Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Autor: José Ángel Morató Pérez Tutor: José Manuel Quero Reboul Dpto. Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería en Tecnologías Industriales Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Autor: José Ángel Morató Pérez Tutor: José Manuel Quero Reboul Catedrático Dpto. de Ingeniería Electrónica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Trabajo Fin de Grado: Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Autor: José Ángel Morató Pérez Tutor: José Manuel Quero Reboul El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii Gracias a mi familia por estar siempre en primera línea, por preocuparse por mi futuro y por alegrarse por cada objetivo superado. A mi tutor José Manuel por confiar en mí y brindarme la oportunidad de formar parte de un gran equipo humano y profesional. No quiero dejar sin mencionar a Manolo, un gran ingeniero y una persona con la que da gusto trabajar. Gracias por guiarme en este proyecto. ix Resumen En este proyecto llevamos a cabo el estudio, diseño y fabricación de un sensor solar de muy alta precisión basado en una cámara oscura, capaz de determinar la posición relativa sol-satélite. La luz del sol entra al sensor a través de un sistema óptico, cuyo campo de visión es de 160º, en el que se encuentra el pinhole por el que pasa la luz. Tras la óptica, se encuentra la cámara de alta resolución cuyos píxeles se iluminan. El sistema está controlado por una FPGA (dentro de la cual se simula un microcontrolador) en la que se encuentran implementados los algoritmos capaces de determinar la orientación del sol en función de los píxeles que se han iluminado más, con un cálculo previo del centroide del sol. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Diagrama de bloques UFSS .............................................................................................. 1 Figura 1.2 Esquema de un sensor CCD ............................................................................................. 2 Figura 1.3 Sensor CCD ...................................................................................................................... 2 Figura 1.4 Esquema sensor CMOS .................................................................................................... 3 Figura 1.5 Diseño anterior al UFSS ................................................................................................... 4 Figura 2.1 Pestañas de sujeción ..................................................................................................... 12 Figura 2.2 Primer paso del diseño de la óptica. Eliminación de la óptica anterior. ........................ 12 Figura 2.3 Interior del sensor. Elementos de la óptica en contacto. .............................................. 13 Figura 2.4 Relaciones de los requisitos a cumplir. .......................................................................... 14 Figura 2.5 Sujeción inferior del filtro neutro .................................................................................. 15 Figura 2.6 Interior de la mecánica. Adaptación para la electrónica. .............................................. 16 Figura 2.7 Pieza de sujeción superior del filtro. .............................................................................. 17 Figura 2.8 Pieza de sujeción montada. ........................................................................................... 18 Figura 2.9 UFSS en PLA ................................................................................................................... 20 Figura 2.10 UFSS en PA12 .............................................................................................................. 21 Figura 3.1 Coverglass ..................................................................................................................... 23 Figura 3.2 Tapa lateral.................................................................................................................... 24 Figura 3.3 Filtro de densidad neutra .............................................................................................. 25 Figura 3.4 Refracción de la luz ........................................................................................................ 26 Figura 3.5 Esquema del cálculo óptico (1) ...................................................................................... 26 Figura 3.6 Esquema del cálculo óptico (2) ...................................................................................... 28 Figura 3.7 Esquema de la influencia en la óptica de la pieza superior (x es la longitud en mm de la zona de la pieza de sujeción superior que pisa directamente al filtro) .......................................... 29 Figura 3.8 Esquema para el cálculo de la altura crítica. ................................................................. 31 Figura 3.9 Análisis óptico coverglass. ............................................................................................. 32 Figura 3.10 Gráfica de la proyección de 𝜽𝟏 en el eje x. ................................................................. 34 Figura 3.11 Precisiones absolutas del cálculo teórico del sensor. .................................................. 35 Figura 3.12 Zoom de la gráfica de precisiones. .............................................................................. 36 Figura 3.13 Accuracy VS Precision .................................................................................................. 37 Figura 4.1 Diagrama de bloques de la cámara ............................................................................... 39 Figura 4.2 Configuración típica de la cámara ................................................................................. 40 Figura 4.3 Configuración LDO 1.8V ................................................................................................ 41 Figura 4.4 Diagrama de bloques SmartFusion2 SoC (imagen extraída de la web de Digikey) ........ 42 Figura 5.1 Máquina de estados ...................................................................................................... 44 Figura 5.2 Panel de pruebas ........................................................................................................... 46 Figura 6.1 Bracket FDSS ................................................................................................................. 48 Figura 6.2 Nervios UFSS bracket .................................................................................................... 49 Figura 6.3 Tope horizontal bracket ................................................................................................ 50 Figura 6.4 Base bracket UFSS ......................................................................................................... 51 Figura 6.5 Parte trasera bracket UFSS ............................................................................................ 51 Figura 6.6 UFSS calibration bracket ............................................................................................... 52 Figura 6.7 Agujero pasante adaptador .......................................................................................... 54 Figura 6.8 Junta filtro-coverglass ................................................................................................... 54 Figura 6.9 Pestaña de sujeción inferior del coverglass ................................................................... 55 Figura 6.10 Junta cuadrada coverglass .......................................................................................... 55 Figura 6.11 Huecos de extracción en el adaptador ........................................................................ 56 Figura 6.12 Parte superior del adaptador ...................................................................................... 56 Figura 6.13 Parte inferiror del adaptador ...................................................................................... 57 Figura 6.14 Adaptador en el sensor ............................................................................................... 57 Figura 6.15 Esquema óptico del prototipo ..................................................................................... 58 Figura 6.16 Gráficas de f(𝜽𝟏,R) para distintos valores de R ........................................................... 