立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

ティルトロータヘリコプタの接触力制御に関する研究
Research on Contact Force Control of Tilt- rotor Helicopters
2191034

研究代表者

三重大学大学院 工学研究科助教

矢代大祐[研 究 の 目 的]
課題 2：可変ゲイン制御器を用いてはどうか？
マルチロータは，対気速度や地面効果により，平成 29 年の労働中の高所からの墜落・転落による死亡災害は 258 件，死傷災害は 20374 件

周辺環境の変化に応じて動特性が大きく変わるとなっており (厚生労働省労働基準局)，早急ことが知られている。周辺環境の変化に応じてな対策が望まれる。本研究ではその対策として，制御器を変えれば，固定ゲイン制御器を用いる

トンネルの打音検診，外壁の窓ふき，鉄骨造の従来のマルチロータよりも接触力制御性能が高接合部のボルト固定，等の高所作業をマルチくなるのではないか？

ロータヘリコプタ (ロータを複数持つ回転翼機) の遠隔操作によって実現することを目指し

課題 3：ティルトロータ機を用いてはどうか？ている。しかしながら，現状の遠隔操作技術でティルト角をリアルタイム調整することがでは操作時にマルチロータが作業対象物に対してきるマルチロータ機をティルトロータ機と呼ぶ。

過度な力を加える結果，機体や作業対象物が破ティルトロータを用いることで接触力制御性能損したり，機体が激しく振動したりする課題がが高くなるのではないか？例えば，ティルト角残っている。

が固定された通常のマルチロータ機は，横方向

そこで本研究では 3 次元空間上でのマルチに接触力を発生させるために機体を傾ける必要

ロータの高精度な接触力制御を研究目的とし，があるが，ティルトロータ機は機体を傾ける必課題 1〜3 に取り組んだ：

要がないため，応答が速いのでは？

課題 1：ロータ角速度情報を制御器にフィード[研究の内容，成果］バックしてはどうか？
既存のマルチロータの大半は，ロータ角速度を制御器にフィードバックしていない。しかし，

課題 1：ロータ角速度情報を制御器にフィードバックしてはどうか？

ロータ角速度情報を制御器にフィードバックすマルチロータ機を推力制御する手法としては，ることで，風などのロータ回転軸周りに加わるこれまでにロータ角速度を用いない手法が多数外乱に強くなるのではないか？

提案されている (S. Park et. al., IEEE/ASME
Trans. on Mechatronics, Vol. 23, No. 4, 2018)。
この文献では推力制御器の中に電圧制御による― 1 ―立石科学技術振興財団

フィードフォワードロータ制御器を用いている。

太実線が接触力指令値，太点線がロータ角速しかしながら，フィードフォワードロータ制御度を用いない場合 (従来手法) の接触力応答値，では入力電圧や逆起電力などの電気系のモデル

細実線がロータ角速度を用いる場合 (提案手化誤差，プロペラの反トルクや軸受けの摩擦な法) の接触力応答値，に対応する。提案手法はどのロータ軸周りに加わる機械的外乱の影響を立ち上がり時間を長くすることなくオーバー受けやすい。

シュートを減らすことができている。

そこで本研究ではロータ角速度を用いること一方で，図 3 に接触時の上下方向の位置制御

で外乱オブザーバ，フィードバック線形化制御の結果を示す。太実線が位置指令値，太点線が器，閉ループロータ角速度制御器を内包する

ロータ角速度を用いない場合 (従来手法) の位ロータ制御器を提案し，機体の推力制御に用い置応答値，細実線がロータ角速度を用いる場合た。

(提案手法) の位置応答値，に対応する。提案

図 1 に課題 1 の実機検証に用いたクワッドいことが分かる。

ロータ機を示す。

図1

手法の方が従来手法に比べて位置決め精度が高課題 1 の実機検証に用いたクワッドロータ機

図 3 クワッドロータ機の位置制御の結果

プ ロ ペ ラ 回 転 用 の モ ー タ に は Scorpion 製
M-3011-760KV を使用し，角速度を計測する

以 上 よ り，ロ ー タ 角 速 度 情 報 を 制 御 器 にために，角度エンコーダ Broadcom 製 HEDS-フィードバックすることの有効性が示された。

5540 を取り付けた。接触環境にはスポンジを

詳細は [2] [5] を参照。

使用し，環境側に 6 軸力センサを取り付けることで接触力を計測した。図 2 に接触力制御の結課題 2：可変ゲイン制御器を用いてはどうか？

果を示す。

プロペラの回転によって発生する推力f はプロペラ角速度 ω の 2 乗に概ね比例することが知られている。
f =cω 2(1)

ここで，c は推力係数を意味する。これまでにc を一定値とみなしプロペラ角速度を制御することでプロペラ推力を制御する手法が多数提案されている。一方で，c は対気速度 v とプロペラ角速度 ω の関数であることも知られてい図2

クワッドロータ機の接触力制御の結果る。c t を一定値とみなすと，c のモデル化誤差― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

により推力制御性能が劣化し，結果として接触力制御性能や位置制御性能にも影響を与える。
そこで本研究では，c，v，ω の関係を実験的に同定し，推力制御に用いることを検討した。
図 4 にプロペラ駆動系の風洞試験の様子を示す。

図4

図6v=2 m/s の時の推力応答

図7v=3.5 m/s の時の推力応答

プロペラ駆動系の風洞試験

プロペラに対して層流の向かい風をあてた。
図 5 に風洞試験で取得した c-v 特性を示す。ω
が大きいほど c が大きくなった。また，v が大きいほど c が小さくなった。に対応する。従来手法 1 では c のモデルは一定値とした。
従来手法 2 では c のモデルを進行率の関数とした。これらの結果から提案手法を用いた場合が最も定常偏差が少ないことが分かる。
以上より可変ゲイン制御器を用いることの有効性が示された。詳細は [3] [4] を参照。
課題 3：ティルトロータ機を用いてはどうか？
図5マルチロータ機は，プロペラの回転軸角度で風洞を用いて同定した c-v 特性あるティルト角を固定する機構 (非ティルト
この性質は c を一定値とみなすことに無理ロ ー タ 機) と テ ィ ル ト 角 を 可 変 に す る 機 構があることを示す。そこで本研究では図 5 のグ(ティルトロータ機) に分けられる。しかしな

ラフをリアルタイムに参照し，v と ω の計測値

がら，ティルト角を固定する機構は劣駆動系でに 応 じ て c の モ デ ル を 変 更 す る ゲ イ ン ス ケあるため地面に対して水平な方向に推力を発揮

ジュールド推力制御器を提案した。図 6 と図 7するためには，機体の姿勢角を調整する必要がに推力制御の実験結果を示す。

ある。機体の姿勢角制御系は時定数が長いため，太実線，太点線，細実線，細点線はそれぞれ結果として接触力制御系の応答も遅い。このよ

推力指令値，推力応答値 (提案手法)，推力応うな劣駆動系の抱える問題を避けるため，各答値 (従来手法 1)，推力応答値 (従来手法 2)

ロータの回転軸を非平行にすることで，マルチ― 3 ―立石科学技術振興財団

ロータ制御系を全駆動系にする手法も提案されティルト角ティルト角応答値，プロペラ 3 のている (M. Ryll et. al., The International Jour-

ティルト角応答値，プロペラ 4 のティルト角応

nal of Robotics Research, Vol. 38, No. 9, 2019)。

答値を意味する。通常のクワッドロータ機はしかしながら，ロータ推力の一部が内力としてティルト角度を変えることができない点が差分相殺されるため，推力重量比が低いという問題になる。
図 10 にクワッドロータ機と地面の間の接触を抱える。
そこで本研究では，ティルト角をオンライン力を制御した場合のシミュレーション結果を示調整可能なクアッドロータ機 (以下，クアッドす。太実線，細実線，細破線はそれぞれ，接触ティルトロータ機) を開発した (図 8)。

力指令値，ティルトロータ機を用いた場合の接触力応答値，非ティルトロータ機を用いた場合の接触力応答値を表す。ティルトロータ機を用いることで接触力制御性能が改善されることが分かる。

図8

開発したクワッドティルトロータ機

4 本の細長い円柱状のアームが生えており，

図 10

アーム先端部にプロペラが取り付けられている。
サーボモータを用いて各円柱を円中心軸周りに任意に回転させることができる。これにより接触力応答 (シミュレーション)

以上より，ティルトロータを用いることの有効性が示された。詳細は [1] を参照。

ティルト角を制御できる。
図 9 に図 8 に示した装置のティルト角を制御[今後の研究の方向，課題］した結果を示す。極太実線，極太破線，太実線，太破線，細実線はそれぞれ，ティルト角指令値，

本研究では非ティルトロータ機を用いて課題

プロペラ 1 のティルト角応答値，プロペラ 2 の1 の検証を行った。今後，図 8 のティルトロータ機を用いて検証を進める。
本研究では比較的低速な向かい風が推力係数に与える影響を検討した。今後は，強風，もしくは向かい風以外の風が推力係数に与える影響を検討する。
現時点では，ティルトロータ機が非ティルトロータ機よりも地面との接触力制御性能に優れることをシミュレーションにより検証することしかできていない。今後，図 8 の装置を用いて

図9

ティルト角度応答 (実験)実機検証を進める。
― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation,[成果の発表，論文等］[1]

辻 裕介，矢代大祐，弓場井一裕，駒田 諭：“クアッドティルトロータ機の接触力制御”，機械学会
ロボティクス・メカトロニクス講演会演論文集，Jun. 6th-8th, 2021
[2]

Daisuke Yashiro : “Force Control of Propeller-Driven Systems Using Rotor Angular Velocity”,
Proceedings of 7th IEEJ international workshop onSensing, Actuation, Motion Control, and Optimization, Mar. 10th-12th, 2021
[3]Yuki Kato, Daisuke Yashiro, Kazuhiro Yubai, andSatoshi Komada : “Design of a Gain-scheduled
Rotor Thrust Controller Using Wind Velocity andRotor Angular Velocity”, Proceedings of the 7th― 5 ―Motion Control, and Optimization, Mar. 10th-12th,2021[ 4 ] Yuki Kato, Daisuke Yashiro, Kazuhiro Yubai, andSatoshi Komada : “Design of Gain Scheduled Rotor
Thrust Controller Using Airspeed and Rotor
Angular Velocity”, Proceedings of the 46th Annual
Conference of the IEEE Industrial Electronics
Society, Oct. 18th-21th, 2020
[ 5 ] 林 佑 樹，矢 代 大 祐，弓 場 井 一 裕，駒 田 諭：
“ロータ角速度を用いたクワッドロータの接触力制御”，電気学会論文誌産業応用部門誌，Vol. 140-D,
No. 9, pp. 662-672, Sep. 2020