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SISTEMA MECATRONICO BASEADO EM SENSORES MEMS VOLTADO ADETERMINACAO DE ATITUDE EM PEQUENOS SATELITES

Daniel S. Batista∗, Francisco Granziera Jr∗, Marcelo C. Tosin∗, Leonimer F. de Melo∗

∗Departamento de Engenharia EletricaUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, Parana, Brasil

Emails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract— This paper presents the mechanical and hardware project of a MEMS sensor data acquisition andprocessing system focused in applications to aid attitude determination of nano- and pico- satellites. Initially , theconcepts, requirements and limitations of Experiment-MEMS design are presented. This consists of a tetrahedralarrangement of MEMS sensors such as accelerometers, gyros and magnetometers, connected to a microcontrolledcentral responsible for processing the entire system. The project is restricted to MEMS sensors and COTS(Commercial-off-the-shelf ) components, targeting lower cost applications. The work also shows the solutions inthe development of a low cost electric model and the results obtained with it as well as the development of theexperimental engineering model. At the end a wide range of results obtained processing the information gatheredfrom the sensors of the electrical model are presented, comparing them with results from a commercial device,discussing and analyzing the points needed in attitude determination for a small satellite, especially those relatedto the attitude estimation from the Kalman filter and the importance of MEMS sensors calibration.

Keywords— Attitude Determination, MEMS Sensors, Data Acquisition, Small Satellites.

Resumo— Este trabalho apresenta o projeto mecanico e de hardware de um instrumento para aquisicao eprocessamento de dados de sensores MEMS com aplicacoes voltadas ao auxılio na determinacao de atitude denano- e pico-satelites. Inicialmente, sao apresentados os conceitos, requisitos e limitacoes do projeto, chamadoExperimento-MEMS. Este consiste em um arranjo tetraedrico de sensores MEMS tais como acelerometros, mag-netometros e girometros, conectados a uma central microcontrolada responsavel pelo processamento de todo osistema. O projeto e restrito a Sensores MEMS e componentes COTS (Commercial-off-the-shelf ), visando aplica-coes de menor custo. O trabalho tambem mostra as solucoes no desenvolvimento e os resultados obtidos com umModelo Eletrico de baixo custo bem como o desenvolvimento do Modelo de Engenharia. Ainda sao apresentadosuma ampla gama de resultados obtidos a partir do processamento das informacoes dos sensores presentes noModelo Eletrico, comparado-os com resultados obtidos com um dispositivo comercial, e discutindo e analisandopontos necessarios a determinacao de atitude por um pequeno satelite, principalmente aqueles relacionados aestimacao de atitude a partir filtro de Kalman e a importancia de calibracao de sensores MEMS.

Palavras-chave— Sensores MEMS, Aquisicao de Dados, Determinacao de Atitude, Pequenos satelites.

1 Introducao

Nas ultimas decadas, sensores MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) veem sendo extensi-vamente utilizados para diversas finalidades, comoprodutos comerciais, sistemas portateis e equi-pamentos eletronicos automotivos (Bogue, 2007).No entanto, devido ao crescente desempenho,baixo custo, funcionalidade e uma melhora sig-nificativa em sua confiabilidade, tais componentesestao ganhando visibilidade em aplicacoes e siste-mas aeroespaciais. Estes sensores e outros dispo-sitivos eletronicos de consumo em massa (COTS- Commercial-off-the-shelf ) estao sendo aplicadosespecificamente em pequenos satelites como de-monstradores tecnologicos, com resultados surpre-endentes. Dessarte, esse avanco tecnologico pos-sibilita uma nova maneira na forma como as mis-soes para pequenos satelites sao projetadas, per-mitindo missoes com tempo e custo de desenvol-vimento reduzidos.

O E-MEMS, apresentado neste trabalho, e umdos projetos que seguem esta tendencia de uso desensores MEMS, cujo foco e o processo de deter-minacao de atitude. No ambito espacial, este pro-

cesso e essencial em satelites, ja que esta e a in-formacao utilizada pelo controle de orientacao dosatelite (ACS) para que o mesmo possa desempe-nhar sua funcao.

