宇宙機運動シミュレータ
【課題】宇宙機の広帯域に亘る軌道運動を高精度に模擬する宇宙機運動シミュレータを得る。
【解決手段】宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備え、宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させる加振装置と、駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、を備える。
【解決手段】宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備え、宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させる加振装置と、駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙機の軌道運動を地上で模擬するための宇宙機運動シミュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙機の軌道上でのダイナミクスを地上で模擬するための装置は、アッパープレートとベースプレートを６つの２リンクアームによって結合し、ベースプレートと２リンクアームとの各結合部分にそれぞれ回転型アクチュエータを装着し、各回転型アクチュエータを駆動することによってアッパープレートの位置と姿勢を自由に変更することを可能とする宇宙機支持機構と、アッパープレート上の宇宙機ダイナミクスモデルに加わる６自由度の力を検出する力検出器をもとに各回転型アクチュエータへの指令を生成する宇宙機支持機構制御器を具備することにより、宇宙機の軌道上ダイナミクスを６自由度全てに対して模擬試験を実施することを可能とするものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１８７１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、宇宙機の軌道運動を地上で模擬し、評価試験を行うための宇宙機運動シミュレータにおいて、宇宙機の６自由度運動を実現するため、３軸並進方向の可動部材と３軸周りの回転用モータを必要とする。その結果、各モータを駆動した際に、モータ駆動に起因する外乱の発生により、実際の宇宙機には無い力／トルクが付加され、模擬すべき運動とは厳密に異なる運動となってしまうという問題点がある。
また、近年、宇宙機ミッションの高度化に伴い、高い指向安定度の要求が高まっており、これまで無視できていた各搭載機器に起因する高周波の微小振動の影響が無視できなくなり、従来の構成では宇宙機の軌道運動の模擬精度が低いという問題点がある。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、宇宙機の広帯域に亘る軌道運動を高精度に模擬する宇宙機運動シミュレータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、上記駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備える宇宙機運動シミュレータにおいて、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させるスチュワートプラットフォーム機構の加振装置と、上記駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに上記加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る宇宙機運動シミュレータは、運動分離部にて駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の推定を行い、推定した外乱を加振装置で積極的に除去すると同時に、加振装置の駆動により各搭載機器に起因する高周波の微小振動を模擬することができるため、宇宙機の広帯域における軌道運動を高精度に模擬することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
【図２】加振装置をスチュワートプラットフォーム機構としたときの構成図である。
【図３】周辺を含む図１の運動分離部の機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
【図５】周辺を含む図４の運動分離部の機能ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である
【図７】本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である
【図８】周辺を含む図７の運動分離部の機能ブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の宇宙機運動シミュレータの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体２を上に固定される定盤１と、宇宙機模擬構体２の上に設置されるとともに宇宙機の６自由度の軌道運動を模擬するための駆動観測機器３と、定盤１の上に固定された宇宙機模擬構体２の上に配置される加振装置２１と、を備える。
【００１０】
また、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータは、駆動観測機器３に起因する外乱の推定と加振装置２１による模擬擾乱の検出を行うとともに駆動観測機器３に起因する外乱と加振装置２１による模擬擾乱と観測機器駆動による運動の３つの運動を分離する運動分離部３２と、観測機器駆動による運動分の加速度成分を元に駆動観測機器３への指令信号を生成する観測機器駆動コントローラ３１と、外乱の推定値を元に駆動モータの外乱を積極的に打ち消すための指令値を生成するモータ外乱補償部３３と、生成した指令値に基づいて加振装置２１を加振する加振装置コントローラ３０と、を備える。
【００１１】
