Progetto, modellazione e controllo attivo di un prototipo per un esperimento a bordo della stazione spaziale internazionale

Capitolo 1. Introduzione 
 
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Capitolo 1.  
Introduzione 
I processi biologici umani risultano essere influenzati, in maniera più o meno significativa, 
dal fatto che la vita sulla Terra si è sviluppata in un ambiente caratterizzato dalla presenza 
della forza di gravità; per meglio comprendere i meccanismi biologici umani sono stati 
condotti studi volti all’approfondimento di questa interazione. Nell’ottica di future 
esplorazioni spaziali e di missioni a lungo termine, questo diviene di vitale importanza, ma 
anche l’apporto che le nuove conoscenze porterebbero nella lotta a malattie e disfunzioni del 
corpo umano non è trascurabile.  Il 17 Aprile 1998 lo Space Shuttle Columbia è stato lanciato 
con a bordo Neurolab, un laboratorio all’interno del modulo pressurizzato Spacelab; la 
missione aveva come scopo lo studio del sistema nervoso umano  e degli effetti dell’assenza 
di gravità sul suo funzionamento. Per questa missione sono stati scelti ventisei diversi 
esperimenti, suddivisi in otto categorie ([1] , [2]): 
 
 ξ  Studio del sistema nervoso autonomo: poiché circa il 60% degli astronauti presenta, 
dopo una missione, temporanei malfunzionamenti del sistema cardiovascolare, è 
necessario studiare il ruolo del sistema nervoso centrale nella regolazione della 
pressione del sangue e del battito cardiaco. 
 
 ξ  Studio del sistema motorio: il sistema nervoso utilizza la gravità come riferimento per 
coordinare azioni anche semplici come afferrare un oggetto, mentre in assenza di essa 
deve adattarsi alla nuova situazione. Gli esperimenti sono volti a studiare 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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l’adattamento del sistema motorio all’ambiente di microgravità e gli effetti che ha su 
di esso il ritorno ad una condizione di gravità terrestre. 
 
 ξ  Studio del sonno: i test si prefiggono di esaminare le correlazioni tra ambiente di 
microgravità e l’insonnia mostrata da alcuni astronauti. 
 
 ξ  Studio dello sviluppo del sistema nervoso dei mammiferi: i test sono effettuati su 
cavie per indagare lo sviluppo del sistema nervoso centrale in assenza di gravità, in 
quanto prove sempre più numerose dimostrano come esso sia pesantemente 
influenzato dalla gravità. 
 
 ξ  Studio dell’adattamento alla microgravità del sistema nervoso centrale: serie di 
esperimenti volti allo studio dell’adattamento delle tre principali aree del cervello 
(vestibolare, motoria, circadiana) in ambiente di microgravità; la capacità o meno di 
adattarsi al nuovo ambiente causa un’alterazione dei ritmi biologici, del controllo 
dell’equilibrio e del movimento. 
 
 ξ  Studio del comportamento del sistema di percezione della gravità: vengono analizzate 
le interconnessioni tra il cervello e gli otoliti, i sensori di gravità. Gli studi sono 
condotti sui pesci, i quali presentano un sistema nervoso molto semplice. 
 
 ξ  Neurobiologia: gli esperimenti si prefiggono di verificare quanto del normale sviluppo 
di un mammifero è pre-programmato nel codice genetico e quanto, invece, dipende 
dall’ambiente esterno e, in particolare, dalla presenza della forza di gravità. 
 
 ξ  Studio del sistema neuro-vestibolare: in assenza di gravità, anche dopo un periodo di 
adattamento, gli astronauti continuano ad avere difficoltà di equilibrio fino ad un loro 
rientro in un ambiente con gravità. Lo scopo degli esperimenti è l’analisi del 
comportamento del cervello in queste situazioni, tramite lo studio del movimento 
oculare. 
 
