Design and control of ground test set-up for attitude control of nano-sized satellite
Nano ebatta uydunun yönelim kontrolü için yer test düzeneğinin tasarımı ve kontrolü
- Tez No: 686749
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Soğuk savaş yıllarından itibaren yoğun şekilde çalışma yapılan uzay çalışmaları günümüzde öncü ülkeler olan Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya Federasyonu'nun baskınlığı devam ettirmesine rağmen tüm dünyaya yayılmış durumdadır. Özellikle teknolojinin ucuzlaması ve yaygınlaşması ile bilimsel bilgi daha kolay ulaşılabilir hale gelmiştir. Uzay sektörünün çalışmaları göz önünde bulundurulduğu zaman direk ve dolaylı olarak teknolojinin ilerlemesine yaptığı katkı ülkelerin politikasına yansıyarak savunma ihtiyaçlarını gerçekleştirebilmek için önemli bir yer elde etmiştir. Uydular istihbarat, haberleşme, metorolojik gözlemler, astronomi çalışmaları, konum belirleme, uzay ortamı inceleme, ve günümüzde özel sektöründe uzay çalışmalarını arttırmasıyla tüm dünyaya internet erişiminin sağlanması gibi çeşitli çalışmalarda önemli bir yere sahiptir. Bu öneme binaen uzay alanında yetişmiş insan ihtiyacı özellikle üniversitelerin ilgisini uydu çalışmalarına yöneltmesine sebep olmuştur. California Polytechnic State University tarafından 1999 yılında standartları belirlenen küp uydular hafif olması, üretiminin üst düzey görev gerçekleştiren uydulara göre ucuz olması, sektöre yetişmiş insan sağlaması, yakın yörüngede bilimsel faaliyet yapılabilmesine olanak sağlaması ve disiplinler arası çalışma gerektirdiğinden dolayı üniversitelerde aktif şekilde çalışılmaya başlamıştır. Bir çok alt sistemden oluşan uyduların enerji depolamasına, elektronik komponentlerin çalışmasına olanak sağlamasında, haberleşmede, gözlem yapabilmesinde yönelim belirleme ve kontrol (ADCS) alt sistemleri önemli bir yere sahiptir. Bu tez çalışması kapsamında bir start-up projesi için gerçekleştirilecek olan küp uydu prototipi üzerine yerleştirilmiş 4 adet tepki tekerleği ve atalet sensörleriyle uydunun yönelim kontrolünün yapılabileceği, farklı kontrolcü ve filtrelerin kullanıcı tarafından tasarlanarak simülasyon ortamında testlerinin yapılabileceği ve gerçek sistem üzerinde yapılan deneyler ile simülasyon sonuçlarının doğrulanabileceği uzaktan erişime olanak sağlayan bir test düzeneği/laboratuvar ürününün üretilmeden önceki benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu test düzeneği için patent başvurusu yapılmıştır. Uydularda yönelimin sağlanabilmesi için proje misyonuna göre eyleyici tipi seçilmektedir. Tepki tekerlekleri, kontrol moment cayrosu, momentum tekerleği, manyetik tork çubuğu gibi eyleyiciler misyona göre farklı konfigurasyonlarda kullanılabilmektedir. Aktif yönelim kontrolünün temelinde fırçasız doğru akım motorları ve ona monte edilen ve uzay şartlarıma uygun şekilde tasarlanan volanlar kullanılmaktadır. Bu proje kapsamında dört adet reaksiyon tekerleği piramit konfigurasyon şeklinde nano ebatlarındaki uydu modeline entegre edilecektir. Tez çalışmasında yapılan benzetim çalışmasındaki hesaplamalar bu durum göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Reaksiyon tekerleğinin seçilmesinin sebebi, kontrol moment cayrosunun aksine, yönelim kontrolü gerçekleştirmek için motorların devamlı çalışarak güç tüketimine sebebiyet vermemesidir. Reaksiyon tekerlekleri ile yönelim kontrolü 3 tekerlek ile de gerçekleştirilebilirdi fakat tork gereksinimini sağlaması, motorlar için gerekli olan enerjinin daha az olması, motorların doyuma ulaşma ihtimalinin daha az olması ve hata toleransı çalışmalarına uygun olması sebebiyle dört adet reaksiyon dekerleği tercih edilmiştir. X ve Y eksenine iki motor, Z eksenine 4 motor etki edecek şekilde, 45 derece açı ile motorların yerleşimi yapılmıştır. Bu yerleşim tez içerisinde distribution matrix ile simule edilmiştir. DC motorun matematiksel modeli oluşturulurken tepki tekerleği yük olarak hesaba eklenmiştir. Sisteme motorların ürettiği tork etki edeceği için iç döngüde motor tork kontrolü gerçekleştirilmiştir. DC motor modeli doğrusal olarak kabul edildiği için herhangi bir doğrusallaştırma çalışması yapılmamıştır. Benzetim çalışması kapsamında kinematik, dinamik hesaplamalarla uydu hareketinin, motor modeli ve sensör modeliyle elektronik komponentlerin modeli oluşturularak doğrusal olmayan sistem modeli