Έλεγχος προσανατολισμού μικρού δορυφόρου με χρήση γυροσκοπικών επενεργητών ελέγχου και σύγκριση με σφονδύλους αντίδρασης

Σουγλές, Σταμάτης; Sougles, Stamatis

dc.contributor.author	Σουγλές, Σταμάτης	el
dc.contributor.author	Sougles, Stamatis	en
dc.date.accessioned	2022-12-09T10:09:31Z
dc.date.available	2022-12-09T10:09:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56384
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24082
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αυτόματος Έλεγχος	el
dc.subject	Έλεγχος Προσανατολισμού	el
dc.subject	Γυροσκοπικοί Επενεργητές Ελέγχου	el
dc.subject	Μη γραμμικός έλεγχος	el
dc.subject	Αεροδιαστημική	el
dc.subject	Automatic Control Systems	en
dc.subject	Attitude Control Systems	en
dc.subject	Control Moment Gyros	en
dc.subject	Aerospace	en
dc.subject	CMGs	en
dc.title	Έλεγχος προσανατολισμού μικρού δορυφόρου με χρήση γυροσκοπικών επενεργητών ελέγχου και σύγκριση με σφονδύλους αντίδρασης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Αυτόματος Έλεγχος	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-01
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματεύεται το αν η εγκατάσταση συστήματος Γυροσκοπικών Επενεργητών Ελέγχου (CMGs) είναι εφικτή σε έναν μικρού μεγέθους δορυφόρο, και μάλιστα εξετάζεται αν η χρήση του είναι συμφέρουσα συγκριτικά με ένα αντίστοιχο σύστημα σφονδύλων αντίδρασης (RWs). Αρχικά, εισάγεται ο σκοπός και το αντικείμενο της εργασίας και παρατίθεται μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση, σχετική με τον έλεγχο προσανατολισμού και τη διεθνή έρευνα για την υλοποίηση συστημάτων CMGs. Θεμελιώνεται το θεωρητικό υπόβαθρο σχετικά με την κινηματική και δυναμική απαραμόρφωτου σώματος και τις διάφορες μεθόδους περιγραφής προσανατολισμού. Παρουσιάζονται τα συστατικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται ένα σύστημα κλειστού βρόχου όπως είναι ο προγραμματισμός τροχιάς, ο υπολογισμός σφάλματος με βάση τα Quaternions και διάφορα είδη νόμων ελέγχου οι οποίοι χρησιμοποιούνται συνηθέστερα σε συστήματα ελέγχου προσανατολισμού. Με τη βοήθεια ενός παραδείγματος δείχνεται βήμα-βήμα ο τρόπος με τον οποίον ένας μηχανικός μοντελοποιεί, απλά στην αρχή, το υπό μελέτη σύστημα και γίνεται μια σύγκριση μεταξύ των νόμων ελέγχου που συναντώνται στη βιβλιογραφία πάνω στο πρόβλημα του ελέγχου προσανατολισμού. Στη συνέχεια, παρατίθενται κάποια στοιχεία σχετικά με τα είδη των δορυφόρων και τα είδη επενεργητών, οι οποίοι ελέγχουν τον προσανατολισμό ενός διαστημικού οχήματος. Ακολούθως, η εργασία στρέφεται προς τα CMGs και περιγράφονται αναλυτικά οι τύποι τους (SG, DG ή VS CMGs), οι διάφορες διαμορφώσεις τους, η διαθεσιμότητα στην αγορά, οι εξισώσεις και οι παραδοχές με τις οποίες μοντελοποιείται μια συστοιχία τεσσάρων SGCMGs σε διάταξη πυραμίδας, τα προβλήματα ιδιομορφιών που εμφανίζουν και οι τρόποι αντιμετώπισής τους μέσω κατάλληλων μαθηματικών αλγορίθμων που ονομάζονται Νόμοι Οδήγησης. Τέλος, παρουσιάζεται η αναλυτική διαδικασία σχεδιασμού ενός συστήματος CMGs, για μια ορισμένη μελέτη περίπτωσης δορυφόρου, με συγκεκριμένες προδιαγραφές και περιορισμούς. Εξηγείται σχολαστικά η διαδικασία διαστασιολόγησης και κάθε επιλογή που έγινε αναφορικά με τη μάζα και τη ροπή αδράνειας του σφονδύλου, την απαιτούμενη ροπή εξόδου και την επιλογή των κινητήρων σφονδύλων και αντίζυγων. Ακολουθούν οι προσομοιώσεις στο περιβάλλον MATLAB/Simulink/Simscape, από τις οποίες εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα και επαληθεύουν τις επιλογές που έγιναν κατά τη διαδικασία διαστασιολόγησης. Τέλος, με το ίδιο σκεπτικό σχεδιάζεται ένα αντίστοιχο σύστημα τεσσάρων RWs σε διάταξη πυραμίδας, ώστε τα δύο συστήματα να συγκριθούν σε μία κοινή βάση. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης δείχνει την με διαφορά επικράτηση των CMGs συγκριτικά με τα RWs, τόσο από άποψη ροπής εξόδου (και άρα ταχύτερης περιστροφής του δορυφόρου), όσο και ενεργειακά.	el
heal.abstract	This thesis, discusses the feasibility of installing Control Moment Gyros (CMGs) on a small satellite, and examines whether it is advantageous compared to a corresponding system of Reaction Wheels (RWs). Initially, the purpose and scope of the paper is introduced and a brief literature review, relevant to the subject of attitude control theory and international research on the implementation of CMG systems, is provided. The theoretical background on the kinematics and dynamics of a rigid body and the various methods of orientation description is established. The components of a closed-loop system, such as trajectory planning, quaternion-based error calculation and various types of control laws that are most commonly used in attitude control systems, are also presented. With the help of an example, it is shown step-by-step, how an engineer models the system under study, and a comparison is made between the control laws found in the literature on the problem of attitude control. Subsequently, some facts are given about the types of satellites and the different types of actuators that o control the orientation of a spacecraft. Next, the paper turns into CMGs and describes in detail their types (SG, DG or VS CMGs), their different configurations, their availability on the market, the equations and assumptions with which a configuration of 4 SGCMGs in a pyramid configuration is modelled, the singularity problems they exhibit, and the ways to deal with them through mathematical algorithms called Steering Laws. Finally, the analytical design procedure of a CMGs system is presented for a certain satellite case study with given specifications and constraints. The sizing process and each choice made regarding the flywheel mass and moment of inertia, the required output torque and the choice of flywheel and gimbal motors are thoroughly explained. This is followed by simulations in the MATLAB/Simulink/Simscape environment, from which useful conclusions are drawn, and which verify the choices made during the sizing process. Finally, a corresponding system of 4 RWs in a pyramid arrangement is designed along the same lines so that the two systems can be compared on a common basis. The result of the comparison shows the predominance of CMGs over RWs by far, both in terms of output torque (and thus faster satellite rotation) and energy consumption.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false