JP5228641B2 - Attitude control device and position control device - Google Patents

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Description

この発明は、人工衛星に搭載されたコントロールモーメントジャイロ(以下、CMG;Control Moment Gyro)を用いて姿勢制御を行う人工衛星の姿勢制御装置、および複数の関節を持つマニピュレータの手先位置を制御する位置制御装置に関するものである。   The present invention relates to an attitude control device for an artificial satellite that performs attitude control using a control moment gyro (hereinafter, CMG) mounted on the artificial satellite, and a position for controlling the hand position of a manipulator having a plurality of joints. The present invention relates to a control device.

複数のCMGを用いて、人工衛星の三軸姿勢制御を行う姿勢制御装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このようなシステムでは、各CMGのジンバル角度の組み合わせによりある軸まわりのトルクを出力できない特異点の状態が存在する。このため、特異点における不安定な挙動を避けるためにヤコビ行列の擬似逆行列の近似式を用いて、姿勢制御トルクの目標値からジンバル角速度の目標値を計算して制御している。   An attitude control device that performs three-axis attitude control of an artificial satellite using a plurality of CMGs is known (see, for example, Patent Document 1). In such a system, there exists a state of a singular point where torque around a certain axis cannot be output by a combination of gimbal angles of the CMGs. Therefore, in order to avoid unstable behavior at a singular point, the target value of the gimbal angular velocity is calculated and controlled from the target value of the attitude control torque using an approximate expression of the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix.

また、類似したシステムの例として、複数の関節を持つマニピュレータにおいて、各関節を駆動することによりマニピュレータ先端の位置・速度を制御する制御装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。このようなシステムでは、フィードバック制御とフィードフォワード制御を組み合わせてマニピュレータ先端速度の目標値を計算する。この際、特異点における不安定な挙動を避けるためにヤコビ行列の近似逆行列を用いて、マニピュレータ先端速度の目標値から関節角速度の目標値を計算して制御している。   As an example of a similar system, a control device that controls the position and speed of the tip of a manipulator by driving each joint in a manipulator having a plurality of joints is known (for example, see Patent Document 2). In such a system, the target value of the manipulator tip speed is calculated by combining feedback control and feedforward control. At this time, in order to avoid unstable behavior at a singular point, the target value of the joint angular velocity is calculated and controlled from the target value of the manipulator tip speed using an approximate inverse matrix of the Jacobian matrix.

特表2002−506773号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-506773 特開平7−314363号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-314363

しかしながら、ヤコビ行列の擬似逆行列の近似式を用いると近似誤差が生じる。このため、このようにして計算されたジンバル角速度からは所望の姿勢運動を実現することができず、特異点の近傍では姿勢制御誤差が大きくなるという課題があった。   However, if an approximate expression of a pseudo inverse matrix of a Jacobian matrix is used, an approximation error occurs. For this reason, a desired posture motion cannot be realized from the gimbal angular velocity calculated in this way, and there is a problem that a posture control error becomes large in the vicinity of a singular point.

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、特異点とその近傍においても所望の姿勢運動を実現することのできる姿勢制御装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a posture control device that can realize a desired posture motion even at a singular point and its vicinity.

また、この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、特異点とその近傍においても所望の手先運動を実現することのできる位置制御装置を得ることを目的とする。   Another object of the present invention is to provide a position control device capable of realizing a desired hand movement even at a singular point and in the vicinity thereof.

この発明による姿勢制御装置は、人工衛星の所望の姿勢運動に応じて求められるフィードフォワードジンバル角速度および当該人工衛星の目標姿勢角を計算するとともに、当該人工衛星の姿勢および複数のコントロールモーメントジャイロの回転を制御する姿勢コントローラを備え、上記姿勢コントローラは、上記目標姿勢角と観測される人工衛星の姿勢角との姿勢角誤差に基づいて姿勢制御トルクを計算するフィードバック制御系を有し、上記コントロールモーメントジャイロにおける特異点近傍で上記フィードフォワードジンバル角速度の成分に比して上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度の成分が小さくなるように、上記フィードバック制御系で計算された姿勢制御トルクから上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度の成分を求め、求めたジンバル角速度の成分と上記フィードフォワードジンバル角速度の組合せに基づいて、上記コントロールモーメントジャイロに上記人工衛星の姿勢制御トルクを発生させる、ものである。   The attitude control device according to the present invention calculates a feedforward gimbal angular velocity and a target attitude angle of the artificial satellite which are obtained according to a desired attitude movement of the artificial satellite, and rotates the attitude of the artificial satellite and a plurality of control moment gyros. The attitude controller has a feedback control system for calculating attitude control torque based on an attitude angle error between the target attitude angle and the observed attitude angle of the satellite, and the control moment From the attitude control torque calculated by the feedback control system, the control moment gyro is adjusted so that the gimbal angular velocity component of the control moment gyro is smaller than the feed forward gimbal angular velocity component near the singular point in the gyro. Seeking components Nbaru angular velocity, based on a combination of the components of gimbal angular velocity calculated and the feedforward gimbal angular velocity, to generate attitude control torque of the satellite to the control moment gyros, those.

また、この発明による位置制御装置は、複数の関節を持つマニピュレータの手先位置を制御する位置制御装置であって、上記マニピュレータの手先位置誤差に基づくフィードバック制御速度を出力するための関節角速度を計算する関節分配則部と、上記マニピュレータの所望の手先運動に基づいてフィードフォワード関節角速度を計算するマニュピレータ運動計画部と、上記関節分配則部で計算される関節角速度と上記マニュピレータ運動計画部で計算されるフィードフォワード関節角速度とを組み合わせ、上記マニュピレータの特異点において上記フィードバック制御速度の大きさが0になるように、当該特異点に近づくに従ってフィードバック制御速度の大きさを小さくし、フィードバック制御とフィードフォワード制御を連続的に切り替えることを特徴としたものである。   The position control device according to the present invention is a position control device for controlling the hand position of a manipulator having a plurality of joints, and calculates a joint angular velocity for outputting a feedback control speed based on the hand position error of the manipulator. Calculated by the joint distribution law unit, the manipulator motion planning unit that calculates the feedforward joint angular velocity based on the desired hand movement of the manipulator, the joint angular velocity calculated by the joint distribution law unit, and the manipulator motion planning unit Combined with the feedforward joint angular velocity, the magnitude of the feedback control speed is reduced as the singular point is approached so that the magnitude of the feedback control speed becomes zero at the singular point of the manipulator. Cut continuously It is obtained and wherein the obtaining.

この発明に係る姿勢制御装置によれば、人工衛星の姿勢のフィードバック制御と、CMGのジンバル軸のフィードフォワード制御を組み合わせて、人工衛星の三軸姿勢制御を行うことにより、特異点とその近傍においても、人工衛星の姿勢制御誤差を低減することができる。   According to the attitude control device according to the present invention, the three-axis attitude control of the artificial satellite is performed by combining the attitude feedback control of the artificial satellite and the feedforward control of the CMG gimbal axis. In addition, the attitude control error of the artificial satellite can be reduced.

また、この発明に係る位置制御装置によれば、マニピュレータの手先位置のフィードバック制御と、マニピュレータの関節角速度のフィードフォワード制御を組み合わせて、マニピュレータの手先位置の位置制御を行うことにより、マニピュレータの特異点とその近傍においても、マニピュレータの手先位置制御誤差を低減することができる。   Further, according to the position control device according to the present invention, by combining the feedback control of the hand position of the manipulator and the feedforward control of the joint angular velocity of the manipulator, the position control of the hand position of the manipulator is performed, whereby the singular point of the manipulator Even in the vicinity thereof, the hand position control error of the manipulator can be reduced.

