JP3174174B2 - 人工衛星の姿勢制御装置 - Google Patents

人工衛星の姿勢制御装置

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JP3174174B2
JP3174174B2 JP31801792A JP31801792A JP3174174B2 JP 3174174 B2 JP3174174 B2 JP 3174174B2 JP 31801792 A JP31801792 A JP 31801792A JP 31801792 A JP31801792 A JP 31801792A JP 3174174 B2 JP3174174 B2 JP 3174174B2
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克彦 山田
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、たとえばロボットア
ームやアンテナなどの可動部を有する、無重力下におけ
る人工衛星において、上記可動部の運動によって生ずる
上記人工衛星の姿勢変動を補償することのできる人工衛
星の姿勢制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図７は、日本ロボット学会誌Ｖｏｌ.
９，Ｎｏ６，ｐ.７１８（１９９１）に開示された従来
の人工衛星の姿勢制御装置のブロック図である。
【０００３】図７において、５１は人工衛星本体、５２
は人工衛星本体５１に取り付けられたロボットアーム、
５３はロボットアーム５２のハンド部の加速度や人工衛
星本体５１の姿勢角加速度の加速度目標値＊ν（以下の
説明において＊は１回の時間微分操作を表し、νは人工
衛星本体５１の姿勢角速度とロボットアーム５２のハン
ド部の速度をまとめた値である）を発生する加速度目標
値発生部、５４は加速度目標値＊νからロボットアーム
５２の関節角加速度＊＊φや姿勢制御用のホイールの角
加速度を演算する関節角加速度演算部、５５は関節角加
速度演算部５４により演算された関節角加速度＊＊φを
基にさらにロボットアーム５２やホイールの制御トルク
を演算する制御トルク演算部、５６はホイールなどの姿
勢制御装置、５７はロボットアーム制御装置である。
【０００４】次に動作について説明する。
【０００５】まず、人工衛星本体５１の姿勢制御にホイ
ールを用いるものとして、そのホイールの回転角速度と
ロボットアーム５２の関節角速度をまとめて関節角速度
＊φで表す。
【０００６】いま人工衛星全体の運動量，角運動量が零
で保存されているものとすると前記νと＊φとの間には
ヤコビ行列Ｊを用いてν＝Ｊ（＊φ）という関係式が成
立する。
【０００７】さらに、この関係式に対し一回の時間微分
を施すと下記に示すように表すことが出来る。
【０００８】
【数１】
【０００９】加速度目標値発生部５３では、すでに述べ
たように人工衛星本体５１の姿勢角加速度やロボットア
ーム５２のハンド部の加速度の目標値を発生するのであ
るが、これら人工衛星本体５１の姿勢角加速度やロボッ
トアーム５２のハンド部の加速度の目標値が前記（１）
式の＊νに相当する。
【００１０】この＊νの計算には、人工衛星本体５１の
姿勢やロボットアーム５２のハンド部の加速度に基づく
制御量が用いられるのが一般的である。
【００１１】そして、前記＊νから（１）式を用いてロ
ボットアーム５２の関節角加速度＊＊φを関節角加速度
演算部５４により逆算する。
【００１２】このようにしてロボットアーム５２の関節
角加速度＊＊φが得られると、人工衛星全体５１の運動
方程式に基づいて、制御トルク演算部５５は前記得られ
た関節角加速度＊＊φを実現するような人工衛星本体５
１の姿勢制御トルクとロボットアーム５２の関節駆動ト
ルクを求める。
【００１３】人工衛星本体５１の姿勢制御トルクデータ
は、姿勢制御装置５６に入力されて人工衛星本体５１の
駆動トルクを発生する。
【００１４】また、ロボットアーム５２の関節駆動トル
クデータは、ロボットアーム制御装置５７に入力されて
ロボットアーム５２の駆動トルクを発生する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】従来の人工衛星の姿勢
制御装置は、以上のように構成されているので、ロボッ
トアームなどの可動部と人工衛星の姿勢とを同時に制御
することになり、ロボットアームなどの可動部の制御系
と人工衛星の制御系を夫々独立に動作させることができ
ない問題点があった。
【００１６】また、運動量の保存則を用いているため
に、姿勢制御系のアクチュエータにはホイールのような
内力を発生するアクチュエータしか用いることが出来
