JP7329454B2 - displacement compensation controller - Google Patents
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Description
本発明は、宇宙機の姿勢制御に関するものである。 The present invention relates to attitude control of a spacecraft.
宇宙を飛行する人工物を「宇宙機」と称する。例えば、人工衛星は宇宙機である。
宇宙機の3軸姿勢を制御するために3台以上のコントロールモーメントジャイロ(CMG)が使用される場合がある。
CMGは、1つ以上のジンバル軸と、1つのホイールと、を有する。ホイールは、各ジンバル軸と直交する軸回りに回転する。ホイールの回転軸を「スピン軸」と称する。
CMGは、スピン軸回りに回転しているホイールをジンバル軸回りに回転させることで角運動量の方向を変化させるアクチュエータである。
ジンバル軸回りの回転角を「ジンバル角」または「ジンバル回転角」と称する。
An artificial object that flies in space is called a "spacecraft". For example, a satellite is a spacecraft.
Three or more control moment gyros (CMGs) may be used to control the spacecraft's three-axis attitude.
A CMG has one or more gimbal axes and a wheel. The wheels rotate about axes orthogonal to each gimbal axis. The axis of rotation of the wheel is called the "spin axis".
A CMG is an actuator that changes the direction of angular momentum by rotating a wheel that rotates about its spin axis about its gimbal axis.
A rotation angle about the gimbal axis is called a "gimbal angle" or a "gimbal rotation angle."
宇宙機の姿勢を調整するため、ジンバル角が変化され、トルクが出力される。出力されるトルクの方向は、ジンバル軸回りの方向と直交する。 To adjust the attitude of the spacecraft, the gimbal angle is changed and torque is output. The direction of the output torque is orthogonal to the direction around the gimbal axis.
CMGを宇宙機の中に設置するためのインタフェースを「設置インタフェース」と称する。
CMG用の設置インタフェースが剛体でない場合、出力されたトルクの影響で設置インタフェースに変位が生じる。設置インタフェースに変位が生じることで、CMGの角運動量の方向及び出力されるトルクの方向が変化する。これらの変化は、宇宙機の姿勢に影響を与える。
An interface for installing the CMG in the spacecraft is called an "installation interface".
If the mounting interface for the CMG is not rigid, the output torque will cause displacement of the mounting interface. Any displacement of the mounting interface changes the direction of the angular momentum of the CMG and the direction of the output torque. These changes affect the attitude of the spacecraft.
CMGのホイールが回転することで、高周波の微小振動が発生する。この高周波の微小振動を「擾乱」と称する。
擾乱は、宇宙機の姿勢に影響を与える。また、擾乱は、宇宙機に搭載される各機器の精度にも影響を与える。例えば、擾乱は、宇宙機に搭載される観測機器の観測精度にも影響を与える。
擾乱の影響を抑える目的で、振動絶縁効果を有する素材が設置インタフェースに使用されることがある。例えば、バネ・ダンパまたは防振ゴム等の素材が設置インタフェースに使用される。
振動絶縁効果を有する素材を「アイソレータ」と称する。
同時に使用される複数のアイソレータを「1組のアイソレータ」と称する。
High-frequency micro-vibrations are generated by the rotation of the CMG wheel. This high-frequency minute vibration is called "disturbance".
Disturbances affect the attitude of the spacecraft. Disturbances also affect the accuracy of each device mounted on the spacecraft. For example, disturbances affect the observation accuracy of observation instruments mounted on spacecraft.
In order to reduce the effects of disturbances, materials with vibration isolation effects are sometimes used in the installation interface. For example, materials such as spring dampers or anti-vibration rubber are used for the installation interface.
A material that has a vibration isolation effect is called an "isolator".
Multiple isolators that are used simultaneously are referred to as a "set of isolators".
複数台のCMGまたは1台のCMGに対して、1組のアイソレータが使用される。
複数台のCMGに対して1組のアイソレータが使用される場合、1組のアイソレータの変位は、複数台のCMGから出力される合成トルクの影響を受ける。合成トルクは、複数台のCMGのそれぞれから出力されるトルクの合成結果である。
1台のCMGに対して1組のアイソレータが使用される場合、1組のアイソレータの変位は、1台のCMGから出力されるトルクの影響を受ける。そのため、CMGごとに、1組のアイソレータの変位は異なる。
A set of isolators is used for multiple CMGs or for a single CMG.
When one set of isolators is used for multiple CMGs, the displacement of the set of isolators is affected by the combined torque output from the multiple CMGs. A composite torque is a composite result of torques output from each of a plurality of CMGs.
When one set of isolators is used for one CMG, the displacement of the set of isolators is affected by the torque output from one CMG. Therefore, the displacement of a set of isolators is different for each CMG.
特許文献1には、擾乱の影響を考慮した姿勢決定技術が記載されている。
姿勢決定完了後に擾乱の影響を補償するためには、擾乱の周波数成分と同じ帯域の周波数成分を扱う姿勢制御系が必要となる。高周波の擾乱の影響を補償する場合に限らず、一般に、補償したい帯域を姿勢制御系で扱うことができない場合には、姿勢変動を抑制することはできない。
Patent Literature 1 describes an attitude determination technique that considers the influence of disturbances.
In order to compensate for the influence of the disturbance after attitude determination is completed, an attitude control system that handles frequency components in the same band as the frequency components of the disturbance is required. In general, attitude fluctuations cannot be suppressed when the attitude control system cannot handle the band to be compensated for, not just when compensating for the effects of high-frequency disturbances.
設置インタフェースの変位には、設置インタフェースの周波数の変化および設置インタフェースの振幅の変化が含まれる。設置インタフェースの周波数および設置インタフェースの振幅は、設置インタフェースの剛性に依存して変化する。
姿勢制御系の安定性を確保するため、設置インタフェースの周波数が姿勢制御系の帯域よりも高い場合が多い。そのため、設置インタフェースの周波数を姿勢制御系で扱うことができない場合が多い。
The displacement of the installation interface includes changes in the frequency of the installation interface and changes in the amplitude of the installation interface. The frequency of the installation interface and the amplitude of the installation interface vary depending on the stiffness of the installation interface.
