cảm biến sao và 3 cảm biến gia tốc (gyros) để xác định tƣ thế vệ tinh, trong khi khối các cơ cấu chấp hành điều khiển tƣ thế bao gồm 4 bánh xe phản lực (có trục không vuông góc, 1 redundancy), 3 thanh từ lực và một modul thiết bị đẩy phản lực bằng hydrazine [2].
Phụ lục 1 đƣa ra một số ví dụ về các hệ thống AOCS/ADCS đang đƣợc sử dụng trên các vệ tinh nhỏ QSTĐ trên thế giới.
1.4 Ứng dụng phƣơng pháp mô phỏng trong thiết kế và chế tạo hệ thống ADCS ADCS
1.4.1 Phương pháp mô phỏng
Mô phỏng (simulation) hiểu theo nghĩa rộng là tạo giả một vật thật, một trạng thái công việc hoặc một quá trình. Việc mô phỏng một đối tƣợng nào đó thƣờng phải làm sao phản ánh đƣợc những nét chủ yếu của đối tƣợng đó tuỳ theo mục đích mô phỏng. Ngày nay, phƣơng pháp mô phỏng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ, trong thử nghiệm, trong huấn luyện và đào tạo do hiệu quả rất cao so với chi phí bỏ ra, ví dụ nhƣ thiết kế các công trình kiến trúc bằng mô phỏng 3D, “thử bom hạt nhân” trên máy tính, thí nghiệm khí động học máy bay bằng cách “thổi” trên máy tính, huấn luyện phi công trong các thiết bị mô phỏng bay, diễn tập tham mƣu-chỉ huy trên mạng máy tính với hệ thống mô phỏng các tình huống chiến đấu v.v…
Có thể phân biệt một số dạng mô phỏng chính sau đây:
Mô phỏng toán học: thƣờng đƣợc thực hiện bằng cách giải trực tiếp trên máy tính bằng phƣơng pháp số các hệ phƣơng trình mô tả các quá trình chủ yếu của đối tƣợng cần mô phỏng và hiển thị trực quan các kết quả tính toán dƣới dạng các hình ảnh 3D2;
Mô phỏng vật lý: thƣờng đƣợc thực hiện với đối tƣợng nhỏ hơn (mô hình vật lý) nhƣng trong điều kiện có tác động các yếu tố vật lý nhƣ trong đối tƣợng thật, ví dụ nhƣ thử nghiệm các mô hình tàu thuỷ trong bể nƣớc…
Mô phỏng bán vật lý: (semiphysical simulation hoặc hardware-in-the loop simulation) kết hợp mô phỏng vật lý với mô phỏng toán học: thƣờng đƣợc áp dụng trong quá trình phát triển các hệ thống điều khiển. Ví dụ: để thử nghiệm và hoàn thiện các hệ thống điều khiển bay tự động của phƣơng tiện bay (một phần của vòng điều khiển kín – chuyển động thật của các đối tƣợng điều khiển đƣợc mô phỏng bằng mô hình toán học, còn bản thân các bộ phận của hệ thống điều khiển thì bằng các thiết bị thật hoăc thiết bị mô phỏng vật lý);
Mô phỏng có tương tác (interactive simulation hoặc human-in-the-loop simulation) thƣờng là kết hợp cả mô phỏng toán học, mô phỏng vật lý và thêm yếu tố con ngƣời: ví dụ nhƣ trong các thiết bị tập lái máy bay hoặc ô tô;
2 Đôi khi, riêng việc hiển thị (vizualization) 3D cũng đƣợc gọi là mô phỏng, thực ra nếu quá trình hiển thị này không dựa trên việc giải các hệ phƣơng trình toán học mô tả đối tƣợng mô phỏng thì chỉ là quá trình hiển thị bằng kỹ thuật đồ hoạ máy tính. Trong báo cáo này không xét dạng mô phỏng này
Trong phạm vi luận văn này sử dụng các phƣơng pháp mô phỏng toán học động lực học của quỹ đạo vệ tinh và động lực học vòng điều khiển kín ADCS, đồng thời sử dụng phƣơng pháp mô phỏng bán vật lý hệ thống ADCS.
