JP6288675B2 - 運動特性計測装置及び運動特性計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動可能な台車と、試験体を支持する連結体を有し、試験体の運動状態を検出する運動特性計測装置及び運動特性計測方法に関し、特に航空機等の特性を実機を用いて計測するのに好適な運動特性計測装置及び運動特性計測方法に関する。

航空機を設計、製作する際、その機体の空力、推進、飛行特性は、設計の妥当性を証明するデータであり、その取得は航空機開発において最も重要なプロセスである。
一般にこれらの特性を取得する試験、解析としては、風洞試験及びＣＦＤ等が用いられるが、どちらも実機を用いることができず機体サイズの制約による誤差を避けることができない。
一方、実機を用いることのできる飛行試験は風環境などの再現性が低く体系的なデータの取得が困難である上に、飛行に先立ち各種技術的証明が必要でコストや期間が膨大となる問題点がある。

また、小型機ではヒューマンエラーや気象要因に起因する事故は自己要因の大半を占めており、これらの要因による事故率の低減は今後需要の急増する航空機産業において急務である。
しかしながら、試験飛行による新規技術の評価試験は上記のようにデータの生産性が低く、一方飛行シミュレータによる評価は、実飛行時と加速度などの体感環境が異なることで操縦特性が異なる可能性が指摘されている（非特許文献２等参照。）。
これらの問題は航空機における新規技術導入の大きな障壁であり、航空機の飛躍的な性能向上を阻む要因となっている。
このような問題に対し、小型ながらも実機を用いることのできる可能性のある地上試験法として曳航試験が公知である（特許文献１、特許文献２、非特許文献１等参照。）。

特開２００２−２１４０６９号公報 特開２０１０−６４６４９号公報

小林宙・西沢啓、宇宙航空研究開発機構研究開発者報告（ＪＡＸＡ−ＲＲ−０７−０２８）「小型航空機の地上滑走用電動システムに関する研究」、２００８.０２.２９、宇宙航空研究開発機構発行 内田拓也、第４７回飛行機シンポジウム（ＪＡＳＳ−２００９−５０３１）、「モーション・キューが人間パイロットの操作特性におよぼす影響」、Ｐ．１７２−１７５、２００９．１１．０４、日本航空宇宙学会

非特許文献１の試験方法は、主として地面効果や乱流境界層の模擬が目的であり、特許文献１、特許文献２等も含め、公知の曳航試験では、模擬できる運動の自由度は１、あるいは、多くても縦３の自由度の定常運動にとどまっており、前述のような風あるいは体感情報について実飛行環境を模擬できない。
さらに、推力応答等の非定常特性や横方向自由度の特性取得ができないという問題点があった。

そこで、本発明は、実機を用いて試験可能で、かつ、多くの自由度の運動特性を計測可能であり、実環境における詳細なデータや、横風や突風等に対する特性を計測することが可能な運動特性計測装置及び運動特性計測方法を提供することを目的とする。

本発明に係る運動特性計測装置は、移動可能な台車と、試験体を支持する連結体と、試験体の運動状態を検出する運動状態検出手段とを有し、前記連結体が、前記台車に対して複数の自由度の運動軸で所定範囲の変位可能に設けられた運動特性計測装置であって、前記連結体の台車に対する位置又は姿勢を変更するように、前記台車の移動を制御して前記台車の位置、速度及び姿勢を変更、制御する制御手段をさらに有し、前記制御手段が、演算部と台車運動制御部を有し、前記演算部が、運動状態検出手段から得られた情報から前記連結体の台車に対する複数の自由度の運動軸の変位を所定範囲内とするように演算し、台車運動制御部に出力することにより、前記課題を解決するものである。

本発明に係る運動特性計測方法は、移動可能な台車と、試験体を支持する連結体を有し、試験体の運動状態を検出する運動特性計測方法であって、前記連結体が、前記台車に対して複数の自由度の運動軸で所定範囲の変位可能に設けられ、前記検出された運動状態を用いて前記連結体の台車に対する複数の自由度の運動軸の変位を所定範囲内とするように演算し、前記連結体の台車に対する位置又は姿勢を変更するように、前記台車の移動を制御して前記台車の位置、速度及び姿勢を変更、制御することにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明の運動特性計測装置及び本請求項８に係る発明の運動特性計測方法によれば、検出された運動状態を用いて連結体の台車に対する複数の自由度の運動軸の変位を所定範囲内とするように演算し、連結体の台車に対する位置又は姿勢を変更するように、台車の移動を制御して台車の位置、速度及び姿勢を変更、制御することによって、台車や連結体の運動や姿勢制御に、試験体の運動状態をフィードバックすることができる。
このことで、多様な条件の運動を模擬でき、かつ、応答性よく台車や連結体の運動を制御可能となるため、自由飛行及び推力応答環境を多様に模擬して特性を取得することが可能となり、少ないコストで短期間に自由飛行運動、推力応答、燃費及び操縦特性等を精度よく取得することが可能となる。

