D-SEND#2の制御系設計

二宮　哲次郎; 鈴木広一; 川口　純一郎

摘要

This paper is concerned with flight controller design of D-SEND#2. D-SEND is a project to demonstrate a low sonic boom aerodynamic design concept. In the #2 part of this project, an unpowered test vehicle is lifted to an altitude of 30 km by a balloon from which it then separates. After the separation, the vehicle's on-board flight control computer selects a target Boom Measurement System (BMS) according to the separation point. The vehicle then autonomously flies to the selected BMS and establishes prescribed sonic boom measurement flight conditions. The design of the GNC system for D-SEND#2 project is exceptionally challenging since 1) there is no nominal trajectory, 2) there is only limited control available to meet various requirements, 3) the flight envelope is quite wide, and 4) the development time is short. Dynamic inversion method and time-scale separation technique are applied to deal with these problems, and a systematic controller design procedure is presented. The controller is designed with this procedure and evaluated through linear analysis and Monte-Carlo simulations which shows it has sufficient performance and safety margines. Tnis controller design method is confirmed to be a practical method for UAVs.%本論文は，D-SEND#2の制御則設計について述べた.本実験機は非常に広いフライトエンベロープを持ち，少ない制御デバイスに対して多くの要求条件を達成する必要があった.これらの要求を満たす制御系を短期間で開発するため，ダイナミックインバージョン法と時間スケール分割を組み合わせたHSDIによる制御則を基本として，飛行の条件や目的に応じて他の方法を組み合わせて制御系の設計を行った.完全に自律飛行を行う飛行計画のため，飛行フェーズごとに飛行目的が変化し，それに応じた制御則を設計する必要があった.そのためフェーズ数に応じて設計するパラメータは多くなつたが,HSDIを採用したフェーズ内では設計パラメータ数を抑制することができた.また，開発期間中のモデル変更にも柔軟に対応することができたため，設計期間を短縮できた.線形解析により十分な安定余裕を持つことが確認され，モンテカルロシミュレーションによりロバスト性が確認できた.本論文で示した制御則設計手法は，一般的な無人航空機の制御系設計に適応可能で，特にフライトエンベロープが広い機体や，機体開発と制御系設計が並行して進む場合に特に有益な手法となっている.本論文によって開発された制御系は，非常に多くの手法を用いて評価を行い飛行実験に供されることとなった.それらの評価手法については，稿を改めて論ずる予定である.また2015年7月24日に飛行実験が実施され，飛行に成功した.飛行実験結果およびその結果から検証した誘導制御則の評価についても別稿にて報告する予定である.

机译：本文涉及D-SEND＃2的飞行控制器设计。 D-SEND是一个展示低声波动臂空气动力学设计概念的项目。在该项目的第二部分中，用气球将一辆无动力的测试车提升到30公里的高度，然后将其与之分离。分离之后，车辆的机载飞行控制计算机会根据分离点选择目标动臂测量系统（BMS）。然后，车辆自动飞行到选定的BMS，并建立规定的音爆测量飞行条件。用于D-SEND＃2项目的GNC系统的设计极具挑战性，因为1）没有标称轨迹，2）仅能满足各种要求的有限控制，3）飞行包络线很宽，以及4）开发时间短。应用动态反演方法和时标分离技术解决了这些问题，提出了系统的控制器设计程序。该控制器采用此程序进行设计，并通过线性分析和蒙特卡洛模拟进行评估，这表明它具有足够的性能和安全裕度。已确认Tnis控制器设计方法是无人机的实用方法。％本论文本，D-SEND＃2の制御则设计について述べた。多くの要求条件を达成する必要があった。これらの要求を満たす制御系を短期间で开発するため，ダイナミックインバージョン法と时间スケール分割を组み合わせたHSDIによる制御则を基本として，飞行の条件や目的に応じて他の方法を组み合わせて制御制御系の设计を行った。完全に自律飞行を行う飞行计画のため，飞行フェーズごとに飞行目的が変化し，それに応じた制御则を设计する必要するHS。そのためフェーズ数に応じて设计するパラメータは多くなつたが，HSDIを采用したフェーズ内ズ设计パラメータ数を抑制することができた。また，开発期间中のモデル変更にも柔软に対応すること线きたため，设计期间を短缩できた。航空机の制御系设计に适応可能で，特にフライトエンベロープが広い机体や，机体开発と制御系设计が并行して进む场合に特に有益な手法となっている。非常に多くの手法を用いて评価を行い飞行実験に供されることとなった。それらの评価手法については，稿を改めて论ずる予定である。また2015年7月24日に飞行実験が実施され，飞行に成功した。飞行実験结果およびその结果から検证した诱导制御则の评価についても别稿にて报告する予定である。

D-SEND#2の制御系設計

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