JP3160365B2 - Attitude control device - Google Patents

Attitude control device

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JP3160365B2
JP3160365B2 JP14286792A JP14286792A JP3160365B2 JP 3160365 B2 JP3160365 B2 JP 3160365B2 JP 14286792 A JP14286792 A JP 14286792A JP 14286792 A JP14286792 A JP 14286792A JP 3160365 B2 JP3160365 B2 JP 3160365B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、例えば人工衛星等の
宇宙航行体の姿勢変更を含む姿勢を制御するのに用いる
姿勢制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an attitude control device used for controlling an attitude of a spacecraft such as an artificial satellite, including a change in attitude.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、姿勢制御装置は、姿勢角/角速
度に基づいて推定姿勢角/推定角速度を決定して、その
推定姿勢角/推定角速度に基づいて制御トルクを算出
し、その制御トルクに応じた駆動信号を生成して、制御
アクチュエータを駆動し、姿勢制御を実行する。そし
て、宇宙航行体の姿勢変更を実行する場合には、角度セ
ンサ及び角速度センサの出力に対して一定のバイアス値
を設定し、制御アクチュエータを駆動したり、あるいは
姿勢制御論理の中の姿勢決定系(姿勢角/角速度推定論
理部)で決定される推定姿勢角に対してスレッシュホー
ルド値を設定することにより、それに対応した一定の姿
勢角/角速度で姿勢変更するように制御アクチュエータ
を駆動する方法が採られる。
2. Description of the Related Art Generally, an attitude control device determines an estimated attitude angle / estimated angular velocity based on an attitude angle / angular velocity, calculates a control torque based on the estimated attitude angle / estimated angular velocity, and converts the control torque into A corresponding drive signal is generated, the control actuator is driven, and the attitude control is performed. When the attitude of the spacecraft is changed, a constant bias value is set for the outputs of the angle sensor and the angular velocity sensor to drive the control actuator, or the attitude determination system in the attitude control logic. By setting a threshold value for the estimated attitude angle determined by (the attitude angle / angular velocity estimation logic unit), a method of driving a control actuator to change the attitude at a constant attitude angle / angular velocity corresponding to the threshold value is known. Taken.

【0003】ところが、上記姿勢制御装置では、前者の
場合、バイアス値設定時、後者の場合、目標姿勢角到達
後にいわゆるオーバーシュート現象が起こり、姿勢変更
に要する消費エネルギが非常に大きいうえ、姿勢変更を
完了するまでに長時間かかるという問題を有していた。
係る問題は、特に、最近の宇宙開発において要請されて
いる宇宙航行体の大型化を図るような場合に、重大な課
題となる。
However, in the above attitude control apparatus, in the former case, when the bias value is set, in the latter case, a so-called overshoot phenomenon occurs after the target attitude angle is reached, so that the energy consumption required for the attitude change is very large, and the attitude change is very large. It takes a long time to complete the process.
Such a problem becomes a serious problem particularly when the size of a spacecraft required in recent space development is to be increased.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の姿勢制御装置では、姿勢変更を行う場合、消費エネ
ルギが大きいと共に、姿勢変更を完了するのに長時間要
するという問題を有していた。
As described above, the conventional attitude control apparatus has a problem that when the attitude is changed, the energy consumption is large and it takes a long time to complete the attitude change. Was.

【0005】この発明は上記の事情に鑑みてなされたも
ので、姿勢変更動作の迅速化を実現すると共に、消費エ
ネルギの省力化を図り得るようにした姿勢制御装置を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide an attitude control device which can speed up an attitude changing operation and save energy consumption. .

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】この発明は、宇宙航行体
の少なくとも角速度に基づいて推定姿勢角/推定角速度
を決定して、その推定姿勢角/推定角速度に基づいて制
御トルクを算出し、その制御トルクに応じた駆動信号を
生成して、制御アクチュエータを駆動し、姿勢を制御す
る姿勢制御装置において、前記宇宙航行体の角速度及び
前記推定姿勢角に基づいて該宇宙航行体の角速度プロフ
ァイルにおける値が一定となる時間T1、姿勢変更量の
約1/2に到達する時間T2 、及び(時間T2 ×2−T
1 )の時間T3 を推定し、これら時間T1 〜時間T3 に
応じて、前記推定姿勢角に対するスレッシュホールド値
を順に低下させて設定する姿勢変更手段を備えて構成し
たものである。
According to the present invention, an estimated attitude angle / estimated angular velocity is determined based on at least an angular velocity of a spacecraft, and a control torque is calculated based on the estimated attitude angle / estimated angular velocity. In a posture control device that generates a drive signal according to a control torque, drives a control actuator, and controls a posture, a value in an angular velocity profile of the spacecraft based on the angular velocity of the spacecraft and the estimated attitude angle. Is constant T1, time T2 at which the posture change amount reaches about 1/2, and (time T2 × 2-T
1) Estimating the time T3 and, in accordance with these times T1 to T3, a posture changing means for sequentially decreasing and setting the threshold value for the estimated posture angle.

