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．

近年来，航天器高速、大角度姿态变化的需求日益增加，例如特定区域的多点指向控制，并考虑使用可输出大扭矩的控制力矩陀螺仪（CMG）。本研究的目的是开发一种考虑CMG奇异性避免的航天器非线性样本值姿态控制方法，并通过地面实验飞行器验证其有效性。我们正在研究以下问题。・任务（A）：开发负责避免奇点的离散时间 CMG 驱动定律。・任务（B）：将申请人提出的离散时间控制律扩展为考虑了对干扰和参数波动的鲁棒性的离散时间控制律。・任务（C）：制造实验装置，研究以下问题实施通过演示实验开发的控制方法的可行性。 2022年，我们针对问题（A）开发了基于连续时间零运动的离散时间CMG驱动律，并提出了将其与申请人提出的离散时间控制律相结合的控制方法（方法1）。．数值模拟证实该方法比连续时间控制具有更高的奇异性避免性能。然而，方法1无法考虑与外部奇点相关的万向节角速度限制和GMG角动量饱和度。因此，（1）控制输入是万向节角速度，（2）从离散时间控制侧计算命令万向节角速度，（3）计算万向节角速度以匹配（尽可能）我们提出了一种控制方法（方法2）。该方法2是结合了问题(A)和(B)的方法，通过数值模拟证实其具有比方法1更高的奇点避免性能。针对问题（B），我们开发了一种基于离散时间滑模控制的鲁棒控制律，并通过数值模拟证实它可以减少由于扰动而导致的控制性能下降。对于问题（C），我们对申请人之前的研究中已经制造的实验设备进行了修改。