Thiết kế xây dựng hệ mô phỏng hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh nhỏ quan sát trái đất 253861 nd
- 84 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Huỳnh Xuân Quang
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VÀ
ĐIỂU KHIỂN TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS ĐINH VĂN PHONG
Hà Nội –2010
1
Mục lục
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................5
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................6
Danh mục các kí hiệu các chữ viết tắt.........................................................................7
Danh mục các bảng và hình vẽ ...................................................................................8
Mở đầu ........................................................................................................................9
Chương 1 ...................................................................................................................11
Tổng quan ..................................................................................................................11
1.1 Vệ tinh nhân tạo ..................................................................................................11
1.2. Xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ...............................................................12
1.2.1. Mục đích của việc xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ................................12
1.2.1 Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ...............................................13
2.1. Mục đích đề tài ...................................................................................................14
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ mô phỏng tư thế vệ tinh .........................................15
Chương 3 ...................................................................................................................20
Cơ sở toán học ...........................................................................................................20
3.1. Quỹ đạo Kepler ..................................................................................................20
3.2. Các hệ quy chiếu ................................................................................................21
3.2.4. Hệ quy chiếu quỹ đạo ......................................................................................22
3.2.5. Hệ quy chiếu vật thể ........................................................................................22
3.3. Động lực học vật rắn ..........................................................................................22
3.3.1. Vector ..............................................................................................................22
3.3.2. Phép quay ........................................................................................................23
3.3.3. Các góc Euler ..................................................................................................24
3.3.4. Các tham số Euler ...........................................................................................25
3.3.5. Phương trình vi phân động lực học .................................................................27
3.3.6. Độ lệch tư thế ..................................................................................................27
3.3.7. Độ lệch vận tốc góc .........................................................................................28
3.3.8. Động lượng, mômen động lượng và ma trận quán tính ..................................28
3.4. Mô hình gyrostat ................................................................................................29
2
3.4.1. Phương trình chuyển động ..............................................................................29
3.4.2. Động năng .......................................................................................................30
3.5. Mômen xoắn nhiễu .............................................................................................30
3.5.1. Mômen xoắn gradient trọng lực ......................................................................31
3.5.2. Thế năng ..........................................................................................................31
3.6. Phân tích ổn định ................................................................................................32
3.6.1. Hệ thống tuyến tính .........................................................................................32
3.6.1. Hệ thống phi tuyến ..........................................................................................32
3.7. Thuật toán điều khiển tuyến tính........................................................................33
3.7.1. Tính điều khiển được ......................................................................................33
3.7.2. Bộ điều khiển tuyến tính cơ bản .....................................................................33
3.7.3. Điều khiển hồi tiếp quaternion ........................................................................33
3.8. Thuật toán điều khiển phi tuyến .........................................................................35
3.8.1. Luật điều khiển từ phân tích Lyapunov ..........................................................35
3.8.2. Tuyến tính hóa hồi tiếp ...................................................................................35
3.8.3. Điều khiển chế độ trượt ...................................................................................36
3.9. Điều khiển bộ đẩy ..............................................................................................39
3.9.1. Bộ điều khiển bang-bang ................................................................................39
3.9.2. Trigger Schmitt ...............................................................................................40
3.9.3. Bộ điều chỉnh PWPF .......................................................................................41
Chương 4 ...................................................................................................................42
Phân tích lý thuyết .....................................................................................................42
4.1. Mô hình hóa toán học .........................................................................................42
4.1.1. Mô hình động học ...........................................................................................42
4.1.2. Mô hình động lực học .....................................................................................42
4.1.3. Các giả thiết của mô hình ................................................................................43
4.1.4. Mô hình tuyến tính hóa ...................................................................................44
4.2. Điều khiển tuyến tính .........................................................................................46
4.2.1. Ổn định hóa địa phương ..................................................................................47
3
4.2.2. Ổn định hóa toàn cục.......................................................................................49
4.3. Điều khiển phi tuyến ..........................................................................................52
4.3.1. Bộ điều khiển Lyapunov 1 ..............................................................................52
4.3.2. Bộ điều khiển Lyapunov 2 ..............................................................................53
4.3.3. Bộ điều khiển Lyapunov 3 ..............................................................................54
4.3.4. Bộ điều khiển trượt .........................................................................................55
Chương 5 ...................................................................................................................58
Mô phỏng ..................................................................................................................58
5.1. Mô hình SIMULINK của MICRO-STAR .........................................................58
5.1.1. Mô hình toán học ............................................................................................58
5.1.1. Các tham số mô phỏng ....................................................................................58
5.2. Điều khiển tuyến tính .........................................................................................60
5.2.1. Điều khiển địa phương ....................................................................................60
5.3. Điều khiển phi tuyến ..........................................................................................61
5.3.1. Điều khiển Lyapunov 1 ...................................................................................61
5.3.2. Điều khiển Lyapunov 3 ...................................................................................62
5.3.2. Điều khiển trượt ..............................................................................................64
Chương 6 ...................................................................................................................66
Chương 6 ...................................................................................................................66
Kết luận và đề xuất ....................................................................................................66
6.1. Thảo luận ............................................................................................................66
6.1.1. Phân tích lý thuyết ...........................................................................................66
6.1.2. Mô phỏng ........................................................................................................67
6.1.3. Các vấn đề ứng dụng .......................................................................................67
6.2. Kết luận và đề xuất .............................................................................................68
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................69
Phụ lục .......................................................................................................................70
Sơ đồ khối mô phỏng trên Simulink .........................................................................70
Code Matlab ..............................................................................................................70
4
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển luận văn tốt nghiệp thạc sĩ cơ học với
đề tài “… “. Với sự nỗ lực của bản than cũng như sự giúp đỡ của các thầy cô giáo,
gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp về vật chất và tinh thần. Tác giả đã hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp với những cố gắng cao nhất. Nhân dịp này, tác giả bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc tới:
• PGS.TS Đinh Văn Phong, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Tập thể đồng nghiệp tại phòng Động lực học và Cơ điện tử chính xác –
Viện CNVT-Viện KH&CN Việt Nam
• Gia đình và các bạn học viên cao học khóa 2008-2010
Tác giả luận văn
5
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn được giao nhiệm vụ nghiên cứu với đề tài “Thiết kế xây dựng hệ mô
phỏng hệ thống xác định và điểu khiển tư thế vệ tinh nhỏ quan sát trái đất”. Tác giả
đã hoàn thành việc nghiên cứu đề tài với đầy đủ nội dung và yêu cầu đăng ký
trong bản đề cương.