駆動観測機器３は、観測機器４と、観測機器４のピッチ軸周りの回転制御が可能な第一回転機構部５と、ロール軸周りの回転制御が可能な第二回転機構部６と、ヨー軸周りの回転制御が可能な第三回転機構部７と、水平方向の並進変位の制御を可能とする第一並進機構部８および第二並進機構部９と、垂直方向の変位を制御可能な第三並進機構部１０と、を備え、モータ駆動により並進３自由度と回転３自由度の運動を可能とする。
【００１２】
観測機器４は、宇宙機に望まれる固有のミッションを遂行するための機器であり、可視カメラや赤外カメラ、アンテナなどでもよい。
駆動観測機器３には、駆動観測機器３の検出器に近い位置に駆動観測機器用加速度センサユニット１１が設けられており、基本的には駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量を元に各軸のモータのフィードバック制御を行う。
駆動観測機器３の駆動により、観測機器４の観測対象物と宇宙機の相対位置および姿勢を地上で再現することができるため、静止軌道や地球周回軌道など軌道を限定することなく、様々な軌道上での宇宙機の運動を模擬することができる。
【００１３】
従来の例えば特許文献１のような宇宙機の６自由度運動を模擬する構成の場合、宇宙機モデル本体を駆動部材により支持し駆動させるため、数Ｈｚ〜１０数Ｈｚ程度の低周波数の運動に限定されていた。近年の宇宙機ミッションは、小型衛星や大型衛星問わず、高い指向安定度が要求されるようになっており、これまで問題にならなかったアンテナ、リアクションホイール、慣性基準装置などの各搭載機器の駆動により発生する微小振動（以下、擾乱という）の影響が無視できなくなってきている。これらの擾乱の周波数成分の多くは、１０数Ｈｚ以上の高周波である。
【００１４】
地上での軌道運動に関する評価試験装置においても、軌道上の宇宙機の運動を高精度に模擬する必要性が生じてきており、宇宙機の低周波の運動のみならず、宇宙機の各搭載機器から発生する高周波の擾乱による宇宙機の運動への影響も考慮する必要がある。
そのために、駆動観測機器３とは別に加振装置２１を、定盤１の上に固定された宇宙機模擬構体２の上に配置している。
【００１５】
図２は、加振装置２１をスチュワートプラットフォーム機構としたときの構成図を示す。
加振装置２１は、６自由度・複数周波数の加振力／トルクを発生することが可能な装置であり、スチュワートプラットフォーム機構型加振装置の場合、可動マス２１１と、６本のアクチュエータリンク２１２と、ベースプレート２１４と、から構成され、６本のアクチュエータリンク２１２を並列に組み合わせて可動マス２１１を支持する形をとる。
アクチュエータリンク２１２は、積層型の圧電素子をアクチュエータとした積層圧電アクチュエータと、積層圧電アクチュエータの両端に取付けられた多自由度の回転ジョイント２１３ａ、２１３ｂと、積層圧電アクチュエータに取り付けられた歪ゲージセンサと、から構成され、歪ゲージセンサからの歪データを用いたフィードバック制御により積層圧電アクチュエータの持つ非線形性とヒステリシスを排除する。
【００１６】
また、可動マス２１１に取り付けられた加振装置用加速度センサユニット２２により各自由度の加速度を検出し、加振装置用加速度センサユニット２２から検出された各自由度の加速度を元に、出力すべき加振力／トルクを算出し、加振装置２１に対する指令信号を加振装置コントローラ３０にて生成する。
この構成により、スチュワートプラットフォーム機構の最大の利点である高剛性且つ高精度な６自由度運動を実現することができるという特徴を生かし、宇宙機の各搭載機器から発生する６自由度で且つ複数の周波数の高周波の擾乱を高精度に模擬することができる。
尚、加振装置２１としてスチュワートプラットフォーム機構を適用したが、これに限らずに６自由度で且つ複数の周波数の高周波の振動を加振するものであれば良い。
【００１７】
加振装置２１の駆動によって発生した加振力／トルクは宇宙機模擬構体２を経由して駆動観測機器３に伝達され、駆動観測機器用加速度センサユニット１１にて加振装置２１に起因する６自由度の加速度が検出される。ここで、宇宙機模擬構体２はアルミなどの金属板をロの字型、もしくは中が空洞の箱型に加工したものである。宇宙機模擬構体１２の寸法と厚さに関しては、駆動観測機器３および加振装置２１が取り付けられる上面の金属板が、伝達させたい振動周波数で共振するモードが存在するように有限要素法解析を用いて設計を行う。設計条件としては、四辺固定の板の上に駆動観測機器３と加振装置２１の二つの荷重が加わった状態とする。駆動観測機器３と加振装置２１の配置の位置も有限要素法解析を用いることで、金属板の共振周波数が伝達させたい振動周波数となるように設計される。
この構成により、例えば観測機器４の検出器や光学系の主鏡、副鏡など宇宙機のミッション機器における擾乱の要求が厳しい部分の擾乱力／トルクの要求値、支配的な擾乱周波数が既知である場合は、その擾乱レベルを正確に模擬することができ、擾乱要求値の妥当性を実機で検証することができる。
【００１８】
駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量には、加振装置２１の駆動による加速度成分に加えて、加速度センサの持つセンサノイズやコギングトルクやトルクリップルなど駆動観測機器３の駆動モータに起因する外乱を含む可能性がある。
そこで、駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量からセンサノイズを除去し、センサノイズを除去後の加速度検出量から駆動モータに起因する外乱の推定と加振装置２１による模擬擾乱の検出を行い、駆動モータに起因する外乱と加振装置２１による模擬擾乱と観測機器駆動による運動の３つの運動を分離する運動分離部３２を備える。
【００１９】
図３は、周辺を含む運動分離部３２の機能ブロック図である。
まず、センサノイズ成分除去部３２１において、６自由度分の駆動観測機器用加速度センサユニット１１からの検出量にローパスフィルタによるフィルタリングを施して検出量から高周波成分を除去する。加速度成分検出部３２２において、センサノイズを除去した検出量から加速度成分を検出する。模擬擾乱検出部３２３において、加速度成分から加振装置２１による模擬擾乱を検出する。外乱推定部３２４において、加速度成分から駆動モータに起因する外乱を推定する。尚、模擬擾乱の検出と外乱の推定とを並列して行う。
