CN109062298B - 一种太空出舱环境监测与控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太空出舱环境监测与控制装置及其控制方法，监测与控制装置包括多个冗余设置的供电单元和环境监测与控制单元，环境监测与控制单元之间通过交互通道连接，并能够将显示信息发送到显示操作单元进行显示；环境监测与控制单元包括处理器模块和电源转换模块，处理器模块连接环境参数采集模块、环境控制输出模块、总线通信模块、关键参数显示驱动模块、复位电路、时钟电路和存储器。控制方法包括对气闸舱各种环境参数采集处理，根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作，通过显示操作单元判断出舱过程中关键参数是否正常，本发明解决了太空出舱环境监测与实时控制问题。

Description

一种太空出舱环境监测与控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种太空出舱环境监测与控制装置及其控制方法。

背景技术

目前我国载人飞船中的环境监测与控制主要是针对舱内环境，并且监测结果通过总线传送到仪表系统进行显示，而出舱时航天员需要实时观察到出舱环境中时间、压力等关键参数的监测结果，并进行更高精度的控制，传统的舱内环境监测与控制已经不能满足空间站航天员出舱工作的需要，因此需要针对航天员出舱环境开发一种监测与控制装置，用于空间站出舱环境压力、温度、湿度等环境参数的监测，为航天员出舱活动提供环境参数的实时数据，保证紧急情况下出舱环境的安全，满足可靠性高、实时性强的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对解决上述现有技术中的问题，提供一种太空出舱环境监测与控制装置及其控制方法，通过高精度数据采集、快速指令控制、人机交互等技术为航天员出舱活动提供关键环境参数的实时数据，保证紧急情况下出舱环境的安全。

为了实现上述目的，本发明太空出舱环境监测与控制装置采用的技术方案为：包括多个冗余设置的供电单元和多个冗余设置的环境监测与控制单元，所述的供电单元能够将一次母线上的电压转换成二次直流电压供给环境监测与控制单元，环境监测与控制单元之间通过交互通道进行连接，并能够将显示信息发送到显示操作单元进行显示；环境监测与控制单元包括处理器模块和电源转换模块，所述的处理器模块连接环境参数采集模块、环境控制输出模块、总线通信模块、关键参数显示驱动模块、复位电路、时钟电路和存储器，环境参数采集模块对各种环境参数进行采集处理，环境控制输出模块根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作，总线通信模块将采集到的各种环境参数及其分析结果上送到数据管理系统，关键参数显示驱动模块将出舱环境下的关键参数发送到显示操作单元进行显示；复位电路为处理器模块提供上电初始复位信号，时钟电路为处理器模块提供工作时钟信号；所述的存储器包含程序存储器和数据存储器；所述的电源转换模块通过低压差线性稳压器LDO将供电单元提供过来的二次直流电压分别转换成环境参数采集模块、环境控制输出模块、总线通信模块以及关键参数显示驱动模块所需要的工作电压。

所述的交互通道包括用于进行状态交互的集电极开路门电平信号电路和进行数据交互的RS422总线。处理器模块采用国产BM3803处理器，数据存储器和程序存储器容量均为2M字节。所述的总线通信模块工作在RT模式，采用1553B总线进行各种环境参数及其分析结果的上送。所述的供电单元供给环境监测与控制单元的二次直流电压为+5V和±12V，电源转换模块将供电单元提供过来的+5V二次直流电压分别转换成+3.3V和+1.8V电压。

所述环境参数采集模块所采集处理的环境参数包括氧气浓度、CO₂浓度、湿度、温度及压力；所述环境控制输出模块进行开关操作的执行机构及传感器包括供氧阀、泄压阀、复压阀、CO₂传感器、湿度传感器、温度传感器和压力传感器。

