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宇宙機構造の動的特性を圧電素子を1つ組み込むだけで取得する革新的システム同定手法

研究課題

研究課題/領域番号 20J11339
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関東北大学

研究代表者

原 勇心  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード航空宇宙工学 / システム同定 / 振動工学 / スマート構造物 / 圧電素子 / セミアクティブ制御
研究開始時の研究の概要

システム同定には入出力データ計測用センサが必要であり、入力信号の生成に電力を消費する。電源に乏しく、重量に制約のある宇宙構造物のシステム同定は上記2点を解決する必要がある。そこで、圧電電圧のアクチュエーション機能、センサ機能と発電機能に着目し、宇宙機に対してただ一つの圧電素子を取り付けただけで、システム同定、変位センシング、電力発電の三つを行う革新的な手法を提案する。素子から生成される力を構造物への入力とみなし、出力応答を圧電素子の電圧から推定することでシステム同定を行う。更に、システム同定や変位推定を行う計算機の駆動電力を振動発電で賄う。これにより、宇宙構造物に適したシステム同定を実現する。

研究実績の概要

宇宙構造物の動的特性を軌道上で取得するための構造物システム同定の基礎研究を行った.構造物の動的特性を同定するためには,構造物の加振力(入力)とその振動応答(出力)を用いる.ここで,それぞれの信号に注目した.
加振力を生成するために,圧電アクチュエータと大型のアンプを使用すると膨大なエネルギ消費が発生してしまうため,宇宙空間での運用には適さない.そこで,省エネルギで生成可能なセミアクティブ入力をシステム同定に用いることを新たに提案した.セミアクティブ入力は省エネルギで生成可能な反面,符号や振幅の制御に制約が多い.そこで,これらの制約を考慮した,構造物システム同定に適したセミアクティブ入力生成のための制御戦略を2つ新たに提案した.提案した制御戦略のため,従来の構造物システム同定手法より98%少ないエネルギで,従来手法と同程度の精度で動的特性の取得を達成した.これらの成果は,2本の国際雑誌として投稿中である.
構造物の振動応答は,システム同定に用いられる加振力に対する純粋な応答以外に,外乱によって励起された応答が重畳している.正確なシステム同定を実現するためには,振動応答から外乱応答を除去する必要がある.従来は,①外乱応答が加振力応答より小さい仮定,または,②外乱ダイナミクスに対する仮定を設けなければ,外乱除去ができなかった.我々は,モデル低次元化の概念を用いて,外乱に関する仮定を設けずに外乱応答を除去する方法を提案した.この結果,実環境で構造物に作用しうる広帯域外乱環境下でも適切に外乱応答を除去することに成功した.更に,副次的な成果として,除去した外乱応答に注目することで,外乱ダイナミクスの適切な同定も達成した.これらの成果は,1本の国際雑誌として投稿中である.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (4件)

すべて 2021 2020

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (2件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Adaptive and Robust Operation with Active Fuzzy Harvester under Nonstationary and Random Disturbance Conditions2021

    • 著者名/発表者名
      Hara Yushin、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 21 号: 11 ページ: 3913-3913

    • DOI

      10.3390/s21113913

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Piezoelectric energy enhancement strategy for active fuzzy harvester with time-varying and intermittent switching2020

    • 著者名/発表者名
      Hara Yushin、Zhou Meng、Li An、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 雑誌名

      Smart Materials and Structures

      巻: 30 号: 1 ページ: 015038-015038

    • DOI

      10.1088/1361-665x/abca08

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Intermittent switching harvester with fuzzy adaptive control2021

    • 著者名/発表者名
      Hara Yushin、Zhou Meng、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 学会等名
      第63回構造強度に関する講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Battery-Less Soft Sensor of Spacecraft Vibration with Advanced Piezoelectric Energy Harvester2021

    • 著者名/発表者名
      Hara Yushin、Li An、Zhou Meng、Otsuka Keisuke、Makihara Kanjuro
    • 学会等名
      The 72nd International Astronautical Congress
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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