KR20140094313A - Friction compensator and compensating method using thereof - Google Patents

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KR20140094313A KR1020130006997A KR20130006997A KR20140094313A KR 20140094313 A KR20140094313 A KR 20140094313A KR 1020130006997 A KR1020130006997 A KR 1020130006997A KR 20130006997 A KR20130006997 A KR 20130006997A KR 20140094313 A KR20140094313 A KR 20140094313A
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이선호
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Abstract

A purpose of present invention is to provide a friction compensator via command torque shaping, which changes a discontinuous characteristic of friction near zero speed of a reaction wheel into smooth continuous properties by using a command torque shaping method to reduce jerk disturbance torque. To achieve the purpose mentioned above, the friction compensator according to an embodiment of the present invention, functioning as a friction compensator for a torque generation driver for posture stabilization and orientation conversion of an object, comprises: a friction estimation unit for estimating friction force using the speed of a wheel of the torque generation driver and command torque calculated by an object posture controller; and a command torque shaping unit for substituting the friction force estimated by the friction force estimation unit into a shaping function to output shaping torque.

Description

마찰력 보상기 및 이를 이용한 마찰력 보상방법{Friction compensator and compensating method using thereof}[0001] The present invention relates to a frictional force compensator and a frictional force compensating method using the frictional compensator,

본 발명은 마찰력 보상기 및 이를 이용한 마찰력 보상 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 인공위성 등에 있어 저크 외란토크를 저감시킬 수 있는 마찰력 보상기 및 이를 이용한 마찰력 보상 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a frictional force compensator and a frictional force compensating method using the frictional force compensator. More particularly, the present invention relates to a frictional force compensator capable of reducing jerk disturbance torque in an artificial satellite or the like, and a frictional force compensating method using the same.

반작용휠(reaction wheel), 모멘텀휠(momentum wheel), 제어모멘트자이로(control moment gyroscope) 등은 고 관성모멘트(Moment of Inertia)를 지닌 로터(rotor)를 구비한 모터 응용장치로서 인공위성, 선박, 잠수정, 자동차, 항공기, 미사일 등의 이동체(vehicle)와 부유체(floating platform)의 자세 안정화 및 방향 전환을 위한 토크(torque) 발생 구동기로 사용된다. Reaction wheels, momentum wheels and control moment gyroscopes are motor application devices with rotors with high moments of inertia, such as satellites, ships, And is used as a torque generating actuator for stabilizing and redirecting a vehicle and a floating platform such as an automobile, an aircraft, and a missile.

예컨대, 반작용휠은 서보 모터를 이용하여 작용/반작용 법칙에 의해 제어용 토크를 발생시키는 장치로서, 모터축 끝단에 일정한 관성모멘트를 지닌 휠을 부착시키고 휠의 속도를 서보로 제어하여 연속적인 제어용 토크 생성한다.For example, a reaction wheel is a device that generates a control torque by an action / reaction rule using a servomotor, attaches a wheel having a certain moment of inertia to the end of the motor shaft, and controls the speed of the wheel by a servo to generate a continuous control torque do.

구체적으로, 도 18 및 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 모터(11)와 고 관성모멘트를 지닌 플라이휠(flywheel)(12)이라는 로터로 구성되며, 모터 축에 장착된 플라이휠(12)을 고속으로 회전시킨 상태에서 외부 명령토크에 따른 가감속을 통해 발생하는 물리적인 생성토크를 인공위성에 전달하여 외란(disturbance)으로부터 자세를 안정화하거나 임무수행을 위해서 특정한 방향으로 인공위성을 회전시킨다. 따라서 플라이휠 속도와 회전방향은 제어명령에 따라 끊임없이 변화한다. 이를 통하여, 반작용휠은 생성토크를 생성한 후, 위성동역학, 자세센서, 자세제어기를 통하여 인공위성의 자세제어를 위한 명령토크를 반작용휠에 입력하는 과정을 거치게 된다.Specifically, as shown in Figs. 18 and 19, a motor 11 and a flywheel 12 having a high moment of inertia are used to rotate the flywheel 12 mounted on the motor shaft at a high speed In the rotated state, the physical generated torque generated through the acceleration / deceleration according to the external command torque is transmitted to the satellite to stabilize the posture from the disturbance or to rotate the satellite in a specific direction to perform the mission. Therefore, the flywheel speed and direction of rotation change constantly according to control commands. Through this, the reaction wheel generates the generated torque, and then, through the satellite dynamics, the attitude sensor, and the attitude controller, the command torque for controlling the attitude of the satellite is input to the reaction wheel.