ず、スラスタのような外力を発生するアクチュエータは
使用することができないなどの問題点があった。
【００１７】さらにまた、ロボットアーム制御装置５７
には、ロボットアーム５２の関節駆動トルクを正確に実
現できる高精度のものが要求され、ロボットアーム５２
の関節駆動トルクを正確に実現できない場合には人工衛
星の姿勢変動の原因となるなどの問題点があった。
【００１８】請求項１の発明は上記のような問題点を解
消するためになされたもので、、可動部の制御を人工衛
星の姿勢制御に対し独立して行なうことができ、さらに
スラスタのような外力を発生するアクチュエータを使用
することができ、可動部の制御を高精度に行なうことな
く上記可動部の動作による人工衛星の姿勢変動を抑制し
て人工衛星の姿勢制御精度を向上させることのできる人
工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的とする。
【００１９】請求項２および請求項３、さらに請求項４
の発明は、可動部の制御を人工衛星の姿勢制御に対し独
立して行なうことができ、さらに可動部の制御を高精度
に行なうことなく上記可動部の動作による人工衛星の姿
勢変動を抑制して人工衛星の姿勢制御精度を向上させる
ことのできる人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的
とする。
【００２０】請求項５の発明は、可動部の制御を人工構
造物の姿勢制御に対し独立して行なうことができ、さら
にスラスタのような外力を発生するアクチュエータを使
用することができ、可動部の制御を高精度に行なうこと
なく上記可動部の動作による人工衛星の姿勢変動を抑制
して人工衛星の姿勢制御精度をさらに向上させることの
できる人工衛星の姿勢制御装置を得ることを目的とす
る。
【００２１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る人
工衛星の姿勢制御装置は、可動部分による人工衛星の質
量中心回りの角運動量を時間微分する微分演算手段の演
算結果を基に、可動部分による人工衛星の質量中心回り
の外乱トルクを打ち消すようにスラスタを動作させ、人
工衛星本体の姿勢を制御する姿勢制御トルクを与えるよ
うにしたものである。
【００２２】請求項２の発明に係る人工衛星の姿勢制御
装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運
動量を時間微分する微分演算手段の演算結果を基に、上
記可動部分による人工衛星の質量中心回りの外乱トルク
を打ち消すようにジャイロのジンバル角速度を制御し、
人工衛星に姿勢制御トルクを与えるようにしたものであ
る。
【００２３】請求項３の発明に係る人工衛星の姿勢制御
装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運
動量を演算する角運動量演算手段の演算結果を基に、上
記可動部分による人工衛星の質量中心回りの外乱角運動
量を打ち消すように複数のホイールの夫々に分配する角
運動量を求める角運動量分配手段と、上記ホイールの夫
々が有する角運動量が上記角運動量分配手段により分配
された角運動量になるように制御するホイール角運動量
制御手段とを備えたものである。
【００２４】請求項４の発明に係る人工衛星の姿勢制御
装置は、角運動量演算手段により演算した可動部分によ
る人工衛星の質量中心回りの外乱角運動量を基に、その
外乱角運動量を打ち消すようにジャイロのジンバル角度
を制御して人工衛星に姿勢制御トルクを与えるようにし
たものである。
【００２５】請求項５の発明に係る人工衛星の姿勢制御
装置は、可動部分を有した人工衛星の質量中心回りの上
記可動部分による外乱角運動量を演算する角運動量演算
手段と、その角運動量演算手段により演算した外乱角運
動量を基に、その外乱角運動量を打ち消すようにスラス
タを制御し人工衛星に制御トルクを与えるスラスタ制御
手段と、人工衛星本体の姿勢制御を行なうためのフィー
ドバック量および姿勢制御のための指令値を基に、アク
チュエータを制御して人工衛星本体の姿勢制御トルクを
発生させる姿勢制御トルク発生部とを備えたものであ
る。
【００２６】
【作用】請求項１の発明における人工衛星の姿勢制御装
置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動
量を演算し、この演算結果を時間微分して上記可動部分
の運動による外乱トルクを求め、その外乱トルクを打ち
消すようにスラスタを動作させて人工衛星に姿勢制御ト
ルクを与え、上記可動部分の運動による外乱トルクを抑
制する一方、人工衛星本体の姿勢制御を姿勢制御のため
の目標値とフィードバックされる制御量とを基に行なう
