JP2018027761A - Attitude control device, space craft, attitude control method and attitude control program - Google Patents

Attitude control device, space craft, attitude control method and attitude control program Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control attitudes simultaneously in three axes using a small number of control moment gyros.SOLUTION: Two control moment gyros 13 of an attitude control device 10 individually have a wheel 31 and a gimbals 32. A gyro calculation unit 24 of the attitude control device 10 calculates a command value for each of the control moment gyros 13 as for an angular speed of the gimbals from a set value of a torque in a three-axes direction for controlling the attitude. The gyro calculation unit 24 calculates a common change amount for an angular momentum of a wheel from a set value of a torque in a three-axes direction for controlling the attitude, then weighs the calculated common change amount with a coefficient for each of the control moment gyros 13, and calculates a command value for each of the control moment gyros 13.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、姿勢制御装置、宇宙機、姿勢制御方法および姿勢制御プログラムに関するものである。   The present invention relates to an attitude control device, a spacecraft, an attitude control method, and an attitude control program.

特許文献1には、2台のCMGを用いて人工衛星の3軸姿勢制御を行う姿勢制御装置が開示されている。「CMG」は、コントロールモーメントジャイロの略語である。   Patent Document 1 discloses an attitude control device that performs three-axis attitude control of an artificial satellite using two CMGs. “CMG” is an abbreviation for control moment gyro.

非特許文献1には、VSCMGを用いた人工衛星の3軸姿勢制御方法が開示されている。「VSCMG」は、Variable Speed CMGの略語である。   Non-Patent Document 1 discloses a three-axis attitude control method for an artificial satellite using VSCMG. “VSCMMG” is an abbreviation for Variable Speed CMG.

特開2009−173069号公報JP 2009-173069 A

Hanspeter Schaub, Srinivas R. Vadali and John L. Junkins, “Feedback Control Law for Variable Speed Control Moment Gyros”, Journal of the Astronautical Sciences, Vol. 46, No. 3, July−Sept., 1998, Pages 307−328Hansetter Schaub, Srinivas R. Vadali and John L. Junkins, “Feedback Control Law for Variable Speed Control Moments Gyros”, Journal of the Agricultural Sciences, Vol. 46, no. 3, July-Sept. , 1998, Pages 307-328.

CMGを用いた人工衛星の姿勢制御において、一般的にCMGのホイールは角運動量の蓄積のみを行い、ジンバル軸の回転角度を制御することでホイール角運動量方向を変化させた際に発生するジャイロトルクを利用している。このような使い方をした場合、CMGの制御自由度は1台につき1であり、人工衛星の3軸姿勢制御を実現するためには3台以上の構成にすることが必要になる。さらに、冗長系を考慮すると、4台以上のCMG構成にすることが望ましいとされているため、CMG搭載台数の増加が人工衛星の小型化や軽量化の実現を妨げている。   In the attitude control of satellites using CMG, the CMG wheel generally only accumulates angular momentum, and the gyro torque generated when the wheel angular momentum direction is changed by controlling the rotation angle of the gimbal shaft. Is used. When used in this way, the degree of freedom of control of the CMG is one, and in order to realize the three-axis attitude control of the artificial satellite, it is necessary to configure three or more units. Furthermore, considering the redundant system, it is desirable to have a configuration of four or more CMGs. Therefore, the increase in the number of installed CMGs prevents the miniaturization and weight reduction of the satellite.

特許文献1に開示されているシステムでは、CMGのホイールを一定回転させ、ジンバル軸の回転角度を制御することで出力されるトルクのみを利用している。このように、特許文献1の姿勢制御装置では、ジンバル軸の回転によって出力トルク方向が変化することを利用して姿勢制御をしているが、2台のCMGが瞬間的に出力できるトルク方向は平面上に固定されるため、人工衛星の3軸姿勢を同時に制御することができない。   In the system disclosed in Patent Document 1, only the torque output by controlling the rotation angle of the gimbal shaft by rotating the CMG wheel at a constant speed is used. As described above, in the attitude control device of Patent Document 1, attitude control is performed using the fact that the output torque direction changes due to the rotation of the gimbal shaft, but the torque direction that two CMGs can output instantaneously is Since it is fixed on a plane, the three-axis attitude of the artificial satellite cannot be controlled simultaneously.

非特許文献1に開示されている方法では、ジンバル軸の回転角度を制御することで出力されるトルクに加えて、ホイールの角運動量を変化させることで発生するトルクも利用することで、人工衛星の3軸姿勢制御トルクを出力している。非特許文献1のようなVSCMGでは、ホイール角運動量を変化させるとトルクが出力されるため、ジンバル軸の回転角度とホイール角運動量が制御可能であり、CMGの制御自由度が1台につき2になる。したがって、CMG2台で制御自由度が2×2=4になり、人工衛星の3軸姿勢制御が可能になる。制御自由度4に対して制御軸が3つであることから、1自由度が冗長であるため、そのままでは3軸姿勢制御トルクが2台のCMGに対して一意に分配されず、適切な制御が行われない可能性がある。また、ジンバル軸の回転角度とホイール角運動量との両方を制御するための演算処理が高負荷となり、処理時間が長くなる可能性がある。処理時間が長くなると、CMGへの指令コマンドを適切なタイミングで出力できなくなり、姿勢制御系の応答性や安定性が劣化する。   In the method disclosed in Non-Patent Document 1, in addition to the torque output by controlling the rotation angle of the gimbal shaft, the torque generated by changing the angular momentum of the wheel is also used, and thereby the artificial satellite is used. The three-axis attitude control torque is output. In VSCMG as in Non-Patent Document 1, torque is output when the wheel angular momentum is changed. Therefore, the rotational angle of the gimbal shaft and the wheel angular momentum can be controlled, and the control freedom of CMG is 2 per unit. Become. Therefore, the degree of freedom of control becomes 2 × 2 = 4 with two CMGs, and the three-axis attitude control of the artificial satellite becomes possible. Since there are three control axes for four degrees of freedom of control, one degree of freedom is redundant, so the three-axis attitude control torque is not uniquely distributed to the two CMGs as it is, and appropriate control is performed. May not be done. In addition, the calculation processing for controlling both the rotation angle of the gimbal shaft and the wheel angular momentum becomes a heavy load, and the processing time may be increased. When the processing time becomes long, it becomes impossible to output a command command to the CMG at an appropriate timing, and the responsiveness and stability of the attitude control system deteriorate.

本発明は、少ない台数のコントロールモーメントジャイロを用いて、3軸同時の姿勢制御を軽負荷処理で行うことを目的とする。   An object of the present invention is to perform three-axis simultaneous attitude control by light load processing using a small number of control moment gyros.

本発明の一態様に係る姿勢制御装置は、
回転するホイールと、前記ホイールを保持しながら、前記ホイールの回転軸とは方向の異なる回転軸を中心に回転するジンバルとを個別に有する少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロと、
姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、前記ジンバルの角速度については、コントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算し、前記ホイールの角運動量については、共通の変化量を演算した後、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算するジャイロ演算部とを備える。
An attitude control device according to one aspect of the present invention includes:
At least two control moment gyros individually having a rotating wheel and a gimbal that rotates around a rotation axis that is different in direction from the rotation axis of the wheel while holding the wheel;
From the set values of torque in the three-axis directions for attitude control, the command value for each control moment gyro is calculated for the angular velocity of the gimbal, and the common change amount is calculated for the angular momentum of the wheel. And a gyro operation unit that calculates a command value for each control moment gyro by weighting the calculated common change amount with a coefficient for each control moment gyro.

