Nano Uydular İçin Yüksek Hassasiyetli Yönelim Kontrol Sistemi: İTÜ

Nano Uydular İçin Yüksek Hassasiyetli Yönelim Kontrol Sistemi: İTÜ

UHUK-2010-046
III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI
16-18 Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir
NANO UYDULAR İÇİN YÜKSEK HASSASİYETLİ YÖNELİM KONTROL SİSTEMİ: ITU
pSAT-II PROJESİ1
N. Kemal Üre* ve Özgün Sarı†
İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul
Gökhan İnalhan‡
İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul
ÖZET
Bu çalışmanın amacı ITU-PSAT-II projesi kapsamında geliştirilen yönelim kontrol sisteminin mimarisini ve
onu meydana getiren bileşenlerini tanıtmaktır. Bu amaçla, çok modlu bir kontrol sistemi için simülasyon
yazılımı geliştirilmiş ve fonksiyonel testler yapılmış, ve tasarlanan kontrol sistemi yapısının görev
ihtiyaçlarını karşıladığı görülmüştür. Kontrol sistemini gerçeklemek için gerekli olan eyleyici gereksinimleri
ortaya konmuş ve ihtiyaçları karşılayan modeller incelenmiştir.
GİRİŞ
ITU – pSAT II, İTÜ Kontrol ve Aviyonik Laboratuar kapsamında geliştirilen, çok amaçlı ikinci
öğrenci uydu projesidir[1]. Projenin başlıca amacı, her üç eksende aktif kontrole sahip olan ilk nano
boyutlarda (1-10 kg) üniversite tasarımı uyduyu geliştirmektir. Bu bildiride kontrol sistemi
mimarisinin genel yapısı ve başlıca bileşenleri tanıtılacak ve yazılım ve donanım destekli
simülasyon sonuçları verilecektir.
YÖNTEM
Sistem Mimarisi
Bu bölümde sistemin mimarisini oluşturan başlıca bileşenler tanıtılacaktır. Şekil 1’de ITU pSATII’nin ön tasarım diyagramı verilmiştir. Bu diyagram Yönelim Belirleme ve Kontrol Sistemi’nin (İng.
Attitude Determination and Control System) genel tasarımdaki ve diğer alt sistemler ile etkileşimini
göstermektedir. Şekil 2’de ise YBKS’nin (ADCS) iç bileşenleri (YBKS Bilgisayarı, sensörler ve
eyleyiciler) ve sistem üzerine entegrasyonu gösterilmiştir
Bu başlık altındaki alt bölümlerde öncelikle YBKS’nin genel mimarisi ve, gerekli yazılım
simülasyonun oluşturulması için gerekli önbilgileri verilecektir.
*
†
‡
Yükseklisans Öğrencisi, Savunma Teknolojileri Bölümü, E-posta: [email protected]
Araştırma görevlisi, Uzay Müh. Böl., E-posta: [email protected]
Doç. Dr., Uçak Müh. Böl., E-posta: [email protected]
1 Bu Çalışma TÜBİTAK 108M523 No’lu proje altından desteklenmektedir
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Şekil 1 - Ön Tasarım : pSAT II Alt Sistemleri
Şekil 2 - Sistem üzerine yönelim belirleme ve kontrol alt sistemi entegrasyonu
Yazılım simülasyonu ve donanım destekli simülasyonu
Görev yükü ve platform simülasyonu için gerekli SIL (Yazılım destekli simülasyon) ve HIL
(donanım destekli simülasyon) için PC ortamında çalışan bir simülatör sistemi yapılmıştır.
Masaüstü modellerin geliştirilmesi bittiğinde bu sistemlerin tümleştirme aşamasında bilgisayara
sinyal üretici kartı eklenerek HIL sisteminin oluşturulması hedeflenmektedir. Yönelim Kontrolü ve
belirlenmesi yazılım modüllerini içinde barındıran simülasyon sisteminin genel mimarisini açıklayan
şema Şekil 3’de verilmiştir [3]. Simulator özellikle birebir uzayda koşabilecek yazılım modüllerinin
prototiplerini içinde barındırmaktadır.
