JP2000280996A - 宇宙機の６自由度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置および姿勢制御の高精度化と燃料消費量
の抑制を実現できる宇宙機の６自由度制御装置を提供す
る。 【解決手段】 制御軸選定器２は、宇宙機５の位置偏差
／速度偏差若しくは姿勢偏差／角速度偏差に基づいて、
制御が必要な軸方向を選定し、この軸方向についてのみ
制御軸偏差信号２０を出力する。制御出力算出器３は、
信号２０に基づいてスラスタ制御を実施すべきと判断し
た軸方向についてのみ軸制御信号２１を算出する。制御
軸順序決定器４は、各軸について予め設定された優先順
位と信号２０に基づいて、各軸方向の制御順序を決定
し、軸単位の軸制御信号２１を決定した順序でスラスタ
制御信号２２として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人工衛星などの宇
宙機の位置３軸、姿勢３軸の計６自由度の制御に使用さ
れる６自由度制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、人工衛星などの宇宙機が他の
宇宙機とドッキングしたり、特定の軌道位置に移動した
り、所定の軌道位置を維持したりするために、宇宙機の
位置３軸、姿勢３軸を制御する６自由度制御装置が使用
される。図４は、特開平７−３３０９５号公報に開示さ
れた従来の６自由度制御装置の構成を示すブロック図で
ある。

【０００３】この６自由度制御装置は、宇宙機本体１０
１と、宇宙機本体１０１の位置を検出する位置検出部１
０２と、宇宙機本体１０１の位置の目標値を出力する位
置目標値発生部１０３と、宇宙機本体１０１の位置制御
に関する制御信号を発生する位置制御演算部１０４と、
宇宙機本体１０１の姿勢を検出する姿勢検出部１０５
と、宇宙機本体１０１の姿勢の目標値を出力する姿勢目
標値発生部１０６と、宇宙機本体１０１の姿勢制御に関
する制御信号を発生する姿勢制御演算部１０７と、位置
制御演算部１０４および姿勢制御演算部１０７の演算結
果よりダイナミクス上の干渉を取り除く非干渉化演算部
１０８と、宇宙機本体１０１の位置と姿勢の目標値の加
速度およびダイナミクス上の慣性力を補償するフィード
フォワード演算部１０９とから構成される。

【０００４】そして、宇宙機本体１０１は、入力された
制御信号に基づいてスラスタの組み合わせとスラスタの
噴射パターンを選定するスラスタ選択部１１６と、スラ
スタ駆動回路を含むスラスタモジュレータ１１７と、複
数のスラスタ１１８と、スラスタ１１８の発生する推力
によって変化する宇宙機ダイナミクス１１９とから構成
される。

【０００５】図４に示す宇宙機の６自由度制御装置にお
いては、宇宙機本体１０１の位置と姿勢をそれぞれ位置
検出部１０２と姿勢検出部１０５により検出する。位置
制御演算部１０４は、位置目標値発生部１０３から出力
された位置目標値と位置検出部１０２の出力との偏差に
基づいて、宇宙機本体１０１の位置制御に関する制御信
号を発生する。姿勢制御演算部１０７は、姿勢目標値発
生部１０６から出力された姿勢目標値と姿勢検出部１０
５の出力との偏差に基づいて、宇宙機本体１０１の姿勢
制御に関する制御信号を発生する。

【０００６】一方、フィードフォワード演算部１０９
は、位置目標値発生部１０３および姿勢目標値発生部１
０６の出力に基づいて目標値の加速度に対する補償量を
求め、位置検出部１０２および姿勢検出部１０５の出力
に基づいて慣性力の補償量を求める。非干渉化演算部１
０８は、位置制御演算部１０４から出力された制御信号
と姿勢制御演算部１０７から出力された制御信号のダイ
ナミクス上の干渉を取り除く。この非干渉化演算部１０
８の出力は、フィードフォワード演算部１０９の出力と
足し合わされた後、宇宙機本体１０１に搭載されたスラ
スタ選択部１１６へ入力される。

【０００７】スラスタ選択部１１６は、入力された制御
信号に基づき、消費燃料が最小となるスラスタの組み合
わせと噴射パターンを複数軸に対して同時に選定する。
スラスタモジュレータ１１７は、スラスタ選択部１１６
から出力されたスラスタ制御信号に応じて、複数のスラ
スタ１１８のうち選定されたスラスタの弁を作動させ
る。これにより、スラスタに燃料が供給され、スラスタ
が噴射する。こうして、宇宙機本体１０１の位置および
姿勢を自由に制御することが可能となる。

【０００８】さらに、図４に示す宇宙機の６自由度制御
装置では、スラスタ選択部１１６において、スラスタの
組み合わせと噴射パターンの決定をルックアップテーブ
ルに基づいて行い、選択した各スラスタの噴射による合
力および合トルクが０となるような相殺噴射パターンを
取り除く相殺噴射ロジックや、合力および合トルクを生
成するが合計噴射量が少なくて済むスラスタの噴射組み
合わせに置き換える置換噴射ロジックを用いて、燃料噴
射量の合計がより少なくて済む効率的なスラスタ制御方
法を実現している。

【０００９】また、特開昭６２−５９２００号公報に開
示された従来のスラスタ制御方法では、複数軸について
同時に制御する場合、個々の軸に対する制御ロジックの
単純な足し合わせにより、宇宙機の６自由度制御を実現
している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す宇宙機の６
自由度制御装置では、宇宙機本体１０１の位置姿勢偏差
に基づいて生成された制御信号に応じて、スラスタ選択
部１１６が各軸制御に使用する複数のスラスタ１１８間
で噴射分配を行うため、スラスタ１１８の切り替え動作
が常に必要となる。現状の宇宙機搭載用スラスタは、個
々の出力特性に大きなばらつきがあり、しかもそのばら
つき値はランダムな特性である。

