Dissertação

{en_GB=Attitude Determination and Control System of the ORCASat} {} EVALUATED

{pt=O objetivo desta tese é projetar um Sistema de Determinação e Controle de Atitude (ADCS) capaz de atender aos requisitos de missão do ORCASat, um CubeSat 2U: Capacidade de desacelerar o satélite de velocidades angulares iniciais elevadas; Garantir um erro entre a atitude real e a desejada inferior a 10°; E garantir um erro de estimação de atitude inferior a 2°. O controlo ativo do ADCS é feito através de atuadores eletromagnéticos, enquanto um volante de inércia assegura a estabilização passiva da atitude. Quatro algoritmos diferentes de controlo de atitude - Constant Gain Controller, Finite Horizon Controller, Infinite Horizon Controller e Sliding Mode Controller - foram testados e comparados em termos de eficiência e precisão. O algoritmo com melhor desempenho foi depois selecionado e analisado em diferentes cenários. Por forma a desacelerar o satélite, uma versão melhorada do controlador B-dot foi implementada e o seu desempenho foi testado em diferentes condições. O satélite tem como sensores de atitude quatro sensores solares, um magnetómetro e um giroscópio. O Quaternion Estimator (QUEST) foi implementado por forma a inicializar o principal estimador de atitude, o Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF). Um filtro para a calibração em tempo real do magnetómetro, o Magnetometer Calibration Extended Kalman Filter, foi estudado e implementado como uma tentativa de melhorar o desempenho do MEKF. Todas as simulações foram realizadas num ambiente realista desenvolvido em Matlab/Simulink. Os resultados das simulações realizadas mostraram que o ADCS proposto é capaz de satisfazer com êxito os requisitos de missão estabelecidos., en=The goal of this thesis is to design an Attitude Determination and Control System (ADCS) capable of achieving the mission requirements of the ORCASat, a 2U CubeSat: Ability to detumble the satellite from high initial angular velocities; Guarantee a pointing error smaller than 10°; And guarantee an attitude estimation error smaller than 2°. The active ADCS control is provided by magnetorquers while a momentum wheel is used for passive attitude stabilization. Four different attitude control algorithms – Constant Gain Controller, Finite Horizon Controller, Infinite Horizon Controller, and Sliding Mode Controller - were tested and compared in terms of efficiency and pointing accuracy. The best performing algorithm was selected, and its performance was analyzed under different scenarios including model uncertainties such as the inertia matrix uncertainty and the momentum wheel performance degradation. In order to detumble the satellite, a modified B-dot controller was implemented, and its performance was tested under different conditions. The ORCASat’s attitude sensor suite includes four sun sensors, a magnetometer, and a gyroscope. The Quaternion Estimator (QUEST) algorithm was implemented to initialize the main attitude estimator, the Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF). A real-time magnetometer calibration filter, the Magnetometer Calibration Extended Kalman Filter, was implemented and studied as an attempt to improve the performance of the MEKF. Different cases were devised to analyze the performance of these algorithms. All the simulations were performed under a realistic Matlab/Simulink environment. The different simulations showed that the proposed ADCS could fulfill the mission requirements, even with the existence of model uncertainties.}
{pt=ADCS, CubeSat, estimação de atitude, controlo de atitude, calibração de magnetómetro, atuador eletromagnético, en=ADCS, CubeSat, attitude determination, attitude control, magnetometer calibration, magnetorquer}

Setembro 8, 2020, 17:0

Orientação

ORIENTADOR

Afzal Suleman

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Catedrático