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外乱補償を考慮したマルチUAVの制御と協調搬送への応用 (本文)

小谷, 健人 慶應義塾大学

2020.03.23

概要

近年では技術的なブレイクスルーによって無人航空機(UAV: Unmanned Aerial Vehi- cle),特にマルチコプターの発達が著しい.これまで人類の活用頻度の低かった比較的低高度の領域を開拓し,搬送をはじめとした新たな価値を創出するサービスを実現することで,社会に急速に浸透しつつある.ただ,マルチコプター(以下,UAV)は機構が単純である半面,その構造ゆえに安定した飛行が難しく,制御技術とセンサ技術によって安全な運用を実現している.屋外におけるマルチコプターの運用においては,風や搬送物等の重量変化といった外乱の影響を受けやすく,これを解決することが求められる.

本研究では,将来的な新しい搬送の手段としてマルチコプターに着目し,外乱が加わる状況下においても複数のUAV をロバストに協調フォーメーション飛行させる制御則を提案した.UAV にフォーメーションを形成させて仮想リーダーに追従させる手法と,実環境において想定される外乱を補償する手法を,提案制御則の主軸に設定した.フォーメーションの形成と仮想リーダーへの追従手法として合意アルゴリズムを採用し,UAVに加わる外乱を補償する手法としてRISE(Robust Integral sign of the error)に着目し,マルチエージェントシステムと合意アルゴリズムに適用した.提案した手法は,制御対象の正確なパラメータが未知であっても,タスクを実行可能な利点を有する.外乱補償に用いたRISE は非線形制御の一種であり,高いロバスト性を期待できる.応用事例として,搬送物をケーブルで懸架させてUAV に協調搬送させる手法に適用した.フォーメーションの形成,仮想リーダーへの搬送物の追従および外乱補償を達成するための制御ゲイン等の条件について導出すると共に,実環境で安定かつ安全な協調搬送タスクを実現するため,衝突回避や搬送物の姿勢を安定化させる制御則も提案した.これらの提案制御則について,外乱を正しく補償できることと仮想リーダーへの追従フォーメーションを達成できることの観点から収束性解析をおこない,妥当性を検証している.搬送物のダイナミクスを取り入れた数値シミュレーションおよび製作した実機実験装置を用いて実験を実施し,提案制御則の有用性と収束性解析の妥当性を確認した.

本論文の概要は以下の通りである.

第 1 章では,本研究の背景と目的を概説した.第 2 章では本研究の理解に必要な合意アルゴリズムやスライディングモード制御等の基礎知識を説明した.

第 3 章では,本研究で用いるUAV のモデルについて説明した.ある条件の下で 3 軸を線形化かつ非干渉化した点が特徴である.

第 4 章では,複数のUAV にフォーメーションを達成しつつ,外乱が加わる状況下でRISE を用いて外乱を補償する手法を提案し,主にリアプノフの安定定理を用いて収束性を証明した.シミュレーションによって,提案制御則の有用性と収束性の証明の妥当性および高いロバスト性を確認した.衝突回避には,ポテンシャル法を採用した.

第 5 章では,応用例として,UAV からケーブルで懸架した搬送物を任意の経路で搬送するための制御則を提案した.提案制御則は搬送対象の重量やケーブル等の正確な条件を把握していなくても,タスクを実現できることが利点である.また,各UAV は安定したタスクを実行するために仮想リーダーと搬送物の情報を直接取得する必要があるものの,UAV 同士は必ずしも互いが全て接続しあう必要はない.実用化を念頭において,提案制御則には搬送物が地形や障害物との衝突を回避するための手法や,搬送物の姿勢維持や全エージェントが搬送に寄与するための制御則を考慮している.衝突回避には,一般的に広く用いられているポテンシャル法を採用する.搬送物の動的なモデルを導出し,数値シミュレーションを用いてこれらの提案制御則の有用性の検証と収束条件を示した.

第 6 章では,実際のUAV を複数同時に飛行可能な実験装置を製作し,特性について解説すると共に,4 章と 5 章においてシミュレーションで確認した提案制御則を実装して動作を実証した.実機実験装置はモーションキャプチャシステムとUAV と無線装置を用いて構築しており,比較的容易に複数UAV の飛行を実現できた.また,実験に用いるUAV の応答特性を実測し,第 3 章で導出したUAV モデルとの整合性について確認した.

第 7 章では,結論として本研究の成果を要約し,将来的な課題について言及した.

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