【００２０】
模擬擾乱の検出においては、模擬する擾乱の周波数帯域に合わせたバンドパスフィルタを用いて模擬擾乱の加速度成分を検出する。従って、複数の周波数の擾乱を模擬する場合には、複数個のバンドパスフィルタを構築して各模擬する擾乱の周波数帯域のみの加速度成分を検出する。
駆動モータに起因する外乱の推定においては、外乱の周期が既知であれば模擬擾乱の検出と同様に、バンドパスフィルタを用いて駆動モータに起因する外乱の加速度成分を検出することができる。
一方、外乱の周期が未知の場合は、駆動モータのコギングトルクやトルクリップルなどは周期的な外乱となることが多いため、正弦波の重ね合わせと仮定し、外乱の周期と振幅を逐次同定させる。
【００２１】
そして、観測機器駆動運動検出部３２５において、加速度成分検出部３２２から出力される加速度成分から模擬擾乱検出部３２３で検出した模擬擾乱と外乱推定部３２４で推定したモータ外乱を差し引きしたものを観測機器駆動運動分の加速度成分とする。
観測機器駆動コントローラ３１において、観測機器駆動運動分の加速度成分を元に各観測機器駆動モータへの指令信号を生成する。
【００２２】
モータ外乱補償部３３において、外乱の推定値を元に駆動モータの外乱を積極的に打ち消すための指令値を生成し、生成した指令値を加振装置コントローラ３０に送る。
加振装置コントローラ３０は、指令値に基づいて加振装置２１を加振する。
【００２３】
このように運動分離部３２とモータ外乱補償部３３を備えた構成により、観測機器駆動モータに起因する外乱の積極的な除去と宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱の模擬とを同時に実現することができるので、宇宙機の運動模擬を高精度化することができる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。図５は、周辺を含む運動分離部３２の機能ブロック図である。
本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータに観測機器駆動評価用モニタ３４を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
観測機器駆動評価用モニタ３４は、観測機器駆動運動検出部３２５で検出された観測機器駆動運動の加速度成分と模擬擾乱検出部３２３で検出した模擬擾乱から、両者の運動をリアルタイムに表示する。
【００２５】
この観測機器駆動評価用モニタ３４を具備することにより、加振装置２１が模擬する擾乱力／トルクが宇宙機の指向方向にどのように影響するか、すなわち擾乱源から観測機器４の検出器までの伝達特性を定量的かつ視覚的に評価することができるという効果がある。
【００２６】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの観測機器４が観測カメラであるとともに観測カメラにより撮影される撮像対象物４１が除振台４０の上に設置され、且つ撮影カメラにより撮影された画像を処理する画像処理システム３５とその画像を表示する画像評価用モニタ３６を備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００２７】
観測機器４で撮影した画像は、画像処理システム３５で画像データの取り込みと解析が行われる。各種解析結果は、画像評価用モニタ３６に表示される。
このときの撮像対象物４１は地球表面を模擬した静止画、地球の自転や雲の動きなどを再現した動画、移動体を模擬した物体、移動体の運動を再現した動画、以上を組み合わせたものでもよい。
また、観測機器４を赤外観測機器とした場合、撮像対象物４１を地球表面の陸地、海または雲などを模擬した温度分布を持つプレートや、温度分布が時々刻々と変化するもの、熱源として温度を持つ物体であってもよい。
【００２８】
撮像対象物４１を宇宙機との相対運動も取り入れた動画とした場合は、駆動観測機器３の駆動モータの駆動は必要なく固定とすることができる。但し、撮像対象物４１の寸法および駆動観測機器３と撮像対象物４１との距離は、実際の軌道上の宇宙機とのスケーリングに基づいて計算されたものとする。
【００２９】
この構成によれば、宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱を考慮して高精度な軌道運動を模擬した状態で、観測機器４の撮影した画像を評価することができるため、例えば指向安定度や指向精度、撮像対象物４１のＳ／Ｎ比などを、取得画像を用いて定量的かつ視覚的に評価を行うことできるという効果がある。
【００３０】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。図８は、この発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部３２Ｂの機能ブロック図である。
本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータと運動分離部３２Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
本発明の実施の形態４に係る運動分離部３２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る運動分離部３２のセンサノイズ成分除去部３２１および加速度成分検出部３２２の代わりに画像加速度検出部３２６を有することが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００３１】
画像加速度検出部３２６は、画像処理システム３５で取得した画像と予定していた画像との差から、運動のずれ、すなわち駆動モータに起因する外乱の推定、および加速度成分の検出を行う。検出した加速度成分から、実施の形態１と同様に、模擬擾乱検出部３２３において加振装置２１による模擬擾乱の検出を行い、外乱推定部３２４において駆動モータに起因する外乱の推定を行う。
