JP2010224657A - 運動解析方法、運動解析シミュレータ及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】運動解析の簡略化を可能とし、受動的な流体中の物体の運動に加えて能動的な流体中の物体の運動をも精度良く運動解析を行うことを可能とする運動解析方法、運動解析シミュレータ及びプログラムを提供する。
【解決手段】本発明の運動解析方法は、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップｓ１と、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップｓ２と、を所定の時間ステップ毎に行う。また、運動解析シミュレータは、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析部１と、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析部２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体中の物体に係る運動解析方法、運動解析シミュレータ及びプログラムに関する。

本発明の関連技術として、流体中に存在する物体の運動状態を解析する方法であって、物体を球体の集合体で近似し、ある時刻における各球体の位置や姿勢に基づいて、各球体に作用する総合力、総合トルクを求め、それらの力と並進運動、回転運動に関する運動方程式から次の時刻における各球体の位置や姿勢を求める方法を逐次、繰り返して、物体の時間経過に伴う運動状態を求める方法が特許文献１、２に記載されている。

特開平５−３１４０９１号公報 特開平１１−２５０６９号公報

本発明の前記関連技術は、流体中における弾性体の物体を対象とした変形や強度解析を主目的とし、受動的に運動する物体の流体解析と運動計算とを、流体中の物体を球体（要素）の集合体で近似して行うようにした運動解析方法である。

したがって、前記関連技術では運動解析においても物体を球体の集合体で近似して行うため、運動解析で扱う球体の個数が物体の形状等により膨大なものとなり、運動解析における計算モデルを単純化することができず、個々の球体に対する処理による処理量が増大し、運動解析に多大な時間やコストが必要となる。

また、前記関連技術では流体中を受動的に運動する物体の流体解析及び運動解析を行うことが困難であるのみならず、流体中を能動的に運動する物体の流体解析及び運動解析を行うことができなかった。

（発明の目的）
本発明の目的は、かかる問題を解決するものであり、運動解析の簡略化を可能とし、受動的な流体中の物体の運動解析に加えて能動的な流体中の物体の運動をも精度良く運動解析を行うことを可能とする運動解析方法、運動解析シミュレータ及びプログラムを提供することにある。

本発明の運動解析方法は、所定の時間ステップ毎に、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップと、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップと、を行うことを特徴とする。

本発明の運動解析シミュレータは、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析部と、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析部と、を備えることを特徴とする。

本発明のプログラムは、所定の時間ステップ毎に、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップと、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、物体のモデルを複数の要素に分割することで流体解析が空間的に高分解となり精度を向上させることができるとともに、モデル又はオブジェクト単位等の剛体系での運動計算が可能であり計算モデルを単純化することができから、流体中の物体の受動的な運動に加えて能動的な運動をも簡略化した計算により精度良く運動解析を行うことが可能である。

また、流体中の物体の運動を簡略化した計算により精度良く計算することが可能であるから、水中等の流体中で使用するセンサやロボットなどの運動解析が可能であり、これらの開発における生産性の向上を実現することができる。

図１は本発明の第１の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は運動解析方法、（ｂ）は運動解析シミュレータである。 図２は本発明の運動解析シミュレータの処理をプログラムにより実行する第１の実施形態を示す図である。 図３は本発明の第２の実施形態の運動解析方法の処理フローチャートを示す図である。 図４は第２の実施形態の水中体の行動領域の作成例を示す図である。 図５は本発明の第３の実施形態の運動解析方法の処理フローチャートを示す図である。 図６は第３の実施形態の水中体の行動領域の作成例を示す図である。 図７は第４の実施形態の水中体の運動解析シミュレータの構成を示すブロック図である。 図８は本発明の第５の実施形態の対象物体のモデルの構成例を示す図である。 図９は本発明の第６の実施形態の水中体モデルの構成例を示す図である。 図１０は本発明の第７の実施形態の解析モデルの構成例を示す図である。 図１１は本発明の第８の実施形態の構成を示す図である。 図１２は本発明の第９の実施形態の運動解析方法、運動解析シミュレータの計算機構成を示す図である。

次に、本発明の運動解析方法、運動解析シミュレータ及びプログラムの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の構成を示す図であり、（ａ）は運動解析方法、（ｂ）は運動解析シミュレータである。

本発明の第１の実施形態の運動解析方法は、図１（ａ）に示すように、数値流体力学により流体中の物体のモデル（解析モデルともいう。）を構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップｓ１と、前記圧力より流体力を求め前記物体のモデルを一体とした運動方程式又は前記物体のモデルを自由度を有するブロック単位等の複数のオブジェクトとした運動方程式（剛体系の運動方程式という。）を解き、時刻暦変化する前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップｓ２と、を所定の時間ステップ毎に行うことを特徴とする。

本発明の第１の実施形態の運動解析シミュレータ１０は、図１（ｂ）に示すように、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析部１と、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析部２と、を備えることを特徴とする。

以上の実施形態により、時刻暦変化する流体中における物体の位置及び姿勢の情報を簡略化された処理により出力することができ、流体中の物体の運動を精度良く解析することが可能である。

また、以上の実施形態の処理は、ハードウェアにより実行させることが可能であるとともに、ソフトウェアにより実行させることが可能である。一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、以上の実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶部を備え、コンピュータ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）が前記プログラムコードを読み込んで以上の機能を実行するように構成する。

図２は本発明の運動解析シミュレータの処理をプログラムにより実行する第１の実施形態を示す図である。

運動解析シミュレータ１０は、バスにより相互に接続された、コンピュータを構成するＣＰＵ１１、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む記憶部１２、入力操作部１３、表示部１４及びデータベース部１５等を備える。各部の機能は次のとおりである。

