Publication: Design and Implementation of an Attitude Control System for High-Altitude Platforms
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Publication date
2020
Defense date
2020-09-23
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Abstract
Since the appearance of the first airplanes, the use of balloons for passenger transportation
or military purposes has been in steady decline, remaining only recreational.
However, the use of unmanned balloons for scientific research and economic benefit has
sky-rocketed. High-altitude platforms, such as balloons, combine the advantages of being
in a near-space environment with the low cost required to launch them, establishing as an
excellent tool for studies that require these special characteristics. However, balloons are
subjected to external forces that drift them in the atmosphere over the whole course of the
flight, and are prone to change the orientation of their payloads. Both of these aspects can
be of crucial importance when designing a mission.
For this thesis, a high-fidelity simulator to predict the trajectory of the balloon, as
well as a preliminary Attitude Control System (ACS) to keep the payload orientation, is
developed. The high-fidelity simulator established in this work, implemented in Simulink,
is an improved version of a previous work, done in MATLAB. This simulator predicts the
evolution and trajectory of a sounding balloon during its ascent and descent. It makes
use of the weather forecasts provided by the NOAA agency, together with some initial
parameters and geometrical properties to derive the full path.
The preliminary analysis of the ACS is focused in the study of a reaction wheel as
the only actuator to govern the orientation of the payload and its pointing capabilities. A
rotational dynamic model is implemented in Simulink to replicate the interaction between
the payload, the reaction wheel and any external torque in terms of angular momentum.
Additionally, a controller is included in the model to spin the reaction wheel accordingly
and drive the payload to the desired orientation, while counteracting any external torque.
The results provided by the high-fidelity simulator will be compared with the data of
a real flight to check the validity of the model. If successful, the simulator could be used
to plan future missions. Besides this, the behaviour displayed by the rotational model for
a given ACS configuration enables the possibility to assess its performance and check if
it will meet the requirements of a future endeavour.
Con la llegada de los primeros aeroplanos, el uso de globos aerostáticos y aerostatos para el transporte de pasajeros o fines militares entró en declive, quedando relegado a un segundo plano como actividad de recreo. No obstante, el uso de aerostatos no tripulados, con fines tanto cientificos como económicos, está hoy en día en pleno auge. Las plataformas de gran altitud, como son los aerostatos, combinan las ventajas de operar en un ambiente muy parecido al espacio junto con el bajo coste asociado al lanzamiento, haciendo de ellas una herramienta excelente para investigaciones que requieran de estas características. Sin embargo, los vientos y ráfagas de aire de las capas altas de la atmósfera afectan constantemente la trayectoria del globo y la orientación de la carga útil. Estos dos aspectos pueden ser de crucial importancia dependiendo del propósito con el que fue lanzado el globo. Este trabajo consta de dos ramas. La primera consiste en el desarrollo de un simulador de alta fidelidad para predecir la trayectoria de un vuelo cualquiera, mientras que la segunda centra en el desarrollo de un Sistema de Control de Actitud (ACS por sus siglas en inglés) para poder dominar la orientación de la carga útil en todo momento. El simulador, desarrollado en el entorno de Simulink, es una versión mejorada de uno implementado en MATLAB en trabajos anteriores. Este simulador predice la evolución de distintos parámetros de un globo sonda así como la trayectoria que sigue tanto a lo largo del ascenso como del descenso. Para ello, es necesario utilizar predicciones atmosféricas, en este caso facilitadas por la agencia NOAA, además de una serie de parámetros iniciales como son el lugar de lanzamiento, la hora o el volumen de gas con el que se infla el globo. Por otro lado, el desarrollo del ACS se centra en el estudio de viavilidad de una rueda de reacción como mecanismo para controlar la orientacion de la góndola de un globo y su capacidad para apuntar de forma precisa un objetivo. Con este propósito, se implementa en Simulink un modelo dinámico basado en el intercambio de momento angular entre la carga útil, la rueda de reacción y los momentos de fuerzas externas. Además, a este modelo se le añadirá un controlador para la rueda de reacción, cuyo propósito es regular la velocidad angular de esta última con el fin de orientar la carga útil correctamente y contrarrestar cualquier par externo. Los resultados arrojados por el simulador de vuelo tendrán que ser cotejados con datos de misiones reales para comprobar su validez. En caso afirmativo, el simulador podrá ser ultilizado para planear próximos vuelos. Respecto al ACS, el modelo implementado puede ser evaluado en distintas configuraciones y ser estimado su rendimiento. Esto permitirá comprobar si una determinada configuración cumple los requisitos de una misión antes de ser lanzada.
Con la llegada de los primeros aeroplanos, el uso de globos aerostáticos y aerostatos para el transporte de pasajeros o fines militares entró en declive, quedando relegado a un segundo plano como actividad de recreo. No obstante, el uso de aerostatos no tripulados, con fines tanto cientificos como económicos, está hoy en día en pleno auge. Las plataformas de gran altitud, como son los aerostatos, combinan las ventajas de operar en un ambiente muy parecido al espacio junto con el bajo coste asociado al lanzamiento, haciendo de ellas una herramienta excelente para investigaciones que requieran de estas características. Sin embargo, los vientos y ráfagas de aire de las capas altas de la atmósfera afectan constantemente la trayectoria del globo y la orientación de la carga útil. Estos dos aspectos pueden ser de crucial importancia dependiendo del propósito con el que fue lanzado el globo. Este trabajo consta de dos ramas. La primera consiste en el desarrollo de un simulador de alta fidelidad para predecir la trayectoria de un vuelo cualquiera, mientras que la segunda centra en el desarrollo de un Sistema de Control de Actitud (ACS por sus siglas en inglés) para poder dominar la orientación de la carga útil en todo momento. El simulador, desarrollado en el entorno de Simulink, es una versión mejorada de uno implementado en MATLAB en trabajos anteriores. Este simulador predice la evolución de distintos parámetros de un globo sonda así como la trayectoria que sigue tanto a lo largo del ascenso como del descenso. Para ello, es necesario utilizar predicciones atmosféricas, en este caso facilitadas por la agencia NOAA, además de una serie de parámetros iniciales como son el lugar de lanzamiento, la hora o el volumen de gas con el que se infla el globo. Por otro lado, el desarrollo del ACS se centra en el estudio de viavilidad de una rueda de reacción como mecanismo para controlar la orientacion de la góndola de un globo y su capacidad para apuntar de forma precisa un objetivo. Con este propósito, se implementa en Simulink un modelo dinámico basado en el intercambio de momento angular entre la carga útil, la rueda de reacción y los momentos de fuerzas externas. Además, a este modelo se le añadirá un controlador para la rueda de reacción, cuyo propósito es regular la velocidad angular de esta última con el fin de orientar la carga útil correctamente y contrarrestar cualquier par externo. Los resultados arrojados por el simulador de vuelo tendrán que ser cotejados con datos de misiones reales para comprobar su validez. En caso afirmativo, el simulador podrá ser ultilizado para planear próximos vuelos. Respecto al ACS, el modelo implementado puede ser evaluado en distintas configuraciones y ser estimado su rendimiento. Esto permitirá comprobar si una determinada configuración cumple los requisitos de una misión antes de ser lanzada.
Description
Keywords
Attitude control system, Balloon, High-Altitude Platform, Reaction wheel, Controller, Rotor