CN111127660A - 一种空间站太阳帆板驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间站太阳帆板驱动控制系统，包含：驱动控制器，信号连接星载计算机，根据星载计算机发送的第一转角指令信号生成对应的第一PWM信号；太阳帆板驱动电机，连接设置在所述驱动控制器与太阳帆板的传动机构之间，根据所述第一PWM信号驱动所述传动机构，实现太阳帆板对日定向；AR实景辅助系统，信号连接所述驱动控制器，包含预置的太阳帆板驱动平台AR模型；所述太阳帆板驱动平台AR模型根据采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息和空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像，宇航员根据所述太阳帆板虚拟场景图像驱动太阳帆板对日定向。本发明还提供一种空间站太阳帆板驱动控制方法。

Description

一种空间站太阳帆板驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及航天控制技术领域，尤其涉及一种空间站太阳帆板驱动控制系统及方法。

背景技术

空间站实验舱的太阳帆板是空间站能源的最主要来源，太阳帆板需要实时追踪太阳，保证对日定向。太阳帆板的发电效率取决于太阳帆板的驱动控制系统能否正常工作。太阳帆板设置有传动机构，通过驱动控制器驱动所述传动机构实现太阳帆板对日定向。

目前我国空间站实验舱太阳帆板的驱动控制器采用了CPU+FPGA的设计架构。驱动控制器的CPU负责运动规划算法，其根据星载计算机提供的转角指令信号通过预设的运动算法，计算得到太阳帆板转角角度码，并传给FPGA。FPGA完成电机驱动任务，其根据所述太阳帆板转角角度码进行位置环-速度环-电流环的闭环算法计算，生成对应的PWM信号来驱动永磁同步电机。永磁同步电机驱动太阳帆板的传动机构，带动太阳帆板对日定向。由于空间站的设计寿命长达数十年，当CPU和FPGA之间出现通信异常或CPU出现故障时，FPGA将无法正常接收CPU发送的太阳帆板转角角度码。此时驱动控制器无法正常工作，太阳帆板不能进行对日定向，空间站内的能源提供得不到保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间站太阳帆板驱动控制系统及方法，通过采用AR实景辅助系统，在太阳帆板驱动控制器的CPU出现故障时，仍能够实现驱动太阳帆板对日定向。

为了达到上述目的，本发明提供一种空间站太阳帆板驱动控制系统，包含：

驱动控制器，信号连接星载计算机，根据星载计算机发送的第一转角指令信号生成对应的第一PWM信号；

太阳帆板驱动电机，连接设置在所述驱动控制器与太阳帆板的传动机构之间，根据所述第一PWM信号驱动所述传动机构，实现太阳帆板对日定向；

AR实景辅助系统，信号连接所述驱动控制器，包含预置的太阳帆板驱动平台AR模型；所述太阳帆板驱动平台AR模型根据采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息和空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像；宇航员根据所述太阳帆板虚拟场景图像驱动太阳帆板对日定向。

所述AR实景辅助系统包含：信号采集模块、太阳帆板驱动平台AR模型、显示模块；

所述信号采集模块包含：

设置在太空舱外的摄像头，用于获取太阳帆板真实场景图像；

设置在太阳帆板上的太阳敏感器，用于获取太阳矢量信息；

设置在空间站的星敏感器、陀螺，用于获取空间站当前姿态信息；

所述太阳帆板驱动平台AR模型信号连接所述摄像头、太阳敏感器、星敏感器、陀螺，根据所述太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息构建太阳帆板虚拟场景图像；

所述显示模块设置在太空舱内，信号连接太阳帆板驱动平台AR模型，用于可视化的显示所述太阳帆板真实场景图像和太阳帆板虚拟场景图像。

所述AR实景辅助系统还包含：固定设置在太空舱内的单车、传感器、微处理器；

所述单车信号连接所述太阳帆板驱动平台AR模型；太阳帆板驱动平台AR模型根据宇航员骑行单车的圈数，改变太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员观察太阳帆板虚拟场景图像中的太阳帆板到位后，停止骑行单车；