入力操作部１３は流体中の物体の運動解析の解析者等により表示部１４を参照しながら操作され、物体のモデル及び各種の初期値等、各種データの入力と設定等が可能である。

記憶部１２には、各種の設定データ及び数値流体力学により物体に対する圧力計算を行うＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）ツール等のプログラム、物体の位置、姿勢等の計算を行う運動方程式等のプログラム等、以上の実施形態の機能を実現する制御プログラムを含む各種プログラムが格納される。

表示部１４は解析対象の物体、物体の行動領域に関する情報、解析結果等を表示可能であり、入力操作部１３は解析者等により表示部１４を視認しながら対象物体に関する各種のデータを入力可能である。

データベース部１５には、入力操作部１３から入力された情報又は別途入力された情報として、例えば対象物体、潮流を含む流体環境等、流体解析に必要な各種データが格納される。

ＣＰＵ１１は記憶部１２のプログラムを読み込み、読み込んだプログラムにより制御される。これにより、ＣＰＵ１１は入力操作部１３の操作等により解析者等が入力したＣＡＤ（Computer Aided Design）データ等に基づいて、データベース部１５の格納された各種データを使用して、流体解析及び運動計算を実行し、図１（ａ）に示す運動解析方法を実行し、又は図１（ｂ）に示す各部の機能を実現する。また、後述する実施形態の処理を実行し、後述の各部の機能を実現する。

前記プログラムは、少なくとも、所定の時間ステップ毎に、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップと、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップと、をコンピュータに実行させるプログラムとすることができる。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態の運動解析方法の処理フローチャートを示す図である。本実施形態の運動解析方法は、モデル構築、行動領域構築、位置設定、環境読込、流体解析、運動計算及びモデル再構築の各処理ステップから構成される。前記各処理ステップからなる運動解析方法の処理手順は時間（計算）ステップ（ｔ、ｔ＋１、…）毎に行われる。本実施形態の運動解析方法の各ステップの処理は、具体的には図２に示すＣＰＵ１１等により実行することができる。

以下、本発明の第２の実施形態の処理手順を水中の物体（水中体）の例により図３を参照して詳細に説明する。

最初の時間ステップ（ｔ）では、モデル構築のステップ（モデル構築ステップ）ｓ１１において、運動解析を行う水中体のモデルを構築する。本実施形態では解析（操作）者が、例えば３次元ＣＡＤ（３Ｄ-ＣＡＤ）により作成されたモデルをＳＴＬ（Standard Triangulation Language：標準三角パッチ言語）形式にて運動解析シミュレータに入力する（取り込む）ことによりモデルを構築する。

次に、行動領域構築のステップ（行動領域構築ステップ）ｓ１２において、予めモデルの運動解析を行う領域（行動領域）を作成し、その領域内の水中環境を構築する。本実施形態では解析者が例えば単位領域毎に適宜、潮流、水圧、温度等の必要なデータを設定して入力することが可能である。また、単位領域毎に潮流、水圧、温度等をデータベース化して構築することが可能である。

次に、位置設定のステップ（位置設定ステップ）ｓ１３において、解析者が行動領域内にモデルの初期位置（現在位置）を設定する。

次に、環境読込のステップ（環境読込ステップ）ｓ１４において、位置設定ステップｓ１４により設定した位置での水中環境を読み込む。本実施形態では水中環境として、例えば単位領域毎に潮流、水圧、温度等を設定入力するように構成することが可能である。また、運動解析シミュレータが前記データベースから物体のモデルの属する単位領域の潮流、水圧、温度等を自動的に読み込むように構成することが可能である。

次に、流体解析のステップ（流体解析ステップ）ｓ１５において、モデル構築ステップｓ１１で構築し、位置設定ステップｓ１３で位置設定したモデルに関し、該モデルを格子法による多数格子又は粒子法による多数粒子により形成した複数の要素に分割し、環境読込ステップｓ１４で読み込んだ水中環境によりモデル表面に作用する圧力を解析する。例えば数値流体力学に粒子法を用いてモデル表面に作用する圧力を解析する。具体的には、水中体の解析モデルを複数の要素（ｉ＝１，２…Ｎ）に分割し、流体解析にて算出した各要素の圧力を算出する。

次に、運動計算のステップ（運動計算ステップ）ｓ１６において、モデル表面に作用する圧力から水中体の重心に作用する力・トルク等の流体力を求め、１ステップ後の水中体の姿勢、位置を計算する。具体的には、例えば流体解析ステップｓ１５の流体解析により算出した各要素の圧力Ｐ_iにより式（１）を使用して、モデル表面に作用する流体力（Ｆ_Ｈ、Ｍ_Ｈ）を求める。

ここで、Ａ_ｉは各要素の面積、Ｓ_ｉは運動体重心から各要素中心の位置ベクトルである。

更に、求めた流体力（Ｆ_Ｈ、Ｍ_Ｈ）を使用して剛体系の運動方程式（２）を解き、運動体の位置、姿勢（ｘ、θ）を計算する。

ここで、Ｈは運動体の慣性パラメータ、ｘ、θはそれぞれ運動体の位置、姿勢、Ｆ_Ｅ、Ｍ_Ｅはそれぞれ推進器等による推進力、推進トルク、Ｆ_Ｏ、Ｍ_Ｏはそれぞれ重力、浮力などによる力、トルクである。

また、運動計算ステップｓ１６では、計算した水中体の位置を位置設定ステップｓ１３に対して出力し、水中体の姿勢をモデル再構築のステップ（モデル再構築ステップ）ｓ１７の処理に対して出力する。

次に、位置設定ステップｓ１３において水中体の位置によりモデル重心の移動等による位置を設定し、モデル再構築ステップｓ１７において、水中体の姿勢によりモデル重心の移動等によるモデル姿勢を再構築し、再構築した結果を流体解析ステップｓ１５に設定し、次の時間ステップ（ｔ＋１）のステップｓ１４〜ステップｓ１７の処理に備える。

