WO2007132793A1

WO2007132793A1 - 姿勢制御データ生成方法、及びそれを適用した姿勢制御装置

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Publication number: WO2007132793A1
Application number: PCT/JP2007/059809
Authority: WO
Inventors: Toshio Kamiya; Ken Maeda; Tatsuaki Hashimoto; Shinichiro Sakai
Original assignee: Nec Toshiba Space Systems, Ltd.; Japan Aerospace Exploration Agency
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2007-11-22
Also published as: CA2651814C; US8186627B2; EP2022718A1; EP2022718A4; JP2007302142A; US20090218449A1; JP4189604B2; EP2022718B1; CA2651814A1

Abstract

　柔軟物（５０）を有する可動物体の姿勢を姿勢マヌーバにより制御するため、まず、例えば姿勢マヌーバ時の柔軟物の振動に基き、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を得る。このサンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フィードフォワード制御則として生成する。この制御目標量に基いて姿勢制御データを生成する。この姿勢制御データは可動物体の姿勢マヌーバに利用することができる。

Description

姿勢制御データ生成方法、及びそれを適用した姿勢制御装置技術分野

本発明は、飛翔体等の可動物体を対象とする姿勢マヌーバ時における姿勢制御データを生成する姿勢制御データ生成方法、及びそれを適用した姿勢制御装置に関する。糸田

背景技術

一般に、柔軟物を有する人工衛星等の飛翔体の姿勢変更制御においては、多くの場合、より早く、より高精度に所望の姿勢へと変更を行うことが要求される。この際、最も問題視されるのが柔軟物の振動である。柔軟物が姿勢変更によって揺さぶられると、飛翔体の本体にその振動が伝わって本体の指向方向に誤差が生 .じてしまう。また、一旦、柔軟物に振動が発生すると、その振動が減衰するまでには相当な時間がかかってしまう。このように、柔軟物を有する飛翔体の姿勢変更制御については、柔軟物の振動を如何に抑制できるかが重要な課題となっている。

例えば日本国特許第 3 6 2 3 7 4 7号公報（文献 1 ) は、人工衛星等に対する姿勢変更（姿勢制御）に関連する技術として、例えば三軸衛星の姿勢変更制御方式を開示している。この姿勢変更制御方式では、姿勢制御目標量の生成過程で、目標量に含まれる周波数成分については、周波数分離を行っていない。このため、人工衛星等に搭載された柔軟物（人工衛星柔軟変動体部）が励振することを回避できず、マヌーバ終了後にも柔軟物の定常的な振動が残留する。即ち、マヌーバ終了後、観測ミッションを開始できる状態に至るまでに姿勢静定（振動収束）の待機時間が必要である。したがって、振動が収束するまでは指向安定度が確保されないため、観測ミッションを開始することができない。結果として、姿勢マヌーバに要する全体の時間（姿勢マヌーパ開始から観測ミッション開始までの時間）が長く掛かってしまう。

そこで、姿勢変更制御に際して柔軟物の振動を抑制するための対策も提案されている。例えば、 N. C. S i n g e r等により提案された B a n g— B a n g 制御による柔軟衛星の姿勢マヌーバ制御手法（文献 2：「S i n g e r， N. C.， S e e r i n g , W. P. : P r e s h a p i n g Co mm a n d I n p u t s t o R e d u c e S y s t em V i b r a t i o n, J o u r n a l o f Dyn am i c S y s t ems a n d Me a s u r eme n t C o n t r o l , 1 12 (1 990)， p p. 76— 82」参照）、及ぴ B . W i e等により提案された B a n g-B a n g制御による柔軟衛星の姿勢マヌーバ制御手法（文献 3 ：「L i u， Q.， W i e， B. ： R o b u s t T i me— Op t i m a 1 C o n t r o l o f Un c e r t a i n F l e x i b l e S p a c e c r a f t, J o u r n a l o f Gu i d a n c e, C o n t r o 1 , a n d Dyn am i c s, 15 (1 992)， p p. 597— 604」参照）等がある。発明の開示

上述した文献 2または文献 3の B a n g— B a n g制御は、何れも制御ァクチユエータとしてスラスタを使用対象としたものであり、スラスタ以外の制御ァクチユエータ、例えば人工衛星の姿勢を回転させるためのリアクションホイール（R e a c t i o n Wh e e l : RW) または人工衛星の姿勢を動かすためのコントローノレモーメントジャィ口 (C o n t r o l Mome n t Gy r o : CM G) 等へは適用し難い。

それらの B a n g-B a n g制御は、柔軟物が 1つの柔軟モードのみを有する場合には有効であると言える。しかし、実際の柔軟物は分布定数系であると共に、複数の支配的な柔軟モードを有する振動系である場合が殆どであるため、或る特定の柔軟モードの励振を回避できるとしても、その他の大部分の大きな柔軟モードを回避することはできない。

それ故に本発明の目的は、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバに要する全体の時間の短縮を可能にする姿勢制御データ生成方法を提供することにある。本発明の他の目的は、可動物体の柔軟物が複数の柔軟モードを有する場合でも姿勢マヌーバにおける振動の効果的な抑制を可能にする姿勢制御データ生成方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバに要する全体の時間を短縮できる姿勢制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、可動物体の柔軟物が複数の柔軟モードを有する場合でも姿勢マヌーパによる振動を効果的に抑制することができる姿勢制御装置を提供することにある。

