(57)【要約】【課題】ホイール個々の角運動量や駆動トルクがその制限値を越えるような場合にもホイールの冗長自由度を活用することで対応することができる人工衛星の姿勢制御装置を得る。【解決手段】人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、姿勢制御トルクから前記ホイールの駆動トルクを生成するホイールトルク生成部などを設けた人工衛星の姿勢制御装置において、ホイールトルク生成部４は、前記姿勢制御トルクを前記各ホイールの駆動トルクに分配するためのトルク分配則部４１と、前記各ホイールに対して付加的なホイール駆動トルクを生成する付加トルク生成部４２と、前記少なくとも４個のホイールが前記人工衛星本体の姿勢の３自由度に対して有する冗長自由度を利用して、前記付加トルク生成部の出力である付加的なホイール駆動トルクが前記人工衛星本体の姿勢制御トルクには影響を与えないようにする射影演算部４３とを有する。【選択図】図２
2006315682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、前記人工衛星本体が姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記姿勢制御トルク生成部の出力に基いて前記人工衛星本体の姿勢角及び姿勢角速度の目標値を生成する姿勢角・角速度目標値生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角及び姿勢角速度を前記姿勢角・角速度目標値生成部の出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルクから前記ホイールの駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを備えた人工衛星の姿勢制御装置において、
前記ホイールトルク生成部は、
前記姿勢制御トルクを前記各ホイールの駆動トルクに分配するためのトルク分配則部と、
前記各ホイールに対して付加的なホイール駆動トルクを生成する付加トルク生成部と、
前記少なくとも４個のホイールが前記人工衛星本体の姿勢の３自由度に対して有する冗長自由度を利用して、前記付加トルク生成部の出力である付加的なホイール駆動トルクが前記人工衛星本体の姿勢制御トルクには影響を与えないようにする射影演算部と
を有することを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、姿勢を制御するためのアクチュエータとしてホイールを備えた人工衛星において、ホイールを駆動して姿勢制御を行う人工衛星の姿勢制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図５は、従来の人工衛星の姿勢制御装置のアクチュエータとなるホイールの構成を示す図である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５において、１１１はモーメンタムホイール、１１２〜１１４はリアクションホイールである。
【０００４】
次に、動作について説明する。モーメンタムホイール１１１の働きは、人工衛星にｘ軸方向の角運動量をもたせることであり、この角運動量があると人工衛星の姿勢をある程度は受動的に保つことができる。
【０００５】
また、リアクションホイール１１２は、その回転軸がｘｙ面内にあってｘ軸からθ１だけ傾いており、リアクションホイール１１３は、その回転軸がｘ軸に対してθ１、ｙ軸に対してθ２傾いており、リアクションホイール１１４は、その回転軸がｘ軸に対してθ１、ｙ軸に対してθ３傾いている。
【０００６】
これら３つのリアクションホイール１１２〜１１４のもつ角運動量を総合すると、かりにモーメンタムホイール１１１が故障してもその代替をさせることが可能である。さらに、一般的には、４つのホイールのどれか１つが故障しても残りの３つのホイールを用いた姿勢制御は可能であり、この４つのホイールで冗長系を構成することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−７１９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の人工衛星の姿勢制御装置は、おもに４つのホイールに対して、そのうちの１つが故障しても姿勢制御を行うことができるように冗長系を構成することに力点がおかれているので、ホイール個々の角運動量や駆動トルクが制限値を越えるような場合には、スラスタなどの別個のアクチュエータによって角運動量を解放したりトルクを補ったりする必要があり、姿勢制御系が複雑になるうえに姿勢制御トルクが滑らかではなくなることで人工衛星の姿勢安定度を損なうという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ホイール個々の角運動量や駆動トルクがその制限値を越えるような場合にもホイールの冗長自由度を活用することで対応することができる人工衛星の姿勢制御装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、人工衛星本体の姿勢制御を行うための少なくとも４個のホイールと、前記人工衛星本体が姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