Politecnico di Torino – Aprile 2011 Realizzazione del modello ingegneristico di un controllo di assetto magnetico per satelliti modulari Relatori: Prof. Leonardo Reyneri Prof. Claudio Passerone Candidato: Davide Masera

NANOSATELLITI Politecnico di Torino PiCPoT (Piccolo Cubo del Politecnico di Torino) AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti)

Obiettivi comuni di PiCPoT e AraMiS: Acquisizione dati di telemetria in orbita Acquisizione immagini e filmati Test del comportamento componenti COTS nello spazio Progettazione interdisciplinare

ARAMIS : Satellite ad architettura modulare Evoluzione del satellite PiCPoT più: Struttura Modulare Controllo di assetto attivo

Struttura MODULARE: Sistema costituito da moduli standard compatibili tra loro: Possibilità di sviluppare più progetti allo stesso tempo Moduli riutilizzabili Diminuzione dei costi Diminuzione dei tempi Versatilità Esportabilità

ARAMIS: Moduli standard POWER MANAGEMENT TILE: Adattamento tensione di batteria Generazione alimentazioni Gestione controllo d’assetto TELECOMMUNICATION TILE: Comunicazione tra satellite e stazione di Terra Decodificazione comandi

Telecommunication tile AraMiS Telecommunication tile Power Management tile

Controllo d’assetto attivo Permette di: ruotare il satellite di un angolo desiderato arrestarne la rotazione in atto Finalità: orientare antenne, telecamere, sensori di bordo esporre al sole determinate facce del satellite

Controllo d’assetto attivo INERZIALE: motore brushless + ruota d’inerzia + giroscopio [1B21] MAGNETICO: solenoide + sensore di campo magnetico [1B22] Ogni Power Management tile è dotata di un suo sottosistema di controllo I diversi sottosistemi interagiscono grazie all’algoritmo di controllo di assetto (in 1B2 Attitude and Orbit Subsystem)

CONTROLLO DI ASSETTO MAGNETICO Ogni sottosistema fornisce alla tile il momento angolare richiesto da 1B2 l’azione di uno o più sottosistemi regola l’angolo di inclinazione del satellite Dati di telemetria campo magnetico terrestre in orbita

Funzionamento: B D Presenza di un campo magnetico (Terra) Generazione COPPIA C = D x B Tende a spostare D verso B D B SENSORE DI CAMPO MAGNETICO

Il controllore di assetto richiede alla tile un MOMENTO ANGOLARE Realizzazione: Il controllore di assetto richiede alla tile un MOMENTO ANGOLARE Si discretizza nel tempo l’integrale e si ottiene la sommatoria: Appena viene tolta l’alimentazione al solenoide

Diagramma dei casi d’uso ENABLE/DISABLE SOLENOIDE ATTUAZIONE MAGNETOMETRO LETTURA CAMPO

1B22: Sottosistema di controllo dell’assetto magnetico Diagramma delle classi UML CONTROLLER SISTEMA 1B22 ATTUATORE MAGNETICO MAGNETOMETRO

Attuatore magnetico SOLENOIDE Filo Cu ø0.25mm, 180 avv. 12~14cm Alimentato dalla tensione del bus di potenza: 12~18 V Corrente = Vpdb / Rsol => 0.43~0.64 A Driver bidirezionale Allegro A3953 (Full Bridge) con uscita di SENSE per misura corrente

Schemi elettrici: - BLOCCO ATTUATORE DRIVER SOLENOIDE CONNETTORI SOLENOIDE RESISTENZA DI SENSE PER LA CORRENTE DIFFERENTIAL VOLTAGE SENSOR CIRCUITI DI ABILITAZIONE TENSIONI DI ALIMENTAZIONE

Magnetometro CIRCUITI DI ABILITAZIONE TENSIONI DI ALIMENTAZIONE CIRCUITI DI CONDIZIONAMENTO CIRCUITO DI SET-RESET SENSORE BIASSIALE DI CAMPO MAGNETICO

Precisione della misura Utilizzo procedura SET-RESET sensore consente di sottrarre la componente effettiva di offset dal risultato della misura compensazione errore di offset Incertezza del 22.6% necessaria calibratura SW per compensare errori di sensibilità (incertezza sensore, deriva in temperatura, incertezza guadagno OA…) Con compensazione SW 0.021G 1.7% del campo di misura→ [-0.625÷0.625] G

I dati vengono opportunamente riscalati e calibrati: In uscita dall’ADC: I dati vengono opportunamente riscalati e calibrati: Struttura scaling: contiene I fattori di scalamento e di calibrazione dell’errore per offset e guadagno

Microcontrollore Texas Instruments MSP430F5437; 16-bit RISC; ADC 12-bit; 4MHz clock Utilizzato dalla PMT per gestire il controllo di assetto Esecuzione software di progetto 1B22

Software [1/2] Funzioni di gestione del controllo di assetto magnetico: boot: inizializza il sistema interpret: decodifica ed esegue i comandi ricevuti dal sistema housekeeping: chiamata periodicamente dal sistema di gestione della tile, coordina: Acquisizione e calibratura campo magnetico e solenoide Temporizzazione del sistema

Software [2/2] integrate: ricalcola ogni Δt il nuovo valore della coppia magnetica C ed incrementa il precedente risultato di C* Δt, eseguendo l’integrale di C (momento angolare) supervise: ispeziona il sistema rilevando gli errori: Eccesso/carenza di corrente nel solenoide Calo di tensione PDB

Circuito realizzato

Collaudo Test funzionamento hardware Test del software in simulazione Misurazione correnti di alimentazione Collaudo del prototipo finale con SW eseguito da microcontrollore MSP430FG439 Correttezza sequenza di housekeeping Procedura di Set/Reset magnetometro Esecuzione comandi di accensione, spegnimento, ecc… Corretta acquisizione e conversione A/D di campo magnetico e corrente nel solenoide Pilotaggio bidirezionale del solenoide e rispetto dei tempi (esecuzione comando di generazione momento angolare)

Sistema complessivo di collaudo

EN_COIL Housekeeping EN_MAGN

RESET ~SET Set-Reset

Sensore Magnetico EN_MAGN MAGN_X MAGN_Y

Conclusioni Progettazione modulo di controllo assetto magnetico Hardware Software Verificato funzionamento del sistema Da ultimare in futuro: Generazione parametri di compensazione errori Misurazione coppia magnetica

Domande?