JP2021035794A

JP2021035794A - 姿勢制御装置

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Publication number: JP2021035794A
Application number: JP2019157770A
Authority: JP
Inventors: 慶太田中; Keita Tanaka; 裕也潮田; Yuya Shioda
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP7416396B2

Abstract

【課題】特異点状態でもジンバル追従性を良好にすることができる姿勢制御装置を提供する。【解決手段】複数台の制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）の各々は、ホイール回転軸を中心にホイールを回転させるホイール制御器１６と、ホイールを支持し且つホイール回転軸に対して直交するジンバル回転軸を中心にジンバル機構を回転させるジンバル制御器１４と、要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式の解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する線形近似部と、ＣＭＧが特定方向の姿勢制御トルクを出力できなくなる特異点又は特異点近傍において、線形近似部で設定されたフィードバック関数によりジンバル制御器のゲインを算出するゲイン算出部１３と、ゲイン算出部で算出されたゲインに基づくジンバル機構の回転トルクと、ホイールの回転トルクとに基づき前記姿勢制御トルクを生成する制御トルク生成部１８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超小型衛星の高速な姿勢制御を行う姿勢制御装置に関する。

従来のこの種の技術として、特許文献１−４に記載された姿勢制御装置が知られている。特許文献１は、４台のコントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）を配置した人工衛星用姿勢制御に関し、ジンバル角速度から姿勢制御トルクを出力し、ＣＭＧから出力されるトルクの大きさが特異点に近づくに従って小さくなるように制御している。

特許文献２の姿勢変更制御システムは、人工衛星上のシングルジンバルＣＭＧを４台搭載し、ＣＭＧの欠点である特異点近傍で大きな出力トルクが得られない点を、異方性重み付け傾斜法で改善している。

特許文献３の人工衛星の姿勢制御装置は、複数台のＣＭＧにより構成され、ジンバル角速度を目標値としてフィードバックループを組むことにより、人工衛星の姿勢制御トルクを発生する。また、目標ジンバル角にフィードバック項を追加することにより、特異点近傍にＣＭＧが停留してしまうことを回避している。

特許文献４のアクチュエータ駆動装置は、複数台のＣＭＧアクチュエータにより、姿勢制御トルクを発生する一方、特異状態に陥った場合には、発生トルクが不足する軸に対してリアクションホイールを併用して姿勢制御トルクを補っている。

特開２００９−２９８３４５号公報特開２００８−１８９２３５号公報特開２００６−２４０３７５号公報特開２０１３−１８４５３７号公報

しかしながら、特許文献１−３においては、特異点状態に陥った場合には、ジンバル角速度指令値が大きくなることがあり、急激な角速度変化や外乱が発生する。その結果、ジンバル追従性が悪化し、制御性能が低下するおそれがある。特許文献４では、特異点状態に陥った場合には、ジンバルにリアクションホイールを併用して姿勢制御トルクを制御していたため、制御が複雑化していた。

本発明の課題は、計算負荷が小さい制御によって特異点状態においてもジンバル追従性を良好にすることができる姿勢制御装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る姿勢制御装置は、複数台の制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）を備えた姿勢制御装置において、各々のＣＭＧは、ホイール回転軸を中心にホイールを回転させるホイール制御器と、前記ホイールを支持し且つ前記ホイール回転軸に対して直交するジンバル回転軸を中心にジンバル機構を回転させるジンバル制御器と、要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式（Riccati Equation）解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する線形近似部と、ＣＭＧが特定方向の姿勢制御トルクを出力できなくなる特異点又は特異点近傍において、前記線形近似部で設定された前記フィードバック関数により前記ジンバル制御器のゲインを算出するゲイン算出部と、前記ゲイン算出部で算出されたゲインに基づく前記ジンバル機構の回転トルクと、前記ホイールの回転トルクとに基づき前記姿勢制御トルクを生成する制御トルク生成部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、線形近似部が、要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式の解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する。ＣＭＧが特定方向の姿勢制御トルクを出力できなくなる特異点又は特異点近傍において、ゲイン算出部は、線形近似部で設定されたフィードバック関数によりジンバル制御器のゲインを算出する。制御トルク生成部は、ゲイン算出部で算出されたゲインに基づくジンバルモータの回転トルクと、ホイールモータの回転トルクとに基づき姿勢制御トルクを生成するので、特異点状態においてもジンバル追従性を良好にすることができる。かかる構成によって、計算負荷の小さい制御方式を搭載した姿勢制御装置を搭載することができる。