実施の形態1.
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態1について説明する。
図1は、実施の形態1による人工衛星用姿勢制御装置の構成を示す図である。人工衛星の三軸姿勢制御を行うには3台以上のCMGが必要であり、図1では冗長系を持つ4台のCMGを配置した例を示している。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the attitude control device for an artificial satellite according to the first embodiment. Three or more CMGs are required to perform the three-axis attitude control of the artificial satellite, and FIG. 1 shows an example in which four CMGs having a redundant system are arranged.

各CMGはCMGメカニズム(CMG機構部)1とCMGコントローラ(CMG Controller)2から構成される。CMGメカニズム1はCMGコントローラ2により制御される。CMGコントローラ2はそれぞれ姿勢コントローラ(Attitude Controller)3に接続されて、姿勢コントローラ3からの制御信号に従ってCMGメカニズム1を制御するとともに、姿勢コントローラ3にCMGメカニズム1のロータ角速度やジンバル角度等の情報を出力する。姿勢コントローラ3では、人工衛星の姿勢を制御するために各CMGメカニズム1が出力すべきトルクを計算し、それに基づいて各CMGコントローラ2に制御信号を出力する。なお、CMGメカニズム1とCMGコントローラ2と姿勢コントローラ3と人工衛星15とで、人工衛星用姿勢制御装置の姿勢制御系が構成される。   Each CMG includes a CMG mechanism (CMG mechanism unit) 1 and a CMG controller (CMG Controller) 2. The CMG mechanism 1 is controlled by a CMG controller 2. Each CMG controller 2 is connected to an attitude controller 3 and controls the CMG mechanism 1 in accordance with a control signal from the attitude controller 3, and information such as the rotor angular speed and the gimbal angle of the CMG mechanism 1 is transmitted to the attitude controller 3. Output. The attitude controller 3 calculates a torque to be output by each CMG mechanism 1 in order to control the attitude of the artificial satellite, and outputs a control signal to each CMG controller 2 based on the calculated torque. The CMG mechanism 1, the CMG controller 2, the attitude controller 3, and the artificial satellite 15 constitute an attitude control system of the artificial satellite attitude control device.

図2は、実施の形態1の人工衛星用姿勢制御装置におけるCMGメカニズム1の構成を示す図である。ロータ4は、スピン軸5のまわりでスピンモータ6により回転し、スピンモータ6を介してジンバル7に接続される。ジンバル7は、スピン軸5に概ね直交するジンバル軸8のまわりでジンバルモータ9により回転し、ジンバルモータ9を介してフレーム10に接続される。フレーム10は人工衛星に固定される。CMGメカニズム1は、スピン軸5のまわりで概ね一定角速度で回転するロータ4をジンバル軸8のまわりで回転させることにより、スピン軸5とジンバル軸8に直交する方向にトルクを出力する。スピンモータ6は、CMGコントローラ2により回転速度が一定の大きさになるように制御される。また、ジンバルモータ9は、CMGコントローラ2により回転が制御され、入力されるジンバル角速度目標値に応じてモータのコイルに印加される電流値が調整され、調整される電流値に応じて出力トルクが所望の大きさに調整される。   FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the CMG mechanism 1 in the attitude control device for artificial satellite according to the first embodiment. The rotor 4 is rotated by a spin motor 6 around the spin shaft 5 and connected to the gimbal 7 via the spin motor 6. The gimbal 7 is rotated by a gimbal motor 9 around a gimbal shaft 8 substantially orthogonal to the spin shaft 5, and is connected to the frame 10 via the gimbal motor 9. The frame 10 is fixed to the artificial satellite. The CMG mechanism 1 outputs torque in a direction perpendicular to the spin axis 5 and the gimbal axis 8 by rotating the rotor 4 that rotates at a substantially constant angular velocity around the spin axis 5 around the gimbal axis 8. The spin motor 6 is controlled by the CMG controller 2 so that the rotation speed becomes a constant magnitude. Further, the rotation of the gimbal motor 9 is controlled by the CMG controller 2, the current value applied to the motor coil is adjusted according to the input gimbal angular velocity target value, and the output torque is adjusted according to the adjusted current value. It is adjusted to a desired size.

図3は、実施の形態1の人工衛星用姿勢制御装置における姿勢制御系の構成を示している。姿勢運動計画部11とレギュレータ(フィードバック制御系)12とCMG分配則部13と姿勢決定系16は、CPUやメモリやロジック回路などを用いて姿勢コントローラ3に実装される。姿勢運動計画部11は姿勢角目標値(α)22を計算する。姿勢決定系16は、スターセンサや地球センサおよび姿勢検出ジャイロ等を用いて人工衛星15の姿勢角(α)を観測し、姿勢角検出値(α)29を得る。姿勢運動計画部11により計算される姿勢角目標値22と、姿勢決定系16により観測される姿勢角検出値29との差が、姿勢角誤差(εα)23となる。レギュレータ12では、姿勢角誤差23の値に基づいて、姿勢角誤差23が小さくなるような姿勢制御トルク(ベクトルτ)24を算出する。CMG分配則部13では、姿勢制御トルク24を出力するための各CMGのジンバル角速度(ベクトルγ’)25を算出する。加算器100は、CMG分配則部13で算出されるジンバル角速度25に、姿勢運動計画部11で計算されるフィードフォワードジンバル角速度21を加えて、ジンバル角速度目標値(γ’)26を算出する。CMG14では、ジンバル角速度目標値26に従ってジンバル7の回転を制御し、出力トルク(τ)27を人工衛星15に作用させる。人工衛星15では、CMG14の出力トルク27が作用することにより力学法則に従って姿勢角(α)28が変化する。レギュレータ12、CMG分配則部13、CMG14、人工衛星15、および姿勢決定系16は、姿勢角目標値22と姿勢角検出値29との差から得られる姿勢角誤差(εα)23をレギュレータ12に入力することで、フィードバック制御系の閉ループを構成する。また、姿勢運動計画部11で計算されるフィードフォワードジンバル角速度21を、加算器100を介してCMG14に入力することでフィードフォワード制御系の開ループが構成される。 FIG. 3 shows the configuration of the attitude control system in the attitude control apparatus for an artificial satellite according to the first embodiment. The posture motion planning unit 11, the regulator (feedback control system) 12, the CMG distribution law unit 13, and the posture determination system 16 are mounted on the posture controller 3 using a CPU, a memory, a logic circuit, or the like. The posture motion planning unit 11 calculates a posture angle target value (α d ) 22. The attitude determination system 16 observes the attitude angle (α) of the artificial satellite 15 using a star sensor, an earth sensor, an attitude detection gyro, and the like, and obtains an attitude angle detection value (α s ) 29. A difference between the posture angle target value 22 calculated by the posture motion planning unit 11 and the posture angle detection value 29 observed by the posture determination system 16 is a posture angle error (ε α ) 23. The regulator 12 calculates a posture control torque (vector τ c ) 24 that reduces the posture angle error 23 based on the value of the posture angle error 23. The CMG distribution law unit 13 calculates a gimbal angular velocity (vector γ c ′) 25 of each CMG for outputting the attitude control torque 24. The adder 100 adds the feedforward gimbal angular velocity 21 calculated by the posture motion planning unit 11 to the gimbal angular velocity 25 calculated by the CMG distribution law unit 13 to calculate a gimbal angular velocity target value (γ g ′) 26. . In the CMG 14, the rotation of the gimbal 7 is controlled according to the gimbal angular velocity target value 26, and the output torque (τ a ) 27 is applied to the artificial satellite 15. In the artificial satellite 15, the attitude angle (α) 28 changes according to the laws of mechanics by the action of the output torque 27 of the CMG 14. The regulator 12, the CMG distribution law unit 13, the CMG 14, the artificial satellite 15, and the attitude determination system 16 convert the attitude angle error (ε α ) 23 obtained from the difference between the attitude angle target value 22 and the attitude angle detection value 29 to the regulator 12. To form a closed loop of the feedback control system. Further, the feedforward gimbal angular velocity 21 calculated by the posture motion planning unit 11 is input to the CMG 14 via the adder 100, thereby forming an open loop of the feedforward control system.