In order to ensure the stability of the attitude control system, the frequency of the installation interface is often higher than the bandwidth of the attitude control system. Therefore, in many cases, the frequency of the installation interface cannot be handled by the attitude control system.
1組のアイソレータが設置インタフェースとして使用されることで、高周波の擾乱の伝達が抑制される一方で、1組のアイソレータの変位が宇宙機の姿勢に影響を与えることとなる。 The use of a set of isolators as the installation interface suppresses the transmission of high frequency disturbances, while the displacement of the set of isolators affects the attitude of the spacecraft.
従来、1組のアイソレータが設置インタフェースとして使用されることで、高周波の擾乱の伝達が抑制される一方で、1組のアイソレータの変位が宇宙機の姿勢に影響を与える、という課題があった。 Conventionally, the use of a set of isolators as an installation interface suppresses the transmission of high-frequency disturbances, while the displacement of the set of isolators affects the attitude of the spacecraft.
本発明は、設置インタフェースの変位が宇宙機の姿勢に与える影響を抑制できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to suppress the influence of displacement of an installation interface on the attitude of a spacecraft.
本発明の変位補正制御器は、宇宙機の姿勢を制御する姿勢制御系で用いられる。
前記宇宙機は、前記姿勢制御系と、複数のコントロールモーメントジャイロと、前記複数のコントロールモーメントジャイロを前記宇宙機の中に設置するための複数の設置インタフェースと、を備える。
前記変位補正制御器は、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの変位を推定する変位推定器と、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの推定された変位に基づいて、前記姿勢制御系によってフィードバック制御のために算出される前記複数のコントロールモーメントジャイロの全体トルクを補正するトルク補正器と、を備える。
The displacement correction controller of the present invention is used in an attitude control system that controls the attitude of a spacecraft.
The spacecraft comprises the attitude control system, a plurality of control moment gyros, and a plurality of installation interfaces for installing the plurality of control moment gyros in the spacecraft.
The displacement correction controller comprises:
a displacement estimator that estimates a displacement of each of the plurality of installation interfaces;
and a torque corrector for correcting the total torque of the plurality of control moment gyros calculated for feedback control by the attitude control system based on the estimated displacement of each of the plurality of installation interfaces.
本発明によれば、設置インタフェースの変位が宇宙機の姿勢に与える影響を抑制できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to suppress the influence of the displacement of the installation interface on the attitude of the spacecraft.
実施の形態および図面において、同じ要素または対応する要素には同じ符号を付している。説明した要素と同じ符号が付された要素の説明は適宜に省略または簡略化する。 The same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals in the embodiments and drawings. Descriptions of elements having the same reference numerals as those described will be omitted or simplified as appropriate.
実施の形態1.
宇宙機100の姿勢を制御するための形態について、図1から図4に基づいて説明する。
Embodiment 1.
A configuration for controlling the attitude of the
宇宙機100は、宇宙を飛行する人工物である。宇宙機100の具体例は、人工衛星である。
Spacecraft 100 is a man-made object that flies in space. A specific example of
***構成の説明***
図1に基づいて、宇宙機100の構成を説明する。
宇宙機100は、3台以上のCMG110と、ジンバル制御系120と、姿勢制御系130と、を備える。
CMG110は、宇宙機100の姿勢を制御するために用いられるコントロールモーメントジャイロである。
ジンバル制御系120は、CMG110のジンバルを制御するシステムである。
姿勢制御系130は、ジンバル制御系120を介してCMG110を制御することによって宇宙機100の姿勢を制御するシステムである。
ジンバル制御系120と姿勢制御系130とのそれぞれのシステムは、1台以上の機器で構成される。また、ジンバル制御系120はCMG110と同一機器内に具備されていても良い。
*** Configuration description ***
The configuration of the
The
CMG 110 is a control moment gyro used to control the attitude of
A
The
Each of the
宇宙機100は、さらに、CMG110毎に設置インタフェース101Pを備える。
設置インタフェース101Pは、剛体でない設置インタフェースである。つまり、設置インタフェース101Pは、弾性または粘弾性を有する設置インタフェースである。
設置インタフェースは、CMGを宇宙機100の中に設置するためのインタフェースである。
The
The
The installation interface is an interface for installing the CMG inside the
具体的には、設置インタフェース101Pは、1組のアイソレータである。
アイソレータは、振動絶縁効果を有する素材である。例えば、アイソレータは、バネ・ダンパまたは防振ゴムである。
Specifically, the
An isolator is a material that has a vibration isolation effect. For example, the isolator is a spring damper or rubber vibration isolator.
以降の説明において、CMG110を識別する番号を「i」と記す。
「i」は、1以上N以下の各整数である。
「N」は、CMG110の台数である。
In the following description, the number that identifies the
"i" is each integer of 1 or more and N or less.
“N” is the number of
図2に基づいて、CMG110iの構成を説明する。
CMG110iは、ジンバル111とホイール112と胴体113を備える。CMG110は、複数のジンバル111を備えてもよい。
ジンバル111は、胴体113に接続され、ジンバル軸114を回転軸にして回転する。
ホイール112は、ジンバル111の内側に設けられ、ジンバル軸114と直交する軸(スピン軸)を回転軸にして回転する。
The configuration of the
A gimbal 111 is connected to a body 113 and rotates about a gimbal shaft 114 as a rotation axis.
The wheel 112 is provided inside the gimbal 111 and rotates about an axis (spin axis) orthogonal to the gimbal axis 114 as a rotation axis.
胴体113は、1組のアイソレータ101を用いて、宇宙機100のインタフェース面に取り付けられる。
各アイソレータ101の一端は胴体113のインタフェース面に取り付けられ、各アイソレータ101の他端は宇宙機100のインタフェース面に取り付けられる。
インタフェース面は、1組のアイソレータ101が取り付けられる面である。
Fuselage 113 is attached to the interface surface of
One end of each isolator 101 is attached to the interface surface of the fuselage 113 and the other end of each isolator 101 is attached to the interface surface of the
The interface surface is the surface to which a set of
CMG110iにおいて、宇宙機100のインタフェース面を基準とする座標系を「Di系」と称する。
Di系のx軸は、1組のアイソレータ101の変位がゼロである場合のジンバル軸114の方向を表す。
Di系のz軸は、1組のアイソレータ101の変位がゼロであり、且つ、ジンバル角θiがゼロである場合の角運動量hiの方向を表す。
Di系のy軸は、Di系のx軸とDi系のz軸とに直交する方向を表す。
Di系のx軸を「xdi」と記し、Di系のy軸を「ydi」と記し、Di系のz軸を「zdi」と記す。
In the
The x-axis of the D i system represents the direction of the gimbal axis 114 when the displacement of the set of
The z-axis of the D i system represents the direction of the angular momentum h i when the displacement of the set of
The y-axis of the Di system represents a direction orthogonal to the x-axis of the Di system and the z-axis of the Di system.
The x-axis of the D i system is denoted as "x di ", the y-axis of the D i system is denoted as "y di ", and the z-axis of the D i system is denoted as "z di ".
CMG110iにおいて、胴体113のインタフェース面を基準とする座標系を「Ci系」と称する。
Ci系のx軸は、ジンバル軸114の方向を表す。
Ci系のz軸は、ジンバル111の回転角度(θi)がゼロである場合のCMG110iの角運動量hiの方向を表す。
Ci系のy軸は、Ci系のx軸とCi系のz軸とに直交する方向を表す。
Ci系のx軸を「xci」と記し、Ci系のy軸を「yci」と記し、Ci系のz軸を「zci」と記す。
In the
The x-axis of the C i system represents the direction of the gimbal axis 114 .
The z-axis of the C i system represents the direction of the angular momentum h i of the
The y-axis of the Ci system represents a direction orthogonal to the x-axis of the Ci system and the z-axis of the Ci system.
The x-axis of the C i system is denoted as “x ci ”, the y-axis of the C i system is denoted as “y ci ”, and the z-axis of the C i system is denoted as “z ci ”.
「hi」は、CMG110iの角運動量を表す。角運動量hiは、CMG110iのホイール112の回転によってスピン軸の方向に生じる。
「θi」は、CMG110iのジンバル角を表す。ジンバル角は、ジンバル111の回転角度を表す。
"h i " represents the angular momentum of
“θ i ” represents the gimbal angle of the
「τi」は、CMGトルクを表す。CMGトルクはCMG110iによって生じるトルクである。トルクは、3軸(x,y,z)のそれぞれの方向の大きさで表される。つまり、トルクはベクトルで表される。
CMGトルクτiは、ジンバル111の回転とホイール112の回転とによってジンバル角速度と角運動量hiとの外積の方向に生じる。ジンバル角速度は、ジンバル111の角速度である。
"τ i " represents the CMG torque. CMG torque is the torque produced by
The CMG torque τ i is produced by the rotation of the gimbal 111 and the rotation of the wheel 112 in the direction of the outer product of the gimbal angular velocity and the angular momentum hi . The gimbal angular velocity is the angular velocity of the gimbal 111 .
「τgi」は、CMG110iのジンバルトルクを表す。ジンバルトルクは、ジンバル111を回転させるためにジンバル制御系120により与えられるトルクである。
ジンバルトルクτgiは、CMG110iのジンバル軸114の方向に生じる。
“τ gi ” represents the gimbal torque of
A gimbal torque τ gi is produced in the direction of the gimbal axis 114 of the
「k*」は、1組のアイソレータ101の剛性値を表す。剛性値は、剛性の強度を表す。剛性値k*は、全てのCMG110で共通である。また、剛性値k*は固定値とする。固定値は予め定義される値である。但し、CMG110i別に剛性値k*が定義されてもよい。
x軸まわりの回転方向における剛性値を「kx」と記す。
y軸まわりの回転方向における剛性値を「ky」と記す。
z軸まわりの回転方向における剛性値を「kz」と記す。
“k * ” represents the stiffness value of the set of
The stiffness value in the direction of rotation about the x-axis is denoted as " kx ".
The stiffness value in the direction of rotation about the y-axis is denoted as "k y ".
A stiffness value in the direction of rotation about the z-axis is denoted as "k z ".
ホイール112の回転によって、高周波の微小振動(擾乱)が発生する。擾乱の伝達は、1組のアイソレータ101によって抑制される。
1組のアイソレータ101は、CMGトルクτiの影響を受けて変位する。1組のアイソレータ101の変位によって、胴体113が傾く。
x軸まわりの回転方向における変位を「ψxi」と記す。
y軸まわりの回転方向における変位を「ψyi」と記す。
z軸まわりの回転方向における変位を「ψzi」と記す。
Rotation of the wheel 112 generates high-frequency minute vibrations (disturbances). Disturbance transmission is suppressed by a set of
A set of
The displacement in the direction of rotation about the x-axis is denoted as "ψ xi ".
The displacement in the direction of rotation about the y-axis is denoted as "ψ yi ".
The displacement in the direction of rotation about the z-axis is denoted as "ψ zi ".
図3に基づいて、姿勢制御系130の構成を説明する。
姿勢制御系130は、目標生成器131と、姿勢推定器132と、姿勢制御レギュレータ133と、ステアリング則計算器134と、加算器135と、変位補正制御器140と、を備える。
The configuration of the
The
図3に記された記号について説明する。
「θ」は、ジンバル角ベクトルを表す。ジンバル角ベクトルθは、CMG110iのジンバル角θiを並べたベクトル{θ1,…,θN}Tである。
添え字の「FF」は、フィードフォワード制御の成分を意味する。フィードフォワード制御は、姿勢変更等のためにあらかじめ制御量を計算しておくものである。フィードフォワード制御の計算方法は従来の方法で構わない。
添え字の「FB」は、フィードバック制御の成分を意味する。フィードバック制御は、姿勢誤差等を補償するための制御量を計算するものである。
添え字の「FF+FB」は、フィードフォワード制御の成分とフィードバック制御の成分との合成を意味する。
Symbols shown in FIG. 3 will be described.