【0007】[0007]

【作用】上記構成によれば、姿勢変更は、推定姿勢角に
対するスレッシュホールド値が、角速度プロファィルに
基づいて設定した時間T1 ,T2 ,T3 で順に低下され
ていることにより、時間T1 で比較的高い制御トルクで
実行され、時間T2 〜T3 で順に低い制御トルクで実行
される。これにより、迅速な姿勢変更が可能となり、姿
勢変更後のオーバーシュートの軽減が図れる。
According to the above configuration, the posture change is relatively reduced at the time T1 because the threshold value for the estimated posture angle is reduced in order at the times T1, T2, and T3 set based on the angular velocity profile. It is executed with a higher control torque, and is executed with a lower control torque in order from time T2 to T3. As a result, the posture can be quickly changed, and overshoot after the posture change can be reduced.

【0008】[0008]

【実施例】以下、この発明の実施例について、図面を参
照して詳細に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0009】図1はこの発明の一実施例に係る姿勢制御
装置を示すもので、角度センサ10及び角速度センサ1
1は、衛星ダイナミクス12の姿勢角θ及び角速度ωを
検出して姿勢決定部13に出力する。姿勢決定部13に
はコマンドが入力され、このコマンドに基づいて推定姿
勢角θe 及び推定角速度ωe を決定する。姿勢決定部1
3は、その推定姿勢角出力端がスレッシュホールド値設
定部14を介して制御演算部15に接続され、その推定
角速度出力端が制御演算部15に接続される。制御演算
部15は、スレッシュホールド値設定部14を介して入
力される推定姿勢角θe1、及び姿勢決定部13からの推
定角速度ωe に基づいて制御トルクを算出して駆動信号
を生成し、制御アクチュエータ16を駆動制御して衛星
ダイナミクス12の姿勢を制御する。
FIG. 1 shows an attitude control apparatus according to an embodiment of the present invention.
1 detects the attitude angle θ and the angular velocity ω of the satellite dynamics 12 and outputs them to the attitude determination unit 13. A command is input to the attitude determination unit 13, and the estimated attitude angle θe and the estimated angular velocity ωe are determined based on the command. Posture determination unit 1
Reference numeral 3 has its estimated attitude angle output terminal connected to the control calculation unit 15 via the threshold value setting unit 14 and its estimated angular velocity output terminal connected to the control calculation unit 15. The control calculation unit 15 calculates a control torque based on the estimated attitude angle θe1 input via the threshold value setting unit 14 and the estimated angular velocity ωe from the attitude determination unit 13, generates a drive signal, and 16 is controlled to control the attitude of the satellite dynamics 12.

【0010】また、角速度センサ11の出力端には、姿
勢変更時間判定部17が接続される。この姿勢変更時間
判定部17には、その入力端にクロック18の出力端が
接続されると共に、姿勢決定部13の推定姿勢角出力端
が接続される。姿勢変更時間判定部17は、例えば図2
に示すように衛星ダイナミクス12の角速度プロファイ
ルにおける値が一定となる時間T1 、姿勢変更量の約1
/2に到達する時間T2 、及び(時間T2 ×2−T1 )
の時間T3 をクロック18からの時間T、角速度センサ
11からの角速度ω、及び姿勢決定部13からの推定姿
勢角θe に基づいて推定し、これら時間T1 〜時間T3
で図3に示すように推定姿勢角θe に対するスレッシュ
ホールド値が順に低下するように設定する。
An output terminal of the angular velocity sensor 11 is connected to an attitude change time determination unit 17. The output terminal of the clock 18 is connected to the input terminal of the posture change time determination unit 17, and the estimated posture angle output terminal of the posture determination unit 13 is connected to the input terminal. The posture change time determination unit 17 is, for example, as shown in FIG.
The time T1 at which the value in the angular velocity profile of the satellite dynamics 12 becomes constant as shown in FIG.
/ 2 to reach T / 2, and (time T2.times.2-T1)
Is estimated based on the time T from the clock 18, the angular velocity ω from the angular velocity sensor 11, and the estimated attitude angle θe from the attitude determination unit 13, and these time T 1 to time T 3
Is set so that the threshold value with respect to the estimated attitude angle θe decreases in order as shown in FIG.

