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 PDFInfo
- Publication number
- JP2018027761A JP2018027761A JP2016161096A JP2016161096A JP2018027761A JP 2018027761 A JP2018027761 A JP 2018027761A JP 2016161096 A JP2016161096 A JP 2016161096A JP 2016161096 A JP2016161096 A JP 2016161096A JP 2018027761 A JP2018027761 A JP 2018027761A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wheel
- attitude
- control
- control moment
- gimbal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 238000011967 cystometrography Methods 0.000 description 71
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 30
- 230000006870 function Effects 0.000 description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 16
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
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。
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
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
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
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.
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。
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 |
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
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,
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
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
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
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
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
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
「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
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
「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
「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
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
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
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
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
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
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
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
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α1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α2だけ回転させた方向に一致する。
In this example,
***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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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hc、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h1=hc+k1Δh、CMG#2のホイール角運動量をh2=hc+k2Δhとする。hcは固定値である。このとき、係数パラメータk1およびk2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。
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
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α1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α2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。
式4において、θ1=0、θ2=0としたとき、Aの擬似逆行列は式5のように表される。
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。
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。
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。
式8において、θ1=0、θ2=0、k1=−1、k2=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。
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。
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
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
***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
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
***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
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
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
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
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
「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
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
Claims (6)
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016161096A JP6681805B2 (en) | 2016-08-19 | 2016-08-19 | Attitude control device, spacecraft, attitude control method, and attitude control program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016161096A JP6681805B2 (en) | 2016-08-19 | 2016-08-19 | Attitude control device, spacecraft, attitude control method, and attitude control program |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018027761A true JP2018027761A (en) | 2018-02-22 |
JP6681805B2 JP6681805B2 (en) | 2020-04-15 |
Family
ID=61248255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016161096A Active JP6681805B2 (en) | 2016-08-19 | 2016-08-19 | Attitude control device, spacecraft, attitude control method, and attitude control program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6681805B2 (en) |
Cited By (3)
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)
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 |
-
2016
- 2016-08-19 JP JP2016161096A patent/JP6681805B2/en active Active
Patent Citations (11)
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)
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)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6681805B2 (en) | 2020-04-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6524100B2 (en) | Platform stabilization system | |
US10621883B2 (en) | Angularly unbounded three-axis spacecraft simulator | |
JP4463287B2 (en) | Posture change control method, posture change control system, posture change control program, and program recording medium | |
EP2340998B1 (en) | On-line inertia estimation for use in controlling an aerospace vehicle | |
US20090039202A1 (en) | Attitude Change Control Method, Attitude Change Control System, Attitude Change Control Program and Program Recording Medium | |
JP6681805B2 (en) | Attitude control device, spacecraft, attitude control method, and attitude control program | |
Gaber et al. | Hardware-in-the-loop real-time validation of micro-satellite attitude control | |
Srivastava et al. | Attitude and in-orbit residual magnetic moment estimation of small satellites using only magnetometer | |
JP2011098722A (en) | Method and system for imposing boundary in momentum when reorienting agile vehicle through control moment gyroscope | |
Srivastava et al. | Attitude determination and control system for a leo debris chaser small satellite | |
Stearns et al. | Multiple model adaptive estimation of satellite attitude using MEMS gyros | |
Mahfouz et al. | Coordinated attitude determination and control in a swarm of CubeSats | |
JP4489654B2 (en) | Antenna control device for satellite tracking | |
Gaber et al. | A hardware implementation of flexible attitude determination and control system for two-axis-stabilized cubesat | |
Al-Jlailaty et al. | Efficient attitude estimators: A tutorial and survey | |
JP2009190506A (en) | Posture control device for artificial satellite and posture control method of artificial satellite | |
US11498704B2 (en) | Device and method for determining the attitude of a satellite equipped with gyroscopic actuators, and satellite carrying such a device | |
Gaber et al. | Real-time implementation of a robust simplified intelligent proportional–integral control for CubeSat attitude determination system | |
Hajiyev | Orbital calibration of microsatellite magnetometers using a linear Kalman filter | |
EP1134640B1 (en) | Attitude control system for a spacecraft | |
Bolotskikh et al. | Nanosatellite Attitude Motion Determination Algorithms Study Using Laboratory Facility | |
JP7080150B2 (en) | Gimbal profile generator, gimbal profile generator and gimbal profile generator | |
US20220388692A1 (en) | Attitude determination and control system based on a quaternion kalman filter and method thereof | |
Shake et al. | Spacecraft attitude determination system using nano-optical devices and Linux software libraries | |
RU2782334C1 (en) | Method for determining object orientation parameters using semi-analytical inertial navigation system with geographical orientation of four-axis gyroplatform axes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20180531 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190402 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200213 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200225 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200324 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6681805 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |