Design e implementazione di un sistema di controllo attivo per la stabilizzazione dell’assetto di razzi sonda

This thesis addresses the development and implementation of an active control system for the attitude stabilization of sounding rockets, aimed at improving flight stability, particularly during the initial acceleration phase, in the presence of aerodynamic disturbances and vehicle asymmetries. A physical–mathematical model of the rocket dynamics is developed in the Simulink environment, based on a two-degree-of-freedom representation of the system, including rigid-body motion and the main aerodynamic effects associated with rotation about the vehicle’s principal axis. Based on this model, an active control strategy is designed to minimize the angular velocity about the rocket’s longitudinal axis. The controller is implemented and tested within a simulation environment that accounts for the discrete-time nature of the microcontroller and the real sensors used, as well as measurement noise, actuator physical limits, and aerodynamic constraints imposed by the chosen actuator configuration. System performance is evaluated through numerical simulations of the governing differential equations, analyzing stability, response time, and robustness to disturbances. The implementation is carried out on an embedded platform based on an ESP32 microcontroller using C++ code, together with a digital servomotor used to actuate a movable aerodynamic surface. The results show that the proposed approach significantly improves attitude stabilization compared to an uncontrolled configuration, thereby confirming the feasibility of the proposed method.

Il presente lavoro affronta lo sviluppo e l’implementazione di un sistema di controllo attivo per la stabilizzazione di assetto di razzi sonda finalizzato al miglioramento della stabilità in volo, specialmente durante la fase di accelerazione iniziale, in presenza di disturbi aerodinamici e asimmetrie nel velivolo. Viene sviluppato un modello fisico-matematico in ambiente Simulink della dinamica del razzo a due gradi di libertà includendo il moto del corpo rigido e i principali effetti aerodinamici dovuti alla rotazione lungo l’asse principale del velivolo. Sulla base di questo modello viene progettata una strategia di controllo attivo finalizzata a ridurre al minimo la velocità di rotazione attorno all’asse principale del velivolo. Il controllore viene implementato e testato in un ambiente di simulazione che tiene conto della discretizzazione temporale del microcontrollore e dei sensori realmente utilizzati, del rumore e limiti fisici dell’attuatore e delle limitazioni aerodinamiche causate dalla tipologia di attuatore fisico. Le prestazioni del sistema vengono valutate tramite simulazioni numeriche delle equazioni differenziali descrittive del problema, analizzando stabilità, tempo di risposta e robustezza ai disturbi. L’implementazione avviene mediante una piattaforma embedded basata su microcontrollore ESP32 tramite codice C++ e un servomotore digitale utilizzato per l’attuazione di una superficie aerodinamica mobile I risultati mostrano che l’approccio proposto migliora significativamente la stabilizzazione dell’assetto rispetto a una configurazione non controllata confermando così la fattibilità dell’approccio proposto inizialmente.