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Dynamics and control of aerospace vehicles

01SRGMT

A.A. 2020/21

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 laboratorio 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 9 0 2
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/03 6 B - Caratterizzanti Ingegneria aerospaziale ed astronautica
2020/21
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). Introduzione alle manovre di avvicinamento e aggancio in orbita (manovre orbitali, volo di prossimità, rendezvous and docking): sistemi di riferimento e parametri orbitali 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. 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). 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 manovre di avvicinamento e aggancio in orbita (manovre orbitali, volo di prossimità, rendezvous and docking). Analisi delle tipologie di manovre e algoritmi di guida. Le tipologie di attuatori. Analisi dei componenti di un simulatore orbitale. Introduzione al problema della determinazione di posizione e assetto: sensori e algoritmi. I sistemi sperimentali e i simulatori industriali software e hardware-in-the-loop. Limiti di validità del corpo rigido come modello per i veicoli spaziali: satellite "flessibile" e bracci robotici.
Examples of maneuvers and spacecraft, including reference missions (definition of the technical context). Introduction to proximity operations and space maneuvers (orbital maneuvers, proximity flight, rendezvous and docking): reference frames and orbital parameters Review of rigid body dynamics: representation of the attitude (Euler angles and quaternions). Euler's equation. Hill equations for circular orbit in inertial and local reference systems. Free dynamics of rotating bodies (spin) in the absence of external torques. The space environment and its effects on the dynamics of position and attitude. External Forces and torques. The problem of the attitude motion stability and its control (active and passive stabilization, dual-spin satellites, effects of dissipation, stabilization in orbit). Basic concepts of control algorithms (definition of open and closed loop, time response analysis). Review of control algorithms and their implementation (hardware and software), starting from classical (robust) control laws to variable structure control laws (sliding mode control). Space maneuvers (orbital maneuvers, proximity flight, rendezvous and docking): analysis of the possible maneuvers and guidance algorithms. Actuator systems. Analysis of the elements of an orbital simulator. Introduction to the problem of position and attitude determination: sensors and algorithms. Experimental systems and industrial software and hardware-in-the-loop simulators. Validity limits of the rigid body dynamics as a model for spacecraft: "flexible" satellite and robotic arms.
La materia, visto il suo aspetto pratico ed applicativo, si presta allo svolgimento di esercizi per gli argomenti trattati, in modo particolare per lo sviluppo di un simulatore orbitale. 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 a design of an orbital simulator. 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; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale individuale;
Il superamento dell’esame prevede quanto segue: • Preparazione di una relazione relativa alle esercitazioni svolte durante il corso (4 punti) e relativa al progetto di un simulatore orbitale per le manovre di rendezvous e docking (6 punti). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO almeno due giorni prima dell’appello previsto per l’elaborato scritto. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 10/30). Il software potrà essere sviluppato in gruppi di 3-4 persone, ma il report dovrà essere individuale. • Utilizzando la piattaforma Respondus e Lockdown Browser, l’elaborato, della durata di un’ora, viene condotto senza l’aiuto di appunti o libri, ed è composto da 6 quesiti a risposta chiusa del tipo a scelta multipla e due domande aperte. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 16/30). • Vi sarà inoltre un orale in cui verranno discussi sia gli argomenti del corso sia le domande dello scritto. La discussione delle esercitazioni contribuisce alla valutazione finale (max 6/30). L’esame orale è obbligatorio anche se la somma dell’elaborato scritto e della relazione fosse superiore a 18/30. Per accedere all’esame orale, lo studente dovrà conseguire almeno 10/16 dell’elaborato scritto.
Exam: Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project;
In order to pass the exam, the following steps are required: • A report including: (1) the exercises carried out during the course (4 points) and (2) the description and results of a design of an orbital simulator for rendezvous and docking maneuvers (6 points). This document must be sent COMPLETE at least two days before the date of the written exam. The evaluation of this report will be individual (max 10/30). The software can be developed in groups of 3-4 people, but the report must be individual. • By using Respondus and Lockdown Browser, a written exam (duration: one hour) is performed without notes, books, remarks. It will be composed by 6 multiple-choice questions and 2 open questions. The evaluation will be individual (max 16/30). • An oral exam is also required, in which topics of the course and of the written exam will be discussed. The exercises (included in the report) should be discussed during the oral exam (max 6/30). The oral exam is mandatory, even when the evaluation of the written exam and of the report is more than 18/30. For the access to the oral exam, the student has to achieve at least 10/16 of the written exam.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Prova scritta a risposta aperta o chiusa tramite PC con l'utilizzo della piattaforma di ateneo Exam integrata con strumenti di proctoring (Respondus); Elaborato progettuale individuale;
Il superamento dell’esame prevede quanto segue: • Preparazione di una relazione relativa alle esercitazioni svolte durante il corso (4 punti) e relativa al progetto di un simulatore orbitale per le manovre di rendezvous e docking (6 punti). Questo documento dovrà essere consegnato COMPLETO almeno due giorni prima dell’appello previsto per l’elaborato scritto. La valutazione del risultato prodotto sarà individuale (max 10/30). Il software potrà essere sviluppato in gruppi di 3-4 persone, ma il report dovrà essere individuale. • La valutazione della parte teorica del corso è suddivisa in due parti: (1) un elaborato scritto(in aula) in cui verranno poste 6 domande: 2 di carattere descrittivo ampio (tipo componimento) e 4 di carattere teorico (max 16/30) (durata: 2 ore), (2) un orale in cui verranno discussi sia gli argomenti del corso sia le domande dello scritto. La discussione delle esercitazioni contribuisce alla valutazione finale (max 6/30). L'ausilio di appunti, libri, note e report non è consentito. L’esame orale è obbligatorio anche se la somma dell’elaborato scritto e della relazione fosse superiore a 18/30. Per accedere all’esame orale, lo studente dovrà conseguire almeno 10/16 dell’elaborato scritto.
Exam: Written test; Compulsory oral exam; Computer-based written test with open-ended questions or multiple-choice questions using the Exam platform and proctoring tools (Respondus); Individual project;
In order to pass the exam, the following steps are required: • A report including: (1) the exercises carried out during the course (4 points) and (2) the description and results of a design of an orbital simulator for rendezvous and docking maneuvers (6 points). This document must be sent COMPLETE at least two days before the date of the written exam. The evaluation of this report will be individual (max 10/30). The software can be developed in groups of 3-4 people, but the report must be individual. • The evaluation of the theoretical part is divided in two parts: (1) a written exam of two hours, that will include 6 questions: 2 questions about general topic and 4 questions more related on the mathematics, assumptions and theoretical topics (max 16/30), (2) an oral exam, in which topics of the course and of the written exam will be discussed. The exercises (included in the report) should be discussed during the oral exam (max 6/30). The oral exam is mandatory, even when the evaluation of the written exam and of the report is more than 18/30. For the access to the oral exam, the student has to achieve at least 10/16 of the written exam.


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