طراحی و ساخت بستر آزمون دومحوره کنترل زاویه با رویکرد سخت‌افزار در حلقه

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
1 استادیار، گروه مهندسی برق، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران
2 دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
چکیده
این مقاله به بررسی طراحی و ساخت دستگاه مکانیکی کنترل زاویه دومحوره مبتنی بر سختافزار در حلقه به‌منظور ساخت بستر آزمون دومحوره پرداخته است. هدف از این دستگاه رسیدن به بستر آزمون کنترل دومحوره زاویه با خطای کوچک به‌منظور ارزیابی و تست حسگرهای وضعیت یا به‌عنوان میز دو درجه آزادی کوچک برای کنترل وضعیت اجزای ماهواره بوده است. دستگاه از دو بخش اصلی سازه مکانیکی و بخش الکترونیکی تشکیل‌شده و الگوریتم کنترلی در بستر سختافزار در حلقه نوشته‌شده و قابلیت تعریف انواع کنترلکنندهها بر روی آن وجود دارد. سازه از میله قابل دوران، کوپلینگ، یاتاقانها، بدنه، پایه و بخش الکترونیکی از یک برد پردازشگر، حسگر انکودر، باتری، ماژول مخابراتی و یک موتور کورلس با دیسک دوار به‌عنوان چرخ عکسالعملی، تشکیل‌شده است. این دستگاه به‌صورت دو درجه آزادی توانایی مانورهای وضعیت پیچ (pitch) و یاو (yaw) را داشته و خطای وضعیت آن متناسب با الگوریتم کنترلی است. قابلیت اطمینان دقت این دستگاه به ازای صد مرتبه تکرار آزمون برای مانورهای مذکور به ترتیب مقدار 11/0 و 2/0 درجه، با کنترلکننده PID، صحهگذاری شده است. تحلیل عملکرد دستگاه به ازای بررسی زوایای ورودی مختلف، ضرایب متنوع کنترلکننده، شرایط اولیه متفاوت، مانورهای تکمحوره و دومحوره به‌تفصیل بررسی‌شده است. نتایج به‌دست‌آمده نشاندهنده عملکرد مناسب دستگاه ساخته‌شده با خطای میانگین کمتر از 23/0 درجه میباشد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and Construction of a Two-Axis Angle Control Testbed with a Hardware-in-the-Loop Approach

نویسندگان English

Vahid Bohlouri 1
Mohammadamin Bagheri 2
Esmaeel Ghafari 3
1 Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, National University of Skills (NUS), Tehran, Iran.
2 B.Sc. Student, Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran.
چکیده English

Precise calibration of attitude determination sensors prior to deployment necessitates advanced platforms with two or three degrees of freedom that ensure high accuracy and real-time monitoring capabilities. In response to this requirement, a two-degree-of-freedom testbed has been designed and implemented to enable thorough functional evaluation of sensors and systems before their deployment phase and to offer real-time tracking of platform dynamics and sensor responses. The system is composed of two primary subsystems: a mechanical framework and an electronics subsystem. The mechanical framework is engineered with high precision to mitigate misalignments and ensure accurate component placement, including a reaction wheel that enhances control system efficiency. The electronics subsystem incorporates key elements such as batteries, actuators, communication interfaces, and control boards, enabling seamless and efficient operation. A PID controller has been employed to achieve precise and stable control of the platform. Experimental evaluations demonstrate that the system achieves angular accuracy of 0.11° in the pitch axis and 0.20° in the yaw axis. These findings underscore the platform’s efficacy as a reliable tool for pre-deployment calibration and performance testing of attitude determination sensors and establish its foundation as a versatile hardware-in-the-loop platform for detailed sensor performance evaluations.