本発明の第 1の態様によれば、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバにおける姿勢制御データを生成する姿勢制御データ生成方法であって、前記姿勢マヌーバ時の前記柔軟物の振動に基き、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を得るサンプリング関数取得段階と、前記サンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フィードフォヮ一ド制御則として生成する制御目標量生成段階と、前記制御目標量に基いて前記姿勢制御データを生成する制御データ生成段階とを有することを特徴とする方法が得られる。

前記制御目標量生成段階では、前記サンプリング関数として、周波数成分を完全分離した姿勢プロファイルの波形を生成可能な s i n c関数を用いて前記制御目標量を生成してもよい。

前記制御目標量生成段階では、前記 s i n c関数による前記サンプリング関数における正負の 2つの波形を 1周期分ずらして組み合わせることにより前記制御目標量として加速減速用データを生成してもよい。

前記制御目標量生成段階では、前記姿勢マヌーバ後の前記柔軟物の振動を最大限に抑制するために、前記 s i n c関数に対して窓関数を掛け合わせて前記制御目標量を生成してもよい。

本発明の第 2の態様によれば、柔軟物を有する可動物体の姿勢を姿勢マヌーパにより制御する姿勢制御装置であって、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フィードフォヮ一ド制御則として生成する制御目標量生成手段を有することを特徴とする装置が得られる。

前記制御目標量生成手段は、前記姿勢マヌーバ時の前記柔軟物の振動に基いて前記サンプリング関数を得るものであってもよい。

さらに、前記制御目標量に基いて生成した姿勢制御データを用いて前記可動物体の姿勢を変更する姿勢変更手段を有してもよい。

さらに、前記可動物体に設置された、前記可動物体を回転させるための姿勢回転手段を含むものでもよい。

前記制御目標量生成手段は、前記サンプリング関数として、周波数成分を完全分離した姿勢プロファイルの波形を生成可能な s i n c関数を用いて前記制御目標量を生成するものであってもよい。

前記制御目標量生成手段は、前記 s i n c関数による前記サンプリング関数における正負の 2つの波形を 1周期分ずらして組み合わせることにより前記制御目標量として加速減速用データを生成するものであってもよい。

前記制御目標量生成手段は、前記 s i n c関数に対して窓関数を掛け合わせて前記制御目標量を生成するものであってもよい。

前記可動物体は人工衛星であり、前記柔軟物は前記人工衛星に搭載された柔軟変動体部であってもよい。

前記柔軟変動体部は、前記人工衛星の姿勢を回転させるためのリアクションホィールと、前記人工衛星の姿勢を動かすためのコントロールモーメントジャイロとを含むものでもよい。

本発明の第 1の態様による姿勢制御データ生成方法は、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバに要する全体の時間の短縮を可能にし、また、可動物体の柔軟物が複数の柔軟モードを有する場合でも姿勢マヌーバにおける振動の効果的な抑制を可能にする。

本発明の第 2の態様による姿勢制御装置は、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバに要する全体の時間を短縮でき、また、可動物体の柔軟物が複数の柔軟モードを有する場合でも姿勢マヌーバによる振動を効果的に抑制することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例に係る姿勢制御データ生成方法で用いられるサンプリング関数を説明するためのタイムチャートであり、（a ) は 1周期分ずらした正負逆極性の 2つのサンプリング関数の特性を示し、 ( b ) は ( a ) に示す 2つのサンプリング関数の特性を加算合成した合成特性を示す。

図 2は、本発明の一実施例に係る姿勢制御データ生成方法で用いられるサンプリング関数の処理を説明するためのタイムチャートであり、（a ) は図 1 ( b ) に示す合成特性を示し，（b ) は（a ) に示す合成特性におけるピーク部分に対する窓関数の特性を示し，（c ) は（a ) に示す合成特性に（b ) の窓関数の特性を掛け合わせた特性を示す。

図 3は、図 2 ( c ) に示す窓関数の特性におけるピーク部分をその成分特性におけるピーク部分と対比して周波数に対する振幅の関係で示すタイムチャートである。

図 4は、本発明の一実施例に係る姿勢制御データ生成方法でサンプリング関数に基いて生成される制御目標量であるマヌーバプロフアイルの諸特性を例示したタイムチャートである。

図 5は、本発明の一実施例に係る姿勢制御装置により柔軟物（人工衛星柔軟変動体部）を対象として実行する姿勢マヌーバ時の柔軟モード変位の特性を例示したタイムチャートであり、（a )は時間に対する柔軟モード変位の関係で示される基本モード特性を示し，（b ) は時間に対する微分柔軟モード変位の関係で示される微分モード特性を示す。

図 6は、本発明の一実施例に係る姿勢制御データ生成方法を適用した人工衛星用姿勢制御装置の基本構成を示した機能ブロック図である。発明を実施するための最良の形態

先ず、図 1一 5を参照して、本発明の実施の形態に係る姿勢制御データ生成方法とそれを適用した姿勢制御装置の概要とについて説明する。この姿勢制御データ生成方法は、柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバ時における姿勢制御データを生成する方法であって、姿勢マヌーパ時の柔軟物の振動に基き、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を得るサンプリング関数取得段階と、サンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フイードフォヮ一ド制御則として生成する制御目標量生成段階とを有している。さらに、この制御目標量に基いて制御データ生成段階で姿勢制御データを生成する。

図 1は、制御目標量生成段階で用いられるサンプリング関数の特性 [時間（s) に対する振幅の関係で表わされる] を例示したものであり、同図（a) は 1周期分ずらした正負逆極性の 2つのサンプリング関数の特性（ s— f 1 1 , s - f 1 2) に関するもの，同図（b) は同図（a) の特性を加算合成した合成特性（s 一 f 1 1 + 1 2) に関するものである。

図 1 (a) では、上述した制御目標量生成段階において、サンプリング関数の特性 s— f 1 1, s— f 1 2として、姿勢プロファイルの波形を生成可能な 1周期分ずらした正負逆極性の s i n c関数を用いる。図 1 (b) では、これらの s i n c関数によるサンプリング関数を加算合成することにより、合成特性（s— f 1 1 + 1 2) として制御目標量となる加速減速用データを生成した様子を示している。

図 2は、制御目標量生成段階で用いられるサンプリング関数を応用した場合の諸特性 [時間（s) に対する振幅の関係で表わされる] を対比して例示し、同図

(a) は図 1 (b) に示す合成特性 (s - f 1 1 + 1 2) に関するもの，同図（b) は同図（a) の特性におけるピーク部分に対する窓関数の特性（w— f ) に関するもの，同図（c) は同図（a) の特性に同図（b) の特性を掛け合わせた特性

(s - f 1 1 + 1 2) X (w- f ) に関するものである。

ここでは、更に制御目標量生成段階において、姿勢マヌーバ終了後の柔軟物の振動を最大限に抑制するために、図 2 (a) に示されるような s i n c関数に基づいて合成して得た合成特性（s— f 1 1 + 1 2) に対して図 2 (b) に示されるようなハミング窓関数の特性（w— f ) を掛け合わせた結果として得られる図 2 (c) に示されるような特性（s— f 1 1 + 1 2) X (w- f ) として制御目標量を生成することを示している。

図 3は、図 2 (c) に示す特性 ( s— f 1 1 + 1 2) X (w- f ) におけるピーク部分をその成分特性（s— f 1 1 + 1 2) におけるピーク部分と対比して周波数（Hz) に対する振幅の関係で示したものである。

ここでは、上述した加算合成の特性 (s - f 1 1 + 1 2) に窓関数の特性（w - f ) を掛け合わせても、周波数成分が完全分離された様子、即ち、制御目標量生成段階での制御目標量の生成において、サンプリング関数として s i n c関数を用いることにより周波数分離を完全に行うことができることを示している。このことは、姿勢マヌーバ後の柔軟物の定常的な残留振動を殆ど零に近付けることができ、各種の姿勢マヌーバを経て行われる観測ミッシヨンを最短時間の姿勢マヌーバにより効果的に実施することができることを示唆している。特に、図 1 ( b ) に示した合成特性（s— f l l + 1 2) のようにサンプリング関数を重ね合わせるだけでは、姿勢マヌーバ後に振動が残ってしまうことになるため、図 2 (b) に示したような窓関数の特性 (w- f ) を掛け合わせることによって、制御目標量を姿勢マヌーバから姿勢マヌーバ終了に及んで滑らかに減衰させることができるので、この点が重要になっている。

因みに、サンプリング関数（s i n e関数）とは、特定の周波数帯域 ω _s (Hz) 以上の周波数成分を全く含まないことで一般に知られる関数である。但し、ここで特定の周波数帯域 c _s (H z) のサンプリング関数を数式で表わすと、 y (t) = s i η (ω _s t ) Z w _s tとる。

柔軟物を有する可動物体である人工衛星を最短時間で姿勢マヌーバを完了するためには、第 1の留意事項として、定常的な柔軟物の振動を引き起こさない加減速プロファイルを用いること、第 2の留意事項として、ァクチユエータ（トルク発生装置）が発生できるトルク能力を最大限使うような姿勢マヌーバを行うことが必要であり、これらを実現できれば良いことになる。

このうち、第 1の留意事項については、図 1 (a) に示すようなサンプリング関数（s i n c関数）の波形を用いて人工衛星の姿勢マヌーバに際しての角加速度プロファイル（制御目標量）の生成を行えば実現できる。サンプリング関数を利用して生成した角加速度プロフアイルを周波数分布で見ると、図 3に示したような分布となり、サンプリング関数によつて決まる或る特定の周波数以上の周波数成分を含まない波形であることが分かる。

又、第 2の留意事項については、図 1 ( a ) に示される 2つのサンプリング関数のピークの山同士を 1周期分ずらして正の波を加速用，負の波を減速用の角加速度波形と考え、 2つの波を重ね合わせることで人工衛星の姿勢の加速減速の角加速度プロファイルを図 2 ( c ) に示されるような特性として生成すれば実現できる。ここで、最大限にァクチユエータの能力を使うために、角加速度のピークをァクチユエータ能力の最大トルクから求められる姿勢の角加速度に設定することで、第 1の留意事項の利点を活かしたままァクチユエータの能力を最大限利用した加速減速を行うことができる。

尚、サンプリング関数（s i n e関数）を 1周期ずらして重ね合わせることにより加速減速のプロファイルを生成する際、例えば図 2 ( a ) に示されるような 2つのサンプリング関数の重ね合わせた特性の場合、そのままでは姿勢マヌーバ終了後に僅かに波が残ってしまう。このため、姿勢マヌーバ終了後の姿勢の振動を減らすために、更に図 2 ( b ) に示されるような窓関数を掛け合わせることで得られる図 2 ( c ) に示されるような波形を人工衛星の姿勢の加速減速の角加速度プロファイルとして利用することが重要となる。こうした窓関数を掛け合わせることにより、姿勢マヌーバ終了後の姿勢に振動が残らず、より精度の高い指向性能が確保できることになる。