本請求項２に記載の構成によれば、運動推定部が、試験体が発生する力、モーメント又は運動の少なくとも１つを推定し、推定された力、モーメント又は運動から生じる少なくとも１つの自由度の運動を演算部に出力し、演算部が、運動状態検出手段から得られた情報と運動推定部の出力情報を基に演算することにより、試験体自体を動作させて力、モーメントを発生させた場合でも、応答性よく台車や連結体の運動を制御可能となる。
本請求項３に記載の構成によれば、台車が、電動モータを動力として移動可能に構成されていることにより、応答性の高い電動モータによって、さらに正確に自由飛行及び推力応答環境を多様に模擬して特性を取得することができる。

本請求項４に記載の構成によれば、台車が、進行方向に対して左右に車輪を有し、電動モータが、左右の車輪を独立して駆動可能に設けられていることにより、また、本請求項５に記載の構成によれば、台車が、進行方向に対して前後に車輪を有し、前後の車輪が、独立して操舵可能に構成されていることにより、さらに台車の運動や姿勢を応答性よく正確に制御することが可能となり、さらに正確に自由飛行及び推力応答環境を多様に模擬して特性を取得することができる。
本請求項６に記載の構成によれば、台車の前方には、試験体に作用する気流の流向及び流量の少なくとも１つを変化させる複数の動翼を有することにより、横風や突風等の環境を模擬することが可能となり、さらに多様な条件の運動を模擬することが可能となる。
本請求項７及び本請求項９に記載の構成によれば、複数の動翼により変化した気流の流向、流速及び密度の少なくとも１つを検出することにより、横風や突風等の環境を模擬した際の条件をより正確に模擬することができる。

第１実施形態に係る運動特性計測装置の側面概略図。 第１実施形態に係る運動特性計測装置の平面概略図。 第１実施形態に係る運動特性計測装置の制御ブロック図。 試験体の推力変化時の特性を示すグラフ。 台車と連結体の相対変位を示すグラフ。 第２実施形態に係る運動特性計測装置の側面概略図。 第２実施形態に係る運動特性計測装置の平面概略図。 第３実施形態に係る運動特性計測装置の側面概略図。 第３実施形態に係る運動特性計測装置の平面概略図。 第３実施形態に係る運動特性計測装置の別態様の側面概略図。

本発明の実施形態に係る運動特性計測装置について説明する。
第１実施形態に係る運動特性計測装置１００は、図１、図２に概略を示すように、移動可能な台車１１０と、試験体Ｔを支持する連結体１２０と、試験体Ｔの運動状態を検出する運動状態検出手段１２１を有している。
連結体１２０は、台車１１０の上面に固定された支持枠１１２に、縦リニアガイド１１３及び横リニアガイド１１４を介して変位可能に設けられている。
試験体Ｔは、縦リニアガイド１１３及び横リニアガイド１１４によりｘ方向及びｙ方向に関して支持枠１１２の範囲内で並進運動ができるよう構成されている。

縦リニアガイド１１３及び横リニアガイド１１４にはエンコーダが内蔵され、台車１１０に対する連結体１２０の位置情報（＝台車１１０に対する試験体Ｔの位置情報）を制御手段（図示せず）にフィードバックできるようになっている。
台車１１０は前後左右の４つの車輪１１１を有し、電動モータを動力源として走行するように構成されている。
運動状態検出手段１２１は、本実施形態では試験体Ｔに配置され、試験体Ｔの加速度や角速度などを検知するとともに、試験体Ｔは、揚力を発生する主翼及び推力を発生するプロペラを備えている。

制御手段で行う制御の一例のブロック図を図３に示す。
図中のパラメータは、以下のとおりである。
Ｍ ：試験体Ｔの質量
Ｘｒ：相対変位
Ｖ ：対気速度
Ｆ ：推力
Ｄ ：抗力
Ｕ ：突風速度（上記実施形態では＝０）
添字^＊は指令値、ｎはノミナル化された量、ｄは台車１１０側の量を指す。
制御手段は、台車１１０と試験体Ｔとの相対変位Ｘｒの指令値Ｘｒ^＊を０に維持するよう台車１の運動を制御する。

