Control de actitud

42 Pages·2014·4.55 MB·Spanish

by  Rafael Vázquez Valenzuela

M´etodos de control de actitud
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on
Control triaxial
Veh´ıculos Espaciales y Misiles
Tema 3: Control y determinaci´on de la actitud
Parte II: Control de actitud
Rafael V´azquez Valenzuela
Departamento de Ingenier´ıa Aeroespacial
Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla [email protected]
31 de marzo de 2014
M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
Control de actitud
El sistema de control de actitud de los sat´elites se puede
dividir a muy grandes rasgos en dos grandes tipos:
Sat´elites estabilizados por rotaci´on: se aprovechan del efecto
girosc´opico para mantener una direcci´on inercialmente fija.
M´as barato y sencillo.
Sat´elites estabilizados en los tres ejes: utilizan algu´n
mecanismo de control activo para mantener su actitud fija
respecto a alguna referencia.
Muchos sat´elites pueden usar los dos modos, segu´n la fase de
la misi´on (particularmente sondas interplanetarias).
Tambi´en se pueden estabilizar sat´elites utilizando el gradiente
gravitatorio (no require control activo de ningu´n tipo, pero es
poco preciso), o mediante algu´n sistema de rotaci´on doble
(esencialmente similares a los estabilizados por rotaci´on). En
las siguientes transparencias veremos los tipos de
estabilizaci´on comu´nmente empleados.
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M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
M´etodos de control de actitud
Otra clasificaci´on de los m´etodos de control de actitud en dos
clases: control activo y control pasivo.
No obstante, la palabra pasivo tiene, en teor´ıa de control,
varias interpretaciones.
Control pasivo en el sentido energ´etico: un sistema de control
que no requiere ningu´n tipo de fuente de energ´ıa adicional para
su funcionamiento.
Pasivo en el sentido estructural: un sistema de control que
carece de l´ogica de comando, es decir, no necesita ningu´n tipo
de procesado de informaci´on para su actuaci´on, puesto que
aprovecha algu´n tipo de efecto f´ısico o natural.
Adem´as, existe el concepto de “Sistema Pasivo”, una
definici´on matem´atica utilizada en control no lineal.
´
Esto no se debe confundir con la distinci´on entre Bucle
Abierto y Bucle Cerrado.
Los sistemas que denominaremos de Control Pasivo no lo son
estrictamente, sino que en general incorporan algu´n elemento
activo complementario. 3/42
M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
Sistemas de control pasivos
Los sistemas de Control Pasivo tipicamente encontrados en
veh´ıculos espaciales son los siguientes:
Estabilizaci´on por rotaci´on (spin stabilized systems).
Estabilizaci´on por rotaci´on doble (dual-spin stabilized systems).
Estabilizaci´on por gradiente gravitatorio (G2).
Estabilizaci´on por volante de inercia (bias-momentum
´
stabilized systems). Este m´etodo tambi´en se puede considerar
activo.
´
Estabilizaci´on por momentos magn´eticos. Este m´etodo
tambi´en se puede considerar activo.
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Dinámica y Control de la Actitud
M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
2. Sistemas de Control Pasivo
Estabilizaci´on por rotaci´on
1. Estabilización por rotación (spin stabilized systems).
Estabilizaci´on por rotaci´on: Sistema
simple y econ´omico para estabilizar la
Sistema simple para estabilizar la actitud. Si
actitud.
el sistema es puramente pasivo, el eje de
rotacSiióenl sdiestbeem saeers epl uerjaem menatyeopra. sPivoor, tealnto
exigeej evedheícroutlaocsi ´oenspdaebciealseesr eolbelajetomsa.yor.
Las Tp´eıpritcuorbeancvioehn´ıecsu lposrocvooncsairmáent ru´ıande
movrimevioelnuctoi´o nd,eq nuuetdaecbióenn sdeerl oebjlea tdoes yrontaoción,
que ppruoeladtoes .ser eliminado mediante
amortiguadores de nutación
Las perturbaciones provocar´an un
Param aocveimleireanrt oo dfreennuatra clai´o rnodtaecl ieójen dsee emplean
propruoltsaocri´oens, oq u(epapruae dfreesnearre) lismisitneamdoas yo-yo.
Los mpreodpiaunlsteoraems otratmigubaiédnor sese dpeuneudteanc ie´onm.plear
Para acelerar o frenar lapraortaa coi´orinensetaerm epl leeajen dpreo proutlsaocrieósno.
(para frenar) sistemas yo-yo.
Los propulsores tambi´en se pueden emplear para re-orientar el
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eje de rotaci´on (coning o “coneo”).
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Dinámica y Control de la Actitud
M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
2. Sistemas de Control Pasivo
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
2. Estabilización por rotación doble (dual-spin stabilized systems)
Estabilizaci´on por rotaci´on doble
Cuando se requiere mayor precisión de
acEtsittuabdi lioz apcoi´orn rpeoqrurisoittaocsi´o dned olabnlez:aCmuiaenndtoo el
se requiere mayor precisi´on de actitud o
vehículo no puede ser oblato, se recurre al
por requisitos de lanzamiento el veh´ıculo
sistema de estabilización de rotación doble.
no puede ser oblato, se recurre al sistema
Una parte del vehículo (rotor) gira a una
de estabilizaci´on de rotaci´on doble.
cierta velocidad, mientras que otra parte del
Una parte del veh´ıculo (rotor) gira a una
vehículo (plataforma) no gira o rota muy
cierta velocidad, mientras que otra parte
despacio. En la plataforma se suelen ubicar
del veh´ıculo (plataforma o estator) no
instrumentos de medida.
gira o rota muy despacio.
Si el rotor adquiere el suficiente momento
En la plataforma se suelen ubicar
angular, la rotación puede ser alrededor del
instrumentos de medida.
eje menor o incluso el intermedio,
Si el rotor adquiere el suficiente momento cin´etico, la rotaci´on
permitiendo mayor libertad en la forma del
puede ser alrededor del eje menor o incluso el intermedio,
vehículo y mejorando la maniobrabilidad.
permitiendo mayor libertad en la forma del veh´ıculo y
mejorando la maniobrabilidad.
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Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Dinámica y CoConnttrrool tlr iadxeial la ADcistein˜toud
Estabilizac2i´o. Snistmemeads diae nCotnetrogl rPaadsivioente gravitatorio
3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)
El gradiente gravitatorio tiende
Otros ejemplos:
a alinear el eje menor con la
vertical local, el eje intermedio
Dinámica y Control de la Actitud
con la direcci´on de la ´orbita y
el eje mayor perpendicular al
2. Sistemas de Control Pasivo
plano de la ´orbita, lo que debe
3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)
ser considerado en el disen˜o.
El momento ejercido por las fuerzas
El G2 puedDece-20-0s7er utilizAstarondáutoica y pVehaícurloas Espaciales 34 gravitatorias (gradiente gravitatorio) puede ser
utilizado para estabilizar el vehículo de forma
estabilizar de forma simple y barata,
simple y barata, de forma que siempre apunte
de forma que siempre se apunte a un
a un cuerpo central. Las desventajas son: baja
cuerpo central y la ´orbita sea
precisión, poca maniobrabilidad y necesidad de
casi-circular. elementos disipadores para amortiguar las
oscilaciones del vehículo (ya que es un
Es un mecanismo lento y poco preciso,
mecanismo lento que aporta poca
requiere elementos disipadores. amortiguación).
El gradiente gravitatorio tiende a alinear el eje
Proporciona baja maniobrabilidad y
menor con la vertical local, el eje intermedio
poca estabilidad en guin˜ada. 7/42
con la dirección de la órbita y el eje mayor
perpendicular al plano de la órbita, lo que
debe ser considerado en el diseño.
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M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
Control de un sDat´eliitne eástambiliziacdoapo ryro taCci´oon ntrSoistelm ads dee colnatro lAactcivotsitud
Control triaxial Disen˜o
Estabilizaci´o2n. mSiestdeimanatse dger aCdoinetnrotel Pgarsaivvoitatorio
3. Estabilización por gradiente gravitatorio (G2)
2
El G Deecn-20a-07lgunos casAostsroneáusticau yn Vehmículeosc Easpnaciiaslems o secundario,35para
ahorrar combustible en los momentos en los que no es cr´ıtico
una actitud precisa.
Los sat´elites de m´as larga vida incorporan este tipo de
estabilizaci´on.
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Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
DinámicaC oynt roCl torianxiatlrol Ddiseen˜o la Actitud
Estabilizaci´on con volante de inercia
2. Sistemas de Control Pasivo
4. Estabilización por volante de inercia (bias-momentum stabilized systems)
Adem´as se puede emplear
El mismo concepto de los sistemas de
como parte de un sistema de
rotación doble se puede incorporar a un
vehículo espacial con una rueda interna
control activo.
(volante de inercia) rotando a una gran
velocidad, eliminando así la necesidad
El volante de inercia se suele
de elementos externos rotatorios.
colocar con el eje
Además el volante de inercia se puede
emplear como parte de un sistema de
perpendicular al plano orbital,
control activo, por lo que este sistema
2
de control es conscidoermadbo ianc´ativnod poorse con el G .
ciertos autores. Dicho uso exige
Para realizar maniobras en el
incorporar un mecanismo de descarga
de momento para evitar la saturación
plano orbital, si se acelera o
del volante.
El mismo concepto de los sistemas
frena el volante, provoca que el
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de rotaci´on doble se puede incorporar
veh´ıculo rote en la direcci´on
a un veh´ıculo espacial con una rueda
opuesta, por conservaci´on del
interna (volante de inercia) rotando a
momento cin´etico.
una cierta velocidad base, eliminando
as´ı la necesidad de elementos
externos rotatorios.
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Dinámica y Control de la Actitud
M´etodos de control de actitud Sistemas de control pasivos
2. Sistemas de Control Pasivo
Control de un sat´elite estabilizado por rotaci´on Sistemas de control activos
Control triaxial Disen˜o
5. Estabilización por momentos magnéticos
Estabilizaci´on por momentos magn´eticos
Usando varillas magnéticas, se puede aprovechar el campo magnético
de la Tierra para orientar un vehículo mediante las fuerzas de Lorenz.
S´olo u´til en ´orbita baja de
planetas con campo magn´etico
de suficiente intensidad.
Puesto que el campo
Dinmámaginc´aet iyc oCodnetlraolT dieer rlaa sAiecmtitpured
apunta hacia el Norte, se debe
2. Sistemas de Control Pasivo
cambiar la polaridad de los
5. Estabilización por momentos magnéticos
Puesto que el campo magnético de la Tierra siempre apunta hacia el
actuadores cada media ´orbita.
Norte, se debe cambiar la polaridad de los actuadores cada media órbita!
Usando magnetopares, se puede
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la Tierra para orientar un veh´ıculo
mediante las fuerzas de Lorenz.
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