Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô phỏng điều khiển vệ tinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

PHẦN A : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VỆ TINH VÀ ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH 4

Chương I: VỆ TINH 4

1.1 Khái niệm 4

1.2 Các loại vệ tinh 4

1.3 Vệ tinh nhân tạo của Việt Nam 6

Chương II: ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH 8

2.1 Tổng quan về ADCSS 8

2.2 Hệ thống đo 10

2.2.1 Cảm biến xác định tư thế……….10

2.2.2 Cảm biển mặt trời………11

2.3 Hệ thống điều khiển cân bằng tĩnh 12

2.3.1 Các vật nặng……….13

2.3.2 Thanh trượt khối lượng ……… 13

2.4 Hệ thống điều khiển dùng bánh xe động lượng 16

2.5 Hệ thống điều khiển dùng thanh từ lực 19

PHẦN B: THIẾT KẾ MẠCH TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VỆ TINH SỬ DỤNG GIAO THỨC TCP-IP 21

Chương III: THIẾT KẾ MẠCH TRUYỀN THÔNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TƯ THẾ VỆ TINH SỬ DỤNG GIAO THỨC TCP-IP 21

3.1 Tổng quan chung 21

3.1.1 Giao tiếp TCP-IP……… 21

3.1.2 AVR và lập trình vơi AVR……… 22

3.2 – Thiết kế mạch truyền thông trong điều khiển tư thế vệ tinh sử dụng giao thức TCP-IP 24

3.2.1 Mạch nguyên lý………24

3.2.2 Hướng dẫn mạch nạp và code cho board điều khiển……… 25

KẾT LUẬN 41

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong khoá luận này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới toàn thể các thầy - cô giáo, những người đã hết mình truyền thụ cho chúng tôi những kiến thức vô cùng cần thiết và quí báu trong suốt khoá học vừa qua.

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới Ths.Nguyễn Thị Hồng Hanh, KS Huỳnh Xuân Quang, người đã tận tình hướng dẫn, trực tiếp truyền thụ cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm hết sức quí báu trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi xin gửi lời cảm ơn với những tình cảm chân thành tới các thầy

cô, anh chị đang công tác tại Viện Công nghệ Vũ trụ-Viện khoa học Việt Nam đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực tập tại Viện.

Cuối cùng, tôi xin dành những lời tốt đẹp nhất, lòng biết ơn và những tình cảm chân thành nhất tới bố mẹ, anh chị, những người thân yêu và toàn thể bạn bè những người đã luôn bên tôi, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.

Tóm tắt nội dung đề tài :

Đề tài : Tìm hiểu và xây dựng hệ điện tử ứng dụng trong hệ thống mô

phỏng điều khiển vệ tinh gồm 2 phần chính :

Phần A - Quá trình tìm hiểu và cơ sở lý thuyết

Nội dung :

 Giới thiệu tổng quan về hệ mô phỏng Hardware In the Loop – HIL,ứngdụng hệ HIL trong hàng không – vũ trụ

 Tìm hiểu tổng quan một số điều kiện không gian tác động lên vệ tinh

Phần B - Xây dựng hệ thống phần cứng trong mô phỏng điều kiện nhiệt độ ngoài

không gian tác động lên vệ tinh

Nội dung :

 Vi điều khiển AVR và lập trình cho vi điều khiển : mạch nạp cho

AVR ,chương trình biên dịch AVR,…

 Thiết kế bộ phần cứng sử dụng ATMEGA32

PHẦN A : QUÁ TRÌNH TÌM HIỂU VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương I: HỆ MÔ PHỎNG HIL- HARDWARE IN THE LOOP,MỘT

SỐ HỆ HIL

1.1 Khái niệm chung.

- Hardware in the loop (HIL) là một dạng mô phỏng thời gian thực được sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả năng của phần mền điều khiển dưới điền kiện diến biến thời gian sát với thực tế Điều

này có ý nghĩa quan trong khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp nhiều phần tử.

- Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên lý HIL nhằm :

 Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển

 Giảm chi phí trong quá trình thiết kế

 Tránh được những sai sót không đáng có khi ứng dụng thực tế

Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, hệ điều khiển vệ tinh được mô phỏng theo nguyên lý trên, bằng cách sử dụng một số cung cụ sau:

 Phần mền: Matlab/simulink, labview,…

 Phần cứng: xPC target,Dspace,HIL National Instruments…

1.2 Mục đích sử dụng phương pháp hardware – in – the – loop.

Hệ thống kiểm tra sản phẩm là một trong những chi phí lớn trong việc pháttriển một sản phẩm phức tạp Sự cẩn thiết để giảm thiểu thời gian để thị trườngđồng thời sản xuất một sản phẩm, kiểm tra kỹ lưỡng là những thửu thách to lớn.Tăng mức độ phức tạp trong hệ thống phần cứng và phần mền đang làm cho vần

đề ngày nghiêm trọng hơn với mỗi thế hệ mới của sản phẩm Ngoài ra, với bất kỳthay đổi quan trọng nào được thực hiện cho phần cứng của sản phẩm hiện hànhhoặc các phần mền phải được triệt để hồi quy được kiểm tra để xác nhận rằngnhững thay đổi không tạo ra những hiệu ứng mong muốn

Máy tính nhúng ngày càng trở lên phổ biến trong các hệ thống an toàn, cầnđược thử nghiệm kỹ lưỡng hơn Rõ ràng, có một sự cấp bách cần phải đẩy nhanh

và tự động hóa hệ thống cấp thửu nghiệm càng nhiều càng tốt trong những hạn chếcủa hệ thống kiểm tra chi phí và phát triển

Phương pháp mô phỏng Hardware – in – the – loop là một kỹ thuật để thửnghiệm hệ thống cấp thực hiện của các hệ thống nhúng một cách toàn diện, hiệuquả, và lặp lại Mô phỏng hardware – in – the – loop thường được dùng trong việcphát triển và thử nghiệm các hệ thống nhúng, khi các hệ thống không thể thửnghiệm một dễ dàng, triệt để, và có thể được diễn ra trong môi trường hoạt độngnày.

Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop đỏi hỏi sự phát triểncủa mô phỏng thời gian thực, các mô hình của một số phần trong hệ thống nhúngthử nghiệm và tất cả các tương tác có ý nghĩa trong môi trường hoạt động Môphỏng có thể theo dõi hệ thống thử nghiệm của đầu ra tín hiệu và tạo ra đầu vào tínhiệu của hệ thống thử nghiệm ở một số thời điểm thích hợp Đầu ra của hệ thốngthử nghiệm là tín hiệu từ các thiết bị truyền hình động thường bao gồm các lệnh vàđiều hành hiển thị thông tin Đầu vào để hệ thống thử nghiệm bao gồm các tín hiệucủa cảm biến và các lệnh từ điều hành Các kết quả đầu ra từ hệ thống nhúng phục

vự như là đầu vào của mô phỏng và mô phỏng tao ra kết quả và trở thành đầu vàocủa hệ thống nhúng

Trong hình hệ thống thử nghiệm có giao diện với cảm biến và cơ cấu chấphành, hiển thị thông tin chấp nhận lệnh đầu vào Trong ví dụ này thì các lệnh được

tảo bởi các mô phỏng kích thích hệ thống trong thử nghiệm Việc sử dụng tổnghợp tao ra lệnh điều khiển cho phép tự động các trình tự kiểm tra và cho phép lặplại chính xác cảu các mẫu đó.

Bạn có thể áp dụng các mô phỏng hardware – in – the – loop thử nghiệm ýtưởng cho đến một loạt các hệ thống, từ các thiết bị tương đối đơn giản chẳng hạnnhư một bộ điều khiển nhiệt độ phòng đến các hệ thống phức tạp như hệ thốngđiều khiển máy bay Mô phỏng hardware – in – the – loop còn được sử dụng trongviệc phát triển và thử nghiệm phức tạp trong các hệ thống quân sự, tên lửa, điềukhiển vệ tinh…

Phương pháp mô phỏng hardware – in – the – loop có thể giúp bạn pháttriển sản phẩm nhanh hơn và chi phí hiệu quả hơn với các thử nghiệm được cảithiện triệt để Một lợi ích của mô phỏng hardware – in – the – loop là làm giảmkhả năng của các vấn đề nghiêm trọng trong sản phẩm một cách đáng kể Tronggian đoạn phát triển sản phẩm, mô phỏng hardware – in – the – loop là một công

cụ có giá trị tối ưu hóa thiết kế thực hiện và sửa lỗi cả phần cứng lẫn phần mền

Tuy nhiên với một mô phỏng hardware – in – the – loop (hoặc bất kỳ môphỏng nào) để sản xuất ra đáng tin cậy, nó rất quan trọng để chứng minh rằng môitrường mô phỏng là một việc rất quan trọng trong thực tế Đây là nơi mà các kháiniệm của mô phỏng và kiểm tra được xác nhận

1.3 Điều kiện và kết quả cho việc mô phỏng.

