CN101625554A

CN101625554A - 航天器同轨同速模拟运动平台中的无线通信控制系统

Info

Publication number: CN101625554A
Application number: CN200910084927A
Authority: CN
Inventors: 贾英民; 倪娜; 曹镝
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101625554B

Abstract

本发明利用无线传输模块ptr2000进行数据传输，将上位机计算得到的电机控制信号传递给电机驱动电路中的单片机，由单片机解读出电机控制信号的内容，并将其发送到电机驱动控制电路，从而驱动各个电机进行相应的动作，以实现航天器同轨同速模拟运动平台的通信控制目的。该方法硬件结构简单，传输精度高，实时性强，具有很高的应用价值。

Description

航天器同轨同速模拟运动平台中的无线通信控制系统

技术领域

本发明属于航天技术领域，具体涉及利用无线模块与单片机技术实现航天器同轨同速地面模拟运动平台的通信控制。

背景技术

空间航天器围绕地球进行轨道飞行时受到的地球重力与离心力几乎平衡，但在实际的航天飞行中航天器还会受到一些外力作用，例如，在地球附近有残余大气的阻力、太阳光的压力、进入有大气的行星时也有大气对它的作用力、飞行器姿态的调整及仪器设备的运行产生的作用力，任何微细扰动都将造成重力加速度的改变。这种加速度通常只有地面重力加速度的万分之一或更小，为了与正常的重力对比，我们就把这种微加速度现象叫做“微重力”。正是这种深层空间的微重力环境加上控制方案的实施，才能使得航天器在空间达到同轨同速运行，进而完成预定的空间合作任务。但是直接进行微重力环境实验耗资巨大，中国发展深层空间研究必须基于我国航天技术的水平和国家经济的承受能力，需要加强规划，统筹安排地面研究，只有地面研究充分的项目再考虑空间实验。为了在地面完成这类实验，可以通过地面同轨同速的运动平台来模拟微重力环境下的航天器同轨同速运动，这样既是经济的，也是可行的。

航天器在这种微重力环境下实现同轨同速运行并完成各种任务通常还需装备有传感器、通信工具、服务器、局域网以及其他环境识别工具。其中通信是不可或缺的一部分，敏感器产生的数据脉冲必须传送给数字计算机；从控制中心发出的指令必须传送给遥控操作部件，才能实现全自动控制。这与期望运动特性的确定和优化互相联系，不可分割。自19世纪末电磁波的发现以来，无线通信的发展可说是日新月异，不论是在军事或商业用途、人们的日常生活里几乎都已经跟无线通信密切相关。近年来，随着科技的发展和网络的延伸，人们在任何时间、任何地点对信息进行访问和处理的愿望正逐渐地成为现实，无线通信技术已经成为通信的重要手段。同样，无线通信技术在航天器实现空间活动中也发挥着巨大的作用。

单片机是一种在单硅片上集成微型计算机主要功能部件的集成芯片，其内部集成了中央处理器(CPU)、随机数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、定时器/计数器、输入/输出(I/O)接口电路和串行通信接口等主要功能部件。可以毫不夸张地说，单片机相当于一个完整的微型计算机系统。单片机以其具有体积小、价格低、硬件资源丰富、运算速度快、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于工业控制的各行各业中，极大地推动着现代控制系统的发展。由于单片机具有多个定时器/计数器，通过编程可以很方便地产生各种所需要的脉冲序列。这些脉冲序列通过外围设备进行放大后，即可以用于电机驱动，实现PWM控制。另外，单片机具有丰富的I/O资源，可以实时监控电机的运行状态，形成闭环控制系统，从而提高了控制精度。

本发明就是针对航天器在微重力环境下的运行情况，基于单片机技术的PTR2000无线收发模块在航天器同轨同速地面模拟运动平台中的应用，提出了一套具体的无线通信控制系统的实现方案和相应的软件编制方法。

发明内容

本发明的目的在于结合无线通信与单片机等相关技术，实现地面模拟平台中航天器的同轨同速运动，该方法实时性好且精度较高。

本发明的航天器同轨同速模拟运动平台中的单片机无线通信系统，是上位机将实现航天器同轨同速运动参数转换成电机控制指令通过计算机串口和基于PTR2000模块组成的无线通信模块传递到嵌入式电机驱动电路中的AT89S52单片机中，由单片机解读出电机控制信号的内容，并将其发送到基于TA8435H芯片的电机驱动控制电路，驱动各个电机进行相应的动作，进行被控对象位置和姿态的调整，从而控制航天器完成同轨同速运动。为达到上述目的本发明的技术方案具体是这样实现的：