ようにして、上記可動部分の制御を人工衛星本体の姿勢
制御に対し独立して行なうことを可能にすると共に人工
衛星の姿勢制御精度を向上させる。
【００２７】請求項２の発明における人工衛星の姿勢制
御装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角
運動量を演算し、この演算結果を時間微分して上記可動
部分の運動による外乱トルクを求め、その外乱トルクを
打ち消すようにジャイロのジンバル角速度を制御して人
工衛星に姿勢制御トルクを与え、上記可動部分の角運動
量による外乱トルクを抑制する一方、人工衛星本体の姿
勢制御を姿勢制御のための目標値とフィードバックされ
る制御量とを基に行なうようにして、上記可動部分の制
御を人工衛星本体の姿勢制御に対し独立して行なうこと
を可能にすると共に人工衛星の姿勢制御精度を向上させ
る。
【００２８】請求項３の発明における人工衛星の姿勢制
御装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角
運動量を演算し人工衛星に作用する外乱角運動量を求
め、その外乱角運動量を打ち消すような角運動量をホイ
ールにより発生させ上記外乱角運動量による人工衛星の
姿勢変動を抑制する一方、人工衛星本体の姿勢制御を姿
勢制御のための目標値とフィードバックされる制御量と
を基に行なうようにして、上記可動部分の制御を人工衛
星本体の姿勢制御に対し独立して行なうことを可能にす
ると共に人工衛星の姿勢制御精度を向上させる。
【００２９】請求項４の発明における人工衛星の姿勢制
御装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角
運動量を演算し人工衛星に作用する外乱角運動量を求
め、上記外乱角運動量を打ち消すようにジンバル角度を
制御し人工衛星の姿勢変動を抑制する一方、人工衛星本
体の姿勢制御を姿勢制御のための目標値とフィードバッ
クされる制御量とを基に行なうようにして、上記可動部
分の制御を人工衛星本体の姿勢制御に対し独立して行な
うことを可能にすると共に人工衛星の姿勢制御精度を向
上させる。
【００３０】請求項５の発明における人工衛星の姿勢制
御装置は、可動部分による人工衛星の質量中心回りの角
運動量を求め、その角運動量を基にスラスタを動作させ
上記可動部分による外乱角運動量を打ち消すための制御
トルクを発生させる一方、人工衛星本体の姿勢制御を上
記スラスタとは別のアクチュエータにより行ない、人工
衛星本体の姿勢制御に対し独立して上記可動部分の制御
を行なうことを可能にすると共に人工衛星の姿勢制御精
度を向上させる。
【００３１】
【実施例】
実施例１.以下、請求項１の発明の一実施例を図につい
て説明する。
【００３２】図１において、１は人工衛星本体、２は人
工衛星本体に取り付けられたロボットアーム、３はロボ
ットアーム２の運動により人工衛星全体の質量中心回り
に生ずる角運動量を演算するための角運動量演算部（角
運動量演算手段）である。
【００３３】４は角運動量演算部３により演算された角
運動量を疑似的に時間微分する疑似微分演算部（微分演
算手段）、５はスラスタモジュレータ（スラスタ制御手
段）である。
【００３４】このスラスタモジュレータ５は、加え合わ
せ点５ａと１次遅れ要素５ｂと３位置リレー要素５ｃと
を備えている。
【００３５】８はスラスタ、９は加え合わせ点、１０は
姿勢角指令値とフィードバックされる制御量とから加え
合わせ点９により求められた操作量を基に人工衛星の姿
勢制御を行なう姿勢制御演算部（姿勢制御演算手段）で
あり、例えばＰＤ制御などが行なわれる。
【００３６】１１ａは姿勢制御演算部１０の出力と疑似
微分演算部４の出力との加え合わせ点である。
【００３７】次に動作について説明する。
【００３８】通常、姿勢制御演算部１０は、人工衛星本
体１の角運動量などの指令値と人工衛星本体１の図示し
ていない角運動量などの検出装置により検出される制御
量とを基に人工衛星本体１の姿勢制御を行なっており、
これにより人工衛星本体の姿勢は前記指令値と一致する
ように制御されている。
【００３９】この場合、姿勢制御演算部１０の出力は、
加え合わせ点１１ａにおいて疑似微分演算部４の出力と
加え合わされ、スラスタモジュレータ５の入力すなわち
人工衛星本体１の姿勢制御トルクの目標値となってい
る。
【００４０】人工衛星本体１の姿勢制御トルクの目標値
信号は、加え合わせ点５ａを介してスラスタモジュレー
タ５の１次遅れ要素５ｂに供給され、さらに３位置リレ
ー要素５ｃに出力される。
【００４１】３位置リレー要素５ｃでは、１次遅れ要素
５ｂから供給された姿勢制御トルクの目標値信号の大き
さおよびその極性を基に、スラスタ８の推力発生方向お