Trước khi có thể mô phỏng hardware – in – the – loop được sử dụng đểkiểm tra, thì việc phải kiểm tra xem thiết bị mô phỏng và môi trường mô phỏngcủa nó có trong mô phỏng hardware – in – the – loop có đầy đủ không Điều kiện

là quá trình chứng minh các mô phỏng hardware – in – the – loop thực hiện chínhxác các mô hình toán học về khái niện của hệ thống thử nghiệm và môi trường của

nó Kết quả là được thực hiện bằng cách so sánh kết quả mô phỏng hardware – in– the – loop với kết quả phân tích tính toán hoặc từ kết quả độc lập với hệ thốngthử nghiệm

Nếu kết quả thử nghiệm không chính xác phù hợp với kết quả mô phỏnghardware – in – the – loop Những sai sót trong mô phỏng giao diện phần mền

hoặc phần cứng cũng trở lên rõ ràng hơn trong mô phỏng khi tiến hành kiểm trakết quả.

Sau khi mà các độ lệch giữa hiệu suất của hệ thống nhúng trong môi trườnghoạt động và trong mô phỏng hardware – in – the – loop đã được giảm đến mộtmức độ chấp nhận được và đúng tài liệu thì các mô phỏng hardware – in – the –loop là đúng Mô phỏng thử nghiệm hardware – in – the – loop sau đó có thể sửdụng để thay thế hoặc làm tăng thêm thử nghiệm vận hành của hệ thống miễn làmôi trường được mô phỏng nằm trong phạm vi điều kiện của mô phỏng đó Khilàm việc với điều kiện của mô phỏng cần phải hiểu được phạm vị của điều kiện đótrong môi trường đã được thử nghiệm Khi thực hiện sửa đổi điều kiện mô phỏngthì phải kiểm soát được cấu hình của phần mền và thực hiện sao cho hiệu suất môphỏng khôg bị ảnh hưởng khi thay đổi

1.4 Phần cứng và phần mền của mô phỏng hardware – in – the – loop

Để phát triển một mô phỏng hardware – in – the – loop, cần phải tính toánphù hợp và phần cứng I/O cũng như phần mền để thực hiện các mô hình mô phỏngthời gian thực và I/O hoạt động

1.5 Yêu cầu thời gian thực

Yêu cầu đối với các máy tính mô phỏng phụ thuộc vào đặc điểm của hệthống nhúng để thử nghiệm và của môi trường hoạt động như:

+ các hệ thống thử nghiệm của I/O và tốc độ truyền dữ liệu của I/O

+ sự phức tạp của yếu tố hệ thống thử nghiệm và môi trường hoạt độngđược mô phỏng trong phần mền mô phỏng.

Thiết bị I/O

Có nhiều loại thiết bị I/O khác nhau được sử dụng trong hệ thống nhúng Trong

mô phỏng hardware – in – the – loop, một thiết bị I/O được cài đặt trong môphỏng máy tính kết nối với hệ thống mô phỏng cổng I/O Giao diện I/O có sẵn từnhiều phía được hỗ trợ các tín hiệu như:

+ Analog (DACs và ADCs)

+ tín hiệu số không liên tục

+ Serial (RS-232 hoặc RS-422)

+ Dữ liệu thời gian thực

+ Network (ethernet)

+ thiết bị mô phỏng

Một bảng tóm tắt cho một hiệu suất cao thời gian thực hệ thống máy tính bao gồm:

+ CPU hiệu năng cao

+ Hỗ trợ cho các hoạt động thời gian thực

+ Tỉ lệ truyền dữ liệu cao

+ hỗ trợ cho một loạt các thiết bị I/O

1.6 Phần mền mô phỏng cơ cấu chấp hành

Các phần mền mô phỏng có chứa các đoạn mã đó thực hiện nhiệm vụ cầnthiết trong thời gian thực mô phỏng

Các phần mền mô phỏng hardware – in – the – loop có thể được tách thành

ba phần cơ bản sau:

+ Khởi động của phần mền mô phỏng và phần cứng bên ngoài

+ vòng động năng bao gồm I/O, mô hình mô phỏng đánh giá và trạng tháibiến đổi

+ Dừng của phần mền mô phỏng và phần cứng bên ngoài

Khởi tạo mô phỏng và phần cứng

Từ thiết bị đầu vào

Đánh giá các mô hình mô phỏng

Viết thiết bị đầu ra

1.7 Hệ thống mô phỏng HIL ứng dụng trong hàng không vũ trụ :

Hệ thống mô phỏng HIL trong hàng không vũ trụ đóng vai trò đặc biệt quan trọng,ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng động cơ động lực,điều khiển động

cơ động lực,mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh,vệ tinh Pico,…

Những hệ HIL tiên phong trong hàng không vũ trụ có thể kể đến : xPC Target,Dspace,National Instrucments-NI,… có rất nhiều ứng dụng trong việc nghiên cứu mô phỏng động cơ phản lực,các vệ tinh và quỹ đạo của chúng,môi trường ngoài không gian,…Ở Việt Nam,hệ mô phỏng HIL cũng được ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo vệ tinh Pico,hệ mô phỏng điều khiển vệ tinh ADCSs -

Attitude Determination and Control System simulator :

Hình 1.7.1 – Hệ mô phỏng xPC Target

Hình 1.7.2- Hệ mô phỏng HIL

National Instrucment Hình 1.7.3 – Hệ mô phỏng Dspace

Hình 1.7.4- Hệ mô phỏng điều khiển tư thế vệ tinh ADCS

Chương II: MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH PICO

2.1 Yêu cầu đặt ra cho hệ điều khiển nhiệt độ.

Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng kỹ thuật điều khiển thụ động và chủđộng để giữ nhiệt độ của vệ tinh nằm trong giới hạn cho phép

Hệ thống này bị ngắt trong suốt quá trình vệ tinh ở dưới mặt đất, lúc phóng

và khi vệ tinh được phóng lên Hệ thống phụ trợ được điều khiển theo phươngthức thụ động khi ở trên quỹ đạo, và điều khiển chủ động kích hoạt nếu cần

2.2 Môi trường nhiệt độ của vệ tinh Pico.

Vệ tinh Pico sẽ được tiếp xúc với các điều kiện vật chất và các điều kiện khác

so với ở trên Trái đất Bức xạ của mặt trời là nguồn năng lượng lớn nhất của tất cảcác điều kiện trên các con tàu vũ trụ vệ tinh Các bức xạ phát ra từ mặt trời thường

là không thay đổi trong vòng một phần nhỏ của 1% ở tất cả các lần Tuy nhiên, doquỹ đạo hình elip của Trái Đất, cường độ bức xạ của mặt trời đạt ở quỹ đạo thấpthay đổi theo khoảng  3 , 5 % tùy thuộc vào khoảng cách của Trái Đất tới MặtTrời Trong mùa hè (phía bắc bán cầu) cường độ ở mức tối thiểu 1372 ( / 2 )

Các bức xạ của mặt trời là phản chiếu của một hành tinh hay không khí của

nó được biết đến như là suất phản chiếu Suất phản chiếu của Trái Đất được tínhtheo tỷ lệ phần trăm của ánh sáng Mặt Trời đó là sự phản xạ trở lại vào không gian

và biến đổi cao và giá trị được giả định là 34% Tuy nhiên phản xạ ở các khu vực

là khác nhau và thường thì tăng theo giảm góc độ cao và mây che phủ ngày càngtăng

Trái Đất không chỉ phản xạ ánh sáng bức xạ của mặt trời, mà còn phát rabức xạ dài của sóng hồng ngoại do nhiệt độ của nó Trái Đất, cũng như vệ tinh, đạtđược cân bằng nhiệt độ bằng cách cân bằng nhiệt độ nhận được (hấp thụ) từ MặtTrời với năng lượng tái phát ra bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài vào không

gian Cân bằng này là chính nhận được trên cơ sở trung bình trên toàn cầu hàngnăm Có giá trị vào khoảng 237  21 (W /m2 ) phát ra từ bề mặt của Trái Đất.

Ở độ cao của vệ tinh trên nền không gian này là màu đen Bức xạ (tiagamma, tia X, tia cực tím, tia nhìn thấy được, tian hồng ngoại và vô tuyến) từkhông gian sâu thẳm đại diện cho một số lượng rất nhỏ các năng lượng Các nềnnhiệt độ cho vệ tinh trong không gian khoảng 3K và áp suất xung quanh là rất gầnvối tổng số chân không Điều này sẽ gây ra các biến về môi trường nhiệt độ bức xạtiêu cực ở bề ngoài của vệ tinh Vì vậy, các lớp bên ngoài của vệ tinh có tấm cáchnhiệt có thể đạt đến nhiệt độ của 100 0C khi chuyển hướng tới mặt trời và đến