1.无线通信控制系统构成；

2.硬件设计；

3.选择工作模式；

4.制定通信协议及校验；

5.软件设计；

6.利用单片机实施运动控制。

本发明有以下一些技术特征：

(1)步骤1所述的无线通信控制系统是由控制终端和现场执行模块端两部分构成的；

(2)步骤1所述的PTR2000无线通信控制模块是利用串口进行单片机和微机之间数据传输；

(3)步骤2所述的系统硬件有无线收发芯片、单片机(如AT89S52或其他类型)、MAX232、PC计算机或其它交互设备；

(4)步骤4所述通信协议制定时使用的数据帧的内容包括起始字节、数据字节、校验和字节、结束字节；

(5)步骤4所述的校验是采用简单的校验和的方法来进行帧的校验；

(6)步骤5所述的软件设计是采用Visual C++为编程语言，并利用MSCOMM控件实现串口数据的实时读取和处理。

本发明采用无线通信进行数据传输然后对相应设备进行控制，以使航天器达到精确同轨同速运动的目的。该方法硬件结构简单，传输精度高，实时性强，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为系统构成；

图2为上位机PTR2000与计算机串口的连接电路；

图3为PTR2000与单片机的接口的连接电路；

图4为制成的PCB板图；

图5为单片机程序流程图；

图6为带死区的继电器形式的控制律。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

本发明中的航天器同轨同速模拟运动平台是应用先锋3号智能机器人和3DCrane装置模拟空间航天器，将传感器采集到的信息经处理后利用PTR2000无线模块进行信息传输，并用单片机实现控制，进行了目标跟踪的无线数据传输控制试验，实现了两运动体的同轨同速运动。

PTR2000是基于射频收发芯片nRF401的一种超小型、低功耗、高速率的无线数据传输模块，它接收发射合一，工作频率为国际惯用的数传频段433MHz，由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请使用许可证；FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，采用DDS+PPL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高达-105dBm；最大发射功率+10dBm；最低工作电压2.7V，功耗小，待机状态仅为8uA；具有两个频道，特别适合需要多个信道工作的特殊场合；工作速率可达20Kbit/s(也可在较低速率下工作如9600bps)；超小体积约为40mm*27mm*5mm；可直接连接单片机串口或I/O口使用，也可接计算机RS232接口，编程方面非常方便；标准DIP引脚间距，更适合嵌入式设备；使用PTR2000无线通信模块无需进行曼彻斯特编码就可以直接传送数据。

1.系统构成

基于PTR2000的单片机无线通信控制系统一般分为两个部分：控制终端和现场执行模块端。整个系统框架如图1所示。系统其工作原理为：PC计算机或其它交互式设备(如：控制杆、LCD、触摸屏等等)通过串口将各种控制命令和数据传输给控制终端的传输模块处理，然后再将控制命令和数据通过控制终端的PTR2000发射出去，传给现场执行模块端的PTR2000，接收后再经单片机处理转换为相应的控制信号，控制现场设备，从而实现整个系统进程的控制；同时所控设备的运动参数和状态由单片机处理后经PTR2000发送给控制终端，经电平转换后通过串口传给PC计算机或其它交互式设备，由其进行处理及显示相应的数据及结果，从而实现人机交互。

在目标跟踪控制中，如果设定移动设备前进的控制信号为“001”，那么在控制面板中按下“前进”键时，即从控制面板中发送了“001”信号给控制终端的PTR2000芯片，从而将数据发射出去，而现场执行模块的PTR2000芯片接收后，直接传到现场执行模块的单片机进行处理，然后单片机发出相应的控制信号给步进电机从而控制移动设备的前进。同时可进行一个逆向的过程，将跟踪的效果反馈到控制终端，即将“跟踪设备前进”显示出来。

2.系统通信接口硬件设计

现场执行模块接口电路设计：PTR2000可以直接连接单片机的串口或I/O口，兼顾到控制现场执行模块以满足进一步集成的需要，选择功能强大的AT89S52单片机。AT89S52单片机是低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。同时它提供了一个全双工的串行通讯口，与计算机之间可以很方便地进行串口数据通讯。

