ドローン工学入門 - モデリングから制御まで

著者名：野波健蔵

コロナ社（2021/09発売）

• ISBN：9784339032307

内容説明

ドローンの進化と利活用が急速に進んでいる。本書ではドローンを操るソフトウェアであるオートパイロットに代表される自律制御技術に注目し，第一線の著者が蓄積してきた技術を中心にヘリコプタやマルチコプタの制御までをまとめた。

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

感想・レビュー

※以下の感想・レビューは、株式会社ブックウォーカーの提供する「読書メーター」によるものです。

[vinlandmbit]

これまで制御系は深く入る事が少なかったため、一読ではまだまだですが、ホビー向けやテレビ/映像撮影でかなり普及したドローンについて、その制御や先の自律制御についてかなり丁寧に記載してあります。中上級者向けだと思いますので、これを読んで分からない点を初歩の制御工学やWeb記事で強化するのが良いと感じました。

2020/12/17