本発明の第１実施形態に係る姿勢制御装置の構成ブロック図である。第１実施形態に係る姿勢制御装置のＣＭＧ機構部を示す図である。第１実施形態に係る姿勢制御装置の４つのＣＭＧの配置図である。第１実施形態に係る姿勢制御装置における積分型最適サーボの要求ジンバル角速度への出力角速度の追従性能を示す図である。一般的な積分型最適サーボの構成図である。第１実施形態に係る姿勢制御装置における積分型最適サーボの構成図である。リッカチ方程式の解構造を示す図である。リッカチ方程式の解を求める代わりに解を線形近似した場合のブロック構成図である。リッカチ方程式の解を線形近似しない場合と線形近似した場合の計算量の比較を示す図である。ホイールの２段階制御時の衛星の姿勢変更を示す図である。ホイールの２段階制御時のホイール回転数の変化を示す図である。一般的な特異値指標を示す図である。第１実施形態に係る姿勢制御装置の特異値指標を示す図である。ジンバル駆動量の偏り低減制御がない場合の４つのＣＭＧの駆動量を示す図である。ジンバル駆動量の偏り低減制御がある場合の４つのＣＭＧの駆動量を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る姿勢制御装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る姿勢制御装置の構成ブロック図である。姿勢制御装置は、ＣＭＧシステム１、衛星構体３１、センサ３２、姿勢決定部３３を備えている。ＣＭＧシステム１は、図２に示すＣＭＧ機構部を制御するＣＭＧコントローラから構成されている。

図２に示すＣＭＧ機構部において、円板状のホイール１９は、ホイール回転軸２０を中心としてホイール回転軸２０の周りをホイールモータ１７により回転する。ホイールモータ１７は、例えば、ブラシレスＤＣモータを適用することができる。ブラシレスＤＣモータを用いることで、モータの回転速度を電流量により制御でき、制御性が改善する。

ホイール回転軸２０にはジンバル機構２１が接続され、ジンバル機構２１は、ホイール回転軸２０に直交するジンバル回転軸２２を中心としてジンバル回転軸２２の周りをジンバルモータ１５により回転する。ジンバルモータ１５は図示しないフレームに接続され、このフレームは衛星に固定される。ジンバルモータ１５は、例えば、エンコーダ付きＤＣサーボモータを適用することができる。ＤＣサーボモータを用いることで、脱調の心配がなく、ジンバルの角速度を大きくすることができ、出力トルクが大きくなる。

ＣＭＧ機構部は、ホイール回転軸２０の周りを一定角速度で回転するホイール１９をジンバル回転軸２２の周りに回転させることにより、ホイール回転軸２０とジンバル回転軸２２とに直交する方向にジャイロトルクを出力する。

図３は、第１実施形態に係る４つのＣＭＧを搭載した姿勢制御装置の配置図である。姿勢制御装置は、衛星構体３１の三軸を制御するために４つのＣＭＧ１−１〜１−４を配置している。４つのＣＭＧ１−１〜１−４は、基台２３上の四隅に配置され、ジャイロトルクが互いに異なる方向に発生するように配置されている。また、配置された４つのＣＭＧ１−１〜１−４の内側にＰＣＭ(Phase Change Material)材料から形成されたＰＣＭ部材２４を配置している。ＰＣＭ部材２４により各ＣＭＧ１−１〜１−４の温度上昇を抑制するとともに、伝熱経路として利用する。姿勢制御装置は、４つのＣＭＧ１−１〜１−４により衛星構体３１の姿勢を制御する。

ＣＭＧシステム１は、制御器１１、特異点回避部１２、ゲイン算出部１３、ジンバル制御器１４、ジンバルモータ１５ホイール制御器１６ホイールモータ１７制御トルク生成部１８を備えている。

制御器１１は、姿勢決定部３３からのクォータニオン姿勢角速度と要求姿勢角とに基づき要求トルクを生成する。姿勢制御則にはクォータニオンフィードバックを用いる。なお、クォータニオン（四元数）は姿勢表現方法の一種である。そして、クォータニオンフィードバックは姿勢角誤差を表すクォータニオンと衛星角速度にそれぞれ比例ゲイン、微分ゲインをかけて、要求トルクを与えるものである。

また、制御器１１は、クォータニオンフィードバック制御により生成した要求トルクに対して、ローパスフィルタにより高域周波数成分を除去することで急激な姿勢への変化を抑制する。

