2006/3/30

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

1

2005年度活動記録
・第29回鳥人間コンテスト出場（2回目）
・滑空機部門第4位（大学チーム2位）
・記録230．88m（女性パイロット歴代2位）
・審査員特別賞受賞

2006/3/30

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

2

1

あなたの夢は？
始まりは英語の授業
国際基礎工学科 小野英美さん
鳥人間コンテストに出場したい．
琵琶湖のプラットフォームに立ってみたい．

2006/3/30

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3

第一号機作成（2003年8月11日）

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42

2004年度の取り組み（朝凪）2006/3/30

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5台風の中でのフライト

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63

遺伝的アルゴリズムを用いた滑空機設計の最適化

飯田明由，岩崎正志，水野明哲
工学院大
2006/3/30

7

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

鳥人間用滑空機
滑空機部門の記録：420m（滑空比42に相当）


NAZCA at Birdman Rally 2005

機体の設計飛び出し条件最適化

テスト飛行が困難

研究目的
2006/3/30

飛行特性の評価手法の開発
性能向上に寄与する設計因子の抽出
鳥人間用滑空機の設計の最適化
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84

鳥人間用滑空機の飛翔解析


機体の設計値
飛行条件

L

飛行経路・距離を算出

揚力傾斜・抗力係数
データベースから飛行に影響を与える要素

D



W




翼のたわみ
地面効果
風の影響

飛行中に働く力
2006/3/30

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9運動方程式 dum + qw  = L sin α − D cos α − mg sin θ dt
 dw
− qu  = − L cos α − D sin α + mg cosθz軸方向: m dt
2d θ x軸方向:y軸まわり: I y  2  = M w + M t
 dt 

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105

地面効果＋上半角効果[{}{Ae = A 1 + 33(h / b)3/ 2 / 33(h / b)3/ 2
Ae :有効アスペクト比}]A :アスペクト比 h :高度b :翼幅

2006/3/30

11

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解析結果
12
地面効果あり地面効果なし10Height(m)

86

4

20050

100

150

200

250

Distance(m)

地面効果の有無の違い
2006/3/30

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126

三次元（6自由度）シミュレータ
Initial rolling angle 0deg
Initial rolling angle 15deg
Initial rolling angle 30deg

ζ [m]

ψ [m]

ξ [m]
2006/3/30

13

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シミュレーションと実際の飛行との比較
Height[m]1086420

シミュレーション：207m

工学院大学

実際の飛行：231m

050

100

1086420150

200
250
Distance[m]Height[m]シミュレーション：335m

300

350

400

大会優勝機
実際の飛行：377m

050

100

150

200
250
Distance[m]300350400

誤差： 10%程度
2006/3/30

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147

設計変数一覧
問題点

検討すべき設計変数が多い
設計変数間の関係性が明らかではない

設計変数名
単位
最小値 最大値
パイロット重量kgf
5060
重心位置
mac0.10.5機
3
胴体容積m0.85
体
有害抗力係数0.010.03
飛行機効率
0.7
0.85
スパンm
1523
翼端翼弦長m01
翼中央翼弦長m
0.82取付角deg
010零揚力角deg-100
主最小抗力係数0.007
0.01
翼空力中心位置mac
0.1
0.5
縦揺れモーメント係数-0.2
02次元揚力傾斜47
主桁部ヤング率GPa50150
主桁部断面2次モーメント mm4（×10-6）
0.1
1

2006/3/30

水平尾
翼垂
直尾
翼飛行
条
件

設計変数名

単位

最小値 最大値

スパン
翼弦長
取付角
最小抗力係数
モーメントアーム
2次元揚力傾斜

mm
deg

20.5
00.00733

102
100.01
107

スパンm

13

翼弦長m

0.52m

3次元揚力傾斜37

初速度m/s57

飛び出し角deg-200

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15

遺伝的アルゴリズム
Initialize population
g=0
g=g+1

Evaluation
Final
generation?

Yes

No
Selection
Crossover
Mutation

Genetic Algorithm（GA）
2006/3/30

End

1 design variable
5 bit

01001
01001 11001 01111 ・・・・・・・・・・・ 00001
27 design variable
135 bit

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168

最適化手法
1．勾配法（Steepest Ascent Method：SAM）
利点：単峰性かつ微分可能な目的関数であれば必ず大域的最適解を求めることができる
弱点：多峰性の目的関数では初期値しだいで局所最適解に陥りやすい
2．遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm：GA）
利点：局所最適解に陥りにくい，ロバスト性に優れる
弱点：計算時間がかかる

8070605040302010080706050403020100-4-202

2006/3/30

4-4-2024807060504030
201006050403020100-4

局所最適解-2024-4-2024

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17

GAと勾配法による最適化効率の比較
初期値として実績のある設計を入力した場合（勾配法）
400
350
Distance[m]300

GAは3回とも評価の高い個体が得られた

250
GA 1
GA 2
GA 3
SAM 1(default at Mitaka)
SAM 2(default at random number)
SAM 3(default at random number)

200
150
100
50
00102030

Generation of step

2006/3/30

4050

初期値をランダムに決めた場合

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189設計変数

機体の寸法（14変数）・・・・・・・・・・翼スパン，コード長翼・機体の空力性能（10変数）・・・揚力傾斜，抗力係数
飛び出し条件（2変数） ・・・・・・・・・初速度，飛び出し角x2x5x3x1

x4

Diving angle

x6x8x7

2006/3/30

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19

飛行条件

追い風の条件での飛行
Case1：初期ロール角0°，風0m/s
Case2：初期ロール角0°，追い風2m/s
Case3：初期ロール角10°，風0m/s
Case4：初期ロール角0°，横風5m/sなど
2006/3/30

