Modelling and Design of a Control System for a Laser Communication System on UAV Platforms

Abstract

This thesis presents the modelling and design of a control system for a laser communication terminal on UAV platforms. It was written in collaboration with Cucuyo GmbH, whose P-100 terminal is used for the experimental work. However, the chosen methods can also be applied to similar systems that employ 2-axis gimbals and beam steering mirrors. This thesis explores different modeling approaches for control design and discusses their limitations when applied to real systems. Frequency response analysis is performed on the coarse pointing assembly to design a suitable PI controller and filter combination to ensure stability in varying conditions. The combined dynamics of the coarse pointing assembly and the fine pointing assembly are compared against expected platform disturbances to verify that the system can reach the set performance goals. Possible improvements to the P-100 terminal and the control system design procedure are also discussed.

Tässä työssä suunniteltiin ja mallinnettiin säätöjärjestelmä miehittämättömiin ilma-aluksiin tarkoitettua laserkommunikaatiojärjestelmää varten. Tämä työ on kirjoitettu yhteistyössä Cucuyo GmbH kanssa. Cucuyo GmbH on Saksassa toimiva start-up, jonka P-100 laserkommunikaatiojärjestelmä on työn käytännön osuuden keskiössä. Siitä huolimatta työssä käytettyjä menetelmiä voi soveltaa myös muihin järjestelmiin, jotka hyödyntävät kahden vapausasteen vakaajia ja jännitteellä ohjattavia peilejä lasersäteiden suuntaamiseen. Tässä työssä tutkitaan eri mallintamismenetelmiä ja niiden rajoituksia oikeita järjestelmiä mallinnettaessa. Karkean suuntausjärjestelmän (engl. coarse pointing assembly) taajuusvaste mitataan ja sitä hyödynnetään sopivan PI säätimen ja suodattimen suunnittelussa. Karkean suuntausjärjestelmän ja hienosuuntaimen (engl. fine pointing assembly) yhdistettyä vastetta verrataan oletettuihin ilma-aluksen tuottamiin häiriöihin, jotta voidaan varmistaa säätimen ja yhdistetyn järjestelmän toimivuus suunnitellussa käyttöympäristössä. Työn lopussa käydään läpi myös mahdolliset parannusehdotukset P-100 laserkommunikaatiojärjestelmään, ja säätöjärjestelmän suunnittelumenetelmän toimivuutta arvioidaan.