JP6867634B1

JP6867634B1 - Attitude control device and attitude control method

Info

Publication number: JP6867634B1
Application number: JP2020124798A
Authority: JP
Inventors: 広久小島; サジャケシュトカー，; アレキサンダーポズニヤック，; 俊夫神谷
Original assignee: Alexander Poznyak; Sajjad Keshtkar
Current assignee: Alexander Poznyak; Sajjad Keshtkar
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2040-07-21
Also published as: JP2022021272A

Abstract

【課題】２軸ジンバルベースに取り付けられたシザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープに基づいて、特異点および望ましくない交差ジャイロスコープ項を克服するとともにＣＭＧの質量を削減するモデルを提供する。【解決手段】本発明の姿勢制御装置は、シザード配置された２つのジャイロスコープ３０，４０を有するジャイロスコープフレーム１０と、それを回転可能に枢支する２軸ジンバルベース５とを含む。各ジャイロスコープ３０，４０のロータは高速で回転しており、傾斜角度調整用回転軸ｎ１，ｎ２およびジンバル軸Ｏｂ１，Ｏｙはサーボモータによって作動される。すべてのモータの回転は、制御ユニット６０によって測定され制御される。ロータの同期回転と傾斜角度δspとジンバル角度δi, δoの調整により、全運動モーメントが球形領域を有する３次元のジャイロスコープトルクを生成できる。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a model for overcoming a singular point and an undesired crossing gyroscope term and reducing the mass of CMG based on a scissor pair control moment gyroscope attached to a biaxial gimbal base. An attitude control device of the present invention includes a gyroscope frame 10 having two gyroscopes 30 and 40 arranged in scissors, and a biaxial gimbal base 5 rotatably supporting the gyroscope frame 10. The rotors of the gyroscopes 30 and 40 are rotating at high speed, and the rotation angles n1 and n2 for adjusting the tilt angle and the gimbal shafts Ob1 and Oy are operated by a servomotor. The rotation of all motors is measured and controlled by the control unit 60. By synchronous rotation of the rotor and adjustment of the tilt angle δsp and the gimbal angles δi and δo, it is possible to generate a three-dimensional gyroscope torque in which the total moment of motion has a spherical region. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本発明は、制御モーメント機器の分野に関し、慣性場におけるデバイスの三軸安定化、方向制御、および姿勢制御のための慣性システムの開発に用いることができる。
尚、本明細書及び特許請求の範囲の本文中では、使用できる文字の制限のため、変数を表す文字（例えばδ）で上に黒丸や逆Ｖ記号がついたものは、黒丸や逆Ｖ記号を左に付けて「・δ」「＾δ」などと表示している。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of control moment equipment to develop an inertial system for triaxial stabilization, directional control, and attitude control of a device in an inertial field.
In the text of the present specification and claims, due to restrictions on the characters that can be used, characters representing variables (for example, δ) with a black circle or inverted V symbol above are black circles or inverted V symbols. Is attached to the left and displayed as "・ δ", "^ δ", etc.

コントロールモーメント・ジャイロスコープ（ＣＭＧ）のいくつかのアーキテクチャがよく知られている。シングルジンバルジャイロスコープは、制御対象のハウジングに固定的に接続されたシングルステージジンバルに配置された電気モータ駆動のフライホイールを備え、１次元の姿勢制御を提供するものであり、最も一般的な物の範疇である。オブジェクトを完全に３次元で制御するには、少なくとも３つのシングルジンバルＣＭＧが必要である。３軸安定化と姿勢制御を提供するための広範でさまざまなアーキテクチャが、いくつかの文献で提案されている(特許文献１、特許文献２)。 Several architectures of the control moment gyroscope (CMG) are well known. The single gimbal gyroscope is the most common, with an electrically motor driven flywheel located in a single stage gimbal fixedly connected to the controlled housing to provide one-dimensional attitude control. It is a category of. At least three single gimbal CMGs are required to completely control the object in three dimensions. A wide variety of architectures for providing 3-axis stabilization and attitude control have been proposed in several documents (Patent Documents 1 and 2).

いくつかのシングルジンバルＣＭＧをピラミッドアレイまたはルーフアレイ配置に構成した組み合わせは、三次元制御モーメントを作り出すことができる(特許文献１)。シングルジンバルシザードタイプのＣＭＧを備えた構造もよく知られており、トルク対質量比が比較的高い強力な１次元モーメントを作成できる(特許文献３、特許文献４)。 A combination of several single gimbal CMGs configured in a pyramid array or roof array arrangement can create a three-dimensional control moment (Patent Document 1). A structure including a single gimbal scissor type CMG is also well known, and a strong one-dimensional moment having a relatively high torque-to-mass ratio can be created (Patent Documents 3 and 4).

単一の回転子を備えたダブルジンバルＣＭＧ機構もよく知られており、これは三次元トルクを提供する。各デバイスの特異点（singularity）の問題を個別に解決するには、２つ以上のデバイスの組み合わせが必要である。
米国特許第6,917,862号米国特許第 8,210,062号米国特許第9,649,242号米国特許第 7,152,495号 A double gimbal CMG mechanism with a single rotor is also well known, which provides three-dimensional torque. A combination of two or more devices is required to solve the singularity problem of each device individually.
U.S. Pat. No. 6,917,862 U.S. Pat. No. 8,210,062 U.S. Pat. No. 9,649,242 U.S. Pat. No. 7,152,495

３次元姿勢制御のための既知の古典的なＣＭＧの制御方法および構造は、コントロールモーメントジャイロスコープシステムの能力および精度を低下させる可能性がある特異点および交差ジャイロスコープ項に関連する欠点と、比較的大きな重量という問題点を有する。
（発明の目的） Known classical CMG control methods and structures for 3D attitude control compare with the drawbacks associated with singularity and cross gyroscope terms that can reduce the capabilities and accuracy of the control moment gyroscope system. It has a problem of heavy weight.
(Purpose of Invention)

本発明の目的は、２軸ジンバルベースに取り付けられたシザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープに基づいて、特異点および望ましくない交差ジャイロスコープ項を克服するとともにＣＭＧの質量を削減するモデルを提案することである。提案されたシステムの本開示の発明は、２軸周りのみに角運動量の方向を変えることが可能な２軸ジンバルベースに取り付けられたシザードペア・コントロールモーメントジャイロスコープに基づいている。 An object of the present invention is to propose a model that overcomes singularity and undesired crossing gyroscope terms and reduces the mass of CMG based on a scissored pair control moment gyroscope mounted on a biaxial gimbal base. is there. The invention of the present disclosure of the proposed system is based on a scissor pair control moment gyroscope mounted on a biaxial gimbal base capable of redirecting angular momentum only around the biaxial.

本発明のさらに他の目的および利点は、一部は明白であり、一部は明細書および図面から明らかになる。 Still other objectives and advantages of the present invention are in part obvious and in part revealed in the specification and drawings.

本システムは、シザード配置された２つのジャイロスコープを有するジャイロスコープフレームと、それを回転可能に枢支する２軸ジンバルベースとを含む。各ジャイロスコープのロータは高速で回転しており、傾斜角度調整用回転軸およびジンバル軸はサーボモータによって作動される。すべてのモータの回転は、制御ユニットによって測定され制御される。ロータの同期回転と傾斜角度およびジンバル角度調整により、全角運動量の幾何形状が球形領域を有する３次元のジャイロスコープトルクを生成できる。提案された構造は、慣性システムの姿勢制御の精度を向上させるとともに、特異点の領域が非常に僅かで対処しやすい。 The system includes a gyroscope frame with two scissor-arranged gyroscopes and a biaxial gimbal base that rotatably supports it. The rotor of each gyroscope rotates at high speed, and the rotation shaft and gimbal shaft for adjusting the tilt angle are operated by a servomotor. The rotation of all motors is measured and controlled by the control unit. Synchronous rotation of the rotor and adjustment of the tilt angle and gimbal angle can generate a three-dimensional gyroscope torque in which the geometric shape of the full-angle momentum has a spherical region. The proposed structure improves the accuracy of attitude control of the inertial system and is easy to deal with with very few singularity regions.

特異点および望ましくない交差ジャイロスコープを解決するために、制御対象のハウジングに回転可能に枢支された２軸ジンバルベースに取り付けられたシザードペア・コントロールモーメントジャイロスコープを提案する。この構成のシステムでは、３次元のトルクを生成でき、特異点が少なくかつ対処しやすく、交差したジャイロスコープ項の数が少ないため、制御設計に非常に適している。アクチュエータ、センサー、回転オブジェクトの数を減らすことで、既存の構造を圧縮して、内部スペースを節約し、軽量の構造を提供できる。 To solve singularity and undesired crossing gyroscopes, we propose a scissor pair control moment gyroscope mounted on a biaxial gimbal base rotatably pivoted to a controlled housing. A system with this configuration is very suitable for control design because it can generate three-dimensional torque, has few singularities and is easy to deal with, and has a small number of intersecting gyroscope terms. By reducing the number of actuators, sensors, and rotating objects, existing structures can be compressed to save internal space and provide lightweight structures.

したがって、本発明は、いくつかのステップと、１つ以上のそのようなステップと他のステップのそれぞれとの関係およびそのようなステップを実行するように適合された構成の特徴、要素の組み合わせおよび部品の配置を具体化するシステムを含む。それらすべて、以下の詳細な開示において例示されるとおりであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲に示される。 Accordingly, the present invention describes the relationship between several steps and one or more such steps and each of the other steps, as well as the features, combinations of elements and configurations adapted to perform such steps. Includes a system that embodies the placement of parts. All of them are illustrated in the detailed disclosure below, and the scope of the present invention is set forth in the claims.

本発明をより完全に理解するために、以下の説明および添付の図面を参照する。 For a more complete understanding of the present invention, reference is made to the following description and accompanying drawings.

本発明のダブルジンバル・シザードペアＣＭＧの概略図。 The schematic diagram of the double gimbal scissor pair CMG of this invention.

図１の装置のジャイロスコープフレームの概略図。The schematic view of the gyroscope frame of the apparatus of FIG.

図１の装置の２軸ジンバルベースの概略図。 FIG. 6 is a schematic view of a 2-axis gimbal base of the device of FIG.

座標系とジンバル角度の回転を示す図。The figure which shows the rotation of a coordinate system and a gimbal angle.

本発明のＣＭＧベースの姿勢制御システムのブロック線図。 The block diagram of the CMG-based attitude control system of the present invention.

ジンバル駆動制御則（gimbal steering control law）のフローチャート。Flow chart of gimbal steering control law.

本発明の姿勢制御装置（「ダブルジンバル・シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープ」又は「ジャイロスコープシステム」ともいう）は、図１に示すように２つの主要部分、すなわち、２つの同一のシングル・ジンバルコントロールモーメント型のジャイロスコープ３０、４０を含むジャイロスコープフレーム１０と、内側ジンバル軸が支持ベアリング６を介して前記ジャイロスコープフレーム１０を保持する２軸ジンバルベース５と、から構成される。２軸ジンバルベース５は、支持軸受２を介して制御対象１に取り付けられている。
（ジャイロスコープフレーム） The attitude control device of the present invention (also referred to as "double gimbal scissor pair control moment gyroscope" or "gyroscope system") has two main parts, that is, two identical single gimbals , as shown in FIG. It is composed of a gyroscope frame 10 including control moment type gyroscopes 30 and 40, and a biaxial gimbal base 5 in which an inner gimbal shaft holds the gyroscope frame 10 via a support bearing 6. The biaxial gimbal base 5 is attached to the controlled object 1 via the support bearing 2.
(Gyroscope frame)

図２に示すように、各ジャイロスコープ３０、４０は、ロータ１１、１２、ロータハウジングフレーム１３、１４、ロータ駆動用モータ２３、２４、および増幅器２５、２６からなる。 As shown in FIG. 2, each gyroscope 30 and 40 includes rotors 11 and 12, rotor housing frames 13 and 14, rotor drive motors 23 and 24, and amplifiers 25 and 26.

ジャイロスコープフレーム１０内のジャイロスコープ３０、４０は、それらの回転軸（「傾斜角度調整用回転軸」ともいう）ｎ_１およびｎ_２が互いに平行であるシザードタイプの様式で機械的または論理的に接続されている。機械的な接続は、ベルト、ギア、またはカウンターレバーによって行うことができ、追加のコントローラを必要とせずに、正確で等しい傾斜角度δ_spを保証できる。論理的な接続は、同期制御されたモータ１９、２０によって行われ、機械部品が少なく、組み立てが簡単で、冗長性があるなどの利点がある。この機械的または論理的接続により、ジャイロスコープ３０、４０は反対方向に同じ傾斜角度δ_spで傾く。初期（基準）位置では、ジャイロスコープの主軸は、それぞれロータ１１、１２の角運動量ベクトルh₁とh₂を有し、平行であり、ベクトルh₁とh₂は反対方向を向いている。角運動量の絶対値は一定で、理想的な場合は互いに等しい。

The

gyroscopes

30 and 40 in the gyroscope frame 10 are mechanically or logically in a scissor-type manner in which their rotation axes (also referred to as "rotation axes for tilt angle adjustment") n ₁ and n _{2 are parallel to each other.} It is connected to the. Mechanical connections can be made by belts, gears, or counter levers, ensuring _{accurate and equal tilt angles δ sp without the need for additional controllers.} The logical connection is made by synchronously controlled

motors

19 and 20, and has advantages such as few mechanical parts, easy assembly, and redundancy. This mechanical or logical connection causes the

gyroscopes

30, 40 to tilt in opposite directions at the same tilt angle δ _sp . In the initial (reference) position, the main axes of the gyroscope have the angular momentum vectors h ₁ and h ₂ of the

rotors

11 and 12, respectively, and are parallel, with the vectors h ₁ and h ₂ pointing in opposite directions. The absolute values of angular momentum are constant, ideally equal to each other.

ジャイロスコープ３０、４０の傾斜角度調整用回転軸ｎ_１、ｎ_２は、ジャイロスコープフレーム１０のＯｘ軸と平行であり、初期位置のロータのスピン軸は、Ｏｙ軸（第２軸ともいう）と平行である。この位置から、理想的な状態では互いに等しい、各ジャイロスコープの傾斜角度δ_spがカウントされる。 The rotation axes n ₁ and n ₂ for adjusting the tilt angle of the gyroscopes 30 and 40 are parallel to the Ox axis of the gyroscope frame 10 , and the spin axis of the rotor at the initial position is the Oy axis (also referred to as the second axis) . It is parallel. _{From this position, the tilt angles δ sp} of each gyroscope, which are ideally equal to each other, are counted.

ある１つの構成では、各ジャイロスコープの傾斜角度調整用回転軸ｎ _１、ｎ _２は別個のモータ１９、２０を備えており、提案されたシステムにおいて互いに等しいと考えられるトルクｍ_１およびｍ_２を生成する。２つの軸ｎ_１、ｎ_２が運動学的に接続され、反対方向に等しく回転するという条件で、１つのモータが軸ｎ_１、ｎ_２のいずれかに設置されている場合、ジャイロスコープの特性は変化しない。 In one configuration, the tilt angle adjusting rotation axes n ₁ and n ₂ _{of each gyroscope are equipped with separate motors 19 and 20 to produce torques m 1} and m ₂ which are considered to be equal to each other in the proposed system. Generate. Two axes n _1, n ₂ is connected kinematically, with the proviso that rotates equally in opposite directions, when one motor is installed in one of the axes n _1, n _2, of the gyroscope characteristics Does not change.

