CN111487858B - 一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，构建了以多个电机为主、多类多台测量元件为辅的控制系统组成架构；通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加断电，钻取控制单元加电后，将自身加电状态以BL量遥测形式发送至外部；为了提高系统在轨数据交互的安全可靠性，采用具有高可靠通讯能力的1553B数据总线作为指令数据交互方式；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；在总线遥控指令控制下工作，驱动控制月面深层钻取采样装置的执行机构部分按照相关流程工作，完成月壤钻进取芯、样品提芯整形、样品剪切分离等动作流程，实现对月面深层钻取采样的全过程控制。

Description

一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统

技术领域

本发明涉及一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，属于深空探测技术领域。

背景技术

钻取系统是实现我国探月三期工程月面无人自主深层钻进采样返回核心任务的关键载荷，通过钻进获取着陆点目标区域内深度不小于2米的月壤样品，并准确反映月壤的剖面原貌。

针对钻进系统有限资源、深层月壤工况复杂多变钻取载荷无法准确预估的问题，控制系统在满足高可靠性设计需求同时还要具备极强的自适应能力，传统的地面钻进采样控制系统无法适应空间环境、安全可靠、小型轻量化等宇航产品的应用需求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，解决系统月面在轨无人自主深层钻进采样返回任务执行过程中执行动作流程复杂难以可靠控制的问题。

本发明解决的技术方案为：一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，包括：加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机、微动开关、温度传感器、加载光电零位传感器、拉力传感器、拉力放大器，提芯力传感器、提芯力放大器和整形光电零位传感器；

通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加电与断电；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；

钻取控制单元加电后，将加电状态作为BL量遥测数据，发送至外部；

钻取控制单元在总线遥控指令控制下工作，具体如下：

钻取控制单元控制加载电机、冲击电机、回转电机进行钻进取芯工作，直至钻进行程到设定位置，第一微动开关触发，回转电机、加载电机以及冲击电机停止工作；

在钻进取芯过程中，钻取控制单元实时采集拉力放大器、加载电机温度传感器、冲击电机温度传感器、回转电机温度传感器和加载光电零位传感器的输出信息，以及第一微动开关的状态信息；

在钻进取芯完成后，钻取控制单元控制整形电机开始正转工作，进行样品提芯整形，直至样品提芯整形到位，第二微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品提芯整形过程中，钻取控制单元实时采集提芯力放大器、整形电机温度传感器、整形光电零位传感器的输出信息，以及第二微动开关的状态信息；

在样品提芯整形完成后，钻取控制单元控制整形电机开始反转工作，直至样品剪切分离行程到位，第三微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品剪切分离过程中，钻取控制单元实时采集整形光电零位传感器、整形电机温度传感器的输出信息，以及第三微动开关的状态信息。

优选的，控制钻取控制单元加断电的外部离散开关指令数量为8条，包括：钻取控制单元驱动供电模块主份加电、钻取控制单元驱动供电模块主份断电、钻取控制单元驱动供电模块备份加电、钻取控制单元驱动供电模块备份断电、钻取控制单元控制供电模块主份加电、钻取控制单元控制供电模块主份断电、钻取控制单元控制供电模块备份加电、钻取控制单元控制供电模块备份断电；指令为OC门形式，指令宽度为80±10ms，驱动能力不小于180mA，导通时集电极(指令线)电压小于1.5V，指令负载供电电压为26～30V。指令主要功能是用于控制钻取控制单元内部主份与备份的+5V、±12V、+29V以及+100V电源的导通与断开。

优选的，通过1553B总线遥控指令对钻取采样装置进行控制，设计总线遥控指令12条，并按功能对总线指令进行了分类，主要分为3类功能指令：预编程工作模式、遥控工作模式以及紧急制动停机，其中遥控工作模式又分为电机绕组控制、钻取过程电机运动控制、提取和分离过程电机运动控制、遥控参数阈值设置、预编程参数设置、拉力/提芯力解析公式系数设置、传感器状态设置、内存数据下传、预编程力值边界条件设置、钻进参数标志和加载电机停止次数设置等10条指令。总线遥控指令主要功能是用于控制相关电机运动，并对相关系统工作参数进行修改和更正：

优选的，通过1553B总线获取钻取控制单元的总线遥测数据，包括：第一微动开关、第二微动开关和第三微动开关的状态信息，拉力放大器、提芯力放大器、温度传感器、加载光电零位传感器以及整形光电零位传感器的输出信息。

优选的，钻取采样装置的机构部分，包括：展开机构、钻进机构、支撑结构、取芯钻具、整形机构、钻杆限幅机构、加载机构；

回转电机、冲击电机、拉力放大器、拉力传感器、回转电机温度传感器，冲击电机温度传感器，拉力放大器，安装于钻进机构内部；回转电机主要用于为螺旋钻具回转运动提供驱动力矩和转速；冲击电机主要用于驱动机构内部重锤运动产生固定冲击频率的冲击载荷并传递至螺旋钻具，使得钻具对目标样品产生冲击作用，破坏样品物理形态；拉力传感器主要用于测量钻进取芯过程中月面对螺旋钻具的支反力；拉力放大器主要用于将拉力传感器输出的毫伏级差分电压信号放大为0-5V模拟量电压信号，提高系统的抗干扰能力；回转电机温度传感器主要用于测量回转电机内部的温度，避免电机高温烧毁；冲击电机温度传感器主要用于测量冲击电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

