2019 Fiscal Year Research-status Report
Bio-inspired Multidisciplinary Design of Flapping-wing Micro Air Vehicle with Flexible, Multifunctional Structures
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19K04838
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
永井 弘人 九州大学, 工学研究院, 助教 (50510674)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長崎 秀司 九州大学, 工学研究院, 助教 (00304741)
藤田 浩輝 日本文理大学, 工学部, 准教授 (00315110)
有薗 仁 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (00371097)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 羽ばたき翼 / MAV / 複合領域設計 / ドローン / 生物規範工学 / 構造 / 流体 / 制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，生物の柔軟で多機能な構造や設計を羽ばたき型超小型飛翔体に適用することで，その性能向上を図ることを目的としており，そのために羽ばたき機の流体／構造／機構／機体運動／制御など多分野を統合した複合領域解析技術を確立する．初年度の２０１９年度では，基盤技術の確立として２分野間の連成解析技術の確立を主に実施した．それらの研究実績を以下に示す．
（１）膜型羽ばたき翼の構造非線形性を考慮した流体・構造連成解析：最近の羽ばたき翼機の主流である膜型羽ばたき翼は，膜応力・大回転・座屈の飛び移り現象などの構造非線形性を伴う複雑な流体・構造連成現象である．本研究では，それらの構造非線形性を考慮した準非線形モード法による流体・構造連成解析手法を開発し，その解析結果が実際の翼の流体・構造連成応答に良く一致することを確認した．
（２）羽ばたき機の柔軟構造システムが機体ダイナミクスと姿勢安定性に与える影響：（１）の羽ばたき翼の流体・構造連成解析に機体運動を連成させた解析ツールを開発し，ホバリング安定点まわりの機体擾乱に対する空力安定微係数を数値シミュレーションによって計算し，翼構造と機体の安定微係数との関係を明らかにした．
（３）柔軟・多機能構造を有する羽ばたき機の制御系の検討：上述の翼の流体・構造連成解析ツールおよび機体運動に対する安定微係数を用いて，翼の弾性変形を考慮した機体運動モデルに対するホバリング飛行時の安定解析や状態フィードバック制御則を導出し，その有効性を数値シミュレーションにより確認した．
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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
鳥や昆虫などの生物は，軽量なシステムで優れた飛翔能力を発揮するが，それは流体／構造／機構／機体運動／制御などの多分野を統合した複合領域最適設計によって達成されていると考えられる．本研究では，その複合領域最適設計の基盤技術を確立し，現行の羽ばたき機の性能をさらに生物へと近づけることを目的としている．初年度の２０１９年度では，羽ばたき翼の構造非線形性を考慮した流体・構造連成解析，羽ばたき翼の流体・構造と機体運動との連成解析，羽ばたき翼の流体・構造と機体運動・制御との連成解析など，基盤となる２分野・３分野の連成解析技術を確立した．それらの解析結果のうち，羽ばたき翼の流体・構造連成解析結果については，実験との比較検証を行い，解析手法の妥当性を検証したが，機体運動・制御との連成解析結果については，実験による検証が未実施である．機体運動および制御モデルの実験的検証のために実機の製作にも取り組み，２０１９年度では機体の構成パーツや制御基板を開発した．２０２０年度では機体の組み立ておよび飛行試験を行う予定である．また，未実施である翼駆動機構部と羽ばたき翼の流体・構造との連成解析も２０２０年度より取り組む．
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| Strategy for Future Research Activity |
２０１９年度では，羽ばたき機の複合領域解析の基盤技術として，２分野・３分野の連成解析技術を開発した．今後は３分野以上の統合解析を進め，その解析手法の妥当性を実験的にも検証し，解析精度の向上と分野間連成のメカニズムを解明する．一般的に，複数分野の統合解析が進むほど計算コストが上昇し実用的ではなくなるため，より低コストで実用的な複合領域解析手法が望まれる．今後の研究では，高精度・高コストの複合領域解析による現象の解明と同時に，それらの結果に基づいて，より実用的な低コスト複合領域解析モデルについての検討を進め，最終的には数値最適手法を用いた複合領域最適設計を行う．また，実機の設計開発にあたっては，解析結果を反映させると同時に，製造メーカーやドローンを運用する企業との連携を図り，生産性や運用の観点からの評価をフィードバックしながら，より実用的な機体の開発を目指す．
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| Causes of Carryover |
２０１９年度予算は，概ね当初計画通りに使用したが，次年度使用額が生じた理由は，年度末に予定していた研究分担者との成果報告や研究打合せが，新型コロナウイルスによる移動自粛のためにキャンセルとしたためであり，移動再開後には予定通り使用し，研究者間の連携を促進する．
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Research Products
(6 results)
