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

基本信息

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

项目摘要

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“轮式无人机（多旋翼飞行器）”具有革命性的优势，能够通过将无人机压在墙壁和天花板等结构上并与其接触来控制其风阻。本研究的目的是设计一种能够实现高风阻和高精度目标值跟踪性能的轮式无人机，并开发自动控制系统。具体研究目标是将这项技术应用于基础设施结构（例如建筑墙体）的锤击检测系统（锤击检测自动化）。为此目的的具体研究课题如下①至⑥。研究课题1：“通过风洞实验对轮式无人机风扰动进行建模和数据库”，研究课题2：“用于检查建筑物墙壁敲击声的轮式无人机的优化设计和样机制作”，研究课题3：“稳定安全飞行并以高精度飞行。《安全高精度飞行的高抗风最优控制系统的开发与实验》，研究课题④《安全高精度飞行的高抗风最优控制系统的开发与实验》与墙壁接触”，研究课题⑤“安全避开墙壁上的障碍物”这是高风阻最优控制系统的开发和实验。 2022年，我们针对以下主题（1）至（3）进行了研究并取得了成果。（1）我们设计了一种配备锤击机构的轮式无人机，用于检查建筑物墙壁的敲击声，并制作了原型机（研究课题①）。（2）开发了考虑接触状态下的压力的轮式无人机自动驾驶控制系统，并通过实机实验验证了其实用性（研究课题④）。（3）我们利用CLF-CBF-QP开发了一种结合轮式无人机飞行和运行的避障控制系统，并通过实机实验证明了其实用性（研究课题⑤）。如上所述，第一架用于检测建筑墙壁敲击声的轮式无人机原型机已经完成，我们可以期待未来的实验研究取得进展，以及开发接触驱动过程中实用的自动控制系统，并进行实验实际设备的实用性得到了证明。研究成果将于 2023 年 6 月在日本机械工程师学会机器人与机电一体化会议上公布并广泛发布。