よびスラスタ８のオン／オフ制御を行なう。
【００４２】この場合、スラスタモジュレータ５はスラ
スタ８に対しスラスタモジュレータ５の入力にほぼ等し
いトルクを発生させる働きをしている。
【００４３】これはスラスタモジュレータ５がその内部
に備えているフィードバックループのためであり、３位
置リレー要素５ｃの出力はスラスタ８の噴射信号に直接
対応している。
【００４４】また、１時遅れ要素５ｂはスラスタモジュ
レータ５を安定に動作させる働きをする。
【００４５】このような状況において、人工衛星本体に
取り付けられたロボットアーム２が運動すると、そのロ
ボットアームによる人工衛星全体の質量中心回りに生ず
る角運動量ｈａを角運動量演算部３が演算し、疑似微分
演算部４に出力する。
【００４６】疑似微分演算部４は、角運動量演算部３が
演算した角運動量ｈａを近似的に時間微分し、外乱トル
ク＊ｈａを求める。
【００４７】この外乱トルク＊ｈａは、人工衛星本体１
の姿勢制御トルクの目標値として、加え合わせ点１１
ａ，５ａを介してスラスタモジュレータ５に出力され
る。
【００４８】スラスタモジュレータ５は、供給された人
工衛星本体１の姿勢制御トルクの目標値信号に応じてス
ラスタ８を動作させ噴射させる。
【００４９】このスラスタ８により人工衛星本体に作用
する姿勢制御トルクは、ロボットアーム２などの可動部
により人工衛星全体の質量中心回りに生ずる外乱トルク
を打ち消すように作用するものであり、この外乱トルク
が打ち消される結果、ロボットアーム２などの可動部の
運動により人工衛星本体１の姿勢角速度が変動すること
はない。
【００５０】すなわち、前記角運動量演算部３が演算し
た角運動量をｈａ、人工衛星本体１の姿勢角速度により
生ずる角運動量をｈｓ、スラスタ８により人工衛星に加
わる姿勢制御トルクをγとすると、＊ｈａ＋＊ｈｓ＝γ
なる関係が成立する。
【００５１】したがって、スラスタ８で発生するトルク
γが＊ｈａにほぼ等しいと＊ｈｓは零となり、ｈｓは人
工衛星本体１の姿勢角速度で決ることから、人工衛星本
体１の姿勢角速度には影響を及ぼさないことになる。
【００５２】スラスタで発生するトルクの目標値として
角運動量演算部３で演算して求めた角運動量ｈａを時間
微分して与えればよく、角運動量演算部３で演算して求
めた角運動量ｈａから＊ｈａを求めるものが疑似微分演
算部４であり、角運動量ｈａを厳密に時間微分すること
は困難であるが、ロボットアーム２などの可動部の運動
の周波数帯域を考慮すればフィルタ等で実現できる疑似
微分で充分実用になるものである。
【００５３】なお、疑似微分演算部４はオブザーバのよ
うな推定器に置き換えてもよい。
【００５４】実施例２.以下、請求項２の発明の一実施
例を図について説明する。図２において図１と同一また
は相当の部分については同一の符号を付し説明を省略す
る。
【００５５】図２において、１２はコントロールモーメ
ントジャイロ（以下ＣＭＧという）、１３はＣＭＧ１２
のジンバル角速度の目標値を演算するジンバル角速度演
算部、１４はジンバル角速度の目標値と加え合わせ点１
１ｂにフィードバックされるジンバル角速度とを基に、
ＣＭＧ１２のジンバル角速度が目標値と等しくなるよう
に制御を行なうジンバル角速度制御部（ジンバル角速度
制御手段）である。
【００５６】図３は、ＣＭＧ１２の一例を示す斜視図で
ある。図３において、１２ａはモーメンタムホイール、
１２ｂはジンバル台である。
【００５７】ＣＭＧ１２は、大きな角運動量を有するモ
ーメンタムホイール１２ａをジンバル台１２ｂ上に構成
し、そのジンバル角を制御することで人工衛星本体１の
姿勢を制御するためのアクチュエータであり、通常ＣＭ
Ｇは複数個存在する。
【００５８】次に動作について説明する。
【００５９】ロボットアーム２のような可動部が運動し
たときの人工衛星全体の質量中心回りに有する角運動量
を角運動演算部３により演算する。
【００６０】この角運動量をｈａとし、また人工衛星本
体１の姿勢角速度により生じる角運動量をｈｓとする。
【００６１】いま、ｉ番目のＣＭＧが有する各運動量を
ｈｃｉとし、ｊ番目のジンバル角をθｉｊ、ジンバル角
θｉｊの回転軸方向の単位ベクトルをｚｉｊとすると、
ｈａ，ｈｓ，ｈｃｉの間にはほぼ次ぎのような関係が成
立する。
【００６２】
【数２】
【００６３】ここで「×」はベクトル間の外積を表す。
【００６４】従って、下記に示す式（２）の関係を満足
するように＊θｉｊを選定すれば人工衛星本体１の姿勢
角速度が変動することがなくなる。
【００６５】
【数３】
【００６６】＊ｈａは疑似微分演算部４の出力として得
られ、さらにこの＊ｈａから前記ジンバル角速度＊θｉ
ｊを満足するＣＭＧ１２のジンバル角速度目標値を演算
し出力するのがジンバル角速度演算部１３の動作であ