ここで、ロータ１１，１２の合計の角運動量ベクトル（角運動量ベクトルｈ _１，ｈ _２のベクトル和で「ジャイロスコープシステムの角運動量ベクトル」ともいう）をｈとする。それぞれのスピン軸に対するロータ１１、１２の慣性モーメントが等しく、それらに接続された残りの可動部品（プーリーまたはリンク、ギア、センサーなど）は、角度的力積においてバランスがとれているので、つまり、^・δ_sp=0のとき内側ジンバル軸Ｏｙに対して角運動量がゼロ、または、この角運動量がほぼゼロなので、ジャイロスコープフレーム１０の座標軸Ｏｘｙｚ（図２の右上図参照）の軸上への角運動量ベクトルｈの射影は、以下の式で与えられる。

Here, (a vector sum of the angular momentum vector h _1, h ₂ is also referred to as "angular momentum vector of the gyroscope system") total angular momentum vector of the

rotor

11, 12 is referred to as h. The moments of inertia of the

rotors

11 and 12 for each spin axis are equal, and the remaining moving parts (pulleys or links, gears, sensors, etc.) connected to them are balanced in the angular impulse, that is, ^· [delta] _sp = 0 angular momentum with respect to the inner gimbal axis Oy zero time or, because the angular momentum is almost zero, the corner of the on-axis of the coordinate axes of the gyroscope frame 10 OXYZ (see upper right diagram of FIG. 2) The projection of the momentum vector h is given by the following equation.

Ｏｘ軸およびＯｙ軸上への角運動量の射影の合計はゼロに等しいので、章動を無視すると、本システムは、余分な交差ジャイロスコープ力を排除して、Ｏｚ軸の周りに１つのモーメントのみを生成すると考えることができる。 Ignoring nutation, the system eliminates extra crossing gyroscope forces and has only one moment around the Oz axis, since the sum of the projections of angular momentum on the Ox and Oy axes is equal to zero. Can be thought of as generating.

ベクトルhzの変動の領域Ｓは、Ｏｚ軸に平行な直線セグメントであり、その長さは2Hw sin δ_spに等しい。 δ_sp=π/ 2の場合、この領域の最大寸法は2Hwに等しくなる。 The region S of variation of the vector hz is a straight line segment parallel to the Oz axis, the length of which is equal to _{2Hw sin δ sp.} If δ _sp = π / 2, the maximum dimension of this region is equal to 2Hw.

ロータ１１，１２の回転速度は一定であり、アプリケーション、寸法、利用可能なオンボード電源、および必要な敏捷性に依存するが、基準は250〜3000 rpmの間とすることができる。電力および信号は、電源および制御ユニット６０から集電環２１，２２を介して送信され、それにより、ｎ_１軸およびｎ_２軸の周りのジャイロスコープの完全な回転が可能になっている。
（２軸ジンバルベース） Rotational speeds of rotors 11 and 12 are constant and can be between 250 and 3000 rpm, depending on application, dimensions, available onboard power supply, and required agility. Power and signals are transmitted from the power supply and control unit 60 via the collector ring 21, whereby the complete rotation of the gyroscope around the n ₁ axis and n ₂ axes is enabled.
(2-axis gimbal base)

図３は、２軸ジンバルベース５の概略図を示す。支持軸受２および６に沿って設置されたトルクモータ３および７の作用によって角運動量ベクトルを回転させると、これから生じるジャイロスコープモーメントにより、ＯｘおよびＯｙ軸に沿って制御モーメントの方向づけができる。 FIG. 3 shows a schematic view of the biaxial gimbal base 5. When the angular momentum vector is rotated by the action of the torque motors 3 and 7 installed along the support bearings 2 and 6, the gyroscope moment generated from the rotation allows the control moment to be oriented along the Ox and Oy axes.

したがって、角運動量ベクトルｈの変動の３次元領域Ｓを得るために、ジャイロスコープフレーム１０は２軸ジンバルベース５上に設置される。外側ジンバル軸Ｏｂ _１（第１軸ともいう）周りの第１の回転は、制御対象１に固定されたモータ３によって生成される。内側のジンバル軸は、第２の回転として、モータ７とベルト８により、ジャイロスコープフレーム１０をＯｙ軸（第２軸ともいう）周りに傾ける。この構成は、角運動量ベクトルｈの変化の球形領域Sを作成し、したがって３次元の制御モーメントシステムを作成する。 Therefore, the gyroscope frame 10 is installed on the biaxial gimbal base 5 in order to obtain the three-dimensional region S of the fluctuation of the angular momentum vector h. The first rotation around the outer gimbal shaft Ob ₁ (also referred to as the first shaft) is generated by the motor 3 fixed to the controlled object 1. The inner gimbal shaft tilts the gyroscope frame 10 around the Oy axis (also referred to as the second axis) by the motor 7 and the belt 8 as the second rotation. This configuration creates a spherical region S of changes in the angular momentum vector h, thus creating a three-dimensional control moment system.

制御対象１の、Ｏｂ_１、Ｏｂ_２およびＯｂ_３軸（図４参照）に対する姿勢の方向付けは、以下のように行われる。Ｏｂ_３軸周りの回転のために、ジャイロスコープ３０、４０の傾斜角度δ_ｓｐを操作することが必要であり、これは、Ｏｂ_３軸周りの単純なフライホイールのように反作用トルクをもたらす。Ｏｂ_１およびＯｂ_２軸周りに回転させるには、モータ７および３により、ジンバル軸周りのトルクを対応させて発生する必要がある。これらのモーメントは、ジャイロスコープの歳差運動を引き起こし、制御対象１の本体に対して、等しく反対方向の制御モーメントを生成する。 The posture of the controlled object 1 with _{respect to the Ob 1} , Ob ₂ and Ob ₃ axes (see FIG. 4) is oriented as follows. For _{rotation around the Ob 3} axis, it is necessary to operate _{the tilt angle δ sp} of the gyroscopes 30, 40, which provides reaction torque like a simple flywheel around the _{Ob 3 axis.} In _{order to rotate around the Ob 1} and Ob ₂ axes, the motors 7 and 3 need to generate the torques around the gimbal axes in a corresponding manner. These moments cause the precession of the gyroscope and generate control moments in the same and opposite directions with respect to the body of the controlled object 1.

ジャイロスコープ３０、４０のロータ１１，１２の合計の角運動量ベクトルｈの最終領域Ｓは、物理的な特異点または制御モーメントを生成することが不可能な領域のない中実球である。この領域の体積は、ジャイロスコープ３０、４０のロータ１１，１２の最大角運動量によって制限される。
（姿勢制御方法の概要）
上記のように構成された本発明の姿勢制御装置を使用した制御対象（１）の姿勢制御方法について、図５を参照して説明する。本姿勢制御方法は、以下のステップ（ａ）〜（ｎ）を含む（なお、図５の符号７（ａ）〜７（ｎ）は、ステップ（ａ）〜（ｎ）に対応する）。
（ａ）外部センサーに基づいて制御対象の現在の姿勢（q）を把握することと、
（ｂ）制御対象の目標姿勢（q_t）と前記現在の姿勢（q）から姿勢誤差（＾q_e）を算出することと、
（ｃ）制御対象の姿勢の変更と安定化のための外部センサーから、ロール、ピッチ、ヨーの各姿勢の信号（ω）を取得することと、
（ｄ）ステップ（b）の信号とステップ（c）の信号を組み合わせてトルクコマンド（u_c）を算出することと、
（ｅ）前記ロータ１１，１２に、モータを使用してそれぞれの角運動量（H_w）を与えることと、
（ｆ）センサーを使用して前記ロータの回転速度、傾斜角度（δ_sp）、およびジンバル角度（δ_i，δ_o）を測定することと、
（ｇ）ステップ（f）の信号を使用して前記ロータ１１，１２の合計の角運動量ベクトル（h）を算出することと、
（ｈ）ステップ（c）、（d）、（g）の信号を組み合わせて、運動量速度コマンド（τ）を計算することと、
（ｉ）ジンバル駆動制御則にジンバル角度ベクトル（δ = [δ_sp δ_i δ_o]^T）と運動量速度コマンド（τ）を提供して、ジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c=[^・δ_csp ^・δ_ci ^・δ_co]^T）を決定することと、
（ｊ）ジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c）を前記制御ユニットに提供して、傾斜角度（δ_sp）とジンバル角度（δ_i，δ_o）を変更することと、
（ｋ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_co）に基づいて、前記制御ユニットにより、前記２軸ジンバルベースのジンバル角度（δ_o）を変更することと、
（ｌ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_ci）に基づいて、前記制御ユニットにより、２軸ジンバルベース（５）内の前記ジャイロスコープフレームのジンバル角度（δ_i）を変更することと、
（ｍ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_csp）に基づいて、前記制御ユニットにより、共通の前記ジャイロスコープフレームに取り付けられた各ジャイロスコープの傾斜角度（δ_sp）を変更することと、
（ｎ）前記姿勢制御装置によって生成された姿勢制御トルク（u）を適用して、前記制御対象の姿勢の変更および安定化を行うこと。
以下、この姿勢制御方法について具体的に説明する。
（対象の回転） The final region S of the total angular momentum vector h of the rotors 11 and 12 of the gyroscopes 30 and 40 is a solid sphere without a region in which it is impossible to generate a physical singularity or control moment. The volume of this region is limited by the maximum angular momentum of the rotors 11 and 12 of the gyroscopes 30 and 40.
(Outline of attitude control method)
The attitude control method of the controlled object (1) using the attitude control device of the present invention configured as described above will be described with reference to FIG. This attitude control method includes the following steps (a) to ( n ) (note that reference numerals 7 (a) to 7 ( n ) in FIG. 5 correspond to steps (a) to ( n )).
(A) To grasp the current attitude (q) of the controlled object based on the external sensor, and
(B) To calculate the _{attitude error (^ q e} ) from the target attitude (q _t ) of the controlled object and the current attitude (q).
(C) Obtaining roll, pitch, and yaw posture signals (ω) from an external sensor for changing and stabilizing the posture of the controlled object.
_{(D) The torque command (u c} ) is calculated by combining the signal of step (b) and the signal of step (c), and
(E) The rotors 11 and 12 are given _{their respective angular momentums (H w) by using a motor.}
(F) Using a sensor to measure the rotation speed, tilt angle (δ _sp ), and gimbal angle (δ _i , δ _o ) of the rotor.
(G) Using the signal of step (f), the total angular momentum vector (h) of the rotors 11 and 12 is calculated, and
(H) Combining the signals of steps (c), (d), and (g) to calculate the momentum velocity command (τ),
^{(I) The gimbal drive speed command (・}δ _c = [^・δ _csp ^・) is provided by providing the gimbal angle vector (δ = [δ _sp δ _i δ _o ] ^T ) and the momentum velocity command (τ) to the gimbal drive control law. Determining δ _ci ^・δ _co ] ^T ) and
(J) To change the _{tilt angle (δ sp} ) and the gimbal angle (δ _i , δ _o ) by providing the gimbal drive speed command (^・δ _c ) to the control unit.
(K) based on the step (i) gimbal drive speed command determined by ^(· δ _co), by the control unit, and changing the 2-axis gimbal based gimbal angle ([delta] _o),
(L) on the basis of the step (i) gimbal drive speed command determined in ^(· [delta] _ci), by the control unit, gimbal angles of the gyroscope frames in 2-axis gimbal base (5) and ([delta] _i) To change and
(M) based on the step (i) gimbal drive speed command determined by ^(· δ _csp), by the control unit, the inclination angles of the gyroscope which is mounted on a common said gyroscope frame ([delta] _sp) To change and
(N) The attitude control torque (u) generated by the attitude control device is applied to change and stabilize the attitude of the controlled object.
Hereinafter, this attitude control method will be specifically described.
(Rotation of target)

本システムは、支持軸受２を介して制御対象１の本体に設置される必要がある。制御ユニット６０は、増幅器２５および２６を介してモータ２３および２４（図２参照）に電流を送り、ロータ１１および１２を同じ方向に同じ速度で回転させることにより、互いに反対方向の角運動量ベクトルｈ_１とｈ_２を生成し、本システムを使用可能にする。 This system needs to be installed in the main body of the controlled object 1 via the support bearing 2. The control unit 60 sends a current to the motors 23 and 24 (see FIG. 2) via the amplifiers 25 and 26 to rotate the rotors 11 and 12 in the same direction at the same speed, thereby causing the angular momentum vectors h in opposite directions. _{Generate 1} and h ₂ to enable this system.

制御対象１の回転のために、いくつかの外部姿勢センサ（図示省略）によって把握される制御対象１の実際の向きを、所定の基準座標系と比較する。実際の姿勢と所望の姿勢との差を制御ユニット６０で計算し、ジンバル駆動制御則によって決定される制御信号をサーボモータ３、７、１９、２０（図１，２参照）に送信し、所望の姿勢制御トルクｕを生成する。 Due to the rotation of the controlled object 1, the actual orientation of the controlled object 1 grasped by some external attitude sensors (not shown) is compared with a predetermined reference coordinate system. The difference between the actual posture and the desired posture is calculated by the control unit 60, and the control signal determined by the gimbal drive control law is transmitted to the servomotors 3, 7, 19, 20 (see FIGS. 1 and 2) to obtain the desired posture. Attitude control torque u is generated.

姿勢制御トルクｕは、支持軸受２を介して制御対象１の本体に作用する。モータｍ_１９およびｍ_２０による傾斜角度δ_spの変化、およびモータｍ_７およびｍ _３によるジンバル角度δ_ｉおよびδ_ｏの変化により、姿勢制御トルクｕの方向および大きさが変化する。 The attitude control torque u acts on the main body of the controlled object 1 via the support bearing 2. The direction and magnitude of the attitude control torque u are changed by the change of the inclination angle δ _sp by the motors m ₁₉ and m ₂₀ and the change of the gimbal angles δ _i and δ _o _{by the motors m 7} and m _3.

角運動量ｈ_ｚの主ベクトルを有するジャイロスコープフレーム主軸Ｏｚは、開始（基準）位置では、制御対象１のＯｂ_３軸に平行である。この位置から、ジンバル角度δ_iおよびδ_oがカウントされる。制御対象１の軸上への主角運動量の射影は次式で表すことができる。

The gyroscope frame spindle Oz having the principal vector of the angular momentum h _z is parallel to _{the Ob 3 axis of the control target 1 at the start (reference) position.} From this position, the gimbal angles δ _i and δ _o are counted. The projection of the principal angular momentum on the axis of the controlled object 1 can be expressed by the following equation.

本システムによって作成された制御モーメントの、制御対象１の軸上への射影の式は、式（３）の両辺を、時間で微分することによって得ることができ、次の式が得られる。

The equation for projecting the control moment created by this system on the axis of the controlled object 1 can be obtained by differentiating both sides of the equation (3) with respect to time, and the following equation can be obtained.

数学的特異点は、本ジャイロスコープシステムのヤコビ行列Ａ∈R^３ｘ３が階数を失うとき、つまり、階数（Ａ）＜３のとき発生する。

The mathematical singularity occurs when the Jacobian matrix A ∈ R ^3x3 of this gyroscope system loses the rank, that is, when the rank (A) <3.

式（５）を満足する任意のジンバル角度ベクトルδは、システムの特異点角度と考えられ、δ_sp=±π/ 2、0、πまたはδ_i=±π/ 2である。従来のシングルジンバル・コントロールモーメント・ジャイロスコープシステムの内部特異点は、双曲線または楕円の特異点として分類される。 δ_sp= 0、π、またはδ_i=±π/ 2であるが、δ_sp≠±π/ 2である場合、特異点は内部的であり、ヌルモーションによって回避できる双曲線型のみである。外部特異点については、δ_sp=±π/ 2の場合、特異点は外部楕円型であり、ジャイロスコープ３０および４０の傾斜角度δ_spを変更することにより、簡単かつ迅速に回避できる。
（姿勢制御則） Any gimbal angle vector δ that satisfies equation (5) is considered to be the singularity angle of the system and is δ _sp = ± π / 2, 0, π or δ _i = ± π / 2. The internal singularities of conventional single gimbal control moment gyroscope systems are classified as hyperbolic or elliptical singularities. If δ _sp = 0, π, or δ _i = ± π / 2, but δ _sp ≠ ± π / 2, the singularity is internal and only hyperbolic, which can be avoided by null motion. Regarding the external singularity, when δ _sp = ± π / 2, the singular point is an external elliptical shape and can be easily and quickly avoided by changing _{the inclination angle δ sp of the gyroscopes 30 and 40.}
(Attitude control law)

ジンバル駆動制御則のフローチャートを図６に示す。
ＣＭＧベースの姿勢制御システムは、姿勢制御則（四元数フィードバックタイプ）、提案されたジャイロスコープシステムを使用するジンバル駆動制御則、および制御対象の力学からなる。駆動速度コマンド（steering rate command）は、ジンバル駆動制御則を使用して決定され、姿勢制御トルクを生成するために、ジャイロスコープシステムに制御動作を与える。制御戦略としては、次の姿勢制御則が使用される。

ここで、Jは制御対象１の慣性モーメント、i = 1、2、3はそれぞれ制御対象固定座標フレームのＯｂ_１、Ｏｂ_２、およびＯｂ_３軸に対応し、 cとkは制御ゲインであり、^q_e = [q_e1 q_e2 q_e3]^T である。ここで、姿勢誤差の四元数ｑ_e（= [q_e1 q_e2 q_e3 q_e4]^T）のベクトル部分は、目標姿勢の四元数q_t（= [q_t1 q_t2 q_t3 q_t4]^T）と現在の姿勢の四元数q（= [q₁ q₂ q₃ q₄]^T）を用いて以下のように表され：

そして、飽和関数sat_Li（^q_e）（i = 1、2、3）は次のように定義される。

さらに、Liはジャイロスコープシステムへのトルクコマンドを制限し、トルクは過剰反応を回避するために変化させる：

ここで、a_iはi番目の制御軸周りの最大制御加速度であり、生成可能な最大トルクに応じて適切な値に設定され、|ω_i| maxは各軸周りの指定された最大角速度である。
（ジンバル駆動制御則） A flowchart of the gimbal drive control rule is shown in FIG.
The CMG-based attitude control system consists of an attitude control law (quaternion feedback type), a gimbal drive control law using the proposed gyroscope system, and the dynamics of the controlled object. The steering rate command is determined using the gimbal drive control law and gives control action to the gyroscope system to generate attitude control torque. The following attitude control rules are used as the control strategy.

Here, J corresponds to the moment of inertia of the controlled object 1, i = ₁ _{, 2} _{, and 3} correspond to the Ob 1, Ob 2, and Ob 3 axes of the controlled object fixed coordinate frame, respectively, and c and k are the control gains. ^ q _e = [q _e1 q _e2 q _e3 ] ^T. Here, the vector part of the attitude error quaternion q _e (= [q _e1 q _e2 q _e3 q _e4 ] ^T ) is the target attitude quaternion q _t (= [q _t1 q _t2 q _t3 q _t4 ]]. ^It is expressed as follows using T) and the quaternion q (= [q ₁ q ₂ q ₃ q ₄ ] ^{T) of the current posture:}

And the saturation function sat _Li (^ q _e ) (i = 1, 2, 3) is defined as follows.

In addition, Li limits the torque command to the gyroscope system and changes the torque to avoid overreaction:

Where a _i is the maximum control acceleration around the i-th control axis, set to an appropriate value according to the maximum torque that can be generated, and | ω _i | max is the specified maximum angular velocity around each axis. is there.
(Gimbal drive control rule)

トルクコマンドu_cの決定後のジンバル駆動制御則については、ジャイロスコープシステムの角運動量ベクトルの変化^・ｈが、ジンバル駆動制御則への運動量速度コマンドτとして取得される。ジンバル駆動速度コマンド^・δ_ｃは、次のように決定される。

ここで、^・δmaxはジャイロスコープシステムが機械的に駆動されるときのジンバル駆動速度の最大値である。このようにリミッターを設定することにより、ジンバル駆動制御則は、より現実的な操作を考慮したものとなる。ジンバル駆動速度^・δに関する運動量速度コマンドτを解く場合、通常、３より多くのジンバルを有するジャイロスコープシステムに対しては疑似逆行列を使用する必要がある。本ジャイロスコープシステムのヤコビ行列Aは正方であるため、ジンバル駆動速度コマンド^・δ_ｃは、Aの逆行列を計算することによって得られる。 The gimbal drive control law after the determination of the torque command u _c, change ^· h angular momentum vector of the gyroscope system is acquired as τ momentum rate commands to the gimbal drive control law. Gimbal drive speed command ^· [delta] _c is determined as follows.

Here,^・δmax is the maximum value of the gimbal drive speed when the gyroscope system is mechanically driven. By setting the limiter in this way, the gimbal drive control law takes into consideration more realistic operations. When solving the momentum velocity command τ for the gimbal drive velocity ^· δ, it is usually necessary to use the pseudo-inverse matrix for gyroscope systems with more than 3 gimbals. Since the Jacobian matrix A of the gyroscope system is tetragonal, gimbal drive speed command ^· [delta] _c is obtained by computing the inverse of A.

ヌルモーション、すなわち、ジャイロスコープシステムによる正味トルクが生成されないようにするジンバルの駆動であって、トルクを生成せずにジンバル角度を変更することにより生成される動作は、特異点回避および回復の方法として使用される。ここで、ジャイロスコープシステムによって生成された角運動量ベクトルの変化^・ｈは、ジャイロスコープシステムへの運動量速度コマンドτに対応し、ジャイロスコープシステムの慣性によって生成されたトルクを含まない。したがって、ヌルモーションの場合、次の等式が成り立つ。

ここで、nは、ジャイロスコープシステムの角運動量ベクトルが変化しないようなジンバル駆動速度の組み合わせであり、n = null（A）の関係が成立する。 Null motion, the drive of the gimbal that prevents the gyroscope system from generating net torque, is a method of singularity avoidance and recovery that is generated by changing the gimbal angle without generating torque. Used as. Here, the change ^· h angular momentum vector produced by the gyroscope system corresponds to τ momentum speed command to the gyroscope system does not include a torque generated by the inertia of the gyroscope system. Therefore, in the case of null motion, the following equation holds.

