Conference Presentations by Valdemir Carrara
Papers by Valdemir Carrara
Abstract This work aims to design, to implement and to control an air bearing platform by means ... more Abstract This work aims to design, to implement and to control an air bearing platform by means of compressed air jets in order to simulate the attitude control of satellites using gas jet actuators. To simulate the space environment, the control system was implemented in an aerostatic bearing platform, which allows simulating an environment of low friction, similar to that found in the satellite orbits. This paper describes the design procedures, the requirements, the aerostatic platform, the control and communication scheme, the static balancing, the mathematical modeling, as well as discusses about simulations performed using bang-bang type control. This project aims to achieve an experimental environment in which various control laws based on gas jets and using various sensors can be tested, both to serve as a prototype to a real embedded system as to trial new control techniques besides academic use.
Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um braço robótico articulado com dois graus de liberdade, d... more Resumo: Neste trabalho desenvolveu-se um braço robótico articulado com dois graus de liberdade, de estrutura centralizada, com o objetivo de informar os conceitos e mostrar, didaticamente, as características que compõem um braço robótico. Na extremidade do braço foi adaptada uma caneta posicionada verticalmente com o propósito de escrever palavras em letras de fôrma com dimensões e ângulos variados. A estrutura física foi feita com material leve e suas juntas acionadas por motores de passos, com uma bobina eletromagnética para movimentar a caneta para cima e para baixo.Foi também desenvolvido um programa de controle contendo as equações da cinemática inversa e das transformações de translação, de escala e de rotação com o intuito de orientar o braço robótico a escrever a palavra no plano bidimensional. Para validar as equações e o algoritmo utilizou-se, primeiro, o Matlab, no qual gerou-se um gráfico que mostra o desenho de uma palavra e a representação de um braço em vários estágios na escrita. Em seguida implementou-se o código do Matlab em linguagem C. Os resultados obtidos na execução do processo de escrita do braço robótico foram satisfatórios, compatíveis com a precisão e resolução dos motores.
The free molecular theory of rarefied gas dynamics and simple radiation theory are used to calcul... more The free molecular theory of rarefied gas dynamics and simple radiation theory are used to calculate the forces and torques on the proposed first Brazilian satellite. The direct solar radiation, albedo and Earth emitted radiation are taken into account. The variation of these forces with the pertinent parameters as well as their orbital variations are discussed.
Resumo-Este trabalho apresenta um roteiro de cálculo e projeto para desenvolvimento de bobinas co... more Resumo-Este trabalho apresenta um roteiro de cálculo e projeto para desenvolvimento de bobinas com núcleo de material ferromagnético para uso em satélites. O equacionamento visa obter um projeto otimizado, levando a uma solução de redução do consumo de energia e com massa reduzida. Foi desenvolvido um programa em Basic para auxílio ao projeto preliminar deste tipo de bobina. Este programa foi utilizado no projeto de numa bobina de 10 Am 2 com núcleo de material ferromagnético. O projeto do núcleo também é apresentado neste trabalho.
The main objective of this work, which was started in February of the year 2006, is to create and... more The main objective of this work, which was started in February of the year 2006, is to create and develop algorithms to define space coordinates of an object, based on the processing of stereoscopic two-dimensional coordinates obtained from images (photographs) in different angles of a scene in order to permit – using the obtained points – the three-dimensional construction of this same object. The processing of coordinates consists in the minimization of the error between the projections of the possible solutions of the space coordinates, obtained by user input, and their respective image coordinates. In order to determine and minimize the error and its variation with respect to the transformation parameters, the algorithm applies linear transformations, such as rotation, scaling and translation like in stereoscopic calculations, in order to try and find the difference between the different points of view of the scene. The algorithm is being developed in C++ language, allowing a po...
The spacial missions will have a high automati-zation level, making the pointing precision growin... more The spacial missions will have a high automati-zation level, making the pointing precision growing up. The control system trust will be very important. It is possible to see that the tests will have more hardware into de software mesh, so the process starts from a control system complete simulation and, slowly, the on board computer and sensors will be added, using the real system parts, and simulating at a computer only what is necessary.