Tác giả xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện toàn bộ nôi dung nghiên cứu
không có sự gian lận hay sao chép.
Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những cam đoan trên đây
Hà Nội, ngày 28-10-2010
Người viết cam đoan
Tác giả luận văn
Huỳnh Xuân Quang
6
Danh mục các kí hiệu các chữ viết tắt
Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
ADCSS Attitude Determination and Control Hệ mô phỏng xác định và
Simulation System điều khiển tư thế
LFC Lyapunov function candidate Hàm Lyapunov
MICRO- Tên vệ tinh hợp tác khu vưc
STAR Châu Á-Thái Bình Dương
7
Danh mục các bảng và hình vẽ
Hình 1.1 Mô hình vệ tinh quan sát trái đất ...............................................................12
Hình 1.2 Các trục định hướng trên vệ tinh ...............................................................13
Hình 2. 1Mô hình vệ tình MICRO-STAR ..................................................................14
Hình 2. 2 Bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ..................................15
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ mô phỏng ...................................................................16
Hình 2. 4 Cảm biến xác định tư thế ..........................................................................16
Hình 2. 5 Nguyên lý làm việc cảm biến mặt trời.......................................................17
Hình 2. 6 Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh ...........................................................17
Hình 2. 7 Bánh xe động lượng ..................................................................................18
Hình 2. 8 Thanh từ lực ..............................................................................................18
Hình 2. 9 Hệ thống phụt phản lực .............................................................................18
Hình 2. 10 Toàn bộ hệ thống mô phỏng ....................................................................19
Hình 3. 1 Quỹ đạo elip ..............................................................................................20
Hình 3. 2 Các hệ tọa độ quy chiếu ............................................................................22
Hình 3. 3 Hiện tượng chatter ....................................................................................38
Hình 3. 4 Hàm dấu và các xấp xỉ ..............................................................................38
Hình 3. 5 Mặt biên khi sử dụng hàm bão hòa ...........................................................39
Hình 3. 6 Bộ điều khiển bang-bang ..........................................................................39
Hình 3. 7 Bộ điều khiển bang-bang và vùng chết .....................................................40
Hình 3. 8 Trigger Schimtt..........................................................................................40
Hình 3. 9 Cách thức biểu diễn khác của Trigger Schmitt .........................................40
Hình 3. 10 Bộ điều chỉnh PWPF ...............................................................................41
Hình 5. 1 Kết quả mô phỏng với điều khiển PD ............................................. 61
Hình 5. 2 Kết quả mô phỏng với điều khiển Lyapunov 1 ............................... 62
Hình 5. 3 Kết quả mô phỏng với điều khiển Lyapunov 3 ............................... 64
Hình 5. 4 Kết quả mô phỏng với bộ điểu khiển trượt ..................................... 65
8
Mở đầu
Xuất phát từ quá trình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Vũ trụ-Viện KH và CN
Việt Nam. Trong đó có đề tài đang được triển khai là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
và chuẩn bị phóng vệ tinh nhỏ (MICRO-STAR) phục vụ phát triển vệ tinh Châu Á
Thái Bình Dương – APRSAF satellite.
Nội dung chính của chương trình:
Dựa trên kết quả điều tra về nhu cầu của các nước trong khu vực Châu Á –
Thái Bình Dương trong việc sử dụng vệ tinh chung, chương trình hợp tác phát triển
vệ tinh Châu Á Thái Bình Dương – APRSAF satellite được chia thành 2 giai đoạn
chính:
Giai đoạn 1 với mục đích chế tạo một vệ tinh thử nghiệm (Micro STAR)
với khối lượng khoảng 50kg;
Giai đoạn 2 là chế tạo vệ tinh quan sát trái đất chính APRSAF satellite với
khối lượng khoảng 300-500kg.
Vệ tinh Micro – STAR được thiết kế dựa trên nhiệm vụ cơ bản là giám sát đất
đai hoặc/và vùng biển, dữ liệu ảnh của vệ tinh có thể lấy được một cách dễ dàng
trên internet và chia sẻ thông tin, dữ liệu cho các nước tham gia dự án.
Nhóm chương trình ở Việt Nam được giao nhiệm vụ tiến nghiên cứu thiết kế
hai thành phần chính của vệ tinh MICRO-STAR là:
9
- Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
- Hệ thống cấu trúc cơ khí vệ tinh
Nhằm bước đầu tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống xác định và điều khiển tư thế
vệ tinh. Bước đầu nhóm đề tài xây dựng một hệ thống mô phỏng hệ xác định và
điều khiển tư thế vệ tinh trên mặt đất cũng là nội dung lựa chọn cho luận văn này.
Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về việc xác định và điều khiển tư
thế vệ tinh cụ thể là vệ tinh nhỏ có khối lượng 50kg bay ở quĩ đạo thấp có nhiệm vụ
quan sát trái đất. Từ đó đưa xây dựng mô hình động học và động lực học vệ tinh
trong không gian. Đưa ra các phương án điều khiển và xây dựng bộ điều khiển mô
phỏng trên máy tính. Tuy vậy do điều kiện về mặt thời gian cũng đề tài mới chỉ tiến
hành với một vài điều kiện cơ bản cũng như các mô hình cảm biến và cơ cấu chấp
hành đơn giản.
Luận văn bao gồm 6 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Chương 3: Cơ sở toán học
Chương 4:Phân tích lý thuyết
Chương 5: Mô phỏng
Chương 6:Kết luận và đề xuất
10
Chương 1
Tổng quan
1.1 Vệ tinh nhân tạo
Trong cách nói thông thường, thuật ngữ "vệ tinh" thường để chỉ một vệ tinh
nhân tạo, nó là một vật thể do con người chế tạo và bay quanh Trái Đất (hay
một thiên thể khác). Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 được Liên bang
Xô viết phóng lên ngày 4 tháng 10 năm 1957.
Phân loại vệ tinh:
Vệ tinh vũ trụ là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi,
các thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác.
Vệ tinh thông tin là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các
mục đích viễn thông sử dụng sóng radio ở tần số vi ba. Đa số các vệ tinh truyền
thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ
thống gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.
Vệ tinh quan sát Trái Đất là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan
sát Trái Đất từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sátnhưng được dùng cho
các mục đích phi quân sự như kiểm tra môi trường, thời tiết, lập bản đồ, vân
vân. (Xem thêm Hệ thống quan sát Trái Đất.)
