全駆動マルチロータの構造・制御系の統合最適設計フレームワークの確立

全驱动多旋翼飞行器结构与控制系统集成优化设计框架的建立

• 批准号: 18J14658
• 负责人: 田所 祐一
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J14658/
• 关键词: UAV; 最適制御; 最適設計

一般的に「ドローン」として知られるマルチロータは，通常推力を上向きにしか出力できないことから，機体の傾きを伴わない水平方向への加速や押し付け力の印加が原理的に不可能であり，物体との接触を伴う空中作業や位置・姿勢の高精度な制御が求められる実用例において問題がある．これを解決する方策として，推力を生み出すロータを傾けて取り付けた全駆動マルチロータという新しいタイプの構造が本研究の対象である．全駆動マルチロータは，機体の力を出力しやすい方向とその程度がロータの配置や傾き角などの構造パラメータによって変化する．このことに着目し，用途に基づく制御目標を評価関数として，構造パラメータと制御則を同時に最適化する手法に関して研究を実施した．本年度は，前年度に提案した解析的手法の問題点を解決するため，より一般のシステムや目的関数への適用を目指し，構造・制御の同時最適化の数値的解法について研究を行った．まず，剛体運動の数値的な最適制御手法を考えるため，特殊ユークリッド群SE(3)上のシステムの種々の離散化手法を比較・検討した．本研究では，SE(3)のCayley mapに基づく幾何学的積分器を利用し，剛体運動の厳密な離散化手法を提案した．この離散化手法を応用することで，状態の長時間の時間発展や目的関数の勾配を少ない計算量で求められることを示し，剛体運動の非線形最適制御問題の高速解法を提案した．この高速解法により，計算資源の限られる小型マルチロータのフライトコントローラ上に，剛体運動の非線形モデル予測制御手法を実装することが可能となった．さらに，これらの数値的最適制御の価値関数最小化に基づいた，マルチロータの機体の構造パラメータを最適に設計する手法についても研究を行った．

General thrust upward thrust force upward thrust horizontal thrust acceleration thrust thrust The objective of this study is to develop a new approach to the problem. The force of the whole body, the direction of the force, the degree of the force, the configuration, the angle of the force, the structure, the angle of the force, the angle of the force. The purpose of this study is to optimize the structure of the system. This year, compared with the previous year's proposal, the analytical method of solving the problem points, the general system and the application of the relevant data points, the structure, control and optimization of the numerical solution, the research and development. A comparison of discretization methods for the optimal control of the number of rigid body motions in the special case group SE(3) is presented. In this paper, we propose a method for discretization of rigid body motion by using integrators based on fundamental geometry in Cayley map of SE(3). The discretization method is used to solve the problem of nonlinear optimal control of rigid body motion. This high-speed solution is limited in computing resources, and it is possible to implement non-linear prediction methods for rigid body motion. In this paper, the optimal control of these values and the optimization of the relationship between the value of the basic design, the structure of the body and the optimal design of the method to study.

项目成果

Classification and Structural Evaluation of Fully-Actuated Hexrotor UAVs

• DOI: 10.23919/acc.2018.8431700
• 发表时间: 2018-06
• 期刊: 2018 Annual American Control Conference (ACC)
• 作者: Yuichi Tadokoro;Tatsuya Ibuki;M. Sampei

デュアルクォータニオンを用いた剛体運動の離散表現と非線形MPCへの応用

使用双四元数的刚体运动的离散表示及其在非线性 MPC 中的应用

• 发表时间: 2019
• 作者: 角浩貴;滝澤和輝;岡田達典;淡路智;西本昴樹，田所祐一，江本周平，伊吹竜也，三平満司
• 通讯作者: 西本昴樹，田所祐一，江本周平，伊吹竜也，三平満司

Real-Time Model Predictive Control of Rigid Body Motion via Discretization Using the Cayley Map

• DOI: 10.1109/access.2020.2966240
• 发表时间: 2020-01
• 期刊: IEEE Access
• 影响因子: 3.9
• 作者: Yuichi Tadokoro;Yuki Taya;Tatsuya Ibuki;M. Sampei

Yuichi TADOKORO - 田所 祐一

田所雄一 - 田所雄一

Cayley Mapによる剛体運動の離散時間ベクトル表現と非線形最適制御への応用

使用凯莱图表示刚体运动的离散时间矢量及其在非线性最优控制中的应用

• 发表时间: 2019
• 作者: K. Kudo;S. Yamada;J. Chikada;Y. Shimanuki;T. Ishibe;S. Abo;H. Miyazaki;Y. Nishino;Y. Nakamura;K. Hamaya;田所祐一，田屋裕輝，伊吹竜也，三平満司
• 通讯作者: 田所祐一，田屋裕輝，伊吹竜也，三平満司