【００３２】
この構成によれば、観測カメラの撮像画像から駆動モータに起因する外乱の推定が可能となる周波数帯域に限り、駆動観測機器用加速度センサユニット１１を不要とすることができる。
【００３３】
実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部３２Ｃの機能ブロック図である。
本発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータと運動分離部３２Ｃが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
運動分離部３２Ｃの外乱推定部３２４Ｃは、支配的な擾乱レベルである自由度だけに対して、バンドパスフィルタを用いて駆動モータに起因する外乱の加速度成分を検出する。
そして、加振装置２１により支配的な擾乱レベルである自由度だけに対して駆動する。
【００３４】
擾乱源の特性上、支配的な擾乱レベルが数自由度のみであり、他の自由度における擾乱レベルは比較的無視できるので、自由度を縮退した分だけ加振装置コントローラ３０を簡素化することができ、推定における計算機の負荷を軽減させることができる。
【００３５】
実施の形態６．
実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータにおいて、加振装置２１による模擬擾乱の周波数成分と駆動モータに起因する外乱の周波数成分とが近似している場合、バンドパスフィルタを用いたフィルタ処理によって両者を分離できない場合が考えられる。そこで、加振装置２１の駆動を停止させて、駆動観測機器３の駆動モータのみ駆動させた状態で駆動観測機器用加速度センサユニット１１からの検出量を解析することにより、駆動モータに起因する外乱の振幅、周波数を把握することができる。
これにより、模擬擾乱の周波数成分と駆動モータに起因する外乱の周波数成分が近似していたとしても、両者の識別が可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 定盤、２ 宇宙機模擬構体、３ 駆動観測機器、４ 観測機器、５ 第一回転機構部、６ 第二回転機構部、７ 第三回転機構部、８ 第一並進機構部、９ 第二並進機構部、１０ 第三並進機構部、１１ 駆動観測機器用加速度センサユニット、１２ 宇宙機模擬構体、２１ 加振装置、２２ 加振装置用加速度センサユニット、３０ 加振装置コントローラ、３１ 観測機器駆動コントローラ、３２、３２Ｂ、３２Ｃ 運動分離部、３３ モータ外乱補償部、３４ 観測機器駆動評価用モニタ、３５ 画像処理システム、３６ 画像評価用モニタ、４０ 除振台、４１ 撮像対象物、２１１ 可動マス、２１２ アクチュエータリンク、２１３ａ、２１３ｂ 回転ジョイント、２１４ ベースプレート、３２１ センサノイズ成分除去部、３２２ 加速度成分検出部、３２３ 模擬擾乱検出部、３２４、３２４Ｃ 外乱推定部、３２５ 観測機器駆動運動検出部、３２６ 画像加速度検出部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、宇宙機の軌道運動を地上で模擬するための宇宙機運動シミュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
宇宙機の軌道上でのダイナミクスを地上で模擬するための装置は、アッパープレートとベースプレートを６つの２リンクアームによって結合し、ベースプレートと２リンクアームとの各結合部分にそれぞれ回転型アクチュエータを装着し、各回転型アクチュエータを駆動することによってアッパープレートの位置と姿勢を自由に変更することを可能とする宇宙機支持機構と、アッパープレート上の宇宙機ダイナミクスモデルに加わる６自由度の力を検出する力検出器をもとに各回転型アクチュエータへの指令を生成する宇宙機支持機構制御器を具備することにより、宇宙機の軌道上ダイナミクスを６自由度全てに対して模擬試験を実施することを可能とするものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１８７１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、宇宙機の軌道運動を地上で模擬し、評価試験を行うための宇宙機運動シミュレータにおいて、宇宙機の６自由度運動を実現するため、３軸並進方向の可動部材と３軸周りの回転用モータを必要とする。その結果、各モータを駆動した際に、モータ駆動に起因する外乱の発生により、実際の宇宙機には無い力／トルクが付加され、模擬すべき運動とは厳密に異なる運動となってしまうという問題点がある。
また、近年、宇宙機ミッションの高度化に伴い、高い指向安定度の要求が高まっており、これまで無視できていた各搭載機器に起因する高周波の微小振動の影響が無視できなくなり、従来の構成では宇宙機の軌道運動の模擬精度が低いという問題点がある。
【０００５】
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、宇宙機の広帯域に亘る軌道運動を高精度に模擬する宇宙機運動シミュレータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、上記駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備える宇宙機運動シミュレータにおいて、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させるスチュワートプラットフォーム機構の加振装置と、上記駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに上記加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る宇宙機運動シミュレータは、運動分離部にて駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の推定を行い、推定した外乱を加振装置で積極的に除去すると同時に、加振装置の駆動により各搭載機器に起因する高周波の微小振動を模擬することができるため、宇宙機の広帯域における軌道運動を高精度に模擬することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
