2019 Fiscal Year Research-status Report
極限環境での回転計測システム提案とマルチボディダイナミクスによる運動解析と最適化
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19K04277
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
菅原 佳城 青山学院大学, 理工学部, 准教授 (10422320)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武田 真和 青山学院大学, 理工学部, 助教 (40845640)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 回転角計測 / 圧電素子 / 接触問題 / カルマンフィルタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉内の極限環境における機械システムの回転角を計測する方法として圧電素子と偏芯カムの1セットから構成されるシステムを提案し，構造の幾何学的関係を示すことでその方法が有効であることを示し，さらに数値解析により有効性を示した．さらに提案手法に対する基礎特性を計測するためのプロタイプを構築し，それを用いた実験により計測可能であることを示し，さらにパラメータ変動により影響を受けやすいことを明らかにした．そのパラメータ変動の代表的なものとして熱変形などが考えられ，その変動の結果として数パーセントのオーダーの計測誤差が発生することを明らかにした．このようなパラメータ変動の影響を低減するために，同じシステムを4セット組み合わせる方法を提案し，幾何学的な関係を記述することでパラメータ変動の影響を低減できることが理論的に有効であることを示した．さらに，4セットを組み合わせたシステムについて設計を行い，その製作上における課題を明らかにし，その上でプロトタイプを構築した． また提案システムは圧電素子を用いた方法であり，回転角の変化は圧電素子に蓄積した電荷に基づく電圧の変化として現れるものの，その電圧を計測することで電荷が計測回路に漏れ出し，静的な角度の計測精度に影響を及ぼす．そのため，オペアンプを活用したチャージアンプを用いた方法を導入することで，静的感度を与える方法を構築した．さらに，チャージアンプを用いた方法であっても，電荷の計測時にはドリフトに起因する低周波の誤差が少なからず発生することから，そのような誤差を補償する必要があるから，誤差を状態変数にもつ線形システムを導入し，拡張カルマンフィルタによってその誤差を推定する方法を提案し，数値解析によってその有効性を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
テスト本研究で提案した方法についてその原理を理論的に示し，その特性を理論的に把握している．さらに，理論的なアイデアに対するプロトタイプを構築し，それを用いて実験的に提案原理の有効性について示すことができており，本研究において最低限確認すべき点については完了していると考えられる．また，計測原理のみに着目した研究であったものの，それを構成する圧電素子特有の性質が計測に大きく影響することが明らかになり，その対策としてチャージアンプの導入を行うことで，当初の想定していなかった課題への一つの解決手法を示すことができ，提案手法をより実用性の高いものとすることができた．さらに，実験により測定誤差の影響がより大きく現れることが明らかになり，その対策として基本システムの複数の組み合わせとカルマンフィルタの導入により，提案原理の実用性をさらに向上させるような提案を行うことができており，これらの導入は提案手法の新たな発展の可能性がある研究項目の創出にもつながるため想定した以上の進捗であった．
一方，本研究では偏芯カムと柔軟梁の接触問題も重要な研究項目であり理論的にその原理を示してはいるものの準静的な状態を仮定しており，最終的に明らかにしたい動的な状態については定式化や解析の方法の一案については検討を行うことができたものの，その方法に対する十分な解析結果が得られていない．そのため，最低限の進捗は得られているものの，より充実した進捗とはなってはいない．
上記の進捗について総合的に判断すると，基礎原理に関する進捗は充実した結果が得られていないものの最低限の結果は得られており，さらに新たに明らかになった課題について対策案の提案を行い興味深い結果が得られていることから，おおむね順調に研究が進んでいると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
偏芯カムと柔軟梁の接触について動的な特性を明確にする必要があり，2019年度についてはその定式化の一案について基礎検討を行ったのみであり，まだ十分ではない．基礎検討においては，non-smoothな接触を取り扱うことのできる粒子法の考え方に基づいており，柔軟梁を粒子群で表すことができるものの，その粒子群の個数の検討および変形した際の粒子間の幾何学関係の変化の取り扱いについての課題が残っている．そのため，今後は現在提案している手法における課題への解決法の提案を行い，数値解析およびすでに構築しているプロトタイプによる実験検証を行い，提案手法の有効性を確認する．また，柔軟構造の接触の分野は様々な提案が試みられている領域であり，提案手法を本研究の対象に限らずより一般的な対象への展開可能性を検討する．このような検討により，学術的な貢献を高めるとともに，本研究で提案している極限環境における回転計測システムの構成に制約されず，より一般的な考え方で提案システムを拡張できる可能性がある．
また，現在の進捗状況でも示したように，2019年度に提案した回転角計測時における誤差の低減手法に関して，基本システム（偏芯カム＋柔軟梁）の組み合わせ方法やカルマンフィルタの構築方法に改善および発展の余地があることから，当初計画に加えて同項目についてさらに研究を進める．
また実用化を目指して，プロトタイプをさらに小型化したモデルを構築し，そのような小型化に伴う課題を理論および実験により明確にする．
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| Causes of Carryover |
実験検証のためのプロトタイプ製作において，製作が難しいと考えられていた構造について，より簡単な構造で実現できることとなり，製作費を抑えることができた．また，旅費についても想定していたよりも低い費用となった．また，新たに計測時のチャージアンプの費用や基本システム（偏芯カム＋柔軟梁）を組み合わせたシステムの構築の費用が必要となったことで想定していない費用が発生したが，総合的には少ないながらも経費が余る結果となった．この費用については，2019年度に明確になった新たな課題である，チャージアンプに関するものや基本システムの複数の組み合わせ等においてそれぞれの研究項目をさらに発展させる際の費用として使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