そして、次の時間ステップ（ｔ＋１）以降の運動解析方法の処理手順はステップｓ１３〜ｓ１７の処理ステップとなる。この処理ステップをルーチンとして、該ルーチンを時間ステップ毎に繰り返すことにより、水中体の位置及び姿勢に関する時刻暦変化を算出する。

図４は第２の実施形態の水中体の行動領域の作成例を示す図である。図３に示す行動領域構築ステップｓ１２において、任意あるいは実測した水底（海底）等の地形データ１０１に基づいて、水中体の行動領域１００が作成され、該行動領域１００は流体解析するための複数の分割領域１０２に分割される。

図３に示す位置設定ステップｓ１３では、行動領域１００を分割した分割領域１０２の内部に水中体の初期位置１０３が設定される。以下、現在の水中体位置を含む分割領域の水中環境において流体解析を開始し、時間ステップ毎に図３に示すステップｓ１３〜ｓ１７の処理手順が実行される。モデル重心の位置は分割領域１０２内を移動し、更に次の隣接する分割領域への移行と該分割領域内の移動とを繰り返し、行動領域１００内の水中体の位置、姿勢に関する時刻暦変化が算出される。

行動領域１００を複数の分割領域１０２に分割することにより、水中体の行動するルートの分割領域でのみ流体解析及び運動計算を行うことが可能であるから、扱うデータ及び計算範囲を最小限にすることができ、計算コストを低減することが可能となる。特に、広範囲空間に及ぶ流体解析及び運動解析において計算コストを大幅に低減することが可能となる。

（第３の実施形態）
以上、第２の実施形態として水中体が重力や潮流などの影響により受動的に運動する場合の運動解析方法について説明したが、本発明は水中体が舵や推進器などを使用して能動的に水中体が制御される場合の運動解析方法に適用可能である。

次に、本発明の第３の実施形態として、水中体が舵や推進器などを使用して能動的に運動するように制御される場合の運動解析（制御）シミュレータの運動解析方法の処理手順について説明する。

図５は本発明の第３の実施形態の運動解析方法の処理フローチャートを示す図である。本実施形態の運動解析方法は、モデル構築ステップ、行動領域構築ステップ、位置設定ステップ、環境読込ステップ、流体解析ステップ、運動計算ステップ及びモデル再構築ステップに加えて、目標ルート設定（目標領域構築）のステップ（目標ルート設定ステップ）を含む各ステップから構成される。前記各ステップからなる運動解析方法の処理手順は第２の実施形態と同様に時間ステップ（ｔ、ｔ＋１、…）毎に行われる。本実施形態の運動解析方法の各ステップの処理は、具体的には図２に示すＣＰＵ１１等により実行することができる。

第３の実施形態の運動解析方法は第２の実施形態の運動解析方法の処理手順と同様であるが、主に目標ルート設定ステップを有することにより、処理手順は以下のようになる。

最初の時間ステップ（ｔ）では、モデル構築ステップｓ２１において、運動解析を行う水中体のモデルを構築する。本実施形態では解析（操作）者等が、例えば３Ｄ-ＣＡＤにより作成されたモデルをＳＴＬ形式にて運動解析シミュレータに取り込む（入力する）ことによりモデルを構築する。

次に、行動領域構築ステップｓ２２において、モデルの運動解析を行う領域（行動領域）を作成し、その領域内の水中環境を構築する。本実施形態では解析者等が例えば単位領域毎に潮流、水圧、温度等の設定入力することが可能である。また、単位領域毎に潮流、水圧、温度等をデータベース化して構築することが可能である。

次に、目標ルート設定ステップｓ２３において、舵や推進器などを使用して能動的に水中体を制御することによる初期位置３０２から目標とするゴール位置である目標位置２０５までのルート（経路）２０４の情報を設定する。

次に、位置設定ステップｓ２４において、解析者等が行動領域内にモデルの初期位置（現在位置）を設定する。

次に、環境読込ステップｓ２５において、位置設定ステップｓ２４により設定した位置での水中環境を読み込む。本実施形態では解析者等が水中環境として、例えば単位領域毎に潮流、水圧、温度等を設定入力することが可能である。また、運動解析シミュレータがデータベースからモデルの属する単位領域の潮流、水圧、温度等を自動的に読み込むように構成することが可能である。

次に、流体解析ステップｓ２６において、モデル構築ステップｓ２１で構築し、目標ルート設定ステップｓ２３でルート設定し、位置設定ステップｓ２４で位置設定したモデルに関し、環境読込ステップｓ２５で読み込んだ水中環境に基づいて、第２の実施形態と同様にモデル表面に作用する圧力を解析する。例えば粒子法を用いた数値流体力学によりモデル表面に作用する圧力を解析する。

次に、運動計算ステップｓ２７において、第２の実施形態と同様にモデル表面に作用する圧力から水中体重心に作用する力・トルク等の流体力を求め、それにより１ステップ後の水中体の位置、姿勢を計算する。また、運動計算ステップｓ２７では、計算した水中体の位置を位置設定ステップｓ２４の処理に対し出力し、位置設定ステップｓ２４では当該水中体の位置と目標ルートによる位置を設定する。

次に、モデル再構築ステップｓ２８において、運動計算ステップｓ２７で計算された水中体の姿勢、位置によりモデル重心の移動等によるモデル姿勢を再構築し、再構築の結果を流体解析ステップｓ２６に対して出力し、次の時間ステップ（ｔ＋１）のステップｓ２４〜ステップｓ２７の処理に備える。

そして、次の時間ステップ（ｔ＋１）以降の運動解析方法の処理手順はステップｓ２４〜ｓ２７の処理ステップとなる。この処理ステップをルーチンとして、該ルーチンを時間ステップ毎に繰り返すことにより、水中体の姿勢、位置に関する時刻暦変化を算出する。

