Design, development and integration of an attitude control system using custom reaction wheels for a HIL CubeSat simulator

In recent years, the deployment of small satellites, particularly CubeSats, has grown exponentially. However, their persistently high failure rates highlight the challenges of testing complex systems in their actual operational environment—space. Hardware-in-the-loop (HIL) simulations offer a promising solution, enabling comprehensive and cost-effective system-level testing to improve mission reliability. This thesis builds on previous work within the EXTREMA Simulation Hub (ESH), a facility dedicated to integrated guidance, navigation, and control (GNC) system simulations for deep-space CubeSats. The primary focus is the development of an advanced attitude control system through the design and integration of custom reaction wheels. Expanding on a foundation of pre-selected components identified by the original project team and the DART laboratory, this work emphasizes optimizing hardware integration and refining control logic to enhance system accuracy and robustness. The project began with the 3D CAD design phase, defining the system layout and designing bespoke flywheels. A preliminary control script was developed in MicroPython to validate the hardware's functionality. Subsequently, it was rewritten in C to optimize performance and reduce resource consumption. A robust control system was developed, allowing users to execute precise commands via any OBC or computer to control the wheel system. Once the custom flywheels and additional hardware were manufactured, assembled, and mounted, the system was scaled up from managing a single wheel to controlling an array of four wheels. Rigorous testing was performed under diverse conditions to validate the system’s performance. This work significantly enhances the ESH platform by advancing its hardware integration and control strategies, paving the way for more reliable and precise attitude simulations for CubeSats during interplanetary missions.

Negli ultimi anni, il lancio di piccoli satelliti, in particolare i CubeSat, è cresciuto esponenzialmente. Tuttavia, i loro tassi di fallimento persistentemente elevati evidenziano le difficoltà nel testare sistemi complessi nel loro effettivo ambiente operativo: lo spazio. Le simulazioni Hardware-in-the-loop (HIL) offrono una soluzione promettente, consentendo test a livello di sistema completi e convenienti per migliorare l'affidabilità delle missioni. Questa tesi si basa su lavori precedenti svolti all'interno dell'EXTREMA Simulation Hub (ESH), una struttura dedicata alle simulazioni integrate di sistemi di guida, navigazione e controllo (GNC) per CubeSat destinati a missioni nello spazio profondo. L'obiettivo principale è lo sviluppo di un avanzato sistema di controllo d'assetto attraverso la progettazione e l'integrazione di ruote di reazione su misura. Partendo da una base di componenti preselezionati identificati dal team di progetto originale e dal laboratorio DART, questo lavoro si concentra sull'ottimizzazione dell'integrazione hardware e sul perfezionamento della logica di controllo per migliorare la precisione e la robustezza del sistema. Il progetto è iniziato con la fase di progettazione CAD 3D, in cui sono stati definiti il layout del sistema e progettati i volani su misura. Un primo script di controllo è stato sviluppato in MicroPython per verificare la funzionalità dell’hardware. Un primo script di controllo è stato sviluppato in MicroPython per verificare la funzionalità dell’hardware. Successivamente, è stato riscritto in C per ottimizzare le prestazioni e ridurre l’occupazione di memoria. È stato sviluppato un sistema di controllo robusto, che consente agli utenti di eseguire comandi precisi tramite qualsiasi OBC o computer per gestire il sistema di ruote. Una volta fabbricati, assemblati e montati i volani personalizzati e gli altri componenti hardware, il sistema è stato scalato da una singola ruota ad un sistema di quattro. Sono stati condotti test rigorosi in diverse condizioni per convalidare le prestazioni del sistema. Questo lavoro migliora significativamente la piattaforma ESH avanzando nell'integrazione hardware e nelle strategie di controllo, aprendo la strada a simulazioni d'assetto più affidabili e precise per CubeSat impegnati in missioni interplanetarie.