以下、CMG分配則部13の動作について説明する。CMGの台数がN台であるとき、姿勢制御トルク24とジンバル角速度25との間には、次式の関係がある。   Hereinafter, the operation of the CMG distribution rule unit 13 will be described. When the number of CMGs is N, the relationship between the attitude control torque 24 and the gimbal angular velocity 25 is as follows.

Figure 0005228641
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式(1)において、τは姿勢制御トルクベクトル(3次元)、γ c'はジンバル角速度ベクトル(N次元)、Jはヤコビ行列(3×N次元)である。ヤコビ行列Jはジンバル角度の関数であり、ジンバル角度によって値が変化する。 In Expression (1), τ c is an attitude control torque vector (three dimensions), γ c ′ is a gimbal angular velocity vector (N dimensions), and J is a Jacobian matrix (3 × N dimensions). The Jacobian matrix J is a function of the gimbal angle, and the value changes depending on the gimbal angle.

なお、姿勢制御トルク24からジンバル角速度25を算出するには、次式のように、姿勢制御トルクベクトルにヤコビ行列の擬似逆行列Jを掛けてジンバル角速度ベクトルγ c'を求める従来の方法がある。 In order to calculate the gimbal angular velocity 25 from the attitude control torque 24, a conventional method for obtaining the gimbal angular velocity vector γ c ′ by multiplying the attitude control torque vector by the pseudo inverse matrix J # of the Jacobian matrix as shown in the following equation. is there.

Figure 0005228641
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式(3)において、行列の右肩の添え字Tは転置を意味する。この従来の方法を用いると、ヤコビ行列のランクが2以下となる各CMGのジンバル角度の組み合わせ(特異点)では、行列式det(JJT)の値が0となるため、式(3)の計算ができない。また、特異点の近傍においてはdet(JJT)の値が0に近くなるため、式(2)により算出されるジンバル角速度が非常に大きくなり、CMGの性能を超えたり不安定な動作をしたりする可能性がある。その場合には、人工衛星の姿勢運動が異常となるため、特異点の近傍ではヤコビ行列の擬似逆行列を用いることは望ましくなく、様々な近似式が考案されているところである(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。 In equation (3), the superscript T on the right shoulder of the matrix means transposition. When this conventional method is used, the determinant det (JJ T ) has a value of 0 in the combination (singular point) of the gimbal angles of each CMG in which the rank of the Jacobian matrix is 2 or less. Cannot calculate. In addition, since the value of det (JJ T ) is close to 0 in the vicinity of the singular point, the gimbal angular velocity calculated by the equation (2) becomes very large, exceeding the performance of CMG or unstable operation. There is a possibility. In that case, since the attitude movement of the satellite becomes abnormal, it is not desirable to use the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix in the vicinity of the singular point, and various approximation formulas have been devised (for example, patent documents) 1, see Patent Document 2).

一方、この実施の形態1では、CMG分配則部13において、姿勢制御トルク24からジンバル角速度25を算出するために、次式(4)、(5)を用いる。   On the other hand, in the first embodiment, the CMG distribution law unit 13 uses the following equations (4) and (5) to calculate the gimbal angular velocity 25 from the attitude control torque 24.

Figure 0005228641
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ここで、分配行列Jを求める計算式(5)において、max()は最大値、adj( )は余因子行列を示す。特異点ではdet(JJT)=0となることから、αは特異点近傍においてジンバル角速度25が過大にならないように設定する閾値である。 Here, in the calculation formula (5) for obtaining the distribution matrix J + , max () represents the maximum value, and adj () represents the cofactor matrix. Since det (JJ T ) = 0 at the singular point, α is a threshold value set so that the gimbal angular velocity 25 does not become excessive in the vicinity of the singular point.

各CMGのジンバル角度の組み合わせが特異点に近くない場合には、det(JJT)は十分大きいためαより小さくならず、式(5)は次式のようになる。 When the combination of gimbal angles of each CMG is not close to a singular point, det (JJ T ) is sufficiently large and is not smaller than α, and Equation (5) becomes as follows.

Figure 0005228641
Figure 0005228641

行列式の逆数と余因子行列の積は逆行列に等しいため、式(6)は式(3)と同一であり、分配行列J+はヤコビ行列の擬似逆行列に一致する。このとき、CMG分配則部13では、姿勢制御トルク24を出力するジンバル角速度25が算出される。 Since the product of the inverse of the determinant and the cofactor matrix is equal to the inverse matrix, Equation (6) is the same as Equation (3), and the distribution matrix J + matches the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix. At this time, the CMG distribution law unit 13 calculates a gimbal angular velocity 25 that outputs the attitude control torque 24.

各CMGのジンバル角度の組み合わせが特異点に近づいて、det(JJT)がαより小さくなると、式(5)は次式のようになる。 When the combination of gimbal angles of each CMG approaches a singular point and det (JJ T ) becomes smaller than α, equation (5) becomes the following equation.

Figure 0005228641
Figure 0005228641

このとき、分配行列J+はヤコビ行列の擬似逆行列のdet(JJT)/α倍となるため、CMG分配則部13では、姿勢制御トルク24のdet(JJT)/α倍のトルクを出力するジンバル角速度25が算出される。従って、ジンバル角速度25によってCMG14から出力されるトルクの大きさは、特異点に近づくにしたがって小さくなり、特異点では0となる。このようにして、CMG分配則部13は、特異点近傍においてジンバル角速度25が過大となることを防ぐ仕組みになっている。 At this time, since the distribution matrix J + is det (JJ T ) / α times the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix, the CMG distribution law unit 13 generates a torque det (JJ T ) / α times the attitude control torque 24. An output gimbal angular velocity 25 is calculated. Therefore, the magnitude of the torque output from the CMG 14 by the gimbal angular velocity 25 decreases as it approaches the singular point and becomes zero at the singular point. In this way, the CMG distribution law unit 13 is configured to prevent the gimbal angular velocity 25 from becoming excessive near the singular point.

CMGの台数が冗長系を持たない場合には、ヤコビ行列が正方行列となるため、分配行列J+として式(5)を用いる代わりに、他の態様として、次式を用いることもできる。 When the number of CMGs does not have a redundant system, the Jacobian matrix is a square matrix. Therefore, instead of using Expression (5) as the distribution matrix J + , the following expression can be used as another aspect.

