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 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 • DECIGO pathfinder • 3基のドラッグフリー衛星による • DECIGOの前哨衛星 フォーメーションフライト • 宇宙に持っていくことで • DECIGOで必要な科学技術に • 基線長を大幅に延長可能 • 地上固有の雑音を回避可能 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 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 法政大学 本間彰 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 スペースクラフト ⇒ 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 試験 質量 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 • フロート機構 • アルミニウム製 • 圧縮空気で試験質量を浮かせる • 試験質量：50mm角 • エアベアリングを用いる • スペースクラフト：W85ｘD85ｘH25mm • 自由質点を実現+自由度の制限 • 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 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 • コイルマグネット • 試験質量の距離の変化を反射する • コイルによる磁場と永久磁石との 相互作用 LEDの光の強度で測定 • 試験質量の位置、回転を測定 • スペースクラフトを制御 • オフセットを引いてゼロ点回りの • マグネットはスペースクラフトに固定 信号に変換する必要 • コイルはスペースクラフトの外側に設置 400 350 電圧[mV] 300 250 200 150 100 50 0 0 1 2 3 4 距離[mm] 5 6 7 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 法政大学 本間彰 実験装置 • 並進 𝒙, 𝒚 y Coil4 • 回転 PS4 Test Mass 𝜽 Coil1 PS1 x PS2 PS3 Spacecraft Coil2 Coil3 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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 テストマス センサ1 + + センサ2 アクチュエータ センサ センサ3 フィルタ フィードバック制御ループ + + - X フィルタ Θ フィルタ Y フィルタ + コイル1 + - コイル2 + + + コイル3 - センサ4 制御マトリクス コイル4 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 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° Gain Gain UGF 1 f Gain 1 自由質点 f1 Phase 0 90 0 f f1 UGF f 制御系全体 Phase f1 f2 - 180 自由質点 f2 1 ラグリードフィルタ Phase - 180 f2 f ラグリードフィルタ 0 f - 90 - 180 f1 f2 制御系全体 f 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 実験結果 –誤差信号の時間変化 法政大学 本間彰 2010/09/14 物理学会@九州工業大学 実験結果 –実験機のopen 法政大学 本間彰 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 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 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 法政大学 本間彰
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