그런데, 반작용휠은 그 내부에 구비된 베어링에 의해 모터 특유의 마찰력이 존재하는데 일반적으로 플라이휠 속도의 함수로 표현된다. 대표적인 스트리벡 마찰력 모델(Stribeck friction model)은 점성마찰계수(viscous friction coefficient), 쿨롬마찰계수(coulomb friction coefficient), 그리고 정지마찰계수(stiction friction coefficient)를 이용한 비선형 함수로 정의된다.However, the reaction wheel has a friction force specific to the motor due to the bearings provided therein, and is generally expressed as a function of the flywheel speed. A typical Stribeck friction model is defined as a nonlinear function using a viscous friction coefficient, a coulomb friction coefficient, and a stiction friction coefficient.

인공위성 자세 제어의 관점에서, 반작용휠은 일반적으로 MOI(Moment Of Inertia), 적분기(integrator), 및 마찰력 함수의 조합으로 기술된다. 반작용휠로부터 생성된 반작용 토크(τω)는 반작용휠에 대한 명령 토크(τc)와 마찰력 함수로부터의 마찰력 토크(τf)의 차로 정의된다.In terms of satellite attitude control, reaction wheels are generally described by a combination of MOI (Moment Of Inertia), integrator, and frictional force function. The reaction torque τ ω generated from the reaction wheel is defined as the difference between the command torque τ c for the reaction wheel and the frictional torque τ f from the frictional force function.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, J는 반작용휠의 MOI, Ω는 반작용휠 속도이다.Where J is the MOI of the reaction wheel, and Ω is the reaction wheel speed.

특히, 마찰력 함수는 반작용휠의 비선형성의 일반적인 형태인 스트리벡 마찰력 모델로 간주된다.In particular, the frictional force function is considered a Stryckic frictional force model, which is a general form of nonlinearity of the reaction wheel.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서, Fυ는 점성 마찰력, Fc는 쿨롬 마찰력, Fs는 정적 마찰력(즉, stiction), Ωs는 스트리벡 속도, ns는 상수이다. 마찰력 함수로부터 저크(jerk) 외란을 계산하기 위하여, τf의 시간 미분은 다음과 같다.Where F υ is the viscous frictional force, F c is the Coulomb frictional force, F s is the static frictional force (ie, stiction), Ω s is the Stryvek velocity, and n s is a constant. To calculate the jerk disturbance from the frictional force function, the time derivative of τ f is:

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure pat00004
Figure pat00004

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure pat00005
Figure pat00005

저크 외란(

Figure pat00006
)은 임펄스(impulse) 함수 성분 즉, Ω=0 에서 δ(Ω)을 가진다. 휠 속도 0을 지나는 동안
Figure pat00007
에서 원치 않는 임펄스 저크 효과를 보상하기 위하여 τc에 더해지는 성형 토크(τs)를 정의하면, 보상된 반작용 토크(τ)는 다음과 같다.Jerk disturbance (
Figure pat00006
) Has an impulse function component, i.e.,? (?) At? = 0. While passing the wheel speed 0
Figure pat00007
Defining the shaping torque (τ s ) to be added to τ c to compensate for the unwanted impulse jerk effect, the compensated reaction torque (τ) is

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서,

Figure pat00009
는 보상된 마찰력 토크이다.here,
Figure pat00009
Is the compensated frictional torque.

플라이휠이 한쪽 방향으로 회전을 하고 있을 경우는 플라이휠 속도 피드벡(feedback) 제어기를 통해서 마찰력을 보상하는 것이 일반적이다. 하지만, 영속도(zero speed) 부근에서 플라이휠이 회전 방향을 전환할 때 정지마찰력과 쿨롬마찰력의 불연속(discontinuous) 특성으로 인해 저크 외란토크(jerk disturbance torque)가 발생하여 인공위성의 정밀 자세제어 성능을 저하시키는 문제를 야기한다.If the flywheel is rotating in one direction, it is common to compensate for the frictional forces through the flywheel speed feed feedback controller. However, when the flywheel changes its direction of rotation around the zero speed, jerk disturbance torque is generated due to discontinuous characteristics of the static frictional force and the coulomb frictional force, thereby deteriorating the precision attitude control performance of the satellite .