部と、前記姿勢制御トルク生成部の出力に基いて前記人工衛星本体の姿勢角及び姿勢角速度の目標値を生成する姿勢角・角速度目標値生成部と、前記人工衛星本体の姿勢角及び姿勢角速度を前記姿勢角・角速度目標値生成部の出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部と、前記姿勢制御トルクから前記ホイールの駆動トルクを生成するホイールトルク生成部とを設けた人工衛星の姿勢制御装置において、前記ホイールトルク生成部は、前記姿勢制御トルクを前記各ホイールの駆動トルクに分配するためのトルク分配則部と、前記各ホイールに対して付加的なホイール駆動トルクを生成する付加トルク生成部と、前記少なくとも４個のホイールが前記人工衛星本体の姿勢の３自由度に対して有する冗長自由度を利用して、前記付加トルク生成部の出力である付加的なホイール駆動トルクが前記人工衛星本体の姿勢制御トルクには影響を与えないようにする射影演算部とを有するものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る人工衛星の姿勢制御装置は、ホイール個々の角運動量や駆動トルクがその制限値を越えるような場合にもホイールの冗長自由度を活用することで対応することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１３】
図１において、後述する人工衛星本体が姿勢変更を行うための姿勢制御トルクを生成する姿勢制御トルク生成部１と、姿勢制御トルク生成部１の出力から後述する人工衛星本体の姿勢角と姿勢角速度の目標値を生成する姿勢角・角速度目標値生成部２と、後述する人工衛星本体の姿勢角、姿勢角速度を姿勢角・角速度目標値生成部２の出力に近づけるようにフィードバック制御を行う姿勢制御演算部３と、得られた姿勢制御トルクから後述するホイールの駆動トルクを生成するホイールトルク生成部４と、後述する人工衛星本体の姿勢制御を行うためのアクチュエータであるホイール５と、人工衛星本体６とが設けられている。
【００１４】
また、図２は、この発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示すブロック図である。
【００１５】
図２において、ホイールトルク生成部４は、姿勢制御トルクを各ホイールの駆動トルクに分配するためのトルク分配則部４１と、各ホイールに対して付加的なトルクを生成する付加トルク生成部４２と、付加トルク生成部４２の出力である付加トルクが人工衛星本体１の姿勢制御トルクには影響を与えないようにする射影演算部４３とが設けられている。
【００１６】
つぎに、この実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
姿勢制御トルク生成部１の出力と、姿勢制御演算部３の出力の和として人工衛星本体６の姿勢制御トルクが得られると、これをホイール５の駆動トルクに分解する必要がある。人工衛星本体６の姿勢制御トルクは、ホイール５の駆動トルクの反作用トルクを合計したトルクとして実現される。
【００１８】
いま、人工衛星本体６の姿勢制御トルクを各軸ごとに並べたベクトルをＴｂ、ホイール５の各駆動トルクを並べたベクトルをＴｗとすると、Ｔｂは３次のベクトルであり、Ｔｗはホイール５の個数Ｎだけの次元をもつベクトルとなる。ここでは、ホイール５の個数Ｎは４以上の場合を対象としており、ＴｗによってＴｂを実現するとともに、余ったＴｗの冗長自由度によって付加的な制御目的を実現することを考える。姿勢制御トルクＴｂとホイール駆動トルクＴｗの関係は、以下の式（１）で記述できる。
【００１９】
Ｔｂ＝Ａ×Ｔｗ                                          ・・・（１）
【００２０】
ただし、Ａは３×Ｎ次のマトリクスであり、このマトリクスＡはホイール５の幾何学的配置から一意的に決まる。
【００２１】
いま、姿勢制御トルクＴｂが与えられて、ホイール駆動トルクＴｗを求めるためには、上記の式（１）から、以下の式（２）の関係でＴｗを与えるのが一般的である。
【００２２】
Ｔｗ＝Ｂ×Ｔｂ                                          ・・・（２）
【００２３】
ただし、ＢはＮ×３の次元をもつマトリクスであり、Ａ×Ｂが３次の単位マトリクスとなるように選ぶ。このマトリクスＢの選び方は一意的ではないが、たとえばホイール５の駆動トルクがなるべく小さくなるようにマトリクスＢは選ばれる。
【００２４】
この式（２）の計算を行うのがホイールトルク生成部４内のトルク分配則部４１の働きである。ただし、マトリクスＡは、Ｎが４以上であることから横長のマトリクスとなり、式（１）の解としては式（２）をさらに一般化した、下記の式（３）を用いることができる。
【００２５】
Ｔｗ＝Ｂ×Ｔｂ＋（ＥＮ−Ａ＋×Ａ）×Ｔｆ                  ・・・（３）
【００２６】
ここで、ＥＮはＮ×Ｎ次の単位マトリクス、Ａ＋はＮ×３次のマトリクスＡの疑似逆マトリクス、（ＥＮ−Ａ＋×Ａ）はＮ×Ｎ次のマトリクスである。また、Ｔｆはホイール５に対する付加的な駆動トルクを並べたベクトルである。
【００２７】