【図２】加振装置をスチュワートプラットフォーム機構としたときの構成図である。
【図３】周辺を含む図１の運動分離部の機能ブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
【図５】周辺を含む図４の運動分離部の機能ブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である
【図７】本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である
【図８】周辺を含む図７の運動分離部の機能ブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の宇宙機運動シミュレータの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータは、宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体２を上に固定される定盤１と、宇宙機模擬構体２の上に設置されるとともに宇宙機の６自由度の軌道運動を模擬するための駆動観測機器３と、定盤１の上に固定された宇宙機模擬構体２の上に配置される加振装置２１と、を備える。
【００１０】
また、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータは、駆動観測機器３に起因する外乱の推定と加振装置２１による模擬擾乱の検出を行うとともに駆動観測機器３に起因する外乱と加振装置２１による模擬擾乱と観測機器駆動による運動の３つの運動を分離する運動分離部３２と、観測機器駆動による運動分の加速度成分を元に駆動観測機器３への指令信号を生成する観測機器駆動コントローラ３１と、外乱の推定値を元に駆動モータの外乱を積極的に打ち消すための指令値を生成するモータ外乱補償部３３と、生成した指令値に基づいて加振装置２１を加振する加振装置コントローラ３０と、を備える。
【００１１】
駆動観測機器３は、観測機器４と、観測機器４のピッチ軸周りの回転制御が可能な第一回転機構部５と、ロール軸周りの回転制御が可能な第二回転機構部６と、ヨー軸周りの回転制御が可能な第三回転機構部７と、水平方向の並進変位の制御を可能とする第一並進機構部８および第二並進機構部９と、垂直方向の変位を制御可能な第三並進機構部１０と、を備え、モータ駆動により並進３自由度と回転３自由度の運動を可能とする。
【００１２】
観測機器４は、宇宙機に望まれる固有のミッションを遂行するための機器であり、可視カメラや赤外カメラ、アンテナなどでもよい。
駆動観測機器３には、駆動観測機器３の検出器に近い位置に駆動観測機器用加速度センサユニット１１が設けられており、基本的には駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量を元に各軸のモータのフィードバック制御を行う。
駆動観測機器３の駆動により、観測機器４の観測対象物と宇宙機の相対位置および姿勢を地上で再現することができるため、静止軌道や地球周回軌道など軌道を限定することなく、様々な軌道上での宇宙機の運動を模擬することができる。
【００１３】
従来の例えば特許文献１のような宇宙機の６自由度運動を模擬する構成の場合、宇宙機モデル本体を駆動部材により支持し駆動させるため、数Ｈｚ〜１０数Ｈｚ程度の低周波数の運動に限定されていた。近年の宇宙機ミッションは、小型衛星や大型衛星問わず、高い指向安定度が要求されるようになっており、これまで問題にならなかったアンテナ、リアクションホイール、慣性基準装置などの各搭載機器の駆動により発生する微小振動（以下、擾乱という）の影響が無視できなくなってきている。これらの擾乱の周波数成分の多くは、１０数Ｈｚ以上の高周波である。
【００１４】
地上での軌道運動に関する評価試験装置においても、軌道上の宇宙機の運動を高精度に模擬する必要性が生じてきており、宇宙機の低周波の運動のみならず、宇宙機の各搭載機器から発生する高周波の擾乱による宇宙機の運動への影響も考慮する必要がある。
そのために、駆動観測機器３とは別に加振装置２１を、定盤１の上に固定された宇宙機模擬構体２の上に配置している。
【００１５】
図２は、加振装置２１をスチュワートプラットフォーム機構としたときの構成図を示す。
加振装置２１は、６自由度・複数周波数の加振力／トルクを発生することが可能な装置であり、スチュワートプラットフォーム機構型加振装置の場合、可動マス２１１と、６本のアクチュエータリンク２１２と、ベースプレート２１４と、から構成され、６本のアクチュエータリンク２１２を並列に組み合わせて可動マス２１１を支持する形をとる。
アクチュエータリンク２１２は、積層型の圧電素子をアクチュエータとした積層圧電アクチュエータと、積層圧電アクチュエータの両端に取付けられた多自由度の回転ジョイント２１３ａ、２１３ｂと、積層圧電アクチュエータに取り付けられた歪ゲージセンサと、から構成され、歪ゲージセンサからの歪データを用いたフィードバック制御により積層圧電アクチュエータの持つ非線形性とヒステリシスを排除する。
【００１６】
また、可動マス２１１に取り付けられた加振装置用加速度センサユニット２２により各自由度の加速度を検出し、加振装置用加速度センサユニット２２から検出された各自由度の加速度を元に、出力すべき加振力／トルクを算出し、加振装置２１に対する指令信号を加振装置コントローラ３０にて生成する。
この構成により、スチュワートプラットフォーム機構の最大の利点である高剛性且つ高精度な６自由度運動を実現することができるという特徴を生かし、宇宙機の各搭載機器から発生する６自由度で且つ複数の周波数の高周波の擾乱を高精度に模擬することができる。
尚、加振装置２１としてスチュワートプラットフォーム機構を適用したが、これに限らずに６自由度で且つ複数の周波数の高周波の振動を加振するものであれば良い。
