2013 Fiscal Year Annual Research Report
スポーツ用具とスポーツスキルの同時最適化手法の確立
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23240090
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
瀬尾 和哉 山形大学, 教育文化学部, 教授 (60292405)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 省三 仙台大学, 体育学部, 教授 (00179219)
太田 憲 慶應義塾大学, その他の研究科, 准教授 (10281635)
下山 幸治 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (80447185)
仰木 裕嗣 慶應義塾大学, その他の研究科, 准教授 (90317313)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | スポーツ工学 / 同時最適化 / 風洞試験 / 円盤投 / スキージャンプ / CFD / 飛行力学 / 寸法最適化 |
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| Research Abstract |
スポーツ用具とスポーツスキルは、競技力向上への両輪である。用具はエンジニアの責任、スキルは選手の責任で、それぞれが競技力向上を目指して改善、改良してきた。本研究は、これらの取り組みを統合し、さらなる競技力の向上を目指している。つまり、用具とスキルをそれぞれを別々に最適化するのではなく、両者を同時に（並行に）最適化する手法の確立を目指している。以下、具体的に研究実績を報告する。
①円盤投げ：円盤の幅、厚さ、縁の半径、フラットセンターエリアの半径、質量、慣性モーメントを用具に関わる設計変数とした。一方、投げ出し時の仰角、方位角、各軸周りの回転速度、投げ出し時の姿勢（オイラー角）をスキルに関わる設計変数とした。全ての設計変数を並行に取扱い、遺伝的アルゴリズムにより、最適化した。最適化の評価指標は飛距離とした。飛距離を求めるためには、空力係数を知っておく必要がある。空力係数は、数値流体計算（CFD）により見積もった。以上より、最適な用具と最適なスキルを明らかにした。飛距離は79mで、世界記録よりも2m長い。
②スキージャンプ：飛距離最長を目的とした最適化を行っている。円盤投げと同様に飛距離を知るためには、スキージャンパーに働く空気力を知る必要がある。スキージャンプの場合は、風洞実験により、空気力を測定した。このために実物大模型を制作した。風洞実験は、JAXAの風洞を1週間借用し、行った。テイクオフからフリーフライト局面に対応する空気力を測定したが、まだデータの蓄積が不足している。風洞実験を続ける必要がある。
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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
最適化手法：領域適応型遺伝的アルゴリズムを使用している。対象によっては、計算時間がかかる問題点はあるが、収束性、最適解の質とも実際にスポーツに応用する際には、満足できるレベルである。
PIVによる流れ場測定：納品時からの不良がいまだに続いている。光ファイバーが1日程度の使用で焼けてしまう不良である。これは誤算であり、光ファイバーの利用を諦め、ミラーにより、光路変更する方法に変更する対策を施す必要がある。PIVによる速度場計測データを入力として圧力場を算出するプログラムを完成させた。これにより、流れ場情報を多角的にとらえられるようになった。
CFDによる空力係数の見積：円盤投用円盤に関しては、CFDにより空力係数をシミュレーション出来るようになった。同様の手法で、他競技、例えば、カヌー等への応用を図っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
スポーツスキルとスポーツ用具の同時最適化手法の確立、という道筋はつけられたと考えている。ただし、課題は、以下に示す通り、いくつかある。これらを一つずつクリアーしていくことが残り一年の推進方針である。
課題①：最適化計算に時間がかかり過ぎる。特に設計変数の多いスキージャンプの場合に1ヶ月以上の計算時間がかかっている。CUDA化等の工夫の余地はある。
課題②：数少ない風洞試験データから正確な空気力を予測する困難さ。これもスキージャンプの最適化研究におけるハードルである。JAXAの風洞を借用するには、1週間で125万円かかる。予算的には、この程度しかかけられない。しかし、1週間で、細かい刻み幅の実験をすることは不可能である。これを補うためには、うまくデータ補間する必要がある。データ補間法は、これまでやってきた線形補完ではなく、スプライン補間、或は、クリギング法に変更する必要があると考えている。
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