61 Figura 6.17 Raíz de la función para R=5 mm .................................................................................. 62 Figura 6.18 Foto al sol .................................................................................................................... 63 Figura 6.19 Foto en simulador solar ............................................................................................... 64 Figura 6.21 Esquema explicativo de la zona oscura ....................................................................... 65 xix Figura 6.22 Foto trasera simulador ................................................................................................ 66 Figura 6.23 Foto delantera simulador ............................................................................................ 67 Figura 6.24 Sistema de referencia .................................................................................................. 68 Figura 6.25 Promedio coordenada x .............................................................................................. 71 Figura 6.26 Promedio coordenada y .............................................................................................. 71 Figura 6.207 Código de implementación del análisis óptico .......................................................... 73 Notación ADC AKE APE CCD FDSS Analog Digital Converter Absolute knowledge error Absolute performance error Charge Couple Device Fine Digital Sun Sensor FOV Field Of View FPGA MKE MPE MSS PCB PDE PRE RKE RPE SoC Field Of ViewField-Programmable Gate Array Mean knowledge error Mean performance error Microcontroller subsystem Printed Circuit Board Performance drift error Performance reproducibility error Relative knowledge error Relative performance error System on a chip xxi 1 1 INTRODUCCIÓN En este trabajo se va a llevar a cabo el rediseño de un sensor solar de la empresa SolarMEMS Technologies, el Ultra Fine Sun Sensor (UFSS). En primer lugar, definamos qué es el UFSS. Se trata de un sensor, pensado para satélites, que capta la luz del sol y mediante una serie de algoritmos da como salida los ángulos de posición del sol. Esta información es muy importante ya que con ella podríamos por ejemplo orientar el satélite convenientemente o variar la inclinación de los paneles fotovoltaicos que lo alimentan para aprovechar la energía de manera óptima. Para hacer esta tarea, el sensor tiene tres partes fundamentales. La primera es la mecánica, que debe estar pensada para cumplir los requerimientos espaciales. Debe ser capaz de soportar tanto las condiciones del espacio en órbita como las condiciones de lanzamiento. Otra parte clave es la óptica. En el UFSS, el sistema óptico está basado en el funcionamiento de una cámara oscura cuyo elemento principal, por el que entra la luz, es un diminuto agujero conocido como pinhole. La óptica debe estar diseñada pensando siempre en el campo de visión (FOV) objetivo. Por último, está la parte electrónica basada en el sensor de imagen digital CMOS MT9P031. Este sensor de alta resolución es el encargado de convertir la luz en energía eléctrica. Para controlarlo y hacer los cálculos necesarios para determinar los ángulos, el UFSS está provisto de dos placas de circuito impreso (PCBs) cuyo principal elemento es una FPGA SmartFusion2. Este proyecto tiene como base un trabajo anterior en el que se hizo el diseño del FDSS, del cual se ha hecho un rediseño completo de la mecánica y del sistema óptico. La electrónica y el software para el cálculo de centroides y el manejo de la cámara son del Star Tracker desarrollado por la empresa SolarMEMS Technologies. Con el nuevo diseño de la mecánica y de la óptica se han hecho varias pruebas de funcionalidad. Como es habitual, para conseguir una solución que se acerque lo máximo posible a todos los objetivos de diseño, se realiza un proceso iterativo para diseñar cada una de las partes. Con el UFSS se busca un FOV que alcance los 160º, de esta forma con menos sensores (dependiendo del satélite puede que con solo 2 sea suficiente) se abarca prácticamente la esfera completa del satélite reduciendo así los costes. Además, el empleo del sensor de imagen de alta resolución se justifica con la precisión objetivo de 0,01º. Figura 1.1 Diagrama de bloques UFSS introducción 2 1.1 Estado del Arte Si nos referimos a los sensores de imagen, encontramos dos tipos: los CCDs y los CMOS. Los sensores CCDs fueron los más usados hasta principios del siglo XXI. Su funcionamiento consistía en una matriz de fotodiodos que al recibir luz generaba carga eléctrica. La carga se transfería píxel a píxel en los registros de desplazamiento vertical para después pasar cada fila al registro horizontal. Finalmente, estaba la etapa amplificadora y el conversor que generaba la salida digital. Figura 1.2 Esquema de un sensor CCD Figura 1.3 Sensor CCD Poco a poco, el deseo de miniaturización y el desarrollo de la tecnología hicieron que se implantasen los sensores de píxeles activos, más conocidos como sensores CMOS. En este tipo de sensores, la etapa amplificadora va dentro de cada píxel, quedando fuera solo el convertidor analógico-digital. Esto tiene el inconveniente de que parte del píxel está tapado con la electrónica, 3 3 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites asunto que se va resolviendo con la disminución de tamaño de los componentes. Figura 1.4 Esquema sensor CMOS En los sistemas de guiado, navegación y control (GNC) para el sector aeroespacial hay dos aspectos fundamentales: el tamaño y la precisón. El tamaño de los sensores de SolarMEMS Technologies es del orden de decenas de milímetros. El tamaño reducido junto con los materiales seleccionados, hacen que el peso de los equipos sea pequeño, lo cual es crucial cuando hablamos de satélites. La precisión de los sensores debe ser tan buena como sea posible. En este tipo de sistemas, cuya finalidad es medir ángulos, la precisión ronda las décimas y centésimas de grado, llegando a las milésimas de grado en algunos modelos. El diseño del UFSS parte de un dispositivo anterior en el que la precisión era de unos 0,03º con un FOV de 120º. Por otro lado, está el Star Tracker un sensor que se está desarrollando en la empresa cuya precisión es del orden de 0,001º. Éste es un equipo más complejo, que determina la orientación en función de la posición de varias estrellas. El UFSS se encuentra entre ambos, llegando a una precisión de 0,01º con un FOV de 160º. Con esto conseguimos un equipo fino con un diseño menos complejo que permite un precio más comedido. Diseño de la mecánica 16 16 Figura 2.6 Interior de la mecánica. Adaptación para la electrónica. 2.1.2 Pieza de sujeción superior del filtro Como ya hemos mencionado, el filtro va apoyado por la parte inferior a las pestañas de la mecánica y por la parte superior en una pieza adicional. Esta pieza tiene un diseño especial ya que, como es previsible, afecta a varios de los asuntos que aparecen en la figura 2.4. Hay que prestarle especial atención al FOV porque, al ser una pieza que va sobre el propio filtro, tapará parte de la zona de entrada de la luz. Esto está estrechamente relacionado con hasta dónde puede entrar la pieza en la zona del filtro. Respecto a esto último, intentamos que pise lo máximo posible al filtro para tener un mayor área de sujeción. La longitud que puede entrar en la zona del filtro depende del gap y de la forma que tenga la pieza, además del FOV. Estos cálculos se detallarán en el capítulo siguiente. Por otro lado, la sujeción de la pieza al resto de la mecánica es otro asunto clave. La opción que se ha tenido en cuenta es el atornillado, ya que ofrece mayor seguridad que el uso de un pegamento. Usar tornillos tiene algunos inconvenientes. El principal es que hay que pensar en cómo se alojarán estos para que no afecte al FOV. Al tener un campo de visión tan amplio, cualquier elemento de los alrededores del filtro puede hacer sombra. Además, como la pieza debe ser muy fina por lo mismo, los tornillos deben ser pequeños para que no atraviesen el espesor. Los tornillos que vamos a usar son M2x3 ISO7045. La elección del tornillo no es aleatoria. Pensamos en usar tornillos M2 o M3. Para decidir, se ha hecho un cálculo aproximado de la masa de la pieza, usando la densidad del aluminio y un volumen aproximado. El resultado es que la pieza no llega a 17 17 