本発明では、姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、ジンバルの角速度については、コントロールモーメントジャイロごとの指令値が演算され、ホイールの角運動量については、共通の変化量が演算された後、その共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロごとの指令値が演算される。このため、少ない台数のコントロールモーメントジャイロを用いて、3軸同時の姿勢制御を軽負荷処理で行うことができる。   In the present invention, the command value for each control moment gyro is calculated for the angular velocity of the gimbal from the set value of the torque in the three-axis directions for posture control, and the common amount of change is calculated for the angular momentum of the wheel. After that, the common change amount is weighted by a coefficient for each control moment gyro to calculate a command value for each control moment gyro. For this reason, it is possible to perform the attitude control at the same time for the three axes by light load processing using a small number of control moment gyros.

実施の形態1に係る姿勢制御装置の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the attitude control device according to the first embodiment. 実施の形態1に係るコントロールモーメントジャイロの構成を示す図。FIG. 3 shows a configuration of a control moment gyro according to the first embodiment. 実施の形態1に係る2台のコントロールモーメントジャイロの配置例を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement example of two control moment gyros according to the first embodiment. 実施の形態1に係る2台のコントロールモーメントジャイロの配置例を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement example of two control moment gyros according to the first embodiment. 実施の形態1に係る姿勢制御装置の動作を示すフローチャート。5 is a flowchart showing the operation of the attitude control device according to the first embodiment. 実施の形態1の変形例に係る姿勢制御装置の構成を示すブロック図。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an attitude control device according to a modification of the first embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には、同一符号を付している。実施の形態の説明において、同一または相当する部分については、説明を適宜省略または簡略化する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same or it corresponds in each figure. In the description of the embodiments, the description of the same or corresponding parts will be omitted or simplified as appropriate.

実施の形態1.
本実施の形態について、図1から図5を用いて説明する。
Embodiment 1 FIG.
This embodiment will be described with reference to FIGS.

***構成の説明***
図1を参照して、本実施の形態に係る姿勢制御装置10の構成を説明する。
*** Explanation of configuration ***
With reference to FIG. 1, the structure of the attitude | position control apparatus 10 which concerns on this Embodiment is demonstrated.

姿勢制御装置10は、宇宙機40に搭載され、宇宙機40の姿勢を制御する装置である。宇宙機40は、本実施の形態では人工衛星であるが、宇宙ステーション等、他の種類の宇宙機であってもよい。   The attitude control device 10 is a device that is mounted on the spacecraft 40 and controls the attitude of the spacecraft 40. The spacecraft 40 is an artificial satellite in the present embodiment, but may be another type of spacecraft such as a space station.

本実施の形態において、姿勢制御装置10は、コンピュータである。姿勢制御装置10は、プロセッサ11を備えるとともに、メモリ12、コントロールモーメントジャイロ13といった他のハードウェアを備える。プロセッサ11は、信号線を介して他のハードウェアと接続され、これら他のハードウェアを制御する。   In the present embodiment, posture control apparatus 10 is a computer. The attitude control device 10 includes a processor 11 and other hardware such as a memory 12 and a control moment gyro 13. The processor 11 is connected to other hardware via a signal line, and controls these other hardware.

姿勢制御装置10は、機能要素として、姿勢推定部21と、姿勢演算部22と、トルク演算部23と、ジャイロ演算部24とを備える。姿勢推定部21、姿勢演算部22、トルク演算部23、ジャイロ演算部24といった「部」の機能は、ソフトウェアにより実現される。   The attitude control device 10 includes an attitude estimation unit 21, an attitude calculation unit 22, a torque calculation unit 23, and a gyro calculation unit 24 as functional elements. Functions of “units” such as the posture estimating unit 21, the posture calculating unit 22, the torque calculating unit 23, and the gyro calculating unit 24 are realized by software.

プロセッサ11は、プロセッシングを行うICである。「IC」は、Integrated Circuitの略語である。プロセッサ11は、具体的には、CPUである。「CPU」は、Central Processing Unitの略語である。   The processor 11 is an IC that performs processing. “IC” is an abbreviation for Integrated Circuit. Specifically, the processor 11 is a CPU. “CPU” is an abbreviation for Central Processing Unit.

メモリ12は、具体的には、フラッシュメモリまたはRAMである。「RAM」は、Random Access Memoryの略語である。   Specifically, the memory 12 is a flash memory or a RAM. “RAM” is an abbreviation for Random Access Memory.

コントロールモーメントジャイロ13については後述する。   The control moment gyro 13 will be described later.

姿勢制御装置10は、ハードウェアとして、通信装置を備えていてもよい。   The attitude control device 10 may include a communication device as hardware.

通信装置は、データを受信するレシーバおよびデータを送信するトランスミッタを含む。通信装置は、具体的には、通信チップまたはNICである。「NIC」は、Network Interface Cardの略語である。   The communication device includes a receiver that receives data and a transmitter that transmits data. Specifically, the communication device is a communication chip or a NIC. “NIC” is an abbreviation for Network Interface Card.

メモリ12には、「部」の機能を実現するプログラムが記憶されている。このプログラムは、プロセッサ11に読み込まれ、プロセッサ11によって実行される。メモリ12には、OSも記憶されている。「OS」は、Operating Systemの略語である。プロセッサ11は、OSを実行しながら、「部」の機能を実現するプログラムを実行する。なお、「部」の機能を実現するプログラムの一部または全部がOSに組み込まれていてもよい。   The memory 12 stores a program for realizing the function of “unit”. This program is read into the processor 11 and executed by the processor 11. The memory 12 also stores an OS. “OS” is an abbreviation for Operating System. The processor 11 executes a program that realizes the function of “unit” while executing the OS. A part or all of the program for realizing the function of “unit” may be incorporated in the OS.

「部」の機能を実現するプログラムおよびOSは、補助記憶装置に記憶されていてもよい。補助記憶装置は、具体的には、フラッシュメモリまたはHDDである。「HDD」は、Hard Disk Driveの略語である。補助記憶装置に記憶されているプログラムおよびOSは、メモリ12にロードされ、プロセッサ11によって実行される。   The program and OS that realize the function of “unit” may be stored in the auxiliary storage device. Specifically, the auxiliary storage device is a flash memory or an HDD. “HDD” is an abbreviation for Hard Disk Drive. The program and OS stored in the auxiliary storage device are loaded into the memory 12 and executed by the processor 11.

姿勢制御装置10は、プロセッサ11を代替する複数のプロセッサを備えていてもよい。これら複数のプロセッサは、「部」の機能を実現するプログラムの実行を分担する。それぞれのプロセッサは、プロセッサ11と同じように、プロセッシングを行うICである。   The attitude control device 10 may include a plurality of processors that replace the processor 11. The plurality of processors share the execution of a program that realizes the function of “unit”. Each processor is an IC that performs processing in the same manner as the processor 11.

「部」の処理の結果を示す情報、データ、信号値、および、変数値は、メモリ12、補助記憶装置、または、プロセッサ11内のレジスタまたはキャッシュメモリに記憶される。   Information, data, signal values, and variable values indicating the result of the processing of “part” are stored in the memory 12, the auxiliary storage device, or a register or cache memory in the processor 11.

「部」の機能を実現するプログラムは、磁気ディスク、光ディスクといった可搬記録媒体に記憶されてもよい。   A program for realizing the function of “unit” may be stored in a portable recording medium such as a magnetic disk or an optical disk.

姿勢制御装置10は、本実施の形態では2台のコントロールモーメントジャイロ13を備えるが、コントロールモーメントジャイロ13の台数は、2台に限らず、3台以上でもよい。すなわち、姿勢制御装置10は、少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロ13を備えていればよい。   The attitude control device 10 includes two control moment gyros 13 in the present embodiment, but the number of control moment gyros 13 is not limited to two and may be three or more. That is, the attitude control device 10 only needs to include at least two control moment gyros 13.

図2を参照して、それぞれのコントロールモーメントジャイロ13の構成を説明する。   The configuration of each control moment gyro 13 will be described with reference to FIG.

コントロールモーメントジャイロ13は、ホイール31と、ジンバル32とを個別に有する。   The control moment gyro 13 has a wheel 31 and a gimbal 32 individually.

ホイール31は、ホイール回転軸33を中心に回転する。ホイール31は、ロータとも呼ばれる。   The wheel 31 rotates around the wheel rotation shaft 33. The wheel 31 is also called a rotor.

ジンバル32は、ホイール31を保持しながら、ジンバル回転軸34を中心に回転する。ジンバル回転軸34は、ホイール31の回転軸であるホイール回転軸33とは方向の異なる回転軸である。ジンバル32は、宇宙機40である人工衛星の構造体に固定されたフレーム35と、フレーム35に対してジンバル回転軸34周りに回転するシャフト36と、シャフト36を駆動する、図示していないモータとを有する。シャフト36は、フレーム35の内側でホイール31と接続されている。   The gimbal 32 rotates around the gimbal rotation shaft 34 while holding the wheel 31. The gimbal rotating shaft 34 is a rotating shaft having a direction different from that of the wheel rotating shaft 33 that is the rotating shaft of the wheel 31. The gimbal 32 includes a frame 35 fixed to the structure of an artificial satellite that is a spacecraft 40, a shaft 36 that rotates around the gimbal rotation axis 34 with respect to the frame 35, and a motor (not shown) that drives the shaft 36. And have. The shaft 36 is connected to the wheel 31 inside the frame 35.

コントロールモーメントジャイロ13は、ホイール回転軸33周りに回転しているホイール31を、人工衛星の構造体に固定されたフレーム35に対して、ジンバル回転軸34周りに回転させることによってトルクを出力する。また、コントロールモーメントジャイロ13は、ホイール31の回転角速度を変化させることでホイール回転軸33の方向にトルクを出力する。   The control moment gyro 13 outputs torque by rotating the wheel 31 rotating around the wheel rotation axis 33 around the gimbal rotation axis 34 with respect to the frame 35 fixed to the structure of the artificial satellite. Further, the control moment gyro 13 outputs torque in the direction of the wheel rotation shaft 33 by changing the rotation angular velocity of the wheel 31.

図示していないが、コントロールモーメントジャイロ13は、角度検出器を有し、角度検出器を用いて、フレーム35に対するシャフト36の回転角度であるジンバル角の測定値を出力する。また、コントロールモーメントジャイロ13は、角速度検出器を有し、角速度検出器を用いて、ホイール回転軸33周りのホイール31の回転角速度の測定値から得られるホイール角運動量の測定値を出力する。ただし、ホイール角運動量の測定値は、後述するジャイロ演算部24で計算されるホイール角運動量の指令値で代替することができるため、角速度検出器は必須ではない。   Although not shown, the control moment gyro 13 includes an angle detector, and outputs a measurement value of a gimbal angle that is a rotation angle of the shaft 36 with respect to the frame 35 using the angle detector. Further, the control moment gyro 13 has an angular velocity detector, and outputs a measured value of the wheel angular momentum obtained from the measured value of the rotational angular velocity of the wheel 31 around the wheel rotation axis 33 using the angular velocity detector. However, since the measured value of the wheel angular momentum can be replaced by the command value of the wheel angular momentum calculated by the gyro calculating unit 24 described later, the angular velocity detector is not essential.

図3および図4を参照して、本実施の形態に適用される、2台のコントロールモーメントジャイロ13の配置例を説明する。ここでは、一方のコントロールモーメントジャイロ13をCMG#1、他方のコントロールモーメントジャイロ13をCMG#2と称する。   With reference to FIG. 3 and FIG. 4, the example of arrangement | positioning of the two control moment gyros 13 applied to this Embodiment is demonstrated. Here, one control moment gyro 13 is referred to as CMG # 1, and the other control moment gyro 13 is referred to as CMG # 2.

この例において、CMG#1とCMG#2はそれぞれ、ジンバル回転軸34とホイール回転軸33が互いに直交している。CMG#1のジンバル角が0°のときにCMG#1のホイール回転軸33の方向が宇宙機40の+X軸方向に一致する。CMG#2のジンバル角が0°のときにCMG#2のホイール回転軸33の方向が宇宙機40の−X軸方向に一致する。CMG#1のジンバル回転軸34の方向は、宇宙機40の+Y軸を宇宙機40の+X軸周りにαだけ回転させた方向に一致する。CMG#2のジンバル回転軸34の方向は、宇宙機40の+Y軸を宇宙機40の+X軸周りにαだけ回転させた方向に一致する。 In this example, CMG # 1 and CMG # 2 have the gimbal rotation shaft 34 and the wheel rotation shaft 33 orthogonal to each other. When the gimbal angle of CMG # 1 is 0 °, the direction of the wheel rotation axis 33 of CMG # 1 coincides with the + X-axis direction of the spacecraft 40. When the gimbal angle of CMG # 2 is 0 °, the direction of the wheel rotation axis 33 of CMG # 2 coincides with the −X axis direction of the spacecraft 40. CMG direction # 1 of gimbal pivot axis 34 coincides with the + Y-axis of the spacecraft 40 in a direction rotated by alpha 1 about the + X-axis of the spacecraft 40. CMG direction # 2 of gimbal pivot axis 34 coincides with the + Y-axis of the spacecraft 40 in a direction rotated by alpha 2 around the + X-axis of the spacecraft 40.

***動作の説明***
図5を参照して、本実施の形態に係る姿勢制御装置10の動作を説明する。姿勢制御装置10の動作は、本実施の形態に係る姿勢制御方法に相当する。姿勢制御装置10の動作は、本実施の形態に係る姿勢制御プログラムの処理手順に相当する。
*** Explanation of operation ***
With reference to FIG. 5, the operation of the attitude control apparatus 10 according to the present embodiment will be described. The operation of the attitude control device 10 corresponds to the attitude control method according to the present embodiment. The operation of the attitude control device 10 corresponds to the processing procedure of the attitude control program according to the present embodiment.

ステップS1において、姿勢推定部21は、宇宙機40の姿勢を推定する。   In step S <b> 1, the posture estimation unit 21 estimates the posture of the spacecraft 40.

