Apresentação na disciplina Projeto e Construção de Sistemas Espaciais do curso de Engenharia Espacial do ITA

1. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
CubeSats e
Software
Embarcado
MSc. Christopher S. Cerqueira
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

2. Sistemas
de Controle
Carga Útil
“destacável”*
*deployable
Eletrônicas/Softwares
NanoSats
Visão Geral dos tópicos de Hoje
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

3. Small Sats
Deployable payload
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
http://www.nasa.gov/directorates/spacetech/centennial_challenges/cubequest/awards-
second-round-prizes-in-cube-quest-challenge

4. Origem do Cubesat
▪ Uma das tentativas de
padronização de cargas úteis
▪ Criado em 1999 por Bob Twiggs
– Stanford e California
Polytechnic University
▪ Ideia era ter plataformas off-the-
shelf (comerciais) de partes
comuns
▪ ou desenvolvimento in-house.
http://www.cubesatshop.com/
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

5. Taxonomia por “massa”
Geralmente geoestacionários,
e observação do espaço.
http://www.amsat.org/?page_id=1869
Geralmente militares, científicos,
e observação da terra.
Geralmente científicos, provas
de conceito, e educacionais.
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

6. Small Sats (até 10kgs) – principais padrões:
CubeSats TubeSats
PocketQub CanSat
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

7. Projetos BR
Revista FAPESP
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

8. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Tipos de Missões
▪ Usos típicos:
▪Teste de componentes espaciais
▪Ciência Espacial
▪Motivação para desenvolver novas tecnologias
▪Baixo custo (riscos experimentais)
▪Motivação Educacional para Estudantes (Missões
com endLife de 2 anos)
▪ Extras:
▪Espionagem (Terra / entre satélites)
▪Observação da terra
▪Constelação em Marte
http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2013/Naik_Siddhesh/Cubesats.html
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

9. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Estruturas
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

10. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
AOCS
Sensores Atuadores
Aquajet
ArcJet
Roda de
Reação
Astrofine
Magneto
torquehttps://m.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-030113-141835/unrestricted/2013_ADC_Report_Final.pdf
Magnetômetro
Inerciais
Sensor de
estrelas
Sensor
Solar
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

11. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
OBDH
• Redundância
(cold/hot)
• Barramentos de
dados
• Tipos de Interfaces
• Relógio
• Processamento de
Telecomandos
• Encapsulamento de
telemetrias
• Armazenamento
• Software
• Coleta de dados
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Aqui tem Software
Embarcado

12. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Constelação
▪ Definições:
▪ Constelação: voo de espaçonaves similares sem controle
de posição relativa, controle vindo do solo.
▪ Formação: controle de malha fechada, on-board, para
preservar a topologia.
▪ Enxame: grupo de espaçonaves similares cooperando
para um objetivo comum. Cada membro determina seu
controle relativo em relação aos outros.
▪ Cluster: sistema distribuído de espaçonaves heterogêneas
em cooperação.
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

13. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Business Case
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

14. Downsides: Lixo Espacial
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

15. Downsides:Custo de Lançamento
$40k per cube
http://www.nasa.gov/directorates/heo/home/CubeSats_initiative
~$80k
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

16. Flight Share
http://www.spaceflight.com/wp-content/uploads/2015/05/SPUG-RevF.pdf
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

17. Flight Share – Noção de Preços
$59k/kg
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

18. Software Embarcado
Conceito e motivação

19. Sistemas
de Controle
Carga Útil
“destacável”*
*deployable
Eletrônicas/Softwares
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

20. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
História
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
dt = 70 anos
https://en.wikipedia.org/wiki/ENIAC
ENIAC was announced in 1946
5,000 cycles per second

21. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Software está em um Sistema Computacional
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Processador
Memória
Entradas /
Saídas
lê/armazena instruções/dados
importa/exporta dados
Sensores
Atuadores
Interfaces
Alimentação

22. Qual é o softwarrer mais
crítico?

23. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
AOCS
Computador de
Estimação e Controle
de Atitude e Posição
Perturbações
Plantetas/Luas/Radiação
Arrasto
Magnetismo da
Terra
Translação e
Rotação do
Sistema Solar
Posição das
Estrelas
Formato da
espaçonave
Sensores
Atuadores
Cálculos de
Transferências
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Aqui tem Software
Embarcado

24. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
AOCS
Computador de Bordo de Controle de Atitude e Posição
Modelo das
Perturbações
Modelo dos
Arrastos
Modelo
Geomagnético
Modelo do
Sistema Solar
Carta
Celestial
Modelo do
corpo
Modelo dos
Sensores
Modelo dos
Atuadores
Modelos de
transferências
Sensores
Atuadores
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

25. [Controle]
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Sistema A
Sistema B
-
x(t) y(t)
Sinal de Referência Saída medida

26. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
[Realimentação] Malha Aberta
▪ Sistemas que não tem sensores, ou pontos de realimentação.
▪ Ex.:
▪ máquina de lavar ( quem confere se a roupa está limpa ou não? São presets
estipulados pelos construtores das máquinas ---- dentro podem ter sistemas
realimentados de malha fechada)
▪ Sistema de irrigação.
▪ Usado em sistemas BEM definidos. (temporização, triggers)
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Sistema BSistema A
x(t) y(t)
atuador

27. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
[Realimentação] Malha Fechada
▪ Sistemas com sensores, pontos de observação, e sinais que retroalimentam com
dados para ajuste do funcionamento.
▪ Ex.: controles de torque, movimento, níveis químicos, biológicos, etc..
▪ Usado em sistemas que precisam de ajustes. (sensores, “inteligência”, atuadores)
▪ Exemplo clássico: Controle (mecânico) de velocidade de uma caldeira a vapor.
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Sistema A
Sistema B
-
x(t) y(t)
revolução industrial no século XVIII
sensores
atuador

28. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Sistema Geral de Controle
▪ Dado um modelo do sistema (planta) a ser controlado,
deve-se encontrar um controlador adequado.
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.
Sistema
Controlador
SensoresAtuadores
perturbações
monitores comandos
controles medições
“reais” “reais”
Elementos abstratos  Elementos sistêmicos

29. Microprocessor x Microcontroller x Application Processor
“apenas processa”
Chip dedicado a
uma tarefa
Utilidade genérica.
“solução completa”
Possui processador,
memória e
controladores de
interface.
Foco industrial e
automação
“solução completa”
Possui
processador,
memória e
controladores de
interface
Foco usuário final
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

30. Ex. MICROPEAK ALTIMETER
LED
Interface
MS5607 – Barômetro MEMS
Status
Comunicação
Chave
https://www.apogeerockets.com/Electronics-
Payloads/Altimeters/MicroPeak-Altimeter
Microcontrolador

31. Quão longe está chegando a complexidade dos
sistemas computacionais? (exemplos)
SWARMS Atlas
Google Self-DrivingFalcon9

32. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Testando Softwares
Modelagem do sistema numa linguagem
independente de hardware
Algoritmos codificados na linguagem do
hardware
O código embarcado num hardware
representativo do equipamento real
Código final embarcado no hardware
para controlar o sistema real
Eickhoff (2009)
Teste no
modelo
Teste no
código
Teste nas
interfaces
Teste nas
interfaces
Caixa Branca
Caixa Preta
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

33. Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

34. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Na prática?? No nível do trabalho de vcs:
DataSheet
Documentar
como
funciona!
Procedimento de
Teste
Como vou
verificar que o
que eu tenho
é igual ao que
o DataSheet
diz????
O resultado foi
satisfatório? Os
resultados
bateram??
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

35. WRAP-UP
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

36. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
O que vimos hoje
Disciplina: Projeto e Construção de Sistemas Aeroespaciais – PRJ32.

37. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
O INPE (Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais)
18:09cscerqueira.com.br

38. Mission Simulation Lab
HICEE
Mission Simulation Lab
HICEE
Academicamente
http://www.inpe.br/ci/
18:09cscerqueira.com.br
▪ 7 Pós-Graduações:
▪ Astrofísica
▪ Engenharia e Tecnologia Espaciais
▪ Mecânica Espacial e Controle
▪ Combustão e Propulsão
▪ Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
▪Engenharia e Gerenciamento de Sistemas
Espaciais
▪ Geofísica Espacial
▪ Computação Aplicada
▪ Meteorologia
▪ Sensoriamento Remoto
▪ Ciência do Sistema Terrestre

39. 18:09cscerqueira.com.br 39