計測自動制御学会東北支部 第242回研究集会（2008．5．13）
資料番号242−6

リモートセンシング用小型固定翼UAVの実用化に向けた姿勢安定化

OntheattitudestabilizationofsmallfiⅩed−WingUAV払ropticalremotesensi
O大山圭一，塩澤茂宗，佐藤淳
OKeiichiOoyama，ShigemuneShiozawa，AtsushiSatoh岩手大学

IwateUniversity
キーワード：UAV（VnmannedAerialVehicle），リモートセンシング（Remotesensing），PI制御（PIcontrol）

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 機械工学専攻
航空宇宙システム研究部門佐藤研究室
TEL，FAX・＝019−621−6404，E−mail：t3408007＠iwate．u．ac．jp

1 研究背景及び目的
現在佐藤研究室では東北農業研究センターと共同で，稲のいもち病や食味の評価への応用を目指し，低コストで高解像度のマルチスペクト
ル画像が撮影可能なリモートセンシング用UAVの開発を進めている．リモートセンシングとは，地形や物体などの情報をカメラ等を用い遠隔から取得する技術である（図1）．リモートセンシ
ング技術によって，短時間で広域の情報を得ることが可能となる．

前述の共同研究では，利用するUAVの形態として小型固定翼機を用いることを予定している．

図1：衛星と飛行機のリモートセンシング

小型固定翼UAVには，小型のため機体本体が低コスト，滑走路やパラシュートが不要で運用の高解像度の画像情報を得やすい，振動が少ないためカメラ防振装置を必要としないなどの利点自由度が大きい，低速かつ低空飛行可能なのでがあり，共同研究の目的に適している．

1．実環境において運用可能であるか

そこで本研究では，小型固定翼機の姿勢制御を行い，突風による機体姿勢変化の抑制におけ2．風のある環境で飛行した場合の写真へのる有効性を確認することを目的とする．

影響

2 機体及び搭載機器
3．稲穂上への着陸が可能であるか
本研究で試作した小型固定翼UAV（GAV−1）
を図2に示す．ベース機体としては比較的低速テスト飛行時に搭載した機器を表2に示す．機

で飛行可能な低翼面荷重の機体を選んだ．本機器搭載時の機体総重量は0・771［kg］である・

体は操縦舵面として，エレベーター（昇降舵）とラダー（方向舵）のみを持つ．GAV−1の機体緒

表2：搭載機器（テスト飛行用）

元を表1に示す．
名称

デジタルカメラ

備考
710万画素数（OLYMPUSFJ770SW）

重量（177g）

カメラケース

アルミ製

重量（54．5g）
シャッター機構

サーボモータで駆動
重量（14．Og）

実験方法 機体は地上から手動操作により操縦し，上空から水田の撮影を行なう．発進は手投げにより行ない，回収は水田の稲穂上に着陸を試みる．

図2：GAV−1

実験結果 高度30［m］図から可視光にて撮影した写真を図3に示す．機体回収については，
表1：GAV−1機体緒元材質

発砲スチロール

全長

0・76［m］×1・16［m］

翼幅0．024［m］

翼面積0．34416［m2］

総重量0・375［kg］

モータ
バッテリー

DCモータ
リチウムポリマー電池（7．4V，800mAh）

3 実環境におけるテスト飛行
実験目的 GAV−1において下記のことを検水田の稲穂上に着陸した結果，稲及び機体の双証する．

2

方に損傷は無く，実用上問題無いと判断された．

目標地点上を水平直進飛行し撮影を行う場合

撮影中の突風による機体の姿勢角速度の変化がについて考える．撮影時に突風の影響により機撮影時のプレなどとして影響することが予想さ

体ピッチ角変動する場合には，撮影間隔を十分れたが，風速が2［m／sec］以下の環境では影響は短くすることで，目標領域すべてをカバーするないことが確認された．一方，カメラは機体にような撮影が可能である（図5）．また，ヨ一角が固定されているため，突風や操縦操作に伴う姿変動する場合には，撮影領域に余裕を持たすこ

勢角は，カメラの撮影方向に大きな影響を与えとにより，目標領域をカバーすることが可能でることも確認された・日中の風速は3［m／sec］以ある（図6）．しかし，ロール角が変動する場合に上になることも多いため，実環境化で小型固定は，撮影間隔の短縮は効果が無い．また撮影領

翼UAVを運用するために機体姿勢安定化が重要域に余裕を持たせる場合，非常に大きな余裕がであることが分かった．

必要となり実用的ではない（図7）．魚眼レンズ

4 機体姿勢安定化やカメラ支持装置を使用する解決法は，解像度実環境におけるテスト飛行によって，小型固の低下やコストの増大を招くため，本研究では定翼UAVの機体固定カメラを用いて地上の目撮影時のロール軸周りの姿勢安定化が特に重要標点を撮影する際に，突風による姿勢角の変化であると考える．