The main objective of this work is to develop algorithms to reconstruct, in a 3D graphic environm... more The main objective of this work is to develop algorithms to reconstruct, in a 3D graphic environment, the urban buildings based on high-resolution aerial images taken from satellites or airborne cameras. The image will also serve as a graphical texture to compose the virtual environment. Building dimensions, mainly height, will be calculated based on points in the image, previously selected by a pointer device (mouse). The texture image will be processed in order to correct for intensity due to Sun’s elevation angle, to eliminate or reduce the building shadow on ground, and to erase as much as possible the parallax, i. e., the projection of the building sides in the ground texture. The algorithm will be programmed in C or C++, and OpenGl will be employed to visualize the reconstructed buildings.
Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences
The Data Collecting Satellites (SCD) were developed and integrated at INPE, Brazil, with the aim ... more The Data Collecting Satellites (SCD) were developed and integrated at INPE, Brazil, with the aim of retransmitting meteorological data collected by automatic platforms spread over the country. The specified orbit for SCD1 and SCD2 are circular at 750 km altitude and 25 deg inclination. SCD1 was launched in February 1993 by the Pegasus launcher (OSC). Both are spin stabilized, with magnetic attitude control coils. The angular velocity of the SCD2 spacecraft will be controlled by a spin plane magnetic coil, commanded by an on-board magnetometer. Pages: 83-88
Revista Signos
Este trabalho apresenta o projeto e a construção de um robô manipulador do tipo cartesiano de trê... more Este trabalho apresenta o projeto e a construção de um robô manipulador do tipo cartesiano de três graus de liberdade e um órgão terminal, controlado por computador. No computador é implementada uma estratégia de controle por meio de micro switch, linguagem de programação C e comunicação através da porta paralela a qual permite a ação sobre os motores de passo fazendo a movimentação do robô. São apresentadas a fundamentação teórica, a metodologia adotada e as fases do projeto. Ao final são discutidos os resultados obtidos, abordando os aspectos didáticos e de aplicação do sistema desenvolvido.
Journal of Aerospace Technology and Management, 2015
Although boomerangs are known since more than 10000 years, the study of its explanation is quite ... more Although boomerangs are known since more than 10000 years, the study of its explanation is quite recent. The objective of this work is to detail step by step how to get an algorithm which allows to simply compute the boomerang trajectory and attitude. In the literature, most of the time, a four wings boomerang is studied because of the simplification its symmetry induce. In this work, the "classic" two wings boomerang is studied. As the objective it to obtain an algorithm which can be used for numerical calculation, the mathematical development is done using the concept of vectrix, the matrix representation of vectors. To avoid numerical errors the attitude in terms of Euler angles will be integrated using the quaternions theory, exactly the same way it is done to calculate satellite attitude.
This article presents an implementation of a control system implemented on one axis Air Bearing T... more This article presents an implementation of a control system implemented on one axis Air Bearing Table. It has been executed at the Laboratory of Simulation of the Space Mechanics and Control Division - DMC of INPE. The work presents a list of all the equipments used in the experiment and their characteristics, the developed models for the gyroscope and the reaction wheel, the measured momentum of inertia of the air table, a linear mathematical model of its dynamics and some tests of a closed loop control system using all the above listed equipments. The results were compatible with sensor accuracy, reaching 0.01 o /s error in the angular velocity and 0.7 o in angular position.
Resumo: Mancais aerostáticos têm sido utilizados para testes de sistemas de controle de atitude d... more Resumo: Mancais aerostáticos têm sido utilizados para testes de sistemas de controle de atitude de satélites e para a verificação do software e da eletrônica embarcada há mais de 50 anos. Para a validação do ambiente de simulação do sistema de controle de atitude, é necessário o conhecimento acurado das características de massa do conjunto: momentos de inércia e centro de gravidade. A caracterização destas propriedades é muito importante, uma vez que um desalinhamento entre este centro e o centro de rotação do mancal provoca torques indesejados na mesa, que podem ser superiores às perturbações normalmente encontradas no ambiente espacial. Nesse artigo, é proposto um método para estimação das características de massa (matriz de inércia e posição do centro de gravidade) de uma mesa aerostática com três graus de liberdade. O método utiliza medidas de velocidades angulares provenientes de um sensor inercial, fixo ao corpo, e é capaz de estimar a atitude, momentos de inércia e centro de gravidade do conjunto. O algoritmo é baseado na dinâmica não-linear do movimento de atitude de um corpo rígido em conjunto com técnicas não-lineares de estimação.
