張力から推力へのフィードフォワードによる受動的フォールトトレランス：突然のケーブル切断に対する分散型マルチUAV吊り下げ搬送のハイブリッド入出力安定性

マルチUAVによる吊り下げ搬送において、ケーブルの突然の切断は深刻な故障モードである。この故障は動的に負荷分散と制約条件を変化させ、故障診断と再構成に許容される時間は極めて限られている。既存の制御器は協調的な力配分、ピア状態交換、あるいは固定ケーブルトポロジーに依存しており、したがって突然の切断に対する認定された分散型復旧メカニズムを欠いている。本研究では、各UAVの実測ケーブル張力をその高度推力指令に直接入力する受動的アーキテクチャ（T_i^{ff}=T_i）を提案する。同時に、比例微分、アンチスイング、投影カスケードからなる制御器が局所的な追跡可能性を維持する。この設計の根本的な利点は、特別な故障検出機構を必要とせずに自動応答を実現できる点にある。本論文の主な貢献は、条件付きハイブリッド実用入出力安定性（ISS）証明書の確立である。この証明書は、弛み変動が有界な緊張ケーブルの縮約、切断後の有界なLyapunovジャンプ、故障間の減衰、および故障サイクルごとの収縮（ρ∈(0,1)）を統合し、指定されたアクチュエータ、弛み、および滞留時間の仮定のもとで明示的な復旧包絡を提供する。これにより、システムの信頼性に厳密な数学的保証が与えられる。提案手法を検証するため、研究者らはDrakeマルチボディシミュレーション環境で実験を行った。5機のUAVが10kgのペイロードを搬送するシナリオで、Kelvin-VoigtケーブルモデルとDryden風外乱を導入し、単一および二重ケーブル切断をスケジュールした。その結果、閉ループシステムは切断後1ペイロード振り子周期以内に復旧し、二乗平均平方根誤差（RMSE）は0.312-0.328m、最大たるみ（peak sag）は76.1-95.2mmであった。さらに、張力フィードフォワードの同一性写像を無効にした比較実験では、巡航誤差が34-39%増加し、最大たるみが3.6-4.0倍に増大した。これは、テストした分散カスケードアーキテクチャにおいて、局所的な張力フィードフォワードが支配的な受動的復旧メカニズムであることを明確に示している。本研究は、実際の展開におけるマルチUAV協調吊り下げ搬送システムの安全性に新たな解決策を提供するものである。