Estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites utilizando um observador de Luenberger para sistemas não lineares

The technological advances of the last decades, together with the standardization of the CubeSats, have made viable the use of nanosatellite for commercial and institutional purposes. Taking advantage of this trend, the National Institute of Space Research is developing the CONASAT project, which...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Soares, Francisval Guedes
Outros Autores: Queiroz, Kurios Iuri Pinheiro de Melo
Formato: Dissertação
Idioma:pt_BR
Publicado em: Brasil
Assuntos:
Nanossatélites
Determinação de atitude
Observador de estados não linear
Filtro de Kalman
CNPQ::ENGENHARIAS
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/27849
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spelling ri-123456789-278492019-10-13T05:25:35Z Estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites utilizando um observador de Luenberger para sistemas não lineares Soares, Francisval Guedes Queiroz, Kurios Iuri Pinheiro de Melo Dias, Samaherni Morais Araújo, Aldayr Dantas de Braz, Erico Cadineli Rego, Joilson Batista de Almeida Nanossatélites Determinação de atitude Observador de estados não linear Filtro de Kalman CNPQ::ENGENHARIAS The technological advances of the last decades, together with the standardization of the CubeSats, have made viable the use of nanosatellite for commercial and institutional purposes. Taking advantage of this trend, the National Institute of Space Research is developing the CONASAT project, which consists of a constellation of nanossatellites for the collection of environmental data. Constellation interaction requires reasonable accuracy of the satellite attitude determination and control system, despite the limitations of the CubeSat platform and cost of the project. In this context, given the need to estimate the attitude and angular velocity, the present work proposes a less complex alternative to the Extended Kalman Filter (EKF). The solution consists of an implementation of the Luenberger state observer for nonlinear systems, also considering the use of the QUEST algorithm to obtain the attitude. The estimation scheme adopts a kinematic model of the system with parameterization of the rotation matrix by quaternion, and a dynamic model considering the object as a rigid body, with the presence of torque due to magnetic disturbances. The attitude sensor system consists of a magnetometer and a sun sensor, simulated from the ideal model with additional white noise. Finally, the implemented estimator is evaluated using simulations, together with a norm constrained EKF approach. The obtained results demonstrate the technical viability of the proposed method in the attitude and angular velocity estimation in nanosatellites. Os avanços tecnológicos das últimas décadas, juntamente com a padronização dos CubeSats, tornaram viável a utilização de nanossatélites para fins comerciais e institucionais. Aproveitando-se dessa tendência, o Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) vem desenvolvendo o projeto CONASAT, que consiste em uma constelação de nanossatélites para coleta de dados ambientais. A interação em constelação exige razoável precisão do sistema de determinação e controle de atitude dos satélites, em meio a limitações da plataforma CubeSat e do custo do projeto. Nesse contexto, dada a necessidade de estimação da atitude e da velocidade angular, o presente trabalho apresenta uma alternativa de menor complexidade ao Filtro de Kalman Estendido (EKF). A solução consiste em uma implementação do observador de estado de Luenberger para sistemas não lineares, considerando ainda o uso do algoritmo QUEST para obtenção da atitude. Adota-se um modelo cinemático do sistema com parametrização da matriz de rotação por quatérnio, e um modelo dinâmico considerando o objeto como um corpo rígido na presença de torque devido a perturbações magnéticas. O sistema de sensores de atitude é composto por um magnetômetro e um sensor solar, simulados a partir do modelo ideal com adição de ruído branco. Por fim, o estimador implementado é avaliado por meio de simulações, juntamente com uma abordagem do EKF com restrição de norma. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade técnica do método proposto na estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites. 2019-10-10T20:56:12Z 2019-10-10T20:56:12Z 2019-04-30 masterThesis SOARES, Francisval Guedes. Estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites utilizando um observador de Luenberger para sistemas não lineares. 2019. 99f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecatrônica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2019. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/27849 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECATRÔNICA
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Soares, Francisval Guedes
Estimação de atitude e velocidade angular em nanossatélites utilizando um observador de Luenberger para sistemas não lineares
description The technological advances of the last decades, together with the standardization of the CubeSats, have made viable the use of nanosatellite for commercial and institutional purposes. Taking advantage of this trend, the National Institute of Space Research is developing the CONASAT project, which consists of a constellation of nanossatellites for the collection of environmental data. Constellation interaction requires reasonable accuracy of the satellite attitude determination and control system, despite the limitations of the CubeSat platform and cost of the project. In this context, given the need to estimate the attitude and angular velocity, the present work proposes a less complex alternative to the Extended Kalman Filter (EKF). The solution consists of an implementation of the Luenberger state observer for nonlinear systems, also considering the use of the QUEST algorithm to obtain the attitude. The estimation scheme adopts a kinematic model of the system with parameterization of the rotation matrix by quaternion, and a dynamic model considering the object as a rigid body, with the presence of torque due to magnetic disturbances. The attitude sensor system consists of a magnetometer and a sun sensor, simulated from the ideal model with additional white noise. Finally, the implemented estimator is evaluated using simulations, together with a norm constrained EKF approach. The obtained results demonstrate the technical viability of the proposed method in the attitude and angular velocity estimation in nanosatellites.
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