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Tesis:

Desarrollo y evaluación comparativa de algoritmos para el control de actitud de nanosatélites

  • Autor: BELLO GARCÍA, Alvaro

  • Título: Desarrollo y evaluación comparativa de algoritmos para el control de actitud de nanosatélites

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO

  • Departamentos: MATEMATICA APLICADA A LA INGENIERIA AEROESPACIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73315/

  • Director/a 1º: RODRÍGUEZ OTERO, Jacobo

  • Resumen: El sistema de control de actitud es en casi todos los satélites en órbita de vital importancia para la consecución de los objetivos de la misión. Debido a la necesidad de contar con un control de actitud fiable, los sistemas utilizados hasta ahora en prácticamente todas las misiones se basan en controladores clásicos como el Proporcional, Integral, Derivativo (PID), para los que se cuenta con abundante experiencia previa. Otras estrategias de control más modernas, como la lógica difusa, pueden resultar más eficientes y son utilizadas con éxito en otros campos, pero no en misiones espaciales debido a la falta actual de validación en órbita. En esta tesis se han desarrollado algoritmos de control de actitud basados en lógica difusa para misiones de nanosatélites. Este tipo de misiones se beneficia especialmente de un control eficiente debido a que sus órbitas generalmente bajas (con largos tiempos de eclipse) y el reducido tamaño del vehículo redundan en limitaciones importantes en la energía eléctrica disponible. Además, su coste relativamente bajo permite asumir un nivel de riesgo mayor que en grandes misiones, lo que hace más factible la implementación de estrategias de control novedosas en una misión real. Los algoritmos de control se han desarrollado de forma que se pueden adaptar a distintas misiones y configuraciones de nanosatélites, así como a diferentes condiciones operativas dentro de la misma misión, en particular en cuanto a distintos balances de coste de energía y rapidez de respuesta requeridos del controlador. La respuesta de estos controladores se analiza y se compara en estos términos con la respuesta de controladores PID y de un diseño previo empleando lógica difusa, que ha servido de base fundamental para los desarrollos de este trabajo. El análisis se realiza primero en un entorno de simulación numérica, en el que se estudia también la robustez del nuevo controlador. Los resultados indican, en consonancia con estudios anteriores, que el controlador de lógica difusa desarrollado resulta más eficiente y proporciona ventajas sustanciales frente al PID en prácticamente todas las condiciones operativas estudiadas. Tras este análisis, habiendo surgido la posibilidad de probar de forma experimental los algoritmos de control de actitud desarrollados en este trabajo en el satélite de la Agencia Espacial Europea (ESA) OPS-SAT (un nanosatélite cuyo propósito es precisamente el ensayo en órbita de nuevos conceptos y tecnologías), se incluyen los detalles del diseño de un experimento a bordo de esta plataforma. De realizarse con éxito, este experimento permitiría validar los resultados numéricos presentados y proporcionaría una primera experiencia en órbita para controladores de lógica difusa aplicados al control de actitud de nanosatélites. Finalmente, se describen los resultados de una campaña experimental realizada en tierra con un satélite demostrador (denominado ESAT), con el objetivo de corroborar los resultados del análisis numérico utilizando una plataforma física (teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por las diferencias entre los entornos orbital y terrestre), de aportar así un punto de referencia adicional para el experimento a bordo del OPS-SAT, y de apoyar futuros desarrollos del sistema de control de actitud del ESAT. ABSTRACT The attitude control system is, in almost all orbiting satellites, of vital importance for the achievement of their mission objectives. The need of a realiable attitude control drives developers to this day to use in practically every mission systems based on classical controllers like Proportional, Integral, Derivative (PID), for which there is abundant previous experience. More modern control strategies like fuzzy logic can be more efficient and have been used with success in other fields, but not in space missions due to the current lack of in-orbit validation. In this thesis, algorithms based on fuzzy logic have been developed for the attitude control of nanosatellites. An efficient control is particularly beneficial for this type of missions, in which their generally low orbits (with long eclipse times) and the reduced spacecraft size result in significant limitations in the electrical energy that is available. In addition, their relatively low cost allows to assume higher risks than in bigger missions, making it more feasible to implement novel control strategies in a real mission. The control algorithms have been developed to be adaptable to a variety of missions and nanosatellite configurations, as well as to different operational conditions within the same mission, represented by different trade-offs between the energy consumption and the response velocity required from the controller. The response of the controllers is analyzed and compared in these terms with PID controllers (optimized for the same conditions) and with a previous fuzzy logic design that has served as a fundamental basis for the developments in this work. The analysis is performed first in a numerical simulation environment, which is also used to study the robustness of the new controller. The results indicate, in agreement with previous works, that the developed fuzzy controller is more efficient than the PID and provides substantial advantages in practically all the operational conditions that have been studied. After this analysis, as the attitude control algorithms developed in this work have been given the possibility of being tested experimentally in the European Space Agency (ESA) satellite OPS-SAT (a nanosatellite developed precisely with the aim of serving as an orbiting test platform for new concepts and technologies), the thesis includes the details of the design and implementation of an experiment aboard this platform. If performed successfully, this experiment would allow to validate the presented numerical results and would provide a first in-orbit experience for fuzzy logic controllers applied to the attitude control of nanosatellites. Last, the results of an experimental campaign performed on ground using a demonstrator satellite (called ESAT) are presented, with the objective of corroborating the results from the numerical analysis using a physical platform (taking into account the limitations imposed by the differences between in-orbit and ground conditions), therefore providing an additional reference point for the experiment aboard OPS-SAT, and of supporting future developments in the attitude control system of ESAT.