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Development of a nonlinear sampled-data attitude control method for spacecraft with consideration for singularity avoidance of control moment gyros

考虑控制力矩陀螺奇异性避免的航天器非线性采样数据姿态控制方法的发展

基本信息

批准号：
22K04539
负责人：
池田裕一
金额：
$ 2.41万
依托单位：
Shonan Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

近年，特定領域の多点指向制御など，宇宙機の高速・大角度姿勢変更の要求が高まっており，大トルクが出力可能なコントロール・モーメント・ジャイロ（CMG）の使用が考えられる．CMGの特異点回避を考慮した宇宙機の非線形サンプル値姿勢制御手法の開発，および地上実験機による有効性の検証が本研究の目的であり，以下の課題に取り組んでいる．・課題（A）：特異点回避を担う離散時間CMG駆動則を開発する．・課題（B）：申請者が提案している離散時間制御則を，外乱やパラメータ変動に対するロバスト性などを考慮した離散時間制御則に拡張する.・課題（C）：実験装置を製作し，実証実験を通して構築した制御手法の実装可能性について問題点を吟味する．2022年度は，課題（A）に対して連続時間null motionに基づいた離散時間CMG駆動則を開発し，申請者が提案している離散時間制御則と組み合わせた制御手法（手法1）を提案した．数値シミュレーションより，連続時間制御よりも高い特異点回避性能を有すことを確認した．しかし，手法1は外部特異点に関連するジンバル角速度制限やGMGの角運動量飽和を考慮することができない．そこで，①制御入力をジンバル角速度とし，②離散時間制御側より指令ジンバル角速度を算出し，③ジンバル角速度制限の制約条件を考慮しつつ指令ジンバル角速度と（できるだけ）一致するようなジンバル角速度を算出する制御手法（手法2）を提案した．この手法2は課題（A）と（B）を合わせた手法になっており，手法1よりも高い特異点回避性能を有することを数値シミュレーションより確認した．課題（B）に対して離散時間スライディングモード制御に基づいたロバスト制御則を開発し，数値シミュレーションより外乱などに対して制御性能劣化を低減できることを確認した．課題（C）については，申請者の先行研究にて製作済みの実験装置の改修を実施した．

In recent years, multi-point control in specific fields has been improved, and the requirements for high-speed and large-angle attitude change of cosmic machines have been increased. The use of CMG has been examined. The development of non-linear attitude control methods of cosmic machines has been considered. The following topics are selected from the group.·Problem (A): Discrete-time CMG motion is developed by avoiding singular points. Question (B): The applicant proposes a discrete-time control rule, which is based on the discrete-time control rule. Subject (C): To produce a practical device, to demonstrate the feasibility of implementing a control method, to identify the problem points. In 2022, subject (A) is to develop a discrete time CMG based on continuous time null motion, and to propose a discrete time control method (method 1). The number of unique points avoided by the time control system is confirmed. The method 1 is related to the external special point, and the angular velocity limit and the angular motion saturation of the GMG are considered. (1) Control the driving force and angular velocity;(2) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(3) Consider the constraint conditions of angular velocity control;(4) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(5) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(6) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(7) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(8) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(9) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(9) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(10) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(11) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(12) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(13) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(14) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(15) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(15) Calculate the angular velocity by discrete-time control;(16) Calculate the angular velocity by discre The method 2 is the same as the problem (A) and (B). The method 1 is high and the special point avoidance performance is high. The method 2 is high and the special point avoidance performance is high and the special point avoidance performance is high. Problem (B): To identify the problem of discrete-time control performance degradation, we need to develop control principles for discrete time control systems. Subject (C): The applicant's advance research, production and implementation of the modification of the equipment.