Desenvolvimento de controlador preditivo para controle de atitude de satélites e validação em HIL

Abstract

Os satélites artificiais são sistemas robóticos extremamente complexos e caros, empregados em aplicações científicas, militares e de comunicação. O controle de atitude de satélites é responsável por assegurar que o objeto espacial se encontre na posição, velocidade e trajetória corretas, estabilizando o veículo espacial e o orientando nas direções desejadas durante a missão, independente de perturbações externas. É importante que o projeto do controlador em desenvolvimento seja capaz de respeitar requisitos de segurança e funcionamento do satélite, lidando com restrições próprias do sistema e ao ambiente em que ele está inserido. Caso estes requisitos não sejam respeitados, falhas podem ocorrer, ocasionado em funcionamento não adequado do satélite e possível falha da missão. Para evitar estes erros, o projeto dos controladores deve seguir uma metodologia de testes e validação antes de serem postos em operação. Um das dificuldades relacionadas a esta etapa é a não possibilidade de usar o satélite real para testar/validar as leis de controle desenvolvidas. Levando-se em consideração a dificuldade de validação experimental dos controladores e que considerem na sua formulação as restrições físicas inerentes ao satélite, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um controlador preditivo não linear (NMPC) embarcado em hardware, para o controle de atitude de uma plataforma de testes de satélites com validação do controlador em uma arquitetura do tipo Hardware-in-the-loop (HIL). O controle preditivo é uma estratégia que faz uso do modelo do processo e que prediz o comportamento futuro do mesmo sob um horizonte de predição definido. A estratégia leva em consideração restrições inerentes ao sistema (de estado, comando e variação do comando), e através da otimização online de uma função custo, definida pelo projetista, gera uma sequência ótima de comandos. Um dos pontos críticos da utilização do MPC embarcado em hardware para situações em tempo real é o alto custo computacional existente na etapa de otimização. Quanto mais rápida for a dinâmica do sistema, exigindo menores períodos de amostragem, mais crítico torna-se este problema. Neste trabalho visando reduzir o custo computacional e assegurar que o controlador possa ser embarcado em um hardware real, é então utilizada a técnica de parametrização exponencial, que reduz o número graus de liberdade existentes no problema de otimização não-parametrizado, reduzindo diretamente o tempo gasto na etapa de otimização. Para validação em tempo real do controlador desenvolvido, simulações em HIL são feitas em uma plataforma de baixo custo desenvolvida na Universidade de Brasília. Os resultados obtidos mostram a possibilidade de se embarcar o controlador preditivo não-linear parametrizado em um hardware de baixa potência e que o sistema de controle de atitude é capaz de lidar com as restrições impostas pelo satélite.