Yadegari, Hamed;Khouane, Boulanouar;Yukai, Zhu;Chao, Han
Advances in aircraft and spacecraft science
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제5권4호
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pp.459-475
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2018
In the field of aerospace engineering, accurate control of a spacecraft's orientation is often very important to mission success. Therefore, attitude control is a technically plentiful and extensively studied subject in controls literature during recent decades. This investigation of spacecraft attitude control is assumed to address two important aspects of the problem solutions. One sliding mode anti-disturbance control for utilization of faulty actuator components and another one disturbance observer based control to improve the pointing accuracy in the absence of anti-vibration equipment for the elastic appendages like a solar panel. Simultaneous occurrence of vibration due to flexible appendages and reaction degradation due to failure in attitude actuators complicates this case. The advantage of this method is acquisition proper control by the combination of disturbance observer and sliding mode compensation that form a fault tolerant control for the concerned satellite attitude control system. Furthermore, the proposed composite method indicates that occurrence the failure in actuators and even elastic solar panel vibration effect may be handled directly without reconfiguring the control components or providing piezoelectric devices. It's noteworthy, attitude quaternion and angular velocity commands are robustly tracked via controllers to become inclined to zero.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제11권3호
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pp.167-174
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2010
The design, dynamics, and control allocation of tri-rotor unmanned aerial vehicles (UAVs) are introduced in this paper. A trirotor UAV has three rotor axes that are equidistant from its center of gravity. Two designs of tri-rotor UAV are introduced in this paper. The single tri-rotor UAV has a servo-motor that is installed on one of the three rotors, which enables rapid control of its motion and its various attitude changes-unlike a quad-rotor UAV that depends only on the angular velocities of four rotors for control. The other design is called 'coaxial tri-rotor UAV,' which has two rotors installed on each rotor axis. Since the tri-rotor type of UAV has the yawing problem induced from an unpaired rotor's reaction torque, it is necessary to derive accurate dynamic and design control logic for both single and coaxial tri-rotors. For that reason, a control strategy is proposed for each type of tri-rotor, and nonlinear simulations of the altitude, Euler angle, and angular velocity responses are conducted by using a classical proportional-integral-derivative controller. Simulation results show that the proposed control strategies are appropriate for the control of single and coaxial tri-rotor UAVs.
Lee, Junhak;Kim, Heyone;Oh, Sang Heon;Do, Jae Chul;Nam, Chang Woo;Hwang, Dong-Hwan;Lee, Sang Jeong
Journal of Positioning, Navigation, and Timing
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제7권2호
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pp.91-103
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2018
Conventional inertial measurement units cannot be used in the spinning vehicle with high rotation rate due to gyro's narrow operation range. By the way, angular acceleration can be measured using the accelerometer array distributed in the vehicle. This paper derives a mechanization for the gyro-free INS in the navigation frame, and proposes a gyro-free INS algorithm based on the derived mechanization. In addition, the proposed algorithm is used to estimate angular velocity, attitude, velocity, and position of a spinning vehicle with high rotation rate. A MATLAB-based software platform is configured in order to show validation of the proposed algorithm. The reference trajectory of a spinning vehicle at 3 round per second, 30 round per second are set up, and the outputs of accelerometer are generated when triads of accelerometer are located at the origin and all the axes. Navigation results of the proposed algorithm for the generated output are presented. The results show that the proposed navigation algorithm can be applied to the spinning vehicle with high rotation rate.
In this paper, attitude control laws are proposed for an underactuated spacecraft. The stabilization problem of the complete system including the kinematics as well as the dynamics of the spacecraft is addressed. The quaternion parameterization is used. The key idea is that the angular velocity of a uncontrolled axis is first regulated and then, the other states are regulated. Based on numerical simulations, it is conjectured that the closed-loop nonlinear system of a spacecraft with the proposed control laws is globally asymptotically stable. The control law for the stabilization problem around the origin as well as the command following problem are proposed. The numerical examples indicate that the stabilization of an underactuated asymmetric spacecraft can be achieved successfully.
