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DECIGO pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1). 法政大学大学院工学研究科 システム工学専攻 修士1年 本間 彰 佐久美太 雅、佐藤修一、川村静児 A 法大工、国立天文台 A. 目次. はじめに 日本の宇宙重力波検出器 目的 ドラッグフリー制御 実験 実験装置 実験結果 まとめ、今後の予定. はじめに – 日本の宇宙重力波検出器. 宇宙重力波望遠鏡 DECIGO 3 基のドラッグフリー衛星によるフォーメーションフライト 宇宙に持っていくこと で 基線 長を 大幅 に延長 可能 地上固有 の 雑音 を 回避可能. - PowerPoint PPT Presentation
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DECIGO pathfinder のためのドラッグフリー制御の基礎研究 (1)
法政大学大学院工学研究科システム工学専攻 修士1年
本間 彰
佐久美太雅、佐藤修一、川村静児 A
法大工、国立天文台 A
目次• はじめに
• 日本の宇宙重力波検出器• 目的
• ドラッグフリー制御• 実験
• 実験装置• 実験結果
• まとめ、今後の予定
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
はじめに –日本の宇宙重力波検出器
• 宇宙重力波望遠鏡 DECIGO• 3 基のドラッグフリー衛星による
フォーメーションフライト• 宇宙に持っていくことで
• 基線長を大幅に延長可能• 地上固有の雑音を回避可能
• DECIGO pathfinder• DECIGO の前哨衛星• DECIGO で必要な科学技術に
ついての宇宙実証• 重力波、地球重力場の観測
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
<ドラッグフリー>ローカルセンサで相対変動を検
出⇒ スラスターにフィードバッ
ク
目的 - ドラッグフリー制御
• ミラーは重力場のみの影響を受ける自由質点である必要 ⇒ ミラーはスペースクラフト内に非接触保持
⇒ 外乱 ( 太陽輻射圧等 ) による雑音を防ぐ事が出来る
• 重力波の測定感度向上にはドラッグフリーの精度も重要
• 軌道上では3次元6自由度の制御が必要
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
ドラッグフリーシミュレータを作成、原理検証
2次元平面3自由度に制限
実験 –概要
• 2 次元平面 3 自由度の自由質点の実現• 圧縮空気で試験質量を浮かせる
• 試験質量の位置、回転測定• 反射型フォトセンサ• 並進 2 自由度、回転 1 自由度
• スペースクラフトへのフィードバック ⇒ ドラッグフリーを実現
• コイルマグネットアクチュエータ
スペースクラフト
試験質量
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
実験装置 –マス、フロート
• 試験質量、スペースクラフト• アルミニウム製• 試験質量: 50mm 角• スペースクラフト: W85 x D85 x
H25mm
• 中央に試験質量が入るよう52x52mm のくり抜き
⇒ 4 方向に 1mm ずつのスペース
• フロート機構• 圧縮空気で試験質量を浮かせる• エアベアリングを用いる• 自由質点を実現 + 自由度の制限
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7
[mm]距離
[mV]
電圧
実験装置 –センサ、アクチュエータ
• 反射型フォトセンサ• 試験質量の距離の変化を反射す
る LED の光の強度で測定• 試験質量の位置、回転を測定• オフセットを引いてゼロ点回り
の 信号に変換する必要
• コイルマグネット• コイルによる磁場と永久磁石との
相互作用• スペースクラフトを制御• マグネットはスペースクラフトに固
定• コイルはスペースクラフトの外側に設置
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
実験装置• 並進 • 回転 Test
MassPS1
PS2
PS3
PS4
Coil1
Coil2Coil3
Coil4 y
x
Spacecraft
2次元平面3自由度の制御
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
制御系• 試験質量とスペースクラフトの相対位置を一定に制御• フォトセンサの出力 ⇒ コイルに電流• フィードバックループで安定化
制御マトリクスフィードバック制御ループ
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
+-
X
Θ
Y
フィルタ
フィルタ
フィルタ
センサ1
センサ2
センサ3
センサ4
コイル1
コイル2
コイル3
コイル4
+-
++
++
-+
+ +
-
センサアクチュエータ
フィルタ
テストマス
制御フィルタ• フィルタにはラグリードフィルタを使用
• 任意の周波数範囲で位相を +90° ・・・ 3Hz~ 300Hz ・・・ 0.3Hz~ 30Hz に設定
1 11f
1UGF
UGF
0
Phase
018-
090
Phase
018-09-0
Phase
018-
自由質点 ラグリードフィルタ 制御系全体
自由質点 ラグリードフィルタ 制御系全体
GainGainGain
2ff f f
f f f1f 2f
1f 2f
1f
2f
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
実験結果 –誤差信号の時間変化
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
x 制御オン
y 制御オン
θ 制御オン
実験結果 –実験機の open loop伝達関数
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
UGF0.6Hz
UGF3.6Hz
位相余裕26deg
位相余裕36deg
UGF0.5Hz
位相余裕53deg
まとめ• 3 次元 6 自由度のドラッグフリー制御の原理検証実験
として 2 次元平面 3 自由度のドラッグフリー制御を行った• 誤差信号は制御によってゼロ点に収束• 伝達関数を計測し、 UGF で位相余裕を持つことを確認
• x…0.6[Hz] で 26[deg] の位相余裕• y…3.6[Hz] で 36[deg] の位相余裕• θ…0.5[Hz] で 53[deg] の位相余裕
• 考察• 0.2Hz付近で共振のような特性
• センサに接続されている導線によって振り子特性が現れた可能性• フィルタの設定周波数まで UGF を上げたい
• ゲインを上げると制御が安定しない• フィルタの設定周波数を下げる
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰
今後の予定• 制御の安定化のために
• 制御帯域を上げる• フィルタの設定周波数を下げる
• センサを無線化、バッテリーをスペースクラフトに搭載• 振り子特性を除去できる可能性がある
• アクチュエータにエアスラスターを用いた ドラッグフリーシミュレータの構築
2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