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites los 2g de masa, ya que es bastante fina. Al ser tan poca masa, no hace falta usar tornillos M3. Figura 2.7 Pieza de sujeción superior del filtro. En la figura 2.7 vemos el diseño final de la pieza. El espesor final es de 1mm. El alojamiento de los tornillos son las cuatro pestañas, decisión que se ha tomado por dos motivos. El primero es alejar el tornillo del filtro para evitar que la cabeza entre dentro del FOV. El segundo es llevar los tornillos más cerca del contorno, donde hay un espesor mayor de aluminio para poder hacer la rosca. Por otro lado, la pendiente interior de la pieza está pensada para respetar el FOV de 160º, dejando un ángulo final de la cara de 9,2º que, al ser menor de 10º, no afecta al campo de visión. Para el espesor de la zona interna, tenemos que prestar atención a las dificultades de fabricación. Un espesor demasiado pequeño hará que la pieza se fracture fácilmente o que directamente no pueda ser fabricada. En nuestro caso, el espesor mínimo que barajamos fue de 0,3 mm, ya que anteriormente se habían hecho diseños con este espesor en SolarMEMS. Sin embargo, el espesor final es de 0,5mm, para dar más seguridad. No hace falta decir que este espesor afecta directamente al FOV ya que a mayor espesor, mayor será la sombra sobre el filtro. Con todo esto, ya se puede ver cuál es el diámetro interno de la pieza. Los cálculos ópticos justifican que un diámetro de 21 mm ofrece un área de contacto con el filtro suficiente además de no ser intrusiva. Diseño de la mecánica 18 18 Figura 2.8 Pieza de sujeción montada. 2.1.3 Juntas Ya hemos visto que el filtro se apoyará tanto por la parte inferior a las pestañas como por la parte superior a la pieza de sujeción. No obstante, el cristal no puede estar en contacto directo con la carcasa metálica porque las fuertes vibraciones a las que se verá sometido el sensor, harán que el filtro golpee a la mecánica y se quiebre. Por lo tanto, para solucionar este problema debemos poner una capa intermedia que sirva para fijar mejor el filtro y amortiguar los impactos debidos a las vibraciones. En este punto tenemos dos ideas importantes, la primera es el uso de algún pegamento y la segunda es utilizar unas juntas. Es muy probable que el UFSS final utilice pegamento ya que ofrece mayor fijación y un mejor comportamiento en vuelo. Sin embargo, no se puede utilizar cualquier pegamento, hay que pensar bien cuál es el idóneo para esta función por motivos de seguridad estructural, transferencia térmica, etc. Entonces, como para poder utilizar pegamento es necesario hacer este estudio nos decantamos por la opción de las juntas para este primer prototipo. Hemos elegido esta opción porque es mucho más simple y para nuestro prototipo es útil. Además, como el material usado será teflón, que es un material polimérico barato, las juntas son más atractivas económicamente hablando. Para su diseño vuelve a ser importante considerar la tolerancia del aluminio así como la de la propia junta. En nuestro caso, dejamos un margen entre el contorno de la junta y el hueco circular 19 19 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites de la mecánica de 0,2 mm; y no consideramos ningún margen en espesor, suponiendo que el acople entre la mecánica, el filtro neutro y las juntas es perfecto. Por último, el ancho de la junta debe ser el suficiente para asegurar un buen apoyo pero con cuidado de no afectar al FOV. 2.2 Pinhole El pinhole es el elemento más característico de una cámara oscura. Se trata de un pequeño agujero por donde pasa el haz de luz que posteriormente se lee en el sensor. En el UFSS podríamos pensar por qué utilizamos este tipo de tecnología y no usamos un sistema de lentes, como en el Star Tracker por ejemplo. El motivo principal es evitar la saturación de los píxeles del MT9P031. Si la cámara saturase, se vería una mancha blanca donde sería imposible distinguir la posición del sol. Además, el diseño es mucho más simple y se evitan costes, reduciendo el precio del equipo. En el FDSS, el pinhole era de 25µm de diámetro construido en una lámina de aluminio. Esta forma no era buena por distintos motivos. El primero es que la metodología de fabricación no permitía hacer un pinhole más pequeño. Además, el acabado no era perfecto ya que los bordes del pinhole no eran rectos, introduciendo esquinas finas que terminaban rompiéndose. Esto causaba distorsiones que tenían como efecto final que el sol no se viese con una forma elíptica, sino con forma irregular. Calcular el centro de una forma irregular es mucho más complicado, por lo que la precisión del sensor se veía afectada. En el caso del UFSS el pinhole se fabrica de una forma más fina y fiable. Se deposita una capa de aluminio de 200nm de espesor en la superficie superior del coverglass que va pegado a la cámara. Esta capa es la que alberga el pinhole que, en este caso, es de 100µm de diámetro. Con esta solución se evitan los problemas comentados anteriormente, permitiendo una mayor precisión. El diámetro final del pinhole dependerá de los resultados obtenidos de las pruebas con distintos tamaños. 2.3 Acabado El UFSS está pensado para trabajar en el espacio, donde las condiciones son extremas. Debemos tratar que el sensor se caliente lo menos posible. Para esto, no podemos contar con la refrigeración por convección con el aire, ya que estamos en vacío. Por lo tanto, debemos transferir el calor por conducción o interviniendo en la radiación. La principal fuente de calor para nuestro equipo es la radiación recibida del sol. Entonces, si reducimos el efecto de la radiación, conseguimos que la temperatura no se dispare. La forma más eficaz es intentar que el sensor absorba la menor cantidad de radiación posible. Para conseguir este objetivo, en el exterior de la mecánica del UFSS se realiza un tratamiento de anodizado de aluminio sin tinte. Este acabado es el elegido porque al no tener tinte, la luz del sol no lo degradará y conseguiremos un buen comportamiento de reflexión. Además, con esto también conseguimos que la carcasa no sea conductora, lo cual evita posibles cortocircuitos con los cables y piezas del propio satélite. Otro aspecto vital en el diseño del sensor es evitar la saturación de la cámara. Para ello, en aquellas superficies que se pueda reflejar luz hacia la cámara, no podemos usar el mismo acabado Diseño de la mecánica 20 20 que en el exterior. En este caso tenemos dos opciones, un anodizado con tinte orgánico y uno con tinte inorgánico. Para nuestro prototipo usaremos el anodizado con tinte orgánico, que tiene un comportamiento ante reflexión peor que el del tinte inorgánico pero que nos sirve para este prototipo. Es interesante también mencionar el vantablack, que es una sustancia, formada por una estructura de nanotubos de carbono, capaz de absorber el 99,965% de la luz visible que le llega. También habrá zonas en las que no se haga ningún tipo de tratamiento como pueden ser los alojamientos de los tornillos y las partes en las que la luz no incidirá, dejándonos de importar su reflexión. 2.4 Montaje en 3D Una vez finalizado el diseño, lo fabricamos con una impresora 3D para comprobar que todo encaje como debería. Este paso es importante porque sirve para detectar posibles errores antes de la fabricación final de la pieza, lo que ahorraría el coste de fabricación de unidades mal diseñadas. Se ha hecho un primer modelo en una impresora 3D no profesional, en PLA y con una precisión no muy alta. Figura 2.9 UFSS en PLA Viendo que todo encaja bien, se ha hecho un segundo modelo de alta precisión en PA12 en una empresa que se dedica a este tipo de fabricaciones. La idea de este segundo modelo es acercarnos más a la calidad que conseguimos con la fabricación en aluminio, de forma que nos sirva para realizar algunas pruebas. 21 21 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 2.10 UFSS en PA12 Diseño de la mecánica 22 22 23 23 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites 3 ANÁLISIS ÓPTICO En el capítulo anterior hemos comentado aspectos importantes de la óptica del UFSS. En este capítulo entraremos más en detalle en los cálculos realizados en su diseño. 