"θ" represents the gimbal angle vector. The gimbal angle vector θ is a vector {θ 1 , .
The suffix "FF" means a component of feedforward control. The feedforward control calculates the amount of control in advance for posture change and the like. A conventional method may be used as a calculation method for feedforward control.
The suffix "FB" means the component of feedback control. Feedback control is to calculate a control amount for compensating an attitude error or the like.
The suffix "FF+FB" means a combination of the feedforward control component and the feedback control component.
「ω」は、姿勢角速度ベクトルを表す。姿勢角速度ベクトルωは、姿勢角速度ω*を並べたベクトル{ωx,ωy,ωz}Tである。姿勢角速度ω*は、宇宙機100の姿勢の角速度である。
添え字の「S」は、S系を意味する。S系は、宇宙機100に固定された座標系である。
“ω” represents the attitude angular velocity vector. The attitude angular velocity vector ω is a vector {ω x , ω y , ω z } T in which the attitude angular velocities ω * are arranged. The attitude angular velocity ω * is the attitude angular velocity of the
The suffix “S” means the S system. The S system is a coordinate system fixed to the
「ψ*」は、変位ベクトルを表す。
変位ベクトルψxは、CMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ψxiを並べたベクトル{ψx1,…,ψxN}Tである。
変位ベクトルψyは、CMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ψyiを並べたベクトル{ψy1,…,ψyN}Tである。
変位ベクトルψzは、CMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ψziを並べたベクトル{ψz1,…,ψzN}Tである。
"ψ * " represents the displacement vector.
The displacement vector ψ x is a vector {ψ x1 , .
The displacement vector ψ y is a vector {ψ y1 , .
The displacement vector ψ z is a vector { ψ z1 , .
「τ」は、全体トルクを表す。全体トルクは、複数のCMG110の全体によって宇宙機100に生じるトルクである。
「τFB」は、フィードバック制御のための全体トルクτを表す。τFBは姿勢誤差を補償するために必要なトルクであり、計算方法は従来の方法で構わない。
「τFBcor」は、補正トルクを表す。補正トルクτFBcorは、本実施の形態により補正された後の全体トルクτFBである。
"τ" represents the total torque. The total torque is the torque generated in the
"τ FB " represents the total torque τ for feedback control. τ FB is the torque required to compensate for the attitude error, and may be calculated by a conventional method.
“τ FBcor ” represents the correction torque. The corrected torque τ FBcor is the total torque τ FB after being corrected according to the present embodiment.
姿勢制御系130の各要素について説明する。
目標生成器131は、目標となる各種の値を算出する要素である。
目標生成器131は、ジンバル角ベクトルθと、ジンバル角ベクトルθの一階微分値(ジンバル角速度ベクトル)と、ジンバル角ベクトルθの二階微分値(ジンバル角加速度ベクトル)と、を算出する。
一階微分値は一階微分によって得られる値である。二階微分値は二階微分によって得られる値である。
Each element of the
The
The
A first derivative value is a value obtained by first derivative. A second derivative value is a value obtained by second derivative.
目標生成器131は、姿勢角速度ベクトルSωを算出する。
The
目標生成器131は、宇宙機100の目標姿勢情報を算出する。
目標姿勢情報は、姿勢角ベクトルと姿勢角速度ベクトルSωを含む。
The
The target attitude information includes an attitude angle vector and an attitude angular velocity vector Sω .
姿勢推定器132は、推定される各種の値を算出する要素である。
姿勢推定器132は、宇宙機100の推定姿勢情報を算出する。
推定姿勢情報は、姿勢角ベクトルと姿勢角速度ベクトルを含む。
The
The
The estimated attitude information includes an attitude angle vector and an attitude angular velocity vector.
姿勢制御レギュレータ133は、目標姿勢情報と推定姿勢情報を入力として、全体トルクτFBを算出する。
The
ステアリング則計算器134は、ジンバル角ベクトルθと、ジンバル角ベクトルθの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθの二階微分値と、を入力として受け付ける。
ステアリング則計算器134は、前回のジンバル角ベクトルθFBと、前回のジンバル角ベクトルθFBの一階微分値と、を入力として受け付ける。
ステアリング則計算器134は、補正トルクτFBcorを入力として受け付ける。
ステアリング則計算器134は、ヤコビ行列AFF+FBを入力として受け付ける。ヤコビ行列AFF+FBについて後述する。
そして、ステアリング則計算器134は、ジンバル角ベクトルθFBと、ジンバル角ベクトルθFBの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθFBの二階微分値と、を算出する。
The
The
A
The
Then, the
加算器135は、ジンバル角ベクトルθFFと、ジンバル角ベクトルθFFの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθFFの二階微分値と、を入力として受け付ける。
加算器135は、ジンバル角ベクトルθFBと、ジンバル角ベクトルθFBの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθFBの二階微分値と、を入力として受け付ける。
そして、加算器135は、ジンバル制御情報を算出する。ジンバル制御情報は、ジンバル角ベクトルθと、ジンバル角ベクトルθの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθの二階微分値と、を含む。
ジンバル角ベクトルθは、ジンバル角ベクトルθFFとジンバル角ベクトルθFBを加算して得られる(=θFF+FB)である。
ジンバル角ベクトルθの一階微分値は、ジンバル角ベクトルθFFの一階微分値とジンバル角ベクトルθFBの一階微分値を加算して得られる。
ジンバル角ベクトルθの二階微分値は、ジンバル角ベクトルθFFの二階微分値とジンバル角ベクトルθFBの二階微分値を加算して得られる。
The
The
The
The gimbal angle vector θ is obtained by adding the gimbal angle vector θFF and the gimbal angle vector θFB (=θFF +FB ).