Yörünge üreticinin ve Yönelim üreticinin ana amacı yönelim belirleme ve kontrol sistemi
algoritmaları için yüksek doğruluklu durum bilgisi üretmektir. Ayrıca bu bilgiler HIL yapısında sistem
bilgileri olarak OBC’ye bus üzerinden aktarılması hedeflenmiştir. Bu amaçla uydu üzerinde de
2
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
koşma yeteneği olarak yörünge üretici olarak standart Kepler dinamiklerine ek olarak J2, ay ve
güneş etkileri de içinde bulunduran yörünge üretimi sağlanmıştır. Yönelim üreticinin içine uydunun
yönelim diferansiyel denklemleri yerleştirilmiştir. Bu denklemler standart 6 serbestlik dereceli rijid
cisim denklemleri olup [4], tekilliklerden kaçınmak için Euler açıları yerine Quaternion parametreleri
kullanılmıştır. Denklemlerde uydunun üzerine etkiyen gürültüler de bozucu rastgele parametreler
olarak dâhil edilmiştir.
Şekil 3: Simülasyon Sistemi Mimarisi
Yönelim Kontrol Modları
Kontrol sistem tasarımı için görev uydusu ile 1-1 uyumlu kontrol modları belirlenmiştir. Bu kontrol
modları, her bir moda ait kontrolcü ölçülen değerler ve aktif olan eyleyiciler Şekil 4’de gösterilmiştir.
Belirlenen iki temel kontrol modundan ilki “Detumbling Modu”nun görevi uydunun kendi eksenleri
etrafındaki açısal hızını sıfıra indirip kararlı hale getirmektir ve bu özellikle uydu roketten ilk
ayrıldığı anlarda önemlidir. Bu mod içinde yönelim belirleme algoritmaları tabanlı bir kontrol yerine
3
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
direkt olarak manyetik alan vektörünün varyasyonunun sıfıra indirilmesi tabanlı bir kontrol mantığı
uygulanmaktadır.
İkinci mod ise uçuş modudur ve temel amacı uyduyu bulunduğu yönelimden alıp başka bir
yönelime götürmektir. Bu modda aktif olarak reaksiyon tekerlekleri kullanılmakta ve sensörlerden
ve üreticilerden gelen yönelme bilgileri büyük önem taşımaktadır
Şekil 4: Yazılım için Belirlenen Kontrol Modları
Bozuntu Hesabı
Görev tanımındaki uydunun sahip olacağı 3 manyetiç tork üreteci, 4 tepki tekeri ve deneysel yük
olarak kullanılacak 1 adet momentum kontrol jiroskobunun boyutlandırma işleminin yapılması için
ilk olarak; uydunun maksimum ataletsel özellikleri göz önünde bulundurularak, uydu üzerine
gelebilecek bozuntular hesaplanmıştır. Bu bozuntular aerodinamik sürüklenme, yerçekimi gradyanı
etkisi ve güneşten gelen parçacıkların sebep olduğu torklardır. Bozuntular hesaplanırken en kötü
durum senaryosu uygulanarak, alçak dünya yörüngesinde (LEO) 600 km irtifada, uydu üzerine
gelebilecek azami tork düzeyleri hesaplanmıştır. Tablo 1’de hesaplanan değerler sunulmaktadır.
Bozuntu
Değer
Aerodinamik Sürükleme
Yerçekini Gradyanı
Sürüklemesi
Güneş Basıncı Torku
Artık Manyetik Alan Torku
Güvenlik Faktörü
Birim
3,6245E-08
1,2315E-07
N.m
N.m
4,9212E-09
1,28E-07
3
N.m
N.m
Toplam Bozuntu (Güvenlik
8,7696E-07 N.m
Faktörü ile)
Tablo 1 – Yörünge Bozuntu Torkları (600 km)
Bu analiz değerleri temel alınarak eyleyicilerin detaylı tasarımına ve prototiplendirilmesine
geçilmiştir.
Yazılım Geliştirme ve Fonksiyonel Test
İstenilen aktif yönelim kontrolüne sahip uydu platformu için yazılımın Yönelim Belirleme ve Kontrol
Sistemi yazılımları geliştirilmeye başlanmış ve toplu sonuçlara ulaşılmıştır. Bu amaç ile tasarlanan
4
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
yönelim belirleme sistemi yazılımı ve yönelim kontrol sistemi yazılımı simülatörde test edilmiştir. Bir
sonraki dönem çalışmalarında entegre bir şekilde testleri yapılacaktır.
Yönelim Kontrol Yazılımı
Bir önceki bölümde verilmiş olan kontrol modlarının simülasyonları için gerekli yazılım MATLAB
/SIMULINK ile oluşturulmuş ve aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Filtreleme yazılımı ise detaylı
olarak [2]’de açıklanmıştır.
