2016 Fiscal Year Annual Research Report

Guidance and control law for recovering aircraft fromstall condition using stochastic optimal control theory

Research Project

Project/Area Number	16H04588
Research Institution	Yokohama National University
Principal Investigator	上野誠也横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (60203460)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	宮路幸二横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60313467) 樋口丈浩横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (20403652)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords	飛行力学 / 数値流体力学 / 確率最適制御 / 失速回復
Outline of Annual Research Achievements	①誘導制御系設計手法の開発：第一段階では現状のパイロット訓練を基本とした制御系設計を行い、第二段階として確率最適制御を用いた制御系設計を試みた。前者では、文献に掲載されF-18の失速以降を含む空力モデルを用いて失速からの回復操作の有効性を数値的に求めた。現状のパイロット訓練より速度損失の回復を早めることにより、損失高度の減少が確認された。後者では、モデルを複数用いて最適制御理論を適用した計算例を示し、複数モデルにより確率的な現象に従来の最適制御理論が適用可能である数値例を示すことができた。 ②空力モデルの構築：計算空気力学（CFD）を用いて、航空機まわりのはく離流れと空気力を予測するプログラムを開発し、計算を実施した。高レイノルズ数の乱流の数値計算は非常に計算負荷が高いため、現実的な計算時間で複数ケースの解析を可能とするために、壁面近傍の速度境界層ではレイノルズ平均乱流モデルを用い、空間のはく離流れにはラージエディシミュレーション（LES）を用い、これらを局所的な流れに応じて自動的に切り替える手法（DES）を用いた。また、予測精度の向上にはCFDの計算格子の品質も重要である。壁面近傍では縦横比の大きな格子を用いざるを得ないが、LESには等方的な格子が望ましい。そこで、立方体格子を機体形状に合わせて局所的に細分化していく八分木格子生成法を用いた。以上の解析手法を用いて、翼単体の切り落とし翼端から生じる高迎角はく離渦流れの解析を実施し、圧力等の時間変動値と平均値を実験結果と比較した。現在の結果では、平均値は概ね良好であるが変動成分の定量的予測が不十分と考えられ、空間の解像度と時間精度の影響を調べて検証を進める。 ③模型飛行実験の実施：平成28年度は模型飛行機を購入し、実験システムへの改修計画を立てることを行った。平成29年度当初に基礎的な飛行試験を行う準備まで達成できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ①誘導制御系設計手法の開発：公開されているデータを用いてLOC-Iシミュレータを構築し、当初の目的通りに現状のパイロット訓練から導いた制御則の実施ができた。制御則に改良を加え、損失高度の低減が実現できた点は大きな成果である。確率最適制御の適用は、失速モデルに適用していない点を除けば、当初の計画通りである。 ②空力モデルの構築：翼単体の切り落とし翼端から生じる高迎角はく離渦流れの解析を実施し、圧力等の時間変動値と平均値を実験結果と比較した。平均値は概ね良好であるが、変動成分の定量的予測が不十分と考えられた。今後、平成29年度に予定されている近似モデルの妥当性の検証において、空間の解像度と時間精度の影響を調べて検証を進める。 ③模型飛行実験の実施：妥当な進捗状況であると判断できる。
Strategy for Future Research Activity	①誘導制御系設計手法の開発：現状のパイロット訓練をベースに設計した非モデル制御は順調な成果を挙げたので、確率最適制御による回復操作の解を求める研究を進める。得られた解から再度非モデル制御則を構築し、誘導制御則の設計の成果とする。大幅な計画変更は必要ないと判断した。 ②空力モデルの構築：近似空力モデルの構築に必要な変動成分の推定の高精度化を試みる。空間解像度の影響を調べることで、高精度化が可能と考えられる。特に、研究計画の内容や時間的配分に大きな変更は必要ないと考えられる。 ③模型飛行実験の実施：失速を起こす固定翼機とそれをモニタする回転翼機の誘導制御系設計が平成29年度の課題であるが、最終的には実飛行環境での実証が必要となる。学内等における予備的な飛行試験を平成29年度に実施し、平成30年度の本試験に臨む方針である。