CubeSats e Software Embarcado

Mission Simulation LabHICEE


CubeSats e Software EmbarcadoMSc. Christopher S. Cerqueira

Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

Sistemas

de Controle

Carga Útil

“destacável”**deployable

Eletrônicas/Softwares

NanoSats

Visão Geral dos tópicos de Hoje


Small SatsDeployable payload


http://www.nasa.gov/directorates/spacetech/centennial_challenges/cubequest/awards-

second-round-prizes-in-cube-quest-challenge

Origem do Cubesat

▪ Uma das tentativas de padronização de cargas úteis

▪ Criado em 1999 por Bob Twiggs– Stanford e CaliforniaPolytechnic University

▪ Ideia era ter plataformas off-the-shelf (comerciais) de partes comuns

▪ ou desenvolvimento in-house.

http://www.cubesatshop.com/


Taxonomia por “massa”

Geralmente geoestacionários,

e observação do espaço.

http://www.amsat.org/?page_id=1869

Geralmente militares, científicos,

e observação da terra.

Geralmente científicos, provas

de conceito, e educacionais.


Small Sats (até 10kgs) – principais padrões:

CubeSats TubeSats

PocketQub CanSat


Projetos BR

Revista FAPESP




Tipos de Missões

▪ Usos típicos:

▪Teste de componentes espaciais

▪Ciência Espacial

▪Motivação para desenvolver novas tecnologias

▪Baixo custo (riscos experimentais)

▪Motivação Educacional para Estudantes (Missões com endLife de 2 anos)

▪ Extras:

▪Espionagem (Terra / entre satélites)

▪Observação da terra

▪Constelação em Marte

http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2013/Naik_Siddhesh/Cubesats.html




Estruturas




AOCS

Sensores Atuadores

Aquajet

ArcJet

Roda de

Reação

Astrofine

Magneto

torquehttps://m.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-030113-141835/unrestricted/2013_ADC_Report_Final.pdf

Magnetômetro

Inerciais

Sensor de

estrelas

Sensor

Solar




OBDH

• Redundância

(cold/hot)

• Barramentos de

dados

• Tipos de Interfaces

• Relógio

• Processamento de

Telecomandos

• Encapsulamento de

telemetrias

• Armazenamento

• Software

• Coleta de dados


Aqui tem Software

Embarcado



Constelação

▪ Definições:

▪ Constelação: voo de espaçonaves similares sem controle de posição relativa, controle vindo do solo.

▪ Formação: controle de malha fechada, on-board, para preservar a topologia.

▪ Enxame: grupo de espaçonaves similares cooperando para um objetivo comum. Cada membro determina seu controle relativo em relação aos outros.

▪ Cluster: sistema distribuído de espaçonaves heterogêneas em cooperação.




Business Case


Downsides: Lixo Espacial


Downsides:Custo de Lançamento

$40k per cube

http://www.nasa.gov/directorates/heo/home/CubeSats_initiative

~$80k


Flight Share

http://www.spaceflight.com/wp-content/uploads/2015/05/SPUG-RevF.pdf


Flight Share – Noção de Preços

$59k/kg


Software EmbarcadoConceito e motivação

Sistemas

de Controle

Carga Útil

“destacável”**deployable

Eletrônicas/Softwares




História


dt = 70 anos

https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC

ENIAC was announced in 1946

5,000 cycles per second



Software está em um Sistema Computacional


Processador

Memória

Entradas /

Saídas

lê/armazena instruções/dados

importa/exporta dados

Sensores

Atuadores

Interfaces

Alimentação

Qual é o softwarrer mais crítico?