Here, n is a combination of gimbal drive velocities such that the angular momentum vector of the gyroscope system does not change, and the relationship of n = null (A) is established.

ヌルモーションを使用する方法は、ジンバル角度を駆動するｎの値を見つけ、それにより、特異点に陥るジンバル角度の組み合わせを回避またはそこから回復する。 The method using null motion finds a value of n that drives the gimbal angle, thereby avoiding or recovering from the combination of gimbal angles that falls into a singularity.

δ_sp ＝０の場合のヌルモーション、およびこのタイプの特異点から回復するために使用される方法について述べる。δ_sp= 0の場合、角運動量ベクトルの変化^・hは次のように表される。

Null motion when δ _sp = 0 and the method used to recover from this type of singularity are described. When δ _sp = 0, the change in the angular momentum vector ^· h is expressed as follows.

δ_sp=0の場合の式（１２）は、内側および外側のジンバル角度δ_iおよびδ_oを、トルクを生成せずに変更できることを示している。条件|sinδ_sp| <ε₁（ε₁ ≒0）は、δ_sp= 0の場合の特異点を決定するために使用される。ヌルモーションを使用して特異点から回復する方法では、本ジャイロスコープシステムの出力を、目標姿勢の四元数で示される回転軸方向に向けるようにし、次にδ_spを変更する。まず、四元数から回転軸方向を求める。目標の軸方向がe_c = [e_c1 e_c2 e_c3]^Tで、回転角度がθ_cの場合、[q_c1 q_c2 q_c3 q_c4]が与えられる。e_cと本ジャイロスコープシステムの出力トルク方向の関係は、次のように評価される。

ここでsngは、以下の符号関数を示す。

Equation (12) for δ _sp = 0 shows that the inner and outer gimbal angles δ _i and δ _o can be changed without generating torque. The condition | sin δ _sp | <ε ₁ (ε ₁ ≈ 0) is used to determine the singularity when _{δ sp = 0.} In the method of recovering from a singular point using null motion, the output of this gyroscope system is directed in the direction of the rotation axis indicated by the quaternion of the target attitude, and then δ _sp is changed. First, the direction of the rotation axis is obtained from the quaternion. If the target axial direction is e _c = [e _c1 e _c2 e _c3 ] ^T and the rotation angle is θ _c , then [q _c1 q _c2 q _c3 q _c4 ] is given. The relationship between e _c and the output torque direction of this gyroscope system is evaluated as follows.

Here, sng indicates the following sign function.

シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの出力トルクのz成分は、|δ_i| ≦π/ 2および|δ_o| ≦π/ 2であっても、傾斜角速度 ^・δ_spの符号に従って正または負になる可能性がある。絶対値が小さい目標の内部および外部ジンバル角度を選択するために、|δ_i|≦π/ 2および|δ_o| ≦π/ 2を前提とする。この前提の下で、sgn（e_c3）= -sgn（^・δ_sp）およびe_c1 = sgn（e_c3）sinδ_iが成立する。ジンバルペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの出力方向を目標軸方向e_cに一致させるには、式（１３）をδ_iとδ_oについて解き、それらの解を^δ_iおよび^δ_oと呼ぶ。これらの解は、以下のようになる。

^δ_iおよび^δ_oは、それぞれ内部および外部ジンバルの目標角度であるため、δ_sp= 0の場合、内部および外部ジンバル角度δ_iおよびδ_oを目標ジンバル角度^δ_iおよび^δ_o に変更するためのジンバル駆動制御則は、以下のように実施される。

ここで、k_nは、ヌルモーションのジンバル駆動制御則の制御ゲインである。 The z component of the output torque of the scissored pair, control moment, and gyroscope becomes positive or negative according to the sign of the ^{tilt angular velocity,} δ _sp _{, even if | δ i} | ≤ π / 2 and | δ _o | ≤ π / 2. there is a possibility. _{We assume | δ i} | ≤ π / 2 and | δ _o | ≤ π / 2 to select the internal and external gimbal angles of the target with a small absolute value. Under this premise, sgn (e _c3 ) = -sgn (^・δ _sp ) and e _c1 = sgn (e _c3 ) sin δ _i hold. To match the output direction of the gimbal pair control moment gyroscope with the target axial direction e _c , solve equation (13) for δ _i and δ _o , and call those solutions ^ δ _i and ^ δ _o. These solutions are as follows.

Since ^ δ _i and ^ δ _o are the target angles of the internal and external gimbals, respectively, when δ _sp = 0, the internal and external gimbal angles δ _i and δ _o are set to the target gimbal angles ^ δ _i and ^ δ _o . The gimbal drive control rule for changing is implemented as follows.

Here, k _n is the control gain of the gimbal drive control law of null motion.

本ジャイロスコープシステムは、式（１７）に従って駆動され、シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの駆動は、^・δcノルムが0に近づくと再開される。実際の実施では、|^・δc | <ε₃が満たされている場合、式（１７）によるヌルモーションから次のような部分的逆関数のジンバル駆動制御則に切り替えられる。

ここで、以下のように定義される。

このようにして、本ジャイロスコープシステムはヌルモーションから回復し、式（１０）のジンバル駆動制御則へのスムーズな切り替えを可能にする。 This gyroscope system is driven according to equation (17), the driving of Shizadopea control moment gyroscopes, are resumed ^and-.delta.c norm approaches 0. In the actual implementation, when | ^· δc | <ε ₃ is satisfied, the null motion according to Eq. (17) is switched to the following partial inverse function gimbal drive control law.

Here, it is defined as follows.

In this way, the gyroscope system recovers from null motion and enables smooth switching to the gimbal drive control law of equation (10).

この段落では、δ_sp ＝±π／2のときの特異点を処理する方法を説明する。上記のように、δ_sp =±π/2のときの特異点は外部特異点である。したがって、ヌルモーションを使用してこの特異点から回復することはできない。δ_sp=±π/2特異点を回避するために、いくつかの方法が検討されている。しかし、そのような方法では、シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロの大きな角運動量をシステム内で十分に活用することができないため、現在のジャイロシステムの目標である高速姿勢変更を実現することはできない。外部特異点から回復するための傾斜角度δ_spには、回転方向の曖昧さが存在する。この回転の曖昧さを排除するために、傾斜角度δ_spの回転範囲に対する|δ_sp|≦π/2の制約を考える。これは、集電環の必要性を排除するのに役立ち、それにより、電気配線ハーネスを簡素化することができる。 |δ_sp|≦π/ 2の条件下でのδ_spの任意の値に対する角運動量の大きさはπ-δ_spの場合のものと同じであるため、この制約の設定は問題にならない。これらの条件を満たすために、シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの傾斜角度の駆動をδ_sp=±π/2付近で停止する方法を紹介する。以下に手順を示す。 This paragraph describes how to handle the singularity when _{δ sp = ± π / 2.} As mentioned above, _{the singularity when δ sp} = ± π / 2 is the external singularity. Therefore, it is not possible to recover from this singularity using null motion. Several methods have been investigated to avoid the δ _{sp = ± π / 2 singularity.} However, such a method cannot fully utilize the large angular momentum of the scissor pair control moment gyro in the system, so that the high-speed attitude change, which is the goal of the current gyro system, cannot be realized. There is ambiguity in the direction of rotation at _{the tilt angle δ sp} for recovering from the external singularity. To eliminate this rotation ambiguity _{, consider the constraint of | δ sp} | ≤ π / 2 for the rotation range of the _{tilt angle δ sp.} This helps eliminate the need for a collection ring, which can simplify the electrical wiring harness. Since the magnitude of the angular momentum for any value _{of δ sp} under the condition of | δ _sp | ≤ π / 2 _{is the same as that for π-δ sp} , the setting of this constraint does not matter. In order to satisfy these conditions, we will introduce a method of stopping the drive of the tilt angle of the scissor pair control moment gyroscope _{near δ sp = ± π / 2.} The procedure is shown below.

シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープがδ_sp=±π/2での特異点に近づく場合、つまりcosδ_spが正の閾値ε₂（ε₂ ≒0)より小さい場合、シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの傾斜角度の駆動を停止する。すると、制御対象は、回転運動を慣性的に継続して、目標の姿勢に近づく。制御対象が目標姿勢に近づくと、sinδ_spを減少させる方向にジンバル駆動速度コマンド^・δ_cspが入力される。したがって、シザードペア・コントロールモーメント・ジャイロスコープの傾斜角度を再度駆動することにより、制御対象の角速度を低下させ、その姿勢を目標姿勢で安定させることができる。|δ_sp|≦π/2の制約を適用するには、δ_sp=±π/2で駆動を再開するために次のジンバル駆動制御則が使用される。

ここでk _r は、傾斜角度δ _sp の駆動再開のための制御ゲインである。
このようにして、|δ_sp|≦π/2の範囲内の駆動条件が達成される。
If the scissored pair control moment gyroscope _{approaches a singular point at δ sp} = ± π / 2, that is, if cos δ _sp is less than the positive threshold ε ₂ (ε ₂ ≈ 0), then the scissored pair control moment gyroscope Stop driving the tilt angle. Then, the controlled object inertially continues the rotational movement and approaches the target posture. When the controlled object approaches the target position, gimbal drive speed command ^· [delta] _csp is input in a direction to reduce the sin [delta _sp. Therefore, by driving the tilt angle of the scissored pair control moment gyroscope again, the angular velocity of the controlled object can be reduced and the posture can be stabilized at the target posture. To apply the constraint of | δ _sp | ≤ π / 2, the following gimbal drive control law is used to _{resume driving at δ sp} = ± π / 2.

Here, k _r is the control gain for restarting the drive at the inclination angle δ _sp.
In this way, _{the driving conditions within the range of | δ sp} | ≤ π / 2 are achieved.

Claims

（ａ）ロータと、該ロータをスピン軸周りに回転可能に枢支するロータハウジングフレームと、をそれぞれ含む一対のシングルジンバル・コントロールモーメント型のジャイロスコープと、
（ｂ）前記一対のジャイロスコープの前記ロータハウジングフレームを、前記スピン軸に直交し互いに平行なそれぞれの回転軸（ｎ_１、ｎ_２）周りに回転可能に枢支することにより、該一対のジャイロスコープをはさみ型に配置して、反対方向に同じ傾斜角度（δ_sp）で調整可能に保持するジャイロスコープフレームと、
（ｃ）前記ジャイロスコープフレームのジンバル角度（δ_i）を調整可能にするために、該ジャイロスコープフレームを、前記回転軸（ｎ_１、ｎ_２）に直交する第２軸（Ｏｙ）を中心に回転可能に枢支するとともに、自身のジンバル角度（δ_o）を調整可能にするために、自身は制御対象によって前記第２軸（Ｏｙ）に直交する第１軸（Ｏｂ_１）周りに回転可能に枢支されている、２軸ジンバルベースと、
（ｄ）前記ロータハウジングフレームに取り付けられて前記ロータの角速度を測定する角速度センサーと、
（ｅ）前記傾斜角度（δ_sp）および前記各ジンバル角度（δ_i，δ_o）を測定する角度センサーと、
（ｆ）前記傾斜角度（δ_sp）、前記ジンバル角度（δ_i，δ_o）、および前記ロータの角速度を制御する制御ユニットと、を含む
姿勢制御装置。 (A) A pair of single gimbal control moment type gyroscopes including a rotor and a rotor housing frame that rotatably supports the rotor around a spin axis.
(B) The pair of gyros by rotatably supporting the rotor housing frame of the pair of gyroscopes around _{their respective rotation axes (n 1} , n _{2) orthogonal to the spin axis and parallel to each other.} A gyroscope frame that arranges the scope in a scissors shape and holds it in the opposite direction with the same tilt angle (δ _sp ) so that it can be adjusted.
(C) In order to make the gimbal angle (δ _i ) of the gyroscope frame adjustable, the gyroscope frame is centered on a second axis (Oy) orthogonal to the _{rotation axes (n 1} , n _2). In order to rotatably support and adjust its gimbal angle (δ _o ), it can rotate around _{the first axis (Ob 1} ) orthogonal to the second axis (Oy) depending on the controlled object. With a 2-axis gimbal base that is pivotally supported by
(D) An angular velocity sensor attached to the rotor housing frame to measure the angular velocity of the rotor, and
(E) An angle sensor that measures the tilt angle (δ _sp ) and each gimbal angle (δ _i , δ _{o), and}
(F) An attitude control device including a control unit for controlling the _{tilt angle (δ sp} ), the gimbal angle (δ _i , δ _{o), and the angular velocity of the rotor.}

前記一対のジャイロスコープを傾けるためのレバーまたはベルトまたはギアをさらに含む、請求項１に記載の姿勢制御装置。 The attitude control device according to claim 1, further comprising a lever or belt or gear for tilting the pair of gyroscopes.

前記一対のジャイロスコープをそれぞれ傾けるための、電気モータをさらに含む、請求項１に記載の姿勢制御装置。 The attitude control device according to claim 1, further comprising an electric motor for tilting each of the pair of gyroscopes.

前記ロータをそれぞれ回転させるためのモータをさらに含む、請求項１に記載の姿勢制御装置。 The attitude control device according to claim 1, further comprising a motor for rotating each of the rotors.

前記ロータをそれぞれ直接回転駆動させるための誘導固定子をさらに含む、請求項１に記載の姿勢制御装置。 The attitude control device according to claim 1, further comprising an induction stator for directly rotationally driving each of the rotors.

前記２軸ジンバルベース及び前記ジャイロスコープフレームをそれぞれ傾けるためのモータをさらに有する、請求項１に記載の姿勢制御装置。 The attitude control device according to claim 1, further comprising a motor for tilting the biaxial gimbal base and the gyroscope frame, respectively.