The first-order differential value of the gimbal angle vector θ is obtained by adding the first-order differential value of the gimbal angle vector θFF and the first-order differential value of the gimbal angle vector θFB .
The second-order differential value of the gimbal angle vector θ is obtained by adding the second-order differential value of the gimbal angle vector θFF and the second-order differential value of the gimbal angle vector θFB .
変位補正制御器140は、変位推定器141と、トルク補正器142と、を備える。
The
変位推定器141は、CMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ベクトルψ*を算出する要素である。
変位推定器141は、ジンバル角ベクトルθFFと、ジンバル角ベクトルθFFの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθFFの二階微分値と、を入力として受け付ける。
変位推定器141は、ジンバル角ベクトルθFBと、ジンバル角ベクトルθFBの一階微分値と、を入力として受け付ける。
変位推定器141は、ジンバル角ベクトルθFF+FBの一階微分値を入力として受け付ける。
変位推定器141は、姿勢角速度ベクトルSωを入力として受け付ける。
そして、変位推定器141は、変位ベクトルψxと、変位ベクトルψyと、変位ベクトルψzと、を算出する。
The
The
The
The
Then, the
トルク補正器142は、CMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ベクトルψ*に基づいて、全体トルクτFBを補正する要素である。
トルク補正器142は、ジンバル角ベクトルθFFと、ジンバル角ベクトルθFFの一階微分値と、ジンバル角ベクトルθFFの二階微分値と、を入力として受け付ける。
トルク補正器142は、ジンバル角ベクトルθFBと、ジンバル角ベクトルθFBの一階微分値と、を入力として受け付ける。
トルク補正器142は、変位ベクトルψxと、変位ベクトルψyと、変位ベクトルψzと、を入力として受け付ける。
トルク補正器142は、全体トルクτFBを入力として受け付ける。
そして、トルク補正器142は、補正トルクτFBcorを算出する。
The
The
Then, the
姿勢制御系130において、変位補正制御器140以外の要素は従来の要素であり、各要素における計算方法は従来の方法で構わない。
In the
***動作の説明***
変位補正制御器140における計算方法について、以下に説明する。
***Description of operation***
A calculation method in the
まず、変位ベクトルψ*iを算出するための計算方法について説明する。
変位ベクトルψ*iは、変位推定器141によって算出される。
First, a calculation method for calculating the displacement vector ψ *i will be described.
A displacement vector ψ *i is calculated by the
CMG110iにおいて、ジンバル角θiが制御されることによって、角運動量hiの方向が制御される。
そして、角運動量hiの方向の変化に伴い、CMGトルクτiの方向が変化する。CMGトルクτiは、ジンバル角θiの回転方向と、角運動量hiの方向と、に直交する方向に出力される。
In the
Then, the direction of the CMG torque τ i changes as the direction of the angular momentum hi changes. The CMG torque τ i is output in a direction perpendicular to the direction of rotation of the gimbal angle θ i and the direction of the angular momentum hi .
CMGトルクτiが出力されると、1組のアイソレータ101に変位ψ*iが生じる。変位ψ*iの大きさは、1組のアイソレータ101の剛性値k*に依存する。
通常、姿勢制御系130とジンバル制御系120とのそれぞれの安定化のため、「姿勢制御帯域≪ジンバル制御帯域≪アイソレータ共振周波数」という関係が成り立つことが多い。
姿勢制御帯域は、姿勢制御系130によって制御することが可能な周波数帯域である。
ジンバル制御帯域は、ジンバル制御系120によって制御することが可能な周波数帯域である。
アイソレータ共振周波数は、各アイソレータ101の共振周波数である。
姿勢制御帯域がアイソレータ共振周波数より低いため、姿勢制御系130は、各アイソレータ101の振動による変位ψ*iを補償することがほとんどできない。
そこで、各アイソレータ101の振動を除去し、変位ψ*iに着目する。
When the CMG torque τ i is output, a displacement ψ *i is produced in the set of
Normally, in order to stabilize each of the
The attitude control band is a frequency band that can be controlled by the
A gimbal control band is a frequency band that can be controlled by the
The isolator resonance frequency is the resonance frequency of each
Since the attitude control band is lower than the isolator resonance frequency, the
Therefore, the vibration of each isolator 101 is removed and attention is paid to the displacement ψ *i .
変位ψ*iは、式(1-1)から式(1-3)で表すことができる。
「hc」は、CMG110iの角運動量を表す。角運動量hcの大きさは全てのCMG110iで共通である。また、角運動量hcは固定値とする。但し、CMG110i別に角運動量hcが定義されてもよい。角運動量hcは時間変化しても良い。
The displacement ψ *i can be expressed by equations (1-1) to (1-3).
“h c ” represents the angular momentum of
式(1-1)には、ジンバルトルクτgiが含まれる。
「姿勢制御帯域≪ジンバル制御帯域」という関係において、ジンバルトルクτgiを姿勢制御系130によって高精度に推定することは難しい。
また、ジンバルトルクτgiは、CMGトルクτiと比べて非常に小さい。そのため、ジンバルトルクτgiが変位ψ*iに与える影響は軽微である。
Equation (1-1) includes the gimbal torque τ gi .
It is difficult for the
Also, the gimbal torque τ gi is very small compared to the CMG torque τ i . Therefore, the influence of the gimbal torque τ gi on the displacement ψ *i is minor.
式(1-2)および式(1-3)には、Ci系の姿勢角速度ωxが含まれる。
Ci系の姿勢角速度ωxは、1組のアイソレータ101の変位ψxに依存する。但し、変位ψxは微小である。
また、通常、姿勢角速度ω*の最大値がジンバル角速度の最大値より小さい場合が多い。
さらに、式(2-1)の関係が成り立つ。
Equations (1-2) and (1-3) include the attitude angular velocity ω x of the C i system.
The attitude angular velocity ω x of the C i system depends on the displacement ψ x of the set of
Also, usually, the maximum value of the attitude angular velocity ω * is often smaller than the maximum value of the gimbal angular velocity.
Furthermore, the relationship of formula (2-1) holds.
そのため、Ci系の姿勢角速度ωxは、式(2-2)のように近似できる。
「Uab」は、b系からa系への座標変換行列を意味する。つまり、「Usdi」は、Di系からS系への座標変換行列を意味する。
「gci」は、ジンバル軸方向ベクトルを表す。ジンバル軸方向ベクトルgciは、変位ψ*iがゼロである場合のCMG110iのジンバル軸114の方向ベクトルである。ジンバル軸方向ベクトルgciは固定値である。
「cc0i」は、角運動量方向ベクトルを表す。角運動量方向ベクトルcc0iは、変位ψ*iがゼロであり、且つ、ジンバル角θiがゼロである場合の角運動量hcの方向ベクトルである。角運動量方向ベクトルcc0iは固定値である。
Therefore, the posture angular velocity ω x of the C i system can be approximated as in Equation (2-2).
“U ab ” means a coordinate transformation matrix from the b system to the a system. That is, "U sdi " means the coordinate transformation matrix from the D i system to the S system.
“g ci ” represents the gimbal axial direction vector. The gimbal axis direction vector g ci is the direction vector of the gimbal axis 114 of
"c c0i " represents the angular momentum direction vector. The angular momentum direction vector c c0i is the direction vector of the angular momentum h c when the displacement ψ *i is zero and the gimbal angle θ i is zero. The angular momentum direction vector c c0i is a fixed value.
式(2-2)には、S系の姿勢角速度ベクトルωが含まれる。
S系の姿勢角速度ベクトルωは、目標生成器131によって算出される目標値と、姿勢推定器132によって算出される推定値とのいずれであってもよい。但し、推定値は不要なノイズの影響を受ける値であるため、目標値を使用することが望ましい。
Equation (2-2) includes the attitude angular velocity vector ω of the S system.
The posture angular velocity vector ω of the S system may be either a target value calculated by the
ジンバル角θi及びジンバル角速度については、フィードフォワード成分とフィードバック成分とに分けて考えることができる。
フィードフォワード成分は、姿勢変更等のためにあらかじめ計画される。
フィードバック成分は、姿勢誤差の補償のために必要である。
The gimbal angle θi and the gimbal angular velocity can be considered separately into a feedforward component and a feedback component.
The feedforward component is preplanned for attitude changes and the like.
A feedback component is needed for attitude error compensation.
上記理由により、式(1-1)から式(1-3)は、式(3-1)から式(3-3)に置き換えることができる。
添え字の「z」は、前回に算出された値を意味する。
「Δt」は、姿勢制御系130の1サイクルの処理時間を表す。
For the above reasons, formulas (1-1) to (1-3) can be replaced with formulas (3-1) to (3-3).
The suffix “z” means the previously calculated value.
“Δt” represents the processing time of one cycle of the
変位推定器141は、式(3-2)および式(3-3)を計算するために、式(2-1)および式(2-2)を計算する。
変位推定器141は、式(3-1)から式(3-3)を計算することによって、変位ベクトルψ*iを算出する。
The
次に、補正トルクτFBcorを算出するための計算方法について説明する。
補正トルクτFBcorは、トルク補正器142によって算出される。
Next, a calculation method for calculating the correction torque τFBcor will be described.
The correction torque τ FBcor is calculated by the
変位推定器141によって算出された変位ベクトルψ*i、すなわち、推定された変位ベクトルψ*iが姿勢制御に与える影響は、第1影響誤差と第2影響誤差とに分けられる。
第1影響誤差は「ヤコビ行列に誤差が生じることによるトルク誤差」である。
第2影響誤差は「CMGの角運動量の方向変化により発生する角運動量誤差」である。
第1影響誤差および第2影響誤差は、以下の制御則によって補償される。
The influence of the displacement vector ψ *i calculated by the
The first influence error is "torque error due to error in Jacobian matrix".
The second effect error is "the angular momentum error caused by the change in direction of the angular momentum of the CMG".
The first effect error and the second effect error are compensated by the following control law.
第1影響誤差は、ヤコビ行列の補正によって補償される。
式(4)に、ヤコビ行列についての関係式を示す。
「A」は、ヤコビ行列を表す。
The first effect error is compensated by correction of the Jacobian matrix.
Equation (4) shows the relational expression for the Jacobian matrix.
"A" represents the Jacobian matrix.
式(4)に基づいて、式(5-1)および式(5-2)が定義される。
「AFF0」は、変位ψ*iがゼロである場合のフィードフォワード制御用のヤコビ行列を表す。
「AFF+FB」は、変位ψ*iが有る場合のフィードフォワード制御とフィードバック制御との合成用のヤコビ行列を表す。AFF+FBをヤコビ行列としてステアリング則計算器134にて用いることで、第1影響誤差を補償する。
「gi」は、ジンバル軸方向ベクトルを表す。ジンバル軸方向ベクトルgiは、変位ψ*iが有る場合のCMG110iのジンバル軸114の方向ベクトルである。
「c0i」は、角運動量方向ベクトルを表す。角運動量方向ベクトルc0iは、変位ψ*iが有り、且つ、ジンバル角θiがゼロである場合の角運動量hcの方向ベクトルである。
「h0i」は、変位ψ*iが無い場合の角運動量hiを表す。
Equations (5-1) and (5-2) are defined based on Equation (4).
“A FF0 ” represents the Jacobian matrix for feedforward control when the displacement ψ *i is zero.