所述传感器检测宇航员骑行单车的总圈数；

所述微处理器信号连接所述传感器，根据所述总圈数生成第二转角指令信号。

所述驱动控制器包含CPU；所述CPU包含依序连接的指令解析模块、控制模块、第一并行总线通信模块；

所述指令解析模块信号连接星载计算机，接收星载计算机发送的第一转角指令信号，并发送给所述控制模块；

控制模块通过预设的运动算法，根据所述第一转角指令信号生成对应的太阳帆板转角角度码，并发送给所述第一并行总线通信模块。

所述驱动控制器还包含FPGA；所述FPGA包含总线通信模块、第二并行总线通信模块、电机闭环控制模块、驱动信号生成模块；

所述第二并行总线通信模块信号连接所述第一并行总线通信模块，接收所述太阳帆板转角角度码；

所述总线通信模块信号连接所述微处理器，接收所述第二转角指令信号；

所述电机闭环控制模块信号连接所述第二并行总线通信模块、总线通信模块，根据所述太阳帆板转角角度码、第二转角指令信号生成对应的第一驱动指令信号、第二驱动指令信号；

所述驱动信号生成模块信号连接电机闭环控制模块，生成与第一驱动指令信号、第二驱动指令信号对应的第一PWM信号、第二PWM信号。

所述太阳帆板驱动电机包含电性连接的驱动电路和永磁同步电机；所述驱动电路信号连接所述驱动信号生成模块，根据接收的所述第一PWM信号、第二PWM信号驱动永磁同步电机；所述永磁同步电机连接太阳帆板的传动机构，用于驱动所述传动机构，实现太阳帆板对日定向。

所述显示模块为液晶显示屏。

一种空间站太阳帆板驱动控制方法，采用本发明所述的空间站太阳帆板驱动控制系统实现的，包含步骤：

S1、CPU接收星载计算机发送的第一转角指令信号生成太阳帆板转角角度码并发送给FPGA；

S2、FPGA根据所述太阳帆板转角角度码生成对应的第一PWM信号驱动太阳帆板驱动电机，实现太阳帆板对日定向；若超过设定的时长，FPGA没有接收到CPU发送的太阳帆板转角角度码，进入S3；

S3、AR实景辅助系统的太阳帆板驱动平台AR模型根据其信号采集模块采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像；显示屏可视化的显示所述太阳帆板虚拟场景图像；

S4、宇航员骑行单车，太阳帆板驱动平台AR模型根据宇航员骑行单车的圈数，改变所述太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员通过显示模块观察太阳帆板虚拟场景图像的太阳帆板到位后，停止骑行单车；

S5、传感器检测宇航员骑行单车的总圈数r并发送给微处理器；微处理器根据所述总圈数r计算得到太阳帆板实际需要转动的角度θ＝r/n，n为预设的转换系数；微处理器生成与θ对应的第二转角指令信号并发送给FPGA；

S6、FPGA生成与第二转角指令信号对应的第二PWM信号，驱动太阳帆板驱动电机，实现太阳帆板对日定向。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的空间站太阳帆板驱动控制系统在驱动控制器的CPU与FPGA之间通讯异常或CPU出现故障时，仍可以通过AR实景辅助系统生成太阳帆板实际需要转动的角度，FPGA根据该角度生成驱动信号来驱动太阳帆板驱动电机，由太阳帆板驱动电机驱动太阳帆板的传动机构，实现太阳帆板对日定向。保证了太阳帆板对日定向的可靠性，有效保障了空间站内的能源供应；

2)本发明通过骑行单车的方式结合AR实景辅助系统实现对日定向，操作方便，系统结构简单，太阳帆板对日定向准确，采用的单车是空间站内配备的供宇航员锻炼的设备，无需增加额外的大型机械装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明的空间站太阳帆板驱动控制系统结构示意图；

图2为本发明的AR实景辅助系统结构示意图；

图3为本发明的空间站太阳帆板驱动控制方法流程图；

图中：1、AR实景辅助系统；11、摄像头；12、太阳敏感器；13、星敏感器；14、太阳帆板驱动平台AR模型；15、显示模块；16、单车；17、传感器；18、微处理器；19、陀螺

2、驱动控制器；21、CPU；211、指令解析模块；212、控制模块；213、第一并行总线通信模块；22、FPGA；221、第二并行总线通信模块；222、电机闭环控制模块；223、驱动信号生成模块；224、总线通信模块；

3、太阳帆板驱动电机；31、驱动电路；32、永磁同步电机；

4、传动机构；5、太阳帆板；6、星载计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种空间站太阳帆板驱动控制系统，包含：驱动控制器2、太阳帆板驱动电机3、AR实景辅助系统1。

如图2所示，所述AR实景辅助系统1包含：信号采集模块、太阳帆板驱动平台AR模型14、显示模块15，固定设置在太空舱内的单车16，传感器17，微处理器18。

所述信号采集模块包含：

设置在太空舱外的摄像头11，用于获取太阳帆板真实场景图像；

设置在太阳帆板5上的太阳敏感器12，用于获取太阳矢量信息；

设置在空间站的星敏感器13和陀螺19，用于获取空间站当前姿态信息；

所述太阳帆板驱动平台AR模型14信号连接所述摄像头11、太阳敏感器12、星敏感器13和陀螺19，根据所述太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息构建太阳帆板虚拟场景图像；

所述显示模块15设置在太空舱内，信号连接太阳帆板驱动平台AR模型14，用于可视化的显示所述太阳帆板真实场景图像和太阳帆板虚拟场景图像。在本发明的实施例中，所述显示模块15为液晶显示屏。