MATLAB/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Doğrusal olmayan sistem belirlenen zaman kriterlerine göre PID kontrolcü ile kontrol edilerek ilk sonuçlar elde edilmiştir. Sistemin cevabı hem sensör modeli ile hemde sensör modeli olmadan elde edilmiştir. Eğitim modülü olarak tasarlanan bu sistemde sensörler ve filtreler önemli bir yer tuttuğu için sensörden kaynaklanan gecikmeler, ölçüm ve süreç hataları modellenmiştir Doğrusal olmayan sistemin yönelim kontrolünde başarıya ulaşılmıştır. Filtresiz sensör modeli sebebiyle sistemdeki titreşimler bariz şekilde sonuçlara yansımıştır. Doğrusal olmayan modelden sonra uydu modülü belirlenen operasyon noktalarında doğrusallaştırılarak durum-uzay modeli elde edilmiştir. Doğrusallaştırma sonucunda sistemin 3 boyutlu rijit yapısından kaynaklanan birleşik etki (İng:couple effect) ortadan kaldırılarak sadece tekerleklerin ürettiği tork hesaplamalarda etkili olmuştur. Lineerleştirmenin test edilebilmesi için sadece doğrusal ve doğrusal olmayan sistem denklemleri değiştirilerek doğrusal sistemin doğrusal olmayan sisteme ne kadar yakınsadığı ölçülmüştür ve başarım ilgili şekilde gösterilmiştir. Doğrusallaştırılan sistem için Kalman filtresi tasarlanarak gerçek sistemde kullanılacak olan IMU sensörünün durum ölçümleri tahminlenmiştir ve sensör modelinden kaynaklanan ölçüm hataları azaltılmıştır. Doğrusal Kuadratik Düzenleyici (İng: Linear Quadratic Regulator), belirlenen performans kriterlerine ilişkin mümkün olan en iyi performansı sağlayan optimal bir kontrol tekniğidir. LQR'de amaç, optimum giriş ve durum hareketi sağlayan cebirsel Riccati denklemini çözerek gerekli durum geri beslemeli kontrolör K kazanç matrisini hesaplamaktır. Optimal kontrolü sağlamak için önce J performans indeksi belirtilmelidir. J maliyet fonksiyonunu oluşturan Q ve R ağırlık matrisleri sistem performansı üzerinde denge kurmaya yarayan matrisler olduğu için bu çalışmada optimum sonucu verecek model oluşturulmamıştır. Temel seviyede kontrolün gerçekleştirilmesi için bu ağırlık matrisleri birim matris olarak seçilmiştir. Lineer kuadratik regülatörün amacı referansı takip etmek olmadığından, integral eylemi ile referans hatasını ortadan kaldırmak için bir süreç geliştirilmiştir. Doğrusal ikinci dereceden entegratör (LQI) denetleyicisinin temeli, e(0) başlangıç koşulu için yeni hata vektörünü e(t) sıfır yapan kararlı (n+1)inci dereceden bir düzenleyici sistem tasarlamaktadır. Bu yeni A ̂ ve B ̂ matrisleri, K ̂ değerini elde etmek için cebirsel Riccati denkleminde kullanılacaktır. Kararlı durum hatasını yok etmek amacıyla uydu durum-uzay modeli zaman bölgesine göre belirlenen kriterler LQR tabanlı Integral kontrolcü (LQI) ile sağlanarak sonuçlar ayrı ayrı gösterilmiştir. Sonuç olarak, üretilmeden önce benzetim çalışması yapılarak sistemin çalışıp çalışmadığına dair ve kullanıcı tarafından tasarlanacak olan filtre ve kontrolcülerin performansına dair veriler bu tez kapsamında elde edilmiştir. PID kontrolcünün tasarlanabilmesi için zaman bölgesinde kriterlerin belirlenmesi gerekmektedir. Belirlenen kriterlere göre tasarlanan PID kontrolcünün roll, pitch ve yaw açısal konum referanslarına oturduğu gözlemlenmiştir. Yine, tasarlanan LQR tabanlı LQI kontrolcü ile de zaman bölgesinde başarım sağlanmıştır. İki kontrolcü arasında harcanan enerji miktarı, uydu gövdesine etki eden tork miktarı ve titreşim vb. gibi performans farkları bulunmakla birlikte tez çalışmasının odak noktası kontrolcü performanslarını karşılaştırmak olmadığı için başarımın sağlanması yeterli görülmüştür. Sonuç olarak, üretim öncesindeki benzetim çalışmalarını içeren tez kapsamında yapılan çalışma ile başarıya ulaşmıştır. Üretim aşamasına geçildiğinde tezde elde edilen sonuçlar gerçek sistem ile test edilip doğrulanacaktır
Özet (Çeviri)