ところで、実際に人工衛星等に搭載される柔軟物を対象として姿勢マヌーバを行う場合、或る二つの姿勢を最短経路で変更（姿勢マヌーバ）するためには、一般的に二つの姿勢から唯一求められるオイラー軸と呼ばれる軸回りの姿勢回転を行うことが最短経路であることが知られている。そこで、本発明で実行する姿勢マヌーバ則は、姿勢変更前の姿勢と姿勢変更後の目標姿勢とからオイラー軸を求め、そのオイラー軸回りに人工衛星の姿勢を回転させるような制御を行うものである。図 4は、制御目標量生成段階で生成するオイラー軸決定後の制御目標量であるマヌーバプロファイルの諸特性を例示したものである。但し、図 4中の下段は時間（s) に対する角度 0 (d e g) の関係で示される角度特性に関するもの，中段は時間（s) に対する角速度 d eZd t (d e g/s) の関係で示される角速度特性に関するもの，上段は時間（s) に対する角加速度 d²0Zd t ² (d e g

/ S ²) の関係で示される角加速度特性に関するものである。

ここでは、観測ミツション周期 t。 _{b s}と姿勢マヌーバ周期 t _{mn v}とが交互に繰り返されることを前提として、下段に示されるような 3 d e g (3度）のオフセット角 0。_{f f set}を持つ波形の角度特性を時刻 (t) で微分して得られる中段に示されるような角速度特性について、更に時刻（t) で微分 [即ち、角度特性を時刻 ( t )で 2階微分]して得られる上段に示されるような角加速度特性に基づいて、オイラー軸回りに人工衛星の姿勢を回転させるような姿勢マヌーバを実行することを示している。

一方、姿勢制御データ生成方法を適用した姿勢制御装置は、柔軟物に設置された姿勢を回転させるための姿勢回転手段と姿勢を動かすための姿勢変更手段とへ制御信号を送出して柔軟物を或る静止状態から別の静止状態へと姿勢マヌーバを行う基本構成を含んでいる。さらに、この姿勢制御装置は、姿勢マヌーバ時に柔軟物により発生する振動を抑制するために制御信号の制御要素として含まれると共に、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を用いて姿勢マヌーバ時の姿勢制御データとなる制御目標量を事前周波数成形型フィードフォヮード制御則として生成する姿勢マヌーバ時制御目標量生成手段を備えたものである。

ここで、姿勢マヌーバ時制御目標量生成手段は、サンプリング関数として、周波数成分を完全分離した姿勢プロファイルの波形を生成可能な s i n c関数を用いて制御目標量を生成する機能を持つこと、 s i n c関数によるサンプリング関数における正負の 2つの波形を 1周期分ずらして組み合わせることにより制御目標量として加速減速用データを生成する機能を持つこと、更に姿勢マヌーバ終了後の柔軟物の振動を最大限に抑制するために s i n c関数に対して窓関数を掛け合わせることで制御目標量を生成する機能を持つことがそれぞれ好ましい。何れにしても、柔軟物については、人工衛星に搭載された人工衛星用柔軟変動体部である場合には有効となる。人工衛星用柔軟変動体部としては、人工衛星の姿勢を回転させるためのリアクションホイールや、人工衛星の姿勢を動かすためのコント口ールモーメントジャィ口等が含まれることが好ましい。

この姿勢制御装置の場合においても、人工衛星用柔軟変動体部を対象として或る静止状態から別の静止状態への姿勢マヌーバを行う際、姿勢マヌーバ時の制御目標量の生成則として、上述した図 1 (a), (b) 乃至図 4で説明したような特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数（s i n c関数）を利用すれば、姿勢マヌーバにより発生する柔軟物の振動を大きく低減することが可肯 gとなる。

図 5は、係る姿勢制御装置で人工衛星柔軟変動体部を対象として実行する姿勢マヌーバ時の柔軟モード変位の特性を例示したもので、同図（_a) は時間（s) に対する柔軟モード変位の関係で示される基本モード特性に関するもの，同図 ( b ) は時間（ a ) に対する微分柔軟モード変位 d / d tの関係で示される微分モード特性に関するものである。

即ち、図 5 (a), (b) は、姿勢マヌーバ時の人工衛星柔軟変動体部についてのモード変位の時間履歴を示している。図 5 (a) に示される基本モード特性の場合、 1回目モード（1 s t mo d e) では零の特性 S Iとなり、 2回目モード（2 s t mo d e) では 10秒〜 20秒の間で負，正を向く大きな二つのピークを持つと共に、 40秒〜 50秒の間でも正，負を向く大きな二つのピークを持つた特性 S 2となり、 4回目モード（ 4 s t m o d e ) では 10秒〜 20秒の間で負，正を向く二つの小さなピークを持つと共に、 40秒〜 50秒の間でも正，負を向く小さな二つのピークを持った特性 S 2となり、その他の回数のモード [3回目モード（3 s t mo d e), 5回目モード（5 s t mo d e) 〜8 回目モード（8 s t mo d e)] では殆ど零となっている様子を示している。図 5 (b) に示される微分モード特性の場合、 1回目モード（1 s t mo d e) では零の特性 S 1となる力 2回目モード（2 s t mo d e) では 10秒〜 20秒の間で負，正，負を向く中，大，中の三つのピークを持つと共に、 40 秒〜 50秒の間でも正，負，正を向く中，大，中の三つのピークを持った特性 S 2となり、 4回目モード（ 4 s t mo d e)では 10秒〜 20秒の間で負，正，負を向く三つの非常に小さなピーク（正を向く中央のピークは他のものよりも大きい）を持つと共に、 40秒〜 50秒の間でも正，負，正を向く非常に小さな三つのピーク（負を向く中央のピークは他のものよりも大きい）を持った特性 S 2 となり、その他の回数のモード [3回目モード（3 s t mo d e), 5回目モード（5 s t mo d e) 〜8回目モード（8 s t m o d e )] では殆ど零となつている様子を示している。