請求項１に記載の姿勢制御装置を使用する制御対象（１）の姿勢制御方法であって、
（ａ）外部センサーに基づいて制御対象の現在の姿勢（q）を把握することと、
（ｂ）制御対象の目標姿勢（q_t）と前記現在の姿勢（q）から姿勢誤差（＾q_e）を算出することと、
（ｃ）制御対象の姿勢の変更と安定化のための外部センサーから、ロール、ピッチ、ヨーの各姿勢の信号（ω）を取得することと、
（ｄ）ステップ（b）の信号とステップ（c）の信号を組み合わせてトルクコマンド（u_c）を算出することと、
（ｅ）前記２つのロータに、モータを使用してそれぞれの角運動量（H_w）を与えることと、
（ｆ）センサーを使用して前記ロータの回転速度、傾斜角度（δ_sp）、およびジンバル角度（δ_i，δ_o）を測定することと、
（ｇ）ステップ（f）の信号を使用して前記２つのロータの合計の角運動量ベクトル（h）を算出することと、
（ｈ）ステップ（c）、（d）、（g）の信号を組み合わせて、運動量速度コマンド（τ）を計算することと、
（ｉ）ジンバル駆動制御則にジンバル角度ベクトル（δ = [δ_sp δ_i δ_o]^T）と運動量速度コマンド（τ）を提供して、ジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c=[^・δ_csp ^・δ_ci ^・δ_co]^T）を決定することと、
（ｊ）ジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c）を前記制御ユニットに提供して、傾斜角度（δ_sp）とジンバル角度（δ_i，δ_o）を変更することと、
（ｋ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_co）に基づいて、前記制御ユニットにより、前記２軸ジンバルベースのジンバル角度（δ_o）を変更することと、
（ｌ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_ci）に基づいて、前記制御ユニットにより、２軸ジンバルベース（５）内の前記ジャイロスコープフレームのジンバル角度（δ_i）を変更することと、
（ｍ）ステップ（ｉ）で決定されたジンバル駆動速度コマンド（^・δ_csp）に基づいて、前記制御ユニットにより、共通の前記ジャイロスコープフレームに取り付けられた各ジャイロスコープの傾斜角度（δ_sp）を変更することと、
（ｎ）前記姿勢制御装置によって生成された姿勢制御トルク（u）を適用して、前記制御対象の姿勢の変更および安定化を行うことと、を含む
姿勢制御方法。 The attitude control method of the controlled object (1) using the attitude control device according to claim 1.
(A) To grasp the current attitude (q) of the controlled object based on the external sensor, and
(B) To calculate the _{attitude error (^ q e} ) from the target attitude (q _t ) of the controlled object and the current attitude (q).
(C) Obtaining roll, pitch, and yaw posture signals (ω) from an external sensor for changing and stabilizing the posture of the controlled object.
_{(D) The torque command (u c} ) is calculated by combining the signal of step (b) and the signal of step (c), and
(E) The two rotors are given _{their respective angular momentums (H w) by using a motor.}
(F) Using a sensor to measure the rotation speed, tilt angle (δ _sp ), and gimbal angle (δ _i , δ _o ) of the rotor.
(G) Using the signal of step (f) to calculate the total angular momentum vector (h) of the two rotors,
(H) Combining the signals of steps (c), (d), and (g) to calculate the momentum velocity command (τ),
^{(I) The gimbal drive speed command (・}δ _c = [^・δ _csp ^・) is provided by providing the gimbal angle vector (δ = [δ _sp δ _i δ _o ] ^T ) and the momentum velocity command (τ) to the gimbal drive control law. Determining δ _ci ^・δ _co ] ^T ) and
(J) To change the _{tilt angle (δ sp} ) and the gimbal angle (δ _i , δ _o ) by providing the gimbal drive speed command (^・δ _c ) to the control unit.
(K) based on the step (i) gimbal drive speed command determined by ^(· δ _co), by the control unit, and changing the 2-axis gimbal based gimbal angle ([delta] _o),
(L) on the basis of the step (i) gimbal drive speed command determined in ^(· [delta] _ci), by the control unit, gimbal angles of the gyroscope frames in 2-axis gimbal base (5) and ([delta] _i) To change and
(M) based on the step (i) gimbal drive speed command determined by ^(· δ _csp), by the control unit, the inclination angles of the gyroscope which is mounted on a common said gyroscope frame ([delta] _sp) To change and
(N) An attitude control method including applying the attitude control torque (u) generated by the attitude control device to change and stabilize the attitude of the controlled object.

ジンバル駆動制御則のステップ（ｉ）が、運動量速度コマンド（τ）の決定後に、前記姿勢制御装置が特異点に陥らない場合、ジンバル駆動速度コマンド^・δ_c（= [^・δ_csp ^・δ_ci ^・δ_co]^T）を以下のように決定することを含む、請求項７に記載の方法。

ここで、^・δmaxは前記姿勢制御装置が機械的に駆動されるときのジンバル駆動速度の最大値で、Aはシステムのヤコビ行列である。 If step (i) of the gimbal drive control rule does not cause the attitude control device to fall into a singular point ^{after the momentum velocity command (τ) is determined, the gimbal drive velocity command ·} δ _c (= [^・δ _csp ^· δ _ci ^{· ·} δ _co ] The method of claim 7, wherein ^{T) is determined as follows.}

Here, ^· δmax is the maximum value of the gimbal drive speed when the attitude control device is mechanically driven, and A is the Jacobian matrix of the system.

ジンバル角度（δ_i，δ_o）を目標ジンバル角度に変更するためのジンバル駆動制御則が、傾斜角度δ_sp ＝０のとき、ヌルモーションと呼ばれるジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c）を以下のように決定する、請求項７に記載の方法。

ここで、k_nはヌルモーションのジンバル駆動制御則のゲインであり、^δ_iと^δ_oは内側と外側のジンバルの目標ジンバル角度である。 When the gimbal drive control rule for changing the gimbal angle (δ _i , δ _o ) to the target gimbal angle is the tilt angle δ _sp = 0, the gimbal drive speed command (^・δ _c ) called null motion is as follows. 7. The method according to claim 7.

Where k _n is the gain of the null motion gimbal drive control law, and ^ δ _i and ^ δ _o are the target gimbal angles of the inner and outer gimbals.

ジンバル角度（δ_i，δ_o）を目標ジンバル角度に変更するために、目標ジンバル角度（^δ_i，^δ_o）を以下のように決定する、請求項９に記載の方法。

ここで、e_c = [e_c1 e_c2 e_c3]^Tは、前記制御対象の目標姿勢（q_t）から決定される目標の回転軸に対応する単位ベクトルで、sgnは、以下の符号関数を示す。

The method of claim 9 , wherein the target gimbal angle (^ δ _i , ^ δ _o ) is determined as follows in order to change the gimbal angle (δ _i , δ _{o) to the target gimbal angle.}

Here, e _c = [e _c1 e _c2 e _c3 ] ^T is a unit vector corresponding to the rotation axis of the target determined from the target attitude (q _{t) of the controlled object, and sgn has the following sign function.} Shown.

請求項９に記載の傾斜角度δ_sp ＝０の場合のヌルモーションから回復するために、ジンバル角度（δ_i，δ_o）が目標ジンバル角度（＾δ_i，＾δ_o）に到達したとき、ジンバル駆動速度コマンド（^・δ_c）を以下のように決定する請求項７に記載の方法。

ここで、以下のように定義される。

When _{the gimbal angle (δ i} , δ _o ) reaches the target gimbal angle (^ δ _i , ^ δ _o ) in order to recover from the null motion when the inclination angle δ _sp = 0 according to claim 9. the method of claim 7 gimbal drive speed command of ^(· δ _c) is determined as follows.

Here, it is defined as follows.

前記ジャイロスコープの傾斜角度（δ_sp）の駆動は、運動量速度コマンド（τ）の方向が前記角運動量ベクトル（h）と同じである場合、δ_sp ＝±π／2の近くで停止され、前記運動量速度コマンド（τ）の方向が前記角運動量ベクトル（h）の方向と反対の場合、外部特異点（δ_sp=±π/2）から回復するために、以下のジンバル駆動速度コマンド^・δ_cspに基づいて再開される、請求項７に記載の方法。

ここで、k_rは傾斜角度（δ_sp）の駆動を再開するための制御ゲインである。 The drive of the tilt angle (δ _sp _{) of the gyroscope is stopped near δ sp} = ± π / 2 when the direction of the momentum velocity command (τ) is the same as the angular momentum vector (h). When the direction of the momentum velocity command (τ) is opposite to the direction of the angular momentum vector (h), the following gimbal drive velocity command^・δ _{csp is used} _{to recover from the external singularity (δ sp = ± π / 2).} 7. The method of claim 7, which is resumed based on.

Here, k _r is the control gain for restarting the driving of the tilt angle (δ _sp).