کلیدواژه‌ها English

Position Control
Two-axis Mechanism
PID Controller
Control Testbed
Hardware in the Loop
  • Ley, W., Wittmann, K., & Hallmann, W. (Eds.). (2009). Handbook of space technology (Vol. 22). John Wiley & Sons.
  • Uscategui, Jhonny, Xinsheng Wang, Gerson Cuba, and María Guarirapa. "High-Precision Magnetic Testbed Design and Simulation for LEO Small-Satellite Control Test." Aerospace 10, no. 7 (2023): 640.
  • Bohlouri, H. Haghighi, S. Kaviri, E. Maani, S. Seyedzamani, Design and Implementation of Hardware-in-the-loop (HIL) Test-bed for Spacecraft Attitude Control, Journal of Space Science and Technology, Vol. 12, No. 1, 2019. (in Persian)
  • Inumoh, L.O., Forshaw, J.L. and Horri, N.M. “Tilted wheel satellite attitude control with airbearing table experimental results” Acta Astronautica, Vol. 117, :2015, pp. 414-429..
  • Krishnanunni, A.R. and et al., “Inertia and Center of Mass Estimation of a 3 DoF Air Bearing Platform”. IFAC-PapersOnLine, Vol. 51, No. 1, 2018, pp. 219-224.
  • Hurtado-Velasco, R. and Gonzalez-Llorente, J., “Simulation of the magnetic field generated by square shape Helmholtz coils” Applied Mathematical Modelling, Vol. 40, No. 23-24, 2016, pp. 9835-9847.
  • Chesi, S., Perez, O. and Romano, M., “A dynamic, hardware-in-the-loop, three-axis simulator of spacecraft attitude maneuvering with nanosatellite dimensions”, Journal of Small Satellites, Vol. 4. No. 1, 2015, pp. 315-328.
  • Newton, A., 2021. Design, Development, and Experimental Validation of a Nanosatellite Attitude Control Simulator (Doctoral dissertation, University of Guelph).
  • Kazemi, E.M. and Jozvvaziri, M.A., Developed of an Algorithm for Design and Construction a Hot Gas Thruster and Comparied with Experimental Result”, Aerospace Knowledge and Technology Journal, Vol. 6, No. 2, 2017, pp. 73-86.
  • Mirshams, M. and et al., “Using air-bearing based platform and cold gas thruster actuator for satellite attitude dynamics simulation,” Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 12(, 2015, pp. 1-12.
  • Bohlouri, V., Hosseini-Onari, H., Meibody, M. N., & Seyedzamani, S. (2019, April). An Online Hardware-in-the-Loop Testbed for Spacecraft Attitude Control. In 2019 27th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE)(pp. 1002-1006). IEEE.
  • Stromecki, and A. B. Younes. "Spacecraft Attitude Testbed." Advances in Space Research (2024).
  • Larson, W.J. and Wertz, J.R., Space mission analysis and design, Microcosm, Inc., Torrance, CA (US), 1992.
  • Bohlouri, S. Kaviri, M. Taghinezhad, M. Naddafi Pour Meibody, S. Seyedzamani, Modeling and System Identification of a Reaction Wheel with Experimental Data, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 11, pp. 437-446, 2018. (in Persian).
  • Arantes, G. Jr., Martins-Filho, L.S., Santana, A.C. "Optimization of Attitude Control for Brazilian Multimission Satellite Platforms Using On-Off Systems." Journal of Spacecraft and Rockets, 2009.
  • Pines, D.J., Hakala, D.B., Malueg, R. "Design of a Lightweight, Two-Axis Gimbal System for High-Precision Space Applications." IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 47, No. 3, 2011.
  • Sai Krishna, Sushmita Gosavi, Shivika Singh, Naman Saxena, Anirudh Kalijie, Paras Shah, Vishwanath Datla. "Design and Implementation of a Reaction Wheel System for CubeSats." IEEE Aerospace Conference, 2020.
  • A. Olsen, Attitude Determination and Control System Testbed for Hardware and Software Testing and Verification for Small Satellites, Master's thesis, NTN university, 2021.
  • Bohlouri, Improving the performance of satellite attitude control with a reaction wheel actuator and considering sensor noise, Journal of Science and Technology in Mechanical Engineering, Vol. 2, No. 1, 2023.

 

  •  

  • تاریخ دریافت 20 مهر 1403
  • تاریخ بازنگری 15 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 26 آبان 1403
  • تاریخ اولین انتشار 26 آبان 1403
  • تاریخ انتشار 31 شهریور 1403