上記の式（３）の右辺第２項は、式（３）を式（１）に代入すると零となって人工衛星本体６の姿勢制御トルクＴｂには影響を及ぼさない。したがって、付加的な駆動トルクＴｆは、これを任意に選んでも人工衛星本体６の姿勢に影響を及ぼすことはなく、各ホイール５に対してのみ影響を与えるようなトルク成分となる。
【００２８】
ここで、式（３）の右辺第２項のＴｆを求めるのがホイールトルク生成部４内の付加トルク生成部４２の働きであり、Ｔｆが人工衛星本体６の姿勢に影響を与えないようにＮ×Ｎ次のマトリクス（ＥＮ−Ａ＋×Ａ）をかけるのがホイールトルク生成部４内の射影演算部４３の働きである。
【００２９】
（ＥＮ−Ａ＋×Ａ）は、Ｔｆを姿勢制御トルクＴｂに影響を与えないような空間に射影する働きをもつため、これを射影演算と呼んでいる。したがって、Ｔｆそのものがホイール５によって実現されるわけではないが、ホイール５の個数Ｎが多ければＴｆの実現される割合も高くなる。ここで、Ｔｆをホイール５の駆動トルクや角運動量を制御するように与えれば、人工衛星本体６の姿勢制御を行うのに加えてホイール５の制御も行えることになる。
【００３０】
なお、この例では人工衛星本体６が姿勢変更を行う場合の姿勢制御トルクの各ホイール５の駆動トルクへの分配を示したが、姿勢変更を行わないで人工衛星本体６が一定の姿勢をとり続けるように制御する場合にもこの分配は有効である。
【００３１】
従って、本実施の形態１によれば、人工衛星本体６の姿勢制御トルクを、駆動アクチュエータであるホイール５の各駆動トルクに配分する際に、ホイール５が４個以上ある場合の冗長となる自由度を利用して、トルク分配則部４１から求められる駆動トルクと、人工衛星本体６の姿勢制御トルクには影響を及ぼさないような付加的なトルクを加える形で配分するようにしたので、人工衛星本体６の姿勢には影響を及ぼすことなく各ホイール５の駆動トルクや角運動量に影響を与えるような姿勢制御が可能となる。
【００３２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示すブロック図である。
【００３３】
図３において、図２に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。また、付加トルク生成部４２Ａは、各ホイール５の角運動量の制御を行う角運動量制御演算部４２１から構成されている。
【００３４】
つぎに、この実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
上述したように、ホイール５の個数Ｎが４以上であれば、付加トルクＴｆをある程度実現することができる。付加トルクＴｆのｉ番目のホイールに対応する成分をＴｆｉとするとき、各ホイール５の角運動量をなるべく均等化するように、この付加トルクＴｆｉをつぎの式（４）ように与える。
【００３６】
Ｔｆｉ＝Ｋ×（Ｍｗ０−Ｍｗｉ）                            ・・・（４）
【００３７】
ここで、Ｋは制御ゲイン、Ｍｗ０は各ホイール５の角運動量の目標値、Ｍｗｉはｉ番目のホイールに蓄積された角運動量である。
【００３８】
Ｍｗ０を零とすれば式（４）は、各ホイール５の角運動量がなるべく少なくなるように制御を行うことに相当する。ホイール５に蓄積される角運動量はホイール５の回転数と比例するから、ホイール５に蓄積される角運動量の上限値はホイール５の最大回転角速度で決まる。ホイール５がＮ個ある場合にその間の角運動量のばらつきが大きくなると、人工衛星本体６が姿勢変更を行う場合に、一部のホイール５において角運動量がその上限値に達する場合が起こりうる。このような場合には一部のホイール５をそれ以上駆動できなくなるので姿勢変更において制御誤差を生じる原因となる。
【００３９】
式（４）のような制御を付加トルク生成部４２Ａにおいて行えば、ホイール５の角運動量をなるべく均等化することになるので、一部のホイール５において角運動量が上限に達するような事態を回避することができる。この式（４）で示されるような各ホイール５についての角運動量の制御を行うのが角運動量制御演算部４２１の働きである。
【００４０】
ただし、式（４）のＴｆｉは、射影演算部４３を経てホイール５の駆動トルクとなるので、式（４）の制御則が完璧に実現されるわけではない。しかし、ホイール５の個数Ｎが４以上であればある程度の効果を奏するものである。
【００４１】
なお、この例では人工衛星本体６が姿勢変更を行う場合の各ホイール５の角運動量制御を行う場合を示したが、姿勢変更を行わないで人工衛星本体６が一定の姿勢をとり続けるように制御する場合にもこの角運動量制御は有効であり、各ホイール５に蓄積される角運動量をある程度望ましい値にすることができる。また、角運動量制御則は式（４）に限定されるものではなく、Ｔｆｉの値をｉ番目のホイール以外のホイールの角運動量をも用いて設定するようにしても、同様の効果を得るようにできる。
【００４２】
従って、本実施の形態２によれば、人工衛星本体６の姿勢制御トルクを、駆動アクチュエータであるホイール５の各駆動トルクに配分する際に、付加的なトルクとして各ホイールの角運動量を制御するようなトルクを加えるようにしたので、人工衛星本体６の姿勢には影響を及ぼすことなく各ホイールに蓄積される角運動量を望ましい値に近づけるような姿勢制御が可能となる。
【００４３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る人工衛星の姿勢制御装置について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示すブロック図である。
【００４４】
図４において、図２に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。また、付加トルク生成部４２Ｂは、各ホイール５の駆動トルクの大きさを最大駆動トルクと比較するトルク比較部４２２と、各ホイール５の駆動トルクが一部で最大駆動トルクを超えるような事態が生じた場合に駆動トルクの再分配制御を行うトルク再分配部４２３とから構成されている。
【００４５】
つぎに、この実施の形態３に係る人工衛星の姿勢制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００４６】
上述したように、ホイール５の個数Ｎが４以上であれば、付加トルクＴｆをある程度実現することができる。付加トルクＴｆを実現することのできる割合はホイール５の個数Ｎによって決まるが、より正確には式（１）のマトリクスＡの零空間を構成する（Ｎ−３）本の一次独立なＮ次のベクトルＶｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ−３）の線形結合によってＴｆがどの程度近似できるかで決まる。ここで、Ｎ−３はホイール５のもつＮ個の自由度のうち３自由度が姿勢制御に用いられ、そこで余ったホイール５の自由度の数を表している。このベクトルＶｉに対して係数ａｉを自由に選んで、以下の式（５）とすれば、このように構成したＴｆはベクトルＶｉの線形結合となり、式（１）のマトリクスＡをかけると零ベクトルになるので姿勢制御トルクに影響を与えることはなく、また射影演算部４３を通してもその値を変えることはない。
【００４７】
Ｔｆ＝ａ１×Ｖ１＋・・・＋ａＮ−３×ＶＮ−３                  ・・・（５）
【００４８】
すなわち、式（５）の範囲でＴｆを選べば姿勢制御トルクに影響を与えることなくＴｆを完璧に実現することができる。そこで、トルク分配則部４１によって各ホイール５に分配された駆動トルクが各ホイール５の最大駆動トルクを越えるような場合には、式（５）の範囲で係数ａｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ−３）を適当に設定して各ホイール５の駆動トルクが最大駆動トルクの範囲に入るように駆動トルクを再設定することができる。
【００４９】
ここで、トルク分配則部４１の結果が最大駆動トルクの範囲内を満たすかどうかを判定するのがトルク比較部４２２の働きであり、最大駆動トルクの範囲内を満たさないときに式（５）から係数ａｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ−３）を適当に設定して各ホイール５の駆動トルクが最大駆動トルクの範囲内に入るように制御するのがトルク再分配部４２３の働きである。式（５）の範囲内という制約があるので、このような再分配制御がつねに可能であるとは限らないが、ホイール５の個数Ｎが４以上であればある程度の効果を奏するものである。
【００５０】
なお、この例では人工衛星本体６が姿勢変更を行う場合の各ホイール５の駆動トルクの再分配を行う場合を示したが、姿勢変更を行わないで人工衛星本体６が一定の姿勢をとり続けるように制御する場合にもこの再分配は有効であり、各ホイール５の駆動トルクをある程度望ましい値にすることができる。
【００５１】
また、各ホイール５の駆動トルクの制御は最大値を超えるような場合に限られるものではなく、たとえば特定のホイールの駆動トルクを極力小さくするような制御を行うことも可能である。さらに、Ｔｆを式（５）の範囲に限定せず、任意に選ぶようにしてもＴｆが完璧に実現されることはないが、ある程度の効果を得ることができる。
【００５２】
従って、本実施の形態３によれば、人工衛星本体６の姿勢制御トルクを、駆動アクチュエータであるホイール５の各駆動トルクに配分する際に、付加的なトルクとして各ホイール５の駆動トルクを再分配するようなトルクを加えるようにしたので、人工衛星本体６の姿勢には影響を及ぼすことなく各ホイールの駆動トルクを望ましい値に近づけるような姿勢制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る人工衛星の姿勢制御装置のホイールトルク生成部の構成を示す図である。
【図５】従来の人工衛星の姿勢制御装置のアクチュエータとなるホイールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  姿勢制御トルク生成部、２  姿勢角・角速度目標値生成部、３  姿勢制御演算部、４  ホイールトルク生成部、５  ホイール、６  人工衛星本体、４１  トルク分配則部、４２、４２Ａ、４２Ｂ  付加トルク生成部、４３  射影演算部、４２１  角運動量制御演算部、４２２  トルク比較部、４２３  トルク再分配部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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