【００１７】
加振装置２１の駆動によって発生した加振力／トルクは宇宙機模擬構体２を経由して駆動観測機器３に伝達され、駆動観測機器用加速度センサユニット１１にて加振装置２１に起因する６自由度の加速度が検出される。ここで、宇宙機模擬構体２はアルミなどの金属板をロの字型、もしくは中が空洞の箱型に加工したものである。宇宙機模擬構体１２の寸法と厚さに関しては、駆動観測機器３および加振装置２１が取り付けられる上面の金属板が、伝達させたい振動周波数で共振するモードが存在するように有限要素法解析を用いて設計を行う。設計条件としては、四辺固定の板の上に駆動観測機器３と加振装置２１の二つの荷重が加わった状態とする。駆動観測機器３と加振装置２１の配置の位置も有限要素法解析を用いることで、金属板の共振周波数が伝達させたい振動周波数となるように設計される。
この構成により、例えば観測機器４の検出器や光学系の主鏡、副鏡など宇宙機のミッション機器における擾乱の要求が厳しい部分の擾乱力／トルクの要求値、支配的な擾乱周波数が既知である場合は、その擾乱レベルを正確に模擬することができ、擾乱要求値の妥当性を実機で検証することができる。
【００１８】
駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量には、加振装置２１の駆動による加速度成分に加えて、加速度センサの持つセンサノイズやコギングトルクやトルクリップルなど駆動観測機器３の駆動モータに起因する外乱を含む可能性がある。
そこで、駆動観測機器用加速度センサユニット１１の検出量からセンサノイズを除去し、センサノイズを除去後の加速度検出量から駆動モータに起因する外乱の推定と加振装置２１による模擬擾乱の検出を行い、駆動モータに起因する外乱と加振装置２１による模擬擾乱と観測機器駆動による運動の３つの運動を分離する運動分離部３２を備える。
【００１９】
図３は、周辺を含む運動分離部３２の機能ブロック図である。
まず、センサノイズ成分除去部３２１において、６自由度分の駆動観測機器用加速度センサユニット１１からの検出量にローパスフィルタによるフィルタリングを施して検出量から高周波成分を除去する。加速度成分検出部３２２において、センサノイズを除去した検出量から加速度成分を検出する。模擬擾乱検出部３２３において、加速度成分から加振装置２１による模擬擾乱を検出する。外乱推定部３２４において、加速度成分から駆動モータに起因する外乱を推定する。尚、模擬擾乱の検出と外乱の推定とを並列して行う。
【００２０】
模擬擾乱の検出においては、模擬する擾乱の周波数帯域に合わせたバンドパスフィルタを用いて模擬擾乱の加速度成分を検出する。従って、複数の周波数の擾乱を模擬する場合には、複数個のバンドパスフィルタを構築して各模擬する擾乱の周波数帯域のみの加速度成分を検出する。
駆動モータに起因する外乱の推定においては、外乱の周期が既知であれば模擬擾乱の検出と同様に、バンドパスフィルタを用いて駆動モータに起因する外乱の加速度成分を検出することができる。
一方、外乱の周期が未知の場合は、駆動モータのコギングトルクやトルクリップルなどは周期的な外乱となることが多いため、正弦波の重ね合わせと仮定し、外乱の周期と振幅を逐次同定させる。
【００２１】
そして、観測機器駆動運動検出部３２５において、加速度成分検出部３２２から出力される加速度成分から模擬擾乱検出部３２３で検出した模擬擾乱と外乱推定部３２４で推定したモータ外乱を差し引きしたものを観測機器駆動運動分の加速度成分とする。
観測機器駆動コントローラ３１において、観測機器駆動運動分の加速度成分を元に各観測機器駆動モータへの指令信号を生成する。
【００２２】
モータ外乱補償部３３において、外乱の推定値を元に駆動モータの外乱を積極的に打ち消すための指令値を生成し、生成した指令値を加振装置コントローラ３０に送る。
加振装置コントローラ３０は、指令値に基づいて加振装置２１を加振する。
【００２３】
このように運動分離部３２とモータ外乱補償部３３を備えた構成により、観測機器駆動モータに起因する外乱の積極的な除去と宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱の模擬とを同時に実現することができるので、宇宙機の運動模擬を高精度化することができる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。図５は、周辺を含む運動分離部３２の機能ブロック図である。
本発明の実施の形態２に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータに観測機器駆動評価用モニタ３４を追加したことが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
観測機器駆動評価用モニタ３４は、観測機器駆動運動検出部３２５で検出された観測機器駆動運動の加速度成分と模擬擾乱検出部３２３で検出した模擬擾乱から、両者の運動をリアルタイムに表示する。
【００２５】
この観測機器駆動評価用モニタ３４を具備することにより、加振装置２１が模擬する擾乱力／トルクが宇宙機の指向方向にどのように影響するか、すなわち擾乱源から観測機器４の検出器までの伝達特性を定量的かつ視覚的に評価することができるという効果がある。
【００２６】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。
本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータの観測機器４が観測カメラであるとともに観測カメラにより撮影される撮像対象物４１が除振台４０の上に設置され、且つ撮影カメラにより撮影された画像を処理する画像処理システム３５とその画像を表示する画像評価用モニタ３６を備えることが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００２７】
観測機器４で撮影した画像は、画像処理システム３５で画像データの取り込みと解析が行われる。各種解析結果は、画像評価用モニタ３６に表示される。