이러한 문제를 해결하기 위해, 종래에는 플라이휠의 영속도 부근에서 작은 진폭과 높은 주파수를 가지는 떨림신호(dither signal)를 반작용 휠의 명령토크에 추가로 입력하여 비선형성을 선형화하는 방법이 제안되어 있다(미국특허 제5,020,745호 'Reaction Wheel Friction Compensation Using Dither', 1991). 그러나 이러한 방법은 고속의 떨림신호를 생성해야하고 마찰력을 근본적으로 보상하는 방법이 아니므로 성능에 한계가 있었다.In order to solve such a problem, there has been proposed a method of linearizing nonlinearity by additionally inputting a dither signal having a small amplitude and a high frequency in the vicinity of the zero speed of the flywheel to the command torque of the reaction wheel U.S. Patent No. 5,020,745 'Reaction Wheel Friction Compensation Using Dither', 1991). However, this method has a limitation in performance since it is not a method to fundamentally compensate the frictional force by generating a high-speed shaking signal.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 명령토크 성형기법을 통해서 반작용휠 영속도 부근 마찰력의 불연속 특성을 부드러운(smooth) 연속(continuous) 특성으로 만들어 저크 외란토크를 저감시킬 수 있는 명령토크 성형기법을 이용한 마찰력 보상기를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems and provides an instruction torque generating apparatus and a control method thereof capable of reducing discontinuity of jerk disturbance torque by making a discontinuous characteristic of a frictional force near a reaction wheel speed constant as a smooth continuous characteristic, And to provide a friction force compensator using a molding technique.

또한, 본 발명은 명시적으로 언급된 목적 이외에도, 후술하는 본 발명의 구성으로부터 달성될 수 있는 다른 목적도 포함한다.Further, the present invention includes other objects that can be achieved from the construction of the present invention described later, in addition to the objects explicitly mentioned.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 실시예에 따른 마찰력 보상기는 물체의 자세안정화 및 방향전환을 위한 토크발생구동기용 마찰력 보상기로서, 상기 토크발생구동기의 휠의 속도와, 상기 물체의 자세제어기에서 연산된 명령토크를 이용하여 마찰력을 추정하는 마찰력 추정기(friction estimation), 그리고 상기 마찰력 추정기에 의해 추정된 마찰력을 성형함수에 대입하여 성형토크(shaping torque)를 출력하는 명령토크 성형기(command shaping)를 포함한다.In order to achieve the above object, a frictional force compensator according to an embodiment of the present invention is a frictional force compensator for a torque generating actuator for stabilizing an orientation of an object and changing a direction, A friction estimation unit for estimating a friction force using the command torque calculated by the friction torque estimator, and a command shaping unit for outputting a shaping torque by substituting the friction force estimated by the friction force estimator into a molding function, .

또한, 상기 성형함수는,In addition,

Figure pat00010
(여기서, k1, k2, Ωc는 양의 설계 매개변수)이며,
Figure pat00010
(Where k 1 , k 2 , Ω c are positive design parameters)

Figure pat00011
이고,
Figure pat00011
ego,

Figure pat00012
(여기서, Fυ는 점성 마찰력, Fc는 쿨롬 마찰력, Fs는 정지 마찰력, Ωs는 스트리벡 속도, ns는 상수)이다.
Figure pat00012
(Where F υ is the viscous frictional force, F c is the Coulomb friction force, F s is the static frictional force, Ω s is the Stryvek velocity, and n s is a constant).

또한, 상기 마찰력 추정기에 의한 상기 마찰력의 추정에는 회귀분석법(regression) 또는 최소좌승법(least square), 칼만필터(Kalman Filter) 최적화 알고리즘이 적용된다.Regression, least squares, and Kalman filter optimization algorithms are applied to the estimation of the frictional force by the frictional force estimator.

또한, 상기 토크발생구동기는 반작용휠(reaction wheel), 모멘텀휠(momentum wheel), 제어모멘트자이로(control moment gyroscope) 중 어느 하나에 해당한다.Also, the torque generating actuator corresponds to any one of a reaction wheel, a momentum wheel, and a control moment gyroscope.

한편, 상기 마찰력 보상기를 사용하여 상기 물체의 자세를 제어하는 방법으로서, 상기 자세제어기로부터의 상기 명령토크와 상기 마찰력 보상기로부터의 상기 성형토크를 합성하여 합성토크를 생성하는 단계, 그리고 상기 합성토크를 상기 토크발생구동기에 피드백 시키는 단계를 포함한다.Meanwhile, a method of controlling the attitude of the object using the frictional force compensator may include the steps of: generating the combined torque by combining the command torque from the attitude controller and the forming torque from the frictional force compensator, And feedback to the torque generating driver.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따르면, 본 발명은 정적 마찰력 불연속성의 저크 외란을 미리 정해진 수준까지 감소시킨다. 특히, 명령 성형기(commnand shaper)가 클로우즈 폼 솔루션(closed form solution)을 가지므로 궤도에서 실시간으로 적용될 수 있다.According to the present invention having the above configuration, the present invention reduces the Jerk disturbance of the static frictional force discontinuity to a predetermined level. In particular, the commnand shaper has a closed form solution and can be applied in real time in orbit.