Within the motto smaller, cheaper and better, several nations can have now easy access to space, ... more Within the motto smaller, cheaper and better, several nations can have now easy access to space, both buying or developing their own satellites. In fact, the number of small companies and even universities that make business selling space platforms weighting less than 100 kg, including payload, increases each day. If in the past small satellites mean also low power, low pointing accuracy, low price and therefore low reliability, today it is no longer valid. Some low cost satellites have 3 axis attitude control systems with high degree of pointing accuracy, like FedSat, CHIPSat and MOST. The pointing requirements for MOST (Canada's space telescope) are 25 arc-seconds in the telescope focal plane. The once expensive 3 axis attitude control system, based on gyros, star tracker and reactions wheels is now affordable for micro-satellites, giving both reliability and pointing accuracy for scientific and technological satellites. The attitude and control subsystem (ACS) acts on the reaction wheels in response to attitude errors provided by star tracker and gyros. Reactions wheels are simple brushless DC motor, coupled to a high inertia wheel. They provide torques over wide magnitude range, from micro Newton-meter up to hundreds of mili-Newtonmeter. Normally they are operated in "speed control mode" in which an internal closed loop control adjusts the motor current in order to achieve a commanded angular rate. Although reaction wheels can also operate in "current mode", the non-linear bearing friction, mainly in low speed rates, causes attitude deviation whenever the wheel changes its rotation sense. By the other hand, speed control mode introduces some time lack due to the internal control loop. This work aims to model the non-linear friction of the wheel, and to compensate it in the attitude control loop based in current mode. The reaction wheel and gyro are assembled in a one-axis air-bearing table, which provides micro friction similar to those encountered in space. Furthermore, both control modes, speed and current, shall be compared. The results proved to be helpful in deciding which strategy shall be used in future micro-satellite missions.
Resumo: Neste trabalho apresenta-se um método para estimação de parâmetros de motores CC sem esco... more Resumo: Neste trabalho apresenta-se um método para estimação de parâmetros de motores CC sem escovas, para utilização no projeto de uma roda de reação de uso espacial. Embora circuitos eletrônicos micro-processados para controle de motores CC estejam disponíveis no mercado, em geral estes visam aplicações nas quais a variação na velocidade de rotação é pequena. Uma roda de reação, ao contrário, necessita operar tanto em baixas quanto em altas rotações, e a estabilidade do controle na partida e parada do motor é crítica ao desempenho da roda, principalmente quando se considera que o tempo de aceleração pode exceder alguns minutos, pois o torque é geralmente pequeno. Justifica-se, assim, a modelagem e a identificação dos parâmetros de motores CC para aplicação em rodas, de forma a fornecer informações que permitam projetar o controlador e aumentar seu desempenho. Palavras-chave: filtro de Kalman, motor DC, motor sem escovas, estimação de parâmetros
Resumo:. Dentre os diversos dispositivos atuadores utilizados no controle de atitude de um satéli... more Resumo:. Dentre os diversos dispositivos atuadores utilizados no controle de atitude de um satélite artificial, é comum a utilização de rodas de reação por tratar-se de um atuador de alto desempenho e precisão. Dada a importância desse atuador, sobretudo no que se refere a modelagem dos atritos em seus mancais cuja natureza é não linear, o presente artigo mostra o desenvolvimento de um modelo para rodas de reação, baseado em observações e estimativas obtidas através de ensaios com uma roda real utilizando-se a técnica da filtragem de Kalman. O modelo de atrito proposto incorpora atritos de várias origens. Os resultados mostram que o modelo ajusta-se bem ao comportamento da roda de reação nos experimentos realizados. Conforme esperado, em velocidades baixas, devido ao nível de ruído nas medidas de velocidade, o modelo tem desempenho inferior.
Abstract This work aims to design, to implement and to control an air bearing platform by means ... more Abstract This work aims to design, to implement and to control an air bearing platform by means of compressed air jets in order to simulate the attitude control of satellites using gas jet actuators. To simulate the space environment, the control system was implemented in an aerostatic bearing platform, which allows simulating an environment of low friction, similar to that found in the satellite orbits. This paper describes the design procedures, the requirements, the aerostatic platform, the control and communication scheme, the static balancing, the mathematical modeling, as well as discusses about simulations performed using bang-bang type control. This project aims to achieve an experimental environment in which various control laws based on gas jets and using various sensors can be tested, both to serve as a prototype to a real embedded system as to trial new control techniques besides academic use.
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