Figure 0005228641
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式(8)においてsgn( )は符号関数である。式(8)を用いると、特異点においてジンバル角速度25が必ずしも0になるとは限らないため、冗長系の有無に関わらず式(5)を用いることが望ましい。また、式(5)を用いることにより、CMGの台数が変化した場合でも同じ計算方法を適用できるという利点もある。   In Expression (8), sgn () is a sign function. If Expression (8) is used, the gimbal angular velocity 25 is not necessarily 0 at a singular point, so it is desirable to use Expression (5) regardless of the presence or absence of a redundant system. Further, the use of Expression (5) has an advantage that the same calculation method can be applied even when the number of CMGs changes.

図3に示す通り、CMG14に入力されるジンバル角速度目標値26は、ジンバル角速度25にフィードフォワードジンバル角速度21を加算した値である。各CMGのジンバル角の組み合わせが特異点に近づくに従って、CMG14の出力トルク27は、ジンバル角速度25によって出力される成分(フィードバック制御トルク)が小さくなることにより、フィードフォワードジンバル角速度21によって出力される成分(フィードフォワード制御トルク)が支配的となる。特異点においては、フィードフォワードジンバル角速度21による成分のみが出力される。そのため、姿勢運動計画部11において、所望の姿勢運動に力学的に整合するフィードフォワードジンバル角速度21を計算することにより、特異点とその近傍において閉ループ制御と開ループ制御が連続的に自動的に切り替わり、所望の姿勢運動が実現される。   As shown in FIG. 3, the gimbal angular velocity target value 26 input to the CMG 14 is a value obtained by adding the feedforward gimbal angular velocity 21 to the gimbal angular velocity 25. As the combination of the gimbal angles of the CMGs approaches the singular point, the output torque 27 of the CMG 14 is a component output by the feedforward gimbal angular velocity 21 as the component (feedback control torque) output by the gimbal angular velocity 25 decreases. (Feedforward control torque) becomes dominant. At the singular point, only the component due to the feedforward gimbal angular velocity 21 is output. Therefore, by calculating the feedforward gimbal angular velocity 21 that dynamically matches the desired posture motion in the posture motion planning unit 11, the closed loop control and the open loop control are automatically and continuously switched at and around the singular point. A desired posture movement is realized.

ここで、姿勢運動計画部11のフィードフォワードジンバル角速度の動作について説明しておく。図4は、1台のCMGにおけるジンバル角度の軌跡を示すものであり、その時間履歴を示している。   Here, the operation of the feedforward gimbal angular velocity of the posture motion planning unit 11 will be described. FIG. 4 shows the trajectory of the gimbal angle in one CMG, and shows its time history.

はじめに、姿勢運動計画部11は、CMGにおけるジンバル角度の初期値115と最終値116を定めてその間を複数の区間に分割し、初期値115と最終値116を除く各区間の端点におけるジンバル角度117、118をパラメータとして設定する。図4では3区間に分割した場合を示している。   First, the posture motion planning unit 11 determines the initial value 115 and final value 116 of the gimbal angle in the CMG, and divides the gimbal angle into a plurality of sections, and the gimbal angle 117 at the end points of each section excluding the initial value 115 and the final value 116. , 118 are set as parameters. FIG. 4 shows a case where it is divided into three sections.

次に、姿勢運動計画部11は、各区間でのジンバル角度の時間履歴119、120、121をそれぞれ時間関数(例えば、時間を変数とする多項式)で表現し、時間関数を定めるパラメータ(例えば、多項式の係数)を設定する。ここで、時間関数の変数は時間に限らず、時間と実質的に等価な変数(例えば、時間をある数値で割った変数)であっても良い。
各区間の時間関数は、区間端点において設定されたジンバル角度115、116、117、118を満足する関数である。
Next, the posture motion planning unit 11 expresses the time histories 119, 120, and 121 of the gimbal angle in each section by a time function (for example, a polynomial having time as a variable), and sets parameters for determining the time function (for example, Set the polynomial coefficient. Here, the variable of the time function is not limited to time, but may be a variable substantially equivalent to time (for example, a variable obtained by dividing time by a certain numerical value).
The time function of each section is a function that satisfies the gimbal angles 115, 116, 117, and 118 set at the section end points.

このようにして、使用する全てのCMGに対してパラメータを設定し、それにより定まるジンバル角度の時間履歴に沿って、CMG14のジンバル角度の微分値をフィードフォワードジンバル角速度として求め、求めたフィードフォワードジンバル角速度に基づいてCMG14のCMGコントローラ2が各モータ9を駆動し、各ジンバルを回転動作させると、人工衛星15の姿勢角はそれと力学的に整合した時間履歴に沿って運動する。   In this way, the parameters are set for all the CMGs to be used, and the differential value of the gimbal angle of the CMG 14 is obtained as the feed forward gimbal angular velocity along the time history of the gimbal angle determined thereby, and the obtained feed forward gimbal is obtained. When the CMG controller 2 of the CMG 14 drives each motor 9 based on the angular velocity and rotates each gimbal, the attitude angle of the artificial satellite 15 moves along a time history that is dynamically matched with the attitude angle.

従って、人工衛星の姿勢角の最終値が目標値と同一か微小な差で目標値に一致するようにパラメータを定めることにより、姿勢角を目標値に収束させるように制御することができる。パラメータを定める方法としては、例えば、非線形計画法があるが、ここではその詳細な説明は割愛する。   Therefore, by controlling the parameters so that the final value of the attitude angle of the artificial satellite matches the target value with the same or small difference as the target value, the attitude angle can be controlled to converge to the target value. As a method for determining parameters, for example, there is a nonlinear programming method, but a detailed description thereof is omitted here.

以上説明したとおり、この実施の形態1によれば、CMG分配則部13とフィードフォワードジンバル角速度21を組み合わせることにより、特異点とその近傍においても所望の姿勢運動が実現され、姿勢制御誤差が大きくなることなく特異点近傍を通過することが可能である。   As described above, according to the first embodiment, by combining the CMG distribution law unit 13 and the feedforward gimbal angular velocity 21, a desired posture motion is realized even in the singular point and the vicinity thereof, and the posture control error is large. It is possible to pass near the singular point without becoming.

さらに、CMG分配則部13において、分配行列Jとして式(5)を用いる代わりに、別の態様として、ヤコビ行列の擬似逆行列の異なる近似式を用いても良い。例えば、次式のような近似式がある。 Further, in the CMG distribution law unit 13, instead of using the expression (5) as the distribution matrix J + , another approximate expression of the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix may be used as another aspect. For example, there is an approximate expression such as the following expression.

Figure 0005228641
Figure 0005228641

式(9)において、I は単位行列であり、k は特異点において(JJT−1が算出できなくなることを防ぐために設定する微小な値である。 In Expression (9), I is a unit matrix, and k is a minute value set to prevent (JJ T ) −1 from being unable to be calculated at a singular point.

分配行列Jとして式(5)とは異なる近似式を用いる場合には、特異点近傍において不要な姿勢駆動トルクが出力されて姿勢制御誤差が大きくなることがあるが、その場合でも、フィードフォワードジンバル角速度21の効果により、特異点近傍を通過することが可能である。 When an approximate expression different from Expression (5) is used as the distribution matrix J + , unnecessary attitude driving torque may be output near the singular point and the attitude control error may increase. Due to the effect of the gimbal angular velocity 21, it is possible to pass near the singular point.

