JP2008080888A - 非接触型剛体回転制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】球状の剛体であって、その幾何学的中心と物理的重心が一致する剛体と、剛体を、他の構成要素と非接触状態に維持するための、剛体非接触化手段と、剛体の回転軸及び回転角加速度を制御するための剛体回転制御手段とを備える、非接触型剛体回転制御装置。
【選択図】図1
Description
球状の剛体であって、その幾何学的中心と物理的重心が一致する剛体と、
前記剛体を、他の構成要素と非接触状態に維持するための、剛体非接触化手段と、
前記剛体の回転軸及び回転角加速度を制御するための剛体回転制御手段と、
を備える、非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体の少なくとも一部が、導電性の材料で構成され、
前記剛体回転制御手段及び剛体非接触化手段が、ともに、剛体を少なくとも部分的に包囲する電磁石手段で構成される、
発明1に記載の非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体非接触手段が、前記剛体を変位センサで計測し、当該計測結果に基づいて前記電磁石手段に流れる電流を制御する、発明2に記載の非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体回転制御手段が、前記電磁石手段によって、前記剛体に所定の回転磁界を与えるものである、発明3に記載の非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体の少なくとも一部が、導電性の材料で構成され、
前記剛体回転制御手段及び剛体非接触化手段が、ともに、剛体を少なくとも部分的に包囲する高電圧電極手段で構成される、
発明1に記載の非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体非接触手段が、前記剛体を変位センサで計測し、当該計測結果に基づいて前記高電圧電極手段に与えられる電圧を制御する、発明5に記載の非接触型剛体回転制御装置。
前記剛体回転制御手段が、前記高電圧電極手段によって、所定の回転電界を与えるものである、発明6に記載の非接触型剛体回転制御装置。
(発明8)
以上のいずれかの発明に記載の非接触型剛体回転制御装置を備えた構体であって、
前記剛体の
(ここで、φは、構体のxy軸平面に投射された剛体の回転軸とx軸がなす角度であり、ψは、剛体の回転軸と構体のxy軸平面に投射された剛体の回転軸がなす角度である。)
を制御することによって、
前記構体における直交座標(x,y,z)の各軸周りの、それぞれの回転角加速度
が、
(数1)
という関係式に従って制御される構体。
ここで、Isは、剛体球の慣性モーメント(球体なので任意の軸周りにIsの慣性モーメントを有する)であり、
Ix,Iy,Izは、衛星本体の慣性モーメントであり、
ψは、剛体球の姿勢角(アジマス)であり、
φは、剛体球の姿勢角(エレベーション)であり、
は、剛体球のスピンレートである。
発明1又は2に記載の非接触型剛体回転制御装置を備えた構体であって、
Bを、前記剛体回転制御手段によって前記剛球体に発生させられるスピン軸と直行方向の回転磁界の磁束密度、
δを、前記剛球体の表面部分のうち、誘導電流が流れる厚さ、
σを導電率、
rを前記剛体の半径、
Δωを前記回転磁界に対する、前記剛体の相対角速度、
としたとき、
前記構体に生じるスピン軸周り方向のトルクTが、ほぼ、
(数2)
T=−4/3πσr4ΔωB2δ
で表される、非接触型剛体回転制御装置。
球状の剛体であって、その幾何学的中心と物理的重心が一致する剛体と、
前記剛体を、他の構成要素と非接触状態に維持するための、剛体非接触化手段と、
前記剛体の並進加速度を制御するための剛体並進加速度制御手段と、
を備える、非接触型剛体運動制御装置。
前記剛体の回転軸及び回転角加速度を制御するための剛体回転制御手段を更に備える、発明10に記載の非接触型剛体運動制御装置。
また、本発明11の剛体回転制御手段、及び剛体回転制御手段によってトルクが制御される構体については、上記発明2ないし9に記載された事項により、その構成を更に限定することが可能である。
剛体球を浮上させ、回転させるので3次元的運動が可能となり、一つの機器を搭載するだけで構体(例えば人工衛星)を3次元的に制御できる。
また、本発明に係る非接触型剛体運動制御装置は、剛体球の浮上位置を積極的に制御することにより、3次元的な並進加速度を構体に生じさせることができ、一つの機器で構体(例えば人工衛星)の3次元的な並進制御(例えば制振制御)を行うことができる。なお、上述の「3次元的」とは、任意のベクトル方向を意味する。