3.1 Componentes A modo de recordatorio, los componentes de la óptica son la pieza de sujeción superior del filtro neutro, el propio filtro, el coverglass en cuya cara superior se encuentra el pinhole y, por último, el sensor MT9P031. Si analizamos los componentes desde la PCB hacia el exterior de la mecánica, en primer lugar, nos encontramos el sensor de imagen MT9P031, basado en tecnología CMOS. Dispone de una matriz activa de pixeles de 2592x1944, con un tamaño por píxel de 2,2x2,2µm. Con esta cantidad de pixeles y la resolución de 12 bits del convertidor ADC tenemos la capacidad de aumentar bastante la precisión del equipo. Arriba nos encontramos un coverglass de borosilicato cuya principal función es la protección de la cámara. Este cristal es un cuadrado de 10x10mm con un espesor de 0,8mm y va pegado al sensor. Como ya hemos mencionado antes, en la cara superior se encuentra el pinhole. Figura 3.1 Coverglass En la figura 3.1 se puede ver representada la capa superior de aluminio donde está el pinhole. Esta capa es completamente opaca, dejando pasar la luz solo por el pinhole. Sin embargo, al ser el cristal de borosilicato completamente transparente, podría ser que entrase luz por la zona lateral. El straylight hay que evitarlo, para ello se ha pensado una solución bastante simple, con la que conseguimos acercarnos mucho a la idea de cámara oscura, que consiste en una pieza que pretende tapar la zona lateral. La pieza va pegada a la PCB, tiene forma cuadrada, como el coverglass, con la misma altura que la superficie superior de este respecto la PCB, de forma que Análisis óptico 24 24 funciona como una funda que tapa la entrada de luz lateral. Figura 3.2 Tapa lateral Por encima del coverglass, tras el gap, está el filtro de densidad neutra. Este cristal es fundamental para evitar la saturación. Si dejásemos entrar al UFSS la gran cantidad de luz solar que hay en el espacio, la cámara saturaría y no serviría. Además de su característica atenuadora en el espectro visible (350-750 nm aprox. de longitud de onda), es importante la filtración de infrarrojos y ultravioletas. La radiación infrarroja conviene filtrarla porque produce calor dentro del dispositivo. Este exceso de temperatura hace que en la cámara aparezca corriente de oscuridad, que es un fenómeno que consiste en la aparición de corriente eléctrica en los píxeles que no están recibiendo luz debido a la temperatura. Esto se puede traducir como un ruido añadido que podemos pasar por alto mediante software, el problema viene cuando la intensidad es tan grande que no somos capaces de distinguir el sol del propio ruido. Por otro lado, es interesante la filtración de la banda ultravioleta porque hacen que el coverglass coja un tono amarillento, sobre todo el que viene directamente con el sensor ya que es un cristal de menor calidad. Esto no interesa porque estropea el cristal e introduce una atenuación extra con la que no contamos. En el catálogo de Edmund Optics nos encontramos varias opciones. En nuestro caso, hemos optado por un filtro circular reflexivo de 25±0,5mm de diámetro y 1,6mm de espesor. Que sea reflexivo es un detalle importante porque hará que parte de la radiación no la absorba el propio filtro, haciendo que su temperatura no suba demasiado y evitando deformaciones. Por otro lado, hay distintos modelos de filtros en función del porcentaje de transmisión. Tenemos que llegar a un compromiso entre velocidad de captura y saturación, ya que a menor porcentaje de transmisión menor será la cantidad de luza que dejará pasar el filtro, por lo que se dificultará la saturación. Sin embargo, cuanta menos luz entre en el sensor, mayor deberá ser el tiempo de exposición y, por lo tanto, menor será la velocidad de captura de imágenes. En nuestro caso, necesitamos una velocidad de varias fotos por segundo, evitando la saturación . 25 25 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 3.3 Filtro de densidad neutra En el capítulo anterior ya hemos comentado cómo se sujeta el filtro al resto del equipo, necesitando la pieza de sujeción superior, que es el último componente del sistema óptico. 3.2 Cálculos ópticos En este apartado se expondrán los cálculos realizados en el proceso de diseño de la óptica del UFSS. Ya hemos hablado del carácter iterativo del proceso, teniendo que repetir varias veces los cálculos hasta llegar a una solución comprometida con los distintos requisitos de diseño. Para el análisis, será necesario conocer los índices de refracción de nuestros cristales. En nuestro caso, el índice de refracción del filtro neutro (𝑛𝐹) es 1,52, el del coverglass (𝑛𝐶𝐺) también es 1,52 y finalmente también es importante recordar el del vacío (𝑛𝑉) que es 1. Para nuestros cálculos nos centraremos en las refracciones de la luz a medida que va atravesando nuestra óptica, por lo que emplearemos la Ley de Snell: 𝑛1∙𝑠𝑒𝑛(𝜃1)=𝑛2∙𝑠𝑒𝑛(𝜃2) (1) Análisis óptico 32 32 𝑦=⁡∑𝑑𝑦(𝑖,𝑗)∙𝐼𝑖𝑗𝑖,𝑗∑𝐼𝑖𝑗𝑖,𝑗 (14) En las ecuaciones (13) y (14) : x e y son las coordenadas del centroide. 𝐼𝑖𝑗 es la intensidad luminosa del pixel ( i , j ). dx y dy son las distancias ortogonales a los ejes x e y. Una vez definido el cálculo de la posición del centroide, el objetivo es relacionarlo con el ángulo con el que incide la luz al UFSS, de manera que sabiendo qué pixel es el más iluminado seamos capaces de saber el ángulo en el que está el sol. Para llevar a cabo el análisis usaremos el sistema de coordenadas esféricas que nos permite tener que calcular un único ángulo si estudiamos el comportamiento en una proyección sobre un plano radial. Para el ángulo azimutal, bastaría con hacer la tangente y tener cuidado con los signos de las coordenas. Otra cosa que podríamos pensar que nos afectaría en este calculo es que el filtro y el coverglass no tengan exactamente el mismo índice de refracción. Sin embargo, como el gap y el exterior son el mismo medio, el vacío, el ángulo de incidencia en el filtro y en el coverglass es el mismo. Por lo tanto, podemos simplificar el problema y centrarnos en el estudio óptico del coverglass. Sin embargo, estamos considerando que el coverglass es un único cristal con un espesor de 1,2 mm, cuando la realidad es que son dos cristales pegados, el coverglass externo de 800 µm y el propio de la cámara de 400 µm. Esta consideración se debe a que se supone que son exactamente el mismo material y que no hay refracciones al pasar de uno a otro ya que tienen el mismo índice de refrácción. Si esto no se cumpliese, el resultado de los cálculos sería alterado introduciendo un error. Analizando la figura 3.9, nos encontramos, en primer lugar, la refracción: 𝜃2=𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑛𝑣 𝑛𝐶𝐺𝑠𝑒𝑛(𝜃1)) (15) Figura 3.9 Análisis óptico coverglass. y 𝑒𝐶𝐺 𝜃1 𝜃2 (x, y) z x ρ r Pinhole 33 33 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Donde 𝑛𝑣 es el índice de refracción en el vacío y 𝑛𝐶𝐺 es el del coverglass. De las coordenadas esféricas sacamos que: 𝑟=√𝑥2+𝑦2 (16) 𝜌=√𝑒𝐶𝐺 2+𝑟2 (17) Aplicando trigonometría obtenemos: tan(𝜃2)=𝑟 𝑒𝐶𝐺 (18) De (18) despejamos el ángulo: 𝜃2=atan⁡(𝑟 𝑒𝐶𝐺) (19) Igualando (15) y (19): 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑛𝑣 𝑛𝐶𝐺𝑠𝑒𝑛(𝜃1))=⁡atan⁡(𝑟 𝑒𝐶𝐺) (20) De (20) obtenemos el ángulo objetivo 𝜃1: 𝜃1=𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑛𝐶𝐺 𝑛𝑣∙𝑠𝑒𝑛(𝑎𝑡𝑎𝑛(𝑟 1,2))) (21) Finalmente, incluyendo (16) en (21): 𝜃1=𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑛𝐶𝐺 𝑛𝑣∙𝑠𝑒𝑛(𝑎𝑡𝑎𝑛(√𝑥2+𝑦2 1,2 ))) (22) Si observamos la ecuación (22), vemos una ecuación que relaciona directamente el ángulo 𝜃1 con la posición del píxel del centroide (x , y) previamente calculada. Además, intervienen los índices de refracción del coverglass, que en nuestro caso es 1,52 , y el del vacío que es la unidad. Análisis óptico 34 34 Figura 3.10 Gráfica de la proyección de 𝜽𝟏 en el eje x. En la figura 3.10 tenemos representado el comportamiento del sensor. En el eje horizontal se ha representado la coordenada x de nuestra cámara y en el vertical el ángulo 𝜃1. Analizando la figura, notamos que cuando el ángulo 𝜃1 es 90º, no hay más puntos en la gráfica. Esto tiene sentido porque un 𝜃1 de 90º significa que el rayo incide horizontalmente, que sería el límite para que entre en el coverglass, teniendo en cuenta que es un valor completamente teórico. Entonces, parte de la cámara no recibe luz. Es interesante ver cuál es la región útil de la cámara. Si en (21) consideramos 𝜃1 90º, obtenemos: r = 1048,285 µm. Por lo tanto, la región útil de la cámara es un círculo de radio r. La forma de la curva también es importante. Vemos que el comportamiento es lineal en la mayor parte del rango. Por lo contrario, cuando nos acercamos al límite de la región útil de la cámara, observamos que pierde la característica de linealidad, lo que indica una pérdida en la calidad de funcionamiento. 