Ταυτόχρονη εκτίμηση κατάστασης και παραμέτρων σε δορυφόρους με δομικές ευκαμψίες και παφλασμό καυσίμων

Ραπακούλιας, Γιώργος; George, Rapakoulias

dc.contributor.author	Ραπακούλιας, Γιώργος	el
dc.contributor.author	George, Rapakoulias	en
dc.date.accessioned	2022-05-10T10:28:34Z
dc.date.available	2022-05-10T10:28:34Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55126
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22824
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Αναγνώριση παραμέτρων	el
dc.subject	Φίλτρο Καλμαν	el
dc.subject	Εκτίμηση κατάστασης	el
dc.subject	Παφλασμός καυσίμων	el
dc.subject	Space robotics	en
dc.subject	Parameter estimation	en
dc.subject	Kalman Filter	en
dc.subject	Fuel sloshing	en
dc.subject	Flexible arrays	en
dc.title	Ταυτόχρονη εκτίμηση κατάστασης και παραμέτρων σε δορυφόρους με δομικές ευκαμψίες και παφλασμό καυσίμων	el
dc.title	Concurrent state and parameter estimation for satellites with structural flexibilities and fuel sloshing	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	space robotics	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-09-28
heal.abstract	Οι εξελίξεις των τελευταίων ετών έχουν ως αποτέλεσμα οι διαστημικές αποστολές να γίνονται ολοένα και περισσότερο φιλόδοξες. Τυπικές σενάρια αποτελούν αυτά επισκευής ήδη ενεργών δορυφόρων με στόχο την αύξηση του προσδόκιμου ζωής τους ή αποστολές κατάρριψης διαστημικών σκουπιδιών τα οποία καταλαμβάνουν χαμηλές τροχιές γύρω από τη γη και αποτελούν κίνδυνο σύγκρουσης για αστροναύτες και ενεργούς δορυφόρους. Τέτοιου είδους αποστολές απαιτούν δορυφορικά ρομποτικά συστήματα ικανά να εκτελούν κινήσεις υψηλής επιδεξιότητας, ταχύτητας και ακρίβειας που ήταν μέχρι στιγμής αδύνατον να επιτευχθούν με τους κλασσικούς ελεγκτές βασισμένους σε απλά μοντέλα του συστήματος. Ακόμα και στα καλύτερα συστήματα ελέγχου βέβαια, η απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακριβής γνώση των παραμέτρων του συστήματος, η οποία δε μπορεί να προέρχεται μόνο προσομοιώσεις και πειράματα σε επίγεια εργαστήρια, αλλά από πιστοποίηση των υπολογισμών με πειράματα σε στο πραγματικό περιβάλλον λειτουργείας του ρομπότ. Έχοντας αυτό υπόψη, ο κλάδος την εκτίμησης παραμέτρων αποτελεί μείζον θέμα για την επίτευξη του στόχου των υψηλών απαιτήσεων ενός σύγχρονου διαστημικού ρομπότ. Η παρούσα εργασία εστιάζει στο πρόβλημα της εκτίμησης παραμέτρων σε μη γραμμικά συστήματα στα οποία υπάρχουν μη μετρήσιμες μεταβλητές κατάστασης. Αυτή η συγκεκριμένη κατηγορία συστημάτων κάνει την διαδικασία εκτίμησης παραμέτρων να πρέπει να επιτευχθεί βάση γνώσης μόνο δεδομένων εισόδου εξόδου του συστήματος, σε αντίθεση με τα κλασσικά ρομποτικά συστήματα ρομποτικών βραχιόνων στα οποία υπάρχει γνώση του πλήρους διανύσματος κατάστασης. Το πρόβλημα διατυπώνεται στην μορφή ενός προβλήματος διπλής εκτίμησης και αντιμετωπίζεται με κυρίως με χρήση του Unscented Kalman Filter διατυπωμένου για μια επέκταση του συστήματος που περιέχει στο διάνυσμα κατάστασης τις παραμέτρους προς αναγνώριση. Το γενικό αυτό πρόβλημα εξετάζεται μέσω δύο ειδικών περιπτώσεων σχετικών με εφαρμογές διαστημικής. Η πρώτη περίπτωση που εξετάζεται είναι αυτή ενός δορυφόρου με παφλασμό καυσίμου, ενώ η δεύτερη ενός δορυφόρου με εύκαμπτους ηλιακούς φορείς. Σε κάθε περίπτωση, οι παράμετροι των υποσυστημάτων αναγνωρίζονται θεωρώντας γνωστές τις βάσης του δορυφόρου, η οποία μοντελοποιείται σαν στερεό σώμα. Συγκεκριμένα, για τη αρχική μελέτη του φαινομένου του παφλασμού καυσίμου παρατίθεται μια σειρά από προσομοιώσεις υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Αυτές πιστοποιούν ότι τα μηχανικά ανάλογα που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση του φαινομένου σε δυναμικά μοντέλα κατάλληλα για έλεγχο έχουν την απαιτούμενη ακρίβεια δεδομένων του μικρού πεδίου επιτάχυνσης στο οποίο εκτίθεται η δεξαμενή καυσίμου σε διαστημικές εφαρμογές σε σχέση με επίγειες αντίστοιχες περιπτώσεις. Επίσης, περιγράφεται μια διαδικασία τόσο για εκτέλεση συζευγμένων και μη συζευγμένων προσομοιώσεων υπολογιστικής ρευστομηχανικής του φαινομένου με τις δυναμικές εξισώσεις του δορυφόρου. Το αποτέλεσμα είναι ότι οι αλγόριθμοι που επιλέχθηκαν από την βιβλιογραφία για την ταυτόχρονη αναγνώριση κατάστασης και παραμέτρων τροφοδοτούνται από ρεαλιστικά δεδομένα εισόδου εξόδου αντί για εξιδανικευμένες μετρήσεις που προέρχονται από τις αναλυτικές εξισώσεις με προσθήκη θορύβου. Με βάση αυτά, βρέθηκε ότι ο αλγόριθμος βασισμένος στο Unscented Kalman Filter είναι ικανός να κάνει εκτίμηση του υποσυστήματος του παφλασμού καυσίμου με σχετικό σφάλμα 15% παρουσία θορύβου στην χειρότερη περίπτωση, υπολογισμένο από κατάλληλες προσομοιώσεις Monte Carlo. Για την περίπτωση του δορυφόρου με εύκαμπτους ηλιακούς φορείς, μελετώνται δύο υποπεριπτώσεις. Αρχικά η εκτίμηση παραμέτρων γίνεται θεωρώντας γνωστές τις διαστάσεις και την 4/83 μάζα των δύο φορέων και άγνωστη μόνο την καμπτική δυσκαμψία των φορέων στην διεύθυνση ταλάντωσης. Αυτό είναι μια λογική υπόθεση, δεδομένου ότι οι παραπάνω παράμετροι μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια πριν ο δορυφόρος τεθεί σε τροχιά. Σε αυτή την περίπτωση το μέγιστο σχετικό σφάλμα παρουσία θορύβου δε ξεπερνά το 4%. Επίσης μελετάται η περίπτωση στην οποία και η μάζα του κάθε εύκαμπτου φορέα είναι άγνωστη. Σε αυτή την περίπτωση το μέγιστο σφάλμα εκτίμησης φτάνει το 15%. Σημειώνεται επίσης ότι η μέθοδος που προτείνεται, η οποία λειτουργεί στο πεδίου του χρόνου έναντι κλασσικών μεθόδων αναγνώρισης παραμέτρων που λειτουργούν στο πεδίο της συχνότητας, δεν έχει δυσκολία στην αναγνώριση ιδιοσυχνοτήτων από πολλούς φορείς στην ίδια κατασκευή οι οποίοι έχουν συχνότητες κοντά ο ένας στον άλλο. Αυτό είναι σε αντίθεση με μεθόδους βασισμένες στην αναγνώριση ιδιοσυχνοτήτων από διαγράμματα φάσματος απόκρισης, στα οποία οι κορυφές που αντιστοιχούν σε ιδιοσυχνότητες πρέπει να αντιστοιχηθούν με τον φορέα ο οποίος τις παράγει.	el
heal.abstract	With current advances in space technology, modern space missions are becoming increasingly more ambitious. Typical scenarios including servicing missions for extending the life of already operating satellites, or deorbiting of debris that occupy lower earth orbits posing collision risks for currently active satellites. These missions require space robots with highly precise and agile motion capabilities that were previously impossible using conventional models and control schemes. As with even the best control algorithms though, the performance is highly dependent on accurate knowledge of the various system parameters calculated not only theoretically using simulations or in terrestrial laboratory conditions, but also validated in the actual working environment of the space robot. To this end, parameter estimation algorithms are a pertinent issue in achieving the strict tolerances required in modern space missions. This thesis focuses on the parameter estimation of nonlinear systems with unmeasurable state variables. This specific branch of systems requires the identification process to use only input-output data rather than the complete state measurements that are typically available in robotic systems like rigid manipulators. The problem is posed as a dual estimation problem tackled mainly using the Unscented Kalman Filter in a joint state-parameter configuration. This general problem is thoroughly studied in the context of two specific scenarios related to space applications. The first is a satellite exhibiting fuel sloshing, while the second is a satellite with two flexible solar arrays. In each case the model parameters of each subsystem are identified, considering the inertial parameters of the rest of the spacecraft, modeled as a rigid body, known. Specifically for studying the phenomenon of fuel sloshing in satellites, a set of CFD simulations is conducted first. These certify that the mechanical equivalent models used to consider the sloshing dynamics are appropriate in the context in which they are used, given the weak acceleration fields created by small satellite thrusters in the specific scenario under consideration. Furthermore, a procedure is described and implemented to create realistic input-output data for the complete spacecraft – sloshing tank system, simulated both in a coupled and decoupled form with respect to the rest of the spacecraft dynamics. The result is that the algorithms selected for parameter estimation from the literature can be tested not only with respect to whether they can be utilized in the ideal scenario, where the structure of the model coincides perfectly with the structure of the true plant but also in the more realistic case where model mismatch exists between them. Using those data, it is found that the algorithm can be utilized for identifying a pendulum mechanical equivalent model with a worst-case relative estimation error of 15% under noise, estimated by Monte Carlo simulations. For the case of flexible solar arrays, two scenarios are presented. The first assumes all parameters known except from the flexural rigidity in the bending direction. This is a reasonable assumption since all other quantities can be measured directly while the satellite is still in the testing stage. Under those conditions the worst-case relative error in each parameter is less 4% under noise. In a scenario where both the array’s flexural stiffness and mass are unknown, the algorithm produces worst-case errors of about 15%. It is also noted that the time domain approach adopted here for identifying the flexible effects can handle multiple structures having natural frequency in the same frequency range, without having the issue of matching each frequency with its source as would be the case in a frequency domain peak-picking method.	en
heal.advisorName	Evangelos, Papadopoulos	en
heal.committeeMemberName	Evangelos, Papadopoulos	en
heal.committeeMemberName	Kyriakopoulos, Kostas	en
heal.committeeMemberName	Antoniadis, Ioannis	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	83 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false