以上説明したとおり、この実施の形態1による姿勢制御装置は、人工衛星の所望の姿勢運動に応じて求められるフィードフォワードジンバル角速度および当該人工衛星の目標姿勢角を計算するとともに、当該人工衛星の姿勢および複数のコントロールモーメントジャイロの回転を制御する姿勢コントローラを備え、上記姿勢コントローラは、上記目標姿勢角と観測される人工衛星の姿勢角との姿勢角誤差に基づいて姿勢制御トルクを計算するフィードバック制御系を有し、上記コントロールモーメントジャイロにおける特異点近傍で上記フィードフォワードジンバル角速度の成分に比して上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度の成分が小さくなるように、上記フィードバック制御系で計算された姿勢制御トルクから上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度の成分を求め、求めたジンバル角速度の成分と上記フィードフォワードジンバル角速度の組合せに基づいて、上記コントロールモーメントジャイロに上記人工衛星の姿勢制御トルクを発生させることを特徴とする。   As described above, the attitude control device according to the first embodiment calculates the feedforward gimbal angular velocity and the target attitude angle of the artificial satellite, which are obtained according to the desired attitude movement of the artificial satellite, and the attitude of the artificial satellite. Feedback control for calculating attitude control torque based on an attitude angle error between the target attitude angle and the observed attitude angle of the artificial satellite. Attitude control calculated by the feedback control system so that the gimbal angular velocity component of the control moment gyro is smaller than the feed forward gimbal angular velocity component near the singular point in the control moment gyro. From above torque We obtain the components of gimbal angular velocity of the roll moment gyros, based on a combination of the components of gimbal angular velocity calculated and the feedforward gimbal angular velocity, characterized in that to generate attitude control torque of the satellite to the control moment gyro.

また、複数のコントロールモーメントジャイロと、人工衛星の所望の姿勢運動に応じて求められるフィードフォワードジンバル角速度、および人工衛星の目標姿勢角を計算する姿勢運動計画部を有し、人工衛星の姿勢および上記コントロールモーメントジャイロの回転を制御する姿勢コントローラとを備え、上記姿勢コントローラは、上記目標姿勢角と観測される人工衛星の姿勢角との姿勢角誤差に基づいて姿勢制御トルクを計算するフィードバック制御系と、上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角度をパラメータとしたヤコビ行列から構成される行列式と、上記コントロールモーメントジャイロの特異点で上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度を0とする閾値との比較に基づいて分配行列を演算し、演算された分配行列と上記フィードバック制御系で計算された姿勢制御トルクに基づいて、上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度を計算する分配則部と、上記分配則部で計算されたジンバル角速度とフィードフォワードジンバル角速度を加算する加算器とを具備し、上記コントロールモーメントジャイロは、上記加算器の加算結果に基づいて人工衛星の姿勢制御トルクを発生する、ことを特徴としても良い。   In addition, it has a plurality of control moment gyros, a feed-forward gimbal angular velocity determined according to a desired attitude motion of the satellite, and a attitude motion planning unit for calculating a target attitude angle of the satellite, A feedback control system for calculating attitude control torque based on an attitude angle error between the target attitude angle and the observed attitude angle of the artificial satellite; and an attitude controller that controls the rotation of the control moment gyro. A distribution matrix based on a comparison between a determinant composed of a Jacobian matrix with the gimbal angle of the control moment gyro as a parameter and a threshold at which the gimbal angular velocity of the control moment gyro is 0 at a singular point of the control moment gyro. Is calculated Based on the distribution matrix and the attitude control torque calculated by the feedback control system, the distribution law part that calculates the gimbal angular speed of the control moment gyro, and the gimbal angular speed and feedforward gimbal angular speed calculated by the distribution law part are added. The control moment gyro may generate an attitude control torque of the artificial satellite based on the addition result of the adder.

この際、分配則部は、出力ベクトルを入力ベクトルに変換するヤコビ行列と、ヤコビ行列の転置行列との積により行列を算出し、入力ベクトルに、その行列の逆行列と閾値との最大値の逆数と、その行列の余因子行列と、ヤコビ行列の転置行列とを掛けることにより、出力ベクトルを算出する。   At this time, the distribution law unit calculates a matrix by the product of the Jacobian matrix that converts the output vector into the input vector and the transposed matrix of the Jacobian matrix, and the input vector has the maximum value of the inverse matrix of the matrix and the threshold value. An output vector is calculated by multiplying the inverse, the cofactor matrix of the matrix, and the transposed matrix of the Jacobian matrix.

これにより、複数のコントロールモーメントジャイロを用いた人工衛星の姿勢制御装置において、上記人工衛星の姿勢角誤差に基づくフィードバック制御トルクを出力するための上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度を計算する分配則部と、上記人工衛星の所望の姿勢運動に基づいて上記コントロールモーメントジャイロのフィードフォワードジンバル角速度を計算する姿勢運動計画部と、上記分配則部で計算されるジンバル角速度と上記姿勢運動計画部で計算されるフィードフォワードジンバル角速度とを組み合わせ、上記コントロールモーメントジャイロの特異点において上記フィードバック制御トルクの大きさが0になるように、当該特異点に近づくに従ってフィードバック制御トルクの大きさを小さくし、フィードバック制御とフィードフォワード制御を連続的に切り替えることのできる姿勢制御装置が構成される。   Accordingly, in the satellite attitude control device using a plurality of control moment gyros, the distribution law unit for calculating the gimbal angular velocity of the control moment gyro for outputting a feedback control torque based on the attitude angle error of the satellite. The attitude motion planning unit that calculates the feedforward gimbal angular velocity of the control moment gyro based on the desired attitude motion of the satellite, the gimbal angular velocity calculated by the distribution law unit, and the attitude motion planning unit Combined with the feedforward gimbal angular velocity, the feedback control torque is reduced as the singular point is approached so that the feedback control torque becomes zero at the singular point of the control moment gyro. Tsu attitude control system is configured to a click and feedforward control can continuously switch over.

このように、実施の形態1によれば、人工衛星の姿勢のフィードバック制御と、CMGのジンバル軸のフィードフォワード制御を組み合わせて、人工衛星の三軸姿勢制御を行うことによって、特異点とその近傍においても、より高い精度で所望の姿勢運動を得ることができる。   Thus, according to Embodiment 1, the singular point and its vicinity are obtained by performing the three-axis attitude control of the artificial satellite by combining the feedback control of the artificial satellite attitude and the feedforward control of the CMG gimbal axis. The desired posture movement can be obtained with higher accuracy.