る。
【００６７】ジンバル角速度制御部１４では、ＣＭＧ１
２のジンバル角速度がジンバル角速度演算部１３から出
力されるジンバル角速度目標値と等しくなるように制御
を行なう。
【００６８】この結果、ＣＭＧ１２で発生する姿勢制御
トルクが＊ｈａにほぼ等しい（方向は逆）と＊ｈｓは零
となり、ｈｓは人工衛星本体１の姿勢角速度で決ること
から、人工衛星本体１の姿勢角速度には影響を及ぼさな
いことになる。
【００６９】なお、疑似微分演算部４はオブザーバのよ
うな推定器に置き換えてもよい。
【００７０】実施例３.以下、請求項３の発明の一実施
例を図について説明する。図４において図１と同一また
は相当の部分については同一の符号を付し説明を省略す
る。
【００７１】図４において、１５は姿勢制御用のホイー
ル（姿勢制御トルク発生部）であり、通常は複数個設け
られている。１６は加え合わせ点１１ａを介して供給さ
れた各運動量をホイール１５に分配するための角運動量
分配部（角運動量分配手段）、１７は角運動量分配部１
６によりホイール１５に対して分配された角運動量の目
標値とホイール１５が有する角運動量が一致するよう
に、前記目標値と加え合わせ点１１ｃにフィードバック
されるホイール角運動量とを基にホイール１５の回転角
速度の制御を行なう角運動量制御部（ホイール角運動量
制御手段，姿勢制御トルク発生部）である。
【００７２】次に動作について説明する。
【００７３】ロボットアーム２のような可動部が人工衛
星全体の質量中心回りに有する角運動量を角運動量演算
部３により演算して求める。
【００７４】角運動量演算部３により演算して求めた角
運動量をｈａ、人工衛星本体１の姿勢各速度により生じ
る角運動量をｈｓ、複数のホイールの内でｉ番目のホイ
ール１５の有する角運動量をｈｗｉとする。
【００７５】スラスタのような外力を発生するアクチュ
エータを用いなければ人工衛星全体の質量中心回りの角
運動量は保存され、次に示す関係式が成立する。
【００７６】
【数４】
【００７７】従って、下記に示す式（３）の関係を満足
するようにホイール１５の回転角速度を制御すれば人工
衛星本体１の姿勢角速度は変動することがない。
【００７８】
【数５】
【００７９】ホイールは複数個設けられているので、式
（３）が成立するように夫々のホイールに角運動量−ｈ
ａを割り振る必要があり、この割り振りを行なうのが角
運動量分配部１６である。
【００８０】そして、夫々のホイールに対する角運動量
の目標値が得られると、ホイール１５に対しては角運動
量の目標値とフィードバックされるホイール１５の角運
動量とを基に角運動量制御部１７が角運動量の制御を行
ない、ホイール１５の角運動量は前記目標値と等しい角
運動量を有するようにする。
【００８１】ホイール１５の角運動量はその回転角速度
で決るので、回転角速度に回転軸回りの慣性モーメント
を掛ければフィードバックに必要なホイール角運動量を
得ることが出来る。
【００８２】一方、姿勢制御演算部１０ではロボットア
ーム２の動きにかかわらず通常の姿勢制御を行なえばよ
い。
【００８３】この場合、ホイール１５は角運動量制御さ
れているので姿勢制御演算部１０では角運動量に対応し
た信号を出力することになり、またＰＩ制御などが行な
われることになる。
【００８４】実施例４.以下、請求項４の発明の一実施
例を図について説明する。図５において図２と同一また
は相当の部分については同一の符号を付し説明を省略す
る。
【００８５】図５において、１８はＣＭＧ１２のジンバ
ル角度の目標値を演算して出力するジンバル角度演算
部、１９はＣＭＧ１２のジンバル角度が目標値と一致す
るように、前記目標値と加え合わせ点１１ｄにフィード
バックされるジンバル角度とを基にジンバル角度の制御
を行なうジンバル角度制御部（ジンバル角度制御手段）
である。
【００８６】次に動作について説明する。
【００８７】ロボットアーム２のような可動部が人工衛
星全体の質量中心回りに有する角運動量を角運動量演算
部３により演算して求める。
【００８８】角運動量演算部３により演算して求めた角
運動量をｈａ、人工衛星本体１の姿勢各速度により生じ
る角運動量をｈｓ、ｉ番目のＣＭＧ１２の有する角運動
量をｈｃｉとする。
【００８９】スラスタのような外力を発生するアクチュ
エータを用いなければ人工衛星全体の質量中心回りの角
運動量は保存され、次に示す関係式が成立する。
【００９０】
【数６】
【００９１】従って、下記に示す式（４）の関係を満足
するようにＣＭＧ１２の角運動量を制御すれば人工衛星
本体１の姿勢角速度は変動することがない。
【００９２】
【数７】
【００９３】ＣＭＧ１２の角運動量は、ホイールのよう
に回転角速度で制御するのではなく、ＣＭＧ１２を傾け
