Pikoműhold orientációjának aktív szabályozása a Föld mágneses terének kihasználásával

OData támogatás
Konzulens:
Dr. Kiss Bálint
Irányítástechnika és Informatika Tanszék

A diplomaterv tárgya egy olyan irányítási algoritmus kidolgozása, mely alacsony Föld körüli pályán keringő pikoműholdak orientációjának stabilizálására alkalmas.

A pikoműhold (CubeSat) szabványos, kisméretű műholdtípus, mely manapság nagy népszerűségnek örvend és elsősorban oktatási célokra használatos. Ilyen műhold az egyetemünkön kifejlesztett Masat-1 is.

A műhold térbeli helyzetének, vagyis Földhöz képesti orientációjának beállítása alapvetően két okból szükséges: egyrészt az irányfüggő antennát és szenzorokat kell megfelelő helyzetben stabilizálni, másrészt a napelemek napfényből származó hőterhelésének kiegyenlítődése végett szükséges az egyik tengely körüli forgás.

Az irányítási algoritmushoz háromféle szenzor szükséges: egy 3D MEMS alapú szögsebesség-mérő, egy Nap-szenzor (fotodiódák, amelyeknek a Nap fénysugarainak beesési szögétől függő kimenetét egy külön számító egység feldolgozza, és ez alapján meghatározza az aktuális orientációt – ez az algoritmus nem része a dolgozatnak), illetve egy mágneses teret mérő érzékelő. A beavatkozó szerveket a műhold három egymásra merőleges oldalán elhelyezett egy-egy tekercs adja. A tekercsekre kapcsolt áramokból a Föld mágneses terének segítségével keletkezik az a forgatónyomaték, amelynek segítségével a műhold orientációját változtatni tudjuk. A tekercsek csak a beavatkozó forgatónyomaték keltésére adnak módot, viszont a beavatkozó nyomatékok megválasztása a szabályozási törvény szerint, az alapjelként megadott orientáció alapján történik, emiatt ez az aktív szabályozás sokkal rugalmasabb, hatékonyabb a passzív módszereknél (pl. rúdmágnes).

A dolgozat az alábbi négy témakörrel foglalkozik részletesen:

1. A műhold és a környezet modellezése: a forgómozgás dinamikája, a tekercsáramok és a forgatónyomaték közti kapcsolat, a Föld mágneses tere, haladó mozgás (keringés), zavaró forgatónyomatékok.

2. A szenzorok és aktuátorok modellezése, valamint állapotbecslés a szenzorjelekből.

3. Szabályozási algoritmusok: lineáris, részleges állapot-visszacsatolással működő fékező szabályozó, valamint pályamenti stabilitást biztosító, egzakt linearizálás alapú nemlineáris, iránykövető szabályozó.

4. Az elkészült algoritmusból beágyazott C kód generálása, majd egy processor-in-the-loop (PIL) teszt segítségével a kód verifikálása. Ennek során egy STM32F4 Discovery fejlesztőkártyát használtam, melyben egy 32 bites, ARM Cortex-M4 magú STM32F407 mikrokontroller található.

A kidolgozott algoritmus kísérleti implementálását és tesztelését Matlab/Simulink környezetben végeztem.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.