実施の形態2.
図5は、実施の形態2による姿勢制御系の構成を示している。図中、図3と同一符号のものは同一相当のものを示す。姿勢運動計画部11において計算される姿勢角目標値22と、姿勢決定系16において観測される姿勢角検出値29との差が、姿勢角誤差23となる。レギュレータ(フィードバック制御系)12では、姿勢角誤差23の値に基づいて、姿勢角誤差23が小さくなるような姿勢制御トルク24を算出する。CMG分配則部13では、姿勢制御トルク24を出力するための各CMGのジンバル角速度25を算出する。加算器101は、積分器17によりジンバル角速度25が時間積分されたジンバル角度32に、姿勢運動計画部11で計算されるフィードフォワードジンバル角度31を加えて、ジンバル角度目標値33を算出する。CMG14では、ジンバル角度目標値33に従ってジンバルの回転を制御し、出力トルク27を人工衛星15に作用させる。人工衛星15では、CMG14の出力トルク27が作用することにより力学法則に従って姿勢角28が変化する。なお、フィードフォワードジンバル角度31は、図4で説明したフィードフォワードジンバル角速度21と同様にして、ジンバル角度についてフィードフォワード動作を行う。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 shows the configuration of the attitude control system according to the second embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. The difference between the posture angle target value 22 calculated by the posture motion planning unit 11 and the posture angle detection value 29 observed by the posture determination system 16 is the posture angle error 23. The regulator (feedback control system) 12 calculates an attitude control torque 24 that reduces the attitude angle error 23 based on the value of the attitude angle error 23. The CMG distribution law unit 13 calculates a gimbal angular velocity 25 of each CMG for outputting the attitude control torque 24. The adder 101 calculates the gimbal angle target value 33 by adding the feedforward gimbal angle 31 calculated by the posture motion planning unit 11 to the gimbal angle 32 obtained by time-integrating the gimbal angular velocity 25 by the integrator 17. The CMG 14 controls the rotation of the gimbal according to the gimbal angle target value 33 and causes the output torque 27 to act on the artificial satellite 15. In the artificial satellite 15, the attitude angle 28 changes according to the laws of mechanics by the action of the output torque 27 of the CMG 14. The feedforward gimbal angle 31 performs a feedforward operation on the gimbal angle in the same manner as the feedforward gimbal angular velocity 21 described in FIG.

この実施の形態2によれば、CMG分配則部13とフィードフォワードジンバル角度31を組み合わせることにより、特異点とその近傍においても所望の姿勢運動が実現され、姿勢制御誤差が大きくなることなく特異点近傍を通過することが可能である。   According to the second embodiment, by combining the CMG distribution law unit 13 and the feedforward gimbal angle 31, a desired posture motion can be realized even in the singular point and the vicinity thereof, and the singular point is not increased without increasing the posture control error. It is possible to pass through the vicinity.

実施の形態3.
図6は、実施の形態3による姿勢制御系の構成を示している。図中、図3と同一符号のものは同一相当のものを示す。姿勢運動計画部11において計算される姿勢角目標値22と、姿勢決定系16において観測される姿勢角検出値29との差が、姿勢角誤差23となる。レギュレータ(フィードバック制御系)12では、姿勢角誤差23の値に基づいて、姿勢角誤差23が小さくなるような姿勢制御トルク24を算出する。CMG分配則部13では、姿勢制御トルク24を出力するための各CMGのジンバル角速度25を算出する。加算器101は、積分器17によりジンバル角速度25が時間積分されたジンバル角度32に、姿勢運動計画部11で計算されるフィードフォワードジンバル角度31を加えて、ジンバル角度目標値33を算出する。加算器102は、CMG分配則部13で算出されるジンバル角速度25に、姿勢運動計画部11で計算されるジンバルフィードフォワードジンバル角速度21を加えて、ジンバル角速度目標値26を算出する。フィードフォワードジンバル角加速度34は、姿勢運動計画部11で計算される。CMG14では、ジンバル角度目標値33と、ジンバル角速度目標値26と、フィードフォワードジンバル角加速度34に従ってジンバルの回転を制御し、出力トルク27を人工衛星15に作用させる。人工衛星15では、CMG14の出力トルク27が作用することにより力学法則に従って姿勢角28が変化する。なお、フィードフォワードジンバル角加速度34は、図4で説明したフィードフォワードジンバル角速度21と同様にして、ジンバル角加速度についてフィードフォワード動作を行う。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 6 shows the configuration of the attitude control system according to the third embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. The difference between the posture angle target value 22 calculated by the posture motion planning unit 11 and the posture angle detection value 29 observed by the posture determination system 16 is the posture angle error 23. The regulator (feedback control system) 12 calculates an attitude control torque 24 that reduces the attitude angle error 23 based on the value of the attitude angle error 23. The CMG distribution law unit 13 calculates a gimbal angular velocity 25 of each CMG for outputting the attitude control torque 24. The adder 101 calculates the gimbal angle target value 33 by adding the feedforward gimbal angle 31 calculated by the posture motion planning unit 11 to the gimbal angle 32 obtained by time-integrating the gimbal angular velocity 25 by the integrator 17. The adder 102 calculates the gimbal angular velocity target value 26 by adding the gimbal feedforward gimbal angular velocity 21 calculated by the posture motion planning unit 11 to the gimbal angular velocity 25 calculated by the CMG distribution law unit 13. The feedforward gimbal angular acceleration 34 is calculated by the posture motion planning unit 11. The CMG 14 controls the rotation of the gimbal according to the gimbal angle target value 33, the gimbal angular velocity target value 26, and the feedforward gimbal angular acceleration 34, and causes the output torque 27 to act on the artificial satellite 15. In the artificial satellite 15, the attitude angle 28 changes according to the laws of mechanics by the action of the output torque 27 of the CMG 14. The feedforward gimbal angular acceleration 34 performs a feedforward operation on the gimbal angular acceleration in the same manner as the feedforward gimbal angular velocity 21 described in FIG.

この実施の形態3によれば、CMG分配則部13と、フィードフォワードジンバル角度31、フィードフォワードジンバル角速度21、フィードフォワードジンバル角加速度34を組み合わせることにより、特異点とその近傍においても所望の姿勢運動が実現され、姿勢制御誤差が大きくなることなく特異点近傍を通過することが可能である。   According to the third embodiment, by combining the CMG distribution law unit 13, the feedforward gimbal angle 31, the feedforward gimbal angular velocity 21, and the feedforward gimbal angular acceleration 34, a desired posture motion can be achieved even in the singular point and the vicinity thereof. Is realized, and it is possible to pass through the vicinity of the singular point without increasing the posture control error.

この実施の形態3によれば、ジンバルの回転が大きく加減速を行う場合においても、フィードフォワードジンバル角加速度34をCMG14に入力することにより、制御精度を向上させることが可能である。   According to the third embodiment, even when the rotation of the gimbal is greatly accelerated and decelerated, it is possible to improve the control accuracy by inputting the feedforward gimbal angular acceleration 34 to the CMG 14.

図5において、フィードフォワードジンバル角加速度34の代わりに、フィードフォワードジンバルトルクを用いても同様の効果が得られる。   In FIG. 5, the same effect can be obtained by using a feed forward gimbal torque instead of the feed forward gimbal angular acceleration 34.

実施の形態4.
図7は、実施の形態4による複数の関節を持つマニピュレータの手先位置制御系の構成を示している。
図において、マニピュレータ運動計画部41において計算されるマニピュレータ手先位置の目標値52と、順キネマティクス46において関節角度58を観測して計算されるマニピュレータ手先位置59との差が、手先位置誤差53となる。レギュレータ(フィードバック制御系)42では、手先位置誤差53の値に基づいて、手先位置誤差53が小さくなるような手先速度54を算出する。関節分配則部43では、手先速度54を出力するための各関節の関節角速度55を算出する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 shows a configuration of a hand position control system of a manipulator having a plurality of joints according to the fourth embodiment.
In the figure, the difference between the target value 52 of the manipulator hand position calculated in the manipulator motion planning unit 41 and the manipulator hand position 59 calculated by observing the joint angle 58 in the forward kinematics 46 is the hand position error 53. Become. The regulator (feedback control system) 42 calculates a hand speed 54 that reduces the hand position error 53 based on the value of the hand position error 53. The joint distribution law unit 43 calculates a joint angular velocity 55 of each joint for outputting the hand speed 54.