て角運動量ベクトルの方向を変えることで制御する。
【００９４】すなわち、ＣＭＧ１２のジンバル角度を適
当な値に制御し、ロボットアーム２の運動による人工衛
星全体の質量中心回りに生ずる角運動量を打ち消す。
【００９５】この場合、角運動量演算部３の出力に応じ
たジンバル角度に制御するためのジンバル角度目標値を
ジンバル角度演算部１８で演算して求める。
【００９６】そして、夫々のＣＭＧのジンバル角度目標
値が得られると、ＣＭＧ１２に対しては、ジンバル角度
制御部１９がジンバル角度の目標値とフィードバックさ
れるＣＭＧ１２のジンバル角度とを基にジンバル角度の
制御を行ない、ＣＭＧ１２のジンバル角度を前記目標値
に一致させ、夫々のＣＭＧにより生ずる角運動量により
ロボットアーム２の運動による人工衛星全体の質量中心
回りに生ずる角運動量を相殺するように作用させる。
【００９７】一方、姿勢制御演算部１０ではロボットア
ーム２の動きにかかわらず通常の姿勢制御を行なえばよ
い。
【００９８】この場合、ＣＭＧ１２は角運動量制御され
ているので、姿勢制御演算部１０では角運動量に対応し
た信号を出力することになり、またＰＩ制御などが行な
われることになる。
【００９９】実施例５.以下、請求項５の発明の一実施
例を図について説明する。図６において図１および図４
と同一または相当の部分については同一の符号を付し説
明を省略する。
【０１００】図６において、２０はスラスタモジュレー
タ５に備えられた積分要素であり、スラスタモジュレー
タ５の出力のフィードバックループに設けられている。
【０１０１】次に動作について説明する。
【０１０２】角運動量演算部３は、ロボットアーム２の
ような可動部が人工衛星全体の質量中心回りに有する角
運動量を演算して求める。
【０１０３】この角運動量をｈａ、人工衛星本体の姿勢
角速度により生じる角運動量をｈｓ、スラスタ８により
人工衛星に付加される角運動量をｈｔとすると、前記可
動部が人工衛星全体の質量中心回りに有する角運動量ｈ
ａと人工衛星本体１の角運動量ｈｓの和は、スラスタ８
により人工衛星本体に付加される角運動量ｈｔに等し
く、ｈａ＋ｈｓ＝ｈｔと表すことが出来る。
【０１０４】従って、ｈｔ＝ｈａとなるようにスラスタ
８を噴射すれば人工衛星本体１の姿勢角速度が変動する
ことはない。
【０１０５】この場合、スラスタ８が人工衛星に付加す
る角運動量ｈｔは、スラスタ８が発生するトルクの時間
積分で与えられるから、スラスタ８に対する出力信号
（噴射指令値）をスラスタモジュレータ５において時間
積分してフィードバックするようにすれば、スラスタ８
が人工衛星に付加する角運動量ｈｔをスラスタモジュレ
ータ５の入力とほぼ等しくすることが出来る。
【０１０６】積分要素２０は、この目的のために用いら
れる時間積分要素であり、スラスタモジュレータ５に角
運動量演算部３の出力ｈａを入力すれば、ほぼｈｔ＝ｈ
ａが成り立つことになる。
【０１０７】姿勢制御演算部１０では、ホイール１５を
用いた姿勢制御を行っており、スラスタ８の出力とホイ
ール１５の出力は並行して人工衛星本体１に入力され
る。
【０１０８】この場合、ロボットアーム２の角運動量は
スラスタ８により補償されているので、姿勢制御演算部
１０ではロボットアーム２の運動を考慮しないで通常の
姿勢制御を行なえばよい。
【０１０９】なお、この実施例では、スラスタモジュレ
ータ５を３位置リレー要素５ｃと積分要素２０だけで構
成する場合を示したが、スラスタモジュレータ５の安定
性や定常特性が問題になる場合には、３位置リレー要素
５ｃの前に位相補償要素を設け、スラスタモジュレータ
５の安定性や定常特性を改善することが出来る。
【０１１０】また、この実施例では、通常の姿勢制御に
ホイール１５を用いる場合を示したが、ＣＭＧやスラス
タを用いて通常の姿勢制御系を構成してもよい。
【０１１１】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、可動部の運動による人工衛星全体の質量中に有する
角運動量を求め、これを疑似微分して上記可動部が人工
衛星本体に及ぼす外乱トルクを求め、この外乱トルクを
打ち消すようにスラスタにより制御トルクを与え、この
状態で人工衛星本体の姿勢制御を行なうように構成した
ので、可動部の制御は人工衛星本体の制御に対し独立に
行なうことが出来、また可動部の制御系は高精度の駆動
トルクの制御を行なう必要がなく、上記可動部の運動に
よる人工衛星本体の姿勢変動を抑制し、上記可動部の運
動中においても人工衛星本体の姿勢制御精度を向上させ
ることが出来る効果がある。
【０１１２】請求項２の発明によれば、可動部の運動に
よる人工衛星全体の質量中に有する角運動量を求め、こ
れを疑似微分して上記可動部が人工衛星本体に及ぼす外