또한, 본 발명에서, 반작용휠로부터의 정지 마찰력 불연속으로 인한 저크 외란을 보상하기 위하여 제안된 명령 성형기는 기저함수로 포물선 함수로 구성되어 반작용휠이 속도 0을 지날 때 생성 토크의 갑작스런 변화를 연속적으로 부드럽게 하여 인공위성 자세제어시스템에서 제어 에러값을 효과적으로 안정화시킬 수 있다. Further, in the present invention, in order to compensate for the jerk disturbance due to the discontinuous frictional force discontinuity from the reaction wheel, the proposed command molding machine is constituted by a parabolic function as a basis function so that the sudden change of the generated torque continuously So that the control error value can be effectively stabilized in the satellite attitude control system.

또한, 본 발명은 인공위성 등의 자세제어에서 실시간 마찰력 추정을 위한 선형 회귀 알고리즘에도 적용될 수 있다.Also, the present invention can be applied to a linear regression algorithm for real-time frictional force estimation in posture control of a satellite or the like.

한편, 본 발명의 효과는 상술된 것에 국한되지 않고 후술하는 본 발명의 구성으로부터 도출될 수 있는 다른 효과도 본 발명의 효과에 포함된다. On the other hand, the effects of the present invention are not limited to those described above, and other effects that can be derived from the constitution of the present invention described below are also included in the effects of the present invention.

도 1은 스트리벡 마찰력 모델을 나타낸다.
도 2는 포물선 명령 성형기를 사용한 마찰력 보상의 효과를 나타내며, 구체적으로 도 2의 (a)는 반작용휠에서 보상된 마찰력을 나타내고, 도 2의 (b)는 반작용휠에서 저크 감소를 나타낸다.
도 3은 반작용휠을 위한 마찰격 보상기의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 반작용휠 속도와 제어 에러값 사이의 통상적 관계를 나타낸다.
도 5는 인공위성 몸체 프레임에 4개의 반작용휠(RW)의 피라미드 형태 장착 배치를 나타낸다.
도 6은 반작용휠을 구비한 인공위성 자세제어시스템의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 7은 마찰력 보상이 없는 제어 에러를 나타낸다.
도 8은 마찰력 보상이 없는 몸체 속도(body rate)를 나타낸다.
도 9는 마찰력 보상이 없는 반작용휠 속도를 나타낸다.
도 10은 마찰력 보상이 없는 반작용휠 토크를 나타낸다.
도 11은 마찰력 보상이 있는 제어 에러를 나타낸다.
도 12는 마찰력 보상이 있는 몸체 속도(body rate)를 나타낸다.
도 13은 마찰력 보상이 있는 반작용휠 속도를 나타낸다.
도 14는 마찰력 보상이 있는 반작용휠 토크를 나타낸다.
도 15는 마찰력 보상이 있는 성형 토크(shaping torque)를 나타낸다.
도 16은 마찰력 보상이 있는 점성 마찰력의 추정치를 나타낸다.
도 17은 마찰력 보상이 있는 쿨롬 마찰력의 추정치를 나타낸다.
도 18은 반작용휠의 주요 구성을 나타낸다.
도 19는 반작용휠 기반, 종래의 인공위성 자세제어 시스템의 한 예를 나타낸다.
Figure 1 shows a Stryvek frictional force model.
Figure 2 shows the effect of frictional force compensation using a parabolic commander, specifically Figure 2 (a) shows the compensated frictional force in the reaction wheel, and Figure 2 (b) shows the jerk reduction in the reaction wheel.
Figure 3 shows a block diagram of a friction compensator for a reaction wheel.
Figure 4 shows a typical relationship between the reaction wheel speed and the control error value.
Figure 5 shows a pyramidal mounting arrangement of four reaction wheels (RW) in a satellite body frame.
6 shows a block diagram of a satellite attitude control system with a reaction wheel.
Figure 7 shows a control error without frictional force compensation.
Figure 8 shows the body rate without friction force compensation.
Figure 9 shows the reaction wheel speed without friction force compensation.
Figure 10 shows the reaction wheel torque without friction force compensation.
Figure 11 shows a control error with frictional force compensation.
Figure 12 shows the body rate with frictional force compensation.
Figure 13 shows the reaction wheel speed with frictional force compensation.
Figure 14 shows the reaction wheel torque with frictional force compensation.
Figure 15 shows shaping torque with frictional force compensation.
16 shows an estimate of the viscous frictional force with frictional force compensation.
17 shows an estimate of the coulomb frictional force with frictional force compensation.
Figure 18 shows the main configuration of the reaction wheel.
Figure 19 shows an example of a conventional satellite attitude control system based on a reaction wheel.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 한 실시예에 따른 마찰력 보상기(이하, '본 마찰력 보상기'라 함)에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a frictional force compensator (hereinafter referred to as a "frictional force compensator") according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

