This thesis project has been conducted during a five-month research exchange visit to the Space Structure Dynamics and Control research group at University College Dublin. This report presents the design, development, and validation of a nanosatellite attitude control testbed. The testbed was designed to replicate the microgravity conditions of space by utilising an air bearing, enabling single-axis rotational motion for a 1U CubeSat-sized nanosatellite. The novel aspect of this research is the inclusion of two-degree-of-freedom, lumped-mass flexible appendages on either side of the nanosatellite, emulating a lightweight, flexible space structure. These flexible appendages were designed based on the stiffness characteristics of a deployable CubeSat solar array system found in existing literature, with exaggerated motion to amplify the measurable effects of various control approaches. The central focus of this project was the development of an avionics stack closely resembling CubeSat attitude control boards. The stack uses an STM32 microcontroller as the primary attitude control computer, and a suite of off the shelf breakout boards for sensors and wireless telemetry systems. Power, serial and I2C buses connect the attitude control board and the onboard computer board. A reaction wheel actuator controls the Euler heading attitude. The testbed was designed as an experimental platform for validating control algorithms developed through a model-based approach. Integration with the Simulink Embedded Coder toolbox allows for the compilation of Simulink models into C code, facilitating direct execution on the testbed. The testbed’s physical construction involves 3D printed ABS components, with the inclusion of load cells to measure disturbance torques from the excited flexible appendages. Results from validation experiments show that a simple PID controller causes significant excitation in the flexible appendages during a slew manoeuvre. However, the introduction of an input shaped attitude profile tailored to the natural frequency of the appendages successfully reduced the measured appendage excitation by 50%. Conversely, the force impedance wave based control approach did not show a reduction in appendage excitation, but shows promise for further developments in future work. In conclusion, the testbed has successfully achieved its predefined project objectives, albeit requiring further refinement, particularly in the telemetry down-link system. It is recommended that future work focuses on enhancement of the telemetry system, and validation of a model based approach to controller design. / Detta examensarbete har utförts under ett fem månaders forskningsutbyte vid forskningsgruppen Space Structure Dynamics and Control vid University College Dublin. Denna rapport presenterar design, utveckling och validering av en testbädd för attitydstyrning av en nanosatellit. Testbädden utformades för att efterlikna mikrogravitationsförhållandena i rymden genom att använda ett luftbärande lager, vilket möjliggör rotationsrörelse kring en axel för en nanosatellit av storleken 1U CubeSat. En unik aspekt av detta arbete är inkluderingen av två-frihet-graders, sammansatta flexibla påhängen på vardera sidan av nanosatelliten, vilket efterliknar en lätt, flexibel rymdstruktur. Dessa flexibla påhängen utformades med utgångspunkt från styvhetsegenskaperna hos ett utskjutbart CubeSat-solcellssystem som finns i befintlig litteratur, med överdriven rörelse för att förstärka de mätbara effekterna av olika styrmetoder. Det centrala fokuset för detta projekt var utvecklingen av en avionikstack som nära liknar CubeSat-attitydregleringkort. Stacken använder en STM32-mikrokontroller som primär dator för attitydkontroll och ett urval färdiga breakout-kort för sensorer och trådlös telemetri. Strömförsörjning, serie- och I2C-bussar ansluter attitydregleringkortet och omborddatorn med en reaktionshjulsaktuator som styr Euler-attityd. Testbädden utformades som en experimentell plattform för att validera styralgoritmer som utvecklats med hjälp av en modellbaserad metod. Integration med Simulink Embedded Coder möjliggör kompilering av Simulink-modeller till C-kod, vilket underlättar direkt exekvering på testbädden. Testbäddens fysiska konstruktion innefattar 3D-utskrivna ABS-komponenter med inkludering av lastceller för att mäta störningsmoment från de exciterade flexibla påhängen. Resultaten från valideringsexperiment visar att en enkel PID-regulator orsakar betydande excitation i de flexibla påhängena under en vridningsmanöver. Dock lyckades en input-formad attitydprofil som anpassats till de flexibla påhängenas naturliga frekvens framgångsrikt minska den uppmätta excitationen med 50%. Omvänt visade den kraftimpedansvågbaserade styrmetoden inte någon minskning i excitation, men visar potential för vidare utvecklingar i framtida arbete. Sammanfattningsvis har testbädden framgångsrikt uppnått sina fördefinierade projektmål, om än med behov av ytterligare förfining, särskilt i telemetrisystemet. Det rekommenderas att framtida arbete fokuserar på förbättring av telemetrisystemet och validering av en modellbaserad ansats till styrdesign.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-347925 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Byrne, Loui |
| Publisher | KTH, Flyg- och rymdteknik, marina system och rörelsemekanik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2023:435 |
Page generated in 0.1718 seconds