Σχεδιασμός και μοντελοποίηση διαστημικού εξομοιωτή με δυνατότητα τριδιάστατου προσανατολισμού και κίνησης στο επίπεδο [article]

Menelaos Vidakis, National Technological University Of Athens
2020
Περίληψη Η εξερεύνηση του διαστήματος προαπαιτούσε ανέκαθεν τη συνύπαρξη και συνεργασία μεταξύ ανθρώπων και μηχανών. Η αναζήτηση πληροφοριών και η εμβάθυνση της κατανόησης του διαστήματος από τον άνθρωπο κάνει όλο και πιο εμφανή την ανάγκη ανάπτυξης και χρήσης προηγμένων διαστημικών εγκαταστάσεων. Η απαίτηση ελαχιστοποίησης του ανθρώπινου ρίσκου σε διαστημικές αποστολές καθώς και οι περιορισμοί που επιβάλλονται λόγω της ανθρώπινης παρουσίας δημιούργησε την ανάγκη πιο αυτόνομων και ευφυών
more » ... ν και ευφυών ρομποτικών διατάξεων. Η ανάπτυξη αυτών πέρα από τις σχεδιαστικές προκλήσεις που παρουσιάζει, προϋποθέτει και την ύπαρξη εγκαταστάσεων δοκιμών και πειραμάτων για την εξακρίβωση της ορθής λειτουργίας των συστημάτων που αναπτύσσονται. Μία κατηγορία τέτοιων διατάξεων που προσομοιώνουν διαστημικές συνθήκες είναι οι επίπεδοι εξομοιωτές. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, σχεδιάστηκε ρομποτική διάταξη επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή πέντε βαθμών ελευθερίας ο οποίος θα προστεθεί στην υπάρχουσα πειραματική διάταξη του Εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Η σχεδίαση του εξομοιωτή έγινε με βάση τις υπάρχουσες ρομποτικές διατάξεις ενώ λήφθηκαν υπόψιν οι περιορισμοί και οι απαιτήσεις που προκύπτουν από ολόκληρη τη πειραματική διάταξη του εργαστηρίου. Η κύρια λειτουργία του εξομοιωτή θα είναι η χρήση του σε πειραματικές εφαρμογές αλγορίθμων ελέγχου προσανατολισμού και παρακολούθησης τροχιάς. Έτσι ο εξομοιωτής θα πρέπει να έχει την ικανότητα να περιστραφεί στο χώρο και ταυτόχρονα να κινηθεί στο επίπεδο που ορίζεται από τη πειραματική διάταξη. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζεται η αναλυτική σχεδίαση του εξομοιωτή και αιτιολογούνται οι επιλογές που πάρθηκαν. Ο εξομοιωτής που σχεδιάζεται θα είναι εξοπλισμένος με δύο συστήματα επενέργησης, η σχεδίαση των οποίων παρουσιάζεται αναλυτικά. Το πρώτο είναι ένα πνευματικό σύστημα προωθητήρων το οποίο προαπαιτείται για τη κίνηση του εξομοιωτή στο επίπεδο ενώ το δεύτερο είναι ένα σύστημα σφονδύλων αντίδρασης που ευθύνεται για την αλλαγή προσανατολισμού του εξομοιωτή στο χώρο. Καθώς το μαθηματικό μοντέλο της τρισδιάστατης περιστροφής του εξομοιωτή με τη χρήση σφονδύλων αντίδρασης έχει ένα βαθμό πολυπλοκότητας καθίσταται αναγκαία η παρουσίαση του θεωρητικού υπόβαθρου βάση του οποίου αναπτύσσεται το μοντέλο στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Στο τέλος της εργασίας και μετά την ολοκλήρωση της σχεδίασης του εξομοιωτή αναπτύχθηκε η υπολογιστική προσομοίωση της κίνησης του. Όπως παρουσιάζεται στην εργασία, μέσα από το ολοκληρωμένο μοντέλο της προσομοίωσης δημιουργείται μια ξεκάθαρη εικόνα της πραγματικής λειτουργίας του εξομοιωτή καθώς αυτός δοκιμάζεται σε διάφορα σενάρια. Από τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αντλούνται σημαντικά συμπεράσματα για τις δυνατότητες του εξομοιωτή που σχεδιάστηκε και για την ικανότητά του να ανταπεξέλθει στις πειραματικές απαιτήσεις του εργαστηρίου. Abstract Space exploration has always required the coexistence and collaboration between human and machines. The search for information and the desire by human to deepen their understanding of the universe makes the need for more technologically advanced equipment and machines all the more apparent. The demand to diminish human risk involved in space missions as well as the constraints that exist due to the involvement of human in them created the need for more automated and intelligent robotic systems. The development of such systems not only requires engineers to overcome various design challenges, it requires the existence of testing platforms in order to ensure the proper function of the developed systems as well. One category of such testing platforms that emulate