| 研究課題/領域番号 |
25420854
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
内山 賢治 日本大学, 理工学部, 教授 (90281691)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 球状ホイール / 小型衛星 / 三軸姿勢制御 / 圧電素子 / 光学センサ |
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| 研究概要 |
日本における宇宙開発については，内閣に設置された宇宙開発戦略本部において十分議論されている．その中でも，準天頂衛星システム事業のような人工衛星技術が，我が国の公共の安全確保や産業振興のために，重要な社会インフラとして期待されている．一方，これまでの人工衛星は，質量数トン，寸法も数メートルに及んでいたが，日本では2000年頃から小型衛星の開発・打上も行っており，世界的に見ても人工衛星の小型化が進んでいる．
人工衛星の小型化に伴って，センサやアクチュエータの周辺機器もそれに見合ったものが開発されている．しかし，機器を搭載する空間が十分ではないという点は非常に厳しいものがあり，新たなシステムの開発の必要性も生じている．特に，従来のリアクションホイール用いた姿勢制御システムにおいて様々な問題が生じている．そこで本研究では，「球体の回転反力を利用して衛星の姿勢を制御する」ことで小型衛星の姿勢制御を実現するシステムの開発を目的としている．
球状ホイールの駆動については，消費電力や耐久性の観点から積層型の圧電素子を利用した．開発したシステム（プロトモデル）では，圧電素子2つを一組としたステータを3組用いている．3組のステータをそれぞれ直行するように配置し各軸周りの角速度運動を生成するというのが，本システムを用いた小型衛星の姿勢制御原理である．本装置を用いたときの球状ホイールの運動については，既に簡単な数学モデルを構築した．また，3つの光学センサを用いて，非接触で球状ホイールの回転速度および回転方向を計測するシステムも開発した．状態フィードバック制御により，回転方向・回転速度制御を行い，概ね制御目的は達成できた．以上の結果をまとめ国内の学術会議で発表した．また，日本航空宇宙学会に投稿し，平成26年度発行の学術雑誌に掲載が決定した．
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| 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
平成25年度の研究では，球状ホイールの駆動原理について検討するとともに，姿勢制御装置（球状ホイールシステム）の製作およびその性能評価を行うことを目的としていた．
まず球状ホイールの駆動については，当初予定していた通り，圧電素子を利用し直接ホイールに力を伝達する方法を採用した．初めに，当予算で購入したインピーダンスアナライザにより圧電素子の電気特性を測定し，圧電素子の電気的な共振点と反共振点を確認することで，その駆動周波数を特定した．次に，1軸まわりの回転運動を確認するために2つの圧電素子を用いて球状ホイールの動きを確認した．球状ホイールの回転運動は，2つの圧電素子とヘッドから構成されるステータによって実現される．具体的には，球状ホイールの回転方向・回転速度は，ステータの構成部品であるヘッドを楕円軌道を描くように駆動することで，ヘッドと球状ホイール間の摩擦および球状ホイールの慣性により制御される．検証実験により，本装置を用いて球状ホイールの回転運動を制御できることを確認した．
この結果を踏まえて，ステータを3組用い，任意の軸まわりの回転を制御できる球状ホイール装置のプロトモデルを製作した．球状ホイールの回転方向や回転速度を計測するために3つの光学センサ用いた．数rpm以下の低速回転および200rpm以上では，球状ホイールの回転方向および回転速度の制御結果に再現性は見られなかったものの，ある程度の回転速度領域では十分な制御性能が得られた．今後は，この点について十分に考察し，どの回転数でも再現性の良い結果が得得られるようにする．
以上の結果をまとめ国内の学術会議で発表した．また，日本航空宇宙学会に投稿し，平成26年度発行の学術雑誌に掲載が決定した．
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| 今後の研究の推進方策 |
まず，球状ホイールの回転方向・回転速度の制御について，低速度領域においても十分な制御性能が得られるよう装置の修正を行う．また，微小重力環境のような，より実際に近い環境において開発したシステムの性能評価を行う．開発した球形ホイールシステムは，その構造と駆動方法から衝撃力のような外乱の影響を受けやすい．したがって，そのような外乱に対してロバスト性を有する制御系を設計するとともに，状況に応じて状態推定も行う予定である．
今後は，状況に応じて2通りの実験を行う．まず，浮上盤（700㎜×700㎜）を用いて摩擦のない環境を作り，製作予定の小型衛星モデルの平面運動を計測する．実験に際しては，浮上盤から吹き出す空気の粘性抵抗の影響についても考慮し結果を考察する．小型衛星モデルには，球形ホイールシステムの他に，現有のオプティカルジャイロを搭載し，球形ホイールと衛星モデルの回転運動の関係を調べる．次に，3次元的な回転運動を見るためにジンバル機構を用いたシミュレータを用いた実験を行う．球形ホイールの回転によって生じる反力を既存の力センサにより計測し，各軸周りの角速度を算出することでシミュレータ装置を駆動する．小型衛星が回転運動を行うと，内部に設置されたオプティカルジャイロから角度と角速度情報が出力され，これを内部のコンピュータで処理し，制御則にしたがった出力信号を球状ホイールに送る．今後も検証実験を通して，本研究で提案される球状ホイールシステムの有効性を検証する．
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