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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
CENTRO DE FÍSICA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA
LICENCIATURA EN TECNOLOGÍA
QUINTO CONGRESO DE TECNOLOGÍA. 1 AL 3 DE JUNIO 2015
DT-03
Diseño de plataforma experimental de control de actitud para nanosatélites
Rodolfo Nava Ordóñeza, Rafael Guadalupe Chávez Morenob
Resumen
Los nanosatélites se conforman por subsistemas como el de
telemetría, potencia, navegación y control de actitud, entre otros;
éste último se encarga de orientar el satélite así como de
estabilizarlo. En México se necesita contribuir al desarrollo de
tecnología espacial, como el de los subsistemas satelitales, para la
solución de necesidades sociales. Para enfrentar ésta problemática,
en el presente trabajo se realiza el diseño de una plataforma para
realizar pruebas de validación del subsistema de control de actitud
a través de ruedas de reacción con un control PID y una interfaz
desarrollada en LabView.
Abstract
The nanosatellites makes do by subsystems like telemetry, power,
navigation, attitud control and others; It last is the responsible of
turn the satellite as well as stabilize it. In México needs contribute
to the development of spatial technology, like the satellital
subsystems to the solution of social needs. To handle this problem,
in the present work realize the design of plataform to test
validation of the attitud control subsystem through of reaction
wheels with control PID and interface development in LabView.
Palabras clave: Nanosatélites, Subsistemas de servicio, Control de
actitud, LabView.
INTRODUCCIÓN
México
La U.R.S.S. puso el primer satélite, Sputnik, en órbita en 1957.
Desde entonces, se han lanzado más de 6.000. Los satélites son
cada vez más importantes para la vida humana. Se utilizan para
entretenimiento, seguridad, comunicaciones, navegación. Pero
además hicieron que veamos nuestro planeta desde una perspectiva
diferente. [III]
En la actualidad se tiene 957 satélites en órbita, el cual EE.UU.
opera 423. Al menos 115 países poseen al menos una participación
de un satélite, como es el caso de México (Figura 1). [III]
Figura 1: 10 Mayores propietarios de los 957 satélites activos.
En México se dio lugar a la primera generación de satélites
mexicanos en 1985 con el satélite Morelos 1. Desde entonces se
han lanzado un total de 12 satélites comerciales y varios en
desarrollo para diversos fines, igual que se han creado diversas
entidades como SatMex y la Agencia Espacial Mexicana. Dentro
de los satélites desarrollados se han encontrado con problemas en
el lanzamiento, control, comunicación, entre otros.
Es claro que, desde los inicios de la era espacial en México, la
industria espacial mexicana ha recibido impulsos intermitentes que
han dejado experiencias valiosas, pero no suficientes, para reducir
la dependencia tecnológica, convirtiéndola en una industria
compradora de sistemas, comercializadora de equipos y
concesionaria en la venta de capacidad de comunicación satelital.
[IV]
Subsistemas
El proceso de diseño de un satélite depende específicamente de la
naturaleza de la misión a realizar. De acuerdo a los requerimientos,
el satélite contará con subsistemas de carga útil (independientes del
funcionamiento) y de servicio (dependientes del funcionamiento).
Algunos subsistemas de servicio son: Control de actitud,
Telemetría, Control térmico, Navegación, Energía, etc. [I]
Control de actitud
La actitud es la orientación de un objeto referente de un cuerpo
inercial, en el caso de los satélites se hace referente a el Sol o la
Tierra\cite{SMAD}. Por lo que el control de actitud comprende el
control de la orientación y posición del satélite, empleando
diversos actuadores y configuraciones, uno de ellos son las ruedas
de reacción (Figura 2) que son una clase de actuador eléctrico que
generan un momento angular extra (1), relativo al cuerpo. [IV]
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Figura 2: Diagrama de una rueda de reacción. El vector de
momento ( h ) y de torque ( h ) pertenecen a lo largo del eje de
giro.
h = IW
(1)
Donde:
h =Momento angular
I =Inercia del cuerpo
W=Velocidad angular
Para controlar la velocidad angular se requiere de un sistema de
control y de los más utilizados es el Controlador PID, el cual se
utiliza la combinación de tres acciones de control (Proporcional,
Integral y Derivativo) para obtener el punto deseado por el usuario,
en este caso, velocidad angular.
Estación terrena
Los satélites se encuentran en constante monitoreo de forma
remota desde la tierra en un lugar conocido como estación terrena.
Se desarrolló una interfaz en LabView para la estación terrena
monitoreando la computadora de abordo del satélite, que es dónde
se ejecutan las funciones de control y de monitoreo del satélite,
incluyendo los subsistemas. [II]
Figura 3: Plataforma experimental con forma semiesfera
hueca con las ruedas de reacción en los ejes principales.
Interfaz de usuario
El desarrollo de la interfaz de usuario que se fungirá como estación
terrena, se desarrolló a través de LabView (Figura 4) ya que su
entorno de desarrollo es agradable visualmente, de fácil
programación y adaptable para diversos objetivos que pueda tener
el satélite.
La interfaz de usuario se encuentra clasificado de la siguiente
forma:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Muestra gráficas de su posición, velocidad y aceleración
de las ruedas de reacción y de la plataforma.
Posible aplicación (Tomar una foto).
Se accesa a modificar las constantes del sistema de
control.
El usuario manipula la velocidad angular para todas las
ruedas de reacción (Roll, Pitch, Yaw).
Acceso a los ajustes de la comunicación con la
plataforma.
