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，人们对航天器的需求不断增长，以改变其高速和较高的角度态度，例如在特定区域的多点方向控制，并且可以使用可以输出大扭矩的控制矩陀螺（CMG）。这项研究的目的是考虑一种避免CMG的奇异性，并验证地面实验飞机的有效性并解决以下问题，以开发一种空运的非线性样本值态度控制方法。 - 问题（a）：制定负责避免奇点的离散时间CMG驾驶规则。 - 问题（b）：扩展申请人提出的离散时间控制法律，以考虑到鲁棒性和参数变化的鲁棒性。 - 问题（c）：实验设备是制造的，并且研究了通过演示实验构建的控制方法的可能性。在2022财政年度，我们根据持续的发行时间（a）制定了离散的CMG驾驶法律，并提出了一种控制方法（方法1），并结合申请人提出的离散时间控制法。数值模拟证实，与连续时间对照相比，它具有更高的奇异性避免性能。但是，方法1不能考虑到阳性角速度极限和与外部奇点相关的GMG角动量饱和度。 Therefore, we proposed a control method (Method 2) in which 1) is used to use the control input as the gimbal angular velocity, 2) calculate the command gimbal angular velocity from the discrete-time control side, and 3) calculate the gimbal angular velocity that matches the command gimbal angular velocity as much as possible, taking into account the constraints of the gimbal angular velocity limit.该方法2结合了问题（a）和（b），我们从数值模拟中确认它具有比方法1更高的奇异性避免性能。对于任务（b），我们根据离散时间滑动模式控制制定了强大的控制法律，并确认可以降低控制性能的降低，从而可以降低控制因数和其他数值模拟的因素的关系。关于任务（C），已经翻新了申请人先前研究中已经制造的实验设备。