“A FF+FB ” represents the Jacobian matrix for synthesis of feedforward control and feedback control when there is a displacement ψ *i . A FF+FB is used as the Jacobian matrix in the
“g i ” represents the gimbal axial vector. The gimbal axis direction vector g i is the direction vector of the gimbal axis 114 of
“c 0i ” represents the angular momentum direction vector. The angular momentum direction vector c 0i is the direction vector of the angular momentum h c when there is a displacement ψ *i and the gimbal angle θ i is zero.
“h 0i ” represents the angular momentum h i in the absence of displacement ψ *i .
推定される変位ベクトルψ*iは微小である。そのため、式(6)を計算することによって、S系のジンバル軸方向ベクトルgiと、S系の角運動量方向ベクトルc0iと、を算出することができる。 The estimated displacement vector ψ *i is very small. Therefore, by calculating the equation (6), it is possible to calculate the gimbal axial direction vector g i of the S system and the angular momentum direction vector c 0i of the S system.
変位ψ*iが有る場合の複数のCMG110の全体の角運動量と変位ψ*iが無い場合の複数のCMG110の全体の角運動量の差異について、式(7)が定義される。
式(7)を計算することによって、S系の補正用角運動量を算出することができる。
「Δh」は、補正用角運動量を表す。
「Δhi」は、変位ψ*iに対する補正用角運動量を表す。
Equation (7) is defined for the difference between the total angular momentum of
By calculating the equation (7), the correcting angular momentum of the S system can be calculated.
"Δh" represents the angular momentum for correction.
“Δh i ” represents the corrective angular momentum for the displacement ψ *i .
補正トルクτFBcorは、式(8)で表すことができる。 The correction torque τ FBcor can be expressed by Equation (8).
トルク補正器142は、式(8)を計算するために、式(5-1)と式(5-2)と式(6)と式(7)とを計算する。
トルク補正器142は、式(8)を計算することによって、補正トルクτFBcorを算出する。
上記のヤコビ行列AFF+FBは、ステアリング則計算器134においても使用される。
ステアリング則計算器134は、式(9)を計算することによって、ジンバル角ベクトルθFBの一階微分値を算出することができる。
「A+
FF+FB」は、ヤコビ行列AFF+FBの擬似逆行列を表す。
The above Jacobian matrix A FF+FB is also used in
The
"A + FF+FB " represents the pseudo-inverse of the Jacobian matrix AFF +FB .
式(9)は基礎的な関係式であり、式(9)は特異点回避則等を考慮した式に置き換えることもできる。 Equation (9) is a basic relational expression, and Equation (9) can also be replaced with an equation that considers singularity avoidance rules and the like.
図4に基づいて、変位補正制御の概要を説明する。
「CMG#i」は、CMG110iを意味する。
「アイソレータ#i」は、CMG110i用の1組のアイソレータ101を意味する。
図中の変位推定器141内の「CMG#iジンバル角速度」は、式(3-2)、式(3-3)に含まれるジンバル角速度θFF+FBziの一階微分値を意味する。
「CMG#i出力トルク」は、式(3-2)、式(3-3)の各分子に相当するトルクを意味する。通常、CMG#i出力トルクの支配的な要素は、ジンバル角速度θFF+FBziの一階微分値とCMG角運動量hCの積となる。
「アイソレータ#i変位推定」は、式(3-1)~式(3-3)の各計算を実行することを意味する。
「ヤコビ行列補正」は、式(5-2)によりヤコビ行列を計算することを意味する。
「角運動量変位推定」は、式(7)により補正用角運動量を計算することを意味する。
「トルク補正」は、式(8)により補正トルクを計算することを意味する。
図中のステアリング則計算器134内の「CMG#iジンバル角速度」は、式(9)により計算されるジンバル角ベクトルθFBの一階微分値を意味する。
Based on FIG. 4, the outline of the displacement correction control will be described.
"CMG#i" means
"Isolator #i" refers to the set of
“CMG#i gimbal angular velocity” in the
"CMG#i output torque" means torque corresponding to each numerator of formulas (3-2) and (3-3). Usually, the dominant element of the CMG#i output torque is the product of the first derivative of the gimbal angular velocity θFF +FBzi and the CMG angular momentum hC .
“Isolator #i displacement estimation” means executing each calculation of equations (3-1) to (3-3).
“Jacobiian matrix correction” means calculating the Jacobian matrix by equation (5-2).
"Angular momentum displacement estimation" means calculating the corrective angular momentum according to equation (7).
"Torque correction" means calculating the correction torque according to equation (8).
