CN102789240A - 方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法，属于太阳光照模拟技术领域，为了解决现有技术无法提供辐照度、模拟太阳光的发散角、不均匀度等各项指标良好的模拟太阳光，该装置反射镜与旋转传动装置相连，旋转传动装置安装在运动平台上；位移传动装置安装在运动平台；运动平台安装在导轨上；小型太阳模拟器提供模拟太阳光；人机交互单元和电控单元用于完成对系统的自动控制；该方法：使小型太阳模拟器主光轴AB对准反射镜的中心；初始化电控单元；将初始值通过人机交互单元发送到电控单元；电控单元再根据反射镜参考倾角、反射镜倾角反馈，生成旋转驱动电机的控制量；电控单元根据反射镜位移反馈、反射镜位移参考，生成位移驱动电机的控制量。

Description

方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法

技术领域

本发明属于太阳光照模拟技术领域，具体涉及方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法。

背景技术

航天器上的太阳跟踪装置，如对日定向的太阳电池帆板、太阳望远镜等仪器精密对日的太阳跟踪设备等，都是高投入、高风险的航天产品。为有效控制研制风险，保证航天产品可靠性，需通过大量的太阳光照仿真试验来验证其设计方案。为了贴近太空飞行的实际环境，要求试验中模拟太阳光的辐照度、发散角等指标满足要求，同时模拟太阳光的方位角或高度角严格按照在轨飞行时的情况变化。

如图1所示，航天器上的太阳光方位角示意图，图中OS是单位太阳矢量，OD是单位太阳矢量OS在待测试装置安装基准面上的投影。太阳光方位角γ为OD与安装基准面X轴正方向或待测试装置X轴正方向的夹角。

为检测航天器上太阳跟踪装置单自由度的太阳跟踪性能，大多数采用“单自由度转台”的方案。在这种“单自由度转台”的方案中，太阳模拟器位置固定，太阳跟踪设备以给定的速率随单自由度转台运动。考虑到地面太阳光照仿真试验时间长，可能长达几百个小时，与太阳跟踪装置安装于地面的静止方案相比，这种运动太阳跟踪装置的方案增加了航天产品碰撞、跌落、损坏电气连接线等危险发生的可能性。同时，这种方法建立的模拟太阳光照环境不直观，不便于测试人员工作，测试人员需随转台旋转来观察、掌握太阳跟踪设备的太阳指向情况，或要跟着转台在运动中测试太阳跟踪装置的特定信号。另外，为了避免太阳跟踪装置外部电源线、信号线等电气连接线变形，例如拉长、缠绕等，还需改变太阳跟踪装置方案设计，在长时间地面试验中，选用较长的或加强的电源线、信号线等，造成太阳跟踪装置的地面试验件与在轨工作件状态不一致。

申请号201020564644.0，实用新型名称为“智能型人造太阳实验系统”专利文件公开了在两个方向上移动氙灯，从而改变模拟太阳光的俯仰角和方位角。其中，系统的光源是氙灯，而不是太阳模拟器。如果光源仅仅是氙灯，难以满足航天器上太阳跟踪装置的试验要求。

发明内容

为了解决现有技术无法提供辐照度、模拟太阳光的发散角、不均匀度等各项指标良好的模拟太阳光，本发明提供了方位角自动调整的太阳光照模拟装置和方法，可用于航天器上、地面上各种太阳跟踪装置的太阳光照仿真试验。

方位角自动调整的太阳光照模拟装置包括小型太阳模拟器，该装置还包括导轨、位移传动装置、反射镜、运动平台、旋转传动装置、高度调整机构、人机交互单元和电控单元；反射镜与高度调整机构相连；反射镜与旋转传动装置相连，旋转传动装置安装在运动平台上；位移传动装置安装在运动平台；运动平台安装在导轨上；

小型太阳模拟器提供模拟太阳光；

人机交互单元和电控单元用于完成对太阳光照模拟装置的自动控制。

方位角自动调整的太阳光照模拟方法包括以下步骤：

步骤一：旋转或调整小型太阳模拟器的高度，使小型太阳模拟器主光轴AB对准反射镜的中心；

步骤二：初始化电控单元；

步骤三：将小型太阳模拟器主光轴AB到待测太阳跟踪装置的垂直距离h，与方位角变化相关的设置数据D_p，包括方位角初始值、方位角变化模式、方位角变化速度参数，通过人机交互单元发送到电控单元；

步骤四：人机交互单元发送光照试验开始指令到电控单元；

步骤五：电控单元根据方位角变化设置数据D_p，计算当前时间t的参考太阳方位角γd(t)

γ_d(t)=g(t,D_p)

其中函数g( )为计算期望入射模拟太阳光方位角的函数；

计算时刻t的反射镜绕轴线方向CD的倾角参考β_d(t)

${\mathrm{\β}}_d\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4};$

计算时刻t的反射镜位移参考y_d(t)

$y_d\left(t\right)=\frac{h}{\tan (\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})};$

电控单元读取时刻t时反射镜倾角反馈β(t)；

电控单元根据反射镜参考倾角β_d(t)、反射镜倾角反馈β(t)，生成旋转驱动电机的控制量；

电控单元读取位移测量单元的输出值，生成时刻t时反射镜位移反馈y(t)；

电控单元根据反射镜位移反馈y(t)、反射镜位移参考y_d(t)，生成位移驱动电机的控制量。

本发明的有益效果是：小型太阳模拟器发出符合要求的太阳光，然后由反射镜将其投射到待测试的太阳跟踪装置。采用自动控制的原理来调整反射镜在直线导轨上的位移与倾角。电控单元获取位移测量单元和倾角测量单元的反馈后，根据用户设定的方位角变化规律及控制律，逐一生成对应两个自由度的控制量，调节反射镜的位移和反射镜的倾角，最终获得方位角可变的模拟太阳光。

附图说明

图1为航天器上太阳光方位角示意图。

图2为方位角自动调整的太阳光照模拟装置的主视图。

图3是方位角自动调整的太阳光照模拟装置的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图2所示，方位角自动调整的太阳光模拟装置，包括小型太阳模拟器6，该装置还包括导轨1、位移传动装置3、反射镜5、运动平台7、旋转传动装置8、高度调整机构12、人机交互单元和电控单元；反射镜5与高度调整机构12相连；反射镜5与旋转传动装置8相连，旋转传动装置8安装在运动平台7上；位移传动装置3安装在运动平台7；运动平台7安装在导轨1上；

小型太阳模拟器6提供模拟太阳光；

人机交互单元和电控单元用于完成对太阳光模拟装置的自动控制。

位移传动装置3包括滚珠丝杠3-1和固定件3-2，位移驱动电机2设置在固定件3-2上，运动平台7与滚珠丝杠3-1相连。

旋转传动装置8包括减速器8-1和旋转轴8-2，旋转电机9安装在旋转减速器8-1上，反射镜5固定安装在旋转轴8-2上，倾角测量单元10安装在旋转轴8-2，旋转传动装置8通过旋转支架13安装在运动平台7上。

位移测量单元4安装在导轨1上。

限位装置11包括正向接近开关11-1，零位接近开关11-2，负向接近开关11-3，且三者分散安装在导轨1附近。

下面给出方位角自动调整的太阳光模拟装置的工程具体实现方案。

1)导轨1，包括直线导轨、保持板、滑块、端盖板、末端密封垫片、侧面密封垫片等；

2)位移驱动电机2，选用直流力矩电机；

3)位移传动装置3，包括滚珠丝杠3-1，固定件3-2；

4)位移测量单元4，选用增量式直线光栅尺；

5)反射镜5，选用平面反射镜，表面镀有铝膜加硬膜，在可见光波段的反射率达到90%，基底材料为浮法玻璃；

6)小型太阳模拟器6，包括氙灯、双曲面反射镜，光学积分器和准直镜等，太阳模拟器的主光轴为AB；

7)运动平台7，安装在导轨1的滑块上，用来承载传动装置8、旋转驱动电机9、倾角测量单元10等组件在导轨1上沿EF方向做直线运动；

8)旋转传动装置8，包括减速器8-1和旋转轴8-2，带动反射镜绕轴线方向CD转动；

9)旋转驱动电机9，选用直流力矩电机；

10)倾角测量单元10，选用16位的空心轴绝对编码器；

11)人机交互单元，包括专用键盘、单片机、液晶显示器等，用户可以输入方位角变化的参数；

12)限位装置11，均采用电感式接近开关，包括正向接近开关11-1、零位接近开关11-2和负向接近开关11-3；

13)高度调整机构12，采用套管和固定件的方案；

14)电控单元，DSP为核心，外围器件包括对光栅尺信号解码的CPLD，控制位移驱动电机2、旋转驱动电机9的专用芯片；

15)旋转支撑架13，包括左旋转支撑架13-1，右旋转支撑架13-2；

方位角自动调整的太阳光模拟试验要求如下：

要求1  太阳模拟器6的主光轴AB平行于运动平台7在导轨1上的运动方向EF；

要求2  运动平台7在导轨1上的运动方向EF平行于水平面；

要求3  待测试的装置，例如太阳跟踪设备等，放置在水平面上；

要求4  调整太阳跟踪装置中光电反馈元件的姿态，令其接收到的模拟太阳光高度角不为0；

要求5  需要模拟太阳光辐照度测量装置，用来测量特定元件（太阳跟踪装置中光电反馈元件等）接收到的太阳辐射，例如光电池等；

要求6  反射镜旋转轴线方向CD平行于竖直方向，与水平面正交。

当要求1、要求2、要求3、要求4、要求5都满足时，测量太阳模拟器6主光轴AB到特定元件表面的垂直距离h，对于太阳跟踪装置而言，h为太阳模拟器6主光轴AB到光电反馈元件表面的垂直距离。

方位角自动调整的太阳光模拟装置的坐标图见图3，HG为待测装置特定元件的主光轴，例如太阳跟踪装置光电反馈元件的主光轴, 待测装置特定元件的主光轴HG与太阳模拟器6主光轴AB相交于O，O为系统的坐标原点。

本发明以反馈控制的原理来调整反射镜倾角和反射镜位移，从而改变入射太阳光的方位角，其实施步骤为：

①　给太阳模拟器6上电，使得太阳模拟器稳定工作半个小时或更长时间；

②　通过旋转或调整太阳模拟器6的高度，令太阳模拟器6主光轴AB的指向反射镜5的中心；

③　测量太阳模拟器6出射的到达反射镜5的模拟太阳光辐照度，并适当地调整太阳模拟器电源，确保其大于设定的阈值；

④　启动电控单元，控制系统初始化；

⑤　将太阳模拟器6主光轴AB到特定元件表面的垂直距离h，与方位角变化相关的设置数据D_p，包括方位角初始值、方位角变化模式、方位角变化速度等参数，通过人机交互单元，逐一发送到电控单元；

⑥　通过人机交互单元发送光照试验开始指令到电控单元；

结合图3方位角自动调整的太阳光照模拟装置坐标图，电控单元的工作流程简述如下：

a.根据方位角变化设置数据D_p，计算当前时间t的参考太阳方位角γ_d(t)

γ_d(t)=g(t,D_p)

其中函数g( )为计算期望入射模拟太阳光方位角的函数；

b.计算时刻t的反射镜绕轴线方向CD的倾角参考β_d(t)；

${\mathrm{\β}}_d\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4}$

c.计算时刻t的反射镜位移参考y_d(t)；

$y_d\left(t\right)=\frac{h}{\tan (\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})}$

d.电控单元读取时刻t时反射镜倾角反馈β(t)；

e.电控单元根据反射镜参考倾角β_d(t)、反射镜倾角反馈β(t)，按照一定的控制方法，生成旋转驱动电机9的控制量；

f.电控单元读取位移测量单元4的输出值，生成时刻t时反射镜位移反馈y(t)；

g.电控单元，根据反射镜位移反馈y(t)、反射镜位移参考y_d(t)，生成位移驱动电机2的控制量。

Claims (6)

1.方位角自动调整的太阳光照模拟装置，包括小型太阳模拟器（6），其特征在于，该装置还包括导轨（1）、位移传动装置（3）、反射镜（5）、运动平台（7）、旋转传动装置（8）、高度调整机构（12）、人机交互单元和电控单元；反射镜（5）与高度调整机构（12）相连；反射镜（5）与旋转传动装置（8）相连，旋转传动装置（8）安装在运动平台（7）上；位移传动装置（3）安装在运动平台（7）；运动平台（7）安装在导轨（1）上；

小型太阳模拟器（6）提供模拟太阳光；

人机交互单元和电控单元用于对太阳光照模拟装置的自动控制。

2.根据权利要求1所述的方位角自动调整的太阳光照模拟装置，其特征在于，位移传动装置（3）包括滚珠丝杠（3-1）和固定件（3-2），位移驱动电机（2）设置在固定件（3-2）上，运动平台（7）与滚珠丝杠（3-1）相连。

3.根据权利要求1所述的方位角自动调整的太阳光照模拟装置，其特征在于，旋转传动装置（8）包括减速器（8-1）和旋转轴（8-2），旋转电机（9）安装在旋转减速器（8-1）上，反射镜（5）固定安装在旋转轴（8-2）上，倾角测量单元（10）安装在旋转轴（8-2），旋转传动装置（8）通过旋转支架（13）安装在运动平台（7）上。

4.根据权利要求1所述的方位角自动调整的太阳光照模拟装置，其特征在于，该装置还包括位移测量单元（4），位移测量单元（4）安装在导轨（1）上。

5.根据权利要求1所述的方位角自动调整的太阳光照模拟装置，其特征在于，该装置还包括限位装置（11），限位装置（11）包括正向接近开关（11-1）、零位接近开关（11-2）和负向接近开关（11-3），且三者分散安装在导轨（1）附近。

6.方位角自动调整的太阳光照模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：旋转或调整小型太阳模拟器（6）的高度，使小型太阳模拟器（6）主光轴AB对准反射镜（5）的中心；

步骤二：初始化电控单元；

步骤三：将小型太阳模拟器（6）主光轴AB到待测太阳跟踪装置的垂直距离h，与方位角变化相关的设置数据D_p，包括方位角初始值、方位角变化模式、方位角变化速度参数，通过人机交互单元发送到电控单元；

步骤四：人机交互单元发送光照试验开始指令到电控单元；

步骤五：电控单元根据方位角变化设置数据D_p，计算当前时间t的参考太阳方位角γ_d(t)

γd(t)=g(t,D_p)

其中函数g( )为计算期望入射模拟太阳光方位角的函数；

计算时刻t的反射镜绕轴线方向CD的倾角参考β_d(t)

${\mathrm{\β}}_d\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4};$

计算时刻t的反射镜位移参考y_d(t)

$y_d\left(t\right)=\frac{h}{\tan (\frac{{\mathrm{\γ}}_d\left(t\right)}{2}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})};$

电控单元读取时刻t时反射镜倾角反馈β(t)；

电控单元根据反射镜参考倾角β_d(t)、反射镜倾角反馈β(t)，生成旋转驱动电机（9）的控制量；

电控单元读取位移测量单元（4）的输出值，生成时刻t时反射镜位移反馈y(t)；

电控单元根据反射镜位移反馈y(t)、反射镜位移参考y_d(t)，生成位移驱动电机（2）的控制量。

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