以上のような構成において、ある対気速度Ｖを維持しつつ台車１１０及び試験体Ｔがｘ方向に移動しているとき、試験体Ｔの対気速度指令値Ｖ^＊を図４のように７．０ｍ／ｓから８．０ｍ／ｓにステップ状に変化させ、試験体Ｔのプロペラの推力を変化させると、Ｘｒは図５に示すように一時的に変動する。
このとき、前述の制御手段のブロック図に従い、台車１１０を駆動する電動モータのトルクを高速且つ精密に制御することで、Ｘｒの変動幅を非常に小さく抑えることができ、このときの試験体Ｔの運動状態を運動状態検出手段１２１で検知することで、試験体Ｔの推力応答を得ることができる。

本発明の第２実施形態に係る運動特性計測装置２００は、図６、図７に示すように、前述の第１実施形態に係る運動特性計測装置１００と同様の構成（同一部材は、下２桁同一番号の符号とした。）に加え、連結体２２０は試験体Ｔがｚ方向に並進運動できるように構成され、ｚ方向の移動量を検出するエンコーダが内蔵されている。
また、連結体２２０と試験体Ｔとの間は、ピッチ、ロール、ヨー各軸に数十度程度の回転運動が可能なボールジョイント２２２で結合されている。
また、本実施形態では、台車２１０の前方に、試験体Ｔに作用する気流の流向を変化させる垂直に延びる複数の動翼２３０を備え、動翼２３０の後方には気流検出手段２４０を備えている。
さらに、車輪２１１は、左右（ｙ方向両側）でそれぞれ独立して駆動可能に設けられ、前後でそれぞれ独立して操舵可能に構成されている。
運動状態検出手段２２１は、本実施形態では試験体Ｔに配置され、試験体Ｔの加速度や角速度などを検知するとともに、試験体Ｔは、揚力を発生する主翼及び推力を発生するプロペラを備えている。

以上のような構成において、ある対気速度ｕを維持しつつ台車２１０及び試験体Ｔがｘ方向に移動しているとき、試験体Ｔの前方に設置した動翼２３０の角度を矢印ａの方向に素早く変化させると、試験体Ｔに前方から流入する流れは複数の動翼２３０により偏向し横風成分をもった状態で試験体Ｔに作用し、試験体Ｔはｙ軸方向速度ｖを生じる。
このとき台車２１０は、縦リニアガイド２１３及び横リニアガイド２１４のエンコーダの情報をフィードバックし、連結体２２０の変位（＝試験体Ｔの変位）が支持枠２１２の範囲に収まるよう、台車２１０の左右の車輪２１１の駆動力や前後の車輪の操舵を制御して運動を制御する。
このとき気流検出手段２４０から得られた気流速度ベクトル(ｘ成分及びｙ成分)と運動状態検出手段２２１から得られた加速度及び角速度情報から、試験体Ｔの横方向突風応答関数が直接得られる。

本発明の第３実施形態に係る運動特性計測装置３００は、図８乃至図１０に示すように、前述の第２実施形態に係る運動特性計測装置２００と比べ、複数の動翼３３０が水平方向に延びるように備えられている点で異なり、他の構成は同じである（同一部材は、下２桁同一番号の符号とした。）。
以上のような構成において、水平方向に設置した複数の動翼３３０を上下に変化させることで、気流検出手段３４０から得られた気流速度ベクトル(ｘ成分及びｚ成分)と運動状態検出手段３２１から得られた加速度及び角速度情報から、試験体Ｔの鉛直方向突風応答関数が得られる。

また、本実施形態では、図１０に示すように、複数の動翼３３０を交互に逆方向に駆動することで、試験体Ｔに前方から流入する流れを複数の動翼３３０により遮り、気流の速度が減少するため、追風突風状態を模擬することができる。
このとき、試験体Ｔに発生した鉛直方向及び前後方向運動情報を、縦リニアガイド３１３及び連結体３２０のエンコーダの情報を制御手段にフィードバックし、連結体３２０の変位（＝試験体Ｔの変位）が支持枠３１２の範囲及び連結体３２０の鉛直方向可動範囲に収まるよう台車３１０の運動を制御する。
そして、前述と同様に、気流検出手段３４０から得られた気流速度ベクトル(ｘ成分及びｚ成分)と運動状態検出手段３２１から得られた加速度及び角速度情報から、試験体Ｔの追風突風応答関数を得ることできる。
また、複数の動翼３３０を前述とは逆に駆動した場合には、遮られていた気流が減速せず試験体Ｔに作用するようになるため、同様の制御により向かい風突風応答関数を得ることもできる。

なお、各実施形態の制御手段は、台車１１０、２１０、３１０に内蔵されてもよく、台車とは別体に設け、各検出手段、エンコーダ、台車１１０、２１０、３１０の駆動手段等と無線又は有線で通信するようにしてもよい。
また、第２実施形態及び第３実施形態に係る運動特性計測装置２００、３００において、試験体Ｔのピッチ、ロール、ヨーの各軸の姿勢を積極的に変更するアクチュエータを備え、制御手段によって制御可能としてもよい。