Dƣới đây sẽ trình bày sâu hơn về thiết bị mô phỏng ADCS (ADCS simulator).
1.4.2 Thiết bị mô phỏng ADCS và quá trình thiết kế chế tạo hệ thống ADCS
Nhƣ đã nêu trên, ta thấy hệ thống ADCS là một hệ thống cơ điện tử phức tạp, vì vậy cách tiếp cận kinh điển trong chế tạo máy bình thƣờng là không phù hợp. Trên Hình 1.12 trình bày tóm tắt một ví dụ về tiến trình thiết kế chế tạo hệ thống ADCS của vệ tinh theo cách tiếp cận đối với các hệ thống cơ điện tử.
Máy tính nhúng Mô hình vật lý Cơ cấu chấp hành, đối tượng, cảm biến Thuật toán
Bước 1: Mô phỏng toán học Xác định mục tiêu thiết kế Mô phỏng Bộ ước lượng điều khiển Cơ cấu chấp hành Máy tính Bước 2: Mô phỏng bán vật lý
Bước 3: Thiết kế chế tạo hệ ADCS thử nghiệm trong điều kiện mặt đất
vào
ra Từ ngoài
Máy tính nhúng Tổng hợp thuật toán
ước lượng điều khiển
Lập trình, hiệu chỉnh, chạy thử
Đưa vào thử nghiệm
I, III, V: Tiến trình thiết kế phần ước lượng và điều khiển
II, IV, VI: Tiến trình thiết kế phần cơ cấu chấp hành - đối tượng - cảm biến
I
III
V VI
II
IV
Hình 1.12 Tiến trình thiết kế hệ thống ADCS của vệ tinh
Bƣớc 1 là xây dựng mô hình toán học mô tả động lực học của vệ tinh nhƣ một cơ hệ có chứa tham số điều khiển và sử dụng mô hình để phân tích các bài toán cơ bản về xác định tƣ thế vệ tinh và điều khiển tƣ thế vệ tinh bằng cơ cấu chấp hành nhƣ: bài toán quan sát, bài toán xây dựng các điều khiển mạch kín và mạch hở để đƣa vệ tinh về tƣ thế mong muốn, …Một số nội dung nâng cao có thể cần nghiên cứu thông qua việc sử dụng mô hình toán học nhƣ xem xét vệ tinh nhƣ một cơ hệ đàn hồi, phân tích các yêu tố nhiễu động bên ngoài tác động vào vệ tinh dƣới dạng các bài toán điều khiển hệ thống chịu nhiễu. Dựa vào các mô hình toán học nói trên, ta có thể xây dựng môđun phần mềm để ƣớc lƣợng và điều khiển (estimation & control software modul).
Bƣớc 2 là xây dựng các thuật toán và phần mềm mô phỏng dựa trên mô hình toán học và mô hình vật lý để phân tích thiết kế hệ ADCS. Trong giai đoạn này sẽ tiến hành
tổng hợp, thực hiện ƣớc lƣợng và điều khiển trong thời gian thực của cơ cấu chấp hành, đối tƣợng điều khiển và các cảm biến. Trong mô hình này có thể có một số thiết bị thật, tuy nhiên một số thiết bị chƣa phải là thật mà chỉ là dƣới dạng mô hình vật lí và một số yếu tố vẫn phải mô phỏng bằng toán học. Trong quá trình mô phỏng bán vật lí này thƣờng sử dụng các phần mềm nhúng và các công cụ MATLAB/Simulink và Real Time Workshop, mô hình vật lí của vệ tinh với một số thiết bị thật. Phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng nói trên là rất hiệu quả để đạt đƣợc mục đích thiết kế bởi nhờ công cụ đó sẽ tiết kiệm đƣợc rất nhiều thời gian và chi phí thiết kế chế thử vì trong các giai đoạn tiếp theo sử dụng thiết bị thật sẽ rất tốn kém và gặp nhiều khó khăn nếu cần phải chỉnh sửa.
Bƣớc 3 là bƣớc thực hiện thiết kế chế tạo hệ ADCS và thử nghiệm trên mặt đất trong điều kiện gần đúng với môi trƣờng vũ trụ (ví dụ nhƣ thử nghiệm trong buồng chân không - nhiệt) có gắn các cảm biến để đánh giá tổng hợp chất lƣợng của các mô đun cũng nhƣ các bộ phận có liên quan của hệ ADCS.
Với việc lựa chọn phần cứng và phần mềm, quá trình tổng hợp và thiết kế chƣơng trình của môđun ƣớc lƣợng và điều khiển đƣợc thực hiện xuyên suốt từ “Mô hình toán học - mô phỏng - lập trình - chạy hiệu chỉnh - thực hiện thực tế”. Quá trình này sẽ thực hiện vài bƣớc lặp lại, với sự thay đổi cấu trúc hoặc tham số điều khiển để đạt đƣợc mục đích thiết kế, có thể phải chỉnh sửa lại cả kết cấu cơ khí, cơ cấu chấp hành và các cảm biến. Thực hiện quá trình thiết kế trên cơ sở tiến trình này sẽ tạo ra hệ thống cơ điện tử có chất lƣợng và độ tin cậy cao, giảm đƣợc thời gian thiết kế và giá thành, nâng cao độ chính xác, giảm tiêu hao năng lƣợng cho điều khiển tƣ thế vệ tinh.
Chế tạo một vệ tinh nhỏ QSTĐ và phóng vệ tinh lên quỹ đạo rất tốn kém (lên đến hàng trăm triệu USD). Khác với các thiết bị ở mặt đất, vệ tinh sau khi đƣa lên quỹ đạo rồi thì không thể sửa chữa đƣợc, vì vậy không đƣợc phép có bất kỳ sai sót nào trong việc chế tạo các hệ thống của vệ tinh nói chung và hệ thống ADCS nói riêng. Do đó việc kiểm tra và thử nghiệm hệ thống ADCS trƣớc khi lắp lên vệ tinh là một khâu cực
kỳ quan trọng. Thiết bị kiểm tra ADCS này thƣờng đƣợc gọi là ADCS test-bed, thực
chất là một thiết bị mô phỏng vật lý hoặc bán vật lý cho nên còn gọi là ADCS simulator.
Ngoài ra để thử nghiệm các giải pháp phần mềm và phần cứng của hệ thống ADCS cũng cần có thiết bị mô phỏng. Mô phỏng toán học thƣờng không phản ánh đƣợc hết các “tiểu tiết” ví dụ độ rơ, độ nhạy của các cảm biến, độ phi tuyến của các phần tử trong hệ thống…, trong thực tế nhiều khi hệ thống bị mất ổn định chính vì những “tiểu tiết này”. Vì vậy mô phỏng toán học có ý nghĩa ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu có thể thử rất nhiều giải pháp khác nhau, tuy nhiên để kết luận các giải pháp phần mềm và phần cứng có ứng dụng đƣợc trong một hệ thống cụ thể thì vẫn cần thử nghiệm bằng các thiết bị mô phỏng vật lý hoặc bán vật lý. Hơn nữa các thiết bị này là một công cụ hữu hiệu phục vụ cho công tác đào tạo. Vì vậy, trên thế giới hiện nay có khá nhiều thiết bị mô phỏng ADCS ở các cơ sở công nghệ vệ tinh và các khoa hàng không-vũ trụ của trƣờng đại học lớn trên thế giới.