具体的には、姿勢推定部21は、宇宙機40に搭載された姿勢クオタニオン検出センサ、角速度検出ジャイロといったセンサのデータから、宇宙機40の姿勢角および姿勢角速度の推定値を計算する。そして、姿勢推定部21は、計算した推定値をプロセッサ11のレジスタまたはメモリ12に出力する。   Specifically, the attitude estimation unit 21 calculates estimated values of the attitude angle and attitude angular velocity of the spacecraft 40 from data of sensors such as an attitude quaternion detection sensor and an angular velocity detection gyro mounted on the spacecraft 40. Then, the posture estimation unit 21 outputs the calculated estimated value to the register or the memory 12 of the processor 11.

ステップS2において、姿勢演算部22は、宇宙機40の目標の姿勢を演算する。   In step S <b> 2, the attitude calculation unit 22 calculates the target attitude of the spacecraft 40.

具体的には、姿勢演算部22は、予め設定されているか、または、外部から指令された目的地に合わせて、宇宙機40の姿勢角および姿勢角速度の目標値とフィードフォワードトルクの設定値とを計算する。そして、姿勢演算部22は、計算した目標値および設定値をプロセッサ11のレジスタまたはメモリ12に出力する。   Specifically, the attitude calculation unit 22 is set in advance, or in accordance with a destination commanded from outside, a target value of the attitude angle and attitude angular velocity of the spacecraft 40 and a set value of the feedforward torque Calculate Then, the posture calculation unit 22 outputs the calculated target value and set value to the register or the memory 12 of the processor 11.

ステップS3において、トルク演算部23は、姿勢推定部21により推定された姿勢と目標の姿勢との差異から、宇宙機40の姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値を演算する。   In step S <b> 3, the torque calculation unit 23 calculates a set value of torque in the three-axis directions for attitude control of the spacecraft 40 from the difference between the attitude estimated by the attitude estimation unit 21 and the target attitude.

具体的には、トルク演算部23は、ステップS1で出力された姿勢角および姿勢角速度の推定値を、ステップS2で出力された姿勢角および姿勢角速度の目標値からそれぞれ引いて、姿勢角および姿勢角速度の誤差を求める。トルク演算部23は、求めた誤差と、ステップS2で出力されたフィードフォワードトルクの設定値とから、宇宙機40の姿勢制御に必要な姿勢制御トルクの設定値を計算する。そして、トルク演算部23は、計算した設定値をプロセッサ11のレジスタまたはメモリ12に出力する。   Specifically, the torque calculator 23 subtracts the estimated values of the posture angle and posture angular velocity output in step S1 from the target values of the posture angle and posture angular velocity output in step S2, respectively, to obtain the posture angle and posture angle. Find the angular velocity error. The torque calculation unit 23 calculates a set value of the attitude control torque necessary for the attitude control of the spacecraft 40 from the obtained error and the set value of the feedforward torque output in step S2. Then, the torque calculator 23 outputs the calculated set value to the register of the processor 11 or the memory 12.

ステップS4において、ジャイロ演算部24は、姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、ジンバル32の角速度については、コントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値を演算する。また、ジャイロ演算部24は、姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、ホイール31の角運動量については、共通の変化量を演算した後、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロ13ごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値を演算する。本実施の形態では、このとき、ジャイロ演算部24は、ホイール31の角運動量について、共通の基準値と、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロ13ごとの係数で重み付けした値との合計を、コントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値として演算する。   In step S <b> 4, the gyro calculating unit 24 calculates a command value for each control moment gyro 13 for the angular velocity of the gimbal 32 from the set value of the torque in the three axial directions for posture control. Further, the gyro calculating unit 24 calculates a common change amount for the angular momentum of the wheel 31 from the set values of torques in the three axial directions for posture control, and then calculates the calculated common change amount as a control moment gyro. A command value for each control moment gyro 13 is calculated by weighting with a coefficient for each 13. In the present embodiment, at this time, the gyro operation unit 24 calculates the sum of the common reference value and the value obtained by weighting the calculated common change amount by the coefficient for each control moment gyro 13 for the angular momentum of the wheel 31. The control moment gyro 13 is calculated as a command value.

具体的には、ジャイロ演算部24は、後述する計算方法により、ステップS3で出力された設定値と、CMG#1およびCMG#2から得られるジンバル角の測定値とに基づいて、CMG#1のジンバル角速度の指令値と、CMG#2のジンバル角速度の指令値と、CMG#1のホイールトルクの指令値と、CMG#2のホイールトルクの指令値とを計算する。そして、ジャイロ演算部24は、計算した指令値をプロセッサ11のレジスタまたはメモリ12に出力する。   Specifically, the gyro operation unit 24 calculates CMG # 1 based on the setting value output in step S3 and the measured value of the gimbal angle obtained from CMG # 1 and CMG # 2 by a calculation method described later. The command value of the gimbal angular velocity, the command value of the gimbal angular velocity of CMG # 2, the command value of the wheel torque of CMG # 1, and the command value of the wheel torque of CMG # 2. Then, the gyro operation unit 24 outputs the calculated command value to the register of the processor 11 or the memory 12.

なお、ジャイロ演算部24は、ホイールトルクの指令値に代えて、ホイールトルクの指令値を積分することによって得られるホイール角運動量の指令値を計算してもよい。本実施の形態では、ホイールトルクの指令値を計算することも、ホイール角運動量の指令値することも、ホイール31の角運動量についてコントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値を演算することに相当する。   The gyro operation unit 24 may calculate a command value of wheel angular momentum obtained by integrating the command value of wheel torque instead of the command value of wheel torque. In the present embodiment, calculating the command value of the wheel torque, or calculating the command value of the wheel angular momentum corresponds to calculating the command value for each control moment gyro 13 with respect to the angular momentum of the wheel 31.

また、前述したように、ホイール角運動量の測定値は、ホイール角運動量の指令値で代替することができるため、ジャイロ演算部24は、本実施の形態では、ホイール角運動量の指令値を用いてジンバル角速度の指令値を計算するが、ホイール角運動量の測定値を用いてジンバル角速度の指令値を計算してもよい。すなわち、ジャイロ演算部24は、ステップS3で出力された設定値と、CMG#1およびCMG#2から得られるジンバル角の測定値と、CMG#1およびCMG#2から得られるホイール角運動量の測定値とに基づいて、CMG#1のジンバル角速度の指令値と、CMG#2のジンバル角速度の指令値と、CMG#1のホイールトルクの指令値と、CMG#2のホイールトルクの指令値とを計算してもよい。   Further, as described above, since the measured value of the wheel angular momentum can be replaced by the command value of the wheel angular momentum, the gyro calculating unit 24 uses the command value of the wheel angular momentum in the present embodiment. Although the command value of the gimbal angular velocity is calculated, the command value of the gimbal angular velocity may be calculated using the measured value of the wheel angular momentum. That is, the gyro operation unit 24 measures the setting value output in step S3, the measured value of the gimbal angle obtained from CMG # 1 and CMG # 2, and the measurement of the wheel angular momentum obtained from CMG # 1 and CMG # 2. CMG # 1 gimbal angular velocity command value, CMG # 2 gimbal angular velocity command value, CMG # 1 wheel torque command value, and CMG # 2 wheel torque command value. You may calculate.

ステップS5において、ジャイロ演算部24は、ジンバル32の角速度とホイール31の角運動量とについて演算したコントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値に応じて、それぞれのコントロールモーメントジャイロ13のホイール31およびジンバル32を回転させる。それぞれのコントロールモーメントジャイロ13は、ホイール31およびジンバル32の回転によって、姿勢制御のための3軸方向のトルクを宇宙機40に出力する。   In step S5, the gyro calculating unit 24 rotates the wheel 31 and the gimbal 32 of each control moment gyro 13 according to the command value for each control moment gyro 13 calculated with respect to the angular velocity of the gimbal 32 and the angular momentum of the wheel 31. Let Each control moment gyro 13 outputs torque in the three-axis directions for attitude control to the spacecraft 40 by the rotation of the wheel 31 and the gimbal 32.

具体的には、ジャイロ演算部24は、ステップS4で出力したCMG#1のジンバル角速度の指令値と、CMG#1のホイールトルクの指令値とを、CMG#1に送信する。CMG#1は、送信された指令値を受信し、受信した指令値に応じて、CMG#1のホイール31およびジンバル32を回転させる。同様に、ジャイロ演算部24は、ステップS4で出力したCMG#2のジンバル角速度の指令値と、CMG#2のホイールトルクの指令値とを、CMG#2に送信する。CMG#2は、送信された指令値を受信し、受信した指令値に応じて、CMG#2のホイール31およびジンバル32を回転させる。   Specifically, the gyro calculating unit 24 transmits the CMG # 1 gimbal angular velocity command value and the CMG # 1 wheel torque command value output in step S4 to the CMG # 1. CMG # 1 receives the transmitted command value, and rotates wheel 31 and gimbal 32 of CMG # 1 according to the received command value. Similarly, the gyro operation unit 24 transmits the command value for the CMG # 2 gimbal angular velocity and the command value for the wheel torque of CMG # 2 output in step S4 to the CMG # 2. CMG # 2 receives the transmitted command value, and rotates wheel 31 and gimbal 32 of CMG # 2 in accordance with the received command value.

以下では、ステップS4の具体的な計算方法を説明する。   Below, the specific calculation method of step S4 is demonstrated.

CMG#1およびCMG#2によって出力される3軸姿勢制御トルクは、CMG#1のジンバル角速度と、CMG#2のジンバル角速度と、CMG#1のホイール角運動量の時間変化率と、CMG#2のホイール角運動量の時間変化率とを用いて式1のように表される。なお、「ホイール角運動量の時間変化率」は、ホイールトルクと同義である。

Figure 2018027761
The triaxial attitude control torque output by CMG # 1 and CMG # 2 includes the CMG # 1 gimbal angular velocity, the CMG # 2 gimbal angular velocity, the time change rate of the CMG # 1 wheel angular momentum, and the CMG # 2. And the time rate of change of the wheel angular momentum of The “time rate of change of wheel angular momentum” is synonymous with wheel torque.
Figure 2018027761

ここで、Aはコントロールモーメントジャイロ13の配置によって決まる3×4の行列であり、各コントロールモーメントジャイロ13のジンバル角度とホイール角運動量の関数になる。3軸姿勢制御トルクからコントロールモーメントジャイロ13への指令値を計算するためには、Aの逆行列を計算する必要がある。3×4の行列のような正則でない行列の逆行列は存在しないため、式2のような擬似逆行列を用いることで、コントロールモーメントジャイロ13への指令値を計算することができる。

Figure 2018027761
Here, A is a 3 × 4 matrix determined by the arrangement of the control moment gyros 13 and is a function of the gimbal angle and the wheel angular momentum of each control moment gyro 13. In order to calculate a command value to the control moment gyro 13 from the three-axis attitude control torque, it is necessary to calculate an inverse matrix of A. Since there is no inverse matrix of a non-regular matrix such as a 3 × 4 matrix, a command value to the control moment gyro 13 can be calculated by using a pseudo inverse matrix such as Equation 2.
Figure 2018027761

しかし、FPGAや組み込みソフトウェアのような、演算処理能力が制限された計算機では擬似逆行列の計算は高負荷となり、処理時間が長くなる。「FPGA」は、Field−Programmable Gate Arrayの略語である。処理時間が長くなると、コントロールモーメントジャイロ13への指令値を適切なタイミングで出力できなくなり、姿勢制御系の応答性や安定性が劣化する。そこで、本実施の形態では、各コントロールモーメントジャイロ13のホイール角運動量に一定の関係式を設けることで、3軸姿勢制御トルクを2台のコントロールモーメントジャイロ13に対して分配する。具体的には、ホイール角運動量の基準値をh、ホイール角運動量の共通変化量をΔhとし、CMG#1のホイール角運動量をh=h+kΔh、CMG#2のホイール角運動量をh=h+kΔhとする。hは固定値である。このとき、係数パラメータkおよびkに互いに異なる任意の値を与えることでCMG#1とCMG#2のホイール角運動量に関係式を与えることができる。この関係式を与えることで、宇宙機40の3軸姿勢制御トルクを式3で表すことができる。

Figure 2018027761
However, in a computer such as an FPGA or embedded software with a limited processing capacity, the calculation of the pseudo inverse matrix becomes a heavy load and the processing time becomes long. “FPGA” is an abbreviation for Field-Programmable Gate Array. If the processing time becomes long, the command value to the control moment gyro 13 cannot be output at an appropriate timing, and the responsiveness and stability of the attitude control system deteriorate. Therefore, in the present embodiment, by providing a constant relational expression for the wheel angular momentum of each control moment gyro 13, the triaxial attitude control torque is distributed to the two control moment gyros 13. Specifically, the reference value of the wheel angular momentum is h c , the common change amount of the wheel angular momentum is Δh, the wheel angular momentum of CMG # 1 is h 1 = h c + k 1 Δh, and the wheel angular momentum of CMG # 2. Is set to h 2 = h c + k 2 Δh. h c is a fixed value. In this case, it is possible to provide a CMG # 1 and CMG # 2 of the wheel angular momentum by giving different arbitrary values in coefficient parameters k 1 and k 2 the relationship. By giving this relational expression, the three-axis attitude control torque of the spacecraft 40 can be expressed by Expression 3.
Figure 2018027761

ここで、Bはコントロールモーメントジャイロ13の配置によって決まる3×3の行列であり、各コントロールモーメントジャイロ13のジンバル角度とホイール角運動量の関数になる。ホイール角運動量の時間微分値はトルクを表現しているため、Δhの時間微分値に基づいてホイールトルクを計算することができる。3×3の行列の逆行列は、3×4の行列の擬似逆行列の計算よりも簡単に解くことができるため、式3をCMG#1のジンバル角速度と、CMG#2のジンバル角速度と、Δhの時間微分値とについて解いた結果は簡易な数式になる。ジャイロ演算部24は、式3をCMG#1のジンバル角速度と、CMG#2のジンバル角速度と、Δhの時間微分値とについて解いた結果の数式を処理することで、所望の姿勢制御トルクから各コントロールモーメントジャイロ13のジンバル角速度の指令値とホイールトルクの指令値とを求める。   Here, B is a 3 × 3 matrix determined by the arrangement of the control moment gyros 13 and is a function of the gimbal angle and the wheel angular momentum of each control moment gyro 13. Since the time differential value of the wheel angular momentum expresses the torque, the wheel torque can be calculated based on the time differential value of Δh. Since the inverse of the 3 × 3 matrix can be solved more easily than the calculation of the pseudo inverse of the 3 × 4 matrix, Equation 3 can be expressed as the gimbal angular velocity of CMG # 1, the gimbal angular velocity of CMG # 2, The result solved for the time derivative of Δh is a simple mathematical formula. The gyro operation unit 24 processes mathematical formulas obtained by solving Equation 3 for the CMG # 1 gimbal angular velocity, the CMG # 2 gimbal angular velocity, and the time differential value of Δh, thereby obtaining each of the desired attitude control torques. A command value for the gimbal angular velocity of the control moment gyro 13 and a command value for the wheel torque are obtained.