【００１１】したがって、スラスタ配置から各軸出力を
規定しそれに基づいてスラスタ１１８の噴射分配を積極
的に実施する図４の６自由度制御装置では、各軸制御に
関して使用するスラスタ１１８を積極的に変えるので、
個々のスラスタ１１８の出力特性のばらつきが各軸制御
の精度に及ぼす影響を正確に把握することは困難であ
る。このため、図４に示す宇宙機の６自由度制御装置で
は、宇宙機本体１０１の位置制御および姿勢制御を高精
度化することが難しいという問題点があった。

【００１２】さらに、図４の６自由度制御装置では、各
軸に関する制御信号をすべて足し合わせた後、スラスタ
選択部１１６で使用スラスタを選択し、各スラスタごと
にスラスタモジュレータ１１７において噴射モジュレー
ションを実施している。スラスタ選択部１１６では、宇
宙機本体１０１の状態とは独立に、必要とされるスラス
タ噴射量などから使用するスラスタを最適化してしまう
ため、宇宙機本体１０１の各軸運動とスラスタ噴射の関
係が不明確となり、スラスタ噴射によって発生する力の
各軸毎の分解が困難となる。

【００１３】本来、スラスタモジュレータ１１７により
実施されるモジュレーションは、宇宙機本体１０１の各
軸運動と対応して行うものであり、スラスタ噴射と宇宙
機本体１０１の運動が関係づけられない図４の構成で
は、スラスタモジュレータ１１７により実施するモジュ
レーションロジックを事前に設定することができない。
また、図４に示す６自由度制御装置では、宇宙機本体１
０１の速度／角速度に関する情報を各軸制御に利用して
いないため、宇宙機本体１０１の位置制御および姿勢制
御に関して位相進み補償による応答性の向上を実現でき
ず、達成される制御性能に限界があるという問題点があ
った。

【００１４】一方、特開昭６２−５９２００号公報に開
示された従来のスラスタ制御方法では、複数軸について
同時に制御する場合、個々の軸に対する制御ロジックの
足し合わせによって６自由度制御を実施しているが、単
純に各軸制御を足し合わせているだけなので、スラスタ
の燃料消費量を抑制することができないという問題点が
あった。本発明は、上記課題を解決するためになされた
もので、宇宙機の位置制御および姿勢制御の高精度化と
燃料消費量の抑制とを同時に実現できる宇宙機の６自由
度制御装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の宇宙機の６自由
度制御装置は、複数のスラスタ（１１−１〜１１−ｎ）
と、スラスタ制御信号（２２）に基づいてスラスタを選
択的に噴射させるスラスタモジュレータ（１０）とを備
え、６自由度宇宙機（５）の位置および速度を検出する
位置／速度検出器（６）と、上記６自由度宇宙機の位置
および速度の目標値を発生する目標位置／速度発生器
（８）と、上記６自由度宇宙機の姿勢および角速度を検
出する姿勢／角速度検出器（７）と、上記６自由度宇宙
機の姿勢および角速度の目標値を発生する目標姿勢／角
速度発生器（９）と、上記スラスタモジュレータに対し
てスラスタ制御信号を出力する６自由度制御器（１）と
を備えている。そして、６自由度制御器は、上記位置／
速度検出器の出力（１６）と目標位置／速度発生器の出
力（１８）との偏差若しくは上記姿勢／角速度検出器の
出力（１７）と目標姿勢／角速度発生器の出力（１９）
との偏差に基づいて、制御が必要な６自由度宇宙機の軸
方向を選定し、制御が必要な軸方向についてのみ制御軸
偏差信号（２０）を出力する制御軸選定器（２）と、上
記制御軸偏差信号が示す偏差に基づいてスラスタ制御を
実施すべきか否かを６自由度宇宙機の軸方向ごとに判断
し、スラスタ制御を実施すべきと判断した軸方向につい
てのみ上記制御軸偏差信号から位置制御および姿勢制御
に関する軸制御信号（２１）を算出する制御出力算出器
（３）と、上記６自由度宇宙機の位置３軸、姿勢３軸に
ついて予め設定された優先順位と上記制御軸偏差信号が
示す偏差に基づいて、６自由度宇宙機の各軸方向の制御
順序を決定し、軸単位の上記軸制御信号を決定した順序
で上記スラスタ制御信号として出力する制御軸順序決定
器（４）とからなるものである。このように、本発明で
は、６自由度宇宙機の位置偏差、速度偏差、姿勢偏差お
よび角速度偏差に基づいてスラスタ制御信号を生成す
る。また、各軸ごとに制御が必要かどうかを位置偏差、
速度偏差、姿勢偏差および角速度偏差から評価し、さら
に各軸方向の制御順序を適応的に変化させながら６自由
度宇宙機の位置および姿勢を効率よく制御する。

【００１６】また、上述の制御軸選定器（２）の１構成
例は、上記位置／速度検出器の出力と目標位置／速度発
生器の出力との偏差若しくは上記姿勢／角速度検出器の
出力と目標姿勢／角速度発生器の出力との偏差を６自由
度宇宙機の軸方向ごとに算出し、算出した位置偏差、速
度偏差、姿勢偏差、角速度偏差を予め設定された各偏差
しきい値と比較し、偏差しきい値より大きな偏差が検出
された上記６自由度宇宙機の軸方向についてのみ上記偏
差を示す制御軸偏差信号を出力するものである。これに
より、偏差の大きさに応じた適応的な制御軸の選択を実
現することができる。

