Bachelor's Thesis

Attitude Control System for Nanosatellite

Final Thesis 7.08 MB Appendix 242.86 kB

Author of thesis: Bc. Marek Ďurďa

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Šimon Sloboda

Reviewer: doc. Ing. Tomáš Frýza, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design of a simple active Attitude Determination and Control System (ADCS) for CubeSat nanosatellite. The theoretical part analyzes the physical principles and available technologies for attitude determination, including magnetometers, gyroscopes, and sun sensors, as well as attitude control technologies using reaction wheels and magnetic coils. Based on this research, a custom system is designed utilizing the Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF) for sensor data fusion and quaternions for representation of rotation. The practical part describes the selection of specific components, the design of control algorithms, and the design of printed circuit boards (PCBs). Testing of ADCS in laboratory environment is discussed and real measured data are presented.

Keywords:

ADCS, CubeSat, nanosatellite, attitude control, reaction wheels, magnetorquers, Kalman filter, MEKF, quaternions, sensor fusion.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení své závěrečné práce. Vedoucí čte posudek vedoucího závěrečné práce. Tajemník čte posudek oponenta závěrečné práce. Student odpovídá na otázku oponenta, doplňuje rešerší připravenou v prezentaci. Doc. Polák pokládá dotaz ohledně využití AI. Student odpovídá uspokojivě. Dr. Zoltán: Co by bylo nutné změnit, aby takový satelit mohl letět? Student vyjmenovává rozdíly mezi modelem a indálním stavem, který by mohl letět. Doc. Frýza: Jaké jazyky jste používal? Student uvádí použité jazyky pro STM a ESP32. Zdůvodňuje dále využití Matlabu.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

doc. Ing. Tomáš Frýza, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ladislav Polák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jitka Vágnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Zoltán Szabó, Ph.D. (člen)
Ing. Josef Vochyán, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Šimon Sloboda

Bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací aktivního systému určení a řízení orientace pro nanosatelit typu CubeSat. Zadání práce bylo poměrně rozsáhlé a zahrnovalo rešerši současných technologií ADCS, návrh vlastního řešení, výběr senzorů a aktuátorů, návrh elektroniky, implementaci řídicích algoritmů, integraci do konstrukce odpovídající standardu CubeSat a ověření funkčnosti. Student všechny body zadání splnil.

Student k řešení práce přistupoval zodpovědně a samostatně. Postup práce pravidelně konzultoval, průběžně předkládal dosažené výsledky i text práce a aktivně zapracovával připomínky. Oceňuji zejména jeho schopnost samostatně navrhovat další postup, vyhledávat a zpracovávat odborné informace a následně je převádět do praktického výsledku.

Technickou úroveň práce považuji za velmi dobrou. Teoretická část je zpracována podrobně a uvádí čtenáře do problematiky ADCS systémů, senzorů, aktuátorů, reprezentace orientace a algoritmů fúze dat. Praktická část obsahuje srovnání a výběr konkrétních komponent, návrh desek plošných spojů, realizaci prototypu, implementaci řídicího algoritmu a měření funkčnosti. Za velmi přínosné považuji také vytvoření ovládacího a měřicího softwaru nad rámec zadání, který umožňuje vizualizaci orientace, nastavení referenčních vektorů, manuální ovládání aktuátorů, spuštění automatické orientace a podporu kalibračních postupů.

Po formální a textové stránce je práce přehledně členěna a psána srozumitelně. Většina připomínek k textu byla odstraněna již v průběhu konzultací před odevzdáním. Přesto se v práci místy objevují stylistické nebo formulační nedostatky a některé technicky náročnější pasáže by mohly být rozšířeny o širší kontext nebo podrobnější komentář pro čtenáře.

Celkově považuji práci za velmi zdařilou. Student prokázal značnou míru samostatnosti, technické zdatnosti a schopnosti řešit komplexní mezioborový problém. Výsledkem je funkční prototyp systému ADCS a kvalitně zpracovaná bakalářská práce, kterou doporučuji k obhajobě.

Práci hodnotím 95/A. Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Předložená bakalářská práce je psána v českém jazyce v systému LaTeX v aktuální šabloně FEKT (tj. včetně prohlášení k využití generativní umělé inteligence). Práce je srozumitelně a logicky členěna od obecného popisu k detailům. V kapitole 2 jsou matematicky popsány a vysvětleny momenty cubesatů při rotačním pohybu, včetně potřebných referencí. Ve třetí a čtvrté kapitole jsou představeny možnosti pro jednotlivé typy senzorů a aktuátorů, které se pro orientaci používají, s popisem jejich základních vlastností a vhodnosti pro použití na cubesatech.

Oceňuji velmi detailní teoretickou část práce, což není u bakalářských (a mnohdy ani diplomových) prací běžným standardem. Pro fyzickou realizaci byly jednotlivé komponenty srovnány, diskutovány a nikoliv jen “vybrány”. V práci je provedeno a opět diskutováno reálné měření několika metod řízení orientace module cubesatu. Práci považuji za velmi kvalitní, až výjimečnou, jen s minimem veskrze formálních nedostatků, která ukazuje na svědomitou a cílevědomou práci studenta.

Formální náměty:

- Né všechny obrázky jsou v textu zmíněny.

- Zbytečné odsazení textu pod některýma rovnicema. Sjednotit použití příkazu `\noindent` v celém dokumentu.

- Některé převzatí obrázky jsou na hraně rozlišitelnosti, např. 4.4., 5.5 Ty mohly být překresleny/přegenerovány, přestože jsou převzaty.

- V českém textu používat desetinnou čárku `,` a nikoliv tečku `.`; sjednotit v celém dokumentu. Správně má být mezi hodnotou a jednotkou mezera, např. 1,125\,W. Sjednotit.

- Použít “lepší” zvýraznění syntaxe pro výpisy kódů, např. https://www.overleaf.com/learn/latex/Code_listing (dole)

- Zbytečné prázdné místo na straně 36, 40, 46, 56, …. Na nové straně začíná je kapitola s nejvyšší úrovní (`\chapter`).

- V rovnici se zlomky (6.14) použít namísto závorek `(` a `)` raději příkaz `\left(` a `\right)`.

- Mezera ve slově “YAW” na str. 47 Topics for thesis defence:
  1. Pakliže by jste nebyl omezen možnostmi cubesatů, jaké případně jiné metody řízení orientace by jste zvolil?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová