrary polynomial chaos expansion (PCE) を適用することにより，91点のサンプル点のみにより，機体性能モデルの不確実性の影響を定量化することが可能となる．arbitrary PCEを組み込んだ最適制御アルゴリズムにより，計算負荷を低減することが可能となった．また，無人機・有人機が同一空域内を飛行する運航を想定した問題設定を考え，無人機・有人機混在運航を模擬するシミュレーションを構築した．本年度は，無人機の最適制御に不確実性を考慮せずに，確定論的な最適制御を行い，有人機の保護空域（無人機の飛行禁止空域）を回避するように，無人機の最適経路を生成した．次年度は，本年度に構築した不確実性を考慮した最適制御アルゴリズムを適用することで，無人機・有人機混在運航における無人機の最適制御を行うことを計画している．

今年，与去年一样，我们一直在考虑不确定性时继续开发最佳的控制算法。考虑到天气预报和飞机绩效模型的不确定性，最佳控制算法量化了这些不确定性对飞机飞行轨迹的影响（预期价值和飞行轨迹的分散等）。对于天气预报的不确定性，我们使用了许多数字天气预报结果，称为集合预测，这些预测对初始条件和大气参数产生了不同的扰动。在这里，我们通过使用21种数值天气预报来量化天气预测中不确定性的影响。此外，对于飞机绩效模型的不确定性，我们使用了飞机性能模型（其他研究结果），该模型由从飞行数据估算的概率分布表示。飞机性能模型的概率分布包括4,000个样本点，但通过应用任意多项式混乱扩展（PCE），可以量化仅使用91个样本点的飞机性能模型中不确定性的影响。结合任意PCE的最佳控制算法已成为减少计算负载的可能性。此外，我们创建了一个模拟，该模拟模拟了在同一领空内飞行的无人驾驶飞机的运行，考虑到假设无人驾驶和载人飞机将在同一领空内飞行的问题设置。今年，我们为无人飞机创建了最佳途径，以防止不确定性并执行确定性的最佳控制，而无需考虑对无人机的最佳控制，并避免了载人飞机的受保护空域（无人飞机没有飞行空间）。在下一个财政年度，我们计划通过采用最佳控制算法来实施无人驾驶飞机和载人飞机中无人飞机的最佳控制，该算法考虑了今年建立的不确定性。

项目成果

Unmanned Aerial Vehicle Routing Problem for Integrated Manned and Unmanned Aircraft Operations

有人和无人机综合运行的无人机路径问题

• 发表时间: 2023
• 作者: 渡辺 聡史;Dong Shuonan;大塚 啓介;槙原 幹十朗;Yoshinori Matsuno and Adriana Andreeva-Mori
• 通讯作者: Yoshinori Matsuno and Adriana Andreeva-Mori

Vertical Flight Profile Optimization Using Ensemble Weather Forecasting and Statistical Aircraft Performance Model

使用集合天气预报和统计飞机性能模型的垂直飞行剖面优化

• 发表时间: 2023
• 作者: Kuzuno Ryo;Dong Shuonan;Okada Taiki;Otsuka Keisuke;Makihara Kanjuro;Yoshinori Matsuno and Haruki Matsuda
• 通讯作者: Yoshinori Matsuno and Haruki Matsuda