乱トルクを求め、ＣＭＧのジンバル角速度を制御して上
記外乱トルクを打ち消すように制御トルクを与え、この
状態で人工衛星本体の姿勢制御を行なうように構成した
ので、可動部の制御は人工衛星本体の制御とは独立に行
なうことが出来、また可動部の制御系は高精度の駆動ト
ルクの制御を行なう必要がなく、さらに姿勢制御用のア
クチュエータが姿勢制御トルクを正確に実現するのが困
難な場合にも用いることができ、上記可動部の運動によ
る人工衛星本体の姿勢変動を抑制し、上記可動部の運動
中においても人工衛星本体の姿勢制御精度を向上させる
ことが出来る効果がある。
【０１１３】請求項３の発明によれば、可動部の運動に
よる人工衛星全体の質量中に有する角運動量を求め、上
記可動部が人工衛星本体に及ぼす外乱角運動量を求め、
ホイールの角運動量を制御して上記外乱角運動量を打ち
消すように制御トルクを与え、この状態で人工衛星本体
の姿勢制御を行なうように構成したので、可動部の制御
は人工衛星本体の制御とは独立に行なうことが出来、ま
た可動部の制御系は高精度の駆動トルクの制御を行なう
必要がなく、さらに姿勢制御用のアクチュエータが姿勢
制御トルクを正確に実現するのが困難な場合にも用いる
ことができ、上記可動部の運動による人工衛星本体の姿
勢変動を抑制し、上記可動部の運動中においても人工衛
星本体の姿勢制御精度を向上させることが出来る効果が
ある。
【０１１４】請求項４の発明によれば、可動部の運動に
よる人工衛星全体の質量中に有する角運動量を求め、上
記可動部が人工衛星本体に及ぼす外乱角運動量を求め、
さらにこの外乱角運動量を打ち消すようにＣＭＧのジン
バル角度を制御し制御トルクを与え、この状態で人工衛
星本体の姿勢制御を行なうように構成したので、可動部
の制御は人工衛星本体の制御とは独立に行なうことが出
来、また可動部の制御系は高精度の駆動トルクの制御を
行なう必要がなく、さらに姿勢制御用のアクチュエータ
が姿勢制御トルクを正確に実現するのが困難な場合にも
用いることができ、上記可動部の運動による人工衛星本
体の姿勢変動を抑制し、上記可動部の運動中においても
人工衛星本体の姿勢制御精度を向上させることが出来る
効果がある。
【０１１５】請求項５の発明によれば、可動部の運動に
よる人工衛星全体の質量中心に有する角運動量を求め、
上記可動部が人工衛星本体に及ぼす外乱角運動量を求
め、さらにこの外乱角運動量を打ち消すようにスラスタ
を制御し制御トルクを与え、上記可動部の運動による人
工衛星本体の姿勢変動を抑制する一方、人工衛星本体の
姿勢制御を行なうための姿勢制御トルクを発生させる姿
勢制御トルク発生部を備えるように構成したので、可動
部の制御は人工衛星本体の姿勢制御とは独立に行なうこ
とが出来、また可動部の制御系は高精度の駆動トルクの
制御を行なう必要がなく、さらに人工衛星本体の姿勢制
御用のアクチュエータが姿勢制御トルクを正確に実現す
るのが困難な場合にも用いることができ、上記可動部の
運動による人工衛星本体の姿勢変動を抑制し、上記可動
部の運動中においても人工衛星本体の姿勢制御精度を向
上させることが出来る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置を示すブロック線図である。
【図２】請求項２の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置を示すブロック線図である。
【図３】請求項２の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置のＣＭＧを示す斜視図である。
【図４】請求項３の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置を示すブロック線図である。
【図５】請求項４の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置を示すブロック線図である。
【図６】請求項５の発明の一実施例による人工衛星の姿
勢制御装置を示すブロック線図である。
【図７】人工衛星の従来の姿勢制御装置を示すブロック
線図である。
【符号の説明】
１ 人工衛星本体 ２ ロボットアーム ３ 角運動量演算部（角運動量演算手段） ４ 疑似微分演算部（微分演算手段） ５ スラスタモジュレータ（スラスタ制御手段） ８ スラスタ １０ 姿勢制御演算部（姿勢制御演算手段） １２ ＣＭＧ（ジャイロ） １４ ジンバル角速度制御部（ジンバル角速度制御手
段） １５ ホイール（姿勢制御トルク発生部） １６ 角運動量分配部（角運動量分配手段） １７ 角運動量制御部（ホイール角運動量制御手段，姿