Detumbling modunda öncelikle kontrolcüye gelen manyetik alan vektörünün şiddetinin nümerik
olarak türevi alınmaktadır. Daha sonra bu türev bir kontrol katsayısı ile çarpılıp gerekli olan
moment hesaplanır. Son olarak bu momenti üretmesi için manyetik eyleyicilere verilmesi gereken
akım hesaplanır böylece kontrol girişi elde edilmiş olunur. Uydunun üzerinde ölçülen manyetik alan
vektörünün değişimine yol açan ana etken uydunun açısal hızı olduğu için bu türevin sıfıra
indirgenmesi uyduyu stabilize edecektir. Uydunun temel fiziksel büyüklükleri belli olduğundan
dolayı, bir takım simülasyonlar yapılıp algoritma test edilmiştir. Bu simülasyonlardan bir örnek 5,6
ve 7 nolu şekillerde de incelenebilir. Bu simülasyonda uydu fırlatma aracından çıkış hızına yakın
bir açısal hız, başlangıç koşulu olarak verilmiştir. Bütün grafiklerde zaman saniye cinsindendir.
Şekil 5- Detumbling Kontrolü Sırasında Açısal Hızlar
5
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Şekil 6 - Detumbling Kontrolü Sırasında Manyetik Alan Şiddetinin Türevi
Şekil 7 - Detumbling Kontrolü Sırasında Manyetik Eyleyiciye Gönderilen Akım
Şekil 5’den görülebileceği üzere açısal hızlar 150 saniye civarında sönümlenmektedir. Daha sonra
uyduya etkiyen gürültü faktörlerinden dolayı (dışarıdan gelen bozucu torklar, sensör ve eyleyicilerin
gecikmeleri gibi) küçük dalgalanmalar olmaktadır bunlarda 0.002 rad/s civarında olduğundan kabul
edilebilir sınırlar içerisindedir.
Kontrolcünün ana mantığı manyetik alanın türevini sıfıra indirgemektir, Şekil 6’ya baktığımızda bu
konuda başarılı olduğunu görüyoruz. Son olarak, üretilen torkun elde edilebilir sınırlarda olduğunu
görmek icin şekil 7’i incelersek, gerekli akımın 0-0.15 Amper aralığında olduğunu görürüz, bu da
masaüstü modeli üretilecek olan manyetik eyleyici için kabul edilebilir bir çalışma aralığıdır.
İkinci kontrol modunda ise doğrusal bir kontrol kanunu tercih edilmiştir. Uydunun yönelimi
quaternion’lar ile gösterildiğinden iki açısal konum arasındaki fark hata quaternionu adında bir
parametre ile gösterilmiştir, daha sonra bu hata vektörü ve açısal hızlar kontrolcü katsayıları ile
çarpılarak reaksiyon tekerleklerine geri beslenmiştir. Bu kontrol tasarımı literatürdeki PD kontrol
mantığı ile örtüşmektedir.
Bu kontrolcünün simülasyonu için uyduya 180 derecelik bir bir manevra yaptıracak durum
seçilmiştir. Sonuçlar Şekil 8 ve 9 da görülebilir;
Şekil 8 - Quaternion Hata Vektörünün Değişimi
6
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Şekil 9 - Açısal Hızların Zamanla Değişimi
Şekil 8’i incelediğimizde yaklaşık 300 saniyede quaternion hata vektörünün
haline geldiğini görüyoruz, bu da uydunun istenilen konuma baktığı anlamına
geliyor. Ayrıca Şekil 9’da açısal hızların hızlı bir biçimde sönümlendiğini gösterilmektedir.
Görselleştirme
YBKS Mimarisi bölümü altında bahsedilen üreteçler ayrıca yönelim belirleme ve kontrol sisteminin
tasarım aşamasındaki simülasyonlar için kullanılmıştır. Bu simülasyon MATLAB/SIMULINK
kullanılarak yapılmış ve yine aynı yazılım paketi ile uydunun hem yörünge üzerindeki hareketi hem
de yönelim bilgisi görselleştirilmiştir. Ayrıca geliştirilen görselleştirme örneği 10 ve 11 numaralı
şekillerde görülebilir.