所述单车16信号连接所述太阳帆板驱动平台AR模型14；太阳帆板驱动平台AR模型14根据宇航员骑行单车16的圈数，改变太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员观察太阳帆板虚拟场景图像中的太阳帆板到位后，停止骑行单车16；

所述传感器17检测宇航员骑行单车16的总圈数；

所述微处理器18信号连接所述传感器17，根据所述总圈数生成第二转角指令信号。

如图1所示，所述驱动控制器2信号连接星载计算机和AR实景辅助系统。驱动控制器2包含CPU21和FPGA22。

所述CPU21包含依序连接的指令解析模块211、控制模块212、第一并行总线通信模块213。

所述指令解析模块211信号连接星载计算机，接收星载计算机发送的第一转角指令信号，并发送给所述控制模块212。控制模块212通过预设的运动算法，根据所述第一转角指令信号生成对应的太阳帆板转角角度码，并发送给所述第一并行总线通信模块213。

所述FPGA22包含总线通信模块224、第二并行总线通信模块221、电机闭环控制模块222、驱动信号生成模块223。所述第二并行总线通信模块221信号连接所述第一并行总线通信模块213，接收所述太阳帆板转角角度码。所述总线通信模块224信号连接所述微处理器18，接收所述第二转角指令信号。在本发明的实施例中，总线通信模块224通过1553B总线通信接口与微处理器18通信。

所述电机闭环控制模块222信号连接所述第二并行总线通信模块221、总线通信模块224，根据所述太阳帆板转角角度码、第二转角指令信号生成对应的第一驱动指令信号、第二驱动指令信号。

所述驱动信号生成模块223信号连接电机闭环控制模块222，生成与第一驱动指令信号、第二驱动指令信号对应的第一PWM信号、第二PWM信号。

所述太阳帆板驱动电机3包含电性连接的驱动电路31和永磁同步电机32。所述驱动电路31信号连接所述驱动信号生成模块223，根据接收的所述第一PWM信号、第二PWM信号驱动永磁同步电机32。所述永磁同步电机32连接太阳帆板的传动机构4，用于驱动所述传动机构4，实现太阳帆板5对日定向。

一种空间站太阳帆板驱动控制方法，采用本发明所述的空间站太阳帆板驱动控制系统实现的，如图3所示，包含步骤：

S1、CPU21接收星载计算机发送的第一转角指令信号生成太阳帆板转角角度码并发送给FPGA22；

S2、FPGA22根据所述太阳帆板转角角度码生成对应的第一PWM信号驱动太阳帆板驱动电机3，实现太阳帆板5对日定向；优选的，AR实景辅助系统1的摄像头11采集太阳帆板真实场景图像，并通过显示屏显示采集的太阳帆板真实场景图像；

若超过设定的时长，FPGA22没有接收到CPU21发送的太阳帆板转角角度码，便认为CPU出现故障，进入S3；

S3、AR实景辅助系统1的太阳帆板驱动平台AR模型14根据其信号采集模块采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像；显示屏可视化的显示所述太阳帆板虚拟场景图像；

S4、宇航员骑行单车16，太阳帆板驱动平台AR模型14根据宇航员骑行单车16的圈数，改变所述太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员通过显示模块15观察太阳帆板虚拟场景图像的太阳帆板到位后，停止骑行单车16；

S5、传感器17检测宇航员骑行单车16的总圈数r并发送给微处理器18；微处理器18根据所述总圈数r计算得到太阳帆板实际需要转动的角度θ＝r/n，n为预设的转换系数；微处理器18生成与θ对应的第二转角指令信号并发送给FPGA22；

S6、FPGA22生成与第二转角指令信号对应的第二PWM信号，驱动太阳帆板驱动电机3，实现太阳帆板5对日定向。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的空间站太阳帆板驱动控制系统在驱动控制器2的CPU21与FPGA22之间通讯异常或CPU21出现故障时，仍可以通过AR实景辅助系统1生成太阳帆板5实际需要转动的角度，FPGA22根据该角度生成驱动信号来驱动太阳帆板驱动电机3，由太阳帆板驱动电机3驱动太阳帆板的传动机构4，实现太阳帆板5对日定向。保证了太阳帆板5对日定向的可靠性，有效保障了空间站内的能源供应；

2)本发明通过骑行单车16的方式结合AR实景辅助系统1实现对日定向，操作方便，系统结构简单，太阳帆板5对日定向准确，且无需增加额外的大型机械装置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，包含：

驱动控制器，信号连接星载计算机，根据星载计算机发送的第一转角指令信号生成对应的第一PWM信号；

太阳帆板驱动电机，连接设置在所述驱动控制器与太阳帆板的传动机构之间，根据所述第一PWM信号驱动所述传动机构，实现太阳帆板对日定向；

AR实景辅助系统，信号连接所述驱动控制器，包含预置的太阳帆板驱动平台AR模型；所述太阳帆板驱动平台AR模型根据采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息和空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像；宇航员根据所述太阳帆板虚拟场景图像驱动太阳帆板对日定向。

2.如权利要求1所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述AR实景辅助系统包含：信号采集模块、太阳帆板驱动平台AR模型、显示模块；

所述信号采集模块包含：

设置在太空舱外的摄像头，用于获取太阳帆板真实场景图像；

设置在太阳帆板上的太阳敏感器，用于获取太阳矢量信息；

设置在空间站的星敏感器和陀螺，用于获取空间站当前姿态信息；

所述太阳帆板驱动平台AR模型信号连接所述摄像头、太阳敏感器、星敏感器、陀螺，根据所述太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息构建太阳帆板虚拟场景图像；

所述显示模块设置在太空舱内，信号连接太阳帆板驱动平台AR模型，用于可视化的显示所述太阳帆板真实场景图像、太阳帆板虚拟场景图像。

3.如权利要求2所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述AR实景辅助系统还包含：固定设置在太空舱内的单车、传感器、微处理器；

所述单车信号连接所述太阳帆板驱动平台AR模型；太阳帆板驱动平台AR模型根据宇航员骑行单车的圈数，改变太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员观察太阳帆板虚拟场景图像中的太阳帆板到位后，停止骑行单车；

所述传感器检测宇航员骑行单车的总圈数；

所述微处理器信号连接所述传感器，根据所述总圈数生成第二转角指令信号。

4.如权利要求3所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述驱动控制器包含CPU；所述CPU包含依序连接的指令解析模块、控制模块、第一并行总线通信模块；

所述指令解析模块信号连接星载计算机，接收星载计算机发送的第一转角指令信号，并发送给所述控制模块；

控制模块通过预设的运动算法，根据所述第一转角指令信号生成对应的太阳帆板转角角度码，并发送给所述第一并行总线通信模块。

5.如权利要求4所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述驱动控制器还包含FPGA；所述FPGA包含总线通信模块、第二并行总线通信模块、电机闭环控制模块、驱动信号生成模块；

所述第二并行总线通信模块信号连接所述第一并行总线通信模块，接收所述太阳帆板转角角度码；

所述总线通信模块信号连接所述微处理器，接收所述第二转角指令信号；

所述电机闭环控制模块信号连接所述第二并行总线通信模块、总线通信模块，根据所述太阳帆板转角角度码、第二转角指令信号生成对应的第一驱动指令信号、第二驱动指令信号；

所述驱动信号生成模块信号连接电机闭环控制模块，生成与第一驱动指令信号、第二驱动指令信号对应的第一PWM信号、第二PWM信号。

6.如权利要求5所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述太阳帆板驱动电机包含电性连接的驱动电路和永磁同步电机；所述驱动电路信号连接所述驱动信号生成模块，根据接收的所述第一PWM信号、第二PWM信号驱动永磁同步电机；所述永磁同步电机连接太阳帆板的传动机构，用于驱动所述传动机构，实现太阳帆板对日定向。

7.如权利要求2所述的空间站太阳帆板驱动控制系统，其特征在于，所述显示模块为液晶显示屏。

8.一种空间站太阳帆板驱动控制方法，采用如权利要求1至7任一所述的空间站太阳帆板驱动控制系统实现的，其特征在于，包含步骤：

S1、CPU接收星载计算机发送的第一转角指令信号生成太阳帆板转角角度码并发送给FPGA；

S2、FPGA根据所述太阳帆板转角角度码生成对应的第一PWM信号驱动太阳帆板驱动电机，实现太阳帆板对日定向；若超过设定的时长，FPGA没有接收到CPU发送的太阳帆板转角角度码，便认为CPU出现故障，进入S3；

S3、AR实景辅助系统的太阳帆板驱动平台AR模型根据其信号采集模块采集的太阳帆板真实场景图像、太阳矢量信息、空间站当前姿态信息生成太阳帆板虚拟场景图像；显示屏可视化的显示所述太阳帆板虚拟场景图像；

S4、宇航员骑行单车，太阳帆板驱动平台AR模型根据宇航员骑行单车的圈数，改变所述太阳帆板虚拟场景图像中太阳帆板的姿态；宇航员通过显示模块观察太阳帆板虚拟场景图像的太阳帆板到位后，停止骑行单车；

S5、传感器检测宇航员骑行单车的总圈数r并发送给微处理器；微处理器根据所述总圈数r计算得到太阳帆板实际需要转动的角度θ＝r/n，n为预设的转换系数；微处理器生成与θ对应的第二转角指令信号并发送给FPGA；

S6、FPGA生成与第二转角指令信号对应的第二PWM信号，驱动太阳帆板驱动电机，实现太阳帆板对日定向。

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