space conditions is a planar space emulator. The goal of this thesis was the design of a five degrees of freedom planar space emulator that will be installed in the existing testing platform of the Control Systems Laboratory of the Mechanical Engineering School, of the National Technical University of Athens. The emulator was designed based on the existing robotic systems of the lab whilst taking into consideration the constrains and the requirements that the testing platform enforces. The main function of the emulator under development would be to take part in experiments involving attitude control as well as trajectory planning. Due to this, the emulator should be able to rotate in the threedimensional space while at the same time move in the plane that is defined by the testing platform. In this thesis, the detailed design of the emulator as well as the various decisions made are presented. The space emulator that is being designed will be equipped with two actuation systems which are designed carefully and presented in detail. The first system is a Cold Gas Propulsion System which utilizes thrusters in order for the emulator to move in both dimensions of the plane and the second system is a Reaction Wheel System that is responsible for the rotational motion of the emulator in space. Thrusters may also be used for attitude control if the demand cannot be met by the Reaction Wheel System. Due to the fact that the mathematical model of the three-dimensional rotation of the emulator with the use of Reaction Wheel is very complex, it was necessary to examine the mathematical infrastructure that the model is based on. Following the completion of the design process of the emulator, a computational simulation of the motion of the emulator was developed. As it will become apparent in this thesis, through the completed model of the simulation a clear image can be formed about the actual working properties of the emulator while it is tested in various scenarios. Important conclusion can be drawn from the simulation results about the capabilities of the emulator that was designed as well as his ability to meet the experimental requirements of the laboratory. 4/136 Αφιερώνεται στην οικογένειά μου, τους γονείς μου Γιώργο και Μαρία και τα αδέλφια μου Παναγιώτη, Σεβίτα, Ειρήνη και Στάθη 5/136 Ευχαριστίες Πρώτα απ' όλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της εργασίας μου κ. Ευάγγελο Παπαδόπουλο για την πολύ καλή επικοινωνία, τις χρήσιμες συμβουλές και τη σημαντική καθοδήγηση και βοήθειά του σε όλη τη διάρκεια της διπλωματικής εργασίας μου αλλά και σε άλλους τομείς καθώς και για τις ερευνητικές ευκαιρίες που μου έδωσε. Ομοίως, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον μετά-διδάκτορα Γιώργο Ρεκλείτη για τη συνεχή υποστήριξη και συνεργασία καθ' όλη τη διάρκεια της εργασίας μου στο Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου. Ακόμη, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλα τα μέλη του εργαστηρίου για το ευχάριστο κλίμα εργασίας που δημιούργησαν, για τη συνεργασία τους και τις συμβουλές τους. Ειδικότερα θα ήθελα να ευχαριστήσω την ομάδα του διαστημικού τμήματος του εργαστηρίου, Παναγιώτη Καρύδη, Μπάμπη Λαμπούση, Παναγιώτη Μαυρίδη, Νικόλαο Μαυρίκη και Όλγα Χρηστίδη. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω και άτομα εκτός του εργαστηρίου που συμπορευτήκαμε μαζί όλα τα χρόνια της σχολής όπως είναι ο Χρήστος, ο Πάρις, ο Νίκος, ο Δημήτρης και ο Κυριάκος. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τους φίλους μου Μάνο, Γιάννη, Τίτο και Δήμητρα για την υποστήριξη τους και την ενθάρρυνσή τους σε όλα μου τα βήματα. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου και ειδικότερα τους γονείς και τους παππούδες και τις γιαγιάδες μου για την υποστήριξή τους και την αγάπη τους αλλά και για τις θυσίες που υπέμειναν σε τόσα πράγματα ώστε να επιτύχω τους στόχους μου.
doi:10.26240/heal.ntua.19735 fatcat:epmfi7vq5zghjgiwsrxjy4etsa