[論文レビュー] Mechatronics Architecture of Smartphone-Based Spacecraft ADCS using VSCMG Actuators

Sasi Prabhakaran Viswanathan, Amit K. Sanyal+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2015

Spacecraft Design and Technology参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、COTSスマートフォンを搭載コンピュータとして使用し、可変速度制御モーメントジャイロスコープ（VSCMGs）を用いた宇宙機の姿勢決定および制御システム（ADCS）の低コストで機械的統合されたアーキテクチャを提案する。システムはスマートフォンの統合されたIMUセンサと、新規の非線形フィルタリング方式を活用して、リアルタイムでの姿勢および角速度推定を実現し、実世界のセンサノイズ下でも推定誤差がノイズ依存の近傍に収束することを実験的に示した。

ABSTRACT

Hardware and software architecture of a novel spacecraft Attitude Determination and Control System (ADCS) based on smartphones using Variable Speed Control Moment Gyroscope (VSCMG) as actuator is proposed here. A spacecraft ground simulator testbed for Hardware-in-the-loop (HIL) attitude estimation and control with VSCMG is also described. The sensor breakouts with independent micro-controller units are used in the conventional ADCS units, which are replaced by a single integrated off-the-shelf smartphone. On-board sensing, data acquisition, data uplink/downlink, state estimation and real-time feedback control objectives can be performed using this novel spacecraft ADCS. The attitude control and attitude determination (estimation) schemes have appeared in prior publications, but are presented in brief here. Experimental results from running the attitude estimation (filtering) scheme with the "onboard" sensors of the smartphone in the HIL simulator are given. These results, obtained in the Spacecraft Guidance, Navigation and Control Laboratory at NMSU, demonstrate the excellent performance of this estimation scheme with the noisy raw data from the smartphone sensors.

研究の動機と目的

• 商用市販品（COTS）のスマートフォンを搭載コンピュータとして用い、低コストでコンactかつ高性能な宇宙機ADCSの開発を目的とする。
• 従来のセンサブレークアウトボードやマイコン制御ユニットを置き換え、統合されたスマートフォンプラットフォームによるセンシング、データ処理、リアルタイム制御を実現する。
• スマートフォンセンサデータを用いた非線形フィルタリング方式の実装および実験的検証を行い、姿勢および角速度推定を実現する。
• 幾何力学の原則に基づき、VSCMGを用いた姿勢制御システムの設計と実験的評価を行い、スケーラブルかつ柔軟な宇宙機の姿勢制御を可能にする。
• 実際のセンサデータを用いたリアルタイムの3軸姿勢ダイナミクスのハードウェアインザループ（HIL）シミュレーションにおいて、スマートフォンを用いた実現可能性を示す。

提案手法

• システムは、複数の分離されたセンサおよび制御ユニットに代わって、標準のAndroid OSを搭載したCOTSスマートフォンを中央の搭載コンピュータとして使用する。
• スマートフォンのIMUから得られる慣性測定値（加速度計、ジャイロスコープ、磁力計）を、ラグランジュ・ダレムベルの原理に基づく連続的および離散的非線形フィルタの入力として用いる。
• 姿勢推定フィルタは、四元数や局所座標を用いず、SO(3)上でのグローバルに有効な表現を採用し、ガウスノイズの仮定や姿勢ダイナミクスモデルの知識を必要としない。
• 主なフィルタの入力前に、高周波数ノイズを低減するために一次バターワース帯域制限フィルタを適用する。
• VSCMGアクチュエータモデルは、剛体運動の非線形多様体上での幾何力学を用いて導出され、一般的な簡略化仮定（例：ジンバルの慣性を無視、完全なアライメント）を緩和する。
• NMSUのHILテストベッドは3次元の宇宙機ダイナミクスをシミュレートし、スマートフォンがリアルタイムで状態推定と制御信号生成を実行する。センサデータは異なるサンプリングレートで入力され、直近の値による補間処理が施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COTSスマートフォンは、従来のマイコンベースのセンサおよび制御アーキテクチャに代わる実用的で統合された搭載コンピュータとして、宇宙機ADCSに適しているか？
• RQ2 ノイズの多い実世界のスマートフォンセンサデータを入力とした場合、非線形的で四元数に依存しないフィルタリング方式は、宇宙機の姿勢および角速度推定においてどの程度の性能を示すか？
• RQ3 実際のセンサノイズおよび動的条件下で、提案された推定方式は真の状態にどの程度収束するか？
• RQ4 スマートフォンベースのセンシングおよび制御ループを用いて、HIL環境でVSCMGベースの制御システムを効果的にモデル化およびシミュレートできるか？
• RQ5 実地のテストベッドから得た実センサデータに適用した場合、推定アルゴリズムの収束速度および誤差境界はどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 姿勢誤差行列の主角度として測定された姿勢推定誤差は、ゼロの小さな近傍に収束し、高い推定精度を示した。
• 角速度推定誤差はゼロの近傍に収束し、その近傍の大きさはセンサノイズの特性に依存した。
• 実験結果は、先行研究の理論的および数値的予測と良好に一致し、フィルタリング方式のロバスト性を裏付けた。
• 非線形フィルタは測定ノイズおよび有界な摂動に対してロバストであり、ほぼグローバル漸近安定性を維持した。
• バターワースプリフィルタの使用により、スマートフォンセンサからの高周波数ノイズが効果的に低減され、同時に本質的な剛体運動信号の歪みは生じなかった。
• 本システムは、搭載センシング、データ取得、状態推定、リアルタイムフィードバック制御を1台のスマートフォンプラットフォーム内で統合し、低コストの宇宙ミッションに実現可能であることを示した。