[논문 리뷰] Mechatronics Architecture of Smartphone-Based Spacecraft ADCS using VSCMG Actuators

Sasi Prabhakaran Viswanathan, Amit K. Sanyal외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 11.

Spacecraft Design and Technology참고 문헌 14인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 COTS 스마트폰을 탑재 컴퓨터로 사용하고, 가변 속도 제어 모멘트 기구(VSCMGs)를 이용한 자세 제어를 통해 저비용이며 스마트폰 기반의 기계전자 시스템 아키텍처를 제안한다. 시스템은 스마트폰의 통합된 자이로스코프 센서(IMU)와 새로운 비선형 필터링 기법을 활용하여 실시간 자세 및 각속도 추정을 수행하며, 실험 결과는 실제 센서 노이즈 조건 하에서 추정 오차가 노이즈에 따라 결정되는 영역으로 안정적으로 수렴하는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Hardware and software architecture of a novel spacecraft Attitude Determination and Control System (ADCS) based on smartphones using Variable Speed Control Moment Gyroscope (VSCMG) as actuator is proposed here. A spacecraft ground simulator testbed for Hardware-in-the-loop (HIL) attitude estimation and control with VSCMG is also described. The sensor breakouts with independent micro-controller units are used in the conventional ADCS units, which are replaced by a single integrated off-the-shelf smartphone. On-board sensing, data acquisition, data uplink/downlink, state estimation and real-time feedback control objectives can be performed using this novel spacecraft ADCS. The attitude control and attitude determination (estimation) schemes have appeared in prior publications, but are presented in brief here. Experimental results from running the attitude estimation (filtering) scheme with the "onboard" sensors of the smartphone in the HIL simulator are given. These results, obtained in the Spacecraft Guidance, Navigation and Control Laboratory at NMSU, demonstrate the excellent performance of this estimation scheme with the noisy raw data from the smartphone sensors.

연구 동기 및 목표

• 상용 제품(Commercial-Off-The-Shelf, COTS) 스마트폰을 탑재 컴퓨터로 사용하여 저비용, 소형, 고성능의 우주선 자세 결정 및 제어 시스템(ADCS)을 개발한다.
• 기존의 센서 분리 보드와 마이크로컨트롤러를 대체하여 통합된 스마트폰 플랫폼을 활용해 센서 측정, 데이터 처리, 실시간 제어를 수행한다.
• 스마트폰 센서 데이터를 사용하여 비선형 필터링 기법을 구현하고 실험적으로 검증하여 자세 및 각속도 추정을 수행한다.
• 기하학적 역학 원리를 기반으로 한 VSCMG 기반 자세 제어 시스템을 설계하고 테스트하여 확장 가능하고 유연한 우주선 자세 제어를 가능하게 한다.
• 실제 센서 데이터를 사용하여 전체 3축 자세 동역학의 하드웨어-인-더-루프(HIL) 시뮬레이션을 스마트폰으로 수행할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 시스템은 주로 스톡 안드로이드 운영 체제를 사용하는 COTS 스마트폰을 중심 탑재 컴퓨터로 사용하여, 복수의 분리된 센서 및 제어 장치를 대체한다.
• 스마트폰의 IMU에서 얻은 관성 측정값(가속도계, 자이로스코프, 자석계)을 기반으로 라그랑주-다람베르 원리에 기반한 연속 및 이산 시간 비선형 필터에 입력으로 사용한다.
• 자세 추정 필터는 쿼aternion이나 국소 좌표계를 사용하지 않고 SO(3) 위에서 전역적으로 유효한 표현 방식을 사용하며, 가우시안 노이즈나 자세 동역학 모델의 지식을 전제로 하지 않는다.
• 주요 필터에 입력하기 전에 원시 센서 데이터의 고주파 노이즈를 감소시키기 위해 1차 Butterworth 전처리 필터를 적용한다.
• VSCMG 액추에이터 모델은 강체 운동의 비선형 다양체 위에서 기하학적 역학을 활용하여 유도되며, 일반적인 단순화된 가정(예: 기구 관성 무시, 정확한 정렬)을 완화한다.
• NMSU의 HIL 테스트베드는 3차원에서 우주선의 동역학을 시뮬레이션하며, 스마트폰은 센서 데이터를 다양한 샘플링 주기로 처리하고 이전 값으로 보간하여 실시간 상태 추정 및 제어 신호 생성을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COTS 스마트폰은 기존 마이크로컨트롤러 기반 센서 및 제어 아키텍처를 대체할 수 있는 실용적이고 통합된 탑재 컴퓨터로 활용될 수 있는가?
• RQ2 노이즈가 있는 실제 스마트폰 센서 데이터를 입력으로 사용할 때, 비선형이며 쿼aternion 기반이 아닌 필터링 기법이 자세 및 각속도 추정에 얼마나 잘 작동하는가?
• RQ3 실제 센서 노이즈와 동적 조건 하에서 제안된 추정 기법이 참값으로 수렴하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 스마트폰 기반 센싱 및 제어 루프를 사용하여 HIL 환경에서 VSCMG 기반 제어 시스템을 효과적으로 모델링하고 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 실제 지상 테스트베드에서의 실세계 센서 데이터에 적용했을 때, 추정 알고리즘의 수렴 속도와 오차 한계는 어떠한가?

주요 결과

• 자세 오차 행렬의 주요 각도로 측정한 자세 추정 오차는 매우 작은 영역 내에서 0에 수렴하여 높은 추정 정확도를 나타낸다.
• 각속도 추정 오차는 0 주변의 영역으로 수렴하였으며, 그 크기는 센서 노이즈의 특성에 따라 달라졌다.
• 실험 결과는 이전 논문에서 이론적 및 수치적 예측과 뛰어난 일치를 보였으며, 필터링 기법의 강건성을 검증하였다.
• 비선형 필터는 측정 노이즈와 유계 외란에 대해 강건성을 보이며, 거의 전역적 점근적 안정성을 유지하였다.
• Butterworth 전처리 필터를 사용함으로써 스마트폰 센서의 고주파 노이즈는 효과적으로 감소되었고, 기반 강체 운동 신호의 왜곡은 최소화되었다.
• 시스템은 단일 스마트폰 플랫폼 내에서 탑재 센싱, 데이터 수집, 상태 추정, 실시간 피드백 제어를 성공적으로 통합하여 저비용 우주 임무에 대한 실현 가능성을 입증하였다.