Vệ tinh hoa tiêu (navigation satellite) là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu
radio được truyền đi theo đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên
mặt đất xác định chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng (không có vật
cản) của đường truyền và thu tín hiệu giữa vệ tinh (nguồn phát) và máy thu trên
mặt đất tích hợp với những cải tiến mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh
hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính xác khoảng một vài mét.
Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh là các vệ tinh được thiết kế để tiêu
diệt các vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác.
Một số vệ tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng
và/hay các vũ khí hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh, ICBMs, MIRVs. Cả Hoa Kỳ
và Liên bang Xô viết đều có các vệ tinh này.
Vệ tinh trinh sát là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ tinh truyền thông
được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo.
Vệ tinh năng lượng Mặt trời là các vệ tinh được đề xuất là sẽ bay trên quỹ
đạo Trái Đất tầm cao sử dụng cách truyền năng lượng viba để chiếu năng lượng
11
mặt trời tới những antenna cực lớn trên mặt đất, nơi nó có thể được dùng để thay
thế cho những nguồn năng lượng quy ước thông thường.
Trạm vũ trụ là các cơ cấu do con người chế tạo, được thiết kế để con
người sống được trong vũ trụ. Một trạm vũ trụ được phân biệt với những tàu vũ
trụ ở điểm nó không có động cơ đầy chính hay các thiết bị hạ cánh — thay vào
đó, người ta dùng các thiết bị khác để vận chuyển lên và xuống trạm. Các trạm
vũ trụ được thiết kế để có thể duy trì sự sống trong một khoảng thời gian trung
bình trên quỹ đạo, các khoảng thời gian có thể là tuần, tháng, hay thậm chí
là năm.
Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời
tiết và/hay khí hậu của Trái Đất.
Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn thông
thường. Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh
(500–200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ
tinh cỡ pico (dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ femto (dưới 100 g).
Vệ tinh sinh học là các vệ tinh có mang các tổ chức sinh vật sống, nói chung
là cho mục đích thực nghiệm khoa học.
Hình 1.1 Mô hình vệ tinh quan sát trái đất
1.2. Xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
1.2.1. Mục đích của việc xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Vệ tinh quan sát trái đất hoạt động trong không gian với các yêu cầu được
qui định bởi ba trục định hướng chính là x,y và z.
12
Hình 1. 2 Các trục định hướng trên vệ tinh
Khi hoạt động ngoài vũ trụ vệ tinh chịu một số tác động bên ngoài khiến tư
thế có sự thay đổi bao gồm:
• Do ảnh hưởng của áp suất khí quyển
• Do ảnh hưởng của áp suất bức xạ mặt trời
• Do ảnh hưởng của trọng lực
• Do ảnh hưởng của từ trường trái đất lên các thiết bị trên vệ tinh
Do vậy vấn đề đặt ra là cần phải điều chỉnh tư thế vệ tinh nhằm phục vụ các
chức năng hoạt động của vệ tinh:
• Do yêu cầu khoa học của vệ tinh: chụp ảnh một vùng nào đó trên trái đất
• Do yêu cầu về việc truyền thông: kết nối với một điểm nào đó trên trái
đất
• Do yêu cầu về năng lượng: Hướng các tấm pin quang điện về hướng có
nhiều năng lượng nhất
1.2.1 Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Một hệ thống điều khiển tư thế trên vệ tinh bao gồm 3 thành phần chính
• Các loại cảm biến xác định tư thế của vệ tinh trong không gian
• Bộ điều khiển trung tâm:có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến xử lí tín
hiệu và tính toán, điều khiển cơ câu chấp hành
• Các cơ cấu chấp hành: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển tạo ra
các mômen nhằm đưa vệ tinh về tư thế mong muốn
13
Chương 2
Mô phỏng xác định điều khiển tư thế vệ
tinh
2.1. Mục đích đề tài
Vệ tinh MICRO-STAR được chế tạo dưới sự hợp tác giữa các nước Châu Á-
Thái Bình Dương.
Hình 2. 1Mô hình vệ tình MICRO-STAR
Thông số của vệ tinh MICRO-STAR
- Khối lượng : 50kg
- Quĩ đạo: 700 km đồng bộ mặt trời
- Điểu khiển tư thế: 3 trục
- Nhiệm vụ: Quan sát trái đất
Hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh trên vệ tinh MICRO-STAR bao gồm
Các loại cảm biến
- Cảm biến từ trường
- Cảm biến hướng sao
- Gyroscope
Cơ cấu chấp hành
- Thanh từ lực
- Bánh xe động lượng
14
Nhằm mục đích mô phỏng hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh. Nhằm
tiến hành thử nghiệm các phương pháp điều khiển. Từ đó xây dựng các bộ điều
khiển. Người ta tạo ra những bộ mô phỏng trên mặt đất dựa trên nguyên lý đệm khí
cầu tạo điều kiện gần giống với ngoài không gian nhất. Trong đo toàn bộ hệ thống
mô phỏng có khối lượng tương đương với khối lượng vệ tinh cần mô phỏng. Trên
đó có gắn các hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành gần tương đương với các
thiết bị tương tự gắn trên vệ tinh.
Hình 2. 2 Bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ mô phỏng tư thế vệ tinh
Kết hợp với trường đại học UNAM(Mexico). Đề tài đã tiến hành chế tạo một
bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh sử dụng 3 loại cơ cấu chấp
hành bao gồm
- Hệ thống phụt phản lực
- Hệ thống bánh xe động lượng
- Hệ thống thanh từ lực
Hệ thống mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh (Attitude Determination
and Control Simulation System - ADCSS) được xây dựng bao gồm một bộ điều
khiển trung tâm Rabit3000 (điều khiển bánh xe động lượng, điều khiển thanh từ lực
và phối hợp điều khiển bộ điều khiển thanh trượt khối lượng), bộ điều khiển thanh
trượt khối lượng (điều khiển động cơ bước để điều khiển cân bằng tĩnh) sử dụng vi
điều khiển PIC18F452 và một phần mềm điều khiển giám sát chạy trên PC.
15
Control
Program
(PC) Wireless Wireless ADCSS
(Microcontrollers)
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ mô phỏng
Cảm biến xác định tư thế
Toàn bộ hệ thống xác định tư thế của ADCSS dùng một sensor duy nhất EZ-
Compass-3A. Sensor này sử dụng nguyên lý từ trường, dựa theo từ trường
của trái đất để xác định tư thế là các góc theo 3 phương, từ trường theo 3
phương và nhiệt độ môi trường chứa cảm biến.