Space studies, which have been intensively studied since the Cold War years, have spread all over the world, although the dominance of the leading countries which are the United States of America and the Russian Federation continues today. Especially with the cheapening and widespread use of technology, scientific knowledge has become more accessible. Considering the work of the space industry, its direct and indirect contribution to the advancement of technology has gained an important role in meeting the defense needs by reflecting on the policies of the countries. Satellites have an important place in intelligence, communication, meteorological observations, astronomy studies, navigation, space environment studies, and in various studies such as providing internet access to the whole world by increasing space studies in the private sector. Due to this importance, the need for those qualified in the field of space has led universities to direct their attention to space studies. Cube satellites, the standards of which were determined by California Polytechnic State University in 1999, have started to be actively studied in universities because they are light, their production is cheaper than satellites performing high-level missions, they provide qualified people, enable scientific activities in Low Earth Orbit, and require interdisciplinary work. Attitude determination and control (ADCS) subsystems have an important place in the energy storage of satellites which consist of many subsystems, enabling the operation of electronic components, communication, and observation. A simulation study for attitude determination and control was carried out before the production of a ground test setup/laboratory product that allows remote access. The attitude of the nanosatellite can be controlled with different controllers by using four reaction wheels and inertial sensors placed on a cube satellite prototype to be realized for a start-up project. A patent application has been filed for this test setup. Four reaction wheels will be integrated into the nano-sized satellite model in a pyramid configuration. The calculations in the simulation study were carried out by considering this situation. The reason why reaction wheels were chosen was that the motors were not running continuously to realize attitude control, and not causing power consumption like the control moment gyroscope. Attitude control with reaction wheels could be performed with 3 wheels, but 4 reaction wheels were preferred because they provide the torque requirement, the energy required for the motors is less, the motors are less likely to reach saturation, and are suitable for fault tolerance studies. The motors are placed at an angle of 45 degrees so that two motors act on the X and Y axis and 4 motors on the Z-axis. Within the scope of the simulation study, calculations of the satellite motion using kinematic and dynamic equations, and electronic components using motor and sensor models were perform and the nonlinear system was generated in MATLAB/Simulink environment. The first results were obtained by controlling the nonlinear system with a proportion integral derivation (PID) controller. Then, the system was linearized at the operation point and the state-space model was obtained. For the linearized system, Kalman Filter was designed and new state measurement was estimated and measurement errors caused by the sensor model were reduced. The satellite state-space model is controlled by designing the LQR based integral controller and the results are shown in detail. The time-domain performances of the controllers for nonlinear and linear systems are shown and interpreted.
Benzer Tezler
- Rocket engine altitude test facility design and 1D altitude simulation of IoX/LH2 propellant rocket engine
Roket irtifa test düzeneği tasarımı ve IoX/LH2 yakıtlı roket motorunun 1D irtifa simülasyonu
İSMAİL ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
- A model based flight control system design approach for micro aerial vehicles using integrated flight testing and hil simulations
Küçük boyutlu insansız hava araçları üzerinde sistem tanılama, uçuş kontrol sistem tasarımı ve donanım ile benzetim uygulamaları
BURAK YÜKSEK
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Farklı insansız hava araçları ile elde edilen görüntülerin otomatik fotogrametrik yöntemlerle değerlendirilmesi ve doğruluk analizi
Examination of images obtained from different unmanned air vehicles via automatic photogrammetric methods and accuracy analysis
DENİZ BİLGE KILINÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ELİF SERTEL
- IEEE 1149.1 standardı kullanarak test edilebilir lojik devre tasarımı
Testable lojik circit design by using IEEE 1149.1 standard
A.BETÜL TUNCER
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Toplu ve yaylı parametreli sistemlerde titreşim gücünün dağılımı: Bir kalite kontrol sistemine uygulanması
Başlık çevirisi yok
FARUK BAYRAKTAR