整个系统由无线收发芯片、单片机(如AT89S52或其他类型)、MAX232、PC计算机或其它交互设备组成，其中无线收发芯片主要是PTR2000。利用单片机的I/O可以控制模块的收发控制、频道转换和低功耗模式。PTR2000可直接与单片机的串口TXD、RXD相连接。PTR2000无线收发芯片的DI口连接单片机的串口发送脚，其DO口连接单片机的串口接收脚。由于计算机的串口是RS232电平，而单片机的串口是TTL电平，单片机与PC机相连接时必须经过电平转换，即将TTL电平转换成RS232电平，而用一片MAX232芯片即可达到电平转换的目的。当然在控制终端也可以将PTR2000通过MAX232与PC机的RS-232串口直接相接，但是占用计算机资源较大，建议在PTR2000与控制终端(PC机)之间加一个单片机。整个无线数据传输控制系统硬件连接主要部分电路图如由图2、图3所示，制成的PCB板图为图4所示。

3.工作模式选择

PTR2000是基于nRF401芯片的无线数据收发模块，PTR2000无线数据传输模块可以利用串口进行数据传输，作为单片机和微机之间数据传输的装置。基于单片机的无线数据传输系统在单片机和微机之间的数据传输如图1所示，无线数据收发模块是单片机测控系统的一个特殊执行模块。在单片机和微机之间的无线数据传输过程是：单片机处理需要发送的数据，利用串口将数据传输到无线数据传输模块的发送端，串行信号经调制后发送到计算机，进行数据处理和数据记录。

基于PTR2000模块的单片机无线收发系统应当具备三种工作模式：

发送：在发送数据之前，应先模块置于发射模式，即TXEN＝1，然后等待5ms后(接收到发射的转换时间)才可以发送任意长度的数据，发送结束后应将模块置于接收状态，即TXEN＝0。

接收：接收时应将PTR2000置于接收状态，即TXEN＝0，然后将接收到的数据直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。

待机：当PWR＝0时，PTR2000进入节电待机模式，在待机模式下不能接收和发射数据。

为了使系统能够可靠、稳定地通信，在单片机和微机的数据传输过程中，由于传输距离、现场状况等因素的影响，计算机和单片机之间的通信数据会发生无法预测的错误，在通信时要采取数据校验的方法，采用数据校验是保证数据传输可靠性的方法，单片机和PTR2000进行无线数据传输时需要采用和校验，提供单片机串行通信的一种简单协议，用以提高串行通信的数据可靠性，快速性。

表1PTR2000工作模式设置

PTR2000通信速率最高为20Kbit/s，也可工作在其他速率如4800bps、9600bps下，无需设置PTR2000的工作速率。发送数据之前需将模块置于发射模式TXEN＝1，至少5ms后(接收到发射的转换需要时间)，可以发送任意长度数据；发送结束后将模块置接收状态，TXEN＝0；发送到接收的转换时间为5ms；PWR＝0时，PTR2000进入节电模式，功耗约为8uA，在待机模式下不能接收、发送数据。

4.通信协议及校验

无线通信中，由于无线收发模块的特点及外部环境的干扰，通常误码率是比较高的，因此特别注意通信协议的制定及纠错的处理。无信号时，PTR2000串口输出的是随机数据，所以协议的第一件事就是能够识别噪声和有效数据。对于协议设计而言，最重要的就是帧结构的设计。本系统使用的数据帧的内容包括起始字节、数据字节、校验和字节、结束字节。

表2串行无线通信的数据帧结构

起始字节	数据字节	校验和字节	结束字节
起始字节	数据字节	校验和字节	结束字节	1字节	N字节	1字节	1字节

起始字节定义为“$”字符，其数据为0x24；结束字节定义为“*”字符，其数据为0x2A。本发明采用简单的校验和的方法来进行帧的校验。先将数据字节的所有内容相加起来，然后将结果截短到所需的位长，例如，4字节102、8、78和200的校验和为132(经过截短为1字节后)。发送端将待发送的数据进行校验和计算，将校验和值放在数据后一起发送，在接收端，对接收的数据进行校验和计算，然后和收到的校验和字节比较，来进行误码判断。使用简单的校验和的方法能够提高系统的快速性能，实时地控制电机的动作，实验证明能很好的完成任务目标。