Şekil 10 – Görselleştirme: Uydunun Yönelimi
7
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Şekil 11 – Görselleştirme: Uydunun Yönelimi ve Yörüngesi
Eyleyicilerin Prototiplendirilmesi
Manyetik Tork Üreteçleri
Platform için öngörülen ana faydalı yük Yönelim kontrol eyleyicileri ve yıldız gözleyiciden
oluşmaktadır. Görev tanımındaki uydunun sahip olacağı 3 manyetiç tork üreteci, 4 tepki tekeri ve
deneysel yük olarak kullanılacak 1 adet momentum kontrol jiroskobu için ayrıntılı tasarım ve tepki
tekeri prototiplendirme yapılmıştır. ITUpSAT2 görev tanımı kullanılarak 3U boyutunda, 4 kg
ağırlığında ve 30 cm x 10 cm x 10 cm boyutlarında olan uydunun atalet momentleri için ilk
öngörüler CATIA programında oluşturulan uydu modeli üzerinde yapılmıştır. Bu modele göre
uydunun sahip olduğu maksimum atalet momenti 0,42 kg.m2 olarak bulunmuştur.
Manyetik Tork üreteçleri, yönelim ve açısal momentum kontrolü amacıyla manyetik dipol momenti
üretmek için kullanılırlar. Ayrıca uyduya gelen çevresel bozuntuların sebep olduğu yönelimdeki
sapmaları düzeltmek amacıyla da kullanılırlar.
Manyetik tork üreteçleri; belli bir kapalı sarımdan geçen elektrik akımının, bu alana dik olarak bir
manyetik moment oluşturma prensibine dayanırlar. Oluşan bu manyetik dipol momenti, Dünya’nın
manyetik alanıyla etkileşerek uydunun istenilen noktaya yönlenmesini veya uydu üzerine gelen
bozuntuların oluşturduğu torkların dengelenmesini sağlar.
Manyetik tork üreteçleri uydu içerisine 3 farklı eksende 3 adet olarak konulacak ve bu sarımlar
uydu yapısına ait dış panellerin iç tarafına yerleştirilecektir. Sarım için polyester tabanlı izolasyon
kaplamasına sahip, AWG 32 standartlarında bakır teller kullanılacaktır. Bu tip teller piyasadan
kolaylıkla tedarik edilebilmektedir.
Momentum tork üreteçlerinin boyutlandırması, yörüngedeki bozuntular ve gerekli denklemler göz
önünde bulundurularak yapılmıştır. Yapılan tasarımın sarım sayısı, sarım alanı, minimum akım
değeri, minimum manyetik alan ve manyetik tork üretimi aşağıdaki Tablo 2’de verilmiştir.
8
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Sarım Alanı
6,40E-03 m^2
Sarım Sayısı
2,00E+02 Min. Akım
2,50E-01 Amper
Min. Manyetik Alan
2,00E-05 Tesla
Kuvveti
Min. Tork Kuvveti
6,40E-06 Nm
Tablo 2 – Manyetik Tork Üreteci Boyutlandırma Tablosu
Şekil 12’de örnek olarak, Kanadalı CanX-1 uydusuna ait manyetik tork üreteci gösterilmektedir.
Benzer bir tasarım ön görüldüğünden malzeme tedariği ile direk masa üstü modelinin üretilmesine
karar verilmiştir.
Şekil 12 – CanX-1 manyetik tork üreteci
Tepki Tekerleri
Tepki tekeri, yörüngedeki bozuntuların neden olduğu torkların karşılanmasında ve uydunun hızlı bir
şekilde yönlendirilmesinin sağlanmasında kullanılmaktadır. Tepki tekerleri, belirli bir atalete sahip
olan tekerlek ünitesinin dönüş eksenine dik olan eksen doğrultusunda tork üretmesi prensibine
dayanmaktadır.
Temel olarak tepki tekerleri 3 adet bileşenden oluşmaktadır. Bu bileşenler istenen torku sağlayan
rotor, bu rotoru döndürmek için kullanılan bir fırçasız doğru akım motoru ve bu motoru sürmek için
kullanılan elektronik devredir.
Tepki tekerinin rotoru için boyutlandırma yapılırken, 4 kg ağırlığında ve maksimum atalet momenti
0,42 kg.m2 olan uyduyu 3˚/s hızla döndürebilme isteri uygulanmıştır ve buna göre bir adet
reaksiyon tekerinin hesaplanan değerler aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tepki tekerinin rotor bölümü
masa üstü modelde alüminyum 7075-T651 malzemesinden yapılacaktır. Bu tip bir malzeme
piyasadan kolayca tedarik edilebilmektedir.
