Projeto e simulação do sistema de validação e testes de controle de atitude com aplicação em micro-satélites

• Ano de defesa: 2016
• Autor(a) principal: Arnaldo Ferreira de Oliveira Junior
• Orientador(a): Helio Koiti Kuga, Valdemir Carrara
• Banca de defesa: Élcio Jeronimo de Oliveira, Osamu Saotome
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Mecânica Espacial e Controle
• País: BR
• Resumo em Inglês: This work shows by mathematical modeling of the sensors (magnetometer, solar sensor and MEMS Gyros) and the actuators (magnetic coils), a computer simulator representing the real characteristics of attitude determination and control system for Cubesat missions at INPE and will be embedded in onboard computer of satellite NBR-2, a Cubesat in development with scheduled launch at 2016. In order to extract usefull information from onboard experiments, the satellite should rely in an attitude determination system. The algorithm of attitude determination should be deterministic, obtaining the attitude parameters direct from measurements of sensors wich are contaminated with noise. The TRIAD or QUEST methods will be used for attitude determination; the estimation process of attitude and gyros bias will be executed by a Kalman filter. A rigid body dynamics without external torques, together with the kynematic equations, will be employed for the filter state propagation in terms of quaternions. The attitude control system, in nominal mode, should point one face of NBR-2 to Earth, with accuracy around five degrees. The Kalman filter equations, the state variables dynamic equations and the results from attitude and orbit simulation will be presented. This results will be used in embedded code of ADCS (Attitude Determination and Control System) for next Brazilian missions based on Cubesat. The main characteristics of NanoMind onboard computer of the NBR-2 is presented, as well as the FreeRTOS operational system. Results show that the Kalman filter algorithm, even under inaccurate initial conditions, can converge. This results will be usefull in software coding for NBR satellite program, or others ADCS softwares to be developed by INPE based on the Cubesat plataform.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2016/07.14.00.14

Neste trabalho apresentaremos por meio de modelagem matemática dos sensores (magnetômetro, sensor solar e giroscópios MEMS) e dos atuadores (bobinas magnéticas) um simulador que represente as características reais do sistema de determinação e controle de atitude a serem desenvolvidos pelo INPE e que serão embarcados no computador de bordo do satélite NBR-2, um Cubesat 2U em desenvolvimento com lançamento previsto para 2016. De forma a extrair informações úteis dos experimentos de bordo, o satélite deverá contar com um sistema de determinação de atitude. O algoritmo de determinação de atitude deve ser determinístico, obtendo os parâmetros de atitude diretamente a partir das medidas efetuadas pelos sensores, que são contaminadas com ruído. O método TRIAD será utilizado na determinação de atitude; o processo de estimação de atitude e do viés do giroscópio será executado por um filtro de Kalman. A propagação do estado será feita pela dinâmica do corpo rígido livre de torques externos, e pela equação da cinemática em quatérnio. O sistema de controle de atitude deverá, em seu modo nominal, efetuar o apontamento de uma das faces do NBR-2 para a Terra com precisão ao redor de cinco graus. O equacionamento do filtro, as equações de propagação e os resultados de simulação do movimento do satélite em órbita serão apresentados. Estes resultados serão utilizados na codificação do software a ser embarcado nas próximas missões brasileiras baseadas em Cubesats. Para codificação do software serão apresentadas as principais características do computador de bordo NanoMind do NBR-2, bem como o sistema operacional FreeRTOS. Os resultados mostram que o algoritmo do Filtro de Kalman, mesmo sob condições iniciais imprecisas, é capaz de convergir. Estes resultados serão úteis na codificação de software dos satélites do programa NBR-2, além de outros programas a serem desenvolvidos pelo INPE baseados na plataforma Cubesat.