PD 姿勢制御 + RW

PD 姿勢制御コントローラの WASM Component ゲストプラグイン。スタートラッカ (STT) とジャイロスコープのセンサ読み値から姿勢誤差を計算し、リアクションホイール (RW) にトルク指令を出す。

制御則

Left-invariant quaternion error による PD 制御:

$$q_\text{err} = q_\text{target}^{-1} \otimes q_\text{current}$$ $$\boldsymbol{\theta}_\text{error} \approx 2 \cdot \text{vec}(q_\text{err}) \quad (\text{半球選択済み})$$ $$\boldsymbol{\tau} = -K_p \boldsymbol{\theta}_\text{error} - K_d \boldsymbol{\omega}$$

ゲストは Command::RwTorque(τ) を返し、ホスト側の ReactionWheelAssembly が各ホイール軸への投影・飽和処理を行う。

ビルド

cargo install cargo-component  # 未インストールの場合
rustup target add wasm32-wasip1 --toolchain 1.91.0

cd plugin-sdk/examples/pd-rw-control
cargo +1.91.0 component build --release

出力: target/wasm32-wasip1/release/orts_example_plugin_pd_rw_control.wasm

シミュレーション実行

TOML config でシミュレーションを実行:

cd plugin-sdk/examples/pd-rw-control
orts run --format csv

orts.toml に宇宙機パラメータ、WASM プラグインパス、センサ、RW を全て記述。Rust の再コンパイルなしに .wasm と config だけで制御則を差し替えられる。

初期姿勢誤差 30°（複合軸）、初期角速度あり、重力傾斜外乱込みで 120 秒のシミュレーション。

プロット

cd plugin-sdk/examples/pd-rw-control
uv run plot.py

設定

JSON config blob で初期化:

{
  "kp": 1.0,
  "kd": 2.0,
  "target_q": [1, 0, 0, 0],
  "sample_period": 0.1
}

• kp: 比例ゲイン（デフォルト 1.0）
• kd: 微分ゲイン（デフォルト 2.0）
• target_q: 目標姿勢クォータニオン [w, x, y, z]（デフォルト identity）
• sample_period: 制御サンプル周期 [s]（デフォルト 0.1）

シミュレーション結果

初期姿勢誤差 30°（複合軸）+ 初期角速度あり、重力傾斜外乱込みで 120 秒間のシミュレーション:

• 上段: 姿勢誤差 [deg] — 30° から急速に収束、20 秒以内に <1°
• 中段: 角速度 [rad/s] — 振動しながら減衰、60 秒で整定
• 下段: RW 角運動量 [N·m·s] — GG 外乱により緩やかに蓄積（unloading 未実装）

Oracle テスト

native PD+RW 実装と WASM ゲストの比較テスト:

cargo test -p orts --features plugin-wasm --test oracle_plugin_wasm_pd_rw

• wasm_pd_rw_matches_native: native と WASM が 1e-4 以内で一致（quaternion 乗算の浮動小数点演算順の差が 60 秒で蓄積）
• wasm_pd_rw_converges: 初期 10° → <1° に収束、角速度 <0.01 rad/s

センサ

ゲストは以下のセンサ読み値を使用（ホスト側 SensorBundle が tick ごとに評価）:

センサ	型	用途
star_tracker	AttitudeBodyToInertial	姿勢クォータニオン（誤差計算）
gyroscope	AngularVelocityBody	角速度（微分項）

センサが未設定の場合、ゲストはエラーを返す（暗黙のフォールバックなし）。

TODO

• RW momentum unloading（磁気トルカによるデサチュレーション）
• 可視化プロット (plot.py)
• RRD 出力対応（現在は CSV 直接出力）