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

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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．