なお、時間ステップ（ｔ＋１）以降の運動計算ステップｓ２７では、位置設定ステップｓ２４で設定された１ステップ前の時刻の水中体の位置及び当該水中体の位置と目標ルートによる位置の差分に基づいて１ステップ後の時刻の水中体の位置、姿勢が計算される。

図６は第３の実施形態の水中体の行動領域の作成例を示す図である。図５に示す目標ルート設定ステップ２２で、任意あるいは実測した海底等の地形データに基づいて水中体の行動領域２００を作成する。更に、計算コスト低減のため、作成した行動領域２００を流体解析する分割領域２０２に分割する。

図５に示す目標ルート設定ステップｓ２３で、行動領域２００を分割した分割領域２０２の内部に水中体の初期位置２０３を設定し、別の分割領域の内部（三角印）に目標到達位置２０５を設定し、初期位置２０３と目標到達位置２０５との間の目標ルート２０４を設定する。以下、現在の水中体位置を含む分割領域の水中環境において流体解析が開始され、時間ステップ毎に図５に示す処理手順が実行される。水中体のモデル重心の位置は分割領域２０２内を移動し、更に次の隣接する分割領域への移行と該分割領域内の移動を繰り返し、行動領域２００内の水中体の位置、姿勢に関する時刻暦変化が算出される。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態として水中体の運動解析シミュレータについて説明する。

図７は第４の実施形態の水中体の運動解析シミュレータの構成を示すブロック図である。舵や推進器などで制御され能動的に移動する水中体の運動解析、及び重力や潮流などの影響により受動的に移動する水中体の運動解析の何れをも行うことが可能な構成の運動解析シミュレータである。

第４の実施形態は、設定した目標ルートの情報を出力する目標ルート設定部２１と、現在位置及び目標ルートと現在位置との差分に基づいて運動計算を行う運動計算部２２と、運動計算部２２の出力によりモデルの再構築するモデル再構築部２４と、位置設定を行う位置設定部２３と、位置設定部２３の出力により環境設定を行う環境設定部２５と、モデル再構築部２４及び環境設定部２５の各出力に基づいて流体解析を行う流体解析部２６と、から構成される。能動的に移動する水中体等の解析に係る各部の機能は以下のとおりである。

目標ルート設定部２１は、能動的に移動する水中体の場合、解析者の入力により設定された初期条件としての開始位置、目標到達位置及び開始位置から目標到達位置までのルート等の目標ルートの情報を出力する。なお、受動的に移動する水中体の場合は、解析者の入力により設定された初期条件としての開始位置の情報を出力する。

運動計算部２２は、１ステップ前の位置及び目標ルートの位置と１ステップ前の位置の差分の情報を入力し、時間ステップ毎に流体解析部２６において求めたモデル表面に作用する圧力に基づいて、水中体の重心に作用する力・トルク等の流体力を算出し、１ステップ後の水中体の姿勢、位置を出力する。つまり、運動計算部２２は、流体解析部２６で求めた水中体モデルの各要素の圧力により、水中体に生じる力・トルクやその他の外力の流体力から第２の実施形態と同様の運動計算により、時間ステップ毎の水中体の位置及び姿勢を計算して出力する。

モデル再構築部２４は、運動計算部２２において現時間ステップ（ｔ）で計算された位置及び姿勢に基づいてモデル姿勢を再構築する。また、位置設定部２３は現時間ステップ（ｔ）で計算された位置に基づいて位置設定を行う。環境設定部２５は現時間ステップ（ｔ）で設定された位置での水中環境を設定する。

流体解析部２６は、再構築されたモデル姿勢及び再設定された水中環境に基づいて流体解析を行い、時間ステップ（ｔ＋１）の水中体モデルの各要素の圧力を運動計算部２２に出力する。

次に、図７に示す第４の実施形態の運動解析シミュレータの動作例を図６に示す行動領域の作成例で説明する。

予め運動解析シミュレータの位置設定部２３に、図６に示すような初期位置２０３が設定され、モデル再構築部２４にモデルが構築され、環境設定部２５に地形２０１等が設定される。この状態で、解析者が目標ルート設定部２１に初期条件としての目標ルートを代入する設定を行う。運動計算部２２は、現時間ステップ（ｔ）の流体解析部２６で求めた水中体に生じる圧力に基づいて流体力を算出し、時間ステップ（ｔ）の水中体の位置及び姿勢を計算して出力する。計算された位置及び姿勢の情報はそれぞれ位置設定部２３及びモデル再構築部２４に出力され、流体解析部２６は次時間ステップ（ｔ＋１）の水中体に生じる圧力を出力する。

運動計算部２２は、時間ステップ（ｔ）で算出した位置及び前記位置と目標ルート設定部２１の次時間ステップ（ｔ＋１）の位置との差分を入力するとともに、流体解析部２６で求めた次時間ステップ（ｔ＋１）の水中体に生じる圧力を入力し、次時間ステップ（ｔ＋１）の水中体の位置及び姿勢の情報を計算して出力し、位置及び姿勢の情報はそれぞれ位置設定部２３及びモデル再構築部２４に出力する。

図７に示す運動解析シミュレータにより、以上の水中体の動作解析の処理動作を目標到達位置２０５まで繰り返すことにより、流体中における水中体の位置及び姿勢の時刻暦変化の情報を連続的に出力することができ、水中体の運動を精度良く解析することができる。

第４の実施形態の運動解析シミュレータは、水中体が重力や潮流などの影響により受動的に運動する場合にも適用可能である。この場合は、目標ルート設定部２１には水中体の初期位置が設定され、時間ステップ毎のルートデータや目標到達位置の情報は出力されず、運動計算部２２には前時間ステップで算出した位置が次時間ステップの運動計算用に入力される構成として実現される。

（第５の実施形態）
本発明の運動解析方法、運動解析シミュレータは対象物体のモデル（解析モデル）を複数のオブジェクトとして構築することにより実現できる。

図８は本発明の第５の実施形態の物体のモデルの構成例を示す図である。水中体のモデル（水中体モデル）を複数オブジェクトとした場合の該水中体モデルの運動を２次元で示したものである。水中体が重力や潮流などの影響により受動的に運動する例である。

図８に示す水中体モデルは、自由度をもって結合された３つのオブジェクト３１（ｔ）、３２（ｔ）、３３（ｔ）から構成されている。複数オブジェクトに対して図３に示す流体解析ステップｓ１５で求めたモデル表面に作用する圧力に基づいて、運動計算ステップｓ１６は各オブジェクト重心３１０（ｔ）、３２０（ｔ）、３３０（ｔ）に作用する力・トルク等の流体力を求め、１ステップ後の各オフジェクト重心３１１（ｔ）、３２１（ｔ）、３３１（ｔ）の位置及び姿勢を計算する。その位置及び姿勢を基に次の時点のオブジェクト３１（ｔ＋１）、３２（ｔ＋１）、３３（ｔ＋１）を再構築する。同様の処理を繰り返して運動解析を実現する。

第５の実施形態のように水中体モデル（解析モデル）を複数個のオブジェクトに分割した場合、第２の実施形態で説明した流体解析及び運動計算は、一体として扱う解析モデルに代えて複数のオブジェクト単位に分割し、流体解析にて算出したオブジェクト毎の各要素の圧力を求め、オブジェクト毎の各要素の圧力に基づいてオブジェクト毎の流体力を求め、得られた流体力を使用してオブジェクト単位である剛体系の運動方程式を解き運動体の位置、姿勢を計算する。

解析モデルが相互に可動なオブジェクトの組み合わせ構造を有する場合、解析モデルを相互に自由度を有するオブジェクト単位に分割して剛体系の運動解析を行うことで運動解析が簡略化される。この場合にも流体解析は複数オブジェクトをそれぞれ複数の要素へ分割して行うことにより、解析精度を向上させることが可能である。

（第６の実施形態）
解析モデルをオブジェクトに分割する際、例えば、舵、推進力方向が可変である推進器、マニュピレータの関節など能動的に動く単位（制御することができる単位）でオブジェクトに分解することが可能である。目標位置あるいは目標速度等に達するように推進器の角度や出力、舵の角度を操作する運動制御シミュレーションに適用可能である。

図９は本発明の第６の実施形態の水中体モデルの構成例を示す図である。水中体モデルが舵や推進器などで制御され、能動的に運動する水中体の運動解析への適用例である。水中体モデルを複数オブジェクトとした場合の水中体モデルの運動を２次元で示している。

第６の実施形態の水中体モデルは、互いに自由度を有する複数のオブジェクト４１（ｔ）、４２（ｔ）、４３（ｔ）から構成され、オブジェクト４３はオブジェクト４２と自由度を有する例えば推進器を構成する。本実施形態の複数オブジェクトに対して、図５に示す流体解析ステップｓ２６で求めたモデル表面に作用する圧力から各オブジェクト重心４１０（ｔ）、４２０（ｔ）、４３０（ｔ）に作用する力・トルク等の流体力を求め、運動計算ステップｓ２７で、１ステップ後の各オフジェクト重心４１１（ｔ）、４２１（ｔ）、４３１（ｔ）の位置及び姿勢を計算する。計算した位置及び姿勢に基づいて各オブジェクト４１（ｔ＋１）、４２（ｔ＋１）、４３（ｔ＋１）を再構築する。同様の処理を繰り返して運動解析を行う。

第６の実施形態の運動制御シミュレーションでは、水中を移動する運動体をターゲットとし、運動体が移動する際に流体力が運動体に作用するので、この場合も運動体に対する流体力を精度良く求めるためにＣＦＤツールなどにより運動体を微小要素に分割して流体力を算出することができる。

（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態として水中体本体に能動的に動作する複数の制御手段を有する運動体の運動解析に適用可能である。

図１０は本発明の第７の実施形態の解析モデルの構成例を示す図である。水中体の主体５１に対して自由度を有する１個以上オブジェクトとして、舵５２、推進器５３及びマニュピレータ５４等の制御手段が接続された構成の運動体の例である。

本実施形態においては、図５に示すモデル構築ステップｓ２１において、解析モデルとして一体形状ではなく、複数のオブジェクトを組み合わせた解析モデルを構成する。

つまり、図５に示す流体解析ステップｓ２６では、解析モデル単体ではなく、それを構成する各オブジェクト５１、５２、５３、５４等の８個のブロックの流体力をそれぞれ算出する。

次に、運動計算ステップｓ２７では、算出した各オブジェクトに作用する流体力を使用して各オブジェクトの運動を計算し、各オブジェクトの位置及び姿勢を算出する。なお、推進器については、運動計算ステップｓ２７の中で流体力に推進力を追加して運動方程式を解くこととなる。

モデル再構築ステップｓ２８では、各オブジェクトの位置及び姿勢に基づいて解析モデルの形状を再構築する。つまり、運動計算ステップｓ２７の中で、舵などの角度を設定することで、モデル再構築ステップｓ２８において当該角度でモデルが再構築される。
以上の処理を各時間ステップで実行して時刻暦変化する水中体の位置、姿勢を算出する。

（第８の実施形態）
本発明は水中と空中など異なる相間（異流体間）を移動する運動体の運動解析に適用可能である。つまり、粒子法など大変形に対応したＣＦＤツールを使用し、かつ図３、５に示す行動領域構築ステップｓ１２において各相に対応した粘性や密度等のパラメータのデータベースを構築しておくことで、相間を移動する運動体の運動解析を行うことが可能である。

