Case History Skyward-Tecnometal

Case History Skyward-Tecnometal Campagna di test del "Death Stack" in preparazione ad EuRoC 2021

1. Obiettivi e linee guida

Nel periodo tra il 19 aprile e gli ultimi giorni di maggio si sono svolti, all’inter- no degli spazi del Politecnico di Milano riservati a Skyward, i test finalizzati a verificare il corretto funzionamento del sistema elettronico realizzato grazie al contributo di TECNOMETAL srl MI ,responsabile del controllo del missile in tutte le fasi di volo. Missile che si troverà a volare in un contesto a noi nuovo: la competizione europea di missilistica studentesca EUROC2021 che si terrà a Ponte De Sor, in Portogallo, dal 11 al 17 ottobre. Vista la portata dell’obiettivo, è stato chiara fin da subito l’importanza di organizzare ed eseguire una campagna di test quanto più completa e dettagliata possibile, in modo da portare al minimo la possibilità di fallimento della missione. A tal proposito, i vari test sono stati suddivisi in categorie, ordinate secondo una gerarchia compatibile con lo schema logico che descrive la classica catena di elaborazione dati.

Figura 1: Catena di elaborazione dati.

1. Descrizione e esiti dei test

Prima Categoria

Il test del sistema di distribuzione di potenza è iniziato dalla scheda di po- tenza, contente il convertitore SEPIC che fornisce 5V a tutte le altre schede. Per precauzione, alla prima accensione la scheda è stata alimentata tramite alimentatore regolato in corrente. In uscita è stato collegato un carico da 20 ohm per simulare la corrente richiesta dal resto dello stack.

Il SEPIC erogava correttamente 5V, ma in uscita dal filtro pi greco risul- tavano 4.6V. La causa di ciò era l’induttore del filtro pigreco, avente una resistenza serie troppo alta. L’induttore è stato in seguito sostituito da una resistenza da 0 ohm e ciò ha risolto il problema.

Montate le altre schede, sono state misurate le tensioni di uscita dei vari LDO, tutte pari a 3.3V.

Seconda Categoria

I test eseguiti sul microcontrollore sono stati un successo fin da subito. Il salto di qualità per quanto riguarda le saldature si è fatto sentire rispetto agli anni scorsi, dando una grossa spinta a tutta la campagna di test. Le varie periferiche, testate o tramite visualizzazione su monitor seriale o tramite logic analyzer, sono le seguenti:

• GPIO;

• Timer / pwm;

• RAM test;

• USB (serial ftdi);

• CanBus;

• SPI;

• UART;

• Oscillatore: frequenza e controllo stabilità, uso oscillatore esterno.

Figura 2: Test SPI: il numero scritto sul bus (0x19) è lo stesso rilevato dal logic analyzer. Si vedono clock, chip select e MOSI dal’alto verso il basso.

1. Terza Categoria

Sensoristica

La sensoristica di bordo può essere divisa in sensoristica digitale e analogica. La prima,che comprende il sensore di pressione usato per l’apogee detection algorithm e le IMU, non ha presentato problemi hardware in fase di test, eseguiti tramite visualizzazione dei dati rilevati su monitor seriale . La se- conda invece si è rivelata risentire del problema legato alla resistenza serie dell’induttore del filtro pi greco sulla scheda di power: in corrispondenza di picchi di richiesta di corrente da parte del microcontrollore, si osservavano delle brusche cadute in uscita dai sensori analogici, dovute alla caduta delle loro tensioni di alimentazioni provenienti dal SEPIC. Rimuovere l’induttore dal filtro pi greco ha risolto anche questo problema. L’assenza di filtraggio non ha comunque peggiorato visibilmente il rumore dell’alimentazione.

Figura 3: Output del barometro digitale. Come si vede, le oscillazioni sono minime. (pressione espressa in pascal)

Drivers

In questo test si è verificato che i regolatori lineari dedicati ai servomotori e i mezzi ponti H dedicati al sistema di deployment dei paracaduti funzio- nassero correttamente. Ci siamo assicurati che l’uscita dei regolatori fosse esattamente 5V e che i mezzi ponti, alimentati a 12V , dassero in uscita VoutD 12V , dove D è il duty cycle del segnale PWM in ingresso. Non ci sono state criticità.