"CMG#i gimbal angular velocity" in the
第2影響誤差は、各CMG110iに対して1組のアイソレータ101の変位ψ*iにより、角運動量方向が変化することにより発生する角運動量誤差である。角運動量誤差が発生することで姿勢角速度誤差、並びに姿勢角誤差が発生する。
各CMG110iに対して制御可能な要素はジンバル角θiのみとする。
ジンバル角θiの変化に伴って角運動量hiが変化する方向は、1組のアイソレータ101の変位ψ*iに伴って角運動量hiが変化する方向と直交する。
そのため、個々のCMG110iに対して1組のアイソレータ101の変位ψ*iによる角運動量誤差をジンバル角θiのみを独立に制御して補償することは不可能である。
そこで、変位推定器141は、CMG110i用の1組のアイソレータ101に生じた変位ψ*iを算出する。そして、トルク補正器142は、CMG110iの変位ψ*iを統合して全体トルクτFBを補正する。
これにより、複数のCMG110の全体でCMG110i用の1組のアイソレータ101の変位ψ*iによる角運動量誤差を補償することが実現される。
The second effect error is the angular momentum error caused by the change in angular momentum direction due to the displacement φ *i of the set of
The only controllable element for each
The direction in which the angular momentum h i changes with changes in the gimbal angle θ i is orthogonal to the direction in which the angular momentum h i changes with the displacement ψ *i of the set of
Therefore, it is impossible to independently control only the gimbal angle θi to compensate for the angular momentum error due to the displacement ψ *i of the set of
Therefore, the
Thereby, it is realized to compensate the angular momentum error due to the displacement φ *i of the set of
***実施の形態1の効果***
変位補正制御器140は、複数のCMG110を備える宇宙機100の姿勢制御に使用される。各CMG110iは、剛体でない設置インタフェース101P上に設置される。
変位補正制御器140は、変位推定器141と、トルク補正器142と、を備える。
変位推定器141は、設置インタフェース変位を推定する。
トルク補正器142は、姿勢制御トルクの補正を行う。
これにより、設置インタフェース101Pの変位が宇宙機100の姿勢に与える影響を補償することができる。
*** Effect of Embodiment 1 ***
The
The
A
A
As a result, the influence of the displacement of the
トルク補正器142は、個々のCMG110iで発生した設置インタフェース101Pの変位に対して、複数台のCMG110の系全体における統合計算を行う。これにより、個々のCMG110iに対して設置インタフェース101Pの変位による影響を補償することが不可能な条件下においても、個々のCMG110iで発生した設置インタフェース101Pの変位による影響が補償される。
The
***実施の形態1の補足***
姿勢制御系130の各要素は、専用の回路であってもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。
つまり、姿勢制御系130は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせで実現することができる。
*** Supplement to Embodiment 1 ***
Each element of
In other words,
実施の形態1は、好ましい形態の例示であり、本発明の技術的範囲を制限することを意図するものではない。実施の形態1は、部分的に実施してもよいし、他の形態と組み合わせて実施してもよい。フローチャート等を用いて説明した手順は、適宜に変更してもよい。 Embodiment 1 is an illustration of a preferred embodiment, and is not intended to limit the technical scope of the present invention. Embodiment 1 may be partially implemented, or may be implemented in combination with other modes. The procedures described using flowcharts and the like may be changed as appropriate.
100 宇宙機、101 アイソレータ、101P 設置インタフェース、110 CMG、111 ジンバル、112 ホイール、113 胴体、114 ジンバル軸、120 ジンバル制御系、130 姿勢制御系、131 目標生成器、132 姿勢推定器、133 姿勢制御レギュレータ、134 ステアリング則計算器、135 加算器、140 変位補正制御器、141 変位推定器、142 トルク補正器。 100 spacecraft, 101 isolator, 101P installation interface, 110 CMG, 111 gimbal, 112 wheel, 113 fuselage, 114 gimbal axis, 120 gimbal control system, 130 attitude control system, 131 target generator, 132 attitude estimator, 133 attitude control regulator, 134 steering law calculator, 135 adder, 140 displacement correction controller, 141 displacement estimator, 142 torque compensator.
Claims (4)
前記宇宙機は、前記姿勢制御系と、複数のコントロールモーメントジャイロと、前記複数のコントロールモーメントジャイロを前記宇宙機の中に設置するための複数の設置インタフェースと、を備え、
前記変位補正制御器は、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの変位を推定する変位推定器と、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの推定された変位に基づいて、前記姿勢制御系によってフィードバック制御のために算出される前記複数のコントロールモーメントジャイロの全体トルクを補正するトルク補正器と、
を備え、
前記変位推定器は、コントロールモーメントジャイロ用の設置インタフェースの剛性値と、前記コントロールモーメントジャイロのジンバル角と、前記コントロールモーメントジャイロの角運動量と、に基づいて、前記コントロールモーメントジャイロ用の設置インタフェースの変位を推定する
変位補正制御器。 A displacement correction controller used in an attitude control system that controls the attitude of a spacecraft,
the spacecraft comprises the attitude control system, a plurality of control moment gyros, and a plurality of installation interfaces for installing the plurality of control moment gyros in the spacecraft;
The displacement correction controller comprises:
a displacement estimator that estimates a displacement of each of the plurality of installation interfaces;
a torque corrector for correcting the total torque of the plurality of control moment gyros calculated for feedback control by the attitude control system based on the estimated displacement of each of the plurality of installation interfaces;
with
The displacement estimator calculates the displacement of the installation interface for the control moment gyro based on the stiffness value of the installation interface for the control moment gyro, the gimbal angle of the control moment gyro, and the angular momentum of the control moment gyro. to estimate
Displacement compensation controller.
前記宇宙機は、前記姿勢制御系と、複数のコントロールモーメントジャイロと、前記複数のコントロールモーメントジャイロを前記宇宙機の中に設置するための複数の設置インタフェースと、を備え、
前記変位補正制御器は、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの変位を推定する変位推定器と、
前記複数の設置インタフェースのそれぞれの推定された変位に基づいて、前記姿勢制御系によってフィードバック制御のために算出される前記複数のコントロールモーメントジャイロの全体トルクを補正するトルク補正器と、
を備え、
前記トルク補正器は、各設置インタフェースの変位と各設置インタフェースの変位が無い場合の各コントロールモーメントジャイロのトルクと、に基づいて、各設置インタフェースの変位に対する補正用角運動量を算出し、算出した補正用角運動量を合計して全体の補正用角運動量を算出し、前記全体の補正用角運動量に基づいて前記全体トルクを補正する
変位補正制御器。 A displacement correction controller used in an attitude control system that controls the attitude of a spacecraft,
the spacecraft comprises the attitude control system, a plurality of control moment gyros, and a plurality of installation interfaces for installing the plurality of control moment gyros in the spacecraft;
The displacement correction controller comprises:
a displacement estimator that estimates a displacement of each of the plurality of installation interfaces;
a torque corrector for correcting the total torque of the plurality of control moment gyros calculated for feedback control by the attitude control system based on the estimated displacement of each of the plurality of installation interfaces;
with
The torque corrector calculates a correction angular momentum for the displacement of each installation interface based on the displacement of each installation interface and the torque of each control moment gyro when there is no displacement of each installation interface, and calculates the correction. calculating a total corrective angular momentum by summing the total angular momentum, and correcting the total torque based on the total corrective angular momentum;
Displacement compensation controller.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の変位補正制御器。 4. A displacement compensation controller according to any preceding claim, wherein each of said plurality of mounting interfaces is a set of isolators.
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