Hình 2. 4 Cảm biến xác định tư thế
Giao tiếp với Sensor compass được thực hiện thông qua giao thức RS232,
Có hai chế độ nhận dữ liệu từ sensor EZ-Compass-3A:
• EZ-Compass-3A gửi liên tục
• EZ-Compass-3A gửi dữ liệu mỗi khi nhận được lệnh truy vấn
Cảm biến mặt trời
16
Cảm biến mặt trời (sun sensor) được kết hợp sử dụng để xác định tư thế cho
vệ tinh. Có hai loại cảm biến mặt trời: dùng solar cell và dùng IC
Hình 2. 5 Nguyên lý làm việc cảm biến mặt trời
Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua khe hẹp theo các góc khác nhau sẽ tạo ra
những hiệu điện thế khác nhau trên mỗi cell. Dựa trên sự so sánh sự sai lệch
điện áp này để tính ra góc lệch và do đó tính ra tư thế vệ tinh
Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh
Mục đích của hệ thống này là để cân bằng cho ADCSS có vị trí tương ứng với
bàn xoay ở vị trí nằm ngang khi hệ thống không chịu ngoại lực tác động. Hệ
thống này sử dụng các vật nặng và thanh trượt khối lượng có điều khiển.
Mục tiêu của việc cân bằng tĩnh cho hệ thống mô phỏng là để tâm khối lượng
của ADCSS nằm dưới tâm của nửa cầu gá ADCSS.
Bộ điều khiển
Vật nặng
Nửa cầu
Hình 2. 6 Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh
Hệ thông cơ cấu chấp hành
- Bánh xe động lượng
17
Hình 2. 7 Bánh xe động lượng
- Thanh từ lực
Hình 2. 8 Thanh từ lực
- Hệ thống phụt phản lực
Hình 2. 9 Hệ thống phụt phản lực
18
Hình 2. 10 Toàn bộ hệ thống mô phỏng
Hệ thống điều khiển dùng bánh xe động lượng
Hệ thống này sử dụng 3 bánh xe động lượng để điều khiển 3 trục quay
(quanh x, y, z). Mỗi bánh xe được tác động bởi 3 động cơ DC, do vậy việc điều
khiển bánh xe động lượng thực chất là điều khiển các động cơ một chiều này.
Xét phương pháp điều khiển từng động cơ cho từng trục, các động cơ sử dụng
nguyên lý điều khiển độ rộng xung PWM. Để điều khiển mô men quay quanh mỗi
trục, độ rộng xung sẽ được đặt một giá trị cố định là 80%, khi động cơ của trục này
bật lên sẽ tạo ra mô men quay quanh trục ấy với chiều ngược với chiều tăng của tốc
độ động cơ.
Các điều khiển cân bằng bàn gá của hệ thống này là luân chuyển tác động
theo từng trục x và y cho đến khi bàn gá đạt tới sự cân bằng ở vị trí nằm ngang
Bánh xe động lượng trên trục z có tác dụng độc lập để điều khiển bàn gá xoay xung
quanh trục z. Cũng bằng cách đặt độ rộng xung cố định là 80% sẽ tạo ra mô men
quay quanh trục ấy với chiều ngược với chiều tăng của tốc độ động cơ. Khi tín hiệu
từ sensor báo về nằm trong khoảng giá trị chính xác đặt trước (3%, 1% hoặc 0.5%)
thì động cơ sẽ dừng lại, nếu sảy ra hiện tượng quá độ, động cơ được điều khiển theo
chiều tạo ra mô men ngược lại. Bằng cách này bàn gá sẽ quay tới vị trí mong muốn
Hệ thống điều khiển dùng thanh từ lực
Hệ thống này bao gồm 3 thanh từ lực được gắn theo các phương x, y, z có tác dụng
để xoay bàn gá từ một vị trí bất kỳ về vị trí 0 cho trước (bàn gá ở vị trí nằm ngang,
trục x hướng theo từ trường từ bắc đến nam)
Để xoay bàn gá về vị trí 0 hai trục x và y sẽ luân phiên được cấp điện để tạo lực từ
xoay bàn gá.
19
Chương 3
Cơ sở toán học
Để xây dựng được mô hình xác định và điểu khiển tư thế vệ tinh ta phải xây dựng
một số khái niệm về quĩ đạo cũng như các hệ tọa độ qui chiếu cho vệ tinh
3.1. Quỹ đạo Kepler
Chuyển động của các thiên thể đã được quan sát bởi Johannes Kepler, và ông đã
đưa ra các định luật sau dựa trên nghiên cứu của mình
Định luật thứ nhất: Quỹ đạo của mỗi hành tinh là một đường elip, với Mặt Trời là
một trong hai tiêu điểm.
Định luật thứ hai: Đoạn nối hành tinh và Mặt Trời quét những diện tích như nhau
trong những khoảng thời gian như nhau.
Định luật thứ ba: Bình phương của chu kỳ của hành tinh tỉ lệ với lập phương của
bán trục lớn.
