2004 Fiscal Year Annual Research Report
波動運動を利用した水中推進機構の高効率化のための運動制御の研究
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15560222
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| Research Institution | Aoyama Gakuin University |
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Principal Investigator |
小林 信之 青山学院大学, 理工学部, 教授 (70276020)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡辺 昌宏 青山学院大学, 理工学部, 助教授 (40256673)
張 亜軍 青山学院大学, 理工学部, 助手 (00365024)
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| Keywords | 波動運動 / 水中推進機構 / 流体・構造連成系 / マルチボディダイナミクス / 非線形システム / スライディングモード制御 / 出力フィードバック |
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| Research Abstract |
船舶などで推進器として使用されているスクリューは,推進効率と運動性能の向上に限界がある.一方,進化の過程で最適化された水棲生物の泳動方法を見てみると,高い運動性能と高推進効率を有する泳動を行っていることが分かる.このことから,高効率で運動性能の高い船舶を開発する上で,水棲生物の泳動を模倣した研究は有益な知見をもたらすと考えられる.
このため,本研究は柔軟なヒレの波動運動における波の数と振動数を変えられる水中推進機構の開発とその波動運動を滑らかに制御するための制御手法を構築した。水中推進機構の開発では、カムとフォロワーから構成されるスコッチヨーク機構を用いて柔軟なヒレに波動運動を発生させる水中推進機構を開発し,その機構を水槽内で泳動させることにより,柔らかいヒレの波の数と振動数の推進力と泳動速度への影響を調べた.
また、波動運動を滑らかに制御する目的のために、水中推進機構の運動をマルチボディ・ダイナミクスの手法を用いて定式化した。運動方程式は幾何学的な拘束により非線形な微分代数方程式により表される。そして、運動制御のための制御系設計するための効率的な線形化手法を開発した。また、出力を用いたスライディングモード制御系の設計において、PD制御を併用する方法を提案し、より高い制御性能を得られる超平面設計を可能にした。
実験から得られた結果を以下に示す.(1)製作した水中推進機構は波の移動方向を変えることで前進と後進が可能である.(2)波の数が多くなると推力と泳動速度の変動が小さくなりスムーズな泳動が可能である.しかしながら,平均推力は小さい.(3)振動数が大きくなると平均推力と推力の変動は増大する.また,泳動速度は増大する,(4)波の数rF1程度の時,大きな平均泳動速度を得られる.(5)無次元振動数が大きくなると推進力と平均泳動速度は減少し,無次元振動数の値にかかわらず泳動速度の変動はほぼ一定である.
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