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2020 年度 実施状況報告書

内部特異点フリーなシザース・ペア・ダブルジンバルCMGの開発と駆動制御法の研究

研究課題

研究課題/領域番号 19K04840
研究機関東京都立大学

研究代表者

小島 広久  東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (50322350)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワードコントロールモーメントジャイロ / モデル予測制御 / 劣駆動制御
研究実績の概要

ダブルジンバル・シザースペアーの数少ない特異点を考慮した制御則の成果を学術誌で掲載発表した。その論文では、シザースペアーによるトルク発生反応時間がRWモードによるトルク発生反応時間の約30倍であることを示した。また、CMGヤコビアンの逆行列を用いることなく、幾何的にジンバル駆動量を求める方式も別途考案し、数値計算にてその有効性を検証した。この成果に基づいた特許を取得した。
さらにモデル予測制御を用いた制御則を検討し、姿勢変更の高速化(短時間化)型・ジンバル駆動制御量の最小化・これら2つを折衷したハイブリッド型の3種類の目的関数を用いた場合の制御結果を数値計算によって比較し、ハイブリッド型は目的関数の設定どおり、2つの方式の中間的な性能を示すことが確認できた。また、ホライゾン長さを長くするに伴い、制御結果がより姿勢変更高速化(短時間化)型の様子を示すことを明らかにした。
さらに、一部のジンバルが故障した場合を想定した劣駆動制御方式も検討し、W-Zパラメータを用いた姿勢制御表現に基づいたジンバル駆動則を新たに考案した。考案したジンバル駆動則は従来の劣駆動ジンバル駆動則とは異なり、衛星の慣性テンソルを陽に含む制御方式となるため、特異点がジンバル角だけで決まらず、衛星の慣性テンソルおよび現在の姿勢にも依存する定式化となるものとなったが、間接的に制御される軸まわりの慣性能率も考慮した制御方式となるため、従来の劣駆動ジンバル駆動制御則よりもより劣駆動状態を適切に考慮した制御方式を得た。
以上に加え、実験装置の詳細設計を行い、設計に従いパーツの加工製作を行い、また制御電子回路関係の設計・製作を行い、装置を完成させた。

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

DGVSCMGのVS機能との性能比較を行い、シザースペアーによるトルク発生反応時間がRWモードによるトルク発生反応時間の約30倍であることを明らかにし、提案したDGSPCMGの優位性を示すことができた。また、懸案となっていたジンバル駆動部におけるスリップリング軸接続・固定方法を解決した実験装置が完成し、基礎的な実験が行えた。
その他、計画の3年目に予定していた課題である「ジンバルの一部が故障した場合の制御」に対する基礎的成果が得られた。以上の点から、おおむね順調に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

エアベアリング装置の上に、DGSPCMGを搭載し、本格的な実験を行い、バリアブルスピード機能モードによるDGVSCMGとの性能比較、ジンバルの一部が駆動しない状態になった状態を想定した制御方式の検証を実施する。また、劣駆動ジンバル駆動制御法、幾何的ジンバル駆動制御法の成果を論文にまとめ、学術誌へ投稿、掲載を目指す。

次年度使用額が生じた理由

国際学会・国内学会への参加を計画していたが、コロナ禍によるオンライン学会に変更されたため、旅費の支出が不要となった。また、大学院生の大学への来校が制限されたため、実験補助要員としての謝金を支払うことが困難になったため。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] Technologico de Monterry(メキシコ)

    • 国名
      メキシコ
    • 外国機関名
      Technologico de Monterry
  • [雑誌論文] Model predictive steering control law for double gimbal scissored-pair control moment gyros2021

    • 著者名/発表者名
      Kojima Hirohisa、Nakamura Reiji、Keshtkar Sajjad
    • 雑誌名

      Acta Astronautica

      巻: 13 ページ: 273~285

    • DOI

      10.1016/j.actaastro.2021.03.023

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Steering control law for double-gimbal scissored-pair CMG2020

    • 著者名/発表者名
      Kojima Hirohisa、Nakamura Reiji、Keshtkar Sajjad
    • 雑誌名

      Advances in Space Research

      巻: 66 ページ: 771~784

    • DOI

      10.1016/j.asr.2020.05.007

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] DGSPCMGシステムに対するモデル予測駆動則の導入検討2020

    • 著者名/発表者名
      小島広久, 中村玲二, Keshtkar Sajjad
    • 学会等名
      第64回宇宙科学技術連合講演会
  • [産業財産権] 姿勢制御装置及び姿勢制御方法2020

    • 発明者名
      小島広久, ケシュトカー・サジャ, ポズニヤック・アレキサンダー
    • 権利者名
      小島広久, ケシュトカー・サジャ, ポズニヤック・アレキサンダー
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-124798

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公開日: 2021-12-27  

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