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

法政大学　本間彰 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

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 • DECIGOpathfinder • 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＜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

法政大学　本間彰 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２次元平面３自由度に制限ドラッグフリーシミュレータを作成、原理検証

法政大学　本間彰 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

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：W85ｘD85ｘH25mm • 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

法政大学　本間彰 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

法政大学　本間彰 実験装置 • 並進 • 回転２次元平面３自由度の制御

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フィードバック制御ループ制御マトリクス

法政大学　本間彰 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

法政大学　本間彰 実験結果 –誤差信号の時間変化 θ制御オン y制御オン x制御オン

法政大学　本間彰 実験結果 –実験機のopenloop伝達関数 UGF 3.6Hz UGF 0.5Hz UGF 0.6Hz 位相余裕53deg 位相余裕26deg 位相余裕36deg

法政大学　本間彰 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

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

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