【0011】なお、上記姿勢変更時間判定部17におい
て、例えば時間T1 を検知する前に、時間T2 を検知し
たような場合には、T2 =T1 として、T1 =T2 =T
3 として設定される。
When the posture change time determination unit 17 detects the time T2 before detecting the time T1, for example, it is assumed that T2 = T1 and T1 = T2 = T.
Set as 3.

【0012】上記構成において、姿勢変更を実行する場
合には、先ず、姿勢決定部13に姿勢変更量を設定する
コマンドが入力される。姿勢決定部13には角度センサ
10及び角速度センサ11から姿勢角θ及び角速度ωが
入力されており、これら姿勢角θ及び角速度ωと姿勢変
更量に基づいて推定姿勢角θe 及び推定角速度ωe を決
定する。ここで、姿勢変更時間判定部17は、上述した
ように衛星ダイナミクス12の角速度プロファイルにお
ける値が一定となる時間T1 、姿勢変更量の約1/2に
到達する時間T2 、及び(時間T2 ×2−T1 )の時間
T3 をクロック18からの時間T、角速度センサ11か
らの角速度ω、及び姿勢決定部13からの推定姿勢角θ
e に基づいて推定し、これら時間T1 〜時間T3 で図3
に示すように推定姿勢角θe に対するスレッシュホール
ド値が順に低下するように設定して、スレッシュホール
ド値設定部14に出力する。これにより、制御演算部1
5には姿勢決定部13からの推定角速度ωe 及びスレッ
シュホールド値が時間T1〜T3 で可変設定されるスレ
ッシュホールド値設定部14を介して推定姿勢角θe1が
入力され、これに基づいて制御トルクを算出して駆動信
号を生成し、制御アクチュエータ16を時間T1 〜T3
で強弱をつけて駆動する。この結果、衛星ダイナミクス
12は、角速度が図2に示すように変更されて姿勢変更
が完了される。
In the above configuration, when executing the posture change, first, a command for setting the posture change amount is input to the posture determination unit 13. The attitude determination unit 13 receives the attitude angle θ and the angular velocity ω from the angle sensor 10 and the angular velocity sensor 11, and determines the estimated attitude angle θe and the estimated angular velocity ωe based on the attitude angle θ and the angular velocity ω and the amount of change in the attitude. I do. Here, as described above, the attitude change time determination unit 17 determines the time T1 at which the value in the angular velocity profile of the satellite dynamics 12 is constant, the time T2 at which the amount of attitude change reaches about 1/2, and (time T2 × 2 −T1) is the time T3 from the clock 18, the angular velocity ω from the angular velocity sensor 11, and the estimated attitude angle θ from the attitude determination unit 13.
e at the time T1 to the time T3.
, The threshold value for the estimated attitude angle θe is set so as to decrease in order, and is output to the threshold value setting unit 14. Thereby, the control operation unit 1
5 is input with an estimated angular velocity ωe from an attitude determination unit 13 and an estimated attitude angle θe1 via a threshold value setting unit 14 in which a threshold value is variably set in a period of time T1 to T3. The drive signal is generated by calculation, and the control actuator 16 is set to the time T1 to T3.
Drive with strength. As a result, the angular velocity of the satellite dynamics 12 is changed as shown in FIG. 2, and the attitude change is completed.

【0013】このように、上記姿勢制御装置は、衛星ダ
イナミクス12の角速度ω及び推定姿勢角θe に基づい
て該衛星ダイナミクス12の角速度プロファイルにおけ
る値が一定となる時間T1 、姿勢変更量の約1/2に到
達する時間T2 、及び(時間T2 ×2−T1 )の時間T
3 を推定し、これら時間T1 〜時間T3 に応じて、推定
姿勢角θe に対するスレッシュホールド値を順に低下さ
せて設定し、姿勢変更を実行するように構成した。これ
によれば、推定姿勢角θe に対するスレッシュホールド
値が、角速度プロファイルに基づいて設定した時間T1
,T2 ,T3 で順に低下されていることにより、時間
T1 で比較的高い制御トルクで実行され、時間T2 〜T
3 で順に低い制御トルクで実行されることにより、消費
エネルギを効率的に利用して迅速な姿勢変更が可能とな
り、しかる姿勢変更後のオーバーシュートの軽減が図れ
る。
As described above, the attitude control device performs the time T1 when the value in the angular velocity profile of the satellite dynamics 12 becomes constant based on the angular velocity ω and the estimated attitude angle θe of the satellite dynamics 12, and about 1/1/3 2 and a time T of (time T2.times.2-T1).
3 is estimated, and the threshold value for the estimated attitude angle θe is sequentially reduced and set according to the time T1 to the time T3, and the attitude is changed. According to this, the threshold value for the estimated attitude angle θe is set to the time T1 set based on the angular velocity profile.
, T2, and T3, the motor is executed with a relatively high control torque at the time T1, and the time T2 to T3
By executing the control torque sequentially in the lower order in step 3, energy consumption can be efficiently used to quickly change the attitude, and overshoot after the appropriate attitude change can be reduced.