3.4 Precisión Otro estudio importante es el de la precisión que tenemos, es decir, si el centroide está en un píxel o en el de al lado cuánto varía el valor del ángulo de incidencia 𝜃1. Usaremos el concepto de precisión relativa, calculado de la siguiente forma: 𝑝𝑟𝑒𝑐𝑖𝑠𝑖ó𝑛⁡𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎=⁡𝜃1,𝑖−𝜃1,𝑖−1 (23) En (23) hemos considerado una proyección en el eje x del ángulo 𝜃1, que se puede generalizar luego al resto del sensor utilizando el comportamiento simétrico del estudio anterior. En esta ecuación, relacionamos el ángulo calculado cuando el centroide está en la posición (i, 0) con el de la posición (i-1, 0). Nos interesa ver la variación cuando pasamos de un píxel a otro pero, 35 35 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites además, como el cálculo del centroide tendrá una precisión mayor que un píxel (la posición vendrá dadas con decimales, por lo que el píxel será divisible en nuestros cálculos), estudiaremos la precisión no solo al pasar de un píxel al de al lado sino también la variación del ángulo respecto a la décima y la centésima parte de un píxel. Figura 3.11 Precisiones absolutas del cálculo teórico del sensor. En la figura 3.11 observamos tres curvas que son las correspondientes a la variación del ángulo de incidencia cuando cambiamos de píxel (curva roja), a la que se da cuando variamos 0,1 píxel la posición del centroide (curva azul) y la correspondiente a cambios de 0,01 píxel (curva negra). Si analizamos la gráfica vemos que, a menor tamaño de desplazamiento horizontal, menor será la variación en ángulo. Lógicamente, si pasamos de un punto a otro muy próximo la variación en ángulo es mucho menor que si la distancia de los puntos es mayor. Por eso las curvas están desplazadas en el eje y. Por otro lado, si nos fijamos en la forma, vemos que las tres se mantienen más o menos constantes, con un comportamiento lineal, hasta llegar a valores cercanos a los 80º que marca nuestro FOV. Cuando estamos en torno a ese valor, la curva gana pendiente, lo que significa que la variación en ángulo aumenta, perdiendo precisión. Este comportamiento es el esperado porque cuando el haz luminoso llega con un ángulo mayor, la precisión debe empeorar porque la variación en ángulo aumenta. Vemos también que para un ángulo de 90º, las curvas se cortan, esto es porque 90º es el límite teórico que marca la entrada de luz en nuesto sensor. Análisis óptico 36 36 Figura 3.12 Zoom de la gráfica de precisiones. En la figura 3.12 se muestra una ampliación de la figura 3.11 en la zona lineal. Podemos ver que obtenemos los siguientes resultados: Desplazamiento horizontal Precisión (variación absoluta del ángulo) 1 píxel 0,16º 0,1 píxel 0,016º 0,01 píxel 0,0016º Tabla 3 Precisiones en la zona de comportamiento lineal Todos estos cálculos son suponiendo condiciones ideales, es decir, que todo está fabricado y ensamblado a la perfección sin ningún tipo de defecto. Sin embargo, todos sabemos que la realidad no es ideal y que existen errores que alterarán el comportamiento que los cálculos previos predicen. Antes de comentar qué nos puede dar problemas, es necesario explicar los conceptos de exactitud (accuracy en inglés, más utilizado) y precisión. La exactitud o accuracy hace referencia a la diferencia que hay entre el valor medido y el valor real, mientras que la precisión mide la repetitividad de las medidas, o sea, cuanto más parecidas sean las medidas tomadas en las mismas condiciones, mayor sera la precisión. 37 37 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 3.13 Accuracy VS Precision Los errores y la cuantificación de la precisión se estudian con distribuciones probabilísticas. Los distintos errores siguen diferentes distribuciones, sin embargo, cuando superponemos todos ellos el resultado es siempre una distribución gaussiana, que se define con la media y la desviación típica. En la figura 3.13 se distingue fácilmente la accuracy, que mide la diferencia entre la media de nuestra distribución y el valor real, y la precisión, que afecta a la forma de la curva. En definitiva, cuanto más se acerque la media al valor real, mejor será la exactitud, y cuanto más picuda sea la forma de la distribución, mejor resultado obtendremos en términos de precisión. A parte de los terminos de accuracy y precisión, que son los que se usan normalmente, la European Cooperation for Space Standardization (ECSS) propone otros términos que son los estándar en proyectos para la European Space Agency (ESA). Algunos de ellos son: - AKE (absolute knowledge error). Indica el valor instantáneo del knowledge error (𝑒𝐾), que es la diferencia entre la salida estimada del sistema y la salida actual obtenida. - MKE (mean knowledge error). Media del knowledge error en un intervalo de tiempo dado. - APE (absolute performance error). Hace referencia al valor del performance error (𝑒𝑃) en un instante de tiempo determinado. Este error es la diferencia entre la salida deseada y la conseguida en este instante. - MPE (mean performance error). Media del performance error en un intervalo de tiempo especificado. - PDE (performance drift error). Es la diferencia entre las MPE tomadas en dos intervalos de tiempo en un solo periodo de observación. - PRE (performance reproducibility error). Es la diferencia entre las MPE tomadas en dos intervalos de tiempo en diferentes periodos de observación. La diferencia con el PDE radica en que éste se usa para cuantificar el cambio del performance error en una observación larga; mientras que el PRE es usado para medir la accuracy a la cual es posible repetir una observación un un instante posterior. - RKE (relative knowledge error). Diferencia entre el valor del knowledge error en un instante dado y su media en un intervalo que contiene a ese instante. - RPE (relative performance error). Diferencia entre el valor del performance error en un instante dado y su media en un intervalo que contiene a ese instante. Análisis óptico 38 38 Los problemas que nos podemos encontrar que afecten a la precisión del UFSS pueden ser causados por: - Descentralización del pinhole. Podría ser que el pinhole no se fabrique exactamente en el centro del coverglass, esto haría que nuestro centro teórico no se corresponda con el real, por lo que la curva de la figura 3.10 se desplazaría. - No paralelismo. En nuestro diseño, filtro, coverglass y cámara son perfectamente paralelos, sin embargo, si en la fabricación introducimos una ligera inclinación en uno o varios de ellos, el resultado obtenido será un poco distinto al esperado. - No planitud. Si el filtro o el coverglass no son planos, o sea, sus caras no son paralelas, volvemos a introducir una inclinación inesperada. - Refracción inesperada. Como hemos comentado anteriormente, los cálculos se han hecho suponiendo, por ejemplo, que el coverglass y el cristal de la cámara tienen idéntico índice de refracción. Si esto no fuese así, tendríamos una refracción extra que no hemos tenido en cuenta. - Abombamiento. Debido a las altas temperaturas y a los pequeños espesores que manejamos, el filtro o el coverglass podrían curvarse. - Corriente de oscuridad. Cuando los pixeles tienen mucha temperatura, empiezan a conducir sin recibir luz, lo que introduce un ruido de fondo que hay que controlar. - Reflejos. Hasta ahora, hemos considerado que el sensor solo recibe la luz del sol. La realidad es que, además del sol, la cámara capta la luz reflejada en la Luna, en la Tierra, y la que viene de otras estrellas. Por lo tanto, debe ser capaz de indentificar el sol. Todo esto hará que la expresión (22) no nos sirva ya que nos da el valor del ángulo suponiendo un comportamiento ideal. Para tener en cuenta estos problemas, introduciremos factores de corrección en la ecuación que modificarán levemente la curva resultado, pareciéndose más a la realidad. En el capítulo de calibrado veremos más en detalle todo esto. 39 39 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites 4 HARDWARE A parte del diseño mecánico y el análisis óptico es fundamental el diseño electrónico del sensor, que será el encargado de darle vida al dispositivo y hacer que funcione. El hardware del UFSS también tiene como referencia el Star Tracker de SolarMEMS, con el que comparte exactamente las mismas placas de circuito impreso y componentes. En este trabajo nos vamos a centrar en la descripción general de los componentes más importantes. La electrónica está formada por dos PCBs conectadas entre sí. En la primera placa encontramos como componentes principales la cámara y cuatro reguladores lineales de tensión (LDO). En la segunda se sitúa la FPGA, que es la encargada de realizar todo el procesamiento de la información y el control de la cámara. 4.1 Cámara El trabajo del UFSS, como sensor solar que es, consiste en captar la luz del sol y determinar su posición. El componente encargado de traducir la energía luminosa en una señal eléctrica que podemos procesar posteriormente es la cámara. Un sensor de imagen no es más que una matriz de píxeles que generan una corriente eléctrica al ser iluminados. En el UFSS se usa el sensor de imagen digital CMOS MT9P031 de Aptina Imaging. Figura 4.1 Diagrama de bloques de la cámara Hardware 40 40 Figura 4.2 Configuración típica de la cámara El MT9P031 tiene una matriz de 5Mp y genera una salida de 12 bits por píxel (variable Dout) por cada ciclo de PIXCLK, por lo que se lee un píxel por ciclo de PIXCLK. Este dato es válido si las señales FV y LV están a nivel alto. FV LV Result 1 1 Valid Image Data 0 0 Vertical Blanking 1 0 Horizontal Blanking Tabla 4 Valores de FV y LV El sensor necesita un reloj externo para funcionar que puede ser de un máximo de 96MHz si la tensión 𝑉𝐷𝐷_𝐼𝑂=2,8𝑉. Mientras que si 𝑉𝐷𝐷_𝐼𝑂=1,8𝑉 , la frecuencia máxima es de 48MHz. Esta tasa puede dividirse internamente. En cuanto a la comunicación de la cámara con el controlados, se lleva a cabo a través de un protocolo serie controlado por la señal SCLK y la señal 𝑆𝐷𝐴𝑇𝐴 por donde entran y salen los datos. Tanto el maestro como el esclavo pueden escribir pueden escribir en esta línea. El protocolo de comunicación serie se compone de: 1) Bit de START. La línea 𝑆𝐷𝐴𝑇𝐴 se pone a 0 para indicar que empieza la comunicación. Si el bus está libre, tanto 𝑆𝐷𝐴𝑇𝐴 como SCLK están a nivel alto. 2) Dirección de esclavo. Después del bit de START, vienen los siguientes 8 bits que indican la dirección del esclavo con el que se va a establecer la comunicación. 41 41 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites 3) Bit de reconocimiento. El esclavo confirma su dirección poniendo 𝑆𝐷𝐴𝑇𝐴 a nivel bajo durante un tiempo. 4) Mensaje. Los siguientes 8 bits componen el mensaje. 5) Bit de STOP. Flanco de subida de 𝑆𝐷𝐴𝑇𝐴 mientras SCLK está a nivel alto. Sin embargo, los registros internos del MT9P031 usan datos de 16bits, por lo que se envían dos mensajes de 8 bits separados por un bit de confirmación. Por defecto, la resolución es completa llegando a una tasa de 14fps. Además, la cámara tiene distintos modos de lectura como pueden ser el skipping o el binning, que sirven para reducir la resolución, lo que nos conviene cuando no interesa estar leyendo imágenes completas. 4.2 Reguladores de tensión En la primera PCB del UFSS encontramos cuatro reguladores lineales de tensión que sirven para fijar tensiones a 1,2, 1,8, 2,8 y 3,3 V. Se han usado el regulador LM117QML que es ajustable. Tiene tres pines principales: tensión de entrada, tensión de salida y pin de ajuste; además del pin GND. Figura 4.3 Configuración LDO 1.8V En la figura 4.3 tenemos el esquemático del LDO con salida 1,8V. La entrada son los 5V a los que funciona la alimentación del sensor y la salida son 1,8V en este caso. En ambos casos se utilizan condensadores para eliminar el ruido de la señal y conseguir una tensión más estable. El pin ADJ es el usado para ajustar la tensión de salida. Para ello se usa la siguiente expresión: Calibrado y ensayos 48 48 6 CALIBRADO Y ENSAYOS Una vez completado el diseño del sensor es necesario calibrarlo para comprobar su funcionamiento y corregir algunos de los errores comentados anteriormente. 6.1 Diseño del bracket El bracket no es más que un soporte del sensor que se acopla al calibrador y que debe garantizar la estabilidad del mismo, así como, que la posición del centro óptico (en nuestro caso el centro de la cara externa del filtro) coincida con los ejes de giro de los motores del calibrador. Partimos del diseño anterior, el usado para el FDSS. Figura 6.1 Bracket FDSS El principal problema de este diseño es que el eje de giro de la base no coincide con el centro óptico de nuestro UFSS, por lo que debemos modificarlo. Para ello hemos de retrasar la zona donde se coloca el sensor hasta que el eje de giro pase por la cara externa del filtro. Esta solución pasa por hacer una especie de escalón donde se apoyará el sensor. Esto puede crear inestabilidad por la flexión del bracket, así que se han añadido dos nervios estructurales para asegurar que no se produzca este efecto. 49 49 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.2 Nervios UFSS bracket Una vez conseguida la alineación del eje de la base con el filtro, el siguiente paso es conseguir que el centro del filtro esté contenido en el eje del motor horizontal del calibrador. Esto implica ajustar la posición del UFSS en altura y posición horizontal. Como el sensor va apoyado al escalón, basta con modificar su altura para que el centro del filtro se situe a la misma que el eje. Esta dimensión la sacamos del diseño antiguo, que es de 90,5 mm, quedando el escalón a una altura de 71,3 mm respecto a la cara inferior de la base. Para ajustar la posición horizontal del sensor lo único que debemos hacer es diseñar los agujeros en los que se atornillará el UFSS de forma que este quede centrado. Es necesario que el diseño evite cualquier imprecisión en el montaje. Por esto, para ayudar a la persona que va a montar el sensor en el bracket para calibrarlo, es necesario añadir unos topes tanto en el eje vertical como en el horizontal, de forma que el sensor quede perfectamente centrado. Por la morfología de nuestro bracket, el propio “escalón” en el que irá apoyado el UFSS, nos servirá de tope en el eje vertical. Para el horizontal medimos la distancia a la que se debe colocar el sensor respecto al canto lateral, y en uno de los lados diseñamos el tope horizontal como una pequeña pared. Calibrado y ensayos 50 50 Figura 6.3 Tope horizontal bracket Con esto ya tendríamos todo listo para que el sensor se encuentre en la posición correcta. Sin embargo, es importante ver cómo unimos el bracket con el calibrador y las dificultades que se puede encontrar la persona que lo vaya a montar. En el diseño del bracket del FDSS se optó por una sujeción con cuatro tornillos, dos en la parte delantera y dos en la trasera. Por lo contrario, la configuración más usada son tres tornillos, dos delante y uno detrás. 51 51 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.4 Base bracket UFSS En este bracket tenemos la particularidad del escalón, que nos puede dar problemas a la hora de poner el tornillo trasero, ya que puede obstaculizar al destornillador. La solución por la que nos hemos decidido es hacer un rebaje que permita que la herramienta entre lo más vertical posible sin problemas. Por último, el diseño de la parte trasera debe permitir la conexión y el fácil manejo de los cables, por lo que el hueco debe ser lo suficientemente amplio. Además, para asegurar un buen apoyo de toda la superficie del UFSS, hemos hecho unas pequeñas prolongaciones para las pestañas laterales. Figura 6.5 Parte trasera bracket UFSS Calibrado y ensayos 52 52 Con todo esto el diseño del bracket está finalizado y listo para ser fabricado en plástico y, finalmente, en aluminio. Figura 6.6 UFSS calibration bracket 6.2 Adaptador para pruebas Para tener el sensor fabricado tal y como lo hemos diseñado es necesario ajustarse a los plazos de entrega de los fabricantes que, generalmente, suelen ser de varias semanas o incluso meses. Tanto el UFSS en metal como el coverglass de 800 µm de espesor con el pinhole tienen un plazo de entrega mayor que el de este trabajo. Por lo tanto, para las pruebas es necesario adaptarse a lo que podemos tener dentro de nuestras restricciones de tiempo. En nuestro caso, el UFSS y el bracket para su calibrado han sido fabricados en plástico de alta precisión, cuyo plazo de entrega es menor. Lógicamente, este material se puede usar para realizar algunas mediciones de prueba pero no para aplicaciones espaciales, donde se requiere la resistencia del aluminio, los tratamientos para la radiación, mayor