このときの撮像対象物４１は地球表面を模擬した静止画、地球の自転や雲の動きなどを再現した動画、移動体を模擬した物体、移動体の運動を再現した動画、以上を組み合わせたものでもよい。
また、観測機器４を赤外観測機器とした場合、撮像対象物４１を地球表面の陸地、海または雲などを模擬した温度分布を持つプレートや、温度分布が時々刻々と変化するもの、熱源として温度を持つ物体であってもよい。
【００２８】
撮像対象物４１を宇宙機との相対運動も取り入れた動画とした場合は、駆動観測機器３の駆動モータの駆動は必要なく固定とすることができる。但し、撮像対象物４１の寸法および駆動観測機器３と撮像対象物４１との距離は、実際の軌道上の宇宙機とのスケーリングに基づいて計算されたものとする。
【００２９】
この構成によれば、宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱を考慮して高精度な軌道運動を模擬した状態で、観測機器４の撮影した画像を評価することができるため、例えば指向安定度や指向精度、撮像対象物４１のＳ／Ｎ比などを、取得画像を用いて定量的かつ視覚的に評価を行うことできるという効果がある。
【００３０】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの構成を示す図である。図８は、この発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部３２Ｂの機能ブロック図である。
本発明の実施の形態４に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態３に係る宇宙機運動シミュレータと運動分離部３２Ｂが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
本発明の実施の形態４に係る運動分離部３２Ｂは、本発明の実施の形態１に係る運動分離部３２のセンサノイズ成分除去部３２１および加速度成分検出部３２２の代わりに画像加速度検出部３２６を有することが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００３１】
画像加速度検出部３２６は、画像処理システム３５で取得した画像と予定していた画像との差から、運動のずれ、すなわち駆動モータに起因する外乱の推定、および加速度成分の検出を行う。検出した加速度成分から、実施の形態１と同様に、模擬擾乱検出部３２３において加振装置２１による模擬擾乱の検出を行い、外乱推定部３２４において駆動モータに起因する外乱の推定を行う。
【００３２】
この構成によれば、観測カメラの撮像画像から駆動モータに起因する外乱の推定が可能となる周波数帯域に限り、駆動観測機器用加速度センサユニット１１を不要とすることができる。
【００３３】
実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータの周辺を含む運動分離部３２Ｃの機能ブロック図である。
本発明の実施の形態５に係る宇宙機運動シミュレータは、本発明の実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータと運動分離部３２Ｃが異なり、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
運動分離部３２Ｃの外乱推定部３２４Ｃは、支配的な擾乱レベルである自由度だけに対して、バンドパスフィルタを用いて駆動モータに起因する外乱の加速度成分を検出する。
そして、加振装置２１により支配的な擾乱レベルである自由度だけに対して駆動する。
【００３４】
擾乱源の特性上、支配的な擾乱レベルが数自由度のみであり、他の自由度における擾乱レベルは比較的無視できるので、自由度を縮退した分だけ加振装置コントローラ３０を簡素化することができ、推定における計算機の負荷を軽減させることができる。
【００３５】
実施の形態６．
実施の形態１に係る宇宙機運動シミュレータにおいて、加振装置２１による模擬擾乱の周波数成分と駆動モータに起因する外乱の周波数成分とが近似している場合、バンドパスフィルタを用いたフィルタ処理によって両者を分離できない場合が考えられる。そこで、加振装置２１の駆動を停止させて、駆動観測機器３の駆動モータのみ駆動させた状態で駆動観測機器用加速度センサユニット１１からの検出量を解析することにより、駆動モータに起因する外乱の振幅、周波数を把握することができる。
これにより、模擬擾乱の周波数成分と駆動モータに起因する外乱の周波数成分が近似していたとしても、両者の識別が可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１ 定盤、２ 宇宙機模擬構体、３ 駆動観測機器、４ 観測機器、５ 第一回転機構部、６ 第二回転機構部、７ 第三回転機構部、８ 第一並進機構部、９ 第二並進機構部、１０ 第三並進機構部、１１ 駆動観測機器用加速度センサユニット、１２ 宇宙機模擬構体、２１ 加振装置、２２ 加振装置用加速度センサユニット、３０ 加振装置コントローラ、３１ 観測機器駆動コントローラ、３２、３２Ｂ、３２Ｃ 運動分離部、３３ モータ外乱補償部、３４ 観測機器駆動評価用モニタ、３５ 画像処理システム、３６ 画像評価用モニタ、４０ 除振台、４１ 撮像対象物、２１１ 可動マス、２１２ アクチュエータリンク、２１３ａ、２１３ｂ 回転ジョイント、２１４ ベースプレート、３２１ センサノイズ成分除去部、３２２ 加速度成分検出部、３２３ 模擬擾乱検出部、３２４、３２４Ｃ 外乱推定部、３２５ 観測機器駆動運動検出部、３２６ 画像加速度検出部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、上記駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備える宇宙機運動シミュレータにおいて、
該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させるスチュワートプラットフォーム機構の加振装置と、