このように、上述した図 2 (c) に示す特性（s— f 1 1 + 12) X (w- f ) に基づいて生成した制御目標量を用いて姿勢マヌーバを行うと、或る静止状態から別の静止状態へと姿勢マヌーバした後、定常的な振動が殆ど残留せず、直ちに姿勢の振動状態が収束することになり、姿勢マヌーバ直後に指向安定度が確保できるようになる。このため、最短の所要時間で姿勢マヌーバを完了することができ、各種の姿勢マヌーバを経て行われる観測ミッシヨンを最短時間の姿勢マヌーバにより効果的に実施することが可能となる。

次に、図 6をも参照して、上述した姿勢制御データ生成方法を適用した人工衛星用姿勢制御装置について説明する。

姿勢制御装置（At t i t u d e C o n t r o l S y s t ern : ACS) 40は、外部の他の図示されない電気系装置から妨害トルク（D i s t u r b a n c e To r qu e ： DT) 信号（抑制トルク信号と呼ばれても良い）が入力されると共に、人工衛星の姿勢を回転させるための略図するリアクションホイ一ル（RW)、並びに人工衛星の姿勢を動かすための略図するコントロールモーメントジャイロ（CMG) が設置された人工衛星用柔軟変動体部 50におけるリアクシヨンホイール (RW), コントロールモーメントジャイロ（CMG) へそれぞれ制御信号て _RW，て _CMGを送出することにより図示されない人工衛星の本体を姿勢制御するものである。因みに、リアクションホイール（RW) は、フライホイ一ルを回転させることにより、その反力トルクを発生させることができ、これによつて人工衛星の姿勢を回転させることができるァクチユエータである。コント口ールモーメントジャイロ（CMG) は、或る一定の回転スピードで回転させたフライホイールをフライホイールの回転軸に対して直交方向に回転軸を持つジンバルを用いて回転させることにより、ジャイロ効果のトルクを出力でき、これによつて人工衛星の姿勢を回転制御することができるァクチユエータである。

姿勢制御装置（ACS) 40におけるハードウェア部分は、基本構成として、人工衛星用柔軟変動体部 50における姿勢情報センサとして働くジャイロセンサとしてのジャイロスコープ（Gy r o S c o p e s ： GS) 1と、人工衛星用柔軟変動体部 50における恒星，地球，太陽の角度検出機能を持つ光センサ群（O p t i c a l S e n s o r s : OS) 2と、人工衛星柔軟変動部 50におけるコントロールモーメントジャイロ（CMG) のジンバノレについての角度 Z角速度の比を検出するジンバル角度 Z角速度センサ（G imb a l An g 1 e/R a t e S e n s o r) 3と、各センサからの情報を用いてリアクションホイール (RW), コントロールモーメントジャイロ（CMG) へ制御信号 T _rw, τ _CMG¾r 送出する姿勢制御回路部（A t t i t u d e C o n t r o l E l e c t r o n i c s ： ACE) 30とを含んでいる。

ジャイロスコープ（GS) 1は、慣性空間（ここでは宇宙空間と考えて良い）に対して人工衛星の直交三軸回りに回転した角速度 ωを検出した情報を含む角速度信号 co_GSを出力するセンサ（或いは角度 0を検出した情報を含む角度検出信号 0c_Sを出力することも可能）である。光センサ群（〇S) 2は、恒星，地球，太陽との角度を検出した情報を含む角度検出信号 e_osを出力するセンサの集合体である。尚、上述したリアクションホイール (RW), コントロールモーメントジャイロ (CMG), ジャイロスコープ (G S) 1, 光センサ群 (OS) 2については、人工衛星の姿勢制御系の分野では汎用的であり、ここでの技術的要旨とは直接関係しないため、その詳細な構成や機能についての説明は省略する。

