Bachelor's Thesis

Development of an Educational Reaction Wheel Model for Demonstrating Satellite Attitude Control

Final Thesis 14.18 MB Appendix 2.55 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Vlk

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondřej Richter

Reviewer: Ing. Ondřej Mikulenka

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the development of an educational reaction wheel model for demonstrating satellite attitude control. The aim of the thesis is to design and implement a prototype system that demonstrates the principle of attitude control using a reaction wheel. The thesis describes the theoretical foundations of spacecraft attitude control, rigid-body rotational dynamics, and the operating principle of a reaction wheel. Based on this theory, a mathematical model of the system and a simulation model in Simscape Multibody are developed. The thesis further includes the design of the mechanical structure, printed circuit board, embedded software, and communication interface with Simulink. The proposed prototype is then verified through experimental tests that demonstrate the system behavior during attitude control. The obtained results are evaluated and compared with the results of the analytical and simulation models.

Keywords:

reaction wheel, satellite attitude control, rotational dynamics, educational model, Simscape Multibody, embedded control, PCB, attitude estimation, simulation

Date of defence

11.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji bakalářskou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byly členy komise položeny následující otázky: Proč dochází k překmitům polohy a je možné je nějak odstranit? Poznámka k zapájení svorkovnice na PCB. Bylo provedeno dynamické vyvažování výukového modelu? Vysvětlete použití Kalmanova filtru, jakým způsobem byl realizován a způsob ladění jeho parametrů. Na závěr byla obhajoba hodnocena jako velmi dobrá.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (B-MET-P)

Composition of Committee

Pplk. Ing. Radek Doskočil, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Appel, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Radek Vlach, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Pokorný, Ph.D. (člen)
Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. (člen)
Ing. David Vlachý (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Richter

Závěrečná práce pana Vlka se zabývá vývojem výukového nástroje pro regulaci modelu jednoosého satelitu využívajícího setrvačník. Výsledné zařízení je určeno například pro výuku regulace a odhadu stavů pomocí Kalmanova filtru.

V první části se student věnuje možnostem orientace satelitů v beztížném prostředí, metodám odhadu stavů a přehledu použitelných řídicích struktur. Rešeršní část obsahuje všechny podstatné informace potřebné pro řešení práce, některé pasáže se však zbytečně opakují.

Praktická část zahrnuje matematické modelování systému, jeho implementaci v prostředí Simulink a vytvoření fyzikální simulace v Simscape Multibody. Student dále navrhl mechanickou konstrukci, desku plošných spojů a firmware umožňující bezdrátovou komunikaci se Simulinkem. Součástí řešení je také Simulink rozhraní pro ladění regulátoru v reálném čase.

Kladně hodnotím rozsah experimentální části. Přestože práce obsahuje řadu experimentů využitelných při výuce, ukázkové úlohy a demonstrační experimenty mohly být zpracovány přehledněji s ohledem na výuku.

Stanovené cíle byly splněny. S ohledem na uvedené připomínky hodnotím práci klasifikačním stupněm B.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Mikulenka

Bakalářská práce se zabývá vývojem jednooosého výukového demonstrátoru reakčního kola pro demonstraci principů regulace orientace satelitu. Teoretická část pokrývá rotační dynamiku tuhého tělesa, reprezentace orientace, princip reakčního kola a přehled řídících algoritmů. Praktická část zahrnuje analytický model v Simulinku, model v Simscape Multibody, návrh mechanické konstrukce realizované 3D tiskem, návrhem deskou pločných spojů, softwarem v jazyce C a bezdrátovým rozhraním s MATLAB/Simulink přes UDP. Práce je možná až příliš rozsáhlá, ale po realizační stránce kvalitní.

V práci se však vyskytují věcné nepřesnosti. V rovnici 3.4 je derivační složka PID regulátoru implementována jako odhadnutá úhlová rychlost platformy místo správné změny regulační odchylky v čase. Na straně 26 autor uvádí vznik gyroskopického momentu při rotaci kolem jediné osy, což je pro jednoosý případ fyzikálně nepřesné. Část věnovaná Kalmanovu filtru je zpracována velmi stručně. Čtvrtý cíl zadání, návrh vzorových úloh a demonstračních experimentů, je v práci naplněn pouze částečně. Experimenty slouží primárně k validaci systému, nikoli jako samostatně připravené výukové úlohy s jasně formulovanými zadáními a očekávanými výsledky, což je pro výukový demonstrátor podstatný nedostatek. Tato skutečnost je hlavním důvodem hodnocení C (dobře).
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Jak bylo při rozmísťování součástek na DPS zajištěno, aby rotující platforma byla mechanicky vyvážená?
  2. Demonstrátor je navržen jako jednoosý systém. Jakým způsobem by bylo nutné upravit mechanickou konstrukci, elektroniku a řídicí software, pokud by byl systém rozšířen na tříosé řízení?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová