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

高耐候轮式无人机接触飞行建模与优化控制设计及敲壁声检测实验

• 批准号: 21K04120
• 负责人: 山田 学
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 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-21K04120/
• 关键词: 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

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」。2022年度は、以下の(1)～(3)のテーマについて研究を実施し成果を得た。(1)打音機構を実装したビル壁面打音点検用車輪型ドローンを設計し、試作機を製作した（研究課題①）。(2)接触状態で押しつけ力を考慮した車輪型ドローンの自動走行制御系を開発し、その有用性を実機による実験検証で実証した（研究課題④）。(3)CLF-CBF-QPによる車輪型ドローンの飛行と走行を組み合わせた障害物回避制御系を開発し、その有用性を実機実験検証で実証した（研究課題⑤）。以上のように、ビル壁面打音点検用車輪型ドローンの試作1号機が完成したため、今後は実験研究の進展が期待できるとともに、接触走行時における実用的な自動制御系も開発し、実機実験により有用性を実証した。それらの研究成果は2023年6月の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する。

申请人发明的“车轮型无人机（多杆）”具有革命性的优势，即能够通过将无人机推向墙壁或天花板等结构并在接触中飞行来控制风力。这项研究的目的是为轮式无人机设计和开发一个自动控制系统，该系统可以实现高风力阻力和高精度目标值跟踪性能。具体的研究目标是应用基础设施结构的声音检查系统（例如，建筑墙）（自动化声音检查）。为此目的的具体研究主题是下面的①至⑥。研究主题1：“通过风隧道实验进行的风扰无人机的风干扰的建模和数据库”，研究主题2：“最佳设计和生产轮式无人机的最佳设计和生产，以实现对建筑物墙壁的合理影响，”研究主题3：“开发和实验，可以在空中进行稳定，安全的固定型和实验，从而实现最佳的风能控制系统，这些系统可以控制和实验4：Optimiens 4：并以安全而准确的方式准确地说，“研究主题5：“最佳风阻力控制系统的开发和实验，可以安全地避免墙壁上的障碍。”在2022财年，对以下主题（1）至（3）进行了研究，并获得了结果。 （1）我们设计了一个轮式无人机，用于检查建筑物墙壁上的声音，该壁上安装了击中声音机构，并制造了一个原型（研究主题1）。 （2）我们开发了一种用于轮式无人机的自动驾驶控制系统，该系统考虑了接触的压力，并通过使用实际机器的实验验证证明了其有用性（研究项目4）。 （3）我们开发了一种避免障碍控制系统，该系统使用CLF-CBF-QP结合了飞行和驾驶型轮式无人机，并通过对实际飞机的实验测试证明了其有用性（研究项目5）。如上所述，已经完成了用于检查壁挂式声音的第一个原型车轮型无人机，因此可以预期将来的实验研究会进行，并且在接触式驾驶过程中也开发了实用的自动控制系统，并通过实际的机器实验证明了它们的实用性。这些研究结果将在2023年6月在日本机械工程师协会的机器人技术和机械能力演讲中介绍，并将广泛发表。

项目成果

CLF-CBF-QPによる車輪付きドローンの飛行と走行を組み合わせた障害物回避制御と実験検証

利用CLF-CBF-QP结合轮式无人机飞行与驾驶的避障控制与实验验证

• 发表时间: 2023
• 作者: 吉田凌晟;仲野聡史;山田学
• 通讯作者: 山田学

IDA-PBCによる車輪付きドローンの押しつけ力を考慮した地面走行と実験検証

使用IDA-PBC考虑轮式无人机推力的地面运行和实验验证

• 发表时间: 2023
• 作者: 田名網一輝;田中瀬李;佐藤正隆;仲野聡史;山田学
• 通讯作者: 山田学

タイル壁面目地の特徴線抽出を利用した車輪付きマルチコプタの視覚フィードバック壁面走行制御

使用从瓷砖墙接缝提取特征线的轮式多旋翼飞行器的视觉反馈墙运行控制

• 发表时间: 2021
• 作者: 後藤良介;仲野聡史 ;山田学
• 通讯作者: 山田学

壁面接触のための二輪型マルチコプタの切り替え制御

两轮多旋翼接触墙切换控制

• 发表时间: 2021
• 作者: 佐藤正隆;水谷透;仲野聡史 ;山田学
• 通讯作者: 山田学

打音による壁面検査の動画

使用锤击声检查墙壁的视频