Desarrollo y puesta en marcha de la electrónica de alimentación y el software de control de un equipo de pruebas para ensayar el mecanismo de una aplicación espacial

Abstract

Se va a tratar el desarrollo del trabajo de fin de grado de nombre "Puesta en marcha de la electrónica de alimentación y desarrollo del software de control de un equipo de pruebas para una aplicación espacial". Este proyecto fue desarrollado en el departamento de espacio de la empresa española SENER, Ingeniería y sistemas, entre los meses de Febrero y Noviembre de 2016. Como su nombre indica, el desarrollo técnico del trabajo está dividido en dos etapas principales. La primera de ellas consiste en el desarrollo del software de control de un equipo de pruebas, que deberá realizar los test de verificación de un subsistema espacial. La segunda, consiste en el montaje y la puesta en marcha del propio equipo de pruebas, que deberá quedar a punto para realizar las pruebas del subsistema espacial. La aplicación espacial para la que va dedicado este equipo de pruebas es el módulo Solar o Solar Array Assembly (SAM) que incorporará el Rover de la misión de la Agencia Espacial Europea Exomars 2020. Este subsistema deberá trabajar en condiciones de Temperatura de entre -40 y 100ºC, por lo que se deberán realizar exhaustivas pruebas de verificación que garanticen el éxito de la misión. Durante el proceso de diseño, montaje y verificación del SAM, SENER no cuenta con la electrónica de control de los paneles solares del Rover y por lo tanto es necesario diseñar un equipo de pruebas que sea capaz de simularla para poder realizar los procedimientos de test necesarios. En el ámbito espacial, este tipo de equipos se denomina Electrical Ground Support Equipment, y de ahora en adelante en este documento, EGSE. Los objetivos de este proyecto se pueden resumir en 4 apartados principales desarrollados con detalle en el interior del documento. El primero consistirá en lo que se ha denominado Understanding of Requirements, o la asimilación de toda la información necesaria para llevar a cabo el proyecto. Desde el conocimiento del marco de la misión, los elementos principales del Rover y del SAM, las especificaciones y requisitos del equipo de pruebas, los módulos funcionales a implementar en el software de control, los esquemas eléctricos y electrónicos del sistema, etc. Este apartado se desarrolló en un tiempo aproximado de dos meses y medio a partir de la información facilitada por SENER, y de los documentos de especificaciones creados por la ESA. El segundo objetivo será el diseño y desarrollo del software de control del EGSE. Para comprender en qué consiste, será necesario conocer con cierto detalle la estructura del SAM, los componentes del EGSE, y las tareas que el propio software deberá desempeñar durante su funcionamiento. El Solar Array Assembly consiste en un conjunto de cuatro paneles solares unidos al cuerpo principal del Rover por unas bisagras activas. Debido a las duras condiciones de temperatura en la superficie marciana, fue necesario diseñar un mecanismo que garantizara que durante el proceso de despliegue de los paneles, las bisagras se encontraran en un determinado rango térmico. Para ello, el SAM cuenta en su superficie con doce sensores de temperatura, y con cuatro calentadores o heaters. Con estos elementos se ha de realizar un bucle de control que se active antes de la orden de despliegue, y caliente las bisagras hasta la temperatura adecuada. El viaje del Rover hasta Marte se realiza en el interior de un pequeño módulo espacial diseñado por la ESA. Durante la salida de la atmósfera terrestre, y en la entrada a la atmósfera de Marte, todo el sistema diseñado se enfrenta a fuertes vibraciones. En el caso de elementos mecánicos como estas bisagras, es vital garantizar un sistema de anclado de los elementos móviles que cumpla dos especificaciones básicas. Por un lado, asegurar la inmovilización de las partes móviles del mecanismo, y por otro, que la energía necesaria para liberarlas antes de su despliegue sea la mínima posible. Para conseguir estos dos requisitos, se utilizan en su diseño unos pequeños dispositivos llamados HDRM o Hold Down and Release Mechanism, que son capaces de desplegarse mediante la energía térmica aportada por una pequeña resistencia introducida en su interior. El software de control que se encarga de liberar estos pequeños dispositivos también debe ser simulado por el EGSE, utilizando varios sensores de temperatura localizados en las proximidades de los HDRMs, y cediendo la potencia necesaria a las resistencias o heaters que se encargan de activarlos. Para realizar el despliegue de los cuatro paneles solares, el SAM dispone de 8 potenciometros analógicos repartidos de dos en dos en el eje principal de cada bisagra o motor. El primero de ellos será un potenciometro nominal, utilizado como feedback en el bucle de control del movimiento, y el segundo será un potenciometro redundante que indicará la posible aparición de errores en la primera medida. Con estos potenciometros, y mediante la alimentación de cuatro pequeños motores eléctricos (uno por bisagra), un puente en H una señal PWM, se realizará un algoritmo de control que permitirá a los operarios de pruebas llevar los paneles a la posición deseada. A la hora de realizar cualquier tipo de prueba en el sistema de paneles solares, los operarios deben ser capaces de visualizar toda la telemetría que envían los sensores, así como monitorizar las señales dirigidas hacia los actuadores. De esta forma, cualquier fallo de operación puede ser detectado automáticamente. Para este proceso, se ha realizado un software dedicado en Java, que hará las veces de MMI (Man Machine Interface), y permitirá a los usuarios del EGSE tanto enviar secuencia de ejecución a los actuadores, como visualizar en tiempo real la información recogida. Este software se ejecutará en un PC que será conectado al corazón del EGSE mediante USB. Todos estos bucles de control nombrados hasta ahora son realizados a tiempo real