飛び出し時に傾いた条件での飛行
外乱に強い設計因子の抽出

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2010

優性遺伝要素主翼スパン－水平尾翼モーメントアーム
Distance＜ 100200≦ Distance＜ 300400≦ Distance

主翼スパン100≦ Distance＜ 200300≦ Distance＜ 400

少しの変化で飛行距離が大きく変動

Moment arm of the horizontal tail[m]109

優性遺伝要素876

水平尾翼モーメントアーム

5

設計変数の自由度が多い

431516171819202122

滑空性能が高い設計候補が分布している23

Span of the wing[m]初期ロール角0°，風0m/sの条件で最適化
2006/3/30

21

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結果2：設計変数の分布例（1）最適解：主翼スパン長25m

主翼スパン

評 価 値 300未 満
評 価 値 300以 上 400未 満
評 価 値 400以 上26

主 翼 ス パ ン [m]

探索範囲

24

探索範囲に対し，評価の高い個体は狭い範囲に分布している

222018設計の自由度が少ない（飛行距離に反映される）
主翼スパンと似た分布を持つ
設計変数

評 価 値 300未 満
評 価 値 300以 上 400未 満160評 価 値 400以 上

14707580859095

全 質 量 [kg]

主翼桁のヤング率
主翼零揚力角主翼空力中心位置
水平尾翼取付角

140
主 翼 桁 の ヤ ン グ 率 [GPa]161201008060

全質量（パイロット含む）と主翼スパン

40707580859095

全 質 量 [kg]2006/3/30

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2211

結果3：設計変数の分布例（2）最適解：水平尾翼モーメントアーム5.6m

水平尾翼モーメントアーム

探索範囲全体に渡って評価値の高い個体が分布している

評 価 値 300未 満
評 価 値 300以 上 400未 満

7
水 平 尾 翼 モ ー メ ン ト ア ー ム [m]評 価 値 400以 上6設計の際，比較的自由に値を決められる（飛行距離に反映されない）

54

水平尾翼モーメントアームと似た分布を持つ設計変数3

評 価 値 300未 満評 価 値 300以 上 400未 満

4.5707580859095

全 質 量 [kg]

水 平 尾 翼 の 3次 元 揚 力 傾 斜

評 価 値 400以 上2

主翼・尾翼の翼弦長
主翼取付角
尾翼の3次元揚力傾斜全質量（パイロット含む）と水平尾翼モーメントアーム

43.5
32.5
2
1.5
707580859095

全 質 量 [kg]2006/3/30

23

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

追い風条件での優性因子
飛び出し条件（初速度－飛び出し角）
100≦ Distance＜ 200300≦ Distance＜ 400Distance＜ 100200≦ Distance＜ 300400≦ Distance

00-5-5

Diving angle[deg]Diving angle[deg]Distance＜ 100200≦ Distance＜ 300400≦ Distance-10-15-20100≦ Distance＜ 200300≦ Distance＜ 400-10-15-20
55.5

66.5

Initial velocity[m/s]

初期ロール角0°，風0m/s
2006/3/30

755.5

66.5

7

Initial velocity[m/s]

初期ロール角0°，追い風2m/s

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

2412

外乱に強い設計
初期ロール角0°418m

f ( X )roll 0 + f ( X )roll10 → max

初期ロール角10°
389m

400

外乱に強い
f (x )roll10300

外乱に強い機体
工学院大学

200
100

最大たわみ角11°滑空性能が高い
初期ロール角0°455m

002006/3/30

100

200
300
f (x )roll0

400

500

大会優勝機

初期ロール角10°33m

最大たわみ角
第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会3°

25

NAZCA 2005

2006/3/30

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

2613

NAZCA 2005

2006/3/30

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

27

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

28230.88m

2006/3/30

14結論
鳥人間用滑空機の運動を模擬した飛翔解析プログラムを作成し，シミュレーションによる飛行特性の評価を行った．
また遺伝的アルゴリズムを用いて設計の最適化を行い，以下の知見を得た．


滑空機の性能向上に寄与する設計因子を抽出できた．
特に追い風の条件では初速度，飛び出し時に機体が傾いた条件では翼のたわみが重要と因子となる．



外乱に強く，滑空性能が高い設計が得られた．
外乱に強く，滑空性能が高い設計

滑空性能が高いが外乱に弱い設計
2006/3/30



初期ロール角0°の条件：418m
初期ロール角10°の条件：389m
初期ロール角0°の条件：455m
初期ロール角10°の条件：33m

第38回「境界層遷移の解明と制御」研究会

2915