III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI 16-18 Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir NANO UYDULAR İÇİN YÜKSEK HASSASİYETLİ YÖNELİM KONTROL SİSTEMİ: ITU psat-ii PROJESİ 1 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 psat- II 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: ure@itu.edu.tr Araştırma görevlisi, Uzay Müh. Böl., E-posta: sariozgun@gmail.com Doç. Dr., Uçak Müh. Böl., E-posta: inalhan@itu.edu.tr 1 Bu Çalışma TÜBİTAK 108M523 No lu proje altından desteklenmektedir
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
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
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 Birim Aerodinamik Sürükleme 3,6245E-08 N.m Yerçekini Gradyanı 1,2315E-07 N.m Sürüklemesi Güneş Basıncı Torku 4,9212E-09 N.m Artık Manyetik Alan Torku 1,28E-07 N.m Güvenlik Faktörü 3 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
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
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
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
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.m 2 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
ÜRE, SARI, İNALHAN 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
ÜRE, SARI, İNALHAN 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
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., 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