【００１７】また、上述の制御出力算出器（３）の１構
成例は、スラスタ制御を実施すべき制御域とスラスタ制
御を実施すべきでない不制御域とがあらかじめ設定され
た位置偏差−速度偏差空間上あるいは姿勢偏差−角速度
偏差空間上において、上記制御軸偏差信号中の位置偏差
と速度偏差、あるいは姿勢偏差と角速度偏差で表される
６自由度宇宙機の状態が上記制御域と不制御域のどちら
に属するかを６自由度宇宙機の軸方向ごとに判断し、６
自由度宇宙機の状態が上記制御域に属する軸方向につい
てのみ上記制御軸偏差信号に基づいて軸制御信号を算出
するものである。これにより、スラスタの度重なる噴射
を抑えることができる。また、上記位置偏差−速度偏差
空間上あるいは姿勢偏差−角速度偏差空間上の不制御域
は、６自由度宇宙機の構造やスラスタ燃料消費量に応じ
て設定されるものである。これにより、６自由度宇宙機
の振動発生を防止することができる。

【００１８】また、上述の制御軸順序決定器（４）の１
構成例は、上記６自由度宇宙機の軸方向ごとに予め設定
された優先順位を示す重み付け値と上記制御軸偏差信号
が示す偏差とを対応する軸方向ごとに乗算し、この乗算
結果に基づいて６自由度宇宙機の各軸方向の制御順序を
決定し、軸単位の上記軸制御信号を決定した順序で上記
スラスタ制御信号として出力するものである。これによ
り、目標値に対する偏差が大きくかつ優先順位の高い軸
方向に関して優先的に制御する。

【００１９】

【発明の実施の形態】［実施の形態の１］次に、本発明
の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態となる宇宙機の６自
由度制御装置の構成を示すブロック図である。

【００２０】この６自由度制御装置は、後述するスラス
タモジュレータに対してスラスタ制御信号を出力する６
自由度制御器１と、６自由度宇宙機５と、６自由度宇宙
機５の位置および速度を検出する位置／速度検出器６
と、６自由度宇宙機５の姿勢および角速度を検出する姿
勢／角速度検出器７と、６自由度宇宙機５の位置および
速度の目標値を発生する目標位置／速度発生器８と、６
自由度宇宙機５の姿勢および角速度の目標値を発生する
目標姿勢／角速度発生器９と、スラスタ制御信号に基づ
いてスラスタを選択的に噴射させるスラスタモジュレー
タ１０と、複数のスラスタ１１−１〜１１−ｎとから構
成されている。

【００２１】図１において、１６は位置／速度検出器６
から出力される位置／速度検出信号、１７は姿勢／角速
度検出器７から出力される姿勢／角速度検出信号、１８
は目標位置／速度発生器８から出力される位置／速度目
標信号、１９は目標姿勢／角速度発生器９から出力され
る姿勢／角速度目標信号、２０は制御軸選定器２から出
力される制御軸偏差信号、２１は制御出力算出器３から
出力される軸制御信号、２２は制御軸順序決定器４から
出力されるスラスタ制御信号である。

【００２２】図１に示すように、６自由度制御器１は、
制御軸選定器２、制御出力算出器３及び制御軸順序決定
器４から構成される。本発明は、この６自由度制御器１
により図２に示すような６自由度宇宙機５の位置３軸
（ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸）、姿勢３軸（ロール軸，ピッチ
軸，ヨー軸）について、各軸ごとにスラスタ制御信号２
２を生成することに特徴がある。そして、本発明は、こ
のスラスタ制御信号２２によりスラスタ１１−１〜１１
−ｎを噴射させて６自由度宇宙機５の位置および姿勢を
制御するものである。

【００２３】まず、位置／速度検出器６は、６自由度宇
宙機５の位置および速度を検出し、検出した位置および
速度を示す位置／速度検出信号１６を６自由度制御器１
へ出力する。姿勢／角速度検出器７は、６自由度制御器
５の姿勢および角速度を検出し、検出した姿勢および角
速度を示す姿勢／角速度検出信号１７を６自由度制御器
１へ出力する。

【００２４】位置／速度検出器６に関しては、ＧＰＳ
（Global Positioning System ）単体と複数のＧＰＳか
らなるＤＧＰＳ（Deferential Global Positioning Sys
tem ）とを組み合わせることにより容易に実現できる。
姿勢／角速度検出器７に関しては、スターセンサ（ＳＴ
Ｔ）とジャイロとを組み合わせることにより容易に実現
できる。

【００２５】一方、目標位置／速度発生器８は、６自由
度宇宙機５の位置および速度の目標値を示す位置／速度
目標信号１８を出力する。目標姿勢／角速度発生器９
は、６自由度宇宙機５の姿勢および角速度の目標値を示
す姿勢／角速度目標信号１９を出力する。

【００２６】６自由度制御器１内の制御軸選定器２は、
位置／速度検出器６から出力される位置／速度検出信号
１６と目標位置／速度発生器８から出力される位置／速
度目標信号１８との偏差、若しくは姿勢／角速度検出器
７から出力される姿勢／角速度検出信号１７と目標姿勢
／角速度発生器９から出力される姿勢／角速度目標信号
１９との偏差に基づいて、制御が必要な６自由度宇宙機
５の軸方向を選定し、制御が必要な軸方向についてのみ
上記偏差を示す制御軸偏差信号２０を生成し、これを制
御出力算出器３および制御軸順序決定器４へ出力する。

【００２７】制御軸偏差信号２０を受け取った制御出力
算出器３は、この制御軸偏差信号２０が示す偏差に基づ
いてスラスタ制御を実施すべきか否かを６自由度宇宙機
５の軸方向ごとに判断し、スラスタ制御を実施すべきと
判断した軸方向についてのみ制御軸偏差信号２０から位
置制御若しくは姿勢制御のための軸制御信号（操作量）
２１を算出し、これを制御軸順序決定器４へ出力する。

