[논문]2개의 가변속 제어모멘트자이로를 이용한 인공위성의 자세제어

진재현

doi:10.5302/j.icros.2015.15.0166

2개의 가변속 제어모멘트자이로를 이용한 인공위성의 자세제어
Attitude Control of Spacecraft by Two Variable-Speed Control Moment Gyros 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.11, 2015년, pp.1027 - 1033

진재현 (순천대학교 우주항공공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

For the attitude control of spacecraft, two variable-speed control moment gyros are proposed as main actuators in the article. Since a variable-speed control moment gyro (VSCMG) makes two control torques (gyroscopic torque and reaction torque), two VSCMGs are sufficient for controlling 3-axes attitude. Additionally, there are no singular conditions for two non-parallel VSCMGs. Since gyroscopic torque is usually much greater than reaction torque, the control performances of approximately 3 axes may not be the same. However, several missions can be accomplished by controlling two axes. For such missions, a selective axes control method is proposed. The method selects two axes for a certain task and controls the attitude of the selected axes. For the remaining axis, angular speed is controlled for stabilization. A hardware-in-the-loop simulation has been used to test VSCMG modules and to verify the proposed method. Two VSCMGs can be alternative actuators for small satellites.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 빠른 2축 제어와 느린 1축 제어로 완수할수 있는 임무를 고려한다. 예들 들면, 통신을 위하여 지상의기지국을 향하는 것, 관측 장비를 목표 지점에 향하는 것, 달착륙선이 하강하면서 자세를 안정하게 유지하는 것 등의 임무에는 2개의 VSCMG로도 충분할 것이다.
그래서 임무 수행에 주요한 축을 설정하고 이 축에 대한 제어 성능을 중심으로 모듈을 배치하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 상황을 고려하여, 안정화를 위해서는 3축을, 자세제어는 2 축만 제어하는 방안을 제시한다. 그리고 특이 조건이 발생하지 않음을 확인하였고, 안정성 분석을 통하여 PI 타입의 제어기를 설계하였다.
생각한다. 이러한 목적으로 본 논문에서는 VSCMG 하드웨어 장치를 개발하여 다양한 제어 알고리듬을테스트 흐卜고, VSCMG 모듈의 동 특성을 연구할 수 있는 기반을마련하였다. 국내에서 하드웨어를 이용한 VSCMG연구는 사례가 매우 드문데, 추후에 실험장치를 지속적으로 개선하여 VSCMG의 특성에 대한 연구 결과를 축적할 것으로 기대한다.

가설 설정

) 은 VSCMG 모듈의 명령으로 사용되고, 짐 벌 각과 각속도 변화 (A/ = AQ = QAt) 가 가상 위성의 입력으로 사용되었다. 그리고 실제 휠의 관성모멘트 값을 사용하면, 휠 모터의각속도가 한계(3000 rpm)를 넘어서기 때문에, 가상적으로 10 배 정도 큰 휠을 가정하였다.

