計測自動制御学会東北支部 第 294 回研究集会 (2015.5.29)
資料番号 294-11

飛行制御研究用無人機 GAV-5 の開発
Development of GAV-5 UAV for flight control research○長谷川知恭，佐藤淳○ Tomoyasu Hasegawa，Atsushi Satoh岩手大学

Iwate University
キーワード : GAV-5, 飛行制御
連絡先 : 〒 020-8551 岩手県盛岡市上田 4-3-5
岩手大学大学院 工学研究科 機械システム工学専攻
佐藤1.

淳，Tel: 019-621-6404，E-mail: satsushi@iwate-u.ac.jp

緒言

た，翼型にメーカー独自のものを用いてることが多く利用可能な空力データが存

UAV(Unmanned Aerial Vehicle) とは遠隔操作・在しない自律制御により飛行可能な無人航空機のことである．無人という特性から，人間が近づき難い• 長時間 (数十分以上) の飛行やラジコン用

危険な場所での活動や調査へ利用されており，機器以外の機器の搭載を想定していない

JAXA1) をはじめとする様々な研究機関で研究・ため機内容積が小さい開発が進められている 2) ．UAV の研究・開発には機体，シミュレーションプログラム，飛行試
験環境などを含む研究基盤が必要である．
通常，UAV は外乱の影響や，視界外での飛行において発生する通信の遅延などを考慮し，機体の姿勢安定化のための制御系を搭載している．

そのため，本研究では様々なミッションへの汎用性を確保し，搭載機器の変更を想定したペイロードや迅速な制御系の改良・更新が可能な特徴を有する飛行制御研究用無人機 GAV-5 の開発を行った．

また，自律飛行には機体の姿勢安定化に加え，誘導・航法制御が必要となる．そのため，UAV に2.

は，飛行制御系が必要となる．

機能要求

飛行制御の研究用機体には運動モデルの決定

飛行制御系の研究・開発には，計測・制御用機器を搭載した研究用機体や，その空力データが必要となる 3) ．そのため，市販のラジコン機は以下の点で研究用機体として不十分である．

• 空力特性や慣性特性のデータが不明．まに必要な応答データの収得や，応用的ミッションのためのウェイ・ポイント方式での自律飛行などを行うために，飛行中にリアルタイムでの計測・制御が可能なシステムを搭載する必要がある．また，試験の効率を考えると，ある程度–1–長時間の試験飛行が可能であることが望ましい．
そのため，研究用機体への機能要求は以下のように設定した．

1) 計測情報• 姿勢角 (ヨー，ピッチ，ロール)，角
速度

• 加速度

Fig. 1

研究用無人機 GAV-5• 緯度，経度，対地高度，方位• 対気速度• 横滑り角，迎え角2) 制御機能• 任意の動的制御器の実装機能 (MATLAB/Simulink 環境を利用)• アクチュエータコマンドの発生制御基板とセンサシステムは胴体内部に搭載し，GPS アンテナは機体上部に，ピトー管は左翼端に設置している．
今後搭載予定の迎え角・横滑り角センサは右翼端に設置する予定である．
また，3DCAD を用いた設計と NC 工作機械による加工により現物合わせを可能な限り排除し，複数製作時の個体差が発生しないようにすることで製作時・補修時の再現性を確保した．

3) 飛行性能• 30 分以上の計測飛行

4.

搭載機器

• 地表高度 250m 以下，目視可能範囲

4.1

ANS1 PIC 制御基板

での飛行

• 動力・ラジコン機器を除いた計測機
器，電源搭載のためのペイロードとして 1[kg] を想定

3.

岩手大学 佐藤研究室が開発した ANS1 PIC 制
御基板 (Fig.2，寸法：60mm × 70mm × 30mm，重量：34.6g) は mbed マイコンと PIC マイコンで構成された小型 UAV への搭載を意識した小型軽量，低コストな制御基板である．基板上のシステム構成は Fig.3 に示す．

飛行制御研究用無人機 GAV-5

GAV-5(Fig.1) の諸元を Table 1 に示す．

Table 1
全長
全幅
全備重量
ペイロード
翼型
動力バッテリー

GAV-5 緒元1465mm
2404mm3330 ｇ
1000 ｇ以上
Eppler E197
ブラシレスＤＣモータ
11.1V 5000mAh LiPo バッテリー× 1(モータ・サーボ用電源)
11.1V 1300mAh LiPo バッテリー× 2(センサシステム制御系電源/フラップ用電源)–2–Fig. 2

ANS1PIC 制御基板

4.3搭載システムの全体構成

システムは Fig.4 に示すように ANS1 PIC 制御基板とセンサシステム，アクチュエータ，無線通信機器で構成される．

基板上のシステム構成

Fig. 3制御系の開発において，研究者がソフト/ハードウェアの知識に精通していない場合，開発には多大な労力を用する可能性がある．そこで，制御系の開発を容易にするため，本制御基板ではMATLAB/Simulink が持つ自動コード生成機能を利用して，Simulink ブロックで制作した制御系の処理を自動的に C コードへ変換，PIC24F マイコンへ実装することが可能になっている．開発・実装は以下の流れで行う．