本发明太空出舱环境监测与控制装置的控制方法，包括以下步骤：

a.通过供电单元上电，通过环境参数采集模块对气闸舱各种环境参数采集处理；

b.环境参数采集模块将数据上传至处理器模块，再通过环境控制输出模块根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作；

c.关键参数显示驱动模块将出舱环境下的关键参数发送到显示操作单元进行显示，航天员完成出舱流程，通过显示操作单元判断出舱过程中关键参数是否正常。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过设置完全冗余设置的供电单元和环境监测与控制单元，对供电单元的开关进行独立控制，提高了产品供电系统的可靠性。本发明太空出舱环境监测与控制装置及方法为太空出舱环境提供了参数监测和部件控制手段，通过高精度数据采集为航天员出舱活动提供关键环境参数的实时数据，通过快速指令控制及时调节气闸舱的舱内环境参数，解决了太空出舱环境监测与实时控制问题，通过为出舱活动提供完整可靠的环境监测与人机控制交互界面，为空间站出舱任务的完成提供了保障。

附图说明

图1本发明环境监测与控制装置的实现原理框图；

图2本发明供电单元的实现原理框图；

图3本发明环境监测与控制单元的结构框图；

图4本发明环境监测与控制装置的实施结构框图；

附图中：1-处理器模块；2-环境参数采集模块；3-环境控制输出模块；4-总线通信模块；5-关键参数显示驱动模块；6-复位电路；7-时钟电路；8-存储器；9-电源转换模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，太空出舱环境监测与控制装置包括两个完全冗余设置的供电单元以及两个完全冗余设置的环境监测与控制单元。两个完全冗余的环境监测与控制单元通过集电极开路门电平信号电路进行状态交互，通过RS422总线进行数据交互。同时，两个完全冗余的环境监测与控制单元能够将显示信息发送到显示操作单元进行显示。

参见图2，本发明的供电单元主要为环境监测与控制单元提供电源，能够将一次母线上的电压通过DC/DC转换成二次直流电压供给环境控制与生命保障系统单元。

参见图3，本发明的环境监测与控制单元包括处理器模块1和电源转换模块9，处理器模块1连接环境参数采集模块2、环境控制输出模块3、总线通信模块4、关键参数显示驱动模块5、复位电路6、时钟电路7和存储器8。处理器模块1采用国产的BM3803处理器，存储器8包含程序存储器和数据存储器，数据存储器和程序存储器的容量均为2M字节。环境参数采集模块2对各种环境参数进行采集处理，环境控制输出模块3根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作。环境参数采集模块2所采集处理的环境参数包括氧气浓度、CO2浓度、湿度、温度及压力，环境控制输出模块3进行开关操作的执行机构及传感器包括供氧阀、泄压阀、复压阀、CO2传感器、湿度传感器、温度传感器和压力传感器。总线通信模块4采用1553B总线将采集到的各种环境参数及其分析结果上送到数据管理系统，总线通信模块4工作在RT模式。关键参数显示驱动模块5将出舱环境下的时间、压力等关键参数发送到显示操作单元进行显示，复位电路6为处理器模块1提供上电初始复位信号，时钟电路7为处理器模块1提供工作时钟信号。供电单元供给环境监测与控制单元的二次直流电压为+5V和±12V，电源转换模块9通过低压差线性稳压器LDO将供电单元提供过来的+5V二次直流电压分别转换成环境参数采集模块2、环境控制输出模块3、总线通信模块4以及关键参数显示驱动模块5所需要的+3.3V和+1.8V电压。

显示操作单元为航天员和产品之间提供人机交互界面，对关键环境参数进行实时显示，提供航天员操作界面，航天员可通过按钮手控对泄压阀、复压阀等关键部件进行直接开关控制。航天员出舱前通过泄压阀启动按钮对气闸舱进行泄压，当气闸舱压力与舱外压力一致时，泄压停止，通过显示模块观察压力达到出舱要求值时，航天员可以打开舱门，进行出舱活动。出舱完成后，航天员进入气闸舱，关闭舱门，通过复压阀按钮对气闸舱进行复压，当气闸舱压力达到正常压力值时，复压停止，通过显示模块观察压力达到常压时，出舱结束。

影响航天员出舱的关键环境参数通过显示操作单元进行实时显示，紧急情况下，航天员可通过面板上的手控指令直接对关键部件进行开关操作，保证出舱活动安全和任务完成。

太空出舱环境监测与控制装置的控制方法，包括以下步骤：

a.通过供电单元上电，通过环境参数采集模块2对气闸舱各种环境参数采集处理；

b.环境参数采集模块2将数据上传至处理器模块1，再通过环境控制输出模块3根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作；

c.关键参数显示驱动模块5将出舱环境下的关键参数发送到显示操作单元进行显示，航天员完成出舱流程，通过显示操作单元判断出舱过程中关键参数是否正常。

参见图4，本发明实际在使用时通过供配电系统为装置供电，装置加电后自动运行，实时对出舱环境中的传感器参数进行采集，并对采集的数据进行处理和判断，将处理结果发送到数据管理系统进行集中管理，同时根据处理结果对阀门、泵等部件进行控制，实现对出舱环境中压力、氧气、二氧化碳等参数的调节。系统可通过控制设备对该装置进行加断电控制，装置的自身状态也可通过测控设备进行监控。本发明的太空出舱环境监测与控制装置已完成研制并交付用户进行地面联试使用，各项功能性能指标满足用户要求，装置工作正常。

Claims (3)

1.一种太空出舱环境监测与控制装置，其特征在于：包括多个冗余设置的供电单元和多个冗余设置的环境监测与控制单元，所述的供电单元能够将一次母线上的电压转换成二次直流电压供给环境监测与控制单元，环境监测与控制单元之间通过交互通道进行连接，并能够将显示信息发送到显示操作单元进行显示；所述的交互通道包括用于进行状态交互的集电极开路门电平信号电路和进行数据交互的RS422总线；环境监测与控制单元包括处理器模块(1)和电源转换模块(9)，处理器模块(1)采用国产BM3803处理器，数据存储器和程序存储器容量均为2M字节；所述的处理器模块(1)连接环境参数采集模块(2)、环境控制输出模块(3)、总线通信模块(4)、关键参数显示驱动模块(5)、复位电路(6)、时钟电路(7)和存储器(8)，环境参数采集模块(2)对各种环境参数进行采集处理，环境控制输出模块(3)根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作，总线通信模块(4)将采集到的各种环境参数及其分析结果上送到数据管理系统，关键参数显示驱动模块(5)将出舱环境下的关键参数发送到显示操作单元进行显示；复位电路(6)为处理器模块(1)提供上电初始复位信号，时钟电路(7)为处理器模块(1)提供工作时钟信号；所述的存储器(8)包含程序存储器和数据存储器；所述的电源转换模块(9)通过低压差线性稳压器LDO将供电单元提供过来的二次直流电压分别转换成环境参数采集模块(2)、环境控制输出模块(3)、总线通信模块(4)以及关键参数显示驱动模块(5)所需要的工作电压；

所述的供电单元供给环境监测与控制单元的二次直流电压为+5V和±12V，电源转换模块(9)将供电单元提供过来的+5V二次直流电压分别转换成+3.3V和+1.8V电压；

所述环境参数采集模块(2)所采集处理的环境参数包括氧气浓度、CO₂浓度、湿度、温度及压力；所述环境控制输出模块(3)进行开关操作的执行机构及传感器包括供氧阀、泄压阀、复压阀、CO₂传感器、湿度传感器、温度传感器和压力传感器。

2.根据权利要求1所述的太空出舱环境监测与控制装置，其特征在于：所述的总线通信模块(4)工作在RT模式，采用1553B总线进行各种环境参数及其分析结果的上送。

3.一种使用如权利要求1-2中任意一项所述太空出舱环境监测与控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.通过供电单元上电，通过环境参数采集模块(2)对气闸舱各种环境参数采集处理；

b.环境参数采集模块(2)将数据上传至处理器模块(1)，再通过环境控制输出模块(3)根据采集到的各种环境参数发送控制指令对相应执行机构及传感器进行开关操作；

c.关键参数显示驱动模块(5)将出舱环境下的关键参数发送到显示操作单元进行显示，两个完全冗余的环境监测与控制单元能够将显示信息发送到显示操作单元进行显示；航天员完成出舱流程，通过显示操作单元判断出舱过程中关键参数是否正常；

航天员出舱前通过泄压阀启动按钮对气闸舱进行泄压，当气闸舱压力与舱外压力一致时，泄压停止，通过显示操作单元观察压力达到出舱要求值时，航天员打开舱门，进行出舱活动；出舱完成后，航天员进入气闸舱，关闭舱门，通过复压阀按钮对气闸舱进行复压，当气闸舱压力达到正常压力值时，复压停止，通过显示操作单元观察压力达到常压时，出舱结束。

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