ジンバル角度/角速度センサ 3は、コントロールモーメントジャイロ (CMG) のジンバルから検出した角度 Z角速度の比を示す角度 Z角速度比信号 0 ^/ω^ を出力するセンサである。姿勢制御回路部（ACE) 30は、ジャイロスコープ（GS) 1からの角速度信号 co_GS，光センサ群（OS) 2からの角度検出信号 0 _osに基づいて人工衛星の本体姿勢制御に必要な角速度 ω_Βの推定値を示す角速度推定信号，角度 6 _Βの推定値を示す角度推定信号を出力する姿勢推定器 (At t i t u d e E s t i ma t a o r ： AE) 4と、姿勢推定器（AE) 4からの角速度 ω _Bの推定値及び角度 0_Bの推定値に基づいて姿勢マヌーバを実行する前に初期の姿勢と変更後の姿勢とから求めたオイラー軸に応じて姿勢マヌーバに必要な制御目標量を示す目標姿勢プロファイルとしての角度 e_Mの目標値を示す角度目標信号，角速度 ω _Mの目標値を示す角速度目標信号の生成出力、姿勢の流れ（At t i t u d e D r i f t) の検出結果に基づいてコントロールモーメントジャイロ（CMG) のジンバル向けの角度 0_eの目標値を示す角度目標信号，角速度 co_Gの目標値を示す角速度目標信号の生成出力、並びにリアクションホイール（RW) に対するフィードフォヮード制御則の制御信号て _{FF (RW)}の生成出力を担う姿勢誘導部（A t t i t u d e Gu i d a c e Law : AG L) 20と、姿勢誘導部（AGL) 20からの角度目標信号，角速度目標信号から姿勢推定器 (AE) 4からの角速度推定信号，角度推定信号をそれぞれ減算する減算器と、この減算器での減算値を姿勢の流れ（AD) を示す信号として入力し、リアクションホイール（RW) に対するフィードバック量の制御信号 τ _{FB (RW)}を P I D制御により生成出力するリアクシヨンホイール制御部（RW Co n t r o l l e r) 5と、姿勢誘導部（AG L) 20からの制御信号 τ _FF (_R¾ とリアクションホイール制御部 5からの制御信号 τ_{ΡΒ (RW)} とを加算する加算器と、この加算器での加算値を入力し、擬似反転させて制御信号て _RWを生成出力するリアクションホイール分配器 (RW D i s t r i b u t o r) 10と、姿勢誘導部（AGL) 20からの角度目標信号，角速度目標信号からジンバル角度 Z角速度センサ 3からの角度ノ角速度比信号 Θ _G/ co_Gを減算する減算器と、この減算器での減算値を入力し、 PD制御によりコントロールモーメントジャイロ (CMG) のジンバル向けの制御信号て _CMGを生成出力するコントロールモーメントジャイロ向けジンパル制御部（CMG— G i mb a 1 Co n t r o l l e r) 1 1とを含んでいる。更に、姿勢誘導部（AGL) 20は、姿勢推定器 (AE) 4からの角速度 ω_Β の推定値及び角度 θ _Βの推定値に基づいて姿勢マヌーバを実行する前に運動学上で初期の姿勢と変更後の姿勢とからオイラー軸を求めると共に、オイラー軸に応じて姿勢マヌーバに必要な制御目標量を示す目標姿勢プロファイルとしての角度

0 _Μの目標値を示す角度目標信号と角速度 ω _Μの目標値を示す角速度目標信号とを出力する制御目標量生成手段としての姿勢マヌーバ時制御目標量プロファイル生成部（NME P r o f i l e r) 6と、姿勢マヌーバ時制御目標量プロファィル生成部 6からの角度目標信号，角速度目標信号を入力してコント口ールモーメントジャィ口（CMG) に対するフィードフォヮ一ド制御則の制御信号 τ _FF (_c _MG), 並びに反転変動によりリアクションホイール（RW) に対するフィードフォワード制御則の制御信号 τ ' _FF(RW)を生成出力するトルクプロファイル生成/分配器 (To r q u e P r o f i l e r /D i s t r i b u t o r) 7と、リアクションホイール制御部 5の入力側からの姿勢の流れを示す信号（点線で示す）を入力し、その信号のバイアス流れを減少させることによりトルクプロフアイノレ信号を生成出力するトルクプロファイル生成器（To r q u e P r o f i l e r ) 9と、トルクプロファイル生成器 9からのトルクプロファイル信号とトルクプロフアイル生成 Ζ分配器 7からの制御信号 τ _{F F (RW)}とを加算してリアクションホイール（RW) に対するフィードフォヮ一ド制御則の制御信号 τ _{FF (RW)}を出力する加算器と、トルクプロファイル生成/分配器 7からの制御信号 T _{FF (CMG)} に基づいてコントロールモーメントジャイロ（CMG) のジンバル向けの角度 0_G の目標値を示す角度目標信号，角速度 ω Gの目標値を示す角速度目標信号を生成出力するコントロールモーメントジャイロ向けジンバル誘導部 (CMG-G i mb a 1 S t e e r i n g L aw) 8とを含んでいる。

尚、姿勢制御回路部（ACE) 30の各部については、ハードワイア一ドロジック回路のみで構成することも可能である他、 CPU等のコンピュータを内蔵して制御ロジックをソフトゥエアで実行する構成とすることもできる。ここでは、姿勢制御回路部（ACE) 30における姿勢誘導部 (AGL) 20内では姿勢マヌーバ時制御目標量プロフアイル生成部 6，トルクプロフアイル生成/分配器 7，コントロールモーメントジャィ口向けジンノル誘導部 8の各部、姿勢誘導部（A G L) 2 0外では姿勢推定器 (A E ) 4，リアクションホイール制御部 5 , リアクシヨンホイール分配器 1 0，コントロールモーメントジャイロ向けジンバル制御部 1 1の各部がソフトウエアにより実現されているものとする。

ソフトウェアにより具現される各部の技術的機能を簡単に説明すれば、姿勢推定器 (A E ) 4の場合、ジャイロスコープ（G S ) 1の出力，光センサ群（O S ) 2の出力から人工衛星用柔軟変動体部 5 0における現在姿勢を推定する機能を持つ。姿勢マヌーバ時制御目標量プロファイル生成部 6は、姿勢マヌーバ用の事前周波数整形型フイードフォヮ一ド制御則を実行する部分であり、そのための制御目標量（目標姿勢）のプロファイルを生成する。トルクプロファイル生成 Z分配器 7は、目標姿勢のプロファイルを実現するために必要な制御トルクを計算する機能を担う他、衛星が角運動量を持っていることによる軸間干渉量を回避するために必要なデカップリング量も同時に計算すると共に、分配機能では計算で得られた制御トルクをコントロールモーメントジャイロ ( CMG) 向けとリアクションホイール（RW) 向けとに分配する機能を持つ。