【００２８】制御軸順序決定器４は、６自由度宇宙機５
の位置３軸、姿勢３軸について予め設定された優先順位
と制御軸偏差信号２０が示す偏差に基づいて、６自由度
宇宙機５の各軸方向の制御順序を決定し、軸単位の軸制
御信号２１を決定した順序でスラスタ制御信号２２とし
て出力する。

【００２９】このようにスラスタ制御信号２２は、各軸
ごとに生成され、制御順序に応じて順次出力される。本
発明では、６自由度宇宙機５の位置３軸、姿勢３軸の制
御に使用されるスラスタ１１−１〜１１−ｎの組み合わ
せが固定化されている。すなわち、６自由度宇宙機５の
各軸方向の制御に関してどのスラスタを使用するかは予
め決定されている。

【００３０】したがって、スラスタモジュレータ１０
は、６自由度宇宙機５の位置３軸、姿勢３軸のうち、あ
る軸方向のスラスタ制御信号２２が入力されたとき、こ
の軸方向に対応したスラスタの弁を作動させる。これに
より、スラスタに燃料が供給され、スラスタが噴射す
る。以上のようなスラスタ制御を軸ごとに行うことによ
り、６自由度宇宙機５の位置および姿勢が制御される。

【００３１】このように、本発明では、６自由度宇宙機
５の位置３軸、姿勢３軸の制御に用いるスラスタ１１−
１〜１１−ｎの組み合わせを固定化した上で６自由度宇
宙機５の位置および姿勢を制御する構成としている。

【００３２】その結果、各スラスタ１１−１〜１１−ｎ
間で生じる出力偏差の影響を、６自由度制御器１におけ
る各軸ごとの位置偏差／速度偏差、姿勢偏差／角速度偏
差に基づくフィードバック制御によって解消できるの
で、使用するスラスタ１１−１〜１１−ｎの性能的な個
体差によらずに、６自由度宇宙機５の位置および姿勢制
御の高精度化が可能となる。

【００３３】さらに本発明では、制御軸選定器２と制御
軸順序決定器４とによって６自由度制御器１を構成して
おり、制御軸選定器２と制御軸順序決定器４の作用によ
り、各軸の単純な足し合わせにより構成した従来の制御
器では困難であった、６自由度宇宙機５の位置３軸、姿
勢３軸の間の軸間協調制御など高機能制御が容易に実現
できる。

【００３４】［実施の形態の２］次に、６自由度制御器
１内の制御軸選定器２の１例について説明する。制御軸
選定器２は、位置／速度検出器６から出力される位置／
速度検出信号１６と目標位置／速度発生器８から出力さ
れる位置／速度目標信号１８との偏差（位置偏差と速度
偏差）、若しくは姿勢／角速度検出器７から出力される
姿勢／角速度検出信号１７と目標姿勢／角速度発生器９
から出力される姿勢／角速度目標信号１９との偏差（姿
勢偏差と角速度偏差）を６自由度宇宙機５の各軸ごとに
算出する。

【００３５】このとき、制御軸選定器２は、位置３軸、
すなわちｘ軸，ｙ軸，ｚ軸のそれぞれについて位置偏差
と速度偏差を算出し、姿勢３軸、すなわちロール軸，ピ
ッチ軸，ヨー軸のそれぞれについて姿勢偏差と角速度偏
差を算出する。続いて、制御軸選定器２は、各軸ごとに
算出した位置偏差、速度偏差、姿勢偏差、角速度偏差を
予め設定された各偏差しきい値と比較することにより、
その軸に対して制御が必要かどうかを判断する。

【００３６】つまり、制御軸選定器２は、位置偏差が予
め設定された位置偏差しきい値より大きい場合、あるい
は速度偏差が予め設定された速度偏差しきい値より大き
い場合、該当軸（ｘ軸，ｙ軸あるいはｚ軸）を制御が必
要な軸と判断する。

【００３７】また、制御軸選定器２は、姿勢偏差が予め
設定された姿勢偏差しきい値より大きい場合、あるいは
角速度偏差が予め設定された角速度偏差しきい値より大
きい場合、該当軸（ロール軸，ピッチ軸あるいはヨー
軸）を制御が必要な軸と判断する。

【００３８】そして、制御軸選定器２は、制御が必要と
判断した軸についてのみ制御軸偏差信号２０を出力す
る。つまり、制御軸選定器２は、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸
について制御が必要と判断した場合、その軸の位置偏差
および速度偏差を示す制御軸偏差信号２０を出力する。

【００３９】また、制御軸選定器２は、ロール軸、ピッ
チ軸またはヨー軸について制御が必要と判断した場合、
その軸の姿勢偏差および角速度偏差を示す制御軸偏差信
号２０を出力する。なお、上述した偏差が偏差しきい値
以下で、制御が不要と判断された軸については、制御軸
偏差信号２０中の対応する偏差が０となっている。

【００４０】このように、本実施の形態では、６自由度
制御器１に制御軸の選定機能を持つ制御軸選定器２を導
入することにより、偏差に応じた適応的な制御軸の選択
を実現することができる。また、制御軸偏差信号２０に
基づいて動作する制御出力算出器３の計算量を低減化す
ることができる。その結果、現状の宇宙機における搭載
機器の制約に対しても対応可能となる。