O projeto E-MEMS consiste em um sistemaembarcado, de baixo custo, composto por senso-res MEMS, tais como acelerometros, magnetome-tros e girometros, cuja proposta e adquirir, ar-mazenar, processar e transmitir dados de atitude,sendo que o desafio tecnologico atual do projetoenvolve a construcao do equipamento, desenvolvi-mento de hardware e software e validacao de todoo sistema para embarca-lo primeiramente em umaplataforma de voo sub-orbital.

Em ambiente espacial, o desafio proposto aoE-MEMS e executar de maneira embarcada o al-goritmo proposto em Leffers et al. (1982) para aestimacao de atitude, combinando informacoes deatitude do ACS com informacoes de girometros natentativa de melhorar os dados. Entretanto, porpossuir acelerometros, o instrumento da experien-cia permite, em ambientes terrestres, determinarsua propria atitude, com metodos como o TRIAD(Shuster and Oh, 1981). Convenientemente, o sis-tema proposto tambem apresenta utilidade e uma

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

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possibilidade extensa de testes em sistemas ter-restres com necessidade de determinacao de ati-tude. Nao ha uma metodologia ou tecnica defi-nitiva para a determinacao de atitude, havendodiversos algoritmos para a determinacao a partirde vetores de referencia e topologias diversas base-adas no filtro de Kalman para a estimacao, comoo EKF e o UKF, conforme discutido em Rashedet al. (2013).

Outro ponto ao E-MEMS e a calibracao deseus sensores. E mandatorio a calibracao destespara que um sistema baseado em sensores MEMSpossa atuar de maneira confiavel. Ha uma am-pla gama de metodos para calibracao de senso-res triaxis, como acelerometros e magnetometros,como aqueles propostos em Bonnet et al. (2009).O E-MEMS propoem a utilizacao de um algoritmobaseado no Lottersa et al. (1998), com certas mo-dificacoes para uma gama maior de possibilidades.

O trabalho na sequencia apresenta os requisi-tos do Projeto E-MEMS, os sub-projetos mecani-cos e eletronicos propostos, o Modelo Eletrico debancada desenvolvido para a experiencia e os re-sultado obtidos e o andamento e solucoes tomadasno desenvolvimento do Modelo de Engenharia.

2 Experiencia MEMS

A proposta inicial para a Experiencia MEMS,ou E-MEMS, e ser um instrumento para aquisi-cao e processamento de dados de sensores MEMScom aplicacoes voltadas a determinacao de ati-tude, sendo constituıdo exclusivamente de senso-res MEMS e componentes COTS. A experienciae constituıda por quatro conjuntos de sensores or-ganizados nas superfıcies de uma estrutura tetrae-drica, a fim de fornecer medicoes redundantes paramelhoria da precisao e aumento da confiabilidade.Cada conjunto e composto por um girometro deum eixo, um acelerometro de tres eixos e um mag-netometro de tres eixos.

Inicialmente, o experimento estava escaladopara ser carga util do satelite universitarioITASAT-1 (Sato et al., 2011), desta forma, o expe-rimentou passou a ter a concepcao de um instru-mento de auxılio na determinacao de atitude depequenos satelites. O proposito do sistema seriautilizar informacoes providas do Sistema de Con-trole de Atitude (ACS) do satelite e, a partir dauniao destas com as informacoes de seus propriossensores, melhorar a atitude original.

Atualmente, o experimento esta cotado paraser uma das cargas do Satelite de Reentrada At-mosferica (SARA1), sendo o trabalho apresentadoaqui focado ao desenvolvimento da experiencia

1O Projeto SARA e uma plataforma espacial para ex-perimentos em ambiente de microgravidade, denominadaSatelite de Reentrada Atmosferica (SARA), destinada aoperar em orbita baixa, circular, a 300 km de altitude, porum curto perıodo.

MEMS-SARA.

Alem da aplicacao em missao espacial pre-vista, o desenvolvimento deste instrumento ira vi-abilizar uma analise pratica em diversos aspectosenvolvidos no processo de determinacao de ati-tude, como, testes de algoritmos de determina-cao e estimacao de atitude, analise e comparacoesentre metodos de calibracao de sensores MEMS,comportamento, confiabilidade e precisao do sis-tema para elaboracao de futuras aplicacoes.