加算器103は、関節分配則部43で算出される関節角速度55に、マニピュレータ運動計画部41で計算されるフィードフォワード関節角速度51を加えて、関節角速度目標値56を算出する。関節コントローラ44では、関節角速度目標値56に従って関節の回転を制御し、関節駆動トルク57をマニピュレータ45に作用させる。マニピュレータ45では、関節駆動トルク57が作用することにより力学法則に従って運動を行い、関節角度58が変化する。   The adder 103 calculates the joint angular velocity target value 56 by adding the feedforward joint angular velocity 51 calculated by the manipulator motion planning unit 41 to the joint angular velocity 55 calculated by the joint distribution law unit 43. The joint controller 44 controls the rotation of the joint according to the joint angular velocity target value 56 and causes the joint driving torque 57 to act on the manipulator 45. In the manipulator 45, the joint drive torque 57 acts to perform movement according to the laws of mechanics, and the joint angle 58 changes.

レギュレータ42、関節分配則部43、関節コントローラ44、マニピュレータ45、および順キネマティクス46は、マニピュレータ手先位置の目標値52とマニピュレータ手先位置59との差から得られる手先位置誤差53をレギュレータ42に入力することで、フィードバック制御系の閉ループを構成する。また、マニピュレータ運動計画部41で計算されるフィードフォワード関節角速度51を、加算器103を介して関節コントローラ44に入力することでフィードフォワード制御系の開ループが構成される。   The regulator 42, the joint distribution law unit 43, the joint controller 44, the manipulator 45, and the forward kinematics 46 input a hand position error 53 obtained from the difference between the manipulator hand position target value 52 and the manipulator hand position 59 to the regulator 42. By doing so, a closed loop of the feedback control system is configured. Further, the feedforward joint angular velocity 51 calculated by the manipulator motion planning unit 41 is input to the joint controller 44 via the adder 103, thereby forming an open loop of the feedforward control system.

以下、関節分配則部43の機能について説明する。マニピュレータの関節数がNm個であるとき、手先速度54と関節角速度55との間には、次式の関係がある。   Hereinafter, the function of the joint distribution rule unit 43 will be described. When the number of joints of the manipulator is Nm, the relationship between the hand speed 54 and the joint angular speed 55 is as follows.

Figure 0005228641
Figure 0005228641

式(10)において、ηc'は手先速度ベクトル(3次元)、θc'は関節角速度ベクトル(Nm次元)、Jmはヤコビ行列(3×Nm次元)である。なお、手先の位置と姿勢を制御する場合には、速度ベクトルは6次元、ヤコビ行列は6×Nm次元となる。ヤコビ行列は関節角度の関数であり、関節角度によって値が変化する。 In Expression (10), η c ′ is a hand velocity vector (three dimensions), θ c ′ is a joint angular velocity vector (N m dimensions), and J m is a Jacobian matrix (3 × N m dimensions). When controlling the position and orientation of the hand, the velocity vector is 6-dimensional and the Jacobian matrix is 6 × Nm-dimensional. The Jacobian matrix is a function of the joint angle, and the value changes depending on the joint angle.

関節分配則部43においては、手先速度54から関節角速度55を算出するために、次式(11)、(12)を用いる。   In the joint distribution law unit 43, the following equations (11) and (12) are used to calculate the joint angular velocity 55 from the hand velocity 54.

Figure 0005228641
Figure 0005228641

特異点ではdet(JmJm T)=0となることから、αmは特異点近傍において関節角速度55が過大にならないように設定する閾値である。 Since det (J m J m T ) = 0 at the singular point, α m is a threshold value set so that the joint angular velocity 55 does not become excessive in the vicinity of the singular point.

式(11)を用いて算出される関節角速度55によって出力される手先速度の大きさは、特異点に近づくにしたがって小さくなり、特異点では0となる。図7に示す通り、関節コントローラ44に入力される関節角速度目標値56は、関節角速度55にフィードフォワード関節角速度51を加算した値である。各関節角度の組み合わせが特異点に近づくに従って、手先速度は、関節角速度55によって出力される成分(フィードバック制御速度)が小さくなることにより、フィードフォワード関節角速度51によって出力される成分(フィードフォワード制御速度)が支配的となる。特異点においては、フィードフォワード関節角速度51による成分のみが出力される。そのため、マニピュレータ運動計画部41において、所望の手先運動に整合するフィードフォワード関節角速度51を計算することにより、特異点とその近傍において閉ループ制御と開ループ制御が連続的に切り替わり、所望の運動が実現される。   The magnitude of the hand speed output by the joint angular velocity 55 calculated using Expression (11) decreases as the singular point is approached, and becomes zero at the singular point. As shown in FIG. 7, the joint angular velocity target value 56 input to the joint controller 44 is a value obtained by adding the feedforward joint angular velocity 51 to the joint angular velocity 55. As the combination of the joint angles approaches the singular point, the hand speed is reduced by the component (feedback control speed) output by the joint angular speed 55, and thereby the component output by the feedforward joint angular speed 51 (feedforward control speed). ) Becomes dominant. At the singular point, only the component due to the feedforward joint angular velocity 51 is output. Therefore, the manipulator motion planning unit 41 calculates the feedforward joint angular velocity 51 that matches the desired hand motion, so that the closed loop control and the open loop control are continuously switched between the singular point and the vicinity thereof, thereby realizing the desired motion. Is done.

この実施の形態4によれば、関節分配則部43とフィードフォワード関節角速度51を組み合わせることにより、特異点とその近傍においてもマニピュレータの所望の運動が実現され、手先位置の制御誤差が大きくなることなく特異点近傍を通過することが可能である。   According to the fourth embodiment, by combining the joint distribution law unit 43 and the feedforward joint angular velocity 51, desired manipulator movement can be realized even in the singular point and the vicinity thereof, and the control error of the hand position increases. It is possible to pass near the singular point.

関節分配則部43において、分配行列Jm +として式(12)を用いる代わりに、ヤコビ行列の擬似逆行列の異なる近似式を用いても良い。その場合には、特異点近傍において不要な手先速度が出力されて手先位置の制御誤差が大きくなることがあるが、その場合でも、フィードフォワード関節角速度51の効果により、特異点近傍を通過することが可能である。 In the joint distribution law unit 43, instead of using the expression (12) as the distribution matrix J m + , different approximate expressions of the pseudo inverse matrix of the Jacobian matrix may be used. In that case, an unnecessary hand speed is output in the vicinity of the singular point, and the control error of the hand position may increase, but even in that case, it passes through the vicinity of the singular point due to the effect of the feedforward joint angular velocity 51. Is possible.

また、この実施の形態4によれば、マニピュレータの手先位置のフィードバック制御と、マニピュレータの関節角速度のフィードフォワード制御を組み合わせて、マニピュレータの手先位置の位置制御を行うことにより、マニピュレータの特異点とその近傍においても、より高い精度で所望の姿勢運動を得ることができる。   In addition, according to the fourth embodiment, by combining the feedback control of the hand position of the manipulator and the feedforward control of the joint angular velocity of the manipulator, the position control of the hand position of the manipulator is performed, and the singular point of the manipulator and its Even in the vicinity, a desired posture motion can be obtained with higher accuracy.