Telemetria

Il test è stato eseguito usando un ulteriore modulo XBEE, uguale a quello di bordo, per ricevere i dati durante i test di trasmissione e trasmetterli durante i test di ricezione. Questo secondo modulo è stato collegato a una scheda Discovery programmata in modo da estrarre e fornire tutte le informazioni ri- levanti, come potenza del segnale e pacchetti persi. Sia il test di trasmissione che quello di ricezione non hanno presentato difficoltà hardware.

1. Quarta Categoria

Espulsione primaria

Il sistema di espulsione primario è composto da un sistema meccanico che permette lo stappo di due bombolette di CO2 in seguito alla rotazione di un braccetto metallico azionata dal servomotore. E’ presente un sensore ottico disposto in modo da segnalare il movimento corretto del braccetto, che ci permette di sapere se l’espulsione è stata attivata o meno. Tutto ha funzionato secondo i piani: il servomotore è abbastanza potente da azionare il meccanismo e l’elettronica è in grado di erogare la corrente necessaria.

Thermal cutters

Sono due i paracaduti che si occupano di frenare il missile durante la sua discesa. Il primo (Drogue) si apre all’apogeo e si stacca dal missile a una certa altezza, lasciando spazio all’apertura paracadute più grande (Main). Il processo di rilascio del drogue è permesso dai thermal cutter, dei filamenti di NiCr che scaldati tramite passaggio di corrente tagliano la corda di sostegno e permettono al paracadute di liberarsi dal missile. Erogare la corrente necessaria è compito dei mezzi ponti H, i quali applicano ai capi dei cutter una tensione pari a D*12V, dove D è il duty cycle del PWM di ingresso e 12V è la tensione della batteria LiPo. I test sono stati soddisfacenti, abbiamo potuto trovare abbastanza agevolmente il duty cycle necessario a tagliare la corda nel tempo richiesto ( 2-3 secondi).

Figura 4: Questo è un estratto del report del test. Sono stati fatti anche più test usando lo stesso filamento in modo da verificarne la tenuta, ottenendo ottimi risultati

1. Aerofreni

Gli aerofreni hanno il compito di frenare il missile in modo che si avvicini più possibile all’apogeo target di 3000m. Per fare ciò sono azionati da un algoritmo di controllo che regola l’azione frenante in base all’altezza e alla velocità del missile. Per simularne il funzionamento si è ricorso alla tecnica del ”hardware in the loop”: il microcontrollore comunica costantemente con un simulatore di volo, il quale, durante la simulazione, gli fornisce i dati che altrimenti riceverebbe dai sensori di bordo. In questo modo è possibile osservare il comportamento dell’algoritmo di controllo nelle condizioni più realistiche possibili. Dopo svariati test e aggiustamenti del codice, siamo giunti ad ottenere dei profili di apertura piuttosto in linea con le previsioni.

1. Test in galleria del vento

Altra novità di questo missile è la presenza di un tubo di pitot, realizzato da Skyward, per la misura della pressione differenziale dovuta al moto del missile. Le due uscite del tubo di pitot (presa statica e presa totale) vanno in ingresso ad un sensore analogico differenziale, la cui uscita è proporzio- nale alla pressione differenziale cercata. Grazie alla disponibilità fornitaci dal Politecnico di Milano abbiamo potuto usufrire della galleria del vento dell’ateneo e verificare il funzionamento del sistema, cosa che non sarebbe stata altrimenti possibile. La pressione dinamica misurata è stata usata per ricavare la velocità dell’aria in galleria, che è nota. I risultati ottenuti sono soddisfacenti, in quanto la velocità stimata differisce di circa 1 m/s da quella reale.

Figura 6: Razzo in galleria del vento.

Milano, lì

9 agosto 2021