プロペラに替わるチルトスラスト推進機構を搭載した安全ドローンの研究

倾斜推力推进机构替代螺旋桨的安全无人机研究

基本信息

批准号：
21K18695
负责人：
延原肇
金额：
$ 4.16万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、ドローン利活用をポジティブに推進するための対策として、機体構造および制御設計を抜本から改善した安全ドローンを提案することである。すなわち、リスク要因の大半を占める回転推進機構（プロペラ）を使わずに、コアンダ効果による推進機構を採用した新たなドローンを提案する。今年度は、このドローンの推進機構を、流体シミュレーションと実環境での実装結果とのデータ同化を融合した自己組織化マップによる最適設計を行うことに注力した。スラスト機構に関しては、調整可能なパラメータが多数存在し、それぞれを変化させた場合に得ることのできる推力および推進機構自体の重量が変化する。基本的には、推力を最大化し、さらに推進機構自体の重量を最小化することが望ましいが、この最適化問題を解析的に解くことは難しく、流体シミュレーションおよび3Dプリンタを使って実機を作成し評価するといった試行錯誤が必要となる。一方で、3Dプリンタによる実装は、1候補あたり数日、流体シミュレーションに関しても、1候補あたり数時間必要となる。本研究では、このような計算時間のコストの観点から、あらゆる設計変数の組み合わせが調査困難である問題を解決するため、実際に試行できる組み合わせだけを使って、設計候補の探索空間全体をマクロに視覚化し、最適な候補を絞り込むことのできる、自己組織化マップに基づく設計手法を提案している。特に、本研究で提案する手法が優れている点は、単に機械的に最適化するのではなく、相反する目的変数（推進機構の推力と重量）をそれぞれ考慮できるように視覚化しながら、設計側の融通を反映して候補の絞り込みを行うことできる点でもある。本研究によって提案した手法によって得られた最適候補が、重量推力比（スラスト機構自身の重量と、推力の比率、これが1.0以上で浮上）が約10程度を実現することを、実機実装および計測によって確認している。

本研究的目的是提出一种从根本上改进机身结构和控制设计的安全无人机，作为积极推广无人机使用的措施。换句话说，我们提出了一种使用基于柯恩达效应的推进机制的新型无人机，而不是使用占大部分风险因素的旋转推进机制（螺旋桨）。今年，我们的重点是使用自组织图来优化设计无人机的推进机制，该图结合了流体模拟和真实环境中实施结果的数据同化。对于推力机构来说，有很多可调整的参数，改变每一个参数都会改变可以获得的推力和推进机构本身的重量。基本上，希望最大化推力并最小化推进机构本身的重量，但很难通过分析方法解决这个优化问题，因此我们使用流体模拟和3D打印创建了一个实际机器来进行评估。另一方面，使用 3D 打印机实施每个候选人需要几天时间，而流体模拟则需要每个候选人几个小时。在本研究中，为了解决由于计算时间成本而难以研究设计变量的所有组合的问题，我们仅使用实际可以尝试的组合，并将设计候选的整个搜索空间转换为我们提出了一种基于自组织映射的设计方法，可以可视化并缩小最佳候选范围。特别是，本研究提出的方法的优点在于，它不是简单地进行机械优化，而是将相互冲突的目标变量（推进机构的推力和重量）可视化，以便在设计方面将它们考虑在内还可以通过反映的灵活性来缩小候选人范围。通过实际机器的实现和测量，证实了通过本研究提出的方法获得的最佳候选者达到了重量推力比（推力机构本身的重量与推力的比率，当该推力机构处于浮动状态时，该推力会浮动）。是1.0或更多）大约10。我已经确认了。