この発明の実施の形態1による人工衛星用姿勢制御装置の構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the attitude | position control apparatus for artificial satellites by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による人工衛星用姿勢制御装置のCMGメカニズムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the CMG mechanism of the attitude | position control apparatus for artificial satellites by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による人工衛星用姿勢制御装置の姿勢制御系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the attitude | position control system of the attitude | position control apparatus for artificial satellites by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による人工衛星用姿勢制御装置のジンバル角度の軌跡を示す図である。It is a figure which shows the locus | trajectory of the gimbal angle of the attitude | position control apparatus for artificial satellites by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2による人工衛星用姿勢制御装置の姿勢制御系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the attitude | position control system of the attitude | position control apparatus for artificial satellites by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3による人工衛星用姿勢制御装置の姿勢制御系の構成を示している。4 shows a configuration of an attitude control system of an attitude control apparatus for an artificial satellite according to Embodiment 3 of the present invention. この発明の実施の形態4によるマニピュレータ制御装置の先端位置制御系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the front-end | tip position control system of the manipulator control apparatus by Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 CMGメカニズム、2 CMGコントローラ、3 姿勢コントローラ、4 ロータ、5 スピン軸、6 スピンモータ、7 ジンバル、8 ジンバル軸、9 ジンバルモータ、10 フレーム、11 姿勢運動計画部、12 レギュレータ、13 CMG分配則部、14 CMG、15 人工衛星、16 姿勢決定系、17 積分器、21 フィードフォワードジンバル角速度、22 姿勢角目標値、23 姿勢角誤差、24 姿勢制御トルク、25 ジンバル角速度、26 ジンバル角速度目標値、27 出力トルク、28 姿勢角、29 姿勢角検出値、31 フィードフォワードジンバル角度、32 ジンバル角度、33 ジンバル角度目標値、34 フィードフォワードジンバル角加速度、41 マニピュレータ運動計画部、42 レギュレータ、43 関節分配則部、44 関節コントローラ、45 マニピュレータ、46 順キネマティクス、51 フィードフォワード関節角速度、52 手先位置目標値、53 手先位置誤差、54 手先速度、55 関節角速度、56 関節角速度目標値、57 関節駆動トルク、58 関節角度、59 手先位置、100,101,102,103 加算器。   1 CMG mechanism, 2 CMG controller, 3 attitude controller, 4 rotor, 5 spin axis, 6 spin motor, 7 gimbal, 8 gimbal axis, 9 gimbal motor, 10 frame, 11 attitude motion planning unit, 12 regulator, 13 CMG distribution law , 14 CMG, 15 artificial satellite, 16 attitude determination system, 17 integrator, 21 feed forward gimbal angular velocity, 22 attitude angle target value, 23 attitude angle error, 24 attitude control torque, 25 gimbal angular speed, 26 gimbal angular speed target value, 27 output torque, 28 posture angle, 29 posture angle detection value, 31 feed forward gimbal angle, 32 gimbal angle, 33 gimbal angle target value, 34 feed forward gimbal angular acceleration, 41 manipulator motion planning unit, 42 regulator, 43 Joint distribution law part, 44 joint controller, 45 manipulator, 46 forward kinematics, 51 feedforward joint angular velocity, 52 hand position target value, 53 hand position error, 54 hand speed, 55 joint angular speed, 56 joint angular speed target value, 57 joints Driving torque, 58 joint angle, 59 hand position, 100, 101, 102, 103 Adder.

Claims (3)

複数のコントロールモーメントジャイロと、
人工衛星の所望の姿勢運動に応じて求められるフィードフォワードジンバル角速度、および人工衛星の目標姿勢角を計算する姿勢運動計画部を有し、人工衛星の姿勢および上記コントロールモーメントジャイロの回転を制御する姿勢コントローラとを備え、
上記姿勢コントローラは、
上記目標姿勢角と観測される人工衛星の姿勢角との姿勢角誤差に基づいて姿勢制御トルクを計算するフィードバック制御系と、
上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角度をパラメータとしたヤコビ行列から構成される行列式と、上記コントロールモーメントジャイロの特異点近傍で上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度が過大とならないように特異点近傍で上記行列式よりも値が大きく設定される閾値との比較に基づいて分配行列を演算し、演算された分配行列と上記フィードバック制御系で計算された姿勢制御トルクに基づいて、上記コントロールモーメントジャイロのジンバル角速度を計算する分配則部と、
上記分配則部で計算されたジンバル角速度とフィードフォワードジンバル角速度を加算する加算器とを具備し、
上記コントロールモーメントジャイロは、上記加算器の加算結果に基づいて人工衛星の姿勢制御トルクを発生する、
ことを特徴とする姿勢制御装置。
Multiple control moment gyros,
An attitude control unit that calculates the feedforward gimbal angular velocity required according to the desired attitude movement of the satellite and the target attitude angle of the satellite, and controls the attitude of the satellite and the rotation of the control moment gyro. With a controller,
The attitude controller
A feedback control system for calculating attitude control torque based on an attitude angle error between the target attitude angle and the observed attitude angle of the satellite,
A determinant composed of a Jacobian matrix with the gimbal angle of the control moment gyro as a parameter, and the determinant near the singular point so that the gimbal angular velocity of the control moment gyro does not become excessive in the vicinity of the singular point The distribution matrix is calculated based on a comparison with a threshold value that is set larger than the value, and the gimbal angular velocity of the control moment gyro is calculated based on the calculated distribution matrix and the attitude control torque calculated by the feedback control system. A distribution law part to be calculated;
An adder for adding the gimbal angular velocity calculated in the distribution law part and the feedforward gimbal angular velocity;
The control moment gyro generates an attitude control torque of the artificial satellite based on the addition result of the adder.
An attitude control device characterized by the above.
上記分配則部は、ジンバル角速度ベクトルを姿勢制御トルクベクトルに変換するヤコビ行列と、ヤコビ行列の転置行列との積により上記行列式を算出し、算出した行列式上記閾値との最大値の逆数と、その行列の余因子行列と、ヤコビ行列の転置行列とを掛けることにより、上記分配行列を算出することを特徴とする請求項1に記載の姿勢制御装置。 The distribution law unit, the reciprocal of the maximum value of the Jacobian matrix for transforming the gimbal angular velocity vector in the attitude control torque vector, the product of the transposed matrix of the Jacobian matrix and calculating the determinant, and the calculated determinant and the threshold value The attitude control device according to claim 1 , wherein the distribution matrix is calculated by multiplying the cofactor matrix of the matrix and the transposed matrix of the Jacobian matrix. 上記分配則部で計算されるジンバル角速度と上記姿勢運動計画部で計算されるフィードフォワードジンバル角速度とを組み合わせ、上記コントロールモーメントジャイロの特異点において上記フィードバック制御トルクの大きさが0になるように、当該特異点に近づくに従ってフィードバック制御トルクの大きさを小さくし、フィードバック制御とフィードフォワード制御を連続的に切り替えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の姿勢制御装置。 Combining the gimbal angular velocity calculated by the distribution law part with the feedforward gimbal angular speed calculated by the posture motion planning part, the magnitude of the feedback control torque becomes 0 at the singular point of the control moment gyro, The attitude control device according to claim 1 or 2, wherein the feedback control torque is reduced as approaching the singular point, and the feedback control and the feedforward control are continuously switched.
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