| 研究課題/領域番号 |
19K04837
|
|---|
| 研究機関 | 大阪大学 |
|---|
研究代表者 |
山田 克彦 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30402481)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| キーワード | 宇宙機 / 姿勢制御 / CMG / 最適制御 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，宇宙機の姿勢制御アクチュエータが複数台の1軸ジンバルCMG(Control Moment Gyro)である場合に，宇宙機を高速かつ確実に姿勢変更させるためのフィードバック姿勢制御系を確立することである．1軸ジンバルCMGは，回転して角運動量を有するホイールをジンバル軸回りに回転させることで姿勢制御トルクを発生させるアクチュエータであり，ホイールのもつ角運動量の向きを変えることで大きなトルクを発生することができる．ただし，ジンバル軸の回転に伴ってトルクの向きが変わるので，姿勢制御トルクを各ジンバル角速度に分解するステアリング則が複雑になり，このことが1軸ジンバルCMGを用いる宇宙機の姿勢制御系の最大の問題点となっていた．
令和2年度は，ピラミッド配置のCMGに関する，宇宙機の姿勢誤差から直接ジンバル角を求める姿勢制御系の改修とハードウェア実装を行った．とくに，姿勢制御系の改修において，これまで線形計画法(Linear Programming: LP)と2次計画法(Quadratic Programming: QP)の両方を用いてジンバル角の計算を行っていた部分を2次計画法のみで同等の性能を出せるように変更し，結果的に実行時間の短縮とプログラムサイズの縮小を実現した．このプログラムをハードウェアに実装し，CMGが4台の場合から2台の場合まで，ほぼ同じアルゴリズムで姿勢制御が可能であることを確認した．この姿勢制御系は，CMGが故障などで使用できる台数が減少した場合にもそのままの形で適用できるため，宇宙機の小型化，信頼性向上にも寄与できる．
さらに，ルーフ配置のCMGに関しても高速姿勢変更に関する方法を検討し，ピラミッド配置のCMGよりも簡単な方法でジンバル角軌道を求めるアルゴリズムを導いた．
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ピラミッド配置のCMGが4台の場合の実験を行うために，姿勢制御系のシミュレーションを行った結果，これまで線形計画法と2次計画法を併用していた姿勢制御系アルゴリズムにおいて，2次計画法のみでも同等の性能を実現できることを確認した．このため，線形計画法のプログラムを実装する必要がなくなり，プログラムの実行時間やプログラムサイズの縮小をはかることができ，プログラムを実行可能な形で実装することが可能になった．このプログラムを用いてハードウェア実験を行った結果，CMGが4台の場合と1台故障を想定した3台の場合について，同じプログラムで制御可能であることを確認した．さらに，2台故障を想定したCMGが2台の場合についても，初期値を設定する部分を改修するだけで，ほぼ同じプログラムで制御可能であることを確認した．したがってピラミッド配置のCMGが4台の場合については，ほぼ汎用のアルゴリズムが完成したと考えられる．
また，ピラミッド配置の特殊形であるルーフ配置の4台のCMGの場合についても，姿勢制御アルゴリズムを検討し，ピラミッド配置の4台のCMGの場合に比べてより簡単な形で，最短時間での姿勢制御が可能であることを確認した．
以上より，本研究課題はおおむね順調に推移していると考えられる．
|
| 今後の研究の推進方策 |
ピラミッド配置の4台のCMGの場合については，4台の場合と故障を想定した3台と2台の場合を含めて実験をほぼ終了したので，今後シミュレーション結果との整合性を確認し，場合によっては追加実験を行って投稿論文にまとめる予定である．さらにルーフ配置の4台のCMGの場合については，ピラミッド配置のCMGよりも計算が簡単化する特徴をいかして，CMGの高速姿勢変更を比較的簡単に実現するアルゴリズムが得られたので，種々の場合についてその有効性を検証し，投稿論文にまとめる予定である．
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
2020年度において制御基板の部品購入費が不要であったため次年度使用額が生じた．2021年度では，4台のCMGの場合の追加実験に関して，実験場所変更に伴う実験装置の搬送費やモータや制御基板についての部品購入費とする．また，論文が掲載された場合の掲載費用に充当する．
|