en uno de los módulos del EGSE. Este módulo es un sistema electrónico formado por cuatro tarjetas dedicadas. Esta "caja" de electrónica se denominará Front End Electronics o FEE. Cada una de las tarjetas que la componen, realiza una función determinada en el flujo de datos de este sistema. Para comprender mejor el desarrollo del trabajo, es necesario adquirir cierto conocimiento sobre la función de estas tarjetas electrónicas, y como se comunican entre ellas. El primero de estos elementos, y el que tiene relación directa con el objeto de este trabajo será la llamada "DSPic + IO Board". Esta tarjeta, diseñada íntegramente por SENER, incluye un Microcontrolador Microchip 33EP512MU814 que hará las veces de corazón del EGSE. En él correrá el software desarrollado y explicado en estas páginas, y su función principal será la de gestionar la telemetría y comandos con el MMI, recibir señales de los sensores, y realizar los cálculos necesarios para ejecutar los bucles de control. Además, esta tarjeta incluirá varios módulos ADC de 10 bits para la lectura de corrientes y tensiones del motor, y 32 salidas digitales que permitirán enviar potencia tanto a los heaters de control térmico, como a los dispositivos HDRM. El segundo elemento que compone el FEE, será una tarjeta electrónica denominada "PWM Board". Esta tarjeta será conectada pin a pin con las salidas PWM del microcontrolador. En ella, encontraremos dos puentes en H que cumplen dos funciones principales. Por un lado, aportan la potencia necesaria para mover los motores de corriente continua, y por otra, permiten alternar el sentido de giro de los motores mediante sus 4 transistores tipo MOSFET. Este elemento será conectado directamente al SAM utilizando un conectar DSUB de 44 pines. El tercer elemento del FEE será la Thermistor Board. Este EGSE dispondrá de dos de estas tarjetas: Una dedicada a la lectura de las temperaturas obtenidas con los termistores PT1000 distribuidos en la superficie del SAM, y otra dedicada a la lectura de los potenciometros colocados en los motores, que nos determinarán la posición de los mismos. Estas medidas serán digitalizadas mediante unos dispositivos ADC de 16 bits localizados en las propias tarjetas, y enviadas hasta el microcontrolador utilizando una interfaz SPI. Por último, el FEE incluye un elemento de conexión entre todas las tarjetas denominado Backplane, que consigue un flujo de información Pin a Pin entre todos los elementos del sistema. El FEE ha sido diseñado de forma modular, de forma que en caso de querer incrementar el número de sensores o actuadores, basta con añadir más tarjetas en paralelo conectándolas en las ranuras libres del Bakplane. Una vez hemos definido el sistema hardware, estamos en disposición de comprender el funcionamiento del sistema completo. El EGSE realiza simultáneamente todas las operaciones definidas en los puntos anteriores. Por un lado, se produce la lectura de los sensores en las Thermistor Boards que son enviadas mediante SPI al microcontrolador. Por otro, tanto las salidas digitales disponibles en la DSPic Board, como las señales PWM, controlan la dinámica de los diferentes actuadores. A la vez, El microcontrolador envía mediante USB toda la telemetría a un PC, que muestra por pantalla en tiempo real toda la información recogida, y proporciona una interfaz para el envío de comandos. Por último, el microcontrolador almacena toda la información disponible en memoria, la procesa, y obtiene como salidas las señales generadas por los algoritmos de control. Todo este proceso es controlado por varias decenas de cientos de líneas de código C que corren en el corazón del EGSE, y componen el cuerpo principal de este proyecto. Su diseño, su desarrollo y el conjunto de procedimientos para su verificación componen gran parte del trabajo realizado. El tercero de los cuatro objetivos propuestos consiste en una fase de pruebas, donde todos los elementos hardware y cada una de sus partes deberán ser verificadas. Esto hace referencia, principalmente, a los cinco componentes del FEE. Tanto las tarjetas electrónicas como el Backplane deberán ser probadas una a una, reportando al equipo técnico de hardware los posibles fallos o errores de funcionamiento que se puedan encontrar. Este tercer proceso, de una duración aproximada de tres meses, finaliza con una serie de procedimientos de test del sistema completo, donde todas las partes serán verificadas conjuntamente. Así, tanto los elementos software como hardware podrán ser probados conjuntamente, de tal forma que se consiga obtener un sistema unificado que tenga un comportamiento fluido y preciso para los operadores. Para el desarrollo de esta tercera fase fue necesario utilizar elementos adicionales, como tarjetas de prueba o software dedicado. Estas tarjetas fueron diseñadas específicamente por el equipo de hardware para probar cada uno de los interfaces y elementos existentes en el sistema. Como objeto de este trabajo, se incluye también un software dedicado a probar cada uno de los elementos de la tarjeta principal DSPic. Ejecutando este software, se obtiene un informe detallado del estado de la tarjeta. De esta forma, y debido a la gran cantidad de EGSEs generados por SENER, se reduce el tiempo de horas de ingeniería para la verificación de este sistema. El último objetivo de los nombrados al inicio del documento, consiste en la documentación exhaustiva del software generado tras su diseño y desarrollo. Cada bloque funcional o línea de código ha sido documentada y explicada con detalle, para permitir la posible corrección de bugs o errores en el futuro. Todos los documentos generados al respecto se incluyen como anexo al final de este tomo, así como planos electrónicos, cuadros de conexiones o esquemas explicativos. En resumen, este texto trata de documentar, explicar y transmitir el trabajo realizado durante 9 meses. Estando rodeado de tan grandes profesionales del sector no puedo más que agradecer la oportunidad que se me ofreció, y que a día de hoy continuo disfrutando.