AOCS

Computador de

Estimação e Controle

de Atitude e Posição

Perturbações

Plantetas/Luas/Radiação

ArrastoMagnetismo da

Terra

Translação e

Rotação do

Sistema Solar

Posição das

EstrelasFormato da

espaçonaveSensores

Atuadores

Cálculos de

Transferências


Aqui tem Software

Embarcado



AOCS

Computador de Bordo de Controle de Atitude e Posição

Modelo das

Perturbações

Modelo dos

Arrastos

Modelo

Geomagnético

Modelo do

Sistema Solar

Carta

Celestial

Modelo do

corpo

Modelo dos

Sensores

Modelo dos

Atuadores

Modelos de

transferências

Sensore

s

Atu

adore

s


[Controle]


Sistema A

Sistema B

-

x(t) y(t)

Sinal de Referência Saída medida



[Realimentação] Malha Aberta

▪ Sistemas que não tem sensores, ou pontos de realimentação.

▪ Ex.:

▪ máquina de lavar ( quem confere se a roupa está limpa ou não? São presetsestipulados pelos construtores das máquinas ---- dentro podem ter sistemas realimentados de malha fechada)

▪ Sistema de irrigação.

▪ Usado em sistemas BEM definidos. (temporização, triggers)


Sistema BSistema A

x(t) y(t)atuador



[Realimentação] Malha Fechada

▪ Sistemas com sensores, pontos de observação, e sinais que retroalimentam com dados para ajuste do funcionamento.

▪ Ex.: controles de torque, movimento, níveis químicos, biológicos, etc..

▪ Usado em sistemas que precisam de ajustes. (sensores, “inteligência”, atuadores)

▪ Exemplo clássico: Controle (mecânico) de velocidade de uma caldeira a vapor.


Sistema A

Sistema B

-

x(t) y(t)

revolução industrial no século XVIII

sensores

atuador



Sistema Geral de Controle

▪ Dado um modelo do sistema (planta) a ser controlado, deve-se encontrar um controlador adequado.


Sistema

Controlador

SensoresAtuadores

perturbações

monitores comandos

controles medições

“reais” “reais”

Elementos abstratos Elementos sistêmicos

Microprocessor x Microcontroller x Application Processor

“apenas processa”

Chip dedicado a

uma tarefa

Utilidade genérica.

“solução completa”

Possui processador,

memória e

controladores de

interface.

Foco industrial e

automação

“solução completa”

Possui

processador,

memória e

controladores de

interface

Foco usuário final


Ex. MICROPEAK ALTIMETER

LED

Interface

MS5607 – Barômetro MEMS

Status

Comunicação

Chave

https://www.apogeerockets.com/Electronics-

Payloads/Altimeters/MicroPeak-Altimeter

Microcontrolador

Quão longe está chegando a complexidade dos sistemas computacionais? (exemplos)

SWARMS Atlas

Google Self-DrivingFalcon9



Testando Softwares

Modelagem do sistema numa linguagem

independente de hardware

Algoritmos codificados na linguagem do

hardware

O código embarcado num hardware

representativo do equipamento real

Código final embarcado no hardware

para controlar o sistema real

Eickhoff (2009)

Teste no

modelo

Teste no

código

Teste nas

interfaces

Teste nas

interfaces

Caixa Branca

Caixa Preta





Na prática?? No nível do trabalho de vcs:

DataSheet

Documentar

como

funciona!

Procedimento de

Teste

Como vou

verificar que o

que eu tenho

é igual ao que

o DataSheet

diz????

O resultado foi

satisfatório? Os

resultados

bateram??


WRAP-UP




O que vimos hoje




O INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais)

18:09cscerqueira.com.br



Academicamente

http://www.inpe.br/ci/18:09cscerqueira.com.br

▪ 7 Pós-Graduações:

▪ Astrofísica

▪ Engenharia e Tecnologia Espaciais

▪ Mecânica Espacial e Controle

▪ Combustão e Propulsão

▪ Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores

▪Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais

▪ Geofísica Espacial

▪ Computação Aplicada

▪ Meteorologia

▪ Sensoriamento Remoto

▪ Ciência do Sistema Terrestre

http://www.inpe.br/pos_graduacao/cursos/ete/linhas_pesquisa_egse.php

18:09cscerqueira.com.br 39

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