2.1 Objetivos e Requisitos do MEMS-SARA

A experiencia MEMS-SARA sera utilizada na ten-tativa de estimar a orientacao do SARA durantesua missao, assim como no proposito inicial doITASAT-1. Fisicamente a experiencia e compostapor girometros, acelerometros e magnetometrosintegrados a uma unidade de aquisicao de dados,de conversao de energia e de processamento. Aexperiencia ira transmitir os dados dos sensorespara estacoes em terra, atraves de telemetria paraposterior analise.

O objetivo desta proposta e de medir as velo-cidades angulares, forcas especıficas e campo mag-netico aos quais a missao SARA sera submetida.Estes dados terao utilidade para a estimacao daatitude do veıculo quando combinados e analisa-dos posteriormente com as informacoes de voo doSARA (sensores e rastreio) e de outras experien-cias que serao embarcadas no mesmo, tal como oMARINS2. A correcao das derivas dos girometrose a consequente estimacao da atitude somente se-rao possıveis caso existam informacoes adicionaissobre a atitude do veıculo.

Com a analise dos dados sera possıvel esti-mar a atitude do SARA como forma de testar osalgoritmos para determinacao da atitude e de ge-renciamento da experiencia que serao empregadosem uma missao futura e mensurar os erros ineren-tes aos sensores utilizados. Tambem sera possıvelvalidar os sistemas mecanicos e eletronicos desen-volvidos no ambiente de uma missao espacial, queengloba o lancamento, a exposicao ao espaco e re-entrada.

De forma macro, o projeto e subdivido em trespartes, mecanico, eletronico e de software. Estessao apresentados, seguido da apresentacao do Mo-delo Eletrico desenvolvido para o E-MEMS, cujofoco e a validacao e testes iniciais do projeto dehardware, e por fim o Modelo de Engenharia, quese encontra em fase final de desenvolvimento.

2.2 Projeto Mecanico MEMS-SARA

Alem de sustentar os circuitos, sensores, cabea-mento e conectores da experiencia, a estrutura

2A experiencia MARINS visa atuar no sistema de de-terminacao de atitude do SARA, atraves de um conjuntode girometros.


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possui dispositivos e solucoes auxiliares para o ali-nhamento e calibracao do conjunto de sensores. AFig. 1 mostra uma vista tridimensional explodidada versao atual da experiencia. A massa previstapara o sistema deve ser inferior a 1,5 kg, enquantoque sua base ocupa uma area de 148 mm × 115,5mm e a altura da estrutura e de 112,5 mm.

Figura 1: Projeto mecanico do E-MEMS

Esta estrutura sustenta as quatro placas decircuito impresso com os sensores, dispostas nastampas da estrutura tetraedrica e na base dacaixa. Na parte interna da caixa, sobre a placa desensores, encontra-se disposta tambem uma placade maior tamanho. Esta ultima contem o com-putador embarcado da experiencia, a unidade deaquisicao de dados e os circuitos para gerencia-mento e condicionamento de energia. No topo daestrutura ha uma mesa para a colocacao de umcubo optico espelhado para alinhamento e calibra-cao. Na superfıcie inferior da caixa ha uma estru-tura formada por um pino e oblongo, que tambeme um dispositivo para alinhamento e calibracao.Planeja-se construir a estrutura final descrita uti-lizando como material base um polımero de en-genharia, tal como o ABS, de forma a reduzir ocusto, atraves de impressao tridimensional. Osparafusos para fixacao das partes e da estruturano veıculo serao em alumınio 7075-T6, materialalternativo para o restante da estrutura.

2.2.1 Geometria dos Sensores

Um aspecto importante em projetos desta natu-reza e a disposicao e a quantidade dos sensoresinerciais, que influem diretamente na confiabili-

dade, precisao e possibilidade de deteccao de even-tuais falhas (Pejsa, 1974).

O E-MEMS possui uma distribuicao tetrae-drica regular de Classe II, ou seja, um sensor estano eixo do cone e outros tres estao igualmente es-pacados em um cone de meio-angulo α = 70, 529o.Esta topologia e a maneira que otimiza a preci-sao das medidas obtidas a partir de quatro senso-res inerciais, provendo uma estimacao de estadosotima, tambem e redundante e capaz de detectaruma eventual falha em um dos sensores, entre-tanto nao ha como isolar a falha, conforme discu-tindo em Sturza (1988).

Esta escolha tambem torna possıvel o moni-toramento das forcas exercidas durante o lanca-mento com o uso de girometros e acelerometroscom fundo de escala fixo, e nao tao altos. Isto poissomente o sensor da base, que e alinhado com oeixo do satelite, ira saturar, permitindo o calculodas forcas apenas com o ajuste da matriz de con-versao durante tal estagio.

2.3 Projeto Eletronico MEMS-SARA

Fisicamente o sistema e composto das quatro pla-cas de sensores identicas e uma placa de circuitosprincipal. A Fig. 2 ilustra o diagrama eletronicogeral do experimento. A placa principal contemquatro grupos funcionais distintos, que sao: con-versores DC-DC, reguladores lineares e filtros; in-terconexoes e comutacao dos sinais dos sensores;processamento e armazenamento; circuitos de in-terface. Ja as quatro placas identicas possuem ossensores e sistemas auxiliares necessarios aos sen-sores.

O conversor DC-DC fornece a potencia paratodos os reguladores lineares, que por sua vez for-necem as tensoes finais reguladas e tambem ser-vem como filtros ativos para o ruıdo de modo di-ferencial gerado pelo conversor. As placas de sen-sores possuem sempre alimentacoes distintas dapresente na placa principal, havendo multiplos re-guladores.

As etapas de filtragem do ruıdo de modo co-mum e de modo diferencial, associados aos regu-ladores atenuam para nıveis aceitaveis o ripple e oruıdo da alimentacao para os sensores, principal-mente.

O bloco de processamento gerencia todo o sis-tema, realizando as tarefas de aquisicao de da-dos, codificacao e empacotamento, comunicacao eoutros. E baseado em um microcontrolador comnucleo ARM Cortex-M4, de ponto flutuante queopera em 168 MHz.

2.4 Sensores da Experiencia

Cada uma das placas de sensores do E-MEMS pos-suem quatro sensores: um magnetometro e umacelerometro de tres eixos, um girometro de eixounico e um sensor de temperatura.


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Isoladores e Buffers

MEMÓRIA64 MB

uC – ARMCortex M4

+5.0V (4x)

Alim

en

taçã

o E

xte

rna

+3.6V

LDO

LDO+3.3V

Conversor DC-DC (5.8V)

FILTRO EMI

FILTRO CM-DM

Sistemas de AlimentaçãoConversores DC-DC Filtros

Processamento

+3.3V

Umbilical

Satélite

Circ. Comunicação Externa

Isoladores e Optoacoplador

Circ. de Controle e Sinalização Externa

Isoladores e Buffers

I2C

Circuitos de Interface

Conversores Lineares

LDOS (4x)

LDO

SPI

Co

mu

nic

ação

/ C

on

tro

l Ext

ern

o (

Saté

lite)TMP112

Temp. Sensor

ADIS16265Giro

LIS331HHACC Tri-Axis

HCM5883LMAG Tri-Axis

PLACA DE SENSORES (4x)

Figura 2: Digrama Eletronico reduzido do E-MEMS

Todos os sensores utilizados no sistema pos-suem saıdas digitais, controladas por barramentosI2C ou SPI, de forma a evitar o tratamento de si-nais analogicos. Os sensores da experiencia e suasprincipais caracterısticas sao:

• Girometros de um eixo ADIS16265 da Ana-log Devices, com resolucao de ±0,01832 ◦/sate ±0,07326 ◦/s em 12 bits com fundo deescala configuravel entre ±80 ◦/s ate ±320◦/s, respectivamente, ruıdo de 0,4 ◦/s RMS,consumo em torno de 200 mW e sensor detemperatura interno;

• Acelerometros de tres eixos LIS331HH, daSTMicroeletronics, com resolucao de ±3 mgem 12 bits com fundo de escala configuravelentre ±6 g, ±12 g ou ±24 g e consumo inferiora 1 mW;

• Magnetometros de tres eixos HMC5883L, daHoneywell, com resolucao de ate 0,92 mG em12 bits com fundo de escala em ±1,3 G e con-sumo inferior a 1 mW;

• Sensor de temperatura TMP112, da TexasInstruments, este com a funcao de monitorarsupostos estresses termicos ao qual um dis-positivo pode ser submetido em um ambienteespacial.

2.5 Estimativa de Consumo

Por ser uma carga util de um satelite, todo o pro-jeto eletronico e planejado levando em considera-cao o consumo dos componentes, sendo que o E-MEMS deve possuir consumo inferior a 3 W. Atabela 1 mostra o consumo do projeto atual, que

e o mesmo do modelo de engenharia, apresentadona secao 4.

Tabela 1: Descricao do consumo do E-MEMSDescricao Carga Pot. (mW)

Girometros (4x) 820,0ACC(4x), MAG(4x) eTMP112 (4x)

5,5

Reg. Linear 5V (4x) 135,0Reg. Lineares 3,3V e3,6V (3x)

400,0

Microprocessador eMemoria

373,0

Isoldores, Buffers eOutros

120,0

Subtotal: 1853,5Eficiencia min.DC-DC (%)

0,79

Total: 2346,2

3 Modelo Eletrico

Para viabilizar testes iniciais, validar o esquemaeletrico do E-MEMS, e detectar eventuais errosno projeto, um Modelo Eletrico (ME) de custoinferior ao Modelo de Engenharia foi construıdo,uma vez que este e constituıdo de placas de cir-cuito impresso multi-camadas, mecanica de altocusto para usinagem ou impressao 3D, conectorese outros elementos caros, que resultariam em umprejuızo grande no caso de uma eventual necessi-dade de adequacao e ajuste no projeto.

O projeto do ME e rapidamente discutidoem termos das solucoes referentes a montagem do


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hardware e da mecanica, que visam o maximo desimilaridade geometrica com o E-MEMS e as solu-coes referentes ao Software do sistema, que visamtestes rapidos.

3.1 Hardware e Mecanica ME

O hardware elaborado para o Ambiente Integradoe composto por quatro placas de sensores, ondeestao localizados os sensores MEMS utilizados,uma placa de desenvolvimento MCBSTM32EXL,da empresa Keil, cujo microcontrolador possui nu-cleo ARM Cortex M3, e uma placa intermediariaresponsavel por multiplexar os sinais dos sensorespara o microcontrolador.

A estrutura mecanica foi feita em acrılico,atraves de quatro placas hexagonais cuja monta-gem foi feita no mesmo formato do tetraedro ori-ginal do E-MEMS. Esta topologia de disposicaofornece a mesma redundancia desejada para o E-MEMS.

Todo o sistema foi montado simetricamentepara o posicionamento das placas de sensores, demaneira a proporcionar uma facil conversao paraeixos ortogonais com uma referencia cartesianapreviamente definida, ja discutido anteriormente.A Fig. 3 mostra a montagem final ja pronta.

Figura 3: Modelo Eletrico do E-MEMS

3.2 Sensores e Software do ME

Como o modelo eletrico esta relacionado a ideiade validacao e de testes rapidos, o software desen-volvido nao executa os algoritmos TRIAD e dofiltro de Kalman de maneira embarcada. O sis-tema apenas realiza a coleta de dados e repassaos mesmos a um outro ambiente onde a atitudesera calculada, entretanto, o modelo de coleta dedados e robusto o suficiente para garantir que osdados enviados sejam sincronizados e tambem queo tempo decorrido entre cada envio de dado sejatransmitido, garantindo maior confiabilidade na

propagacao do filtro de Kalman. Estes pontos saodiscutidos adiante na secao 5.1.

Por questoes de custos e disponibilidade, osgirometros e acelerometros utilizados para o MEsao diferente dos previstos para a experiencia. Es-tas sao:

• ADIS16100 da Analog Devices, tendo resolu-cao de ±0,2439 ◦/s em 12 bits com fundo deescala configuravel entre ±300 ◦/s, ruıdo de0,43 ◦/s RMS;

• Acelerometros de tres eixos AIS236DQ, daSTMicroeletronics, com resolucao de ±1 mgem 12 bits com fundo de escala de ±2 g.

4 Modelo de Engenharia

O projeto mecanico foi fabricado atraves de im-pressao 3D em foto-polımero, que se assemelha aum plastico ABS. O resultado foi uma peca comexatidao suficiente para atender os requisitos a umcusto muito inferior do que uma eventual usina-gem em alumınio. O peso da mecanica, sem aspecas de fixacao, e de 0, 33 kg.

As placas de circuito impresso do projeto fo-ram projetadas e fabricadas em multi-camadas,sendo quatro camadas para as placas de sensorese seis para a placa da unidade de processamento.Esta caracterıstica garantiu diversos planos de co-bre para um melhor sinal e uma area total de cobreem torno de 90% para ambas placas, o que resultaem um excelente coeficiente de dissipacao termica.

O modelo de engenharia parcialmente mon-tado e visto na Fig. 4, e o peso do mesmo, jacom os componentes e conectores, sera em tornode 0, 55 kg.

Figura 4: Montagem parcial nao finalizada do Mo-delo de Engenharia do E-MEMS

5 Resultados e Aplicacoes

5.1 Metologia dos Testes

Os resultados apresentados foram obtidos com omodelo eletrico atuando como escravo de um sis-


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tema desenvolvido em Matlab/Simulink. Este am-biente e responsavel por enviar comandos ao MEpara que o mesmo responda com os dados requi-sitados, sendo que o sistema e entao responsavelpelo processamento e execucao dos algoritmos.

Dois testes distintos sao apresentados. Inicial-mente o ME teve seus dados comparados com umdispositivo comercial, a fim de validar os sensoresdo ME e validar o metodo de calibracao empre-gado. Posteriormente, testes foram realizados apartir de um filtro de Kalman estendido.

5.2 Confrontacao entre Modelo Eletrico e AHRSComercial

O desempenho dos magnetometros e acelerome-tros do ME foram avaliados comparando os dadosnao tratados daqueles com os dados nao tratadosdos sensores presentes em um AHRS comercial daINALABS, modelo AHRS M2. O instrumento co-mercial e o modelo eletrico do E-MEMS foram fi-xados em uma estrutura plana de acrılico de formaa garantir ambos os instrumentos seriam solidariosaos movimentos aplicados. Os dados de ambos osinstrumentos foram enviados ao sistema em Simu-link, configurado para processar paralelamente osdados de ambos dispositivos. Manualmente, fo-ram aplicados na montagem movimentos de ro-tacao contınuos e suaves de forma a obter dadosesparsos de posicionamento tridimensional.

Inicialmente, os valores lidos de campo mag-netico e de aceleracao foram utilizados para cali-brar o offset e o fator de escala dos sensores pre-sentes no ME. Apos a calibracao, um novo con-junto de dados experimentais foi obtido e, nestes,foram aplicadas as transformacoes resultantes dacorrecao do offset e do fator de escala dos sensores.O metodo de calibracao empregado e descrito porGranziera Jr., Valdivia., Tosin and Junior (2011).

Atraves das Figs. 5 e 6 e possıvel avaliar odesempenho do procedimento de calibracao. Aprimeira mostra dos dados sem calibracao para ossensores de ambos os instrumentos enquanto a ou-tra o novo conjunto de amostras corrigidas. Nes-tas figuras, as componentes dos sensores sao plo-tadas para cada ponto do posicionamento angulardos instrumentos. E possıvel observar que para osdados corrigidos os pontos plotados tendem a seposicionar sobre a superfıcie de uma esfera, indi-cando que tanto o fator de escala e o offset nasleituras dos sensores foram corrigidos, principal-mente o erro referente ao offset dos magnetome-tros presente no modelo eletrico.

Para cada etapa anterior, as componentes dosquaternions obtidas tambem foram plotadas. AFig. 7 mostra os resultados pre-calibracao en-quanto a Fig. 8 apresenta os quaternions de am-bos dispositivos apos calibracao. Dos resultadose possıvel observar um erro consideravel entre aatitude anterior a calibracao.

Figura 5: Dados dos sensores de ambos dispositi-vos plotados na esfera unitaria, pre-calibracao

Figura 6: Dados dos sensores pos-calibracao

5.3 Testes com o filtro de Kalman estendido

O desempenho dos girometros do sistema e da ge-ometria definidas para o projeto foram avaliadosa partir da juncao dos dados de atitude calculadopelo TRIAD em conjunto com os dados de veloci-dade angular lidos a partir de um filtro de Kalmanestendido (EKF) (Leffers et al., 1982).

O algoritmo e equacionamento proposto parao EKF e o mesmo que pode ser visto no trabalhode Granziera Jr., Kuga and Tosin (2011). Umadescricao detalhada do filtro, como, seus vetoresde estado, o modelo dinamico, o mecanismo e ana-


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Figura 7: Comparacao das componentes dos qua-ternions pre-calibracao

Figura 8: Comparacao das componentes dos qua-ternions pos-calibracao

lise dos erros e covariancias podem ser encontra-dos naquele trabalho. Neste, o foco dos resultadosapresentados na sequencia e comprovar a eficaciano uso do EKF implementado em conjunto como sistema mecatronico desenvolvido. A Fig. 9 re-sume o fluxo de dados no algoritmo. A estimacaode atitude e feita a partir dos dados de atitudee covariancia provindos do TRIAD em conjuntocom os dados propagados a partir das informa-coes lidas dos girometros. O filtro foi submetidoa diversos testes e situacoes, das quais duas saoapresentadas.

( )1( )

1 ( )1

qˆ k

k

k

xb

( )1kP

ABR

ABq }Atitude e

Covariância

proveniente

do TRIADGYRu

GYRR

( )ˆk

b

ˆkω

}Velocidades

Ângulares e

covariância

dos dados

dos Giros

( )( )

( )

qˆ

ˆ

kk

k

xb

( )k

P

+–

Propagador

de Atitude

Estimador

de Atitude e

Bias

( )qk

Figura 9: Filtro de Kalman estendido propostopara o E-MEMS

5.3.1 Comportamento do EKF em Movi-mentos Aleatorios

De modo a verificar a atuacao do EFK, foram apli-cados manualmente no modelo eletrico movimen-tos aleatorios de forma contınua e suave. A Fig.10representa as componentes dos quaternions de ati-tude obtidos para um movimento qualquer. Ja naFig. 11 o mesmo grafico e visto, porem, com focoem um perıodo de tempo menor, escolhido ale-atoriamente. Da analise grafica, e perceptıvel a

atuacao do EFK tornando o sistema e a atitudecalculada mais suave, menos sujeitas aos ruıdospresentes na atitude calculada somente pelo algo-ritmo TRIAD.

Figura 10: Componentes dos quaternions doTRIAD (azul) e do FK(vermelho)

Figura 11: Componentes dos quaternions doTRIAD (azul) e do FK(vermelho) aproximados

5.3.2 Comportamento do EKF em Movi-mentos Acelerados

Neste ultimo teste apresentado o ME foi subme-tido a movimentos bruscos, de forma que a medidado acelerometro fosse apenas a componente gravi-tacional somada a aceleracao imposta ao corpo.Este movimento acelerado causa erros na deter-minacao de atitude pelo TRIAD.

O objetivo e verificar a importancia do pro-cesso de estimacao a partir das informacoes iner-ciais, e como o EKF possui caracterısticas sufici-entes para propagar a atitude no caso de algumafalha temporaria de algum sensor de referencia.Por exemplo, em um sistema espacial pode ocorreruma interferencia magnetica, ou mesmo algo quebloqueie a referencia de um sensor solar, nestassituacoes, tais algoritmos sao capazes de propagarcorretamente a atitude do objeto durante certointervalo de tempo, somente com as informacoesinerciais.

A Fig. 12 mostra as componentes do quater-nion de atitude em uma sequencia de movimen-tos acelerados impostos ao ME, sem que a atitudedo corpo sofresse alteracoes durante todo o teste.Conforme visto, a atitude do TRIAD (azul) passapor diversos momentos de instabilidade, indicandoalteracoes de apontamento que na realidade naoocorreram, enquanto que o EFK mantem a ati-tude sem alteracoes.

Deve-se observar que o EKF nao realizou ne-nhuma atualizacao durante os perıodos de quedalivre, evidenciando tambem a importancia de um


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filtro heurıstico que seja capaz de detectar momen-tos em que os dados dos sensores de referencia,como os acelerometros do ME, perdem sua confi-abilidade, caso contrario existe a possibilidade doEFK divergir.

Figura 12: Componentes dos quaternions doTRIAD (azul) e do FK(vermelho) para movi-mento acelerados

6 Conclusoes

O projeto apresentado neste trabalho e uma so-lucao que segue a tendencia de uso de SensoresMEMS e sistemas de baixo custo para aplicacoesem sistemas espaciais como nano- e pico-satelites.O projeto mecatronico desenvolvido possibilitauma ampla gama de testes em ambientes terres-tre, que em um proximo passo sera utilizado noteste e desempenho de algoritmos de determina-cao de atitude, metodos de calibracao de sensoresinerciais e magnetometros.

Os testes efetuados com o modelo eletrico daexperiencia E-MEMS mostram que o projeto ele-tronico e de hardware, de baixo custo, desenvolvi-dos podem atuar de maneira confiavel no processode determinacao de atitude, desde que exista umaserie de algoritmos (determinacao/estimacao, ca-libracao de sensores, filtros heurısticos, etc.) im-plementados para compensar os diversos fatorespresentes em uma missao espacial, acentuados porser um sistema com sensores MEMS.

Por fim, os sensores utilizados mostraramcomportamento superior ao esperado. Sendo queapenas com a calibracao dos offsets dos magneto-metros, a atitude calculada a partir dos dadosobtidos eram proximos a de um dispositivo co-mercial. Portanto, com a correta aplicacao dosalgoritmos citados anteriormente e com pequenasalteracoes no projeto, como, por exemplo, o acres-cimo de um sensor solar, o sistema podera ser umaalternativa concreta para o processo de determi-nacao de atitude em pequenos satelites.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Agencia Espacial Brasi-leira pelo fomento atraves do edital Uniespaco,tambem a Universidade Estadual de Londrina eao Labsim do Instituto Nacional de Pesquisas Es-paciais (INPE) por ter provido ferramentas queauxiliaram o desenvolvimento deste projeto.

Referencias

Bogue, R. (2007). MEMS sensors: past, presentand future, Sensor Review 27(1): 7–13.

Bonnet, S., Bassompierre, C., Godin, C., Le-secq, S. and Barraud, A. (2009). Cali-bration methods for inertial and magneticsensors, Sensors and Actuators A: Physical156(2): 302 – 311.

Granziera Jr., F., Kuga, H. K. and Tosin, M. C.(2011). Attitude improvement and angularrate estimation using a Kalman filter withmeasurements of four tetrahedrally arrangedlow cost MEMS gyros, 10a DINCON: Con-ferencia Brasileira de Dinamica, Controle eAplicacoes.

Granziera Jr., F., Valdivia., R. H. V., Tosin, M. C.and Junior, O. T. (2011). Self-calibration ofMEMS sensors arranged in triads using Kal-man filter estimator, COBEM: InternationalCongress of Mechanical Engineering.

Leffers, E. J., Markley, F. L. and Shuster, M. D.(1982). Kalman filtering for spacecraft atti-tude estimation, Journal of Guidance, Con-trol, and Dynamics 5(5): 417–429.

Lottersa, J., Schipperb, J., Veltinkc, P., Olthuisd,W. and Bergveldd, P. (1998). Procedure forin-use calibration of triaxial accelerometers inmedical applications, Sensors and ActuatorsA: Physical 68(1-3): 221–228.

Pejsa, A. J. (1974). Optimum skewed re-dundant inertial navigators, AIAA Journal12(7): 899–902.

Rashed, M. I., Lee, D. and Bang, H. (2013).A detailed study on statistical analysis ofMEMS based attitude determination sys-tem for nano-satellites using advanced datasynthesis with compatible sensor combina-tion, 13th International Conference on Con-trol, Automation and System.

Sato, L. H. S., Yamaguti, W. and Fernandes, D.(2011). ITASAT-1: uma proposta de con-tinuidade do sistema brasileiro de coleta dedados ambientais, XV Simposio Brasileiro deSensoriamento Remoto, pp. 9017–9023.

Shuster, M. D. and Oh, S. D. (1981). Three-axis attitude determination from vector ob-servations, Journal of Guidance and Control4(1): 70–77.

Sturza, M. A. (1988). Skewed axis intertial sen-sor geometry for optimal performance, Digi-tal Avionics Systems Conference.


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