The steady rotating flows in eccentric annulus has been studied by a numerical method based on the spectral collocation method. The inner cylinder has a constant angular velocity while the outer on e is stationary. Flow between eccentric cylinders is of considerable technical importance as it occurs in journal bearings. In the present work, the governing equations for laminar flow are expressed as Navier-Stokes equations, including the non-linear convection terms. The solutions were utilized i, estimate the effects of the nonlinear terms on the load acting on the rotating cylinder. Based on the half and the full Sommerfeld methods, the load on the rotating cylinder is evaluated with eccentricity, by integrating the pressure and skin friction around the cylinder. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are calculated from the load. Also, the torque on the rotating inner cylinder was calculated. considering the skin friction. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are decreased with eccentricity. Viscous damping coefficient due to the skin friction becomes larger with decreasing the annular space. It is found the non-linear effects of the convection terms on the flow and the load are important. especially on the attitude angle, for relatively wide annular configurations however, the effects on those are minor for very narrow annular ones.
The dynamic characteristics of flight sensors is obtained by a simple method that deploys a pendulum with a rotary encoder. The encoder output is used with kinematic relations to derive reference signals for various flight sensors, including position, velocity, attitude, and angular rate sensors as well as accelerometer and magnetic sensors. A time delay of 0.4 seconds is found in the position output of the flight sensor under investigation. A logic to compensate for the time delay using a velocity information is proposed and validated in flight tests.
Yi Keon-Young;Kim Yong-Jun;Chung Sam-Yong;Han Song-Soo;Lee Sang-Heon
International Journal of Control, Automation, and Systems
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제4권4호
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pp.524-528
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2006
A controller built with the gyro effect for a balance-beam can freely control the attitude of an unstructured object by changing the position of an inner gimbal. In this paper, we propose a new balance-beam controller that can detect the inertia of the load to limit the velocity of the load commanded by a user. We found that when there was smaller load inertia, a larger restoration displacement occurred. Therefore, the load can be identified by issuing a predefined command to measure the restoration displacement, which enables us to construct a controller that can limit the angular velocity of the load by planning the motion. Experimental results show the performance of the controller with different loads.
In order to develop navigation systems, simulators that provide navigation sensors data are required. A trajectory generator that simulates vehicle motion is needed to generate navigation sensors data in the simulator. In this paper, a trajectory generator for evaluating navigation system performance is proposed. The proposed trajectory generator consists of two parts. The first part obtains parameters from the motion scenario file whereas the second part generates position, velocity, and attitude from the parameters. In the proposed trajectory generator six degrees of freedom, halt, climb, turn, accel turn, spiral, combined, and waypoint motions are given as basic motions with parameters. These motions can be combined to generate complex trajectories of the vehicle. Maximum acceleration and jerk for linear motion and maximum angular acceleration and velocity for rotational motion are considered to generate trajectories. In order to show the usefulness of the proposed trajectory generator, trajectories were generated from motion scenario files and the results were observed. The results show that the proposed trajectory generator can accurately simulate complex vehicle motions that can be used to evaluate navigation system performance.
In this paper, we propose an attitude controller for an unstructured object using CMG(Control Moment of Gyro) subsystem, which has a stabilizer function. The CMG subsystem consists of one motor for spinning the wheel and the other motor for turning the outer gimbal. While the wheel of CMG subsystem is spinning at high speed, applying force to the spin axis of the wheel leads the torque about the vertical axis. We utilize the torque to control the attitude of object in this study. For the stabilizer function, in additiion, holding the load at the current position, the power applied to the gimbal motor of CMG will be cut, which result in the braking force to stop the load by gyro effect. However, due to the gear reduction connected to outer gimbal, slow load motion cannot generate the braking force. Thus, in this study, we are willing to make a holding force by applying control power to the gimbal motor from the signal of piezoelectric gyroscopic sensor that detected the angular velocity of the load. These two features are demonstrated in experiment, carrying a beam with crane. As a result, load was started to rotate by controlling gimbal positiion and was stopped by turning off the gimbal power. Moreover, slow movement of the load was also rejected by additional control with gyroscopic sensor.
반작용과 자이로를 사용하는 저궤도 위성체의 3축 제어에서 반작용휠은 휠 속도나 운동량으로 제어토크를 만들고 자이로는 자세각과 자세각속도를 측정한다. 본 논문에서 저궤도 위성체의 다이나믹 모델링은 기본적인 본체만을 고려한 강체에 태양전지판 등을 고려한 연성체의 회전운동방정식과 반작용휠로 구성된다. 강인제어기$(H_\infty)$는 외란에 의한 모델이 가변될 수 있는 강체 및 연성체를 포함한 플랜트를 안정화시키기 위해 적용하였으며, 기존 저궤도 위성체를 안정화시키기 위해 사용된 PI 제어기와 성능을 비교하여 자세제어에 필요한 위상제어의 우수성을 보여주는데 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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