| 研究課題/領域番号 |
21K14112
|
|---|
| 研究機関 | 大分工業高等専門学校 |
|---|
研究代表者 |
中野 壽彦 大分工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (50748986)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | 懸垂物体 / 制振 / バイアスモーメンタム方式 / モーメンタムホイール / リアクションホイール / コントロールモーメントジャイロ |
|---|
| 研究実績の概要 |
ロープやワイヤーで懸垂された吊り荷を扱う機械システムでは制振が要求される場合が多く，様々な手法が研究されている．しかしねじれ振動と揺れ振動が同時に生じる多自由度懸垂物体の制振に関する研究は僅少である．本研究ではモーメンタムホイールでバイアス角運動量を付加し，そのジャイロ効果を利用してより少ない制御入力でねじれ振動と揺れ振動を同時に減衰させる，バイアスモーメンタム方式に基づく制振手法を提案する．本手法は装置の小型化・簡易化・耐故障性向上の面で優れ，成層圏気球や小型飛翔体吊り荷の高効率・高精度な制振を可能とする．本研究では二通りのアクチュエータ構成を想定し，ダイナミクスの定式化と制御系設計を行い，本手法で多自由度懸垂物体の制振が可能であることを実証する．また懸垂物体パラメータと制振装置仕様が制振性能へ及ぼす影響を分析し，搭載機器の小型・軽量化のための最適設計条件を解明すること目指す．
令和３年度は，①バイアスモーメンタム方式の制振構造を持つ懸垂物体の運動モデルの導出とリアプノフ関数を用いた制御則設計手順の導出，②多自由度懸垂系の運動を再現する数値解析環境および実験装置の準備・開発，③数値解析と実験装置による制振の実証，について研究を進めた．モーメンタムホイールとリアクションホイールによる制振方法を対象に懸垂系の運動方程式を導出した．振り子運動とねじれ振動を二つの制御入力によって減衰させるために，リアプノフ関数による制御則の導出手順を示した．数値解析ソフト(MATLAB)を利用し，数値シミュレーション環境を構築し，設計した制御則を適用して制振シミュレーションを行い制振が達成できることを確認した．実機実験装置の構造と電気系・制御系を設計し，機械構造制作を行った．国内２件の学会にて研究成果発表を行った．
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
令和３年度は，提案手法で多自由度懸垂物体の制振が可能であることを実証することを目的に，①バイアスモーメンタム方式の制振構造を持つ懸垂物体の運動モデルを導出とリアプノフ関数を用いた制御則設計手順の導出，②多自由度懸垂物体懸垂系の運動を再現する数値解析環境と実験装置の準備，③数値解析と実験装置による制振機能の評価，について研究を進めた．①に関して，モーメンタムホイールとリアクションホイールを用いる制振手法の，懸垂系運動モデルおよび制御則の導出を行い，その導出手順を整理した．一方，コントロールモーメントジャイロを用いる制振手法については，運動モデルの導出まで進めた．②に関しては，数値シミュレーション環境の準備が完了した．一方，実験装置については，モーメンタムホイールとコントロールモーメントジャイロを兼用するアクチュエータ，リアクションホイール，および小型懸垂物体の設計を行い，物品調達と機械構造の加工・組み立てを行った．当初は今年度中に実験装置開発を完了させることを目指していたが，年度前半のコロナ禍により一時的に研究活動が中断したこと，一部物品の調達の納期延長が発生したこと，アクチュエータサイズ不足に伴う設計変更が生じたこと，などの影響により開発作業がやや遅延した．最終的に機械構造はほぼ完成したものの，当初計画に含まれていた電気系・制御系の実装と制振実験実施までは至らなかった．③では，懸垂系制振の数値シミュレーションを行い，提唱した手法によって実際に懸垂系の制振が実現可能であることを示した．全体として，理論構築とシミュレーションでの実証については計画通り進んだ．一方，実験装置開発で遅延が生じているが，開発作業期間をあと半年延長することで，研究期間内で回復できると見込んでいる．
|
| 今後の研究の推進方策 |
令和４年度は，まず前年度の実験装置の開発作業を継続する．ホイールサイズを大型化したモーメンタムホイール・コントロールモーメントジャイロ兼用アクチュエータを製作する．前年度までで設計はほぼ完了しているので，早期に機械部品・部材など必要物品を調達し制作を進める．また前年度に調達したモータ・モータコントローラ・慣性センサの組み込み，搭載コントローラ（RaspberryPi）のプログラム実装など，電気系と制御系の開発を行う．年度の前半で実験装置の完成を目指す．年度の後半で，実験装置に制御則を組み込み，シミュレーションで確認した制振効果を実機実験で再現させることを目指す．
実験装置開発と並行して，当初計画していた研究を進める．懸垂物体の構造パラメータと制振装置仕様が制振の安定性と効果へ及ぼす影響を解明することを目的とする．前年度導出した運動モデルについて，平衡点近傍で線形近似したモデルを使い，懸垂系の慣性特性と振動モード・モーメンタムホイールの蓄積角運動量が制振効果にどのようにかかわるかを理論的に示す．これらのパラメータを評価変数として，数値解析と実験装置を用いて実験を行い，懸垂系運動の時間履歴データを蓄積する．理論解析と比較して分析し，各パラメータと制振特性・性能の関連を解明する．この時懸垂系に生じるコリオリ力・遠心力の影響も併せて分析する．
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
令和３年度に実機実験装置の完成を目指していたが，コロナ禍による開発作業中断が生じたこと，一部物品の納期が延長した影響で，開発作業に遅延が発生した．また当初設計していたアクチュエータではホイールサイズが不足することが分かり，設計変更を余儀なくされた．アクチュエータ再設計は令和３年度中に完了したが，その時点で年度末が迫っており年度内に必要物品を調達することが困難になったため，次年度に繰り越して物品調達をすることにした．また一部物品（モータ関連物品）はコロナ禍で海外からの調達が著しく遅延し，結果的に年度内の調達が不可という見込みとなったため，いったん発注を取り下げ，次年度に再発注を行うことにした．以上，実験装置製作に必要な物品の一部について令和３年度中に調達することができなかったため，その分の必要経費を次年度に繰り越して使用することにした．
令和４年度は，繰り越しした経費を使用して実験装置開発に必要な物品を購入し，開発作業を継続する．同時に，当初計画で予定した経費を用いて，実験装置開発で必要な電気電子部品・機械部品の消耗品の調達と，研究成果発表（学会発表，論文投稿）を行う．
|
