decigo pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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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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Page 1: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 2: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 3: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 4: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 5: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 6: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 7: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 8: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 9: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 10: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 11: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 12: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 13: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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

Page 14: DECIGO  pathfinder のための ドラッグフリー制御の基礎研究 (1)

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