한편, 본 마찰력 보상기는 물체의 자세안정화 및 방향전환을 위한 토크발생구동기용 마찰력 보상기로서, 여기서 물체는 인공위성, 선박, 잠수정, 자동차, 항공기, 미사일 등의 다양한 이동체(vehicle)와 부유체(floating platform)에 해당할 수 있고, 토크발생구동기는 반작용휠, 모멘텀휠, 제어모멘트자이로 등이 해당될 수 있으나, 설명의 편의상 인공위성 제어를 위한 반작용휠을 예로 들어 설명하도록 한다.Meanwhile, the present frictional force compensator is a frictional force compensator for a torque generating actuator for stabilizing and redirecting an object, wherein the object is a vehicle including a variety of vehicles such as a satellite, a ship, a submersible vehicle, an aircraft, a missile, ), And the torque generating actuator may be a reaction wheel, a moment wheel, a control moment gyro, etc. For convenience of explanation, the reaction wheel for controlling the satellite will be described as an example.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 마찰력 보상기(500)는 마찰력 추정기(600) 및 명령토크 성형기(700)를 포함한다. As shown in FIG. 3, the present friction force compensator 500 includes a friction force estimator 600 and a command torque shaper 700.

구체적으로, 마찰력 추정기(friction estimation)(600)는 반작용휠(200)의 휠의 속도(Ω)와, 인공위성의 자세제어기(100)에서 연산된 명령토크(τc)를 이용하여 마찰력(F)을 추정한다. 이때 추정을 위해서 회귀분석법(Regression), 최소좌승법(Least Square), 칼만필터(Kalman Filter) 등의 최적화 알고리즘을 적용할 수 있다.Specifically, the friction estimation 600 calculates the frictional force F by using the wheel speed? Of the reaction wheel 200 and the command torque? C calculated by the attitude controller 100 of the satellite, . In this case, optimization algorithms such as regression, Least Square, and Kalman Filter can be applied for estimation.

명령토크 성형기(command shaping)(700)는 마찰력 추정기(600)에 의해 추정된 마찰력(F)을 성형함수에 대입하여 성형토크(shaping torque)(τs)를 출력한다. 이때 사용되는 성형함수는 마찰력 함수와 2차 성형함수로 구성된다. 성형토크(τs)는 자세제어기(100)의 명령토크(τc)와 함께 반작용휠(200)의 토크입력에 인가되어 플라이휠(200)이 영속도를 지나는 동안 불연속 마찰력 특성을 연속 특성으로 부드럽게(smooth) 만든다.Command torque molding machine (command shaping) (700) outputs the molding torque (torque shaping) (τ s) by the frictional force (F) estimated by the frictional force estimator 600 assigned to the forming function. The forming function used here is composed of the frictional force function and the secondary forming function. The shaping torque? S is applied to the torque input of the reaction wheel 200 together with the command torque? C of the attitude controller 100 to smooth the discontinuous frictional force characteristic as a continuous characteristic while the flywheel 200 passes the zero speed (smooth).

구체적으로, 명령토크 성형을 이용한 마찰력 보상은 다음과 같이 이루어진다.Specifically, the frictional force compensation using the command torque forming is performed as follows.

먼저, 기저 함수(basis function)로서 포물선 함수(parabolic function)를 사용하여, 성형토크(τs)는 다음과 같이 제안된다.First, using a parabolic function as a basis function, the shaping torque? S is proposed as follows.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure pat00013
Figure pat00013

(여기서, k1, k2, Ωc는 양의 설계 매개변수). 그러면, 보상된 토크 및 Ω에 대한 미분값은 다음과 같이 얻어진다.(Where k 1 , k 2 , Ω c are positive design parameters). Then, the compensated torque and the derivative value for? Are obtained as follows.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure pat00014
Figure pat00014

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure pat00015
Figure pat00015

주어진 Ωc(≫Ωs)에서, k1, k2를 결정하기 위해, 아래와 같은 경계 조건(Ω=Ωc에서

Figure pat00016
Figure pat00017
)을 만족시키는 k1 및 k2를 구해야 한다.To determine k 1 , k 2 at a given Ω c (»Ω s ), the following boundary conditions (Ω = Ω c
Figure pat00016
And
Figure pat00017
K < / RTI > And k 2 .

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure pat00018
Figure pat00018

수학식 10의 유일 해는 아래와 같은 클로즈드 폼(closed form)으로 계산된다.The unique solution of Equation (10) is calculated as a closed form as shown below.