Muestra el estado de la comunicación con la plataforma.
Detiene la interfaz.
ANTECEDENTES
Plataforma experimental
Previo al desarrollo del proyecto se construyó una plataforma con
forma de semiesfera hueca (Figura 3) esto para tener la menor
fricción posible.
La plataforma cuenta con una base plana que actúa como soporte
para los diversos componentes, como son las ruedas de reacción,
los circuitos de control, el cableado y protege los componentes
interiores.
Ruedas de reacción
A la plataforma se acoplaron tres ruedas de reacción (Figura 3) en
los ejes principales (X,Y,Z) para controlar en todas las
dimensiones posibles.
Figura 4: Interface de la estación terreno desarrollada en
LabView.
META
Diseño y construcción de plataforma experimental que validará el
subsistema de control de actitud para ser usado en nanosatélites y
así reducir la dependencia tecnológica en México.
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OBJETIVOS
a)
b)
c)
d)
Programación del algoritmo de control para las ruedas de
reacción.
Programación del controlador PID.
Establecer comunicación entre la interfaz y la
plataforma.
Rediseño de la interfaz.
Para medir la velocidad de las ruedas se utiliza un sensor de efecto
Hall tipo switch, el cual se activa al encontrar un campo
electromagnético. Se coloca un pequeño imán en la rueda para
medir la velocidad en revoluciones por minuto (Figura 7).
DESARROLLO DEL TEMA
Computadora de abordo
Se utilizará un microcontrolador “Tiva C Series TM4C123G”
(Figura 5) para llevar a cabo el control de las ruedas de reacción, el
control PID para cada rueda y la comunicación de la interfaz y la
plataforma.
Figura 7: Pruebas utilizando el sensor Hall para calcular las
revoluciones de un ventilador
Figura 5: Microcontrolador “Tiva C Series TM4C123G” junto
con un acelerómetro para medir orientación de la plataforma,
adaptador bluetooth para comunicación, inversor para la
velocidad de las ruedas de reacción y batería como
alimentación.
Ruedas de reacción
Para controlar la velocidad se utiliza un dispositivo llamado
inversor (Figura 5) que a partir de una señal modulada de pulsos la
convierte en una señal alterna, que esta a su vez es enviada a los
motores de las ruedas de reacción.
Algoritmo de control
Las ruedas de reacción se encontrarán con una velocidad variante
en el tiempo, donde desde la interfaz se indica la velocidad
deseada. La señal que proviene desde la interfaz junto con la del
sensor se aplica un control PID en lazo cerrado (Figura 6)
corrigiendo para la obtención de la velocidad esperada de cada
rueda.
Interfaz-plataforma
Como el microcontrolador se encontrará dentro de la plataforma la
comunicación debe ser inalámbrica, para ello se utilizó un
adaptador Bluetooth (Figura 7). La interfaz enviará un comando ya
sea con la velocidad deseada o los parámetros de control y desde el
microcontrolador enviará los datos sensados de la plataforma y de
las ruedas de reacción para que puedan visualizarse en la interfaz.
RESULTADOS
a)
b)
c)
d)
Se escribió el programa para el control de las ruedas de
reacción.
Se programó el controlador PID como funciones.
No se obtuvo el control de todo el sistema pero si el
control de las velocidades de las ruedas de reacción, así
como el programa.
Se realizó de manera exitosa el rediseño en la
programación de LabView pero con algunos errores al
mostrar de forma continua las gráficas.
PERSPECTIVAS HACIA FUTURO
a)
b)
c)
d)
Figura 6: Diagrama de algoritmo de control para ruedas de
reacción. Veli(t)=Velocidad indicada desde la interfaz.
Velo=Velocidad medida. e(t)=Veli(t)-Velo(t) (Error). y(t)=Error
después del algoritmo PID. Vel(Ω)=Velocidad de la rueda de
reacción.
Corregir los errores al graficar en LabView.
Fijar todos los componentes a la plataforma y
equilibrarla.
Terminar el diagrama de control para toda la plataforma.
Colocar dentro de una caja la rueda de reacción y el
sensor Hall para que se encuentre de manejar fija (Figura
8).
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Figura 8: Diagrama de la plataforma experimental en etapa
final desarrollado en AutoCAD.
CONCLUSIÓN
Se obtuvieron grandes avances en el desarrollo de la programación
en LabView aunque hay que seguir puliendo detalles. Además la
programación del microcontrolador llegó a satisfacer casi todos los
objetivos. Se espera que en un tiempo corto se termine el control
completo de la plataforma. Una vez concluida la validación del
sistema de control de actitud se pretende que la plataforma
experimental valide todo tipo de subsistemas.
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[I] M. Ovchinnikov, et al., Space Mission Analysis and Design,
Third edition, Editorial Board.
[II] A. Alonso, et al., Design of On-Board Software for an
Experimental Satellite.
[III] http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2011/04/110407
\_satelites\orbita\_gagarin\_aniversario\_pea.shtml
[IV] M. M. Arreola Santander, et al., Investigación Espacial,
Agenda Ciudadana de Ciencia, Tecnología e Innovación, México
2013.
INFORMACIÓN ACADÉMICA
[a] Rodolfo Nava Ordóñez: Estudiante de Licenciatura en
Tecnología en el Centro de Física Aplicada y Tecnología
Avanzada de la UNAM.
[b] M.C. Rafael Guadalupe Chávez Moreno: Investigador del
Centro de Alta Tecnología de la UNAM.
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