コントローノレモーメントジャイロ向けジンノル誘導部 8は、コントロールモーメントジャイロ ( CMG) 向けとして分配された制御トルクを出力するために必要なコントロールモーメントジャイロ（CMG) のジンバル角プロファイル及びジンバル角速度プロファイルを計算する。コントロールモーメントジャイロ向けジンパル制御部 1 1は、ジンバル角度ノ角速度センサ 3から得られた現在のジンバル状態と目標のジンバノレ状態との対比で得られるジンバル角誤差及ぴジンバル角速度誤差に基づいて、ジンバルが目標の運動を行うためのマイナーループ制御を行う。リアクションホイール制御部 5は、姿勢角誤差及ぴ姿勢角速度誤差に基づいて姿勢が目標の運動を行うためのフィードパック制御トルクの計算を行う。リアクションホイール分配器 1 0は、姿勢が目標の運動を行うために必要なフィ一ドパック制御トルクを各リアクションホイールに分配して寄与する。

以上の各部の構成部分は、柔軟物の固有振動数を励起しない最適なフィードフォヮード制御則を算出するための姿勢マヌーバ時制御目標量プロファイル生成部 6の構成部分を除けば、人工衛星の姿勢制御に頻繁に用いられている周知構成を導入したものである。

そこで、姿勢マヌーパ時制御目檩量プロフアイル生成部 6の動作について詳細に説明すれば、ここでは姿勢変更前の姿勢と姿勢変更後の目標姿勢とから求められたオイラー軸の回りに図 4に示した角加速度プロファイル（上段の特性）を用いるものであり、これによつて人工衛星の姿勢を回転させるような姿勢マヌーバを実行する。即ち、姿勢マヌーバ時制御目標量プロファイル生成部 6は、姿勢マヌーバを実行する前に初期の姿勢と変更後の姿勢とからオイラー軸を求め、このオイラー軸に応じて図 4の上段に示したような最短経路で姿勢マヌーバを実現できるオイラー軸回りの人工衛星の角加速度の変化を計算して得た特性を得ており、姿勢マヌーバ中は逐一、このような特性の人工衛星の姿勢制御目標量を生成してコントロールモーメントジャイロ ( CMG) による姿勢誘導則を実行する姿勢誘導部 (A G L ) 2 0、及び P I D制御ループを成す Vアクションホイール制御部 5へ与える。この目標量通りに人工衛星が回転すれば、最短経路の姿勢変更制御が柔軟物である人工衛星用柔軟変動体部 5 0におけるリアクションホイール（R W) , コントロールモーメントジャイロ（CMG) の振動を最低限に抑えながら実現できるようになる。

以上の諸機能の組み合わせにより、人工衛星は理論的に求められる最短な経路を通って柔軟物にあっての最低限の振動しか励起させず、これによつて高精度な姿勢マヌーバを行うことができる。

尚、図 6に示した姿勢制御装置 4 0により姿勢マヌーバを行う人工衛星用柔軟変動体部 5 0におけるァクチユエータ部分 [リアクションホイ一ル (RW) , コン- トロールモーメントジャィ口 ( CMG) ] をリアクションホイール (RW) ゃスラスタに置き換え、コント口ールモーメントジャィ口向けジンバル誘導部 8をリアクションホイール- (RW) 向けゃスラスタ向けのものに代えてシステム構成することも可能であり、こうした場合にも同様な効果を期待できる。但し、この場合、一般にリアクションホイール（RW) はコントロールモーメントジャィ口 ( CM G) よりも最大出力トルクは小さいものの、小さい制御トルクをより精密に発生させることができるため、係る構成は小さい角度の姿勢変更をより高精度に行うことが要求される場合に適している。又、一般にスラスタはリアクションホイ一ル（RW) よりも大きく、コントロールモーメントジャイロ (CMG) よりも小さい制御トルクを発生するが、リアクションホイール (RW) やコントロールモ —メントジャイロ（CMG) のように滑らかな出力トルク特性でないため、係る構成は一般に姿勢精度が若干粗くなる。このように、姿勢制御装置 40では、若干の変更を行うだけでァクチユエータの種類を限定することなく使用することができ、それぞれのァクチユエータの性能を有効に活用した姿勢マヌーバを行うことができる。

要するに、上述した姿勢制御装置 40の場合、一般に人工衛星の高精度な姿勢マヌーバのために用いられるフィードフォワード制御則について、図 1 (b) 及ぴ図 3に示されるような特定の周波数以上の周波数を持たないサンプリング関数 (s i n c関数）の波形成形したものを用いて図 4の上段に示されるような事前に決めるフィードフォヮ一ド制御則としての制御目標量の特性（角加速度プロフアイル）を生成しているため、図 5 (a), (b) に示される姿勢マヌーバ時のモ一ド特性のように柔軟物の振動を極力抑制した姿勢マヌーバが可能となることを特色としている。その他、図 1 (a) に示されるサンプリング関数（s i n c関数）の正負の 2つの極性の波を 1周期分ずらして重ね合わせ、図 1 (b) 及ぴ図 3に示されるような周波数分離効果を活かしたままの角加速度プロフアイルを利用することにより、姿勢の加速と減速とが可能になる。又、サンプリング関数 (s i n c関数）のみを用いた場合には定常的な柔軟物の振動は励起しないものの、強制力により強制解として発生する振動成分が姿勢マヌーバ終了後にも残ってしまうので、これについては姿勢マヌーバの始点（加速開始）から終点（減速終了）に及んで波形の両端を零にするために図 2 (b) に示されるような窓関数をサンプリング関数に掛け合わせることにより、図 5 (a), (b) に示される姿勢マヌーバ時のモード特性のように姿勢マヌーバ終了後の強制解（残留振動）を零にすることが可能になる。