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure pat00019
Figure pat00019

도 2는 마찰력 모델에서 상이한 Ωc에서 보상된 토크 및 저크 감소를 나타낸다. 명령 성형기는 그 해가 클로즈드 폼으로 얻어지는 선형 방정식을 해결하여, 마찰력 모델의 실시간 추정에 적용될 수 있다.Figure 2 shows the compensated torque and jerk reduction at different Ω c in the frictional force model. The command molder can be applied to the real-time estimation of the frictional force model, solving linear equations in which the solution is obtained in closed form.

Figure pat00020
인 경우, 마찰력 모델은 명령토크 및 측정된 휠 속도를 사용하여 추정된다. {τs(k), Ω(k)}, k={1, 2,…, N}을 샘플링된 일련의 명령토크와, 도 4에 도시된 바와 같이 인공위성 자세기동 구간(즉, │Ω(k)│> Ωc) 동안 통상적으로 사다리꼴 파형(trapezoidal wave form)인 측정된 휠 속도 변화로 정의한다. 그러면, 수학식 7로부터│Ω(k)│> Ωc 에서 τs(k) = 0 이므로, 시간 k에서 순간적 마찰 토크는 수학식 1로부터 다음과 같이 구해진다.
Figure pat00020
, The frictional force model is estimated using the command torque and the measured wheel speed. {τ s (k), Ω (k)}, k = {1, 2, ... , N} and the measured wheel torque, which is typically a trapezoidal wave form during the satellite attitude maneuver interval (i.e., Ω (k) │> Ω c ) as shown in FIG. 4 Speed change. Then, from Equation (7), Ω (k) │> Ω c Since? s (k) = 0, the instantaneous frictional torque at time k is obtained from Equation (1) as follows.

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure pat00021
Figure pat00021

(여기서, Δt 는 데이터 샘플링 시간). 그러면 Fυ와 Fc의 추정치는 {

Figure pat00022
Ω(k)}, k={1, 2,…, N}를 가진 선형 회귀법(linear regression)을 사용하여, 아래와 같이 계산된다.(Where? T is the data sampling time). The estimates of F υ and F c are then {
Figure pat00022
Ω (k)}, k = {1, 2, ... , N}, using the linear regression.

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure pat00023
Figure pat00023

최종적으로,

Figure pat00024
와 함께 수학식 11을 사용하면, 추정된 마찰력 매개변수는 인공위성 안정화 구간(│Ω(k)│< Ωc) 동안 사용되는 수학식 7의 성형 토크를 구성하는데 사용된다.
Finally,
Figure pat00024
, The estimated frictional force parameter is used to construct the shaping torque of Equation (7) used during the satellite stabilization period ([Omega] (k) < [Omega] c ).

이하에서는 본 발명의 작용에 대해 설명하기 위하여 4개의 반작용휠(Reaction Wheel; RW #1, RW #2, RW #3, RW #4)을 사용하는 인공위성 제어를 예로 들어 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described by taking as an example satellite control using four reaction wheels (RW # 1, RW # 2, RW # 3, RW # 4).

인공위성 자세 제어 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 PID 제어기, 마찰력 추정기와 연동되는 명령 성형기(command shaper), 반작용휠, 인공위성 동력학(dynamics), 및 운동학(kinematics)으로 구성된다. 그리고 시뮬레이션 매개변수는 표 1에 열거되어 있다.The satellite attitude control system consists of a PID controller, a command shaper interlocked with the friction force estimator, a reaction wheel, satellite dynamics, and kinematics, as shown in FIG. The simulation parameters are listed in Table 1.

표시Display value 설명Explanation JJ 0.05 kgm2 0.05 kgm 2 반작용휠의 MOI MOI of the reaction wheel Fv F v 2.5×10-5 Nm/rpm2.5 x 10 -5 Nm / rpm 점성 마찰력Viscous frictional force Fc F c 0.01 Nm0.01 Nm 쿨롬 마찰력Coulomb friction Fs F s 0.01 Nm0.01 Nm 정지 마찰력Static friction force Ωc Ω c 40 rpm40 rpm 보상 속도 Compensation speed KK 0.45870.4587 비례 제어 이득Proportional control gain CC 1.18751.1875 미분 제어 이득 Differential control gain TT 17.683917.6839 적분 시간 상수Integral time constant fs f s 8 Hz8 Hz 제어 샘플링 주파수Control sampling frequency qc q c [0.2588, 0, 0, 0.9659]T [0.2588, 0, 0, 0.9659] T 쿼터니온 명령
(롤링 축을 중심으로 30도에 대응)
Quaternion command
(Corresponds to 30 degrees around the rolling axis)
αalpha 45 deg45 deg 피라미드 형상에서 AZ 각AZ angle in pyramid shape βbeta 35.3 deg35.3 deg 피라미드 형상에서 EL 각In the pyramid shape,

강성의(rigid) 인공위성을 위한 회전 운동방정식은 다음과 같이 기술된다.The rotational equations for rigid satellites are described as follows.