例えば、以下の説明では、人工衛星の姿勢制御を例にとっているが、本発明はそのような用途に限定されるものではなく、例えば、飛行機やヘリコプタ、遠隔操作されるロボット等の姿勢制御等に広く応用が可能である。
以下では、電磁気的な力(静磁界)を用いた剛体球の回転方法、及び、回転機構について説明する。
回転磁界を作る際には磁石を回転させると機械部を搭載する必要があるので剛体球を電磁石で囲む。すなわち例えば、球を図1にあるように六つの電磁石(101a、101b、103a、103b、105a、105b)で囲む。このとき向かい合う電磁石は磁力線の向きが一方向になるようにする。つまり、向かい合う2つの電磁石の磁極が、電流の流す方向によって、かならず(N,S,N,S)もしくは(S,N,S,N)の順番に並ぶように配線する。このように磁力線の向きが一直線になるように配線した、二組の直交配置関係にある電磁石(例えば、101a・101bの組と103a・103bの組)に互いに位相がπ/2だけずれたAC電流を流す。これにより球の周りを磁界が回転しているようになる。
図3において、301の矢印で示されるように、浮上金属球の回転角速度ベクトルが変化すると、それに対応して、303の矢印で示されるように、反トルクによって、衛星の姿勢が変化することになる。
(1)磁界による制御の場合(図4参照)
たとえば、図2のように電磁石ABCDに互いにπ/2ずれた正弦波を与えると、これらの電磁石によって磁界が生じ、剛体球を貫く磁界は、剛体球を中心に時間とともに回転することになる(図4:S401)。導電性材料でできた剛体球は、その表面に磁界の変化により渦電流を生じる(図4:S403)。この渦電流と、回転磁界が互いに直交しているところで、ローレンツ力が発生する(図4:S405)。このローレンツ力により剛体球にかかるトルクは、ちょうど回転磁界の回転ベクトル方向と一致する(図4:S407)。そして、このトルクの反トルクによって衛星本体の姿勢が回転することになる(図4:S409)。
電界による制御の場合は、電磁石を高電圧電極に置き換える。6つの電極に、位相をずらして正弦波を与えると、回転電界が発生する。電極と剛体金属球の表面には常に異符号の電荷が発生するが、外部電界が回転することにより、電極と剛体球の間の静電引力で剛体球に回転トルクが与えられる。このトルクの向きは、回転電界の回転ベクトル方向と一致する。
回転を与えるための静電引力と、浮上を維持するための静電引力を重ね合わせたものが、実際に書く電極に必要とされる静電引力ということになる。
(1) 1つの球状3DRWの運動を制御することによって衛星の姿勢を任意に制御可能となることの説明
図3の様な3軸姿勢制御の衛星に3DRWが搭載されている人工衛星を考える。人工衛星の運動方程式は(外力トルクが作用しないとすると)
(1)
となる。ここで、Hは人工衛星の角運動量ベクトルである。今、衛星が角速度ωで回転しているとする。(なお、以下の議論において、衛星がたまたま静止していた場合には、ω=0という角速度で回転している、と考える)衛星に固定した座標系
で書き直すと
(2)
となる。衛星に固定した座標系(即ち衛星とともに運動する非慣性座標系)と慣性主軸(即ち衛星の慣性主軸方向に直交3軸をとった座標系)が一致しているとすると、
(3)
となる。ここで
は3DRWを除いた、衛星本体が元々持っている角運度量であり、
は3DRWの角運動量である。また、
は衛星本体の各軸周りの慣性モーメントである。(3)の右辺第2項の三次元ベクトルをひとつの3DRW装置で任意に変化させられるのが、3DRWの特長である。
(3)を(2)に代入して、微小成分を無視して成分ごとに書き下すと、
(4)
3DRWが任意の軸周りにある角速度
で回転しているとき各軸周りの角運動量は
(5)
となる。ただしIsは、3DRWの慣性モーメントであり、ψ,φの定義は図5の通りである。
剛体球の運動方程式は、剛体球にかかる外力トルクを(TS Tφ Tψ)として、
(7)
であるから、(7)式よりトルク(TS Tφ Tψ)を剛体球にかけることにより、ω,φ,ψを制御でき、(6)式よりそれが衛星の姿勢ωx,ωy,ωzの制御につながることがわかる。
(i) 回転磁界による方法、
(ii)回転電界による方法
を提示する。
電流は磁界と相互作用する成分だけを残し、±z方向成分を考える。電流が流れる領域の厚み(有効厚み)をδとすると、(r,φ,θ)の位置での微小体積の抵抗は
(9)
したがって、電流のz方向成分は
(10)
ここで、diは極座標系に関わらず、電流の+z方向成分であることに注意して頂きたい。
そして、トルクとして表面化するのは,z方向の電流と磁界との相互作用のみだから、
(11)
θ方向へ積分すると、
(12)
さらにφ方向へ積分して、
(13)
となる。
(14)
となる。
(13)ないし(14)が、回転磁界と回転する剛体球の間に相対角速度Δωがあった場合に、剛体球に生じるトルクを示す式である。
ここでは、上述のように回転磁界の回転軸と剛体のスピン軸が一致している場合のみ扱っているので、TはTsに一致している。また、この場合の仮定はTφ=Tψ=0である。
そして、トルク(TS Tφ Tψ)は、式(13)又は(14)により、Δω(剛体球の回転角速度)及びB(剛体球を貫く磁束密度)によって定まる。
なお、回転電界の場合も、上述の回転磁界の場合に類似するような定量的説明が可能であることは、当業者であれば容易に理解できる。
例えば、上記発明では、剛体非接触化手段と剛体回転制御手段を、電磁石手段によるもの、又は、高電圧電極手段によるもの、のいずれかの例を用いて説明したが、これ以外に、剛体非接触化手段と剛体回転制御手段として、剛体と、それを包囲する構造物の間に流体を流し、当該流体の速度・流れ方向を制御することによるものを用いることも可能である。
即ち、上述の本発明の実施例は、例として説明したものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
特許請求の範囲に記載される本発明の思想を逸脱することなく、種々の代替、変形、及び変更が可能である。
107 剛体球
109、111、113 差動増幅器
115、117、119 信号発生器
121、123、125 信号波形
201、203、205、207 電磁石
209 各電磁石に与える電流波形
301 浮上金属球の回転角速度ベクトルの変化
303 反トルクによる衛星の姿勢変化
Claims (11)
- 球状の剛体であって、その幾何学的中心と物理的重心が一致する剛体と、
前記剛体を、他の構成要素と非接触状態に維持するための、剛体非接触化手段と、
前記剛体の回転軸及び回転角加速度を制御するための剛体回転制御手段と、
を備える、非接触型剛体回転制御装置。 - 前記剛体の少なくとも一部が、導電性の材料で構成され、
前記剛体回転制御手段及び剛体非接触化手段が、ともに、剛体を少なくとも部分的に包囲する電磁石手段で構成される、
請求項1に記載の非接触型剛体回転制御装置。 - 前記剛体非接触手段が、前記剛体を変位センサで計測し、当該計測結果に基づいて前記電磁石手段に流れる電流を制御する、請求項2に記載の非接触型剛体回転制御装置。
- 前記剛体回転制御手段が、前記電磁石手段によって、前記剛体に所定の回転磁界を与えるものである、請求項3に記載の非接触型剛体回転制御装置。
- 前記剛体の少なくとも一部が、導電性の材料で構成され、
前記剛体回転制御手段及び剛体非接触化手段が、ともに、剛体を少なくとも部分的に包囲する高電圧電極手段で構成される、
請求項1に記載の非接触型剛体回転制御装置。 - 前記剛体非接触手段が、前記剛体を変位センサで計測し、当該計測結果に基づいて前記高電圧電極手段に与えられる電圧を制御する、請求項5に記載の非接触型剛体回転制御装置。
- 前記剛体回転制御手段が、前記高電圧電極手段によって、所定の回転電界を与えるものである、請求項6に記載の非接触型剛体回転制御装置。
- 以上のいずれかの請求項に記載の非接触型剛体回転制御装置を備えた構体であって、
前記剛体の
(ここで、φは、構体のxy軸平面に投射された剛体の回転軸とx軸がなす角度であり、ψは、剛体の回転軸と構体のxy軸平面に投射された剛体の回転軸がなす角度である。)
を制御することによって、
前記構体における直交座標(x,y,z)の各軸周りの、それぞれの回転角加速度
が、
ここで、Isは、剛体球の慣性モーメント(球体なので任意の軸周りにIsの慣性モーメントを有する)であり、
Ix,Iy,Izは、衛星本体の慣性モーメントであり、
ψは、剛体球の姿勢角(アジマス)であり、
φは、剛体球の姿勢角(エレベーション)であり、
は、剛体球のスピンレートである。 - 請求項1又は2に記載の非接触型剛体回転制御装置を備えた構体であって、
Bを、前記剛体回転制御手段によって前記剛球体に発生させられるスピン軸と直行方向の回転磁界の磁束密度、
δを、前記剛球体の表面部分のうち、誘導電流が流れる厚さ、
σを導電率、
rを前記剛体の半径、
Δωを前記回転磁界に対する、前記剛体の相対角速度、
としたとき、
前記構体に生じるスピン軸周り方向のトルクTが、ほぼ、
(数2)
T=−4/3πσr4ΔωB2δ
で表される、非接触型剛体回転制御装置。 - 球状の剛体であって、その幾何学的中心と物理的重心が一致する剛体と、
前記剛体を、他の構成要素と非接触状態に維持するための、剛体非接触化手段と、
前記剛体の並進加速度を制御するための剛体並進加速度制御手段と、
を備える、非接触型剛体運動制御装置。 - 前記剛体の回転軸及び回転角加速度を制御するための剛体回転制御手段を更に備える、請求項10に記載の非接触型剛体運動制御装置。
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