Di quest’ultimo gruppo di esperimenti fa parte il Visual and Vestibular investigation 
system(VVIS). 
1.1 VVIS: Visual and Vestibular Investigation System 
E’ dimostrato che, dopo una permanenza nello spazio di alcuni giorni, il sistema vestibolare si 
adatta alle condizioni di microgravità a tal punto che, per gli astronauti, al rientro sulla Terra 
si rende difficile sia mantenere l’equilibrio che camminare. Per analizzare i cambiamenti che 
intercorrono nell’apparato vestibolare e come il cervello ne reinterpreti i segnali in ambiente 
di microgravità si è utilizzato VVIS. Gli esperimenti sono volti all’analisi dell’orecchio 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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interno [3], che è infatti la sede del labirinto vestibolare (Figura 1-1), costituito da due tipi di 
strutture con funzioni diverse: 
 
 ξ  Canali semicircolari: strutture sensibili alle accelerazioni angolari dovute al moto 
della testa. 
 
 ξ  Organi otolitici: strutture sensibili alle accelerazioni lineari. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1-1: Il labirinto vestibolare 
 
L’insieme dei canali semicircolari e degli otoliti costituisce dunque una centrale inerziale, il 
cui scopo è anche quello di individuare la direzione della forza di gravità al fine di utilizzarla 
come riferimento per capire quale sia l’inclinazione della testa oltre che misurare 
“l’immobilità”, nel senso di determinare la verticale soggettiva quando si è fermi. 
L’esperimento consiste nel sottoporre il soggetto ad una accelerazione centrifuga di 1g in 
ambiente di microgravità. Il soggetto allo stesso tempo non può percepire l’ambiente che lo 
circonda in modo tale che ogni informazione sul movimento sia dipendente solo dall’apparato 
vestibolare. Tutto ciò è ottenuto mediante centrifugazione a velocità costante e misura del 
movimento oculare; studi effettuati a terra hanno infatti provato che il movimento oculare è 
direttamente correlabile a ciò che avviene nell’orecchio interno. 
Il soggetto, tramite l’apparato vestibolare, percepisce bene l’inizio e la fine della rotazione, 
ma nella fase a velocità costante, il cervello non interpreta correttamente i segnali provenienti 
dall’orecchio interno, decodificando la condizione di rotazione come una sensazione di spinta 
laterale, simile a quella provata da una persona seduta inclinata in presenza di gravità. Gli 
esperimenti sono volti ad analizzare mediante registrazione del movimento oculare come il 
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cervello interpreti questa nuova situazione e come vi si adatti. Studi effettuati sulla terra, 
hanno dimostrato, inoltre, l’influenza della gravità sul movimento degli occhi per seguire 
figure in movimento; pertanto nell’esperimento sono stati utilizzati stimolatori luminosi per 
esaminare tale fenomeno in microgravità. La misura del movimento oculare durante la 
rotazione permette, dunque, di valutare quanto l’orientamento spaziale degli astronauti 
cambia in queste condizioni e di come  si modifica il modo di lavorare dell’ apparato 
vestibolare; i risultati ottenuti sono confrontati con prove pre-volo. Il dispositivo di test 
utilizzato nella missione è il VVIS. 
 
1.1.1 Configurazione del dispositivo VVIS 
Il dispositivo (Figura 1-2) che ha permesso la realizzazione dell’esperimento è composto da 3 
sottosistemi principali: 
 
1. Il BRD (Body Rotating Device), progettato e realizzato dalla Carlo Gavazzi Space, il 
vero e proprio sistema rotante costituito da una sedia posta in rotazione. 
2. Apparecchiature visive, costituite da: 
 ξ  EMRS (Eye Movement and Recording System) che si occupa della 
misurazione e della registrazione del movimento degli occhi. 
 ξ  ESS (Eye Stimulation System) che si occupa della stimolazione ottica. 
3. Elettronica e sistema di controllo ECS (Experiment Control System), sistema dedicato 
per la gestione e sincronizzazione dell’esperimento. 
 
