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2020年8月26日発売

コロナ社

ドローン工学入門

モデリングから制御まで
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内容紹介
本書は和書として最初の「ドローン工学入門」の専門書で,「モデリングと制御」に特化した学術書である。著者が大学での研究のみに留まらず,大学発ベンチャーのドローン企業を創業して,研究開発とビジネスの両方を実践してきた内容を本書にまとめているところに特徴がある。つまり,ここで述べられている「考え方」がドローンビジネスと技術のベースになっている。誤解を招かないために補足するが,本書は「考え方」を述べているのであって,このままをビジネス実機に適用しているわけではない。だから,「入門」なのであり「ビジネス実機は格段に奥が深い」ことをご理解頂きたい。
ドローン工学の構成要素は大分類すると,(1)機体システム,(2)推進システム,(3)誘導・航法・制御,(4)通信システム,(5)地上局システムの5つに分けられる。(1)は固定翼か回転翼か等,機体デザイン,構造強度,機体材料,空力抵抗等機体本体である。(2)は動力としてエンジン型,バッテリ型,そのハイブリッド型,燃料電池型等である。(3)は頭脳部で,姿勢安定化や経路追従,障害物の検知と衝突回避等である。(4)は無線周波数選定,携帯電話使用のLTE通信,5G関連である。(5)はスマホやPCを用いて経路計画,飛行時の飛行状況確認等である。それぞれにハードウエアとソフトウエアがあるが,(1),(2),(4),(5)は時代と共に進化していく分野であるのに対して,(3)のAIを活用した誘導を除く,航法・制御技術については成熟期に入り,ほぼ体系化される段階にきている。本書は,最も普遍性を有する(3)の成熟期に入った「モデリングと航法・制御技術」に特化して「ドローン工学入門」としてまとめている。
1章では,姿勢推定のアルゴリズムについて考え方を述べている。特に,クォータニオンとオイラー角の関係等を導出している。2章では,4つのモデリング法について長所と短所や,制御系設計の観点から著者の私見を交えてまとめている。特に,冗長系へのマルチコプタの制御入力の配分について明らかにしている。3章では,H2制御,LQG制御,H∞制御のポイントを平易にまとめている。4章では,スライディングモード制御系における新しい設計法を提案している。最後の5章は,シングルロータ,クワッドロータ,ヘキサロータ,2重反転ロータ,クワッドティルトウイング(QTW)ロータなど,モデリングの難易度が低い機体から高い機体までをすべて状態空間モデルとして表現して制御理論を適用し,実際に自律飛行実験とシミュレーションを比較している。これほどまでに多種多様な機体のモデリングと制御を,1冊の書籍にまとめたものは国内外を通じて見当たらない。
本書はこの観点から,ドローンのモデリングと制御をいかに実践するかを,多くの事例を紹介することでその全貌が理解できるものと確信する。本書がドローンのモデリングと制御に関心のある大学研究者,企業技術者,大学院生,学部生の読者の座右の書になることを祈念したい。そして願わくば,日本のドローン産業の発展に一石を投じることができれば,至高の喜びである。
目次
1.クォータニオンと姿勢表現および一般的な飛翔体の運動方程式
1.1 クォータニオンの基礎
1.2 クォータニオンのアルゴリズムまとめ
1.3 オイラー角運動方程式と機体の運動方程式
 1.3.1 姿勢角に関するオイラー角とクォータニオンの運動方程式
 1.3.2 機体の運動方程式
1.4 姿勢推定アルゴリズム
 1.4.1 姿勢センサおよび座標系
 1.4.2 基本アルゴリズム
 1.4.3 拡張カルマンフィルタの導入
 1.4.4 加速度外乱環境下における姿勢推定アルゴリズム

2.回転翼型小型無人航空機のモデリング
2.1 オイラー・ラグランジュの運動方程式による導出
2.2 ニュートン・オイラーの運動方程式による導出
2.3 非線形連成系(MIMO)から線形非連成系(SISO)簡易モデルの導出
 2.3.1 マルチロータヘリコプタの概要
 2.3.2 飛行原理
 2.3.3 ハードウエア構成
 2.3.4 座標系と記号の定義
 2.3.5 マルチロータヘリコプタの角速度安定化制御
 2.3.6 ミキシング
 2.3.7 ジャイロフィードバック制御
 2.3.8 マルチロータヘリコプタの自律制御
2.4 システム同定モデル
2.5 簡易型モデルから導出した解析モデルの検証

3.状態空間モデルを用いた線形制御系設計法
3.1 非線形モデルの状態空間表現
3.2 線形近似モデルの伝達関数表現・状態空間表現および制御系設計
3.3 ロバスト制御系設計のための正準系
3.4 H2制御系設計
 3.4.1 終端時間制御問題と解法
 3.4.2 無限時間線形2次形式制御問題とLQR制御系設計法
 3.4.3 最適目標軌道追従制御問題と制御系設計法
 3.4.4 最適外乱除去システム制御系設計法
 3.4.5 明示的(Explicit)モデル規範型(モデルフォロイング)制御系設計法
 3.4.6 暗示的(Implicit)モデル規範型(モデルフォロイング)制御系設計法
 3.4.7 線形2次形式ガウシャン問題
3.5 H∞制御

