Control moment gyroscope singularity avoidance for agile spacecraft

Abstract

After the first artificial Earth satellite launched into space on 4 October 1957 by the lead of the Soviet rocket engineer Sergei Korolev, the development and launch of a huge amount of satellites has followed. With the development of a standardized model for manufacturing small satellites in 1999, CubeSats have become a widespread and significant trend for performing a variety of tasks with low fabrication cost. In a data-driven era, the more data satellites gather in a given time, the more effective they are and the demand for speed is translated into demand for developing a system capable of providing the desired agility.Control Moment Gyroscopes (CMGs) have been known as high torque actuators because they exploit the torque amplification effect while following low mass, volume and power restrictions. Their major and inherit problem is this of singularities. This dissertation takes into consideration the problem of singularities proposing novel methods for global steering the 4-CMG cluster. Initially, a global optimization algorithm is presented that aims to provide a singularity free path which can be implemented for near-real time applications. A variable search technique is considered that allows the adjustment of its computational demands according to the application needs. The same global steering challenge is examined from the Machine Learning (ML) perspective. Compared to most of the current methods, it is shown that the utilization of a ML system can dramatically change the CMGs control and the way singularities are handled. Improvements are presented compared to conventional singularity avoidance steering law.Except for the software-based methods, a new hardware-based solution to singularities is explored. An innovative 4-CMG cluster, called Gimballed Control Moment Gyroscope (GCMG), is introduced along with its control scheme that offers capabilities similar to those of the Variable Speed Control Moment Gyroscope (VSCMG) cluster with lower power and complexity. Finally, both a miniature 4-CMG pyramid cluster made by Commercial Off-The-Shelf (COTS) components and an air bearing platform fabricated exclusively by 3D printed parts demonstrate that it is feasible to construct an extremely low cost and lightweight platform for testing nano CMGs.

Μετά την εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου στις 4 Οκτωβρίου 1957 υπό την ηγεσία του, Ουκρανού μηχανικού πυραύλων, Σεργκέι Κορολιόφ, ακολούθησε η κατασκευή και εκτόξευση μιας πληθώρας δορυφόρων. Με την ανάπτυξη ενός τυ- ποποιημένου μοντέλου για την κατασκευή μικρών δορυφόρων το 1999, οι CubeSats έγιναν ευρέως διαδεδομένοι εξαιτίας του χαμηλού κόστους κατασκευής τους και της δυνατότητας τους να εκτελούν πολυάριθμες εργασίες. Σε μια εποχή που βασίζεται ολοένα και περισσότερο στα δεδομένα, όσο περισσότερα δεδομένα συλλέγει ένας δο- ρυφόρος σε συγκεκριμένο χρόνο, τόσο πιο χρήσιμος είναι. Η ζήτηση για ταχύτητα μεταφράζεται σε απαίτηση για την ανάπτυξη ενός συστήματος ικανού να παρέχει την επιθυμητή ευελιξία.Οι γυροσκοπικοί επενεργητές ελέγχου (ΓΕΕ) είναι γνωστοί ως ενεργοποιη- τές/επενεργητές υψηλής ροπής ενώ παράλληλα προσφέρουν μικρή μάζα, όγκο, και χαμηλή ισχύ. Το κύριο πρόβλημα των ΓΕΕ είναι αυτό των ενικοτήτων. Αυτή η δια- τριβή λαμβάνει υπόψιν το πρόβλημα των ενικοτήτων προτείνοντας νέες μεθόδους για την καθολική καθοδήγηση του συστήματος τεσσάρων ΓΕΕ σε διαμόρφωση πυραμί- δας. Αρχικά, παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης με στόχο την εύρεση διαδρομών χωρίς ενικότητες, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές σχε- δόν πραγματικού χρόνου. Σε συνδυασμό με μια τεχνική μεταβλητής αναζήτησης, οι υπολογιστικές απαιτήσεις της προτεινόμενης μεθόδου μπορούν να προσαρμοστούν στις απαιτήσεις της επιθυμητής εφαρμογής. Η καθολική καθοδήγηση εξετάζεται στη συνέχεια από την προοπτική της Μηχανικής Μάθησης (ΜΜ). Σε σύγκριση με τις περισσότερες από τις τρέχουσες μεθόδους, αποδεικνύεται ότι η χρήση ενός συστή- ματος ΜΜ μπορεί να αλλάξει δραματικά τον έλεγχο των ΓΕΕ και τον χειρισμό των ενικοτήτων.Εκτός από τις μεθόδους που βασίζονται στο λογισμικό, περιγράφεται μια νέα προσέγγιση βασισμένη στο υλικό. Ένας καινοτόμος σχεδιασμός του συστήματος των τεσσάρων ΓΕΕ, που ονομάζεται περιστρεφόμενο σύστημα τεσσάρων ΓΕΕ, παρουσιά- ζεται μαζί με τον νόμο ελέγχου του και προσφέρει δυνατότητες παρόμοιες με αυτές του συστήματος τεσσάρων ΓΕΕ μεταβλητής ταχύτητας αλλά με χαμηλότερη ισχύ και πολυπλοκότητα. Τέλος, ένα εξαιρετικά μικρού μεγέθους σύστημα τεσσάρων ΓΕΕ σε διαμόρφωση πυραμίδας κατασκευασμένο από έτοιμα/εμπορικά εξαρτήματα όσο και ένα ρουλεμάν αέρα κατασκευασμένο αποκλειστικά από τρισδιάστατα εκτυπωμένα υλικά αποδεικνύουν ότι είναι εφικτή η κατασκευή μιας ιδιαίτερου χαμηλού κόστους και ελαφριάς πλατφόρμας για τη δοκιμή νάνο-ΓΕΕ.