研究紹介

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超小型三軸姿勢制御の研究

研究概要


人工衛星の小型化や低コスト化、省スペース化を実現するためには、姿勢制御に必要な装置(センサやジャイロ等)の重量や体積は可能な限り低減することが効果的です。

本研究では、ホイールやジャイロ等を1つにパッケージ化して人工衛星などに搭載できる小型モジュールの研究開発を行っています。

従来よりも小型かつ軽量の人工衛星の実現のほか、さまざまな分野での応用をめざしています。

31mmサイズのモジュールがJEM自律移動型船内カメラ(Int-Ball)に搭載されています。詳しくはこちら



研究紹介動画


超小型三軸姿勢制御モジュール超小型三軸姿勢制御モジュール(2分01秒)



超小型三軸モジュール(10cm)の実験映像超小型三軸モジュール(10cm)の実験映像(0分29秒)



超小型三軸モジュール(31mm)の実験映像超小型三軸モジュール(31mm)の実験映像(1分07秒)


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超小型三軸姿勢制御モジュールの概要

三軸姿勢制御モジュール試作機の外観
三軸姿勢制御モジュール試作機の外観


  • 総重量は1.34 kg(無線通信機・バッテリを含む)、サイズ10×10×10 cm3を実現しました。
  • 制御計算機はシステムオンチップ(PSoC®)を搭載し、50Hz周期で計測制御します。
  • IMU(慣性基準装置)はMEMSセンサを6台、モータはブラシレスDCモータを3台採用しました。
  • MEMSチップの慣性センサ6台(1台でレート3軸、加速度3軸計測可能)を頂点に配置することで、姿勢推定精度を向上しています。
  • 3軸ホイールのモータにはブラシレスDCモータを使用し、モータホイール回転数の計測にはモータ内蔵のホールセンサを使用しています。
  • ホイール各軸には新たに開発した薄型電磁ブレーキを搭載しています。
  • 電磁ブレーキは励磁時に2.1Nmの制動トルクを発生し、消磁時間も含め、6000rpmのホイール回転数を100ms以内にゼロとすることができます。
  • その他、テレメトリ受信・コマンド送信用無線通信機、小型リチウムポリマバッテリーなどで構成されています。


超小型三軸姿勢制御モジュールの応用先

本モジュールは、以下のような用途での応用が考えられます。

  • 超小型衛星の姿勢制御モジュール
  • 惑星探査ローバ
  • 集団群制御モジュール
  • 航空ドローンの姿勢安定モジュール

等応用先多数

開発した超小型三軸モジュール技術は、誘導制御計算機・6軸慣性センサ・3軸ホイールを約50g、約31mm角サイズにまで実現されています。並進制御のマイクロファン機能も拡張具備可能です。




31mmサイズのモジュールは、「JEM自律移動型船内カメラ(Int-ball)」のメイン制御系として搭載され、現在の位置・姿勢を正確に把握し、目標の位置・姿勢に制御する役割を担っています。

JEM自律移動型船内カメラ(Int-ball)


CG動画


超小型三軸姿勢制御モジュール~「きぼう」船内ドローン(Int-ball)への応用~超小型三軸姿勢制御モジュール~「きぼう」船内ドローン(Int-ball)への応用~(2分44秒)


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研究実績

発表論文
  • 巳谷、茂渡、神澤、山中、 "超小型三軸姿勢制御モジュールの研究"、第59回宇宙科学技術連合講演会、かごしま県民交流センター、2015
  • Mitani、 Shigeto、 Kanzawa and Yamanaka、 "High-Agility、 Miniaturized Attitude Control Sensors and Actuators in an All-in-one Module"、 ISTS30 Special Issue、 Vol. 14 (2016) No. ists30
  • Kato、 Tanishima、 Yanagase、 Tsumaki and Mitani、 "Control of Rocket-propelled Miniature Exploration Robot"、 ICRA、Singapore、 2017

特許(公開)
  • 「制動機構、制動機構を備えるリアクションホイール、リアクションホイール装置、リアクションホイールシステム」、出願人:JAXA、出願日:2015年6月29日、特開2017-17807

外部資金
  • 科研費若手(B)「磁気軸受と電磁ブレーキを用いた超小型高性能リアクションホイールの開発」、研究代表者:茂渡、期間:2017-2018年、研究課題/領域番号:17K18428


広報

  1. 第59回宇宙科学技術連合講演会特別講演3「国立研究開発法人JAXAの研究開発戦略」の中で本研究のデモ機紹介(2015年10月9日)
  2. 2015国際ロボット展においてMAXON JAPANブースに10cmサイズデモ機出展(2015年12月2-5日)
  3. Itmediaニュース「一つの頂点で直立するロボット JAXA開発(動画あり)」(2015年12月2日更新)
  4. 第20回機械要素技術展において三木プーリブースに10cmサイズデモ機出展(2016年6月22-24日)
  5. NHK WORLD TV 「Science View」(海外向け)に、10cmサイズデモ機と共に出演(2016年8月10-16日)
  6. 三木プーリ社「MIKI PULLEY GROUP NOW」No.191に掲載(2016年8月)
  7. MAXON JAPAN社「30周年記念誌」インタビュー記事に掲載(2016年10月)
  8. H28年度JAXA筑波宇宙センター特別公開の「宇宙ロボット実験室大公開!」に出展(2016年10月15日)
  9. NHK「コズミックフロントNEXT」に、10cmサイズデモ機と共に出演(2017年1月15日放映)
  10. 研究開発部門紹介イメージ映像に出演(2017年4月から筑波宇宙センター展示館スペースドーム等で上映開始)