C

0

100

 khi ở bóng tối của Trái Đất của vệ tinh

Hình3.1 : môi trường nhiệt độ của vệ tinh trên quỹ đạo

Vệ tinh pico vào không gian tương tác với môi trường của mình bằng bức

xạ Trao đổi năng lượng có nghĩ là: bức xạ Mặt Trời, suất phản chiếu (albedo), bức

xạ hồng ngoại từ Trái Đất và bức xạ từ tàu vũ trụ vệ tinh vào không gian sâu Mụcđích của vệ thiết kế nhiệt là để duy trì nhiệt độ của tất cả các thành phần của tàu vũ

trụ vệ tinh trong giới hạn nhiệt độ mong muốn bằng cách sử dụng cơ bản cân bằngnăng lượng yêu cầu:

out in

dt

dT c

2.3 Bức xạ của Mặt Trời

Năng lượng từ cường độ Mặt Trời khác nhau như và phụ thuộc vào hàmcủa bước sóng Sự phân bổ năng lượng là khoảng 7% tia cực tím, 46% là tia nhìnthấy và 47% là tia hồng ngoại với toàn bộ năng lượng bằng 1327W /m2 đến

2

/

1417W m

Hình3.4: Phân phối của bức xạ mặt trời trong LEO

2.4 Từ không gian Trái Đất

Bức xạ phát ra từ Trái Đất có giá trị vào khoảng 273  21 (W /m2 ) Bức xạnày tác động lên quỹ đạo của vệ tinh ở trong quá trình di chuyển xung quanh TráiĐất của vệ tinh Nhưng giá trị của tia hồng ngoại lại phụ thuộc vào khoảng cách từ

vệ tinh đến Trái Đất, nó giảm theo năng lượng của Q. IR

R R E E

E

IR I A I A

ở đây :

2 )

( ) sin

) (

R I

PHẦN B : THIẾT KẾ BỘ PHẦN CỨNG TRONG HỆ

MÔ PHỎNG HIL MÔ PHỎNG ĐIỀU KIỆN NHIỆT

ĐỘ TÁC ĐỘNG LÊN VỆ TINH

Chương III: AVR VÀ LẬP TRÌNH VỚI AVR GIAO THỨC TCP-IP

3.1 – AVR và lập trình với AVR

3.1.1.Cấu trúc bộ nhớ:

Cũng như mọi vi điều khiển khác AVR có cấu trúc Harvard tức là có bộ nhớ vàđường bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu

Sơ đồ bộ nhớ:

Ta thấy không gian bộ nhớ của bộ nhớ chương trình gồm 4Kx8 và có địa chỉ

từ 0000H tới FFFH

Bộ nhớ dữ liệu gồm hai phần: bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM trong đókhông gian bộ nhớ RAM lại chia làm 3 phần: Các thanh ghi chức năng chung, cácthanh ghi vào ra và cuối cùng là 512 byte bộ nhớ SRAM Bộ nhớ EEPROM mặc

dù cùng là một phần của bộ nhớ dữ liệu nhưng lại hoàn toàn đứng độc lập như một

bộ nhớ độc lập và cũng được đánh địa chỉ riêng

a - Bộ nhớ dữ liệu

AVR có 32 thanh ghi chức năng chung và chúng được liên kết trực tiếp với

ALU đây là điểm khác biệt của AVR và tạo cho nó một tốc độ xử lý cực cao Cácthanh ghi được đặt tên từ R0 tới R31 Và đặc biệt cặp 6 thanh ghi cuối (từ R6 tớiR31) từng đôi một tao thành các thanh ghi 16 bit sử dụng làm con trỏ trỏ tới bộnhớ chương trình và dữ liệu Chúng lần lượt có tên là X, Y, Z

Không gian các thanh ghi cổng vào ra bao gồm cá thanh ghi dữ liệu và thanhghi điều khiển cho cổng vào ra.(Phần này sẽ được nói tới trong phần lập trình chocác thiết bị ngoại vi).

Cuối cùng là bộ nhớ SRAM

b - Bộ nhớ chương trình:

Bộ nhớ chương trình có địa chỉ từ 0000H tới 0010H được dành cho bảng véc

tơ ngắt

3.1.2.Các chế độ truy nhập địa chỉ của AVR

a - Địa chỉ thanh ghi đơn trực tiếp

Ở chế dộ này địa chỉ của thanh ghi được lấy trực tiếp từ vùng các thanh ghi (từ

0 tới 31)

b - Địa chỉ hai thanh ghi trực tiếp

Đây là chế độ mà trong một lênh ALU truy nhập trực tiếp vào hai thanh ghi.Chế độ này hoàn toàn tương tự như chế độ trên

c - Địa chỉ trực tiếp cổng vào ra