9
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
Momentum Saklama
Kabiliyeti
Rotor Atalet Momenti
Değer
1,05
Birim
mNms
1,75E- kgm2
3
Tork Gereksinimi
0,233 mNm
Maksimum Tork (marjinli)
1 mNm
Tablo 3 – Reaksiyon Tekeri Özellikleri
Tablo 3’de özetlenen boyutlandırma sonucunda, gerekli olan tork gereksinimlerine göre motor
araştırması yapılmıştır. Faulhaber ve Maxon firmalarının ürün yelpazesi incelenip gerekli olan tork
değerini verebilecek 3 adet fırçasız doğru akım motoru seçilmiştir. Tablo 4’de bu motorların
özellikleri özetlenmiştir.
Model
Faulhaber
1515 012 B
Faulhaber
1509 012 B
Maxon
Durma (Stall)
Torku
0,92 mNm
0,92 mNm
Maksimum Tork
30 mNm (324:1)
1,4 mNm (6:1)
0,58 mNm
Dönme Hızı
(Yüksüz)
14700 rpm
Çıkış Gücü
0,30 W
Voltaj
değeri
12 V
14700 rpm
0,30 W
12 V
3,36 mNm
1,61 mNm
21000 rpm
1,5 W
Tablo 4 – Reaksiyon tekeri için seçilen fırçasız DC motorlar
18 V
Yapılan ilk prototiplendirme çalışması Şekil 13’de görülmektedir. Masaüstü modelinde ise
belirlenen üç motorun tedariği sonrası, geliştirilen elektrik sistemine bağlanarak performansları test
edilecektir.
Şekil 13 – Yapılan ilk tepki tekeri prototipi ve elektriksel donanımı
Momentum Kontrol Jiroskobu
MKJ’ler sabit veya değişken hızlarda dönen, belli bir atalete sahip rotora sahiptirler. Bu rotor bir
veya iki eksende yataklanabilir. Dönen disk, yataklanmış olduğu eksen etrafında döndürülerek tork
oluşturulur ve bu tork uydunun dönmesini sağlar.
Nano boyuttaki uydular için geliştirilen momentum kontrol jiroskobu, şu an dünya genelinde
üzerinde önemle durulan bir araştırma geliştirme sahasıdır. İleride, nano boyuttaki uydularda, tepki
tekerlerinin yerine nano momentum kontrol jiroskopları (MKJ) kullanılarak uyduların daha atik bir
10
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı
ÜRE, SARI, İNALHAN
UHUK-2010-046
şekilde kontrol edilmesi ve istenilen hedef doğrultusuna yönlendirilmesi sağlanmak istenmektedir.
Şu an geliştirilmiş bir nano MKJ olmamakla birlikte, mikro ve mini boyuttaki uydular için geliştirilmiş
momentum kontrol jiroskopları mevcuttur. Geliştirilen bu MKJ 0,1 ile 1 derece/saniye dönme hızları
sağlamaktadır. ITUpSAT2 görev tasarımı kapsamında geliştirilen nano MKJ (nMKJ) ile de 0,5 - 1
˚/s civarındaki hızlara erişilmek istenmektedir. Bu kapsamda hedeflenen değerler Tablo 5’de
verilmiştir. Tasarım olarak tek eksen gimballi ve tepki tekerleri için de kullanılan motorların ve
sistemin aynısının kullanılmasına karar verilmiştir.
Hedef
Değer
Ağırlık
150 g
Güç Tüketimi
0,5 W
Tork
1 mNm
Dönüş Hızı (Slew Rate)
0,5-1 ˚/s
Yönelim Hassasiyeti
± 10 ˚
Tablo 5 – nMKJ için Hedeflenen Değerler
Kaynaklar
[1] İnalhan G., Koyuncu, E., Üre, N. K., Kurtuluş, C., “İTÜ pSAT II : Yönelim Kontrollü Nano Uydu
Platformu Geliştirme Projesi”, III. Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı, 16-18 Eylül 2010, Anadolu
Üniversitesi, Eskişehir
[2] Başkaya, E., Hacıyev, Ç., İnalhan G., “Manyetometre Ölçümlerine Göre Küçük Uydu Yönelim
Dinamiğinin Genişletilmiş Kalman Süzgeci Temelli Kestirimi”, III. Ulusal Havacılık ve Uzay
Konferansı, 16-18 Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir
[3] Baskaya, E., Inalhan G., ITU pSAT II : Nanosatellite Platform for In-Space R&D, 7th Annual Cubesat
Developers Workshop, California, USA, Nisan 21-23, 2010
[4] Sidi. M .J. , Spacecraft Dynamics and Control , Cambridge Aerospace Series, Temmuz 2010
11
Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı