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Dynamics and control of aerospace vehicles

01SRGMT

A.A. 2019/20

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Aerospace Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 49.5
Esercitazioni in aula 10.5
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Capello Elisa   Ricercatore a tempo det. L.240/10 art.24-B ING-IND/03 39 0 0 0 2
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/03 6 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
2019/20
L’obiettivo del corso è quello di sfruttare le competenze maturate dagli allievi nei corsi di base del primo anno della Laurea Magistrale per sviluppare lo studio della dinamica e del controllo di assetto e traiettoria di satelliti e veicoli spaziali autonomi e semi-autonomi. Si affronteranno i problemi relativi alla modellazione e al controllo, introducendo inoltre gli strumenti matematici necessari per affrontare e risolvere i problemi oggetto di analisi. Rientra tra gli scopi del corso lo studio delle manovre orbitali, del volo di prossimità e delle manovre di rendezvous e docking.
The main objective of the course is to study and design the dynamics and control of attitude and trajectory of autonomous and semi-autonomous space vehicles, starting from the skills acquired by the students with the courses of the Master's Degree. The problems related to modeling and control will be addressed, introducing the mathematical tools required to design and solve the problems under analysis. The study of orbital maneuvers, proximity flight and rendezvous and docking maneuvers is part of the course objectives.
Capacità di utilizzare strumenti matematici al fine di modellare e controllare sistemi spaziali anche complessi, comprendendo problemi di determinazione e controllo del volo. Gli studenti dovrebbero inoltre acquisire la capacità di simulare manovre di rendezvous e docking utilizzando strumenti di progettazione normalmente utilizzati in ambiente industriale (Matlab, Simulink).
Ability to use mathematical tools in order to model and control even complex space systems, including determination and control problems. Students should also acquire the ability to simulate rendezvous and docking maneuvers using design tools, normally used in industrial environments (Matlab, Simulink).
Lo studente deve avere le conoscenze fornite dai corsi di Meccanica del volo e Meccanica del volo spaziale. Inoltre, deve avere delle conoscenze base di informatica, geometria e programmazione.
The student should have the knowledge provided by the courses in Flight Mechanics and Space Flight Mechanics. Furthermore, he/she should have basic knowledges of computer science, geometry and programming.
Richiami storici, esempi e tipologie di veicoli e missioni di riferimento (definizione del contesto tecnico). Richiami di dinamica del corpo rigido: rappresentazione dell’assetto (angoli di Eulero e quaternioni). Equazione di Eulero e sua versione generalizzata. Equazioni di Hill per orbita circolare in sistemi di riferimento inerziali e locali. Dinamica libera di corpi in rotazione (spin) in assenza di coppie esterne. Limiti di validità del corpo rigido come modello per i veicoli spaziali. L’ambiente spaziale e i suoi effetti sulla dinamica di posizione e di assetto. Forze e coppie di disturbo. Il problema della stabilità dei moti di assetto e del loro controllo (stabilizzazione attiva e passiva, satelliti dual-spin, effetti della dissipazione, stabilizzazione in orbita). Introduzione al problema della determinazione di posizione e assetto: sensori e algoritmi. Le tecniche di controllo di assetto. Richiamo di concetti di controllo di base (definizione di open and closed loop, analisi della risposta nel tempo). Rassegna degli algoritmi di controllo e loro implementazione (hardware e software), partendo da leggi di controllo classiche (robuste) fino a leggi di controllo a struttura variabile (sliding mode control). Le tipologie di attuatori. Le manovre di avvicinamento e aggancio in orbita (manovre orbitali, volo di prossimità, rendezvous and docking). I sistemi sperimentali e i simulatori industriali software e hardware-in-the-loop.
Historical maneuvers and spacecraft, reference missions (definition of the technical context). Fundamentals of dynamics of the rigid body: representation of the attitude (Euler angles and quaternions). Euler equation and its generalized version. Hill equations for circular orbit in inertial and local reference systems. Free dynamics of rotating bodies (spin) in the absence of external torque. Limitations of validity of the rigid body as a model for spacecraft. The space environment and its effects on position and attitude dynamics. Disturbing forces and torques. The problem of stability of attitude motions and their control (active and passive stabilization, dual-spin satellites, dissipation effects, stabilization in orbit). Introduction to the problem of position and attitude determination: sensors and algorithms. The attitude control techniques. Recall of basic control concepts (definition of open and closed loop, analysis of the response over time). Review of control algorithms and their implementation (hardware and software), starting from classical (robust) control laws to control laws with variable structure (sliding mode control). Description of actuators. Approaching and docking maneuvers in orbit (orbital maneuvers, proximity flight, rendezvous and docking). Experimental systems and industrial software and hardware-in-the-loop simulators.
La materia, visto il suo aspetto pratico ed applicativo, si presta allo svolgimento di esercizi per gli argomenti trattati, in modo particolare per la fase di controllo di assetto. Le esercitazioni occuperanno quindi una parte del corso. Inoltre, una breve introduzione ai controlli automatici in generale verrà fornita nella prima parte del corso, in modo da fornire una conoscenza di base sull’argomento a tutti gli studenti.
Due to its practical and applicative aspects, some exercises will be performed, focusing on attitude control. The exercises will be partially performed during classes. Furthermore, a brief introduction to automatic controls will be provided in the first part of the course, in order to provide a basic knowledge of the topic to all students.
Dispense del Prof. Avanzini "Spacecraft Attitude Dynamics and Control". De Ruiter et.al., "Spacecraft Dynamics and Control: An Introduction", Wiley, 2013. Fehse, "Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft", Cambridge Aerospace Series, 2003. Markeley et.al., "Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control", Springer, 2014.
Notes of Prof. Avanzini "Spacecraft Attitude Dynamics and Control". De Ruiter et.al., "Spacecraft Dynamics and Control: An Introduction", Wiley, 2013. Fehse, "Automated Rendezvous and Docking of Spacecraft", Cambridge Aerospace Series, 2003. Markeley et.al., "Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control", Springer, 2014.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Progetto individuale;
Il superamento dell’esame prevede quanto segue: • Preparazione di una relazione relativa al progetto di un controllore di assetto per le manovre di rendezvous e docking. Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO almeno due giorni prima dell’appello selezionato. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 8/30). • La valutazione consiste in un tradizionale esame orale durante il quale verranno poste al candidato tre domande per le quali può essere richiesto anche lo svolgimento di brevi calcoli. La discussione delle esercitazioni contribuiscono alla valutazione finale (max 24/30).
Exam: Compulsory oral exam; Individual project;
Passing the exam involves the following steps: • Preparation of a report related to the design of an attitude controller for rendezvous and docking maneuvers. This document must be delivered at least two days before the date of the exam. The evaluation of this report will be individual (max 8/30). • The evaluation consists of an oral exam during which three questions will be asked to the candidate, in which short calculations may also be required. The discussion of the exercises contributes to the final evaluation (max 24/30).


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