[수학식 14]&Quot; (14) &quot;

Figure pat00025
Figure pat00025

(여기서, ω는 인공위성의 각속도, hω는 반작용휠 클러스트의 각 모멘텀, τsc 는 인공위성의 제어 토크). 더욱이, 인공위성 MOI(Isc)는 kgm2 로 다음과 같이 주어진다.(Where ω is the angular velocity of the satellite, h ω is the momentum of the reaction wheel cluster, and τ sc is the control torque of the satellite). Furthermore, the satellite MOI (I sc ) is given in kgm 2 as:

[수학식 15]&Quot; (15) &quot;

Figure pat00026
Figure pat00026

Figure pat00027
로서 쿼터니온(quaternion)을 정의하면, 쿼터니온 운동학 미분 방정식(quaternion kinematics differential equation)은 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00027
If we define a quaternion as a quaternion kinematics differential equation,

[수학식 16]&Quot; (16) &quot;

Figure pat00028
Figure pat00028

수학식 7로부터 쿼터니온 기저의 PID 제어기는 폐루프(closed loop) 제어시스템의 시뮬레이션에 다음과 같이 채택된다.From Equation (7), the quaternary base PID controller is adopted as follows in the simulation of a closed loop control system.

[수학식 17]&Quot; (17) &quot;

Figure pat00029
Figure pat00029

여기서, qe는 다음과 같이 정의되는 쿼터니온 에러값이다.Here, q e is a quaternion error value defined as follows.

[수학식 18]&Quot; (18) &quot;

Figure pat00030
Figure pat00030

여기서, qc는 자세 명령 쿼터니온이다. 4개의 반작용휠의 통상적인 피라미드 장착 배치(pyramid mounting arrangement)를 고려하면, 인공위성으로부터 4개의 반작용휠로의 스티어링 매트릭스(steering matrix) Mstr 및 4개의 반작용휠로부터 인공위성 몸체(body)로의 언스티어링 매트릭스(unsteering matrix) Munstr는 다음과 같이 정의된다.Where q c is the attitude command quaternion. Considering the typical pyramid mounting arrangement of the four reaction wheels, a steering matrix M str from the satellite to the four reaction wheels and an unsteering matrix from the four reaction wheels to the satellite body (unsteering matrix) M unstr is defined as follows.

[수학식 19]&Quot; (19) &quot;

Figure pat00031
Figure pat00031

[수학식 20]&Quot; (20) &quot;

Figure pat00032
Figure pat00032

도 7 내지 도 10은 마찰력 보상이 없는 상태의 제어 성능을 나타내고, 도 11 내지 도 17은 마찰력 보상이 있는 상태의 제어 성능을 나타낸다. 만일 제어시스템에 아무런 보상이 가해지지 않으면, 휠 생성 토크는 채터링(chattering) 현상을 보이고 그 결과 제어 에러값은 0으로 수렴하지 않는다. 그러나 만일 제어 보상이 가해지면 성형 토크로 인해 휠 생성 토크는 정상 상태(steady state)로 안정화되고 제어 에러값은 40초 후 0으로 수렴된다. 더욱이, 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이, 선형 회귀 알고리즘은 미지의 마찰력 계수의 양호한 추정치를 가진다.Figs. 7 to 10 show the control performance in the absence of the friction force compensation, and Figs. 11 to 17 show the control performance in the friction force compensation state. If no compensation is applied to the control system, the wheel generating torque exhibits a chattering phenomenon and as a result the control error value does not converge to zero. However, if control compensation is applied, the formed torque will stabilize the steady state of the wheel due to the shaping torque, and the control error value converges to zero after 40 seconds. Furthermore, as shown in Figs. 16 and 17, the linear regression algorithm has a good estimate of the unknown frictional force coefficient.

상술된 바와 같이, 예시적으로 쿼터니온 기반의 PID(quarternion-based PID) 제어기, 미지의 마찰력 모델을 가진 4개의 반작용휠, 인공위성 동력학(dynamics), 운동학(kinematics) 등으로 구성된 자세제어시스템의 비선형 시뮬레이션에서 본 발명의 효과를 확인할 수 있다. As described above, nonlinear simulation of an attitude control system, which is composed of a quaternion-based PID controller, quaternion-based PID controller, four reaction wheels with an unknown friction model, satellite dynamics, kinematics, The effect of the present invention can be confirmed.