図１１は本発明の第８の実施形態の構成を示す図である。粒子法を使用した数値流体力学により、水中と空中など異なる相間を移動する運動体の運動解析を行う場合の例を示している。気体中６２に存在する水中体６１が、有限要素法等の計算格子の代わりに粒子法など微小粒子６４を用いて生成した液体中６３に進入する場合のように、異なる相間を移動する運動体の運動解析が可能である。

本実施形態においては、図３、５に示す流体解析ステップｓ１５（ｓ２６）に、解析場において粒子法自体で相間の流体解析ができるアルゴリズムを組み込んでおく。また、行動領域構築ステップｓ１２（ｓ２２）においては、異相を含む範囲の行動領域を作成する。

以上のように相間の流体解析機能を有する粒子法を図３、５に示す流体解析ステップｓ１５（ｓ２６）に組込むことで、空気中から水中へ突入するような相間を移動する運動体についても運動解析を行うことができる。

本実施形態により、例えば運動体を水面（海面）から自由落下させた場合に、水底（海底）のどの位置に到達するかなどのシミュレーションが可能である。

（第９の実施形態）
本発明は単一の計算機で流体中の物体の流体解析及び運動計算を行う代わりに、処理リソースの分散が可能な複数の計算機を用いて流体中の物体の運動解析を行うように構成することができる。

図１２は本発明の第９の実施形態の運動解析方法、運動解析シミュレータの計算機構成を示す図である。複数の計算機による運動解析方法又は運動解析シミュレータの構成例を示している。

運動計算用計算機７１と流体解析用計算機７２からなり、両計算機はネットワーク接続され必要な情報の送受信を行い、全体として本発明の運動解析方法を実行し又は運動解析シミュレータを構成する。各計算機の機能は以下のとおりである。

運動計算用計算機７１は、図３、図４に示す運動計算ステップｓ１６（ｓ２７）の計算をはじめ行動領域構築ステップｓ１２（ｓ２２）、目標ルート設定ステップｓ２３、位置設定ステップｓ１３（ｓ２４）の各処理を行い、流体解析用計算機２２は、流体解析ステップｓ１５（ｓ２６）の解析をはじめモデル構築ステップｓ１１（ｓ２１）、環境読込ステップｓ１４（ｓ２５）、モデル再構築ステップｓ１７（ｓ２８）の各処理を行う。それぞれにおける計算結果や各種パラメータは、ネットワーク通信によって計算機間で受け渡しを行う。

第９の実施形態は、剛体系を扱うものまたそれに付随するものを運動計算用計算機２１で行い、モデル形状に依存する現象を扱うものまたそれに付随するものを流体解析用計算機２２で行うように処理を分けることにより、計算処理を簡略化するものである。

具体的には、運動計算用計算機２１ではＭＡＴＬＡＢ（MATrix LABoratory）というシミュレーションツール上にて処理し、流体解析用計算機２２では汎用ＣＦＤツール上にて処理を行い、ＴＣＰ／ＩＰにてネットワークを構築し計算機間のデータ通信を行うように構成することができる。

本実施形態では流体解析用計算機２２は１台で構築しているが、流体解析の負荷次第で、並列化、クラスター化することが可能である。例えば、大規模な流体解析や多数格子・粒子での流体解析においては流体解析用の計算機をクラスター化することにより処理リソースを分散でき、負荷分散が可能となる。

（他の実施形態）
以上の実施形態に示すように、本発明の運動解析には有限要素法（FEM：Finite Element Method）が適用可能であるとともに、粒子法を適用することが可能である。また、粒子法を使用した数値流体力学により、有限要素法等の計算格子を必要とせず、大変形に対応したモデル再構築が可能である。

行動領域構築ステップにおいて構築するデータベースとしては、例えばデータベース部等に適宜、潮流、水圧、温度等の環境パラメータを構築することができる。また、水底（海底）のデータ構築により水中構造物や海底地形近傍の複雑な流れ場などの実地形を模擬することが可能である。更に、各相に対応した粘性や密度等のパラメータのデータベースを構築することにより相間を移動する運動体の運動解析を行うことが可能である。

地形データについては、公開されている地形データ、センサで取得した地形データ、あるいは海底地形等の実地形を模擬した地形データを設定することができる。これにより地形などの周囲環境も含めた状態で水中体の流体解析を行うことが可能となる。例えば、地形などによる流れの乱れを含めたより実環境を模擬した解析が可能となる。

また、複数のオブジェクトによって水中体を構成し、さらにそのオブジェクトを格子法なら多数格子あるいは粒子法なら多数粒子にて形成し、数値流体力学による解析を行い、複数オブジェクトの重心周りの力、トルクを算出することで、舵や推進力方向が可変である推進器あるいはマニュピレータを有する水中体の運動制御シミュレーションが実行可能である。運動解析シミュレータは、水中体が重力や潮流などの影響により受動的に運動する場合にも適用可能である。この場合も水中体に作用する圧力計算については、汎用的なＣＦＤツールを組込みその解を使用することができる。

また、他の実施形態として、範囲空間に及ぶ運動解析においては、行動領域構築ステップにおいて広範囲の行動領域を作成し、それを分割し、その分割領域内で数値流体力学計算を行うように構成することができる。つまり、水中体の行動領域を細分化し領域を区切り、それぞれの領域に潮流、水圧、温度などの環境条件を当てはめることにより、水中体が存在している分割領域内のみで流体解析を行うことが可能となり計算の簡略化が可能となる。

また、第８の実施形態（図１１）の異なる流体相間を移動する運動体としては、第１ないし第７の実施形態及び第９の実施形態の場合に適用可能である。例えば複数オブジェクトに分割した運動体に係る実施形態にも適用可能である。