precisión, etc. 53 53 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Por otro lado, para nuestras pruebas disponemos de coverglass de espesor de 2,2mm, que es mucho mayor que el que usaremos finalmente. Este cambio de espesor, afecta al diseño mecánico porque al triplicar el espesor del coverglass, el acople de la óptica diseñado ya no nos sirve. Además, el sensor final usará pegamento para fijar el coverglass con la cámara y el filtro con las pestañas inferiores. Para las pruebas de este prototipo no es conveniente pegar los elementos de la óptica por varias razones. El primer motivo es que queremos tener la posibilidad de estudiar el comportamiento del equipo para pinholes de distintos diámetros. Esto implica que tenemos que poder cambiar el coverglass de forma sencilla, por lo que no podemos pegarlo a la cámara. Otro motivo para no pegar el coverglass es que disponemos de una única PCB de prueba, ya que también se ve afectada por los plazos de fabricación y también es interesante probar su funcionamiento antes de hacer pedidos mayores. Entonces, no podemos pegar el coverglass porque la PCB quedaría inutilizada para el resto de cristales. También nos interesa cambiar el filtro porque hemos adquirido filtros de distintos niveles de atenuación. Necesitamos también una forma fácil de cambiarlo. Llegados a este punto, queremos probar la funcionalidad de nuestro sensor pero con las necesidades que hemos comentado es imposible mantener el FOV de 160º ya que el coverglass usado es muy grande y eso afecta a los cálculos ópticos. Sin embargo, el principal objetivo es tener un dispositivo funcional para hacer pruebas dentro del plazo sin importarnos el FOV. Los resultados obtenidos nos servirán para saber si nuestros cálculos previos están bien encaminados, ya que el comportamiento del dispositivo final será análogo. Teniendo en cuenta todo lo comentado previamente, surge la necesidad de diseñar un adaptador para la óptica que nos permita colocar el filtro y el coverglass con una buena sujeción y que facilite su intercambio con la idea de probar distintos pinholes y filtros de diferente atenuación. La idea principal es aprovechar la mecánica ya diseñada y añadirle una pieza de plástico que nos sirva de soporte para el sistema óptico. El adaptador se fija a la mecánica usando la pieza de sujeción del filtro ya diseñada, la cual iría en la parte superior para sujetar el filtro. Ambas van unidas al chasis con tornillos, usando los agujeros roscados ya diseñados. Calibrado y ensayos 54 54 Figura 6.7 Agujero pasante adaptador La forma del adaptador está pensada para que encaje en el hueco para la óptica de la mecánica. En el caso del modelo de pruebas, como el coverglass es muy grande, eliminamos el gap para tener un resultado más contenido en dimensiones, facilitar el diseño del apoyo de los cristales y no perjudicar demasiado al campo de visión. Al prescindir del gap, filtro y coverglas están en contacto. El contacto directo de dos cristales hay que evitarlo por seguridad, por lo que entre ellos se pondrá una junta que hará más segura esta disposición. Figura 6.8 Junta filtro-coverglass El propio filtro hará presión sobre el coverglass asegurándolo por la parte superior. Por 55 55 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites debajo, el coverglass va apoyado en unas pequeñas pestañas. Figura 6.9 Pestaña de sujeción inferior del coverglass Como el adaptador es de plástico no es necesario incluir juntas de contacto entre el cristal y el adaptador. De todas formas, se ha diseñado una junta cuadrada por si hiciera falta ponerla para elevar un poco el coverglass y asegurar que el filtro haga presión y no haya holguras que permitan el movimiento del coverglass. La junta es de 0,2mm de espesor. Figura 6.10 Junta cuadrada coverglass Por último, como una de las principales razones de la fabricación de esta pieza es facilitar el cambio de los cristales para las puebas, se ha incluido unos pequeños huecos para introducir las pinzas y que la extracción sea lo más sencilla posible. Calibrado y ensayos 56 56 Figura 6.11 Huecos de extracción en el adaptador Esta pieza solo sirve para las pruebas que se van a realizar antes de la finalización del plazo de este proyecto para comprobar la funcionalidad del sensor y ver si el comportamiento se corresponde con nuestros estudios teóricos. Como no tiene una finalidad industrial, no es necesario que cumpla exigencias mecánicas ni de gran precisión. Por lo tanto, no será fabricada en metal ni con un proceso de especial precisión, sino en resina con la impresora 3D de SolarMEMS con un buen acabado. Figura 6.12 Parte superior del adaptador 57 57 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.13 Parte inferiror del adaptador Figura 6.14 Adaptador en el sensor 6.3 Análisis óptico del equipo de pruebas El uso de un coverglass de 2,2mm de espesor y la necesidad de ir cambiando los cristales para distintas pruebas, influyen en los cálculos ópticos del apartado 3.2. Al disponer los elementos ópticos de una forma distinta, tenemos que volver a hacer unos Calibrado y ensayos 64 64 Figura 6.19 Foto en simulador solar En las imágenes anteriores vemos una foto hecha al sol, en una prueba de exterior colocando el sensor en un trípode (figura 6.19), y una foto hecha en el simulador solar que hay en la sala blanca de Solar Mems (figura 6.20). En las primeras fotos que se tomaron se podía ver claramente un problema de saturación, entraba demasiada luz, lo que dificultaba el trabajo del sensor a la hora de detectar el sol. Esto sucedía porque la pieza de acople de la óptica para el dispositivo de pruebas está hecha en una resina transparente, y había zonas por las que entraba la luz al sensor. Tapando los bordes de la óptica con un poco de cinta se consigue un resultado aceptable, mejorando mucho la imagen, sobre todo por los bordes, donde había demasiada claridad. Otro problema que pudimos observar era la aparición de reflejos del sol. Si nos fijamos en la figura 6.19, podemos ver cómo cerca del sol hay dos o tres reflexiones del mismo. Solucionar este problema no es tan sencillo, sin embargo, jugando con los parámetros de la foto, se consigue que el efecto sea menor y que no llegue a afectar demasiado en el cálculo del centroide. El motivo de estas reflexiones puede ser, muy probablemente, por problemas de refracción de la luz en el filtro y en el coverglass, causados por algunos de los fenómenos no ideales mencionados en el apartado 3.4. Por otro lado, en las primeras imágenes observamos que en la zona central del sol aparecía una zona más oscura que sí podía afectar a la hora de calcular el centroide. El parámetro de exposición nos permite eliminar parte del problema, aunque habría que hacer un estudio para ver qué origina este efecto y poder solucionarlo adecuadamente. Este problema es importante a la hora de poner el sensor a trabajar, porque el algoritmo que calcula el centroide no da buenos resultados cuando el sol se ve como un anillo en vez de como un círculo o elipse. La aparición de esta zona central más oscura no es debida a nada relacionado con el sensor sino con la fuente de luz. El haz de luz que recibe el sensor no es colimado, sino que tiene una cierta difusión. 