Nhân dịp này, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:• PGS.TS Đinh Văn Phong, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội• Tập thể đồng nghiệp tại phòng Động lự
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Huỳnh Xuân Quang THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VÀ ĐIỂU KHIỂN TƯ THẾ VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS ĐINH VĂN PHONG Hà Nội –2010 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131819581000000 Mục lục LỜI CẢM ƠN .5 LỜI CAM ĐOAN .6 Danh mục kí hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng hình vẽ Mở đầu Chương 11 Tổng quan 11 1.1 Vệ tinh nhân tạo 11 1.2 Xác định điều khiển tư vệ tinh .12 1.2.1 Mục đích việc xác định điều khiển tư vệ tinh 12 1.2.1 Hệ thống xác định điều khiển tư vệ tinh .13 2.1 Mục đích đề tài 14 2.2 Nguyên lý làm việc mô tư vệ tinh 15 Chương 20 Cơ sở toán học 20 3.1 Quỹ đạo Kepler 20 3.2 Các hệ quy chiếu 21 3.2.4 Hệ quy chiếu quỹ đạo 22 3.2.5 Hệ quy chiếu vật thể 22 3.3 Động lực học vật rắn 22 3.3.1 Vector 22 3.3.2 Phép quay 23 3.3.3 Các góc Euler 24 3.3.4 Các tham số Euler 25 3.3.5 Phương trình vi phân động lực học 27 3.3.6 Độ lệch tư 27 3.3.7 Độ lệch vận tốc góc 28 3.3.8 Động lượng, mômen động lượng ma trận quán tính 28 3.4 Mơ hình gyrostat 29 3.4.1 Phương trình chuyển động 29 3.4.2 Động .30 3.5 Mômen xoắn nhiễu .30 3.5.1 Mômen xoắn gradient trọng lực 31 3.5.2 Thế 31 3.6 Phân tích ổn định 32 3.6.1 Hệ thống tuyến tính 32 3.6.1 Hệ thống phi tuyến 32 3.7 Thuật toán điều khiển tuyến tính 33 3.7.1 Tính điều khiển 33 3.7.2 Bộ điều khiển tuyến tính .33 3.7.3 Điều khiển hồi tiếp quaternion 33 3.8 Thuật toán điều khiển phi tuyến 35 3.8.1 Luật điều khiển từ phân tích Lyapunov 35 3.8.2 Tuyến tính hóa hồi tiếp 35 3.8.3 Điều khiển chế độ trượt 36 3.9 Điều khiển đẩy 39 3.9.1 Bộ điều khiển bang-bang 39 3.9.2 Trigger Schmitt .40 3.9.3 Bộ điều chỉnh PWPF .41 Chương 42 Phân tích lý thuyết .42 4.1 Mơ hình hóa toán học 42 4.1.1 Mơ hình động học 42 4.1.2 Mơ hình động lực học .42 4.1.3 Các giả thiết mơ hình 43 4.1.4 Mơ hình tuyến tính hóa 44 4.2 Điều khiển tuyến tính 46 4.2.1 Ổn định hóa địa phương 47 4.2.2 Ổn định hóa tồn cục .49 4.3 Điều khiển phi tuyến 52 4.3.1 Bộ điều khiển Lyapunov 52 4.3.2 Bộ điều khiển Lyapunov 53 4.3.3 Bộ điều khiển Lyapunov 54 4.3.4 Bộ điều khiển trượt 55 Chương 58 Mô 58 5.1 Mơ hình SIMULINK MICRO-STAR 58 5.1.1 Mơ hình tốn học 58 5.1.1 Các tham số mô 58 5.2 Điều khiển tuyến tính 60 5.2.1 Điều khiển địa phương 60 5.3 Điều khiển phi tuyến 61 5.3.1 Điều khiển Lyapunov 61 5.3.2 Điều khiển Lyapunov 62 5.3.2 Điều khiển trượt 64 Chương 66 Chương 66 Kết luận đề xuất 66 6.1 Thảo luận 66 6.1.1 Phân tích lý thuyết 66 6.1.2 Mô 67 6.1.3 Các vấn đề ứng dụng .67 6.2 Kết luận đề xuất .68 Tài liệu tham khảo .69 Phụ lục .70 Sơ đồ khối mô Simulink 70 Code Matlab 70 LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu phát triển luận văn tốt nghiệp thạc sĩ học với đề tài “… “ Với nỗ lực than giúp đỡ thầy giáo, gia đình, bạn bè đồng nghiệp vật chất tinh thần Tác giả hồn thành khóa luận tốt nghiệp với cố gắng cao Nhân dịp này, tác giả bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: • PGS.TS Đinh Văn Phong, Bộ mơn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội • Tập thể đồng nghiệp phòng Động lực học Cơ điện tử xác – Viện CNVT-Viện KH&CN Việt Nam • Gia đình bạn học viên cao học khóa 2008-2010 Tác giả luận văn LỜI CAM ĐOAN Luận văn giao nhiệm vụ nghiên cứu với đề tài “Thiết kế xây dựng hệ mô hệ thống xác định điểu khiển tư vệ tinh nhỏ quan sát trái đất” Tác giả hoàn thành việc nghiên cứu đề tài với đầy đủ nội dung yêu cầu đăng ký đề cương Tác giả xin cam đoan trực tiếp thực tồn nơi dung nghiên cứu khơng có gian lận hay chép Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm cam đoan Hà Nội, ngày 28-10-2010 Người viết cam đoan Tác giả luận văn Huỳnh Xuân Quang Danh mục kí hiệu chữ viết tắt Kí hiệu ADCSS LFC MICROSTAR Tên tiếng Anh Attitude Determination and Control Simulation System Lyapunov function candidate Tên tiếng Việt Hệ mô xác định điều khiển tư Hàm Lyapunov Tên vệ tinh hợp tác khu vưc Châu Á-Thái Bình Dương Danh mục bảng hình vẽ Hình 1.1 Mơ hình vệ tinh quan sát trái đất .12 Hình 1.2 Các trục định hướng vệ tinh .13 Hình 1Mơ hình vệ tình MICRO-STAR 14 Hình 2 Bộ mơ xác định điều khiển tư vệ tinh 15 Hình Sơ đồ nguyên lý mô 16 Hình Cảm biến xác định tư 16 Hình Nguyên lý làm việc cảm biến mặt trời .17 Hình Hệ thống điều khiển cân tĩnh 17 Hình Bánh xe động lượng 18 Hình Thanh từ lực 18 Hình Hệ thống phản lực .18 Hình 10 Tồn hệ thống mơ 19 Hình Quỹ đạo elip 20 Hình Các hệ tọa độ quy chiếu 22 Hình 3 Hiện tượng chatter 38 Hình Hàm dấu xấp xỉ 38 Hình Mặt biên sử dụng hàm bão hòa 39 Hình Bộ điều khiển bang-bang 39 Hình Bộ điều khiển bang-bang vùng chết .40 Hình Trigger Schimtt 40 Hình Cách thức biểu diễn khác Trigger Schmitt 40 Hình 10 Bộ điều chỉnh PWPF .41 Hình Kết mô với điều khiển PD 61 Hình Kết mơ với điều khiển Lyapunov 62 Hình Kết mơ với điều khiển Lyapunov 64 Hình Kết mô với điểu khiển trượt 65 Mở đầu Xuất phát từ q trình nghiên cứu Viện Cơng nghệ Vũ trụ-Viện KH CN Việt Nam Trong có đề tài triển khai nghiên cứu, thiết kế, chế tạo chuẩn bị phóng vệ tinh nhỏ (MICRO-STAR) phục vụ phát triển vệ tinh Châu Á Thái Bình Dương – APRSAF satellite Nội dung chương trình: Dựa kết điều tra nhu cầu nước khu vực Châu Á – Thái Bình Dương việc sử dụng vệ tinh chung, chương trình hợp tác phát triển vệ tinh Châu Á Thái Bình Dương – APRSAF satellite chia thành giai đoạn chính: Giai đoạn với mục đích chế tạo vệ tinh thử nghiệm (Micro STAR) với khối lượng khoảng 50kg; Giai đoạn chế tạo vệ tinh quan sát trái đất APRSAF satellite với khối lượng khoảng 300-500kg Vệ tinh Micro – STAR thiết kế dựa nhiệm vụ giám sát đất đai hoặc/và vùng biển, liệu ảnh vệ tinh lấy cách dễ dàng internet chia sẻ thông tin, liệu cho nước tham gia dự án Nhóm chương trình Việt Nam giao nhiệm vụ tiến nghiên cứu thiết kế hai thành phần vệ tinh MICRO-STAR là: - Hệ thống xác định điều khiển tư vệ tinh - Hệ thống cấu trúc khí vệ tinh Nhằm bước đầu tìm hiểu nghiên cứu hệ thống xác định điều khiển tư vệ tinh Bước đầu nhóm đề tài xây dựng hệ thống mô hệ xác định điều khiển tư vệ tinh mặt đất nội dung lựa chọn cho luận văn Mục đích nghiên cứu luận văn tìm hiểu việc xác định điều khiển tư vệ tinh cụ thể vệ tinh nhỏ có khối lượng 50kg bay quĩ đạo thấp có nhiệm vụ quan sát trái đất Từ đưa xây dựng mơ hình động học động lực học vệ tinh không gian Đưa phương án điều khiển xây dựng điều khiển mô máy tính Tuy điều kiện mặt thời gian đề tài tiến hành với vài điều kiện mơ hình cảm biến cấu chấp hành đơn giản Luận văn bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Mô xác định điều khiển tư vệ tinh Chương 3: Cơ sở toán học Chương 4:Phân tích lý thuyết Chương 5: Mơ Chương 6:Kết luận đề xuất 10