【００４１】［実施の形態の３］次に、６自由度制御器
１内の制御出力算出器３の１例について説明する。制御
出力算出器３は、スラスタ制御を実施すべき制御域とス
ラスタ制御を実施すべきでない不制御域とが予め設定さ
れた位置偏差−速度偏差空間上あるいは姿勢偏差−角速
度偏差空間上において、制御軸偏差信号２０中の位置偏
差と速度偏差、あるいは姿勢偏差と角速度偏差で表され
る６自由度宇宙機５の状態が制御域と不制御域のどちら
に属するかを軸方向ごとに判断し、６自由度宇宙機５の
状態が制御域に属する軸方向についてのみ制御軸偏差信
号２０に基づいて軸制御信号２１を算出する。

【００４２】本実施の形態において、制御出力算出器３
には、位置偏差ｌと速度偏差ｖを互いに直交する座標軸
とする２次元の位置偏差−速度偏差空間、および姿勢偏
差ｕと角速度偏差ωを互いに直交する座標軸とする２次
元の姿勢偏差−角速度偏差空間が設定されている。

【００４３】図３（ａ）は位置偏差−速度偏差空間を示
す図、図３（ｂ）は姿勢偏差−角速度偏差空間を示す図
である。位置偏差−速度偏差空間は、位置３軸、すなわ
ちｘ軸，ｙ軸，ｚ軸のそれぞれについて設定され、姿勢
偏差−角速度偏差空間は、姿勢３軸、すなわちロール
軸，ピッチ軸，ヨー軸のそれぞれについて設定される。

【００４４】図３（ａ）の斜線で示す不制御域は、６自
由度宇宙機５の制御仕様によって規定される最大位置偏
差ｌｅならびに最大速度偏差ｖｅから設定されるもの
で、点Ａ（ｌｅ，０）、点Ｂ（ｌｅ，−ｖｅ）、点Ｃ
（−ｌｅ，０）、点Ｄ（−ｌｅ，ｖｅ）を直線で結んだ
領域の内側である。図３（ａ）の位置偏差−速度偏差空
間において、不制御領域以外の領域が制御域となる。

【００４５】同様に、図３（ｂ）の斜線で示す不制御域
は、６自由度宇宙機５の制御仕様によって規定される最
大姿勢偏差ｕｅならびに最大角速度偏差ωｅから設定さ
れるもので、点Ａ（ｕｅ，０）、点Ｂ（ｕｅ，−ω
ｅ）、点Ｃ（−ｕｅ，０）、点Ｄ（−ｕｅ，ωｅ）を直
線で結んだ領域の内側である。図３（ｂ）の姿勢偏差−
角速度偏差空間において、不制御領域以外の領域が制御
域となる。

【００４６】一般に、６自由度宇宙機５の位置３軸およ
び姿勢３軸の制御に用いるスラスタ１１−１〜１１−ｎ
は、スラスタ弁のオンまたはオフという非線形制御しか
行うことができない。このため、６自由度宇宙機５の状
態として検出される位置偏差／速度偏差ならびに姿勢偏
差／角速度偏差を示す制御軸偏差信号２０に対して適当
な不感帯を設けて軸制御信号２１を出力しないと、スラ
スタ１１−１〜１１−ｎが常に動作し、燃料を無駄に消
費してしまう。

【００４７】また、６自由度宇宙機５が柔軟構造を有す
る場合には、スラスタ１１−１〜１１−ｎの度重なる噴
射により６自由度宇宙機５に振動が発生する可能性が高
くなり、６自由度宇宙機５の位置および姿勢が不安定と
なる。したがって、６自由度宇宙機５の位置および姿勢
を安定させるために、スラスタ１１−１〜１１−ｎを再
度動作させることになるので、スラスタ１１−１〜１１
−ｎの燃料消費がより一層進む結果となる。

【００４８】そこで、本実施の形態では、６自由度宇宙
機５のユーザが要求する制御仕様に基づいて、図３
（ａ）のような位置偏差−速度偏差空間上あるいは図３
（ｂ）のような姿勢偏差−角速度偏差空間上に不制御域
を設定し、この不制御域をスラスタ制御の不感帯域とす
る。

【００４９】この不制御域は、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸に対応
する３つの位置偏差−速度偏差空間上にそれぞれ設定さ
れると共に、ロール軸，ピッチ軸，ヨー軸に対応する３
つの姿勢偏差−角速度偏差空間上にそれぞれ設定され
る。ここで、６自由度宇宙機５の各軸方向に関する現在
の状態は、制御軸選定器２から出力された制御軸偏差信
号２０によって表される。

【００５０】そして、この各軸方向に関する状態は、該
当軸に対応した位置偏差−速度偏差空間あるいは姿勢偏
差−角速度偏差空間上の１点を指す。例えば、軸偏差信
号２０が示すｘ軸についての位置偏差および速度偏差
は、ｘ軸に対応した位置偏差−速度偏差空間上の１点を
指し、ロール軸についての姿勢偏差および角速度偏差
は、ロール軸に対応した姿勢偏差−角速度偏差空間上の
１点を指す。

【００５１】制御出力算出器３は、制御軸偏差信号２０
によって表される６自由度宇宙機５の現在の状態が位置
偏差−速度偏差空間上若しくは姿勢偏差−角速度偏差空
間上の制御域にあるか不制御域にあるかを、各軸ごとに
判断する。

【００５２】そして、制御出力算出器３は、６自由度宇
宙機５の状態が制御域に属する軸方向についてのみ該当
軸の制御軸偏差信号２０に基づいて軸制御信号（操作
量）２１を算出する。よって、６自由度宇宙機５の状態
が不制御域に属する軸方向については、軸制御信号２１
の算出は実施されない。

【００５３】例えば、制御軸選定器２において制御が必
要な軸としてｚ軸が選定され、制御軸偏差信号２０が示
すｚ軸についての位置偏差および速度偏差がｚ軸に対応
した位置偏差−速度偏差空間上の制御域内の１点を指す
場合、制御出力算出器３は、ｚ軸をスラスタ制御すべき
軸と判断して、軸偏差信号２０が示すｚ軸についての位
置偏差および速度偏差からｚ軸に関する軸制御信号２１
を算出する。

【００５４】同様に、制御軸選定器２において制御が必
要な軸としてロール軸が選定され、制御軸偏差信号２０
が示すロール軸についての姿勢偏差および角速度偏差が
ロール軸に対応した姿勢偏差−角速度偏差空間上の制御
域内の１点を指す場合、制御出力算出器３は、ロール軸
をスラスタ制御すべき軸と判断して、軸偏差信号２０が
示すロール軸についての姿勢偏差および角速度偏差から
ロール軸に関する軸制御信号２１を算出する。

【００５５】したがって、図３（ａ）のような位置偏差
−速度偏差空間上の不制御域あるいは図３（ｂ）のよう
な姿勢偏差−角速度偏差空間上の不制御域を６自由度宇
宙機５の柔軟構造特性やスラスタ燃料消費量を考慮して
設定することにより、６自由度宇宙機５の位置および姿
勢精度の向上とスラスタ１１−１〜１１−ｎの燃料消費
の最小化とを同時に実現することが容易となる。

【００５６】［実施の形態の４］次に、６自由度制御器
１内の制御軸順序決定器４の１例について説明する。制
御軸順序決定器４は、６自由度宇宙機５の軸方向ごとに
予め設定された優先順位を示す重み付け値と制御軸偏差
信号２０が示す偏差とを対応する軸方向ごとに乗算し、
この乗算結果に基づいて６自由度宇宙機５の各軸方向の
制御順序を決定し、軸単位の軸制御信号２１を決定した
順序でスラスタ制御信号２２として出力する。

【００５７】本実施の形態では、６自由度宇宙機５の位
置３軸、姿勢３軸の重み付け値をｚ軸並進が６、ｘ軸回
転（ロール軸）が５、ｙ軸回転（ピッチ軸）が４、ｘ軸
並進が３、ｙ軸並進が２、ｚ軸回転（ヨー軸）が１とす
る。なお、ここでは、重み付け値が大きい方がスラスタ
制御の優先順位が高いものとする。

【００５８】また、本実施の形態では、制御軸偏差信号
２０が示す制御が必要な軸、すなわち制御軸選定器２に
よって選定された軸をｘ軸，ｙ軸，ｚ軸とする。ここ
で、ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の偏差率をそれぞれｘｅ，ｙｅ，
ｚｅとすると、偏差率ｘｅ，ｙｅ，ｚｅは次式によって
得られる。

【００５９】 ｘｅ＝｜ｌｘ／ｌｃｘ｜＋｜ｖｘ／ｖｃｘ｜ ・・・（１） ｙｅ＝｜ｌｙ／ｌｃｙ｜＋｜ｖｙ／ｖｃｙ｜ ・・・（２） ｚｅ＝｜ｌｚ／ｌｃｚ｜＋｜ｖｚ／ｖｃｚ｜ ・・・（３）

【００６０】式（１）〜式（３）において、ｌｘ，ｌ
ｙ，ｌｚは制御軸偏差信号２０が示すｘ軸，ｙ軸，ｚ軸
についての位置偏差、ｖｘ，ｖｙ，ｖｚは制御軸偏差信
号２０が示すｘ軸，ｙ軸，ｚ軸についての速度偏差、ｌ
ｃｘ，ｌｃｙ，ｌｃｚは６自由度宇宙機５の制御仕様で
要求されるｘ軸，ｙ軸，ｚ軸についての位置偏差、ｖｃ
ｘ，ｖｃｙ，ｖｃｚは制御仕様で要求されるｘ軸，ｙ
軸，ｚ軸についての速度偏差である。

【００６１】また、ロール軸，ピッチ軸，ヨー軸の偏差
率をそれぞれｒｅ，ｐｅ，ａｅとすると、偏差率ｒｅ，
ｐｅ，ａｅは次式によって得られる。 ｒｅ＝｜ｕｒ／ｕｃｒ｜＋｜ωｒ／ωｃｒ｜ ・・・（４） ｐｅ＝｜ｕｐ／ｕｃｐ｜＋｜ωｐ／ωｃｐ｜ ・・・（５） ａｅ＝｜ｕａ／ｕｃａ｜＋｜ωａ／ωｃａ｜ ・・・（６）

【００６２】式（４）〜式（６）において、ｕｒ，ｕ
ｐ，ｕａは制御軸偏差信号２０が示すロール軸，ピッチ
軸，ヨー軸についての姿勢偏差、ωｒ，ωｐ，ωａは制
御軸偏差信号２０が示すロール軸，ピッチ軸，ヨー軸に
ついての角速度偏差、ｕｃｒ，ｕｃｐ，ｕｃａは制御仕
様で要求されるロール軸，ピッチ軸，ヨー軸についての
姿勢偏差、ωｃｒ，ωｃｐ，ωｃａは制御仕様で要求さ
れるロール軸，ピッチ軸，ヨー軸についての角速度偏差
である。

【００６３】このように、偏差率ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ，ｒ
ｅ，ｐｅ，ａｅは、制御仕様に対する軸偏差の割合量を
示す。そして、制御軸順序決定器４は、上述した重み付
け値と偏差率ｘｅ，ｙｅ，ｚｅ，ｒｅ，ｐｅ，ａｅとを
対応する軸ごとに乗算した値を最終的な重み付け値とす
る。

【００６４】本実施の形態では、制御軸選定器２によっ
て選定された軸がｘ軸，ｙ軸，ｚ軸なので、それ以外の
ロール軸，ピッチ軸，ヨー軸について制御軸偏差信号２
０が示す偏差（姿勢偏差および角速度偏差）は全て０で
ある。したがって、６自由度宇宙機５の位置３軸、姿勢
３軸の最終的な重み付け値は、ｚ軸並進が６ｚｅ、ｘ軸
並進が３ｘｅ、ｙ軸並進が２ｙｅ、ｘ軸回転（ロール
軸）が０、ｙ軸回転（ピッチ軸）が０、ｚ軸回転（ヨー
軸）が０となる。

【００６５】制御軸順序決定器４は、算出した各重み付
け値が示す優先順位に応じて６自由度宇宙機５の各軸の
制御順序を決定する。本実施の形態では、ｚ軸、ｘ軸、
ｙ軸、ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸の順となる（ただ
し、６ｚｅ＞３ｘｅ＞２ｙｅの場合）。

【００６６】そして、制御軸順序決定器４は、軸単位の
軸制御信号２１を決定した順序でスラスタ制御信号２２
として出力する。つまり、ｚ軸に関する軸制御信号２１
がスラスタ制御信号２２として最初に出力され、続いて
ｘ軸に関する軸制御信号２１、ｙ軸に関する軸制御信号
２１が順次出力される。

【００６７】ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸については、
制御軸偏差信号２０が示す偏差が０であり、軸制御信号
２１が示す操作量も０なので、スラスタ制御信号２２も
０である（あるいは、スラスタ制御信号の出力が行われ
ない）。以上のように、制御軸順序決定器４を設けるこ
とにより、目標値に対する偏差が大きくかつ優先順位の
高い軸が積極的に制御されることとなり、６自由度宇宙
機５の全体性能を向上させることができる。

【００６８】なお、式（１）〜式（６）において、偏差
の代わりに偏差率を使用しているのは、位置偏差、速度
偏差、姿勢偏差、角速度偏差の単位を統一して、優先順
位を判断するためである。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、位置／速度検出器、目
標位置／速度発生器、姿勢／角速度検出器、目標姿勢／
角速度発生器および６自由度制御器を設け、６自由度制
御器を制御軸選定器、制御出力算出器および制御軸順序
決定器から構成することにより、６自由度宇宙機の位置
偏差、速度偏差、姿勢偏差および角速度偏差に基づいて
スラスタ制御信号を生成し、６自由度宇宙機の位置制御
および姿勢制御を行うため、宇宙機の速度／角速度に関
する情報を利用しない従来の６自由度制御装置と比べ
て、６自由度宇宙機の位置制御および姿勢制御を高精度
化することができる。また、各軸ごとに制御が必要かど
うかを位置偏差、速度偏差、姿勢偏差および角速度偏差
から評価し、さらに各軸方向の制御順序を適応的に変化
させながら６自由度宇宙機の位置および姿勢を効率よく
制御することができるので、６自由度宇宙機の位置精度
および姿勢精度の高精度化と同時に、スラスタの燃料消
費を抑えることができる。また、６自由度宇宙機の各軸
方向ごとにスラスタ制御信号を発生するため、従来の６
自由度宇宙機ですでに使用されている６軸制御用のスラ
スタモジュレータをそのまま適用することができ、本発
明の６自由度制御装置を用いた宇宙機を容易に実現する
ことができる。

【００７０】また、制御軸選定器が、位置／速度検出器
の出力と目標位置／速度発生器の出力との偏差若しくは
姿勢／角速度検出器の出力と目標姿勢／角速度発生器の
出力との偏差を６自由度宇宙機の軸方向ごとに算出し、
算出した位置偏差、速度偏差、姿勢偏差、角速度偏差を
予め設定された各偏差しきい値と比較し、偏差しきい値
より大きな偏差が検出された６自由度宇宙機の軸方向に
ついてのみ偏差を示す制御軸偏差信号を出力することに
より、偏差の大きさに応じた適応的な制御軸の選択を実
現することができるので、スラスタの無駄な燃料消費を
抑えることができる。また、制御軸偏差信号に基づいて
動作する制御出力算出器の計算量を低減化することがで
きる。

【００７１】また、制御出力算出器が、スラスタ制御を
実施すべき制御域とスラスタ制御を実施すべきでない不
制御域とがあらかじめ設定された位置偏差−速度偏差空
間上あるいは姿勢偏差−角速度偏差空間上において、制
御軸偏差信号中の位置偏差と速度偏差、あるいは姿勢偏
差と角速度偏差で表される６自由度宇宙機の状態が制御
域と不制御域のどちらに属するかを６自由度宇宙機の軸
方向ごとに判断し、６自由度宇宙機の状態が制御域に属
する軸方向についてのみ制御軸偏差信号に基づいて軸制
御信号を算出することにより、スラスタの度重なる噴射
を抑えることができるので、６自由度宇宙機の位置精度
および姿勢精度を向上させることができると同時に、ス
ラスタの燃料消費を抑えることができる。

【００７２】また、位置偏差−速度偏差空間上あるいは
姿勢偏差−角速度偏差空間上の不制御域を、６自由度宇
宙機の構造やスラスタ燃料消費量に応じて設定すること
により、６自由度宇宙機の振動発生を防止すると共に、
スラスタの無駄な燃料消費を抑えることができる。