65 65 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.21 Esquema explicativo de la zona oscura La difusión de la fuente de luz hace que el haz tenga un cierto ángulo, concentrando la radiación en la zona externa del pinhole. En la figura 6.21 se ha querido explicar mediante un esquema. En la derecha de la imagen tenemos la fuente de luz, que genera rayos que pasan por el pinhole hasta llegar a la cámara. En la figura se representan los rayos que pasan por el borde del pinhole, ya que estos son los que delimitan la zona de más luz. A la izquierda de la imagen se ha representado el perfil de radiación. Si lo observamos, vemos que en las zonas laterales el perfil es más alto, mientras que en la zona central hay un valle. Este valle explica la zona más oscura en el centro. Además de estos problemas ópticos, aparecieron algunos como el reseteo aleatorio del sensor y errores de comunicación, que finalmente resultaron ser causados por un montaje mejorable de los cables de programación. Una vez solventados lo mejor posible los problemas mencionados, nos disponemos a hacer los ensayos para ver cómo es el comportamiento del UFSS. Finalmente, las pruebas se han hecho en el simulador solar de la sala blanca de Solar Mems. El motivo de hacer los ensayos aquí es que trabajar con el simulador es, además de sencillo, bastante práctico a la hora de colocar el sensor en una posición determinada. El hecho de que sea un equipo de sala blanca nos aporta también unas condiciones luminosas bastante buenas y un ambiente controlado que no afectará al comportamiento del equipo. Perfil de radiación Calibrado y ensayos 66 66 Figura 6.22 Foto trasera simulador 67 67 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.23 Foto delantera simulador En la figura 6.21 vemos la parte trasera del sensor ya colocado dentro del simulador. La lámpara del fondo es la que hace laas veces de sol, alumbrando el sensor para que este funcione. Por la parte trasera del sensor vemos los cables de programación, comunicación y alimentación, que estan conectados al portátil para que podamos manejar el sensor usando la interfaz de pruebas descrita en el apartado 5.13. En la figura 6.22 podemos ver mejor cómo está colocado el sensor en el simulador. El bracket de calibrado se atornilla en una base motorizada que nos permite girar en los ejes x e y el ángulo que pongamos en el ordenador que está conectado al simulador. 6.4.1 Pruebas y resultados El ensayo principal consiste en colocar el sensor en unas combinaciones de ángulos determinadas, calcular el centroide y, usando la expresión 36, calcular el ángulo estimado para poder compararlo con el real. En este punto, es importante recordar que el software de detección de centroides usado en el UFSS es el mismo que el del Star Tracker, por lo que, generalmente, el sistema detectará varios centroides. Modificando la configuración del sensor podemos conseguir que sólo se calcule un centroide. Calibrado y ensayos 68 68 El UFSS genera un documento de texto donde se recogen las coordenadas de los centroides calculados en píxeles. Este dato no es el que nosotros usamos finalmente en los cálculos porque el sistema de referencia de la cámara es distinto al de nuestro sensor (ver figura 6.24). Nuestra referencia se encuentra en el centro de la cámara, mientras que la del MT9P031 está en la esquina superior izquierda, por lo tanto, el píxel (0,0) no se encuentra en el origen de nuestro sistema de referencia. El centro geométrico de la cámara está en el píxel (1296, 972), sin embargo, nuestra referencia se situará en el centroide calculado por el sensor para la posición inicial, donde el ángulo en x e y del calibrador es 0º. Solo en el caso ideal el centroide coincidirá con el centro geométrico de la cámara. Tabla 5 Prueba en (0,0) x y 718,2 987,3 718,2 987,3 719,2 985,2 722,9 983,5 722,9 983,5 722,6 983 725,2 977,1 725,2 977,1 718,3 976,3 721,4 982,3 Como vemos en la tabla 5, para la posición inicial se han tomado varias medidas a las que finalmente se les ha calculado el promedio. El resultado obtenido es: X = 721,4 Y = 982,3 x y Figura 6.24 Sistema de referencia 69 69 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Este centroide difiere del centro geométrico como ya adelantábamos. Esto puede deberse principalmente a que el pinhole no se encuentra exactamente en el centro, que el haz de luz no sea exactamente de 0º, que el rayo no es colimado, etc. Es interesante hacer un estudio de repetitividad, porque si el resultado del sensor no es exacto pero sí es preciso (para una posición dada, todas las medidas dan valores muy similares), la corrección es sencilla. Una forma rápida y sencilla de hacer este estudio es calculando la desviación típica de las medidas. Una desviación típica alta significa que los datos tienen una dispersión importante, lo que significaría que el comportamiento del sensor no es aceptable. Si la desviación típica es baja, los resultados arrojados por el UFSS son muy similares cuando repetimos las medidas, por lo que la precisión del sensor es buena. La desviación típica de esta primera prueba es: 𝜎𝑥=2,95º 𝜎𝑦=4,36º Los valores no son altos, pero podrían ser mejores. Volvemos a tomar varias medidas en distintas posiciones. Hemos recorrido el eje x, tomando medidas en intervalos de 2,5º. Los resultados esperados deben mantener un valor constante para la coordenada y, mientras que la x irá variando de forma lineal. El procedimiento es exactamente igual que para la posición inicial. Para una posición determinada, tomamos un conjunto de medidas, hacemos el promedio y calculamos la desviación típica para ver la dispersión de los datos. Calibrado y ensayos 70 70 Tabla 6 Pruebas Ángulo Promedio de x Promedio de y Desviación típica x Desviación típica y -22,5 1455,8 944,8 2,66 7,76 -20 1358,7 950,1 0,97 1,01 -17,5 1301,4 942,6 3,44 0,67 -15 1193,6 949,8 2,20 4,50 -12,5 1122,1 951,7 1,95 4,20 -10 1043,9 954,2 2,20 3,11 -7,5 962,7 958,6 1,18 3,87 -5 882,1 961 3,23 4,91 -2,5 800,8 968 2,65 3,81 0 721,4 982,3 2,95 4,36 2,5 643,2 949,3 2,14 1,67 5 561,1 946,7 2,23 3,50 7,5 484,1 951,2 1,65 2,20 10 402 948,1 2,00 3,21 12,5 320,3 954 1,19 3,57 15 241,7 956,2 3,03 4,10 17,5 157,1 951,9 2,15 3,18 71 71 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.25 Promedio coordenada x Figura 6.26 Promedio coordenada y 721,4 800,8 882,1 962,7 1043,9 1122,1 1193,6 1301,4 1358,7 1455,8 643,2 561,1 484,1 402 320,3 241,7 157,1 R² = 0,9998 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Píxeles Ángulo en grados Promedio coordenada x 982,3 968 961 958,6 954,2 951,7 949,8 942,6 950,1 944,8 949,3 946,7 951,2 948,1 954 956,2 951,9 R² = 0,0321 940 945 950 955 960 965 970 975 980 985 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Píxeles Ángulo en grados Promedio coordenada y Calibrado y ensayos 72 72 En la tabla 6 se recogen los resultados obtenidos al hacer un barrido en el eje x. En las figuras 6.25 y 6.26 se ha representado gráficamente el promedio de las medidas tomadas en cada una de las posiciones para poder estudiar la tendencia. Como vemos, la coordenada x tiene un comportamiento bastante lineal, ciñéndose muy bien a la línea de tendencia y dejando un error cuadrático medio muy cercano a 1. En cambio, el comportamiendo de la coordenada y no es tan bueno, puesto que los valores no se acercan tanto a la línea de tendencia, dejando un error cuadrático medio mucho peor. En cuanto a la repetitividad de las medidas no sacamos grandes conclusiones, el comportamiento es un poco aleatorio y no se aprecia relación con la posición del sensor. En general, la coordenada y tiene una mayor dispersión en comparación con la coordenada x. En el estudio de la dispersión de los datos es muy utilizado el 3σ, ya que el 99.7% de las medidas estarán comprendidas en el intervalo (µ−3σ,µ+3σ). Por último, es interesante estudiar lo cerca que está el ángulo calculado a partir del centroide, con respecto al ángulo referencia de la posición del sensor en el calibrador. Para ello, implementamos el estudio de la óptica en MATLAB, con esto calculamos el ángulo y podemos comparar con la referencia. Sin embargo, esto es posible porque en estas pruebas sólo se ha barrido un eje y, en teoría, de los dos ángulos que debe calcular nuestro sensor (uno para cada eje) uno será nulo y el otro será el propio ángulo. En cambio, de forma general habría que realizar una comparación de ángulos para cada eje, de forma que tendríamos que descomponerlo. 73 73 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Figura 6.27 Código de implementación del análisis óptico Con este código calculamos en grados el ángulo a partir de la posición del centroide. Tabla 7 Comparación ángulos y error absoluto Ángulo referencia Ángulo calculado Error absoluto -20º -24.04º 4.04º -15º -18.09º 3.09º -10º -12.50º 2.5º -5º -6.30º 1.30º 5º 6.38º 1.38º 10º 12.40º 2.40º 15º 18.36º 3.36º Como vemos en la tabla 7, el error absoluto es mayor cuando nos alejamos del centro de la cámara, esto concuerda con lo esperado porque el comportamiento del UFSS es peor cuanto más Apéndice A: planos 80 80 81 81 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Apéndice A: planos 82 82 83 83 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Apéndice A: planos 84 84 85 85 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Apéndice A: planos 86 86 87 87 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites Apéndice A: planos 88 88 89 89 Diseño y desarrollo de un sensor solar ultra-preciso empleando procesamiento de imagen para sistemas de control de orientación de satélites