이와 같이, 본 발명에서는 자세제어기로부터의 명령토크와 마찰력 보상기로부터의 성형토크를 합성하여 합성토크를 생성한 후, 합성토크를 토크발생구동기에 피드백 시키는 단계를 통하여, 반작용휠의 비선형으로 인한 정상 상태 자세 에러값의 증가와 원치않는 채터링 현상이 명령 성형기의 실행으로 제거됨을 보여주었다.As described above, in the present invention, the composite torque is generated by combining the command torque from the posture controller and the formed torque from the frictional force compensator, and then the synthetic torque is fed back to the torque generation driver, It has been shown that the increase of the posture error value and the unwanted chattering phenomenon are eliminated by the execution of the command molding machine.

한편, 본 발명은 다중의 반작용휠을 사용하는 경우, 마찰력 보상기를 개별적 선택적으로 적용가능하다. 또한, 2차 성형함수를 제시하였으나, 고차(higher order) 성형함수와 삼각(cosine) 성형함수로 확장이 가능하다.On the other hand, in the case of using multiple reaction wheels, the present invention can selectively and separately apply the frictional force compensator. In addition, although the secondary molding function is presented, it can be extended to higher order forming function and cosine forming function.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And all changes and modifications to the scope of the invention.

100...자세제어기, 200...반작용휠
500...마찰력 보상기, 600...마찰력 추정기
700...명령토크 성형기,
100 ... attitude controller, 200 ... reaction wheel
500 ... Frictional force compensator, 600 ... Frictional force estimator
700 ... command torque molding machine,

Claims (5)

물체의 자세안정화 및 방향전환을 위한 토크발생구동기용 마찰력 보상기로서,
상기 토크발생구동기의 휠의 속도와, 상기 물체의 자세제어기에서 연산된 명령토크를 이용하여 마찰력을 추정하는 마찰력 추정기(friction estimation), 그리고
상기 마찰력 추정기에 의해 추정된 마찰력을 성형함수에 대입하여 성형토크(shaping torque)를 출력하는 명령토크 성형기(command shaping)
를 포함하는 마찰력 보상기.
A friction force compensator for a torque generating actuator for stabilizing the posture of an object and changing the direction thereof,
A friction estimation unit for estimating a friction force using the speed of the wheel of the torque generating actuator and the command torque calculated by the attitude controller of the object,
An instruction torque shaping unit for outputting a shaping torque by substituting a frictional force estimated by the frictional force estimator into a shaping function,
.
제1항에서,
상기 성형함수는,
Figure pat00033

(여기서, k1, k2, Ωc는 양의 설계 매개변수)이며,
Figure pat00034

이고,
Figure pat00035

(여기서, Fυ는 점성 마찰력, Fc는 쿨롬 마찰력, Fs는 정지 마찰력, Ωs는 스트리벡 속도, ns는 상수)
인 마찰력 보상기.
The method of claim 1,
The shaping function may include:
Figure pat00033

(Where k 1 , k 2 , Ω c are positive design parameters)
Figure pat00034

ego,
Figure pat00035

(Where F υ is the viscous frictional force, F c is the Coulomb friction force, F s is the static frictional force, Ω s is the Stryvek velocity, and n s is a constant)
Friction force compensator.
제1항에서,
상기 마찰력 추정기에 의한 상기 마찰력의 추정에는 회귀분석법(Regression) 또는 최소좌승법(Least Square), 칼만필터(Kalman Filter) 최적화 알고리즘이 적용되는 마찰력 보상기.
The method of claim 1,
Wherein the friction force estimator estimates the frictional force using a regression method, a Least Square method, and a Kalman filter optimization algorithm.
제1항에서,
상기 토크발생구동기는 반작용휠(reaction wheel), 모멘텀휠(momentum wheel), 제어모멘트자이로(control moment gyroscope) 중 어느 하나에 해당하는 마찰력 보상기.
The method of claim 1,
Wherein the torque generating actuator corresponds to one of a reaction wheel, a momentum wheel, and a control moment gyroscope.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 마찰력 보상기를 사용하여 상기 물체의 자세를 제어하는 방법에 있어서,
상기 자세제어기로부터의 상기 명령토크와 상기 마찰력 보상기로부터의 상기 성형토크를 합성하여 합성토크를 생성하는 단계, 및
상기 합성토크를 상기 토크발생구동기에 피드백 시키는 단계
를 포함하는 방법.




A method of controlling an attitude of an object using a frictional force compensator according to any one of claims 1 to 4,
Synthesizing the command torque from the attitude controller and the forming torque from the frictional force compensator to produce a combined torque, and
Feeding back the combined torque to the torque generating driver
&Lt; / RTI &gt;




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