4.スライディングモード制御による非線形制御系設計法
4.1 スライディングモード制御理論の基礎
 4.1.1 基本概念
 4.1.2 理想的なスライディングモード制御
 4.1.3 解の存在と等価制御
 4.1.4 スライディングモードにおける低次元化
 4.1.5 スライディングモードのロバスト性
 4.1.6 システムの正準系
 4.1.7 対(A,B)の可制御性と対(A11,A12)の可制御性
 4.1.8 スライディングモード制御の不変零点
 4.1.9 スライディングモード到達条件
 4.1.10 チャタリングの抑制
 4.1.11 単一入力のスライディングモード制御系
4.2 スライディングモード制御系設計の基礎
 4.2.1 不変零点を用いた切換超平面の設計法
 4.2.2 周波数整形型スライディングモード制御
 4.2.3 H2制御理論による設計
 4.2.4 ロバスト超平面を有するスライディングモード制御
 4.2.5 ゲインスケジュール型スライディングモード制御
 4.2.6 出力フィードバックスライディングモード制御
4.3 スライディングモードオブザーバ
 4.3.1 Utkinオブザーバ
 4.3.2 Walcott-Zakオブザーバ
4.4 スライディングモードサーボ制御系の設計
4.5 モデル規範型(モデルフォロイング)制御系
 4.5.1 モデル規範型スライディングモード制御系設計法
 4.5.2 モデル規範型スライディングモードサーボ制御系設計法

5.自律飛行制御の実際および自律飛行技術の未来
5.1 小型クワッドコプタの自律飛行制御とフォーメーション制御
 5.1.1 モーションキャプチャと実験システム構成
 5.1.2 システム同定モデルによる自律飛行制御の実際と検証
 5.1.3 姿勢制御と位置制御・高度制御
 5.1.4 リーダー・フォロワー型フォーメーション制御
5.2 シングルロータヘリコプタのモデルフォロイング型スライディングモード制御
 5.2.1 モデリングとモデルフォロイングスライディングモード制御系設計
 5.2.2 シミュレーションと実験による検証
5.3 二重反転型小型飛行ロボットのモデリングと制御
 5.3.1 世界最小最軽量のマイクロフライングロボット
 5.3.2 CIFERを用いたマイクロフライングロボットのモデリング
 5.3.3 H∞ループ整形法による制御器設計とホバリング制御
5.4 モデル予測制御によるフォーメーション飛行
 5.4.1 制御系設計
 5.4.2 モデル予測制御による位置制御系設計
 5.4.3 モデル規範型モデル予測制御
 5.4.4 モデル規範型モデル予測制御によるフォーメーション飛行
 5.4.5 編隊飛行のシミュレーションおよび実験
5.5 ヘキサロータ型小型無人航空機の自律制御とフォルトトレラント制御
 5.5.1 アウターループ制御系の構成
 5.5.2 最適制御器の設計とウェイポイント飛行
 5.5.3 フォルトトレラント制御(耐故障制御)
5.6 ティルト翼機構を有するクワッドロータQTW-UAVの自律飛行制御
 5.6.1 ヘリコプタモードのモデリングとホバリング制御
 5.6.2 ヘリコプタモードから飛行機モードへの遷移飛行と自律飛行
5.7 非GPS環境下の自律制御―レーザーSLAMからビジュアルSLAMまで
 5.7.1 LiDARベースSLAM
 5.7.2 ビジュアルSLAMを利用した非GPS環境におけるナビゲーション
5.8 自律飛行技術の未来
 5.8.1 自律飛行技術の頭脳部としてのオートパイロット
 5.8.2 ドローンの飛行レベルと自律性(安全性)クラスの相関関係
 5.8.3 近未来のドローン自律制御のあるべき姿
 5.8.4 AI技術によって高度化された自律飛行制御の未来
 5.8.5 飛行自律性・環境複雑性・ミッション複雑性と飛行リスク

引用・参考文献
索引
著者略歴
野波 健蔵(ノナミ ケンゾウ nonami kenzou)
タイトルヨミ
カナ:ドローンコウガクニュウモン
ローマ字:doroonkougakunyuumon

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コロナ社の既刊から
天雨徹/著・編集 田中立二/著 大谷哲夫/著
日本塑性加工学会/編集 西村尚/著 桑原利彦/著 吉田亨/著 浅野峰生/著 逸見義男/著 ほか
電子情報通信学会/編集 唐沢好男/著 藤井威生/著
伊藤公久/著 平田秋彦/著 山本知之/著

連載記事

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