- Mô hình cơ học của vệ tinh (Kết cấu cơ khí có các đặc trƣng động lực học giống vệ tinh)
- Các cảm biến
- Máy tính nhúng + phần mềm - Môđem VTĐ
- Hệ thống cơ cấu chấp hành để điều khiển chuyển động và tƣ thế - Bộ nguồn điện
Môđem VTĐ
Máy tính giám sát và điều khiển
Hình 1.13 Sơ đồ tổng thể của thiết bị mô phỏng ADCS
Hình trên là sơ đồ tổng thể của thiết bị mô phỏng ADCS. Thiết bị này bao gồm: phần mô phỏng vật lý và phần mô phỏng toán học
Phần mô phỏng vật lý thƣờng bao gồm những bộ phận sau:
- Mô hình cơ học của vệ tinh (tốt nhất là kết cấu cơ khí của vệ tinh thật có các
đặc trƣng khối lƣợng, tâm khối, mô men quán tính, đặc tính đàn hồi gần giống vệ tinh đang chế tạo) mô hình đƣợc đặt trên giá đỡ qua một khớp cầu có ma sát rất nhỏ, tâm của khớp cầu phải trùng đúng tâm khối của vệ tinh (xem thêm phần tiếp theo dƣới đây);
- Trên mô hình nói trên có lắp các cảm biến, cơ cấu chấp hành, máy tính trên
khoang (OBC), máy tính nói trên đƣợc nối với 1 môđem VTĐ; Ngoài ra, có thể có mô phỏng che khuất cảm biến hƣớng Mặt Trời;
- Máy tính trên mặt đất (mô phỏng trạm mặt đất) kết nối với 1 môđem VTĐ,
dùng để giám sát và điều khiển mô hình vệ tinh trên giá đỡ nói trên;
- Tất cả mô hình vật lý nói trên đặt trong buồng kín gió (để khỏi gây nhiễu động đối với mô hình vệ tinh.
Phần mô phỏng toán học thƣờng bao gồm các môđun phần mềm sau:
- Phần mềm trong máy tính trên khoang: bao gồm môđun ƣớc lƣợng và điều
khiển tƣ thế, các mô đun bổ trợ (ghép nối tín hiệu vào-ra với các cảm biến, các cơ cấu chấp hành và môđem liên lạc hai chiều với máy tính mặt đất, môđun giao diện cho ngƣời sử dụng)
- Phần mềm trên máy tính mặt đất : bao gồm môđun ƣớc lƣợng và điều khiển
vị trí (để hiệu chỉnh quỹ đạo), mô đun hiển thị 3D chuyển động và tƣ thế vệ tinh trên quỹ đạo , các môđun bổ trợ (ghép nối tín hiệu vào-ra với môđem liên lạc hai chiều với máy tính trên khoang, hiển thị các tín hiệu của các cảm biến, lệnh điều khiển của máy tính nhúng và trạng thái của các cơ cấu chấp hành , môđun tạo ra tƣ thế mong muốn để truyền lên máy tính trên khoang thực hiện, môđun tạo giả mômen nhiễu làm thay đổi tƣ thế vệ tinh, môđun giao diện cho ngƣời sử dụng);
Có thể trong phần mô phỏng vật lý có cả camera mô phỏng payload quang-điện tử đƣợc gắn lên mô hình vệ tinh và mô phỏng luôn cả đƣờng truyền hình ảnh xuống mặt đất thông qua thiết bị vô tuyến.
CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM BỘ MÔ PHỎNG ADCS 2.1 Tổng quan về các bộ mô phỏng ADCS
Các hệ mô phỏng bán vật lý ADCS (gọi tắt là bộ mô phỏng ADCS - ADCS
simulators) là công cụ rất quan trọng trong quá trình phân tích, thiết kế và thử nghiệm phân hệ xác định và điều khiển tƣ thế vệ tinh ADCS. Ngoài ra, chúng còn đƣợc sử dụng có hiệu quả trong nghiên cứu và đào tạo. Chính vì những lý do đó mà việc nghiên cứu và phát triển các hệ mô phỏng ADCS đã đƣợc nhiều trung tâm nghiên cứu về công nghệ vệ tinh và các trƣờng Đại học quan tâm từ hơn 50 năm qua.
Mục tiêu chủ yếu của các bộ mô phỏng ADCS là thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm trên mặt đất các chức năng cơ bản của phân hệ ADCS:
- Xác định chính xác tƣ thế của vệ tinh (tức là cung cấp chính xác giá trị của các
góc Ơle Roll-Pitch-Yaw và tốc độ thay đổi của chúng) tại mỗi thời điểm;
- Điều khiển vệ tinh về tƣ thế mong muốn trong khoảng thời gian cho trƣớc và
với độ chính xác cho phép.
Các chức năng này đƣợc thực hiện nhờ các cảm biến (từ kế, cảm biến Mặt trời, cảm biến sao, cảm biến tốc độ con quay gyros, …) và các cơ cấu chấp hành (bánh xe động lƣợng, thanh từ lực, động cơ phản lực, …), đƣợc vận hành bởi hệ thống phần mềm dựa trên các mô hình toán học mô tả chuyển động quay của vệ tinh dƣới tác động của các lực điều khiển và các thuật toán ƣớc lƣợng tƣ thế.
Do đó, khi chế tạo các bộ mô phỏng ADCS, ngƣời ta lựa chọn các loại cảm
biến và cơ cấu chấp hành khác nhau để tích hợp vào hệ thống, tuỳ thuộc vào mục tiêu thiết kế vệ tinh. Thách thức lớn nhất khi chế tạo các bộ mô phỏng chính là phải mô phỏng đƣợc chuyển động của vệ tinh quanh tâm khối của nó trong điều kiện không trọng lƣợng. Phƣơng pháp tiết kiệm chi phí và hiệu quả nhất để thực hiện điều này là
sử dụng các khớp cầu đệm khí (air-bearing), theo đó toàn bộ bàn thí nghiệm đƣợc đặt
tựa trên một khớp cầu sao cho trọng tâm của bàn trùng với điểm đáy của khớp cầu, khe tiếp xúc giữa 2 bán cầu đƣợc phụt khí áp suất cao làm giảm ma sát trƣợt đến mức gần nhƣ triệt tiêu (xem Hình 2.1)
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tắc của các bộ mô phỏng trên khớp cầu đệm khí
Với cấu trúc nhƣ trên, các bộ mô phỏng sử dụng khớp cầu đệm khí đều cho phép
quay ± 1800 quanh trục thẳng đứng z. Nói cách khác góc Yaw của bộ mô phỏng có thể
nhận giá trị bất kỳ, trong khi các góc Pitch và Roll thì tuỳ thuộc vào cấu tạo và khả năng cân bằng của mỗi bộ mô phỏng. Cần nói thêm là đòi hỏi về trọng tâm của bàn thí nghiệm phải đặt đúng điểm đáy của khớp cầu, trong điều kiện lực cản ma sát của khớp
gần nhƣ triệt tiêu, đặt ra bài toán cân bằng hệ thống – một trong các thách thức cần giải quyết trong quá trình thiết kế bộ mô phỏng, bao gồm cả cân bằng tĩnh trƣớc khi vận hành và cân bằng động trong quá trình hoạt động của bộ mô phỏng.
Các bộ mô phỏng ADCS dùng khớp cầu đệm khí thƣờng bao gồm 1 tấm phẳng hay bàn gá (platform), khớp cầu đệm khí quay và các thiết bị có khả năng tạo ra một hệ ba bậc tự do. Có ba dạng cơ bản: dạng “mặt bàn” (tabletop), dạng “cái ô” (umbrella) và dạng “quả tạ” (dumbbell) (Hình 2.2).
Hình 2.2 Ba dạng thiết kế khớp cầu đệm khí cơ bản
Thiết kế dạng mặt bàn có các thiết bị của hệ thống mô phỏng đƣợc gắn phía trên của mặt bàn gá. Dạng cái ô đƣợc thiết kế để giữ trọng tâm khối lƣợng của hệ thống