無人航空機（UAV）に関する研究

近年、HAPS(High-Altitude Platform StationもしくはHigh-Altitude Pseudo Satelite)という言葉が注目されています。HAPSは高高度滞空型擬衛星のことで、高高度を一日を通して飛行可能な無人航空機（UAV）を表します。土屋研究室においても、本研究室で研究が続けられてきた、UAVの飛行制御技術や最適軌道計算技術、空力・構造連成解析技術を総合し、効率的なHAPS機体の提案ならびにスケールモデルを用いた飛行データ取得に取り組んでいます。本研究はプロジェクト研究として研究室に関わらず学生の参加を受け入れており、学部1年生から大学院生まで、多くの学生が本研究プロジェクトに関わっています。詳細については本プロジェクトのホームページがありますので、そちらをご参照ください。
HAPS Research Group HP

航空機の研究開発は1回の設計サイクルを回すために多大なマンパワー・時間・費用を要するため最適化アルゴリズムとCAE技術を組み合わせて機体設計を自動化し手戻りを削減する研究が盛んに行われています。有人航空機より小さい無人航空機（UAV）においても機体自動設計は有効であり、本研究ではUAV向けの機体自動設計手法を開発しています。

従来以上に航空機の飛行効率を高める機体設計コンセプトとして機体形状とプロペラ・エンジンなどの推進器との間の流体的な相互作用を利用する機体・推進統合設計が提案されています。こうした機体コンセプトの一つとして航空機の主翼端にプロペラを配置し、プロペラ後流を主翼に当てることで飛行効率を高めるレイアウトが、近年の航空機電動化の可能性の高まりとあわせて注目されています。本研究では主翼端にプロペラを配置するレイアウトをUAVへ適用する事がUAV設計に与える可能性について風洞試験と機体自動設計を通して研究しています。

昨今のドローンの利用は各分野で急速に広がり、今後もその需要は拡大していくと予想されています。そのような背景を踏まえ、マルチコプターの飛行性能を評価するため、ロボットアームを用いたシミュレーション環境の構築を行っています。ロボットアームを用いてマルチコプターのテストを行えるようになれば、リスク・コストの大きい飛行試験を行わずに機体の性能を評価できるようになることが期待されています。

昨今国が推進しているドローン物流の社会実装に関して、現在経済産業省などが中心となり、無人機等を利用するためのデジタルインフラである4次元時空間情報基盤の検討、整備が進められています。そこで、配送業務を実施するにあたって必要となるドローンポート周辺の離着陸時の最適経路を、4次元時空間情報基盤から取得できる障害物・風況情報をもとに、突風などの予測が難しいリスクも考慮しながら求める研究を行っています。

多くの電動UAVはプロペラを用いて推進力を生み出しており, その性能は機体の飛行性能に重要な影響を及ぼすと同時にUAVの社会実装を妨げる騒音の発生源となります。新しいプロペラの性能評価を行うために風洞試験・飛行試験は重要な手法ですが、プロペラの複雑な形状ゆえに実験に使用するプロペラを安価にかつ正確に作成する事は難しいという課題があります。

本研究ではUAV用プロペラを安価・高速・高精度に製造する手法として積層造形法の1種である光造形に着目し、効率的なプロペラ試験手法のフレームワークの構築を行っています。

本研究ではUAVの設計・製造プロセスの統合と大幅なコストダウンを目的として、3Dプリンターで製造可能かつ軽量なUAV構造の設計法を実験的に飛行試験を通して開発しています。また、任意の航空機形状を3Dプリンターで製造可能な構造に自動的に変換するプログラムを作成しています。

飛行中に翼形状が変形するモーフィング翼は、一つの翼で様々な飛行条件に対応する事で従来よりも効率の良い空力デバイスを実現できる事が期待されています。本研究ではラティス構造を有するモーフィング翼をプロペラに応用する事で、プロペラ自身に作用する空気力によってより効率的な形状に受動的に変形するプロペラを実現する事を目的として風洞試験を行っています。