Modelagem e dinâmica de plataforma experimental de satélites visando o controle da atitude

Abstract

Missões espaciais são projetos que envolvem um alto custo, mas que podem gerar lucros de valor ainda mais elevado. Sua complexidade inerente não permite que testes experimentais de seus subsistemas, em particular o Sistema de Controle de Atitude (SCA), sejam realizados facilmente no espaço. Uma solução barata que permite solucionar esse problema são testes experimentais em laboratórios com protótipos - os quais podem ser testados e simulados em condições bem próxima o ambiente espacial. O trabalho aqui proposto tem como principal objetivo a modelagem de um Simulador de Sistemas de Controle de Atitude de Satélites, o que permite a investigação da dinâmica e de técnicas e estratégias de controle do SCA com diferentes configurações. A flexibilidade de tais configurações está associada à modularidade do SCA no que diz respeito ao número e posições de atuadores e sensores. Para o desenvolvimento deste trabalho foi feita uma revisão bibliográfica que destaca os principais projetos de SCA desenvolvidos e adotados por algumas Universidades e Centros de Pesquisas Internacionais. Inicia-se a modelagem do SCA com um equacionamento detalhado da dinâmica e da cinemática não linear de uma plataforma com rotação em três dimensões (3D) e com três rodas de reação como atuadores. As equações geradas são posteriormente linearizadas e usadas para investigar o desempenho de algoritmos que visam controlar a velocidade angular e o deslocamento angular (atitude). Particularmente, aplica-se a técnica de controle LQR (Regulador Linear Quadrático) e, em seguida, a técnica LQG (Linear Quadrático Gaussiano), associado à alocação de polos. Estas estratégias de controle permitiram obter diferentes ganhos, propiciando ao projetista obter as principais condições de controle de modo a satisfazer aos requisitos de desempenho do sistema, tais como, baixa ou alta taxa de amortecimento e redução das oscilações nas respostas dinâmicas do sistema. Investiga-se também a capacidade dos ganhos obtidos com a técnica LQR para o sistema linear controlar o sistema não linear. Nesta investigação observou-se que embora o controlador LQR consiga reduzir as velocidades angulares e a atitude da plataforma, as velocidades angulares das rodas de reação atingem valores muito altos, caracterizando a situação de saturação, uma vez que este controlador tem que vencer os termos não lineares da dinâmica. Por fim, como extensão deste trabalho é sugerido um estudo da dessaturação das rodas de reação por meio de uma lei de controle oriunda da interação de um magneto-torque e o campo magnético da Terra e também através da utilização do arrasto atmosférico.