제안 방법

BILSAT-1은 마이크로 위성(질량 130 kg)인데, 두 개의 소형 CMC® 장착하여 위성의 고기동 제어실험을 수행하였다[7]. 이 위성에는 4개의 반작용 휠이 장착되어 있지만, 일종의 payload로 CMG를 장착하여 테스트하였다.
그리고 특이 조건이 발생하지 않음을 확인하였고, 안정성 분석을 통하여 PI 타입의 제어기를 설계하였다. HILS (Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하여, 제시한 자세제어 알고리듬을 테스트하였다. II 장에서는 VSCMG의 운동방정식을 전개하고, 111 장에서는 자세제어 방안을 제시하고, IV 장에서는 HILS 수행결과를 제시한다.
가상 위성의 관성모멘트와 초기조건은 3.4절의 것을 사용하였으며, 게인은 별도로 튜닝하였고, Kj = 0으로 두었다. 동역학은 부록 A.
예들 들면, 통신을 위하여 지상의기지국을 향하는 것, 관측 장비를 목표 지점에 향하는 것, 달착륙선이 하강하면서 자세를 안정하게 유지하는 것 등의 임무에는 2개의 VSCMG로도 충분할 것이다. 그래서, 임무나주어진 상황에 따라 주요 제어 대상 축 2개를 선택하고 이를위주로 제어하는 방법을 제시한다. 예시로 (°, 0) 자세 제어를주요 임무로 가정하고, 이 임무에 맞추어 시스템을 다음과같이 정리한다.
본 논문에서는 이러한 상황을 고려하여, 안정화를 위해서는 3축을, 자세제어는 2 축만 제어하는 방안을 제시한다. 그리고 특이 조건이 발생하지 않음을 확인하였고, 안정성 분석을 통하여 PI 타입의 제어기를 설계하였다. HILS (Hardware In the Loop Simulation) 시스템을 구축하여, 제시한 자세제어 알고리듬을 테스트하였다.
선택적 2축 자세의 경우, 요 축(yaw, axis 3) 제어의 부담을줄여주기 위하여 각속도 제어 게인은 다른 축의 0.2배(0.2 KP) 로 설정하였다. 결과(그림 5(b))를 보면 자세 제어가 수행되지않아서, 요 각도가 영 아닌 값으로 수렴하지만, 나머지 변수들(각속도 등)은 이상 현상 없이 동작한다.
위성의 자세제어를 위한 구동기로 가변 속 제어모멘트 자이로(WSCMG)를 제안하였고, 운동방정식과 특성을 분석하고, 제안한 제어 기법에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 HILS 를 이용하여 테스트하였다. 선택적인 2축 자세 제어와 3축안정화 제어 기법을 적용한다면, 2개의 VSCMG로도 다양한임무를 문제없이 수행할 수 있다고 판단된다.
수행하였다[7]. 이 위성에는 4개의 반작용 휠이 장착되어 있지만, 일종의 payload로 CMG를 장착하여 테스트하였다. 참고문헌 [8]에서는 2개의 CMG를 이용하여 위성을 안정화 시키느각속도를영으로 수렴시키는) 조건과 제어법칙을 제시하였고, 참고문헌 [9, 10]에서는 2개의 CMG로 rest-to-rest 기동을 위한 제어기법에 대한 연구 결과를 제시하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 VSCMG의 토크 출력 특성을 고려한 제어시스템 설계에 초점을 맞추고, 2개의 모듈을 장착한 시스템을 연구대상으로 설정하였다. VSCMG는 서로 독립적인 방향 (2 축)의 토크를 생성할 수 있기 때문에, 이론적으로 2개의 VSCMG가 있으면 3축 자세제어가 가능하지만 출력 토크의크기가 다르기 때문에 동등한 성능을 얻을 수는 없다.
제어모멘트 자이로(CMG: Control Moment Gyroscope)는 인공위성의 자세제어를 위하여 1960년대 중반부터 사용되었다. 출력토크가 크다는 특징 때문에, 대형 위성이나 Hubble 망원경, 우주정거장 등에 많이 사용되었으며, 기술적으로 성숙한단계에 이르렀다[1, 2].

이론/모형

자세 6, 6, 用는 & 를 이용하여 식 (9)를 이용하여 계산한다. 식 (9), (17) 의 적분을 위해서 Runge-Kutta 4차 방식을 사용하였다. 계산된 입력 명령 (u<.
인공위성의 자세는 Euler 각도로 나타내는데, 3-2-1 회전 (yaw 它->pitch roll 班 방식을 이용하여 기술한다.
짐 벌은 휠 모터의 크기 때문에 제한된 범위 내에서 회전하며, 베이스(險e) 는 고정하였다. 프로그램은 LabVIEW로 작성하였다[20].

성능/효과

그리고 이때, s, , 七 는 서로수직이 되기 때문에, 휠 속도(Q)가 영이 아니면 전체적으로는 특이 조건은 없다. 즉, 2개의 평행하지 않은 VSCMG 모듈을 사용하면 특이 조건 없이 3축 자세제어가 가능하다.

후속연구

이러한 목적으로 본 논문에서는 VSCMG 하드웨어 장치를 개발하여 다양한 제어 알고리듬을테스트 흐卜고, VSCMG 모듈의 동 특성을 연구할 수 있는 기반을마련하였다. 국내에서 하드웨어를 이용한 VSCMG연구는 사례가 매우 드문데, 추후에 실험장치를 지속적으로 개선하여 VSCMG의 특성에 대한 연구 결과를 축적할 것으로 기대한다.
선택적인 2축 자세 제어와 3축안정화 제어 기법을 적용한다면, 2개의 VSCMG로도 다양한임무를 문제없이 수행할 수 있다고 판단된다. 그래서 부피와무게의 감소라는 장점을 잘 활용한다면, 소형위성에 적용이가능할 것이다.
영향이 나타난다. 추후 감속기를 적용하여 짐벌 회전특성을 개선할 계획이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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