Realizzazione del modello ingegneristico di un controllo di assetto magnetico per satelliti modulari

Il crescente interesse in ambito universitario, negli ultimi anni, nel campo della progettazione
di satelliti di ridotte dimensioni, ha portato alla definizione dello standard CubeSat, con
l’obiettivo di fornire la metodologia di base per la realizzazione e lo sviluppo di picosatelliti.
In tutto il mondo, diversi atenei, tra i quali il Politecnico di Torino, hanno adottato o riadattato
tale standard per lo sviluppo di un proprio satellite di piccole dimensioni.
Il primo progetto intrapreso dal Politecnico, denominato PiCPoT (Piccolo Cubo del
Politecnico di Torino), prevedeva la realizzazione ed il lancio in orbita di un satellite di forma
cubica di 13 cm di lato, i cui elementi costituenti fossero progettati ad-hoc, con lo scopo
di acquisire e trasmettere dati, scattare fotografie e testare il funzionamento in ambiente spaziale
di componenti COTS.
Il secondo progetto, AraMiS (Architettura Modulare per Satelliti), attualmente in via di sviluppo
presso il Politecnico di Torino, costituisce la prosecuzione ed il miglioramento di
PiCPoT.
Alla base di AraMiS, oltre agli obiettivi funzionali comuni a PiCPoT, è l’intento di realizzare
un satellite modulare, di forma cubica (ma configurabile anche in altre forme), nel quale ogni
scheda elettronica sia allo stesso tempo progettabile in modo indipendente dalle altre (consentendo
una riduzione di costi e tempi di progettazione), esportabile in altri progetti (o
utilizzabile in diverse missioni), specializzata nell’esecuzione dei propri compiti, compatibile
con gli altri componenti, sostituibile e modificabile, senza che questo vada ad influire negativamente
sul funzionamento complessivo del satellite.
I due tipi principali di moduli standard (detti appunto tiles) che costituiscono AraMiS sono:
· Power Management Tile: ha la funzione di generare l’energia elettrica, necessaria
ad alimentare i circuiti ed a caricare le batterie, convertendo l’energia solare
grazie ai pannelli fotovoltaici presenti sulle facce esterne di AraMiS.
Questi moduli costituiscono cinque delle sei facce del cubo di base (AraMiS è
configurabile anche combinando otto cubi assieme in un’unica struttura, oppure
sotto forma di prisma esagonale). Inoltre forniscono l’assetto al satellite, mediante
un controllo di assetto attivo costituito da una ruota d’inerzia, un
solenoide, un sensore di campo magnetico, un giroscopio e un motore brushless
e montato sull’interno delle facce del cubo.
Nel satellite sono presenti più Power Management tiles, per far sì che il satellite
possa essere orientato nella direzione desiderata, allo scopo di direzionare il
Payload (fotocamera, telecamera) o esporre alla luce solare le diverse facce.
· Telecommunication Tile: ha la funzione di mettere in comunicazione il satellite
con la stazione di Terra tramite due canali, alle frequenze di 437 MHz e 2.4
GHz, ed occupa una delle sei facce del cubo di base.
Inoltre, tale modulo ha il compito di interpretare i comandi di assetto ricevuti da
terra ed inviare ai singoli moduli di Power Management i comandi specifici per
l’attuazione di tale assetto.
II
Oggetto di questa tesi è il controllo di assetto magnetico del satellite AraMiS, a partire
dalla progettazione, fino alla realizzazione di un prototipo su circuito stampato ed al
collaudo del medesimo.
A differenza di PiCPoT, dotato di controllo d’assetto passivo costituito da magneti permanenti,
che non permetteva di orientare il satellite nello spazio ma lo vincolava alle linee di
campo magnetico terrestre, AraMiS utilizza un controllo attivo che integra una parte inerziale,
costituita da una ruota d’inerzia (e relativo motore brushless) e dal sensore giroscopico, e
una parte magnetica, comprendente un solenoide utilizzato come attuatore ed un magnetometro.
Grazie all’interazione di questi due sottosistemi ed all’effetto combinato di più Power
Management Tiles, sarà possibile decidere l’orientamento del satellite inviando il comando
dalla stazione di terra.
Requisito fondamentale per il sottosistema di controllo d’assetto (Magnetic Attitude
Subsystem, codice di progetto 1B22) è la generazione del momento angolare richiesto dal
controllo d’assetto centrale (1B2 Attitude and Orbit Subsystem), che risiede sulla Telecommunicatiom
Tile, riceve i comandi di assetto dalla stazione di terra e li suddivide in
molteplici comandi per i sottosistemi di assetto che risiedono sulle diverse Power
Management Tiles.