 
       
a)                        b) 
Figura 1-2: a) dispositivo VVIS- b) dispositivo VVIS in rotazione 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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1.2 Nuovi requisiti per l’utilizzo del VVIS a bordo della stazione spaziale 
internazionale (ISS) 
L’ interesse dell’ESA (European Space Agency) per i risultati ottenuti dagli esperimenti svolti 
a bordo dello Shuttle è tutt’ora elevato; essi hanno mostrato inoltre la necessità di dover 
effettuare test per un tempo prolungato, in quanto la durata degli esperimenti è risultata essere 
un fattore determinante per l’interpretazione dei dati. In questa ottica si è deciso di utilizzare 
l’apparato VVIS a bordo del modulo Columbus (Figura 1-3) della stazione spaziale 
internazionale (ISS). 
 
 
Figura 1-3: Modulo Columbus 
 
La diversità tra l’ambiente della ISS e quello dello Shuttle, oltre alle differenti condizioni 
d’uso, porta ad introdurre nuovi requisiti di progetto che si possono riassumere in tre gruppi 
principali ( [2], [3], [5], [6]): 
 
1. Flessibilità di utilizzo: per un impiego prolungato ed efficiente è necessario che il 
VVIS possa essere utilizzato da tutti i componenti degli equipaggi che si 
avvicenderanno sulla ISS durante la campagna sperimentale. 
 
2. Inviluppi statici e dinamici della struttura: il posizionamento nel corridoio del 
Columbus impone due diversi limiti all’inviluppo del VVIS. Il primo è da applicarsi 
quando il VVIS non è utilizzato, il secondo nella fase di rotazione. 
 
3. Disturbi all’ambiente di microgravità: il requisito più stringente è quello di non 
eccedere i limiti esistenti sui disturbi all’ambiente di microgravità [7]. Questo si 
traduce in un limite sull’ampiezza in frequenza delle forze scambiate tra il VVIS e la 
struttura del rack a cui è collegato. 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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Dall’analisi dei nuovi requisiti [2], emerge che il disturbo all’ambiente di microgravità è 
dovuto alle forze scaricate dalla struttura del VVIS a causa dello sbilanciamento della parte 
rotante; su ognuno dei quattro piedi di supporto sono scaricate forze e coppie e poiché il 
VVIS è vincolato al pavimento in modo iperstatico, l’entità di queste forze e coppie dipende 
dalla deformabilità della struttura. Tale sbilanciamento è risultato critico da eliminare 
principalmente  a causa della flessibilità di utilizzo del VVIS con a bordo soggetti differenti 
tra loro le cui caratteristiche non sono note a priori e mutano sensibilmente con la permanenza 
in orbita.  
La variazione delle caratteristiche dinamiche del VVIS è dovuta anche all’utilizzo nelle tre 
diverse configurazioni REO (Right Ear Out), LEO (Left Ear Out) e LOB (Lying on the Back): 
le prime due sono simmetriche tra loro mentre  rispetto alla LOB vi è una grande differenza 
per quanto concerne l’escursione del baricentro e la variazione dei momenti di inerzia. 
Alla luce di queste considerazioni il dispositivo BRD è stato riprogettato [2], assumendo nella 
nuova configurazione (si veda la Figura 1-4) il nome di SOAR (Station Off Axis Rotator). 
Come è possibile vedere dalla Figura 1-4, nella nuova struttura del BRD compaiono  nuovi 
elementi, precisamente delle masse in grado di muoversi lungo una slitta e introdotte allo 
scopo di raggiungere, nelle varie configurazioni, il bilanciamento statico e dinamico della 
struttura.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1-4: SOAR: Station Off Axis Rotator e struttura di bilanciamento  
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La prima massa, la più esterna, ha tre gradi di libertà; la seconda ha un solo g.d.l. e si muove 
di moto orizzontale, in direzione perpendicolare all’asse longitudinale della trave rotante. 
La piattaforma di supporto è costituita da una struttura cava in alluminio a doppia coda di 
rondine. Su questa appoggia il motore con rotore e statore, entrambi in acciaio. La sedia è 
costituita da una struttura reticolare a cui sono collegate le apparecchiature visive ed è 
sostenuta da un braccio in alluminio; lo snodo tra le due parti consente di ottenere le tre 
diverse configurazioni: LEO, REO e LOB. Per sostenere il sistema di movimentazione delle 
masse è stata introdotta una trave cava in alluminio che funge anche da supporto per 
l’elettronica di controllo. 
 