特異点回避部１２は、制御器１１からの要求トルクに基づきステアリング則により要求ジンバル角速度を求めるとともに、ＣＭＧに特有の特異点を回避する。制御器１１の要求トルクを実現するためには要求ジンバル角速度を求める必要があり、その逆運動学の式はステアリング則と呼ばれている。ステアリング則には、Bong Wieらの提案するGeneralized SR inverseを用いる。また、ステアリング則により、ＣＭＧに特有の特異点を回避することができる。

ゲイン算出部１３は、特異点回避部１２で得られた要求ジンバル角速度に適した、ジンバル制御器１４内に有する積分型コントローラのゲイン（以下、ゲインと称する。）を算出する。

ジンバル制御器１４は、積分型コントローラを含む積分型最適サーボを用いる。積分型コントローラは、最適制御の一種であり、積分器を有する。ジンバル制御器１４は、ゲイン算出部１３で得られた要求ジンバル角速度に適したゲインによりジンバルモータ１５を回転制御する。

図４に、積分型最適サーボの要求ジンバル角速度への出力角速度の追従性能を示す。図４に示すように、要求ジンバル角速度に対して出力角速度の良好な追従性能を得ることができる。また、ジンバルモータ１５は、急激な正転逆転を繰り返すため、慣性力による外乱が生じると考えられるが、この外乱を積分型最適サーボの積分器により補償することができる。

図５は、一般的な積分型最適サーボの構成図である。ＣＭＧが特異点状態にある場合に、ステアリング則によりヌル運動やトルク誤差が生成されるが、その時の要求ジンバル角速度に最適なゲインを設定する必要がある。

図５に示す一般的な積分型最適サーボでは、重み設定部４１が各ＣＭＧの駆動量の重みを設定する。ゲイン算出部４２は、制御開始前に1度だけ要求ジンバル角速度に適したゲインを算出するのみである。

これに対して、第１実施形態の姿勢制御装置では、制御周期毎に、要求ジンバル角速度に最適なゲインを再計算する。第１実施形態では、図６に示すように、重み設定部２５、ゲイン算出部１３、ジンバル制御器１４、ジンバルモータ１５がフィードバックループを構成している。

重み設定部２５は、４つのＣＭＧの内の駆動量の多いに対して要求ジンバル角速度の重みを増やす処理を行う。この場合、４つのＣＭＧの内の駆動量の平均とそのＣＭＧとの比により重みを調整する。

ゲイン算出部１３は、重み設定部２５で重みが設定された要求ジンバル角速度に最適なゲインを３×３のリッカチ方程式の解を求めることにより決定する。

この場合、ジンバル制御器１４内の積分器の二次形式の評価関数Ｊを最小化するように制御入力を求める。評価関数Ｊは以下の式で表される。

は偏差である。

は制御入力である。

は重みである。

評価関数を最小にするために、リッカチ方程式を用いる。リッカチ方程式は、以下の式で表される。

Ｐｅは解である。

ｒｅ＋ｆを０〜１００００まで変えたときのリッカチ方程式の解構造を調べる。

図７にリッカチ方程式の解構造を示す。３×３＝９個の曲腺は、上記Ｐの３×３＝９個の数値に対応する。リッカチ方程式の解は、計算量が大きく、リアルタイム処理には向かない。

そこで、実施経緯形態では、ゲインを変えていった際のリッカチ方程式の解構造が線形近似、あるいは二次関数で近似できることに着目した。

ここで、上記の解は、以下の式に示すように、ｙ＝ａｒ_ｅ＋ｂにより線形近似（直線近似）できる。

このため、第１実施形態の姿勢制御装置は、図８に示すように、要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式の解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する線形近似部１３ａを備える。

このため、ゲイン算出部１３は、線形近似部１３ａの線形近似したフィードバック関数を用いてゲインを算出するので、制御周期毎にリッカチ方程式の解を求める必要がなくなる。このため、図９に示すように、線形近似なしの計算時間に比べて、線形近似した場合の計算時間は、約７３．３％と大幅に低減することができる。

ホイール制御器１６は、要求ホイール角速度に基づきホイールモータ１７を回転制御する。制御トルク生成部１８は、ジンバルモータ１５の回転トルクとホイールモータ１７の回転トルクとに基づき制御トルクを生成する。衛星構体３１は、飛翔体であり、例えば、人工衛星の構体もしくは運動方程式上の人工衛星全体構成であり、制御トルク生成部１８で生成された制御トルクに基づき回転運動する。