Ciò avviene pilotando un solenoide circolare in rame a 180 spire dal diametro medio di circa
13 cm e sezione del filo di 0.25 mm con un driver bipolare full-bridge. Quando viene percorso
da corrente (fino a oltre 0.6 A), esso origina un dipolo magnetico, direzionato lungo il
proprio asse, che tende ad allinearsi al campo magnetico terrestre, fornendo una coppia alla
tile. L’integrale di tale coppia, nel tempo di pilotaggio necessario, è il momento angolare richiesto.
Dal momento che la coppia dipende dalle componenti vettoriali del campo
magnetico e dall’intensità della corrente che scorre nel solenoide, occorre che questi valori
possano essere misurati frequentemente.
Il progetto hardware del controllo di assetto magnetico si è basato sulla struttura di un
preesistente sistema analogo, i cui elementi sono stati riutilizzati, ridimensionati o sostituiti, a
seconda dei casi, in modo da soddisfare le attuali specifiche, durante le diverse fasi di progettazione.
Il sistema è costituito da una parte di attuazione, comprendente il solenoide, il suo driver e il
circuito di condizionamento per la misura della corrente, e da una parte di misura del campo
magnetico, che include un sensore magnetico biassiale e i circuiti di condizionamento per le
sue uscite in tensione.
Il software di controllo del sistema, invece, è stato completamente reingegnerizzato, al fine di
adattarsi alle nuove strutture e rispettare i vincoli del progetto, realizzandone le funzionalità.
In virtù del concetto di modularità che sta alla base del progetto AraMiS, è stato utilizzato
il linguaggio di descrizione e modellizzazione visuale UML (Unified Modeling
Language) per sviluppare il progetto in esame e tutti gli altri progetti costituenti i diversi sottoblocchi
di AraMiS. Esso si basa su uno standard definito a metà degli anni ’90, ma in
continua evoluzione, e permette di documentare le specifiche del sistema mediante i Diagrammi
dei Casi d’Uso, descrivere in forma visiva e completa gli elementi che ne fanno parte
con i Diagrammi delle Classi, e illustrare il flusso di eventi tramite cui è possibile concretizzarne
le specifiche, grazie ai Diagrammi di Sequenza.
In questo scritto, verrà effettuata una trattazione preliminare sui concetti fisici che
stanno alla base della magnetizzazione del solenoide, del suo utilizzo come attuatore di coppia
magnetica e della necessità di misurare frequentemente il campo magnetico terrestre in
orbita.
Successivamente, dopo la stesura e la documentazione delle specifiche di progetto sotto forma
di diagramma dei casi d’uso, si procederà con la descrizione dei componenti hardware e
software che costituiscono il modulo di controllo d’assetto magnetico, utilizzando i diagrammi
delle classi.
III
In seguito, con i diagrammi di sequenza, si descrive il comportamento del sistema durante la
messa in atto dei diversi casi d’uso. Quindi, vengono mostrate le funzioni software, implementate
a partire da tali diagrammi, eseguite dal microcontrollore presente nella Power
Management Tile per realizzare il controllo di assetto magnetico.
Poi, una volta motivate le scelte dei componenti commerciali utilizzati per il progetto, verranno
redatti gli schemi elettrici del modulo 1B22, a partire dai quali è stato realizzato il
circuito stampato, e sarà fornito un resoconto sull’errore di misura introdotto e sui consumi di
potenza del circuito.
Infine, saranno illustrate le procedure di collaudo effettuate sul circuito prototipo del modulo
di controllo dell’assetto magnetico, dapprima sotto forma di test basilare del funzionamento
dell’hardware e, in un secondo tempo, del software di controllo, interfacciando il modulo con
il microcontrollore.
Il collaudo finale è stato effettuato nel laboratorio hardware del Dipartimento di Elettronica
del Politecnico di Torino, collegando il circuito prototipo con una apposita scheda di
adattamento, sulla quale è stato montato il microcontrollore, dotata di interfaccia JTAG.
Tramite la porta USB del PC ed un apposito debugger per microcontrollori, dotato di uscita
JTAG, sono stati collaudati l’abilitazione e la disabilitazione dei circuiti di misura e attuazione,
verificandone il funzionamento, e l’invio di comandi da parte del controllo d’assetto
centrale al controllo di assetto magnetico, verificandone la corretta esecuzione.
Inoltre, sono state collaudate la misurazione e l’acquisizione dei dati di telemetria del progetto
(campo magnetico biassiale e valore di corrente nel solenoide), è stata effettuata la
misurazione delle correnti di alimentazione del circuito ed è stato eseguito il test della routine
software di controllo degli errori nel sistema.
Il collaudo del circuito ha avuto esito positivo, fatta eccezione per il malfunzionamento di
uno degli switch di abilitazione delle tensioni di alimentazione, dovuto ad un errato dimensionamento
dei componenti nella progettazione del medesimo (già facente parte, in
precedenza, del progetto globale della Power Management Tile), che, pertanto, andrà rivista
in futuro.