前述したように、本実施の形態では、CMG#1のジンバル角が0°のときにCMG#1のホイール回転軸33の方向が宇宙機40の+X軸方向に一致する。CMG#2のジンバル角が0°のときにCMG#2のホイール回転軸33の方向が宇宙機40の−X軸方向に一致する。CMG#1のジンバル回転軸34の方向は、宇宙機40の+Y軸を宇宙機40の+X軸周りにαだけ回転させた方向に一致する。CMG#2のジンバル回転軸34の方向は、宇宙機40の+Y軸を宇宙機40の+X軸周りにαだけ回転させた方向に一致する。このとき、式3におけるAは式4で表される。

Figure 2018027761
As described above, in this embodiment, when the gimbal angle of CMG # 1 is 0 °, the direction of the wheel rotation axis 33 of CMG # 1 coincides with the + X-axis direction of the spacecraft 40. When the gimbal angle of CMG # 2 is 0 °, the direction of the wheel rotation axis 33 of CMG # 2 coincides with the −X axis direction of the spacecraft 40. CMG direction # 1 of gimbal pivot axis 34 coincides with the + Y-axis of the spacecraft 40 in a direction rotated by alpha 1 about the + X-axis of the spacecraft 40. CMG direction # 2 of gimbal pivot axis 34 coincides with the + Y-axis of the spacecraft 40 in a direction rotated by alpha 2 around the + X-axis of the spacecraft 40. At this time, A in Expression 3 is expressed by Expression 4.
Figure 2018027761

式4において、θ=0、θ=0としたとき、Aの擬似逆行列は式5のように表される。

Figure 2018027761
In Equation 4, when θ 1 = 0 and θ 2 = 0, the pseudo inverse matrix of A is expressed as Equation 5.
Figure 2018027761

このとき、コントロールモーメントジャイロ13への指令値は式6のように計算される。

Figure 2018027761
At this time, the command value to the control moment gyro 13 is calculated as shown in Equation 6.
Figure 2018027761

一方、同じコントロールモーメントジャイロ13の配置で、式3におけるBは式7のように表される。

Figure 2018027761
On the other hand, with the same control moment gyro 13 arrangement, B in Equation 3 is expressed as Equation 7.
Figure 2018027761

式7において、Bの逆行列を計算することで、コントロールモーメントジャイロ13への指令値は式8のように表される。

Figure 2018027761
By calculating the inverse matrix of B in Expression 7, the command value to the control moment gyro 13 is expressed as Expression 8.
Figure 2018027761

式8において、θ=0、θ=0、k=−1、k=1とすると、コントロールモーメントジャイロ13への指令値は式9のように計算される。

Figure 2018027761
In Equation 8, if θ 1 = 0, θ 2 = 0, k 1 = −1, and k 2 = 1, the command value to the control moment gyro 13 is calculated as in Equation 9.
Figure 2018027761

式9において求められたΔhの時間微分値を用いると、CMG#1のホイール角運動量の時間変化率と、CMG#2のホイール角運動量の時間変化率は式10のように計算される。

Figure 2018027761
Using the time differential value of Δh obtained in Equation 9, the time change rate of the wheel angular momentum of CMG # 1 and the time change rate of the wheel angular momentum of CMG # 2 are calculated as shown in Equation 10.
Figure 2018027761

式6と、式9および式10とを比較すると、計算結果がまったく同じものになっている。つまり、式8はCMG#1のジンバル角とCMG#2のジンバル角がともに0°に近いときの擬似逆行列によるコントロールモーメントジャイロ13への指令値の計算を簡易にしている。ジャイロ演算部24は式8を計算することで、所望の姿勢制御トルクから各コントロールモーメントジャイロ13のジンバル角速度の指令値とホイールトルクの指令値とを求めることができる。   Comparing Equation 6 with Equation 9 and Equation 10, the calculation results are exactly the same. That is, Expression 8 simplifies calculation of the command value to the control moment gyro 13 by the pseudo inverse matrix when both the CMG # 1 and CMG # 2 gimbal angles are close to 0 °. The gyro operation unit 24 can calculate the gimbal angular velocity command value and the wheel torque command value of each control moment gyro 13 from the desired attitude control torque by calculating Expression 8.

このような計算方法により、3×4の行列の擬似逆行列を解くことなく、2台のコントロールモーメントジャイロ13による宇宙機40の3軸姿勢制御を簡易な計算で行うことが可能になる。これにより、コントロールモーメントジャイロ13の搭載台数を最小限に抑えながら、軽負荷の処理で人工衛星等の宇宙機40の3軸姿勢を同時に制御することが可能になる。また、3台以上のコントロールモーメントジャイロ13に対して、各コントロールモーメントジャイロ13の角運動量に一定の関係式を設けることで、解くべき行列の次数を減らすことができるため、演算処理の負荷を軽くすることができる。   With such a calculation method, it is possible to perform the three-axis attitude control of the spacecraft 40 by the two control moment gyros 13 by a simple calculation without solving the pseudo inverse matrix of the 3 × 4 matrix. This makes it possible to simultaneously control the three-axis attitudes of the spacecraft 40 such as an artificial satellite with light load processing while minimizing the number of control moment gyros 13 mounted. In addition, by providing a constant relational expression for the angular momentum of each control moment gyro 13 for three or more control moment gyros 13, the order of the matrix to be solved can be reduced, so the processing load is lightened. can do.

***実施の形態の効果の説明***
本実施の形態では、姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、ジンバル32の角速度については、コントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値が演算され、ホイール31の角運動量については、共通の変化量が演算された後、その共通の変化量をコントロールモーメントジャイロ13ごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロ13ごとの指令値が演算される。このため、少ない台数のコントロールモーメントジャイロ13を用いて、3軸同時の姿勢制御を軽負荷処理で行うことができる。
*** Explanation of the effect of the embodiment ***
In the present embodiment, the command value for each control moment gyro 13 is calculated for the angular velocity of the gimbal 32 from the set values of the torques in the three axial directions for posture control, and the angular momentum of the wheel 31 is common. After the change amount is calculated, the command value for each control moment gyro 13 is calculated by weighting the common change amount by the coefficient for each control moment gyro 13. For this reason, using a small number of control moment gyros 13, three-axis simultaneous attitude control can be performed by light load processing.

つまり、本実施の形態では、各コントロールモーメントジャイロ13のホイール角運動量を可変とした上で、一定の関係式を設けることで、3軸姿勢制御トルクが少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロ13に対して分配される。具体的には、少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロ13に対して、それぞれのホイール角運動量が、ホイール角運動量の基準値と、共通変化量に決まった係数を掛けた値とを足した値になるように関係式を設けることで、人工衛星の姿勢制御トルクから、コントロールモーメントジャイロ13に対するジンバル角速度コマンドと、ホイールトルクコマンドもしくはホイール角運動量コマンドが計算される。このため、コントロールモーメントジャイロ13の搭載台数を最小限にした人工衛星等の宇宙機40の3軸同時の姿勢制御が軽負荷処理で可能になる。最小限の搭載台数は、冗長性を考慮しなければ2台である。   In other words, in the present embodiment, the wheel angular momentum of each control moment gyro 13 is made variable and a certain relational expression is provided so that the three-axis attitude control torque is applied to at least two control moment gyros 13. Distributed. Specifically, for at least two control moment gyros 13, each wheel angular momentum is a value obtained by adding a reference value of the wheel angular momentum and a value obtained by multiplying the common change amount by a determined coefficient. By providing the relational expression as described above, the gimbal angular velocity command and the wheel torque command or the wheel angular momentum command for the control moment gyro 13 are calculated from the attitude control torque of the artificial satellite. For this reason, the attitude control of the three axes of the spacecraft 40 such as an artificial satellite with the minimum number of control moment gyros 13 mounted can be performed by light load processing. The minimum number of units is two if redundancy is not taken into consideration.

***他の構成***
本実施の形態では、「部」の機能がソフトウェアにより実現されるが、変形例として、「部」の機能がハードウェアにより実現されてもよい。この変形例について、主に本実施の形態との差異を説明する。
*** Other configurations ***
In the present embodiment, the function of “unit” is realized by software, but as a modification, the function of “unit” may be realized by hardware. About this modification, the difference with this Embodiment is mainly demonstrated.

図6を参照して、本実施の形態の変形例に係る姿勢制御装置10の構成を説明する。   With reference to FIG. 6, the structure of the attitude | position control apparatus 10 which concerns on the modification of this Embodiment is demonstrated.

姿勢制御装置10は、処理回路14、コントロールモーメントジャイロ13といったハードウェアを備える。   The attitude control device 10 includes hardware such as a processing circuit 14 and a control moment gyro 13.

処理回路14は、「部」の機能を実現する専用の電子回路である。処理回路14は、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ロジックIC、GA、FPGA、または、ASICである。「GA」は、Gate Arrayの略語である。「ASIC」は、Application Specific Integrated Circuitの略語である。   The processing circuit 14 is a dedicated electronic circuit that realizes the function of “unit”. Specifically, the processing circuit 14 is a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a processor programmed in parallel, a logic IC, a GA, an FPGA, or an ASIC. “GA” is an abbreviation for Gate Array. “ASIC” is an abbreviation for Application Specific Integrated Circuit.

姿勢制御装置10は、処理回路14を代替する複数の処理回路を備えていてもよい。これら複数の処理回路により、全体として「部」の機能が実現される。それぞれの処理回路は、処理回路14と同じように、専用の電子回路である。   The attitude control device 10 may include a plurality of processing circuits that replace the processing circuit 14. As a whole, the function of “unit” is realized by the plurality of processing circuits. Each processing circuit is a dedicated electronic circuit like the processing circuit 14.

別の変形例として、「部」の機能がソフトウェアとハードウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。すなわち、「部」の機能の一部が専用の電子回路により実現され、残りがソフトウェアにより実現されてもよい。   As another modification, the function of “unit” may be realized by a combination of software and hardware. That is, a part of the function of “unit” may be realized by a dedicated electronic circuit, and the rest may be realized by software.

プロセッサ11、メモリ12、および、処理回路14を、総称して「プロセッシングサーキットリ」という。つまり、姿勢制御装置10の構成が図1および図6のいずれに示した構成であっても、「部」の機能は、プロセッシングサーキットリにより実現される。   The processor 11, the memory 12, and the processing circuit 14 are collectively referred to as a “processing circuit”. That is, regardless of the configuration of the attitude control device 10 shown in FIGS. 1 and 6, the function of “unit” is realized by a processing circuit.

「部」を「工程」、「手順」、または、「処理」に読み替えてもよい。   “Part” may be read as “process”, “procedure”, or “processing”.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、この実施の形態を部分的に実施しても構わない。具体的には、この実施の形態に係る姿勢制御装置10の機能要素のうち、一部の機能要素のみを採用してもよい。なお、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, you may implement this embodiment partially. Specifically, only some of the functional elements of the posture control apparatus 10 according to this embodiment may be employed. In addition, this invention is not limited to this embodiment, A various change is possible as needed.

10 姿勢制御装置、11 プロセッサ、12 メモリ、13 コントロールモーメントジャイロ、14 処理回路、21 姿勢推定部、22 姿勢演算部、23 トルク演算部、24 ジャイロ演算部、31 ホイール、32 ジンバル、33 ホイール回転軸、34 ジンバル回転軸、35 フレーム、36 シャフト、40 宇宙機。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Attitude control apparatus, 11 Processor, 12 Memory, 13 Control moment gyro, 14 Processing circuit, 21 Attitude estimation part, 22 Attitude calculation part, 23 Torque calculation part, 24 Gyro calculation part, 31 Wheel, 32 Gimbal, 33 Wheel rotation axis , 34 Gimbal rotation axis, 35 frame, 36 shaft, 40 spacecraft.

Claims (6)

回転するホイールと、前記ホイールを保持しながら、前記ホイールの回転軸とは方向の異なる回転軸を中心に回転するジンバルとを個別に有する少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロと、
姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、前記ジンバルの角速度については、コントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算し、前記ホイールの角運動量については、共通の変化量を演算した後、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算するジャイロ演算部と
を備える姿勢制御装置。
At least two control moment gyros individually having a rotating wheel and a gimbal that rotates around a rotation axis that is different in direction from the rotation axis of the wheel while holding the wheel;
From the set values of torque in the three-axis directions for attitude control, the command value for each control moment gyro is calculated for the angular velocity of the gimbal, and the common change amount is calculated for the angular momentum of the wheel. An attitude control device comprising a gyro operation unit that calculates a command value for each control moment gyro by weighting the calculated common change amount with a coefficient for each control moment gyro.
前記ジャイロ演算部は、前記ホイールの角運動量について、共通の基準値と、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けした値との合計を、コントロールモーメントジャイロごとの指令値として演算する請求項1に記載の姿勢制御装置。   For the angular momentum of the wheel, the gyro operation unit calculates a sum of a common reference value and a value obtained by weighting the calculated common change amount by a coefficient for each control moment gyro as a command value for each control moment gyro. The attitude control device according to claim 1. 宇宙機の姿勢を推定する姿勢推定部と、
前記姿勢推定部により推定された姿勢と目標の姿勢との差異から、前記宇宙機の姿勢制御のための前記3軸方向のトルクの設定値を演算するトルク演算部と
をさらに備える請求項1または2に記載の姿勢制御装置。
An attitude estimation unit for estimating the attitude of the spacecraft;
The torque calculation part which calculates the setting value of the torque of the said 3 axis direction for the attitude | position control of the said spacecraft from the difference between the attitude | position estimated by the said attitude | position estimation part and a target attitude | position is further provided. 2. The attitude control device according to 2.
請求項1から3のいずれか1項に記載の姿勢制御装置が搭載された宇宙機。   A spacecraft on which the attitude control device according to any one of claims 1 to 3 is mounted. 回転するホイールと、前記ホイールを保持しながら、前記ホイールの回転軸とは方向の異なる回転軸を中心に回転するジンバルとを個別に有する少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロを用いる姿勢制御方法において、
姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、前記ジンバルの角速度については、コントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算し、前記ホイールの角運動量については、共通の変化量を演算した後、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算し、
前記ジンバルの角速度と前記ホイールの角運動量とについて演算したコントロールモーメントジャイロごとの指令値に応じて、前記ホイールおよび前記ジンバルを回転させる姿勢制御方法。
In an attitude control method using at least two control moment gyros each having a rotating wheel and a gimbal that rotates around a rotation axis that is different from the rotation axis of the wheel while holding the wheel,
From the set values of torque in the three-axis directions for attitude control, the command value for each control moment gyro is calculated for the angular velocity of the gimbal, and the common change amount is calculated for the angular momentum of the wheel. Calculate the command value for each control moment gyro by weighting the calculated common change amount with the coefficient for each control moment gyro.
A posture control method for rotating the wheel and the gimbal according to a command value for each control moment gyro calculated with respect to the angular velocity of the gimbal and the angular momentum of the wheel.
回転するホイールと、前記ホイールを保持しながら、前記ホイールの回転軸とは方向の異なる回転軸を中心に回転するジンバルとを個別に有する少なくとも2台のコントロールモーメントジャイロへの指令値を演算するコンピュータに、
姿勢制御のための3軸方向のトルクの設定値から、前記ジンバルの角速度については、コントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算し、前記ホイールの角運動量については、共通の変化量を演算した後、演算した共通の変化量をコントロールモーメントジャイロごとの係数で重み付けしてコントロールモーメントジャイロごとの指令値を演算する処理を実行させる姿勢制御プログラム。
A computer that calculates command values for at least two control moment gyros each having a rotating wheel and a gimbal that rotates around a rotation axis that is different from the rotation axis of the wheel while holding the wheel. In addition,
From the set values of torque in the three-axis directions for attitude control, the command value for each control moment gyro is calculated for the angular velocity of the gimbal, and the common change amount is calculated for the angular momentum of the wheel. An attitude control program that executes a process of calculating a command value for each control moment gyro by weighting the calculated common change amount with a coefficient for each control moment gyro.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020050272A (en) * 2018-09-28 2020-04-02 三菱電機株式会社 Gimbal profile generation device, gimbal profile generation program, and gimbal profile generation method
CN111897352A (en) * 2020-06-28 2020-11-06 北京控制工程研究所 Attitude maneuver dynamic optimization method and medium based on control moment output constraint
CN112046795A (en) * 2020-08-31 2020-12-08 长光卫星技术有限公司 Small satellite orbit control optimization method based on orbit control deviation moment coefficient calibration

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004090796A (en) * 2002-08-30 2004-03-25 Nec Corp Attitude change control device and attitude change control method for airframe
US6779759B1 (en) * 2003-03-28 2004-08-24 Honeywell International, Inc. Integrated power and attitude control system and method
US20080035797A1 (en) * 2003-11-04 2008-02-14 Eads Astrium Sas Method of Controlling the Attitude of Satellites, Particularly Agile Satellites with a Reduced Number of Gyrodynes
JP2008189235A (en) * 2007-02-07 2008-08-21 Nec Toshiba Space Systems Ltd Method, system and program for controlling attitude change, and program recording medium
JP2009173069A (en) * 2008-01-22 2009-08-06 Mitsubishi Electric Corp Posture control device for artificial satellites, and posture control method
JP2009190506A (en) * 2008-02-13 2009-08-27 Mitsubishi Electric Corp Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite
JP2010537831A (en) * 2007-08-28 2010-12-09 ザ ユニバーシティー オブ サリー Inverse kinematics
JP2010281720A (en) * 2009-06-05 2010-12-16 Mitsubishi Electric Corp Gimbal controller
US20120199697A1 (en) * 2009-05-19 2012-08-09 University Of Florida Research Foundation, Inc. Attitude control system for small satellites
JP2013184537A (en) * 2012-03-07 2013-09-19 Mitsubishi Electric Corp Actuator drive device
CN103592848A (en) * 2013-11-06 2014-02-19 北京控制工程研究所 Method for accurately and quickly manipulating variable speed control moment spinning top group

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004090796A (en) * 2002-08-30 2004-03-25 Nec Corp Attitude change control device and attitude change control method for airframe
US6779759B1 (en) * 2003-03-28 2004-08-24 Honeywell International, Inc. Integrated power and attitude control system and method
US20080035797A1 (en) * 2003-11-04 2008-02-14 Eads Astrium Sas Method of Controlling the Attitude of Satellites, Particularly Agile Satellites with a Reduced Number of Gyrodynes
JP2008189235A (en) * 2007-02-07 2008-08-21 Nec Toshiba Space Systems Ltd Method, system and program for controlling attitude change, and program recording medium
JP2010537831A (en) * 2007-08-28 2010-12-09 ザ ユニバーシティー オブ サリー Inverse kinematics
JP2009173069A (en) * 2008-01-22 2009-08-06 Mitsubishi Electric Corp Posture control device for artificial satellites, and posture control method
JP2009190506A (en) * 2008-02-13 2009-08-27 Mitsubishi Electric Corp Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite
US20120199697A1 (en) * 2009-05-19 2012-08-09 University Of Florida Research Foundation, Inc. Attitude control system for small satellites
JP2010281720A (en) * 2009-06-05 2010-12-16 Mitsubishi Electric Corp Gimbal controller
JP2013184537A (en) * 2012-03-07 2013-09-19 Mitsubishi Electric Corp Actuator drive device
CN103592848A (en) * 2013-11-06 2014-02-19 北京控制工程研究所 Method for accurately and quickly manipulating variable speed control moment spinning top group

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Feedback Control Law for Variable Speed Control Moment Gyros", JOURNAL OF THE ASTRONAUTICAL SCIENCES, vol. Vol.46,N0.3,July-Sept.,1998, JPN6020006470, 1998, ISSN: 0004218272 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020050272A (en) * 2018-09-28 2020-04-02 三菱電機株式会社 Gimbal profile generation device, gimbal profile generation program, and gimbal profile generation method
JP7080150B2 (en) 2018-09-28 2022-06-03 三菱電機株式会社 Gimbal profile generator, gimbal profile generator and gimbal profile generator
CN111897352A (en) * 2020-06-28 2020-11-06 北京控制工程研究所 Attitude maneuver dynamic optimization method and medium based on control moment output constraint
CN111897352B (en) * 2020-06-28 2023-06-30 北京控制工程研究所 Attitude maneuver dynamic optimization method and medium based on control moment output constraint
CN112046795A (en) * 2020-08-31 2020-12-08 长光卫星技术有限公司 Small satellite orbit control optimization method based on orbit control deviation moment coefficient calibration

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