上記駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに上記加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、
を備えることを特徴とする宇宙機運動シミュレータ。
【請求項２】
上記加振装置は、スチュワートプラットフォーム機構であることを特徴とする請求項１に記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項３】
上記観測機器の６自由度の運動と上記加振装置により模擬した擾乱力／トルクとを表示する観測機器駆動評価用モニタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項４】
上記運動分離部にて推定した上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱から、該外乱を打ち消すために上記加振装置をコントロールする指令値を生成するモータ外乱補償部を備え、
上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を打ち消すと同時に、宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱を模擬するように上記加振装置を駆動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項５】
上記観測機器は、観測カメラであり、
上記運動分離部は、上記観測カメラが撮像した画像と予定していた画像との差から上記駆動観測機器の加速度を検出する画像加速度検出部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項６】
上記運動分離部は、上記加振装置による模擬擾乱の周波数成分と上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の周波数成分とが近似している場合、上記加振装置の駆動を停止させて、上記駆動観測機器の駆動モータのみ駆動させた状態で上記駆動観測機器用加速度センサユニットからの検出量を解析することにより、上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の振幅および周波数を把握することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項１】
宇宙機の構体を模擬した宇宙機模擬構体を固定する定盤と、該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに観測機器を３軸並進運動並びに３軸回転運動を可能とする機構を有する駆動観測機器と、上記駆動観測機器のフィードバック制御を行うために取り付けられた駆動観測機器用加速度センサユニットと、を備える宇宙機運動シミュレータにおいて、
該宇宙機模擬構体の上に設置されるとともに６自由度且つ複数の周波数の微小振動を発生させるスチュワートプラットフォーム機構の加振装置と、
上記駆動観測機器用加速度センサユニットの加速度検出量からセンサノイズを除去し、且つセンサノイズ除去後の加速度検出量から上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を検出するともに上記加振装置の駆動による擾乱を推定する運動分離部と、
を備えることを特徴とする宇宙機運動シミュレータ。
【請求項２】
上記加振装置は、スチュワートプラットフォーム機構であることを特徴とする請求項１に記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項３】
上記観測機器の６自由度の運動と上記加振装置により模擬した擾乱力／トルクとを表示する観測機器駆動評価用モニタを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項４】
上記運動分離部にて推定した上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱から、該外乱を打ち消すために上記加振装置をコントロールする指令値を生成するモータ外乱補償部を備え、
上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱を打ち消すと同時に、宇宙機の各搭載機器に起因する擾乱を模擬するように上記加振装置を駆動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項５】
上記観測機器は、観測カメラであり、
上記運動分離部は、上記観測カメラが撮像した画像と予定していた画像との差から上記駆動観測機器の加速度を検出する画像加速度検出部を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【請求項６】
上記運動分離部は、上記加振装置による模擬擾乱の周波数成分と上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の周波数成分とが近似している場合、上記加振装置の駆動を停止させて、上記駆動観測機器の駆動モータのみ駆動させた状態で上記駆動観測機器用加速度センサユニットからの検出量を解析することにより、上記駆動観測機器の駆動モータに起因する外乱の振幅および周波数を把握することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の宇宙機運動シミュレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２１３３１３（Ｐ２０１１−２１３３１３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５６８８（Ｐ２０１０−８５６８８）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
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