5.系统软件设计

5.1.上位机

在目标跟踪中，智能机器人上的计算机终端我们采用Visual C++为编程语言，并利用MSCOMM控件实现串口数据的实时读取和处理，程序用来接收、发送数据并处理及将其图形化。在实际应用中，主要使用MSComm控件，它提供了事件驱动和查询两种方法。在事件驱动中，每当有新字符到达端口，MSComm控件将触发OnComm事件。这样，应用程序可以通过检查MSComm控件的CommEvent属性采取相应的操作。现场执行模块端的单片机程序我们采用C语言实现，主要是为了完成具体的控制任务以及数据收发和处理功能，在现场执行模块端程序要配合单片机控制外围器件，完成信号到数据的转化；还要合理地分配单片机的资源，安排各个中断的时序和对不同信号的处理方式。开始将数据按通信协议定义的帧格式打包处理后进行发送，发送结束后，等待接收端反馈的命令。

5.2.下位机

执行终端，硬件主要有89S52单片机、TA8435电机驱动芯片及PTR2000无线通信模块。通过对89S52单片机编程来控制TA8435电机驱动芯片及PTR2000无线通信模块的具体协调工作。程序具体流程如下：首先对单片机I/O初始化(如电机芯片工作状态，无线通信模块的工作状态及其指示灯的状态)，将无线数据传输模块PTR2000设置处于接收状态并延时5ms等待中断，通过串口中断来识别由PC机通过无线通信传过来的指令，根据接收指令的内容来决定采集数据并且启动发送。发送之前需将PTR2000模块设置为发射状态，而且至少需等待5ms的时间才可以发送。发送完毕后，向PC机端发送“发送结束指令”，然后将PTR2000模块重设为接收状态。若收到采集端发送正确的数据数据帧后，进行数据处理及控制3DCrane上的电机工作状态。具体的软件实现流程见图5。

6.利用单片机进行控制

我们的最终目的是要实现对电机的控制来驱动两运动体实现同轨同速运动。

AT89S52单片机是低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。同时它提供了一个全双工的串行通讯口，与计算机之间可以很方便地进行串口数据通讯。

在电机驱动芯片方面，我们选用东芝公司生产的TA8435H芯片，TA8435H是东芝公司生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，主要由1个解码器、2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器等功能模块组成。TA8435H可以驱动二相步进电机，且电路简单，工作可靠。

在本发明中，我们使用的是带死区的继电器形式的控制律，由图6给出。由确定的控制参数通过无线通信传递到嵌入式电机驱动电路中的AT89S52单片机中，由单片机解读出电机控制信号的内容，并将其发送到基于TA8435H芯片的电机驱动控制电路，驱动各个电机进行相应的动作，进行被控对象位置和姿态的调整，进而实现两个运动体同轨同速运动。

Claims

1、航天器同轨同速模拟运动平台中的无线通信控制系统，是上位机将实现航天器同轨同速运动参数转换成电机控制指令通过计算机串口和基于PTR2000模块组成的无线通信模块传递到嵌入式电机驱动电路中的AT89S52单片机中，由单片机解读出电机控制信号的内容，并将其发送到基于TA8435H芯片的电机驱动控制电路，驱动各个电机进行相应的动作，进行被控对象位置和姿态的调整。其特征在于，该方法包括：

无线通信控制系统构成；

系统通信接口硬件设计；

选择工作模式；

制定通信协议及校验；

系统软件设计；

利用单片机控制电机实现航天器同轨同速运动。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，首次提出航天器同轨同速运动这一概念，即航天器在相同的轨道上以相同的速度进行运动，例如航天器实现交会对接最后逼近段航天器的运行。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的无线通信控制系统是由控制终端和现场执行模块端两部分构成的。

4、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的PTR2000无线数据传输模块是利用串口进行单片机和微机之间数据传输。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的系统硬件有无线收发芯片、单片机(如AT89S52或其他类型)、MAX232、PC计算机或其它交互设备。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信协议制定时使用的数据帧的内容包括起始字节、数据字节、校验和字节、结束字节。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的校验是采用简单的校验和的方法来进行帧的校验。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的软件设计是采用Visual C++为编程语言，并利用MSCOMM控件实现串口数据的实时读取和处理。