宇宙往還機ロケットプレーンの自律協調型の海面離着陸に関する研究

航天火箭飞机自主协同海面起降研究

基本信息

批准号：
17760189
负责人：
高橋正樹
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本申請課題では,宇宙往還機ロケットプレー・ンの自律協調型の海面離着陸をテーマとして、水平離着陸型宇宙往還機システムと水上離着陸補助システムの各試験機を製作・開発し、さらに、高精度小型複合航法システムの開発および実験的検証を行った。また、着陸フェーズにおける安全性および耐故障性を考慮したロバスト性を有する誘導・制御方式および自律型協調知的制御方式を提案した。以下にその概要を示す。・高精度小型複合航法システムの開発および実験的検証本研究では、搭載スペースに制約があり、外乱の影響も大きい小型実験機において運用可能な高精度な相対航法システムを構築した。具体的には、飛行体と高速艇間の相対量を直接計測する光学センサを導入し、姿勢表記にクオータニオンを用いることにより特異点回避と運動学モデルの簡素化を図った。また、デッドレコニングとカルマンフィルタを組み合わせた推定手法により、GPSや光学センサの取得データの精度劣化や欠落が起きた際にも高精度な推定が可能となった。これにより、互いの航法センサの特色を相互補完する形態で複合し、3次元空間内で相対的な位置・速度・姿勢の高精度な推定が可能となることを示した。・安全性および耐故障性を考慮した知的協調制御手法の提案本研究の対象である自律無人航空機は、故障等の緊急事態が発生した際にも安全性を確保し、ミッション達成を可能にする耐故障システムが必要である。提案する制御システムでは、従来の誘導・制御系に加えて、ニューラルネットワークで構築した状態推定器と評価器を導入する。状態推定器は航空機の非線形なダイナミクスを近似的に実現し、現在の理想的な状態量を推定する。そして、推定値と実際に観測されるセンサデータを基に評価器で現在の飛行状態を評価し、制御系へ伝達する状態量を決定する。構築した6自由度の非線形シミュレーションにより、センサ故障が発生した際にも飛行継続が可能であることが確認された。また、着艦フェーズにおける協調制御においても、各センサから得られる位置や速度などの情報に加えて、状態推定器から出力された情報と航法系から出力された状態量を用いて現在の飛行状態を評価して、適切な制御系を用いることにより、危険状態の回避など状況に応じた自律的な対応が可能となった。

在此应用程序中，我们为水平起飞和起飞类型空间返回飞机系统以及水的起飞和起飞和着陆援助系统制造和开发了测试飞机，其主题是自主合作的海平面起飞和空间返回飞机火箭飞机的降落，并进一步开发了高级压缩多型式多neviation System。我们还提出了一种强大的指导和控制方法，以及一种自主，协作的智力控制方法，该方法考虑到了登陆阶段的安全性和失败耐受性。大纲如下所示。 - 在这项研究中，高精度紧凑的多通航系统的开发和实验验证，我们构建了一个高精度相对导航系统，该系统可以在小型实验飞机中进行操作，该飞机的空间有限，而且扰动的影响很大。具体而言，引入了直接测量飞行主体和高速船之间的相对量的光学传感器，并使用Quaternion进行姿势表示，从而简化了奇异性的回避和运动学模型。此外，即使GPS或光学传感器获取的数据的准确性也会降低或缺失，即使将死亡记录保存和Kalman过滤器结合在一起的估计方法也可以高精度估算。这表明每个导航传感器的特性以一种补充彼此的导航传感器的形式组合在一起，从而可以高度准确地估计三维空间中的相对位置，速度和态度。 - 考虑到安全性和故障的智力控制方法的提议，这是本研究的主题，这是自动无人驾驶飞机的提议，需要一个容忍失败的系统，即使在紧急情况下（例如失败并能够实现任务）可以确保安全系统。除了传统的指导和控制系统外，建议的控制系统还将引入状态估计器和使用神经网络构建的评估设备。状态估计器近似飞机的非线性动力学，并估计当前的理想状态量。然后，根据估计值和实际观察到的传感器数据对当前的飞行状态进行评估，并确定传输到控制系统的状态量。 6个自由度的构建的非线性模拟证实，即使在传感器故障的情况下，也可以继续飞行。此外，在着陆阶段的协调控制中，除了从每个传感器获得的位置和速度之类的信息外，还可以使用状态估计器的信息输出和导航系统的状态输出量进行评估，并使用适当的控制系统，并且可以根据情况进行自动响应，例如避免危险条件。