2013 Fiscal Year Annual Research Report
EFD/CFD/RT融合による非線形飛行力学の跳躍的発展
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25249121
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
浅井 圭介 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40358669)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
姜 欣 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30451537)
上野 誠也 横浜国立大学, 環境情報研究科(研究院), 教授 (60203460)
大林 茂 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (80183028)
下山 幸治 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (80447185)
沼田 大樹 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20551534)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 飛行工学 / 流体力学 / ロボット工学 / 計測工学 |
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| Research Abstract |
本研究は，非線形領域における航空機の動安定性を評価するための新しい飛行シミュレーション技術を構築するため，EFD（風洞実験）とCFD（計算流力）とRT(ロボット技術)の専門家により，これらの分野を融合した新概念の実験技術を開発することを目的としている．具体的には「ロボットマニピュレータ」や「磁力支持装置」（MSBS）などの動的マニピュレーション技術の開発，これらをClosed Loop で制御し仮想的な自由飛行状態を作り出す「ハイブリッドシミュレーション」技術の開発，それに非線形空気力の数理的モデルの同定を可能にする「計測融合シミュレーション」や「モデル推定」の手法の構築に取り組む．このうち初年度はハイブリッドシミュレーションを用いた動安定実験に注力した．専用の制御プログラムを開発し，ロボットマニピュレータのサーボ遅れ補償のための制御アルゴリズムの研究を行った．ハードウエアの改修後，第１段階の風洞試験（強制振動法）を実施し，装置全体の性能評価と制御系のチューニング試験を行った．合わせて慣性力補正のための装置を検討した．また，これと並行して「磁力支持装置」のセンサ部(光学カメラ)とパワーアンプ部3台を導入し，制御システムの構築に取り組んだ．これにより，模型を定常浮揚させることを試みたが，信号に重畳するノイズの問題が解決できないまま年度末を迎えた．計測融合シミュレーションについては，ミニタフト法やレーザーライトシート法などを用いた評価実験を開始すると同時に，矩形翼まわりの非定常流を計算するCFDプログラムを開発し，ポイントセンサによる計測値とCFD 計算と同化させるための準備を整えた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ハイブリッドシミュレーションによる動的風洞実験についてはおおむね順調に進んでいるが，位置情報をフィードバックする従来からの制御法ではセンサやアクチュエータの遅れ時間の問題を完全には補償できず，疑似的な慣性が生じることがわかった．磁力支持装置の開発と非定常実験の実現については，本年度開発を予定していたすべてのハードウエアを完成させたが，模型姿勢を測定する光学センサの電子回路（自作）に乗るノイズの問題が解消できず，年度内での模型の浮上には成功しなかった．ただ，問題となる部分はほぼ特定できており，また，Simulinkを用いたシミュレーション結果から浮上に必要な制御系のパラメータは同定されており，２年度初めに集中的に回路の評価と改造に取り組めば研究の遅れは取り戻せると考えている．計測融合シミュレーションについては，風洞実験はほぼ順調に行われている．数値シミュレーションは格子依存性や収束性を確認している段階であり，これが完了し計算精度が確認でき次第，計測融合のための実験に着手する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
ハイブリッドシミュレーションについてはロボットマニピュレータのサーボ等の時間遅れを補償する新手法として，位置情報ではなくトルクをフィードバックする制御アルゴリズムの開発を行い，動的実験の模擬精度の向上を図る．また，一連のマニューバを複数に分割して風洞試験を行い得られたデータを実験後再構成することによって飛行を再現する手法の開発に挑む．磁力支持天秤については，模型の定常浮上の早期の成功を目指すとともに，新たに横方向の運動を制御するパワーアンプシステムを導入し，縦方向の非定常実験が行える制御システムの構築に取り組む．電源系を大幅に改修し周波数と振幅の限界を系統的に調査したのち，模型を空中で縦方向に振動させる環境を整え，年度末までにはMSBSを用いた非定常実験に着手したいと考えている．計測融合シミュレーションについては，３次元翼の動的失速現象に着目し，ロボットマニピュレータを用いた強制加振風洞試験で天秤やポイントセンサを用いた非定常計測を実施する，周波数と振幅を変えた一連の実験を行い，実験とCFD計算とのデータ同化による非定常シミュレーションの可能性を実験的に評価する．
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