【００７３】また、制御軸順序決定器が、６自由度宇宙
機の軸方向ごとに予め設定された優先順位を示す重み付
け値と制御軸偏差信号が示す偏差とを対応する軸方向ご
とに乗算し、この乗算結果に基づいて６自由度宇宙機の
各軸方向の制御順序を決定し、軸単位の軸制御信号を決
定した順序でスラスタ制御信号として出力することによ
り、目標値に対する偏差が大きくかつ優先順位の高い軸
方向に関して優先的に制御することになるので、６自由
度宇宙機の位置精度および姿勢精度を向上させることが
でき、６自由度宇宙機の全体性能を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態となる宇宙機の６
自由度制御装置の構成を示すブロック図である。

【図２】 宇宙機の位置３軸および姿勢３軸を示す図で
ある。

【図３】 位置偏差−速度偏差空間および姿勢偏差−角
速度偏差空間を示す図である。

【図４】 宇宙機の従来の６自由度制御装置の構成を示
すブロック図である。

【符号の説明】

１…６自由度制御器、２…制御軸選定器、３…制御出力
算出器、４…制御軸順序決定器、５…６自由度宇宙機、
６…位置／速度検出器、７…姿勢／角速度検出器、８…
目標位置／速度発生器、９…目標姿勢／角速度発生器、
１０…スラスタモジュレータ、１１−１〜１１−ｎ…ス
ラスタ、１６…位置／速度検出信号、１７…姿勢／角速
度検出信号、１８…位置／速度目標信号、１９…姿勢／
角速度目標信号、２０…制御軸偏差信号、２１…軸制御
信号、２２…スラスタ制御信号、ｌ…位置偏差、ｖ…速
度偏差、ｕ…姿勢偏差、ω…角速度偏差。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のスラスタと、スラスタ制御信号に
   基づいてスラスタを選択的に噴射させるスラスタモジュ
   レータとを備え、複数のスラスタを噴射させることによ
   り宇宙機の位置３軸、姿勢３軸を制御する宇宙機の６自
   由度制御装置において、 前記６自由度宇宙機の位置および速度を検出する位置／
   速度検出器と、 前記６自由度宇宙機の位置および速度の目標値を発生す
   る目標位置／速度発生器と、 前記６自由度宇宙機の姿勢および角速度を検出する姿勢
   ／角速度検出器と、 前記６自由度宇宙機の姿勢および角速度の目標値を発生
   する目標姿勢／角速度発生器と、 前記スラスタモジュレータに対してスラスタ制御信号を
   出力する６自由度制御器とを備え、 この６自由度制御器は、前記位置／速度検出器の出力と
   目標位置／速度発生器の出力との偏差若しくは前記姿勢
   ／角速度検出器の出力と目標姿勢／角速度発生器の出力
   との偏差に基づいて、制御が必要な６自由度宇宙機の軸
   方向を選定し、制御が必要な軸方向についてのみ制御軸
   偏差信号を出力する制御軸選定器と、 前記制御軸偏差信号が示す偏差に基づいてスラスタ制御
   を実施すべきか否かを６自由度宇宙機の軸方向ごとに判
   断し、スラスタ制御を実施すべきと判断した軸方向につ
   いてのみ前記制御軸偏差信号から位置制御および姿勢制
   御に関する軸制御信号を算出する制御出力算出器と、 前記６自由度宇宙機の位置３軸、姿勢３軸について予め
   設定された優先順位と前記制御軸偏差信号が示す偏差に
   基づいて、６自由度宇宙機の各軸方向の制御順序を決定
   し、軸単位の前記軸制御信号を決定した順序で前記スラ
   スタ制御信号として出力する制御軸順序決定器とからな
   ることを特徴とする宇宙機の６自由度制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の宇宙機の６自由度制御装
   置において、 前記制御軸選定器は、前記位置／速度検出器の出力と目
   標位置／速度発生器の出力との偏差若しくは前記姿勢／
   角速度検出器の出力と目標姿勢／角速度発生器の出力と
   の偏差を６自由度宇宙機の軸方向ごとに算出し、算出し
   た位置偏差、速度偏差、姿勢偏差、角速度偏差を予め設
   定された各偏差しきい値と比較し、偏差しきい値より大
   きな偏差が検出された前記６自由度宇宙機の軸方向につ
   いてのみ前記偏差を示す制御軸偏差信号を出力すること
   を特徴とする宇宙機の６自由度制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の宇宙機の６自由度制御装
   置において、 前記制御出力算出器は、スラスタ制御を実施すべき制御
   域とスラスタ制御を実施すべきでない不制御域とがあら
   かじめ設定された位置偏差−速度偏差空間上あるいは姿
   勢偏差−角速度偏差空間上において、前記制御軸偏差信
   号中の位置偏差と速度偏差、あるいは姿勢偏差と角速度
   偏差で表される６自由度宇宙機の状態が前記制御域と不
   制御域のどちらに属するかを６自由度宇宙機の軸方向ご
   とに判断し、６自由度宇宙機の状態が前記制御域に属す
   る軸方向についてのみ前記制御軸偏差信号に基づいて軸
   制御信号を算出することを特徴とする宇宙機の６自由度
   制御装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の宇宙機の６自由度制御装
   置において、 前記位置偏差−速度偏差空間上あるいは姿勢偏差−角速
   度偏差空間上の不制御域は、６自由度宇宙機の構造やス
   ラスタ燃料消費量に応じて設定されることを特徴とする
   宇宙機の６自由度制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の宇宙機の６自由度制御装
   置において、 前記制御軸順序決定器は、前記６自由度宇宙機の軸方向
   ごとに予め設定された優先順位を示す重み付け値と前記
   制御軸偏差信号が示す偏差とを対応する軸方向ごとに乗
   算し、この乗算結果に基づいて６自由度宇宙機の各軸方
   向の制御順序を決定し、軸単位の前記軸制御信号を決定
   した順序で前記スラスタ制御信号として出力することを
   特徴とする宇宙機の６自由度制御装置。