Dissertação

{en_GB=Development of an Air-Bearing-Based Satellite Attitude Simulator and Testing of an ADCS Solution} {} EVALUATED

{pt=Nos últimos anos, o interesse por nano-satélites tem vindo a crescer. Entre a tecnologia envolvida nestes veículos, é de destacar o sistema de determinação e controlo de atitude (ADCS). Uma particularidade dos projetos espaciais prende-se com a dificuldade em testar as tecnologias num ambiente que simule as condições a que o veículo estará sujeito. O principal objetivo desta dissertação é desenvolver um protótipo que permita testar os sistemas de ADCS desenvolvidos no âmbito do projeto NANOSTAR. Para isso, um ADCS que utiliza rodas de momento e "magnetorquers" é considerado. A determinação da atitude é baseada em medidas de um giroscópio, magnetómetro e acelerómetro. As rodas de momento são usadas para direcionar o satélite na direção Nadir. Dois controladores ótimos em regime estacionário são considerados, um controlador LQR e um controlador LQR com ação integral. Os "magnetorquers" são usados para "detumbling" e descarga de momento. Três algoritmos de estimação são considerados, dois dos quais baseados em filtros de Kalman, um deles formulado em ângulos de Euler e o outro em quaterniões. O terceiro filtro é baseado na técnica SLERP. Os algoritmos são testados num ambiente de software que simula de forma realística as condições a que o satélite estará sujeito no espaço. De seguida, o design de uma plataforma de testes e de um protótipo de um CubeSat são descritos. Resultados referentes ao desempenho do sistema ADCS são apresentados tanto no ambiente de simulação como no ambiente experimental., en=There is a recent growth on the interest for nanosatellites. A key particularity of space projects is the difficulty to test the technologies in a realistic environment before the mission is deployed. The Attitude Determination and Control System (ADCS) is a critical subsystem in a nanosatellite. The main goal of this thesis is to help the NANOSTAR project to overcome this difficulty by designing a ground prototype to test the ADCS system and provide grounded studies on the attitude control and determination algorithms that can be employed in the missions. To this end, a low-cost ADCS is projected, having momentum wheels and magnetorquers as actuators. Attitude estimation is based on vector measurements provided by a magnetometer, rate gyroscope and accelerometer. Two optimal control strategies are used for Nadir pointing using the momentum wheels, namely an LQR controller and an LQR controller with integral action. Detumbling and momentum dumping are accomplished through the use of magnetorquers. Three estimation filters are considered, two based on Kalman filtering, one of them formulated on Euler angles and the other on quaternion. The third filter is based on the SLERP technique. The control and estimation algorithms are tested in a software simulation platform that describes the space environment realistically, allowing orbit generation and propagation. Then, a test bench and a CubeSat prototype are desgined and built, allowing to test the algorithms on ground, thus reducing the risk of failure. Results for the ADCS system performance are presented both from the simulation and the experimental environments.}
{pt=Nano-satélites, Controlo Ótimo, Filtros Complementares, Ensaios em Voo, en=Nanosatellites, Optimal Control, Complementary Filters, Ground-testing}

Março 3, 2021, 15:0

Orientação

ORIENTADOR

Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Catedrático