以上のように、本発明の運動特性計測装置及び運動特性計測方法によれば、突風の強さや方向を制御できない従来の運動特性計測装置及び運動特性計測方法に対し、台車の速度、動翼の角度及び角速度を設定することで、非常に安価にかつ生産性高く実機の飛行特性を得ることができる。
また、台車や連結体の運動や姿勢制御に、試験体の運動状態をフィードバックすることで、多様な条件の運動を模擬でき、かつ、応答性よく台車や連結体の運動を制御可能となり、少ないコストで短期間に自由飛行運動、推力応答、燃費及び操縦特性等を精度よく取得することが可能となる。
試験体は、航空機に限定されず、気流内での運動特性を計測すべき対象であればいかなるものであってもよい。
また、運動状態検出手段、エンコーダ、気流検出手段は、上記実施形態では、具体的な構成は示していないが、機能的に検出すべき変位、速度、加速度、姿勢、角速度、角加速度、力、モーメント等を検知する手段であればいかなるものであってもよく、複数の検知手段を組み合わせたり、他の検知手段のパラメータから演算で検知するものであってもよい。

１００、２００、３００ ・・・ 運動特性計測装置
１１０、２１０、３１０ ・・・ 台車
１１１、２１１、３１１ ・・・ 車輪
１１２、２１２、３１２ ・・・ 支持枠
１１３、２１３、３１３ ・・・ 縦リニアガイド
１１４、２１４、３１４ ・・・ 横リニアガイド
１２０、２２０、３２０ ・・・ 連結体
１２１、２２１、３２１ ・・・ 運動状態検出手段
２２２、３２２ ・・・ ボールジョイント
２３０、３３０ ・・・ 動翼
２４０、３４０ ・・・ 気流検出手段
Ｔ ・・・ 試験体

Claims (9)

1. 移動可能な台車と、試験体を支持する連結体と、試験体の運動状態を検出する運動状態検出手段とを有し、
   前記連結体が、前記台車に対して複数の自由度の運動軸で所定範囲の変位可能に設けられた運動特性計測装置であって、
   前記連結体の台車に対する位置又は姿勢を変更するように、前記台車の移動を制御して前記台車の位置、速度及び姿勢を変更、制御する制御手段をさらに有し、
   前記制御手段が、演算部と台車運動制御部を有し、
   前記演算部が、運動状態検出手段から得られた情報から前記連結体の台車に対する複数の自由度の運動軸の変位を所定範囲内とするように演算し、台車運動制御部に出力することを特徴とする運動特性計測装置。
2. 前記制御手段が、運動推定部を有し、
   前記運動推定部が、試験体が発生する力、モーメント又は運動の少なくとも１つを推定し、推定された力、モーメント又は運動から生じる少なくとも１つの自由度の運動を演算部に出力し、
   前記演算部が、前記運動状態検出手段から得られた情報と前記運動推定部の出力情報を基に演算することを特徴とする請求項１に記載の運動特性計測装置。
3. 前記台車が、電動モータを動力として移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の運動特性計測装置。
4. 前記台車が、進行方向に対して左右に車輪を有し、
   前記電動モータが、左右の車輪を独立して駆動可能に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の運動特性計測装置。
5. 前記台車が、進行方向に対して前後に車輪を有し、
   前記前後の車輪が、独立して操舵可能に構成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の運動特性計測装置。
6. 前記台車上の前方には、試験体に作用する気流の流向及び流量の少なくとも１つを変化させる複数の動翼を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の運動特性計測装置。
7. 前記台車上には、前記複数の動翼により変化した気流の流向、流速及び密度の少なくとも１つを検出する気流検出手段を有することを特徴とする請求項６に記載の運動特性計測装置。
8. 移動可能な台車と、試験体を支持する連結体を有し、試験体の運動状態を検出する運動特性計測方法であって、
   前記連結体が、前記台車に対して複数の自由度の運動軸で所定範囲の変位可能に設けられ、
   前記検出された運動状態を用いて前記連結体の台車に対する複数の自由度の運動軸の変位を所定範囲内とするように演算し、
   前記連結体の台車に対する位置又は姿勢を変更するように、前記台車の移動を制御して前記台車の位置、速度及び姿勢を変更、制御することを特徴とする運動特性計測方法。
9. 前記台車上の前方には、試験体に作用する気流の流向及び流量の少なくとも１つを変化させる複数の動翼を設け、
   前記複数の動翼により変化した気流の流向、流速及び密度の少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項８に記載の運動特性計測方法。

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