勢制御トルク発生部） １９ ジンバル角度制御部（ジンバル角度制御手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B64G 1/28 G05D 1/08

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可動部分を有した人工衛星において、上
    記可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を
    演算する角運動量演算手段と、その角運動量演算手段の
    演算結果を時間微分する微分演算手段と、上記人工衛星
    の姿勢制御のための制御量と指令値とを基に人工衛星の
    姿勢制御のための操作量を演算する姿勢制御演算手段
    と、上記微分演算手段の演算結果と上記姿勢制御演算手
    段の演算結果とを基にスラスタを動作させ、上記可動部
    分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を打ち消す
    と共に人工衛星本体の姿勢を制御する姿勢制御トルクを
    与えるスラスタ制御手段とを備えた人工衛星の姿勢制御
    装置。
  2. 【請求項２】 可動部分を有した人工衛星において、上
    記可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を
    演算する角運動量演算手段と、その角運動量演算手段の
    演算結果を時間微分する微分演算手段と、上記人工衛星
    の姿勢制御のための制御量と指令値とを基に人工衛星の
    姿勢制御を行なうための操作量を演算する姿勢制御演算
    手段と、上記微分演算手段の演算結果と上記姿勢制御演
    算手段の演算結果とを基に上記可動部分による人工衛星
    の質量中心回りの角運動量を打ち消すようにジャイロの
    ジンバル角速度を制御し上記人工衛星に姿勢制御トルク
    を与えるジンバル角速度制御手段とを備えた人工衛星の
    姿勢制御装置。
  3. 【請求項３】 可動部分を有した人工衛星において、上
    記可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を
    演算する角運動量演算手段と、その人工衛星の姿勢制御
    のための制御量と指令値とを基に人工衛星の姿勢制御に
    ための操作量を演算する姿勢制御演算手段と、上記人工
    衛星に姿勢制御トルクを与える複数のホイールと、上記
    角運動量演算手段の演算結果と上記姿勢制御演算手段の
    演算結果とを基に上記ホイールの夫々に分配する角運動
    量データを求める角運動量分配手段と、その角運動量分
    配手段により求められた角運動量データを基に上記可動
    部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を打ち消
    すように上記ホイールの夫々の角運動量を制御し上記人
    工衛星に姿勢制御トルクを与えるホイール角運動量制御
    手段とを備えた人工衛星の姿勢制御装置。
  4. 【請求項４】 可動部分を有した人工衛星において、上
    記可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を
    演算する角運動量演算手段と、その人工衛星の姿勢制御
    のための制御量および指令値とを基に人工衛星の姿勢制
    御のための操作量を演算する姿勢制御演算手段と、上記
    角運動量演算手段の演算結果と上記姿勢制御演算手段の
    演算結果とを基に上記可動部分による人工衛星の質量中
    心回りの角運動量を打ち消すようにジャイロのジンバル
    角度を制御し上記人工衛星に姿勢制御トルクを与えるジ
    ンバル角度制御手段とを備えた人工衛星の姿勢制御装
    置。
  5. 【請求項５】 可動部分を有した人工衛星において、上
    記可動部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を
    演算する角運動量演算手段と、その角運動量演算手段に
    より演算した角運動量を基にスラスタを制御し上記可動
    部分による人工衛星の質量中心回りの角運動量を打ち消
    すように姿勢制御トルクを与えるスラスタ制御手段と、
    人工衛星本体の姿勢制御を行なうための制御量および姿
    勢制御のための指令値を基に、アクチュエータを制御し
    人工衛星本体の姿勢制御トルクを発生させる姿勢制御ト
    ルク発生部とを備えた人工衛星の姿勢制御装置。
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