Những định luật này cũng áp dụng cho chuyển động của vệ tinh quay quanh Trái
Đất. Hình 3.1 mô tả vệ tinh trên một quỹ đạo hình elip quanh Trái Đất. Chú giải của
hình được trình bày ở bảng 3.1
Hình 3. 1 Quỹ đạo elip
r Vector vị trí tương đối của vệ tinh đối với tâm Trái Đất
V Vector vận tốc tương đối của vệ tinh đối với tâm Trái Đất
Φ Góc giữa vector vận tốc và đường vuông góc với vector vị trí
a Bán trục lớn của đường elip
b Bán trục nhỏ của đường elip
20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Huỳnh Xuân Quang
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VÀ
ĐIỂU KHIỂN TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS ĐINH VĂN PHONG
Hà Nội –2010
1
Mục lục
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................5
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................6
Danh mục các kí hiệu các chữ viết tắt.........................................................................7
Danh mục các bảng và hình vẽ ...................................................................................8
Mở đầu ........................................................................................................................9
Chương 1 ...................................................................................................................11
Tổng quan ..................................................................................................................11
1.1 Vệ tinh nhân tạo ..................................................................................................11
1.2. Xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ...............................................................12
1.2.1. Mục đích của việc xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ................................12
1.2.1 Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ...............................................13
2.1. Mục đích đề tài ...................................................................................................14
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ mô phỏng tư thế vệ tinh .........................................15
Chương 3 ...................................................................................................................20
Cơ sở toán học ...........................................................................................................20
3.1. Quỹ đạo Kepler ..................................................................................................20
3.2. Các hệ quy chiếu ................................................................................................21
3.2.4. Hệ quy chiếu quỹ đạo ......................................................................................22
3.2.5. Hệ quy chiếu vật thể ........................................................................................22
3.3. Động lực học vật rắn ..........................................................................................22
3.3.1. Vector ..............................................................................................................22
3.3.2. Phép quay ........................................................................................................23
3.3.3. Các góc Euler ..................................................................................................24
3.3.4. Các tham số Euler ...........................................................................................25
3.3.5. Phương trình vi phân động lực học .................................................................27
3.3.6. Độ lệch tư thế ..................................................................................................27
3.3.7. Độ lệch vận tốc góc .........................................................................................28
3.3.8. Động lượng, mômen động lượng và ma trận quán tính ..................................28
3.4. Mô hình gyrostat ................................................................................................29
2
3.4.1. Phương trình chuyển động ..............................................................................29
3.4.2. Động năng .......................................................................................................30
3.5. Mômen xoắn nhiễu .............................................................................................30
3.5.1. Mômen xoắn gradient trọng lực ......................................................................31
3.5.2. Thế năng ..........................................................................................................31
3.6. Phân tích ổn định ................................................................................................32
3.6.1. Hệ thống tuyến tính .........................................................................................32
3.6.1. Hệ thống phi tuyến ..........................................................................................32
3.7. Thuật toán điều khiển tuyến tính........................................................................33
3.7.1. Tính điều khiển được ......................................................................................33
3.7.2. Bộ điều khiển tuyến tính cơ bản .....................................................................33
3.7.3. Điều khiển hồi tiếp quaternion ........................................................................33
3.8. Thuật toán điều khiển phi tuyến .........................................................................35
3.8.1. Luật điều khiển từ phân tích Lyapunov ..........................................................35
3.8.2. Tuyến tính hóa hồi tiếp ...................................................................................35
3.8.3. Điều khiển chế độ trượt ...................................................................................36
3.9. Điều khiển bộ đẩy ..............................................................................................39
3.9.1. Bộ điều khiển bang-bang ................................................................................39
3.9.2. Trigger Schmitt ...............................................................................................40
3.9.3. Bộ điều chỉnh PWPF .......................................................................................41
Chương 4 ...................................................................................................................42
Phân tích lý thuyết .....................................................................................................42
4.1. Mô hình hóa toán học .........................................................................................42
4.1.1. Mô hình động học ...........................................................................................42
4.1.2. Mô hình động lực học .....................................................................................42
4.1.3. Các giả thiết của mô hình ................................................................................43
4.1.4. Mô hình tuyến tính hóa ...................................................................................44
4.2. Điều khiển tuyến tính .........................................................................................46
4.2.1. Ổn định hóa địa phương ..................................................................................47
3
4.2.2. Ổn định hóa toàn cục.......................................................................................49
4.3. Điều khiển phi tuyến ..........................................................................................52
4.3.1. Bộ điều khiển Lyapunov 1 ..............................................................................52
4.3.2. Bộ điều khiển Lyapunov 2 ..............................................................................53
4.3.3. Bộ điều khiển Lyapunov 3 ..............................................................................54
4.3.4. Bộ điều khiển trượt .........................................................................................55
Chương 5 ...................................................................................................................58
Mô phỏng ..................................................................................................................58
5.1. Mô hình SIMULINK của MICRO-STAR .........................................................58
5.1.1. Mô hình toán học ............................................................................................58
5.1.1. Các tham số mô phỏng ....................................................................................58
5.2. Điều khiển tuyến tính .........................................................................................60
5.2.1. Điều khiển địa phương ....................................................................................60
5.3. Điều khiển phi tuyến ..........................................................................................61
5.3.1. Điều khiển Lyapunov 1 ...................................................................................61
5.3.2. Điều khiển Lyapunov 3 ...................................................................................62
5.3.2. Điều khiển trượt ..............................................................................................64
Chương 6 ...................................................................................................................66
Chương 6 ...................................................................................................................66
Kết luận và đề xuất ....................................................................................................66
6.1. Thảo luận ............................................................................................................66
6.1.1. Phân tích lý thuyết ...........................................................................................66
6.1.2. Mô phỏng ........................................................................................................67
6.1.3. Các vấn đề ứng dụng .......................................................................................67
6.2. Kết luận và đề xuất .............................................................................................68
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................69
Phụ lục .......................................................................................................................70
Sơ đồ khối mô phỏng trên Simulink .........................................................................70
Code Matlab ..............................................................................................................70
4
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển luận văn tốt nghiệp thạc sĩ cơ học với
đề tài “… “. Với sự nỗ lực của bản than cũng như sự giúp đỡ của các thầy cô giáo,
gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp về vật chất và tinh thần. Tác giả đã hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp với những cố gắng cao nhất. Nhân dịp này, tác giả bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc tới:
• PGS.TS Đinh Văn Phong, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Tập thể đồng nghiệp tại phòng Động lực học và Cơ điện tử chính xác –
Viện CNVT-Viện KH&CN Việt Nam
• Gia đình và các bạn học viên cao học khóa 2008-2010
Tác giả luận văn
5
LỜI CAM ĐOAN
Luận văn được giao nhiệm vụ nghiên cứu với đề tài “Thiết kế xây dựng hệ mô
phỏng hệ thống xác định và điểu khiển tư thế vệ tinh nhỏ quan sát trái đất”. Tác giả
đã hoàn thành việc nghiên cứu đề tài với đầy đủ nội dung và yêu cầu đăng ký
trong bản đề cương.
Tác giả xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện toàn bộ nôi dung nghiên cứu
không có sự gian lận hay sao chép.
Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những cam đoan trên đây
Hà Nội, ngày 28-10-2010
Người viết cam đoan
Tác giả luận văn
Huỳnh Xuân Quang
6
Danh mục các kí hiệu các chữ viết tắt
Kí hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
ADCSS Attitude Determination and Control Hệ mô phỏng xác định và
Simulation System điều khiển tư thế
LFC Lyapunov function candidate Hàm Lyapunov
MICRO- Tên vệ tinh hợp tác khu vưc
STAR Châu Á-Thái Bình Dương
7
Danh mục các bảng và hình vẽ
Hình 1.1 Mô hình vệ tinh quan sát trái đất ...............................................................12
Hình 1.2 Các trục định hướng trên vệ tinh ...............................................................13
Hình 2. 1Mô hình vệ tình MICRO-STAR ..................................................................14
Hình 2. 2 Bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh ..................................15
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ mô phỏng ...................................................................16
Hình 2. 4 Cảm biến xác định tư thế ..........................................................................16
Hình 2. 5 Nguyên lý làm việc cảm biến mặt trời.......................................................17
Hình 2. 6 Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh ...........................................................17
Hình 2. 7 Bánh xe động lượng ..................................................................................18
Hình 2. 8 Thanh từ lực ..............................................................................................18
Hình 2. 9 Hệ thống phụt phản lực .............................................................................18
Hình 2. 10 Toàn bộ hệ thống mô phỏng ....................................................................19
Hình 3. 1 Quỹ đạo elip ..............................................................................................20
Hình 3. 2 Các hệ tọa độ quy chiếu ............................................................................22
Hình 3. 3 Hiện tượng chatter ....................................................................................38
Hình 3. 4 Hàm dấu và các xấp xỉ ..............................................................................38
Hình 3. 5 Mặt biên khi sử dụng hàm bão hòa ...........................................................39
Hình 3. 6 Bộ điều khiển bang-bang ..........................................................................39
Hình 3. 7 Bộ điều khiển bang-bang và vùng chết .....................................................40
Hình 3. 8 Trigger Schimtt..........................................................................................40
Hình 3. 9 Cách thức biểu diễn khác của Trigger Schmitt .........................................40
Hình 3. 10 Bộ điều chỉnh PWPF ...............................................................................41
Hình 5. 1 Kết quả mô phỏng với điều khiển PD ............................................. 61
Hình 5. 2 Kết quả mô phỏng với điều khiển Lyapunov 1 ............................... 62
Hình 5. 3 Kết quả mô phỏng với điều khiển Lyapunov 3 ............................... 64
Hình 5. 4 Kết quả mô phỏng với bộ điểu khiển trượt ..................................... 65
8
Mở đầu
Xuất phát từ quá trình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Vũ trụ-Viện KH và CN
Việt Nam. Trong đó có đề tài đang được triển khai là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
và chuẩn bị phóng vệ tinh nhỏ (MICRO-STAR) phục vụ phát triển vệ tinh Châu Á
Thái Bình Dương – APRSAF satellite.
Nội dung chính của chương trình:
Dựa trên kết quả điều tra về nhu cầu của các nước trong khu vực Châu Á –
Thái Bình Dương trong việc sử dụng vệ tinh chung, chương trình hợp tác phát triển
vệ tinh Châu Á Thái Bình Dương – APRSAF satellite được chia thành 2 giai đoạn
chính:
Giai đoạn 1 với mục đích chế tạo một vệ tinh thử nghiệm (Micro STAR)
với khối lượng khoảng 50kg;
Giai đoạn 2 là chế tạo vệ tinh quan sát trái đất chính APRSAF satellite với
khối lượng khoảng 300-500kg.
Vệ tinh Micro – STAR được thiết kế dựa trên nhiệm vụ cơ bản là giám sát đất
đai hoặc/và vùng biển, dữ liệu ảnh của vệ tinh có thể lấy được một cách dễ dàng
trên internet và chia sẻ thông tin, dữ liệu cho các nước tham gia dự án.
Nhóm chương trình ở Việt Nam được giao nhiệm vụ tiến nghiên cứu thiết kế
hai thành phần chính của vệ tinh MICRO-STAR là:
9
- Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
- Hệ thống cấu trúc cơ khí vệ tinh
Nhằm bước đầu tìm hiểu và nghiên cứu hệ thống xác định và điều khiển tư thế
vệ tinh. Bước đầu nhóm đề tài xây dựng một hệ thống mô phỏng hệ xác định và
điều khiển tư thế vệ tinh trên mặt đất cũng là nội dung lựa chọn cho luận văn này.
Mục đích nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu về việc xác định và điều khiển tư
thế vệ tinh cụ thể là vệ tinh nhỏ có khối lượng 50kg bay ở quĩ đạo thấp có nhiệm vụ
quan sát trái đất. Từ đó đưa xây dựng mô hình động học và động lực học vệ tinh
trong không gian. Đưa ra các phương án điều khiển và xây dựng bộ điều khiển mô
phỏng trên máy tính. Tuy vậy do điều kiện về mặt thời gian cũng đề tài mới chỉ tiến
hành với một vài điều kiện cơ bản cũng như các mô hình cảm biến và cơ cấu chấp
hành đơn giản.
Luận văn bao gồm 6 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Chương 3: Cơ sở toán học
Chương 4:Phân tích lý thuyết
Chương 5: Mô phỏng
Chương 6:Kết luận và đề xuất
10
Chương 1
Tổng quan
1.1 Vệ tinh nhân tạo
Trong cách nói thông thường, thuật ngữ "vệ tinh" thường để chỉ một vệ tinh
nhân tạo, nó là một vật thể do con người chế tạo và bay quanh Trái Đất (hay
một thiên thể khác). Vệ tinh nhân tạo đầu tiên là Sputnik 1 được Liên bang
Xô viết phóng lên ngày 4 tháng 10 năm 1957.
Phân loại vệ tinh:
Vệ tinh vũ trụ là các vệ tinh được dùng để quan sát các hành tinh xa xôi,
các thiên hà và các vật thể ngoài vũ trụ khác.
Vệ tinh thông tin là các vệ tinh nhân tạo nằm trong không gian dùng cho các
mục đích viễn thông sử dụng sóng radio ở tần số vi ba. Đa số các vệ tinh truyền
thông sử dụng các quỹ đạo đồng bộ hay các quỹ đạo địa tĩnh, mặc dù các hệ
thống gần đây sử dụng các vệ tinh tại quỹ đạo Trái Đất tầm thấp.
Vệ tinh quan sát Trái Đất là các vệ tinh được thiết kế đặc biệt để quan
sát Trái Đất từ quỹ đạo, tương tự như các vệ tinh trinh sátnhưng được dùng cho
các mục đích phi quân sự như kiểm tra môi trường, thời tiết, lập bản đồ, vân
vân. (Xem thêm Hệ thống quan sát Trái Đất.)
Vệ tinh hoa tiêu (navigation satellite) là các vệ tinh sử dụng các tín hiệu
radio được truyền đi theo đúng chu kỳ cho phép các bộ thu sóng di động trên
mặt đất xác định chính xác được vị trí của chúng. Sự quang đãng (không có vật
cản) của đường truyền và thu tín hiệu giữa vệ tinh (nguồn phát) và máy thu trên
mặt đất tích hợp với những cải tiến mới về điện tử học cho phép hệ thống vệ tinh
hoa tiêu đo đạc khoảng cách với độ chính xác khoảng một vài mét.