以上説明したように本発明の各実施形態においては、流体解析では運動体の対象物体のモデルを複数の要素として取り扱うものの、運動計算では各要素を取り扱わずに、モデル全体（運動モデル全体）あるいは各オブジェクト単位の剛体系として取り扱う。

つまり、流体解析では各要素に関して計算し、得られた圧力から流体力を算出し、その流体力を用いて剛体系の運動方程式により運動体の位置、姿勢の計算を行う。流体解析では複数の要素に分割することで空間的に高分解となり精度が向上し、運動計算では各要素に代えて剛体系とすることで計算モデルを単純化することができる。

本発明によれば、剛体系に置き換えて運動計算を行うことにより、運動計算の簡略化が可能であり、受動的な運動体のみならず、能動的な運動体の制御系の解析に適用可能である。

以上の実施形態では、より具体的には、水中環境に即した潮流、水圧や温度等の下、解析対象とする水中体モデルに対し、モデルを複数の要素として数値流体力学にてモデル表面（各要素）に作用する圧力を求め、水中体重心に生じる力・トルク等を計算する流体力解析と、計算された水中体重心に生じる力・トルクを使用して、モデル全体あるいは各オブジェクト単位の水中体の位置、姿勢を計算する運動計算と、計算された姿勢に対してモデル姿勢を再構築するモデル再構築と、位置に対してモデル重心の位置を移動させる位置設定と、当該位置での水中環境を再設定する環境読込と、再設定したモデル姿勢及び水中環境により、前記流体解析及び運動計算と、を再度繰り返すことにより、水中体モデルの位置、姿勢に関する時刻暦変化を算出することができる。また、時刻暦変化する前記物体の位置及び姿勢に加えて速度等を算出することができる。

本発明は、流体中の物体の運動解析として、海洋工学、航空宇宙工学、生体工学等への適用が可能である。

１ 流体解析部
２ 運動計算部
１０ 運動解析シミュレータ
１１ ＣＰＵ
１２ 記憶部
１３ 入力操作部
１４ 表示部
１５ データベース部
２１ 目標ルート設定部
２２ 運動計算部
２３ 位置設定部
２４ モデル再構築部
２５ 環境設定部
２６ 流体解析部
５１ 主体
５２ 舵
５３ 推進器
５４ マニュピレータ
６１ 水中体
６２ 気体中
６３ 液体中
６４ 微小粒子
７１ 運動計算用計算機
７２ 流体解析用計算機
１０３、２０３ 水中体
１００ 行動領域
１０２、２０２ 分割領域
１０１ 地形データ
２０３ 初期位置
２０４ ルート
２０５ 到達位置
３１（ｔ）、３２（ｔ）、３３（ｔ）、４１（ｔ）、４２（ｔ）、４３（ｔ） オブジェクト
３１０（ｔ）、３２０（ｔ）、３３０（ｔ）、４１０（ｔ）、４２０（ｔ）、４３０（ｔ） オブジェクトの重心
３１１（ｔ）、３２１（ｔ）、３３１（ｔ）、４１１（ｔ）、４２１（ｔ）、４３１（ｔ） オブジェクトの重心（運動後）
３１（ｔ＋１）、３２（ｔ＋１）、３３（ｔ＋１）、４１（ｔ＋１）、４２（ｔ＋１）、４３（ｔ＋１） オブジェクト（１時間ステップ後）

Claims (40)

1. 所定の時間ステップ毎に、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップと、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップと、を行うことを特徴とする運動解析方法。
2. 前記運動解析ステップで計算した前記モデルの姿勢及び位置により前記モデルの姿勢を再構築するモデル再構築ステップを含み、前記流体解析ステップは再構築したモデルの位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１記載の運動解析方法。
3. モデルの初期位置の設定及び前記運動計算ステップで計算した前記モデルの位置及び姿勢によりモデル重心の位置の設定を行う位置設定ステップと、前記位置設定ステップで設定した位置の流体環境を読み込む環境読込ステップと、を含み、前記流体解析ステップ及び運動解析ステップは設定された前記位置及び流体環境に基づき、それぞれ前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項２記載の運動解析方法。
4. 物体のモデルを構築するモデル構築ステップと、前記モデルの行動領域を作成し、当該行動領域内の流体環境を構築する行動領域構築ステップと、を含むことを特徴とする請求項３記載の運動解析方法。
5. 前記行動領域構築ステップは、公開された地形データ、センサで取得した地形データ又は実地形を模擬した地形データを構築することを特徴とする請求項４記載の運動解析方法。
6. 前記行動領域構築ステップは、前記行動領域を分割した分割領域毎に水中環境を構築し、前記流体解析ステップ及び運動解析ステップは、それぞれ分割領域毎に前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項４又は５記載の運動解析方法。
7. 前記物体は舵、推進力方向が可変である推進器又はマニュピレータを有し、前記物体のモデルの初期位置、到達位置及び初期位置から到達位置までのルートを設定する目標ルート設定ステップを含むことを特徴とする請求項１から６の何れかの請求項記載の運動解析方法。
8. 前記運動解析ステップは、前記モデルを一体として前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１から６の何れかの請求項記載の運動解析方法。
9. 前記運動解析ステップは、前記モデルを複数のオブジェクトに分割して前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１から６の何れかの請求項記載の運動解析方法。
10. 前記物体のモデルは異なる流体相間を移動するモデルであることを特徴とする請求項１から９の何れかの請求項記載の運動解析方法。
11. 前記流体解析ステップは、粒子法を使用した数値流体力学により前記圧力を計算することを特徴とする請求項１から１０の何れかの請求項記載の運動解析方法。
12. 前記運動計算ステップは、粒子法を使用して前記モデルの運動計算を行うことを特徴とする請求項１から１１の何れかの請求項記載の運動解析方法。
13. 運動制御用計算機により、前記行動領域構築ステップ、目標ルート設定ステップ、位置設定ステップ、環境読込ステップ及び運動計算ステップの処理を行い、流体解析用計算機又はクラスター化した計算機により、前記流体解析ステップ、モデル構築ステップ、環境読込ステップ及びモデル再構築ステップの処理を行うことを特徴とする請求項４から１２の何れかの請求項記載の運動解析方法。
14. 前記物体は水中体であることを特徴とする請求項１から１３の何れかの請求項記載の運動解析方法。
15. 数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析部と、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析部と、を備えることを特徴とする運動解析シミュレータ。
16. 前記運動解析部で計算した前記モデルの姿勢及び位置により前記モデルの姿勢を再構築するモデル再構築部を備え、前記流体解析部は再構築したモデルの位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１５記載の運動解析シミュレータ。
17. モデルの初期位置の設定及び前記運動計算部で計算した前記モデルの位置及び姿勢によりモデル重心の位置の設定を行う位置設定部と、前記位置設定部で設定した位置の流体環境を読み込む環境読込部と、を備え、前記流体解析部及び運動解析部は設定された前記位置及び流体環境に基づき、それぞれ前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項１６記載の運動解析シミュレータ。
18. 物体のモデルを構築するモデル構築部と、前記モデルの行動領域を作成し、当該行動領域内の流体環境を構築する行動領域構築部と、を備えることを特徴とする請求項１７記載の運動解析シミュレータ。
19. 前記行動領域構築部は、公開された地形データ、センサで取得した地形データ又は実地形を模擬した地形データを構築することを特徴とする請求項１８記載の運動解析シミュレータ。
20. 前記行動領域構築部は、前記行動領域を分割した分割領域毎に水中環境を構築し、前記流体解析部及び運動解析部は、それぞれ分割領域毎に前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項１８又は１９記載の運動解析シミュレータ。
21. 前記物体は舵、推進力方向が可変である推進器又はマニュピレータを有し、前記物体のモデルの初期位置、到達位置及び初期位置から到達位置までのルートを設定する目標ルート設定部を備えることを特徴とする請求項１５から２０の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
22. 前記運動解析部は、前記モデルを一体として前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１５から２０の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
23. 前記運動解析部は、前記モデルを複数のオブジェクトに分割して前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項１５から２０の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
24. 前記物体のモデルは異なる流体相間を移動するモデルであることを特徴とする請求項１５から２３の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
25. 前記流体解析部は、粒子法を使用した数値流体力学により前記圧力を計算することを特徴とする請求項１５から２４の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
26. 前記運動計算部は、粒子法を使用して前記モデルの運動計算を行うことを特徴とする請求項１５から２５の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
27. 前記行動領域構築部、目標ルート設定部、位置設定部、環境読込部及び運動計算部は運動制御用計算機に構成し、前記流体解析部、モデル構築部、環境読込部及びモデル再構築部は流体解析用計算機又はクラスター化した計算機に構成することを特徴とする請求項１８から２６の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
28. 前記物体は水中体であることを特徴とする請求項１５から２７の何れかの請求項記載の運動解析シミュレータ。
29. 所定の時間ステップ毎に、数値流体力学により流体中の物体のモデルを構成する各要素の圧力を計算する流体解析ステップと、前記圧力より流体力を求め剛体系の運動方程式により、前記モデルの少なくとも位置及び姿勢を計算する運動解析ステップと、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
30. 前記運動解析ステップで計算した前記モデルの姿勢及び位置により前記モデルの姿勢を再構築するモデル再構築ステップを含み、前記流体解析ステップは再構築したモデルの位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項２９記載のプログラム。
31. モデルの初期位置の設定及び前記運動計算ステップで計算した前記モデルの位置及び姿勢によりモデル重心の位置の設定を行う位置設定ステップと、前記位置設定ステップで設定した位置の流体環境を読み込む環境読込ステップと、を含み、前記流体解析ステップ及び運動解析ステップは設定された前記位置及び流体環境に基づき、それぞれ前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項３０記載のプログラム。
32. 物体のモデルを構築するモデル構築ステップと、前記モデルの行動領域を作成し、当該行動領域内の流体環境を構築する行動領域構築ステップと、を含むことを特徴とする請求項３１記載のプログラム。
33. 前記行動領域構築ステップは、公開された地形データ、センサで取得した地形データ又は実地形を模擬した地形データを構築することを特徴とする請求項３２記載のプログラム。
34. 前記行動領域構築ステップは、前記行動領域を分割した分割領域毎に水中環境を構築し、前記流体解析ステップ及び運動解析ステップは、それぞれ分割領域毎に前記モデルを構成する各要素の圧力の計算及び前記モデルの位置及び姿勢の計算を行うことを特徴とする請求項３２又は３３記載のプログラム。
35. 前記物体は舵、推進力方向が可変である推進器又はマニュピレータを有し、前記物体のモデルの初期位置、到達位置及び初期位置から到達位置までのルートを設定する目標ルート設定ステップを含むことを特徴とする請求項２９から３４の何れかの請求項記載のプログラム。
36. 前記運動解析ステップは、前記モデルを一体として前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項２９から３４の何れかの請求項記載のプログラム。
37. 前記運動解析ステップは、前記モデルを複数のオブジェクトに分割して前記位置及び姿勢を計算することを特徴とする請求項２９から３４の何れかの請求項記載のプログラム。
38. 前記物体のモデルは異なる流体相間を移動するモデルであることを特徴とする請求項２９から３４の何れかの請求項記載のプログラム。
39. 前記流体解析ステップは、粒子法を使用した数値流体力学により前記圧力を計算することを特徴とする請求項２９から３８の何れかの請求項記載のプログラム。
40. 前記運動計算ステップは、粒子法を使用して前記モデルの運動計算を行うことを特徴とする請求項２９から３９の何れかの請求項記載のプログラム。

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