上述した姿勢制御データ生成方法によると、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数（s i n c関数）を用いて姿勢マヌーバ時の姿勢制御データとなる制御目標量を事前周波数成形型フィードフォヮ一ド制御則として生成するため、多数の柔軟モードを有する一般的な柔軟物を使用対象にして姿勢マヌーパを行っても有効に振動を抑制することができ（特定の周波数以上の周波数に有効な励振回避手法となる）、従来に無く姿勢マヌーパに要する全体の時間を顕著に短縮できるようになる。係る手法を適用した姿勢制御装置では、簡素な構成でリアクションホイールやコントロールモーメントジャィ口等を使用対象にした姿勢マヌーバを迅速にして、精度良く適確に行うことが可能となり、特に大きな柔軟物を有する人工衛星を対象として高精度な姿勢マヌーパを行う際に非常に有効となる。産業上の利用可能性

本発明の姿勢制御データ生成方法及ぴそれを適用した姿勢制御装置は、柔軟物が搭載された可動物体である人工衛星の姿勢マヌーバへの適用できる他、可動物体であるロボットマニピュレータを制御する用途での適用も可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 柔軟物を有する可動物体の姿勢マヌーバにおける姿勢制御データを生成する姿勢制御データ生成方法であって、前記姿勢マヌーバ時の前記柔軟物の振動に基き、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を得るサンプリング関数取得段階と、前記サンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フィードフォヮ一ド制御則として生成する制御目標量生成段階と、前記制御目標量に基いて前記姿勢制御データを生成する制御データ生成段階とを有することを特徴とする方法。

2 . 請求の範囲 1に記載の姿勢制御データ生成方法であって、前記制御目標量生成段階では、前記サンプリング関数として、周波数成分を完全分離した姿勢プ口ファイルの波形を生成可能な s i n c関数を用いて前記制御目標量を生成することを特徴とする方法。

3 . 請求の範囲 2に記載の姿勢制御データ生成方法であって、前記制御目標量生成段階では、前記 s i n c関数による前記サンプリング関数における正負の 2 つの波形を 1周期分ずらして組み合わせることにより前記制御目標量として加速減速用データを生成することを特徴とする方法。

4 . 請求の範囲 2又は 3に記載の姿勢制御データ生成方法において、前記制御目標量生成段階では、前記姿勢マヌーバ後の前記柔軟物の振動を最大限に抑制するために、前記 s i n c関数に対して窓関数を掛け合わせて前記制御目標量を生成することを特徴とする方法。

5 . 柔軟物を有する可動物体の姿勢を姿勢マヌーバにより制御する姿勢制御装置であって、特定の周波数以上の周波数成分を持たないサンプリング関数を用いて制御目標量を事前周波数成形型フイードフォヮ一ド制御則として生成する制御目標量生成手段を有することを特徴とする装置。

6 .請求の範囲 5に記載の姿勢制御装置であって、前記制御目標量生成手段は、前記姿勢マヌーバ時の前記柔軟物の振動に基いて前記サンプリング関数を得るものであることを特徴とする装置。

7 . 請求の範囲 5又は 6に記載の姿勢制御装置であって、さらに、前記制御目標量に基いて生成した姿勢制御データを用いて前記可動物体の姿勢を変更する姿勢変更手段を有することを特徴とする装置。

8 . 請求の範囲 7に記載の姿勢制御装置であって、さらに、前記可動物体に設置された、前記可動物体を回転させるための姿勢回転手段を含むことを特徴とする装置。

9 . 請求の範囲 5— 8のいずれかに記載の姿勢制御装置であって、前記制御目標量生成手段は、前記サンプリング関数として、周波数成分を完全分離した姿勢プロファイルの波形を生成可能な _s i _n c関数を用いて前記制御目標量を生成することを特徴とする装置。

1 0 . 請求の範囲 9に記載の姿勢制御装置であって、前記制御目標量生成手段は、前記 s i n c関数による前記サンプリング関数における正負の 2つの波形を 1周期分ずらして組み合わせることにより前記制御目標量として加速減速用データを生成することを特徴とする装置。

1 1 . 請求の範囲 9又は 1 0に記載の姿勢制御装置であって、前記制御目標量生成手段は、前記 s i n c関数に対して窓関数を掛け合わせて前記制御目標量を生成することを特徴とする装置。

1 2 . 請求の範囲 5— 1 1のいずれかに記載の姿勢制御装置であって、前記可動物体は人工衛星であり、前記柔軟物は前記人工衛星に搭載された柔軟変動体部であることを特徴とする装置。

1 3 . 請求の範囲 1 2に記載の姿勢制御装置であって、前記柔軟変動体部は、前記人工衛星の姿勢を回転させるためのリアクションホイールと、前記人工衛星の姿勢を動かすためのコントロールモーメントジャイロとを含むことを特徴とする装置。