1.2.1 Realizzazione del prototipo in scala di SOAR 
Dalle considerazioni esposte nella sezione precedente, emerge la necessità di sviluppare un 
sistema di controllo per il contenimento, entro limiti accettabili delle forze che il dispositivo 
rotante scarica a terra. Tale sistema dovrà agire sulle masse mobili (variabili di controllo) e 
farà uso, come segnale in retroazione, delle forze scaricate dalla struttura, che diventano così 
le misure del sistema di controllo.  
L’esigenza di sviluppare e validare tecniche di controllo per l’attenuazione delle componenti 
in frequenza delle forze scaricate a terra dalla struttura ha portato alla necessità di progettare 
e, in seguito, realizzare un prototipo in scala del dispositivo SOAR. Tale prototipo è stato 
definito in una Tesi precedente [3] e, all’interno dello studio, è stato sviluppato un modello 
semplice che riproducesse le caratteristiche significative del dispositivo SOAR. La 
configurazione LEO/REO è stata scelta come riferimento in quanto è la configurazione per 
cui il baricentro delle parti messe in rotazione è più esterno; questo comporta che la struttura 
sia sollecitata maggiormente, risultando infatti maggiore la forza centrifuga e quindi le forze 
scaricate al suolo.  
Le singole parti del modello di SOAR sono state riprodotte nel  prototipo per mezzo di 
elementi molto più semplici, come si può vedere dalla Figura 1-5. 
La sedia, l’androide e i dispositivi ottici costituenti il carico sono stati modellati mediante un 
cilindro cavo in alluminio. Il sostegno della sedia e quello del sistema di movimentazione  e 
supporto delle masse di bilanciamento sono riuniti in un unico elemento costituito dalla trave 
superiore. La massa di bilanciamento più esterna, che nel modello in scala 1:1 di SOAR aveva 
3 g.d.l., è qui rappresentata da una massa, denominata massa longitudinale, con un unico 
grado di libertà (traslazione parallela alla trave superiore) [3], la struttura di supporto e la 
guida di scorrimento della massa sono modellate in via semplificata. La seconda massa, 
denominata massa trasversale, è libera di muoversi in direzione perpendicolare alla prima. 
L’elettronica per il controllo del moto delle masse è rappresentata da un parallelepipedo 
avente una massa indicativa della massa effettiva dell’elettronica. Il gruppo motore è 
costituito da due cilindri rappresentanti il rotore e lo statore a cui è aggiunto un contrappeso 
per riprodurre la posizione del baricentro complessivo, che nel modello di SOAR risulta 
essere non perfettamente centrato. La piattaforma di supporto, infine, è stata modellata con un 
elemento a forma di parallelepipedo, che ne rispetti gli ingombri e la massa; su tale 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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basamento, vincolato a terra da quattro incastri (piedini) posti negli spigoli, sono stati 
posizionati due correnti con sezione a L. 
 
 
 