【0014】なお、上記実施例では、衛星ダイナミクス
12の姿勢角θを角度センサ10を用いて検出して、こ
の姿勢角θに基づいて姿勢決定部13で推定姿勢角θe
を決定するように構成したが、例えば角速度センサ11
で検出した衛星ダイナミクス12の角速度に基づいて推
定姿勢角を決定するようにしても良い。
In the above embodiment, the attitude angle θ of the satellite dynamics 12 is detected by using the angle sensor 10, and the attitude determination section 13 estimates the attitude angle θe based on the attitude angle θ.
Is determined, for example, the angular velocity sensor 11
The estimated attitude angle may be determined based on the angular velocity of the satellite dynamics 12 detected in the above.

【0015】また、上記実施例では、衛星に適用した場
合で説明したが、これに限ることなく、その他、マニピ
ュレータを搭載した宇宙作業機を含む各種の宇宙航行体
に適用可能である。よって、この発明は上記実施例に限
ることなく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々の変形を実施し得ることは勿論のことである。
Further, in the above embodiment, the case where the present invention is applied to a satellite has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to various space navigation vehicles including a spacecraft equipped with a manipulator. Therefore, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified without departing from the gist of the present invention.

【0016】[0016]

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、姿勢変更動作の迅速化を実現すると共に、消費エネ
ルギの省力化を図り得るようにした姿勢制御装置を提供
することができる。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a posture control device which can realize a quick posture changing operation and can save energy consumption.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施例に係る姿勢制御装置を示し
た図。
FIG. 1 is a diagram showing a posture control device according to an embodiment of the present invention.

【図2】角速度センサ出力のプロファイルを示した図。FIG. 2 is a diagram showing a profile of an angular velocity sensor output.

【図3】推定姿勢角に対するスレッシュホールド値の一
例を示した図。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a threshold value with respect to an estimated attitude angle.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…角度センサ、11…角速度センサ、12…衛星ダ
イナミクス、13…姿勢決定部、14…スレッシュホー
ルド値設定部、15…制御演算部、16…制御アクチュ
エータ、17…姿勢変更時間判定部、18…クロック。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Angle sensor, 11 ... Angular velocity sensor, 12 ... Satellite dynamics, 13 ... Attitude determination part, 14 ... Threshold value setting part, 15 ... Control calculation part, 16 ... Control actuator, 17 ... Attitude change time determination part, 18 ... clock.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B64G 1/24 G05D 1/08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) B64G 1/24 G05D 1/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 宇宙航行体の少なくとも角速度に基づい
て推定姿勢角/推定角速度を決定して、その推定姿勢角
/推定角速度に基づいて制御トルクを算出し、その制御
トルクに応じた駆動信号を生成して、制御アクチュエー
タを駆動し、姿勢を制御する姿勢制御装置において、 前記宇宙航行体の角速度及び前記推定姿勢角に基づいて
該宇宙航行体の角速度プロファイルにおける値が一定と
なる時間T1 、姿勢変更量の約1/2に到達する時間T
2 、及び(時間T2 ×2−T1 )の時間T3 を推定し、
これら時間T1〜時間T3 に応じて、前記推定姿勢角に
対するスレッシュホールド値を順に低下させて設定する
姿勢変更手段を具備したことを特徴とする姿勢制御装
置。
1. An estimated attitude angle / estimated angular velocity is determined based on at least an angular velocity of a spacecraft, a control torque is calculated based on the estimated attitude angle / estimated angular velocity, and a drive signal corresponding to the control torque is generated. The attitude control device generates, drives a control actuator, and controls the attitude. The time T1 at which the value in the angular velocity profile of the spacecraft becomes constant based on the angular velocity of the spacecraft and the estimated attitude angle, Time T to reach about 1/2 of the change amount
2 and a time T3 of (time T2 × 2-T1) is estimated,
A posture control device comprising posture changing means for sequentially decreasing and setting a threshold value for the estimated posture angle in accordance with the time T1 to the time T3.
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