Vệ tinh tiêu diệt / Vũ khí chống vệ tinh là các vệ tinh được thiết kế để tiêu
diệt các vệ tinh "đối phương", các vũ khí và các mục tiêu bay trên quỹ đạo khác.
Một số vệ tinh này được trang bị đạn động lực, một số khác sử dụng năng lượng
và/hay các vũ khí hạt nhân để phá huỷ các vệ tinh, ICBMs, MIRVs. Cả Hoa Kỳ
và Liên bang Xô viết đều có các vệ tinh này.
Vệ tinh trinh sát là những vệ tinh quan sát Trái Đất hay vệ tinh truyền thông
được triển khai cho các ứng dụng quân sự hay tình báo.
Vệ tinh năng lượng Mặt trời là các vệ tinh được đề xuất là sẽ bay trên quỹ
đạo Trái Đất tầm cao sử dụng cách truyền năng lượng viba để chiếu năng lượng
11
mặt trời tới những antenna cực lớn trên mặt đất, nơi nó có thể được dùng để thay
thế cho những nguồn năng lượng quy ước thông thường.
Trạm vũ trụ là các cơ cấu do con người chế tạo, được thiết kế để con
người sống được trong vũ trụ. Một trạm vũ trụ được phân biệt với những tàu vũ
trụ ở điểm nó không có động cơ đầy chính hay các thiết bị hạ cánh — thay vào
đó, người ta dùng các thiết bị khác để vận chuyển lên và xuống trạm. Các trạm
vũ trụ được thiết kế để có thể duy trì sự sống trong một khoảng thời gian trung
bình trên quỹ đạo, các khoảng thời gian có thể là tuần, tháng, hay thậm chí
là năm.
Vệ tinh thời tiết là các vệ tinh có mục đích chính là để quan sát thời
tiết và/hay khí hậu của Trái Đất.
Vệ tinh thu nhỏ là các vệ tinh có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn thông
thường. Những tiêu chí xếp hạng mới để đánh giá các vệ tinh đó: tiểu vệ tinh
(500–200 kg), vệ tinh siêu nhỏ (dưới 200 kg), vệ tinh cỡ nano (dưới 10 kg), vệ
tinh cỡ pico (dưới 1 kg) và vệ tinh cỡ femto (dưới 100 g).
Vệ tinh sinh học là các vệ tinh có mang các tổ chức sinh vật sống, nói chung
là cho mục đích thực nghiệm khoa học.
Hình 1.1 Mô hình vệ tinh quan sát trái đất
1.2. Xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
1.2.1. Mục đích của việc xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Vệ tinh quan sát trái đất hoạt động trong không gian với các yêu cầu được
qui định bởi ba trục định hướng chính là x,y và z.
12
Hình 1. 2 Các trục định hướng trên vệ tinh
Khi hoạt động ngoài vũ trụ vệ tinh chịu một số tác động bên ngoài khiến tư
thế có sự thay đổi bao gồm:
• Do ảnh hưởng của áp suất khí quyển
• Do ảnh hưởng của áp suất bức xạ mặt trời
• Do ảnh hưởng của trọng lực
• Do ảnh hưởng của từ trường trái đất lên các thiết bị trên vệ tinh
Do vậy vấn đề đặt ra là cần phải điều chỉnh tư thế vệ tinh nhằm phục vụ các
chức năng hoạt động của vệ tinh:
• Do yêu cầu khoa học của vệ tinh: chụp ảnh một vùng nào đó trên trái đất
• Do yêu cầu về việc truyền thông: kết nối với một điểm nào đó trên trái
đất
• Do yêu cầu về năng lượng: Hướng các tấm pin quang điện về hướng có
nhiều năng lượng nhất
1.2.1 Hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
Một hệ thống điều khiển tư thế trên vệ tinh bao gồm 3 thành phần chính
• Các loại cảm biến xác định tư thế của vệ tinh trong không gian
• Bộ điều khiển trung tâm:có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến xử lí tín
hiệu và tính toán, điều khiển cơ câu chấp hành
• Các cơ cấu chấp hành: có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển tạo ra
các mômen nhằm đưa vệ tinh về tư thế mong muốn
13
Chương 2
Mô phỏng xác định điều khiển tư thế vệ
tinh
2.1. Mục đích đề tài
Vệ tinh MICRO-STAR được chế tạo dưới sự hợp tác giữa các nước Châu Á-
Thái Bình Dương.
Hình 2. 1Mô hình vệ tình MICRO-STAR
Thông số của vệ tinh MICRO-STAR
- Khối lượng : 50kg
- Quĩ đạo: 700 km đồng bộ mặt trời
- Điểu khiển tư thế: 3 trục
- Nhiệm vụ: Quan sát trái đất
Hệ xác định và điều khiển tư thế vệ tinh trên vệ tinh MICRO-STAR bao gồm
Các loại cảm biến
- Cảm biến từ trường
- Cảm biến hướng sao
- Gyroscope
Cơ cấu chấp hành
- Thanh từ lực
- Bánh xe động lượng
14
Nhằm mục đích mô phỏng hệ thống xác định và điều khiển tư thế vệ tinh. Nhằm
tiến hành thử nghiệm các phương pháp điều khiển. Từ đó xây dựng các bộ điều
khiển. Người ta tạo ra những bộ mô phỏng trên mặt đất dựa trên nguyên lý đệm khí
cầu tạo điều kiện gần giống với ngoài không gian nhất. Trong đo toàn bộ hệ thống
mô phỏng có khối lượng tương đương với khối lượng vệ tinh cần mô phỏng. Trên
đó có gắn các hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành gần tương đương với các
thiết bị tương tự gắn trên vệ tinh.
Hình 2. 2 Bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh
2.2. Nguyên lý làm việc của bộ mô phỏng tư thế vệ tinh
Kết hợp với trường đại học UNAM(Mexico). Đề tài đã tiến hành chế tạo một
bộ mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh sử dụng 3 loại cơ cấu chấp
hành bao gồm
- Hệ thống phụt phản lực
- Hệ thống bánh xe động lượng
- Hệ thống thanh từ lực
Hệ thống mô phỏng xác định và điều khiển tư thế vệ tinh (Attitude Determination
and Control Simulation System - ADCSS) được xây dựng bao gồm một bộ điều
khiển trung tâm Rabit3000 (điều khiển bánh xe động lượng, điều khiển thanh từ lực
và phối hợp điều khiển bộ điều khiển thanh trượt khối lượng), bộ điều khiển thanh
trượt khối lượng (điều khiển động cơ bước để điều khiển cân bằng tĩnh) sử dụng vi
điều khiển PIC18F452 và một phần mềm điều khiển giám sát chạy trên PC.
15
Control
Program
(PC) Wireless Wireless ADCSS
(Microcontrollers)
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý bộ mô phỏng
Cảm biến xác định tư thế
Toàn bộ hệ thống xác định tư thế của ADCSS dùng một sensor duy nhất EZ-
Compass-3A. Sensor này sử dụng nguyên lý từ trường, dựa theo từ trường
của trái đất để xác định tư thế là các góc theo 3 phương, từ trường theo 3
phương và nhiệt độ môi trường chứa cảm biến.
Hình 2. 4 Cảm biến xác định tư thế
Giao tiếp với Sensor compass được thực hiện thông qua giao thức RS232,
Có hai chế độ nhận dữ liệu từ sensor EZ-Compass-3A:
• EZ-Compass-3A gửi liên tục
• EZ-Compass-3A gửi dữ liệu mỗi khi nhận được lệnh truy vấn
Cảm biến mặt trời
16
Cảm biến mặt trời (sun sensor) được kết hợp sử dụng để xác định tư thế cho
vệ tinh. Có hai loại cảm biến mặt trời: dùng solar cell và dùng IC
Hình 2. 5 Nguyên lý làm việc cảm biến mặt trời
Khi ánh sáng mặt trời chiếu qua khe hẹp theo các góc khác nhau sẽ tạo ra
những hiệu điện thế khác nhau trên mỗi cell. Dựa trên sự so sánh sự sai lệch
điện áp này để tính ra góc lệch và do đó tính ra tư thế vệ tinh
Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh
Mục đích của hệ thống này là để cân bằng cho ADCSS có vị trí tương ứng với
bàn xoay ở vị trí nằm ngang khi hệ thống không chịu ngoại lực tác động. Hệ
thống này sử dụng các vật nặng và thanh trượt khối lượng có điều khiển.
Mục tiêu của việc cân bằng tĩnh cho hệ thống mô phỏng là để tâm khối lượng
của ADCSS nằm dưới tâm của nửa cầu gá ADCSS.
Bộ điều khiển
Vật nặng
Nửa cầu
Hình 2. 6 Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh
Hệ thông cơ cấu chấp hành
- Bánh xe động lượng
17
Hình 2. 7 Bánh xe động lượng
- Thanh từ lực
Hình 2. 8 Thanh từ lực
- Hệ thống phụt phản lực
Hình 2. 9 Hệ thống phụt phản lực
18
Hình 2. 10 Toàn bộ hệ thống mô phỏng
Hệ thống điều khiển dùng bánh xe động lượng
Hệ thống này sử dụng 3 bánh xe động lượng để điều khiển 3 trục quay
(quanh x, y, z). Mỗi bánh xe được tác động bởi 3 động cơ DC, do vậy việc điều
khiển bánh xe động lượng thực chất là điều khiển các động cơ một chiều này.
Xét phương pháp điều khiển từng động cơ cho từng trục, các động cơ sử dụng
nguyên lý điều khiển độ rộng xung PWM. Để điều khiển mô men quay quanh mỗi
trục, độ rộng xung sẽ được đặt một giá trị cố định là 80%, khi động cơ của trục này
bật lên sẽ tạo ra mô men quay quanh trục ấy với chiều ngược với chiều tăng của tốc
độ động cơ.
Các điều khiển cân bằng bàn gá của hệ thống này là luân chuyển tác động
theo từng trục x và y cho đến khi bàn gá đạt tới sự cân bằng ở vị trí nằm ngang
Bánh xe động lượng trên trục z có tác dụng độc lập để điều khiển bàn gá xoay xung
quanh trục z. Cũng bằng cách đặt độ rộng xung cố định là 80% sẽ tạo ra mô men
quay quanh trục ấy với chiều ngược với chiều tăng của tốc độ động cơ. Khi tín hiệu
từ sensor báo về nằm trong khoảng giá trị chính xác đặt trước (3%, 1% hoặc 0.5%)
thì động cơ sẽ dừng lại, nếu sảy ra hiện tượng quá độ, động cơ được điều khiển theo
chiều tạo ra mô men ngược lại. Bằng cách này bàn gá sẽ quay tới vị trí mong muốn
Hệ thống điều khiển dùng thanh từ lực
Hệ thống này bao gồm 3 thanh từ lực được gắn theo các phương x, y, z có tác dụng
để xoay bàn gá từ một vị trí bất kỳ về vị trí 0 cho trước (bàn gá ở vị trí nằm ngang,
trục x hướng theo từ trường từ bắc đến nam)
Để xoay bàn gá về vị trí 0 hai trục x và y sẽ luân phiên được cấp điện để tạo lực từ
xoay bàn gá.
19
Chương 3
Cơ sở toán học
Để xây dựng được mô hình xác định và điểu khiển tư thế vệ tinh ta phải xây dựng
một số khái niệm về quĩ đạo cũng như các hệ tọa độ qui chiếu cho vệ tinh
3.1. Quỹ đạo Kepler
Chuyển động của các thiên thể đã được quan sát bởi Johannes Kepler, và ông đã
đưa ra các định luật sau dựa trên nghiên cứu của mình
Định luật thứ nhất: Quỹ đạo của mỗi hành tinh là một đường elip, với Mặt Trời là
một trong hai tiêu điểm.
Định luật thứ hai: Đoạn nối hành tinh và Mặt Trời quét những diện tích như nhau
trong những khoảng thời gian như nhau.
Định luật thứ ba: Bình phương của chu kỳ của hành tinh tỉ lệ với lập phương của
bán trục lớn.
Những định luật này cũng áp dụng cho chuyển động của vệ tinh quay quanh Trái
Đất. Hình 3.1 mô tả vệ tinh trên một quỹ đạo hình elip quanh Trái Đất. Chú giải của
hình được trình bày ở bảng 3.1
Hình 3. 1 Quỹ đạo elip
r Vector vị trí tương đối của vệ tinh đối với tâm Trái Đất
V Vector vận tốc tương đối của vệ tinh đối với tâm Trái Đất
Φ Góc giữa vector vận tốc và đường vuông góc với vector vị trí
a Bán trục lớn của đường elip
b Bán trục nhỏ của đường elip
20