Figura 1-5: Prototipo in scala di SOAR 
 
Per il corretto dimensionamento delle parti del prototipo è stato utilizzato il metodo di 
scalatura di Froude che permette di riprodurre le caratteristiche dinamiche salienti della 
struttura, fissando come fattore di scala S=3; tale opzione ha permesso una notevole riduzione 
degli ingombri e delle masse. 
E’ stato inoltre necessario, riprodurre la deformabilità della struttura. Per far questo, pur 
mantenendo una certa semplicità nella struttura, si è deciso di modellare come flessibili solo 
due componenti: la trave superiore e il basamento. Tale scelta trova giustificazione nel fatto 
che una loro deformazione coinvolge le rimanenti parti del modello. 
Sulla base di tali premesse è stato sviluppato un modello multicorpo integrato con analisi ad 
elementi finiti su cui provare il sistema di controllo, e da cui partire come riferimento per la 
realizzazione di un prototipo reale del modello in scala di SOAR. 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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1.2.2 Sistema di controllo 
Lo scopo del sistema di controllo, studiato in [4], è quello di attenuare gli effetti delle forze e 
delle coppie generate dalle parti rotanti sulle forze scambiate tra la struttura e i suoi supporti. 
Le variabili di controllo utilizzate sono le masse mobili mentre le misure utilizzabili sono le 
misure delle singole forze nei piedini di supporto. Dalle simulazioni effettuate sul modello 
ridotto si è ricavato che le forze da attenuare presentano una componente principale alla 
frequenza di rotazione di SOAR; si è quindi deciso di sviluppare l’algoritmo di controllo 
basandosi su tecniche di attenuazione di disturbi periodici. 
Il sistema di controllo è costituito da un anello interno il quale provvede ad un accurato 
posizionamento delle masse di controllo e da un anello esterno che provvede al calcolo della 
posizione che le masse devono assumere. L’anello interno è stato sviluppato basandosi sui 
controllori PID, mentre per l’anello esterno si è adottata una tecnica usata soprattutto in 
campo elicotteristico per la riduzione delle vibrazioni e conosciuta in letteratura come HHC 
(Higher Harmonic Control). 
1.3 Struttura del lavoro 
Partendo dal prototipo in scala studiato e progettato in [3], il presente lavoro di tesi ha come 
obiettivi: 
 
 ξ  Definire una configurazione del prototipo realizzabile con componenti commerciali 
effettivamente reperibili sul mercato. 
 ξ  Realizzare un modello multicorpo raffinato, basandosi sulla nuova configurazione e 
modellando accuratamente tutti quei componenti la cui dinamica può influire sui 
risultati finali. 
 ξ  Provare il sistema di controllo sviluppato in [4] sul nuovo modello, verificandone il 
funzionamento sia in condizioni di microgravità che con gravità terrestre. 
 ξ  Valutare la configurazione del prototipo fornendo spunti per eventuali sviluppi in 
relazione agli obiettivi di controllo. 
 
Nei diversi capitoli del presente lavoro vengono trattati ed approfonditi i seguenti argomenti: 
 
 ξ  Capitolo 2: si individuano i componenti più adatti alla realizzazione del prototipo in 
scala di SOAR ed in funzione di viene affrontato il progetto dettagliato di quelle parti 
che fino ad ora sono state semplicemente schematizzate. Risultato finale è la 
realizzazione dei disegni costruttivi del modello in scala di SOAR. 
 
 
 
Capitolo 1. Introduzione 
 
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 ξ  Capitolo 3: nel corso del capitolo si procede alla realizzazione del nuovo modello 
multicorpo, verificando i vincoli imposti dalla scalatura, compatibilmente con 
l’esigenza di utilizzare dei componenti commerciali e introducendo la necessità di 
modellare più accuratamente il comportamento del motore adibito alla rotazione e 
degli attuatori per le masse di controllo, al fine di indagare come la loro dinamica si 
ripercuota sulle forze scaricate sui supporti. 
 
 ξ  Capitolo 4: nel corso del capitolo si forniscono i risultati teorici presenti in letteratura, 
inerenti alla modellazione del comportamento elettromeccanico dei motori brushless. 
Si applica poi la teoria per la realizzazione di un modello numerico e successivamente 
di un modello multicorpo del motore brushless da integrare nel prototipo. Basandosi 
sull’analisi di tali modelli viene sviluppata una legge di controllo per la regolazione 
della velocità di rotazione del motore. 
 
 ξ  Capitolo 5: si affronta la modellazione degli attuatori delle masse di controllo, 
caratterizzati dall’avere dei motori passo-passo; si fornisce una linea teorica per la 
modellazione della dinamica di questi motori su cui è sviluppata anche la logica di 
controllo e pilotaggio 
 
 ξ  Capitolo 6: vengono riportati i risultati ricavati dalle simulazioni in ambiente di 
microgravità confrontati con quelli ottenuti con gravità terrestre, effettuati utilizzando 
il sistema di controllo studiato in [4].  
 
 ξ  Capitolo 7: si presentano le conclusioni del lavoro e gli sviluppi futuri che questo può 
avere.