2020 Fiscal Year Research-status Report
Bio-inspired Multidisciplinary Design of Flapping-wing Micro Air Vehicle with Flexible, Multifunctional Structures
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19K04838
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| Research Institution | Nagasaki University |
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Principal Investigator |
永井 弘人 長崎大学, 工学研究科, 准教授 (50510674)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長崎 秀司 九州大学, 工学研究院, 助教 (00304741)
藤田 浩輝 日本文理大学, 工学部, 准教授 (00315110)
有薗 仁 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (00371097)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 羽ばたき翼 / MAV / 複合領域設計 / ドローン / 生物規範工学 / 空力弾性 / 制御 / 最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，生物の柔軟で多機能な構造や設計を羽ばたき型超小型飛翔体に適用することで，その性能向上を図ることを目的としており，そのために羽ばたき機の流体／構造／機構／機体運動／制御など多分野を統合した複合領域解析技術を確立する．２年目の２０２０年度では，解析結果の検証および実証を目的とした羽ばたき型小型ドローンの設計開発および最適設計プログラムの開発を主に実施した．以下にそれらの研究実績の詳細を示す．
（１）無尾翼の２枚翼型羽ばたきドローンを対象とした解析・設計・製造技術の確立；ドローンの翼に採用されている膜型羽ばたき翼の構造非線形性を考慮した流体・構造連成解析技術の開発；３次元ＣＡＤを用いた全機モデルでの設計・解析手法の確立；機体に実装する制御基板および制御プログラムの設計・開発・実装技術の確立を行った．また，開発した翼幅１８０ｍｍ，機体全重量２０ｇの羽ばたき型ドローンによるワイヤレスでのホバリング自律飛行の結果について，国際学術誌での論文として公表した．
（２）羽ばたき機の複合領域最適設計を目指し，羽ばたき翼の流体・構造の複合領域における数値最適化技術を確立した．剥離渦を伴う羽ばたき翼の流体解析では，流体粘性の影響を考慮したナビエ・ストークス方程式を解く必要があり，その計算コストが大きい．そのため，数値最適化の手法には，応答曲面に基づくベイズ最適化手法を用い，低コストでの複合領域最適化手法の開発を行った．その解析プログラムを用いて，羽ばたき翼の流体と構造の連成を考慮した構造最適化を行った．
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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
鳥や昆虫などの生物は，軽量なシステムで優れた飛翔能力を発揮するが，それは流体／構造／機構／機体運動／制御などの多分野を統合した複合領域最適設計によって達成されていると考えられる．本研究では，その複合領域最適設計の基盤技術を確立し，現行の羽ばたき機の性能をさらに生物へと近づけることを目的としている．初年度は，複合領域解析の基盤技術の確立を行ったが，２年目の２０２０年度では，その解析技術を実機に適用することを目指して，実機の設計開発を行い，その性能の評価試験方法を確立した．現在の取り組みとして，実機に採用した羽ばたき駆動機構および姿勢制御機構における機構解析，３次元ＣＡＤによって構築した実機機体構造の振動解析，実機の機体スペックに基づく飛行制御則の開発，実機機体の空力特性・振動特性データの計測を行っている．２０２１年度では開発した機体の飛行実験を行い，飛行時のデータ取得を行う予定である．また，翼駆動機構部と羽ばたき翼の流体構造との連成解析を進める．
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| Strategy for Future Research Activity |
２０２０年度では，羽ばたき型ドローン開発の基盤技術の確立に注力した．２０２１年度では，開発した機体を用いて飛行試験を行い，種々の飛行データを取得する．実験結果から，複合領域分野に発生する様々な課題を洗い出し，それらのデータを複合領域解析に反映させ，より実際的な解析技術を確立すると共に，複合領域最適化によって，生物のように無駄の無い機体設計を探索する．実機の設計開発にあたっては，製造メーカーやドローンを運用する企業との連携を図り，生産性や運用の観点からの評価をフィードバックしながら，より実用的な機体の開発を目指す．
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| Causes of Carryover |
２０２０年度予算で次年度使用額が生じた理由は，研究分担者との成果報告や研究打合せ，国内学会および国際学会が，新型コロナウイルスによる移動自粛のためにキャンセルになったためであり，移動再開後には予定通り使用し，研究者間の連携を促進する．
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