كنترل بهينة شبيه‌ساز سه درجه آزادي فضاپيما با عملگرهاي چرخ عكس‌العملي

Optimal Control of a Tri-axial Spacecraft Simulator Test bed Actuated by Reaction Wheels

این مقاله به جزییات طراحی یك شبیه‌ساز سه درجه آزادی فضاپیما كه به‌عنوان یك پروژة تحقیقاتی بر روی دینامیك و كنترل فضاپیماها در آزمایشگاه تحقیقات فضایی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی توسعه داده شده است، می‌پردازد. این شبیه‌ساز دمبلی شكل المان‌های متعددی نظیر یاتاقان هوایی كروی، حسگر وضعیت، باتری قابل شارژ، چرخ‌های عكس‌العملی، كامپیوتر مركزی و اجرام بالانس دارد. در این مقاله، یك مسئله كنترل بهینه برای این شبیه‌ساز فضاپیما كه عملگرهای مؤثر آن چرخ‌های عكس‌العملی هستند، مطالعه می‌گردد. با فرض یكنواختی گرانش زمین و چرخش بدون اصطكاك یاتاقان هوایی، چرخ‌های عكس‌العملی گشتاورهای كنترلی مورد نیاز را حول محورهای رول، پیچ و یاو تولید می‌نمایند. هدف سیستم كنترل آن است كه فرامین ارسالی از كاربر با حداقل مصرف انرژی و بالاترین دقت اجرا شوند. برای این كار، یك كنترلر LQR برنامه‌ریزی شده و برای انجام مانورهای مورد نظر بر روی كامپیوتر شبیه‌ساز پیاده‌سازی شده است. این رهیافت كنترلی برای انجام مانورهای زاویه‌ای سریع سه‌محوره بزرگ طراحی شده و عملگر مؤثر آن چرخ‌های عكس‌العملی هستند.

This article describes the details of a Tri-axial Spacecraft Simulator Testbed (TSST) that has been developed as part of a research program on spacecraft multi-body rotational dynamics and control in Space Research Laboratory (SRL) at K. N. Toosi University of Technology. This dumbbell style simulator includes a variety of components: spherical air-bearing, inertial measurement unit (IMU), rechargeable battery, reaction wheels (RW), on-board computer (OBC) and balancing masses. In this paper, an attitude control problem for the spacecraft simulator actuated by three reaction wheels is studied. Under the assumption of uniform gravity and frictionless air-bearing environment, reaction wheels generate control moments about the roll, pitch and yaw axes of the base body. The control objective is to perform attitude commands sent from users with the least power consumption and a high precision. To handle the non-linear model, a Linear Quadratic Ricatti (LQR) controller has been programmed and it efficaciously controlled the computer-modeled simulator for any given slewing maneuver. This control approach has been developed to facilitate the system to accomplish large-angle, three-axis slewing maneuvers using RWs as effective actuators.