が大きな影響を及ぼすことが確認された．そこで本研究では，GAV−1の姿勢安定化制御を行い，突風による機体姿勢変化の抑制における有効性月■1 ∠プ」■l■r

撮影領域 目標領域を確認することを目的とする．

図5：ピッチ角姿勢変動の影響

写真撮影時にピッチ角，ヨ一角及びロール角（図4）周りで各々機体が変化した場合の撮影範ぬ⁝⁝用Ⅷ戎⁝⁝⁝ヾ／′∫芦L

囲への影響について考える．

欄■rl l ∠＝7■■■r撮影領域 目横領域

図6：ヨ一角姿勢変動の影響

4．1 ロール角姿勢安定化実験
橙体速度Z
実験目的 撮影時には，突風に対するロー
図4：機体座標系

ル軸周りの姿勢安定化が重要と考えられるため，GAV−1のロール角速度の減衰を強めるような自3ゲインを変化させて飛行実験を行い，ロール角′r▲ 、＼、＿．

応答からゲインを決定することにした．

∠ゴ

実験方法 まずP制御（∬J＝0）において，」■■

撮影領域 目標領域

試行錯誤的にゲインを変化させて飛行実験を行い，ロール角応答が適切になるよう梅をチュー

図7：ロール角姿勢変動の影響ニングする・次にPI制御を行いト垢と同様に動安定化制御系（ロールダンパ）を実装し，飛積分ゲイン∬Jをチューニングする．ただし本行試験によりその有効性を確認する．

発表の時点では，時間的制約により最終的なコ制御系の構成 本研究ではロールダンパの構ントローラは未だ得られていない．
実験結果 まずP制御において初期ゲイン成に，次のようなPI制御系を用いる．
み＝肯pe＋〟J∬p＝0．75とした時の，ラダー角入力に対するローed壬ノー（1）ル角速度応答を図9に示す．この時ロールダン

ここで，∂γはラダーへのコマンド舵角，eはロー

パは，162．25［s］から動作させた・また，飛行条

ル角速度の目標値との偏差，垢は比例ゲイン，件を表4に示す∬Jは積分ゲインを表す．ロール角速度の目標値

6．00を0［rad／s］とおくことで，ロール角速度応答の4．00﹇め＼P巴﹈世塵︽ミ口減衰を強める．また，ロールダンパのブロック線図を図8に示す．

2000．0016100】6200

163．00

1糾00

165．00時間［s〕

図8：ロールダンパのブロック線図

図9：ラダー角入力に対するロール角速度応答

また，姿勢安定化実験の際の搭載機器を表3に示す・機器搭載時の機体総重量は0・930［kg］で

表4：飛行条件
平均流速 0．9［m／s］ある．

最大風速 1・5［m／s］
表3：搭載機器（機体姿勢制御実験用）

気温

15．3［○］

気圧

1002・8［hPa］

ロールダンパを動作させていない場合の応答

名称 備考 制御基板 H8マイコン （ワイズ・ラブ社MAVCl） 加速度センサー ZigBee 野外通信距離（約300m） （MaxStream社XBee−PRO）（160≦t≦162．25）より，GAV−1は安定なロール
適切な垢，∬Jのチューニング方法は，閉ルーモードを持つ機体であることが確認できた．一プ系が安定化されるような範囲で試行錯誤的に方，ロールダンパを動作させた後（162．25＜t）で4は，ロール角速度が発散していることから，ロー［2］Weyer．J．duPlessis，Ellis．P．clark：Design

ル角姿勢がフィードバック系によって不安定化

COnSiderationsfor−alow altitudelong en−

しており，初期ゲインの選択が適切でないこと

durancesolarpoweredunmannedaerialve−を意味している．

hicle；AFRICON2007，26−28，Oct．2007

結果より，更に比例ゲインを小さくチューニ［3］WarwickGraham：ングする必要があると思われたが，前述の実験

DARPA sets nano〜UAV challenge；

で実験装置が破損したため，更なるチューニン
FlightInternational．vol．168，nO5005，PP．24．4−
グ及びロールダンパの有効性の確認は今後の課
10，Oct．2005
題である．
［4］久世宏明：リモートセンシングの基礎；森

5 結言

北出版株式会社，2005．4．20

本研究では，GAV−1の姿勢安定化制御を行い，突風による機体姿勢変化の抑制における有効性を確認することが目的であったが，コントロー
ラのチューニング中に機体が破損してしまったため有効性の確認までは至らなかった．
本研究において，これまでの実験で得られた知見を以下に示す．
●撮影時には，突風に対するロール軸周りの姿勢安定化が重要であることを確認した● ラダー入力により十分にヨー軸周り運動を発生させられることを確認した
今後の課題は，更にチューニングを行い有効性の確認を行うことである．
参考文献［1］DanielJ・Neufe1d，JoonChung：

Unmanned AelialVehicle Conceptual
DesignUsingaGeneticAlgorithmandData
Mining；AIAA−2005−7051，Infbtec＠Aerospace，Arlington，Virginla，Sep．26−29，2005

5