センサ３２は、衛星構体３１の回転運動を検知し、姿勢情報として姿勢決定部３３に出力する。センサ３２は、外界センサとして太陽センサが用いられ、内界センサとしてジャイロセンサが用いられる。姿勢決定部３３は、センサ３２からの姿勢情報に基づきクォータニオン姿勢角速度を求め、クォータニオン姿勢角速度を制御器１１に出力する。

図１０に、ホイール１９の２段階制御時の衛星構体３１の姿勢変更を示す。図１１に、ホイール１９の２段階制御時のホイール回転数の変化を示す。

ホイール制御器１６は、図１０に示すように、衛星構体３１を第１の姿勢から第２の姿勢に変更する際に、図１１に示すように、衛星構体３１の姿勢変更中には、ホイール１９の駆動回転数を最大値に設定し、衛星構体３１が第２の姿勢の目標値近傍になったときに駆動回転数を最大値から所定の回転数に低下させる。即ち、２段階制御を行うことにより、姿勢制定時のトルク分解能を向上させることができる。

なお、図１２に、比較例として一般的な特異値指標を示した。図１３に、実施例として第１実施形態に係る姿勢制御装置の特異値指標を示した。図１２に示す一般的な特異値指標はほぼゼロであるが、図１３に示す第１実施形態の特異値指標はゼロよりも十分に大きい値となる。これにより、特異点状態においてもジンバル追従性を良好にすることができる。

図１４に、ジンバル駆動量の偏り低減制御がない場合の４つのＣＭＧの駆動量を示す。図１４では、ジンバル駆動量は、ＣＭＧ１−１，１−３が小さく、ＣＭＧ１−２，１−４が大きく、ジンバル駆動量の偏りがある。

このため、各々のＣＭＧに設けられた重み設定部２５により、ジンバルの総駆動量が多いＣＭＧの重みを増すことにより駆動量の偏り低減制御を行う。これにより、図１５に示すように、４つのＣＭＧ１−１〜１−４の駆動量の差は、小さくなり、ジンバル駆動量の偏りを低減できる。

このように第１実施形態に係る姿勢制御装置によれば、線形近似部１３ａが、要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式の解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する。ＣＭＧが特定方向の姿勢制御トルクを出力できなくなる特異点又は特異点近傍において、ゲイン算出部１３は、線形近似部１３ａで設定されたフィードバック関数によりジンバル制御器１４のゲインを算出する。制御トルク生成部１８は、ゲイン算出部１３で算出されたゲインに基づくジンバルモータ１５の回転トルクと、ホイールモータ１７の回転トルクとに基づき姿勢制御トルクを生成するので、特異点状態においてもジンバル追従性を良好にすることができる。

１，１−１〜１−４ＣＭＧシステム
１１制御器
１２特異点回避部
１３，４２ゲイン算出部
１４ジンバル制御器
１５ジンバルモータ
１６ホイール制御器
１７ホイールモータ
１８制御トルク生成部
１９ホイール
２０ホイール回転軸
２１ジンバル機構
２２ジンバル回転軸
２３基台
２４ＰＣＭ部材
２５，４１重み設定部
３１衛星構体
３２センサ
３３姿勢決定部

Claims

飛翔体に搭載され、複数台の制御モーメントジャイロ（ＣＭＧ）を備えた姿勢制御装置において、
各々のＣＭＧは、
ホイール回転軸を中心にホイールを回転させるホイール制御器と、
前記ホイールを支持し且つ前記ホイール回転軸に対して直交するジンバル回転軸を中心にジンバル機構を回転させるジンバル制御器と、
要求ジンバル角速度に基づきリッカチ方程式の解を算出し、算出された解を線形近似したフィードバック関数を予め設定する線形近似部と、
ＣＭＧが特定方向の姿勢制御トルクを出力できなくなる特異点又は特異点近傍において、前記線形近似部で設定された前記フィードバック関数により前記ジンバル制御器のゲインを算出するゲイン算出部と、
前記ゲイン算出部で算出されたゲインに基づく前記ジンバル機構の回転トルクと、前記ホイールの回転トルクとに基づき前記姿勢制御トルクを生成する制御トルク生成部と、
を備えることを特徴とする姿勢制御装置。
前記ホイール制御器は、前記飛翔体を第１の姿勢から第２の姿勢に変更する際に、前記飛翔体の姿勢変更中には、前記ホイールの駆動回転数を最大値に設定し、前記飛翔体が前記第２の姿勢の目標値近傍になったときに前記駆動回転数を前記最大値から所定の回転数に低下させることを特徴とする請求項１記載の姿勢制御装置。
前記飛翔体は、人工衛星であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の姿勢制御装置。