1) 実機のセンサ・アクチュエータに対応する入出力ブロックを利用し，Simulink 上で制御系を作成
2) C コード自動生成，コンパイル
3) PIC24F へ書き込み

Fig. 4

飛行制御システムの構成

各センサで計測されたデータは I2C バスインターフェースを経由して制御基板に送信される．
全データ (コントローラ状態，パイロット入力，機体状態，位置情報，エアデータ) は microSD
内に保存される．同時に，一部のデータは地上局のデータ保存用 PC に送信され，搭載システ
ムが正常に動作しているかの確認が可能である．

4) 実機と接続した状態で HIL 検証
これにより，制御用プログラムを手作業で開発する必要がなくなり，ハードウェアの知識を持たないものでも制御系の開発を容易に行える．

4.2

5.

搭載システムの動作確認試験

GAV-5 に搭載したシステムの正常な動作を確認するための飛行試験を行った．

センサシステム

搭載しているセンサシステムと各センサで計測している状態量を Table 2 に示す．

Table 2センサーと計測項目装置
IMU(InertialNavigation
Unit)GPS(GlobalPositioningSystem)
ピトー管

計測項目
品名
3 軸まわりの角度・角速度， HIROBO
3 軸方向の加速度，磁気方位 IMU-05

気圧高度計

温度，気圧高度

緯度，経度，海抜高度

PA6C

対気速度

SSCDRRN002ND
2A3MA5611

5.1

飛行試験 (H27 年 4 月 8 日実施)

予め，岩手大学工学部で実施した地上試験においてシステムの正常動作を確認したので，飛行試験を実施した．試験時は手投げによる離陸，胴体着陸による回収を行った．当日の試験環境
を Table 3 に示す．

–3–Table 3300

岩手大学農学部農場
224m
1007hPa
6℃
晴れ
最大風速 10.0m/s(現地での計測)

試験結果

5.2

roll
pitchyaw

200
angular velocity[deg/s]

場所
海抜高度
盛岡市の大気圧
盛岡市の気温天気
現地の風速

counter-angular velocity

飛行試験環境1000-100-200-300

約 21 分間の計測を行った．飛行を行った 15分から 16 分の区間での計測結果を Fig.5〜Fig.11に，飛行経路の結果を Fig.12 に示す．相対高度は計測開始時の高度を基準とした気圧高度である．

1515.2

Fig. 715.4
15.6time[min]

15.8

16

各軸周りの角速度

counter-tempreture30

tempreturecounter-angle[deg]rollpitchyaw

20
tempreture[degC]

150

500-50100-10-100-20
15-1501515.2

Fig. 515.4
15.6time[min]

15.8

15.2

15.4
15.6
time[min]

15.8

1616

胴体内温度

Fig. 8各軸周りの角度counter-airpressure1050

pressure

counter-acceleration3

air pressure[hPa]xyz2
acceleration[G]angle[deg]100101000-1-2-315950
1515.2

Fig. 615.4
15.6time[min]

15.8

15.2

15.4
15.6time[min]16Fig. 9

各軸周りの加速度–4–大気圧

15.8

16いないため計測は正常に行われていたと考えられる．

counter-altitude
350

MS5611 alt
GPS sea alt

300

altitude[m]

250
200

6.

結言

150

本研究では UAV の飛行制御開発の研究基盤を構成する主な要素のひとつである飛行制御研究用無人機 GAV-5 の開発を行った．本機体は佐藤研究室で開発した ANS1 PIC 制御基板およびセンサシステムを搭載し，ソフト/ハードウェアの知識を必要とせず MATLAB/Simulink 環境で制御系の開発が可能である特徴を持っている．また，飛行試験から搭載機器が正常に動作することも確認できた．
今後は迎え角・横滑り角センサの開発と風洞試
験による空力パラメータの決定，飛行試験デー
タに基づくシステム同定実験を行う予定である．

1005001515.2

15.4
15.6time[min]

15.8

16

相対高度および GPS 高度

Fig. 10counter-airspeed
30airspeedairspeed[m/s]

2520

参考文献

151) JAXA Multipurpose Unmanned Aerial Vehicle Team
多目的小型無人航空機の開発と気象観測飛行実験 ，宇宙航空研究開発機構，

10501515.2

15.4
15.6time[min]Fig. 1115.8162) 野波健蔵
民生用自律無人航空機 UAV・
MAV の研究開発の現状と展望 ，日本機械学会論文集 C 編，Vol.72，No.721(2006)，
pp.2697-2705

対気速度3) Andrei Dorobantu， Will Johnson， F. Adhika
Lie，Brian Taylor，Austin Murch，Yew ChaiPaw， Demoz Gebre-Egziabher， and GaryBalas，An Airborne Experimental Test Platform: From Theory to Flight， 2013 American
Control Conference(2013) 659-673

Fig. 12

飛行経路

計測結果より，各センサの計測値や GPS でプロットした経路には不自然なジャンプが発生しておらず，Table 3 と比較しても値がかけ離れて–5–