加载电机、加载光电零位传感器、加载电机温度传感器，安装于加载机构内部；加载电机功能是通过谐波减速器驱动卷筒实现回转运动，卷筒带动钢丝绳卷入和卷出，从而带动钻进机构实现钻进和提升运动；加载光电零位传感器安装于加载电机的尾部，与加载电机输出轴连接，实时测量并记录加载电机转过的圈数，从而获取钻进取芯位置信息；加载电机温度传感器主要用于测量加载电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

整形电机、整形光电零位传感器、整形电机温度传感器，安装于整形机构内部；整形电机功能是通过谐波减速器驱动整形机构内部的初级封装容器旋转，从而实现取芯样品的提芯整形和剪切分离；整形光电零位传感器安装于整形电机的尾部，与整形电机输出轴连接，实时测量并记录整形电机转过的圈数，从而获取机构运动位置信息；整形电机温度传感器主要用于测量整形电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

第二微动开关，第三微动开关，安装于整形机构内部；第二微动开关主要用于测量样品提芯整形过程中机构运动行程到位信息；第三微动开关主要用于测量样品剪切分离过程中机构运动行程到位信息；

第一微动开关，安装于支撑结构内部；第一微动开关主要用于测量月壤钻进取芯过程中钻进机构运动行程到位信息；

提芯力传感器、提芯力放大器，安装于支撑结构内部；提芯力传感器主要用于测量在样品提芯整形过程中拉动月壤样品运动的力载状态信息；提芯力放大器主要用于将提芯力传感器输出的毫伏级差分电压信号放大为0-5V模拟量电压信号，提高系统的抗干扰能力；

优选的，拉力放大器、拉力传感器、提芯力放大器、提芯力传感器以及光电零位传感器均采用主备份冗余设计.

加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机这4台电机均为双绕组冗余设计，其中加载电机和整形电机为步进电机，冲击电机和回转电机为三相直流无刷电机。

优选的，月面深层钻取采样装置的电气控制系统，与月面深层钻取采样装置的机构部分，共同组成钻取采样装置；

月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够控制月面深层钻取采样装置的机构部分，执行钻进取芯、样品提芯整形、样品分离等动作流程。

优选的，钻取采样装置和钻取控制单元，共同组成月面深层样品采集钻取系统，实现对月面深层钻取采样的全过程控制；

通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加电断电；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；

钻取控制单元加电后，将钻取控制单元自身的加电状态，以BL量遥测形式，发送至外部；

钻取控制单元，在总线遥控指令控制下，控制月面深层钻取采样装置工作。

优选的，月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够与地面钻取任务支持平台进行配合；

钻取任务支持平台可根据钻取系统传输的遥测参数在线获取月壤状态参数，建立月壤数学模型，进行深层钻取动力学仿真和遥测驱动单元仿真，开展地面物理验证，验证总线遥控指令和遥测参数，形成任务规划控制策略，通过中央控制单元、测控系统上行数据注入着陆器DIU，着陆器DIU采用1553B总线进行数据传输，将钻取任务支持平台上行的总线指令数据发送至钻取控制单元，通过钻取控制单元控制钻取采样装置机构部分运动，从而完成月壤深层钻进采样工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明充分考虑宇航产品的小型轻量化、高可靠的设计理念，根据月面钻进采样的动作流程，确定了以4台电机为主、7类20余台套测量元件为辅的最优控制系统组成架构，电机与传感器进行了结构同体绕组备份的冗余设计方式，有效地降低了系统的质量，避免在单份失效的条件下影响任务的成败，有效地解决了航天型号产品轻量化与高可靠性的要求。

(2)本发明采用1553B总线作为系统信息交互总线，具有较高的稳定性；总线遥控指令与遥测数据采用基于应用过程标识APID的分包遥控、分包遥测方法对系统信息流进行了分包管理。

(3)本发明采用的钻取任务支持平台可根据钻取系统传输的遥测参数在线获取月壤状态参数，建立月壤数学模型，进行深层钻取动力学仿真和遥测驱动单元仿真，开展地面物理验证，验证总线遥控指令和遥测参数，形成任务规划控制策略

(4)本发明根据深层月壤钻进采样的研制需求，设计了一种全新的月面深层钻取采样装置电气控制系统，确定了以4台电机为主、7类20余台套测量元件为辅的控制系统组成架构，关键产品采用冗余备份设计；

(5)本发明为了提高系统可靠性，采用具有高可靠通讯能力的1553B数据总线架构模式作为指令数据交互方式，通过深入分析、识别钻取系统在轨工作过程中遥控遥测需求，设计了钻取系统遥控遥测参数体系，使系统具备了关键参数在轨重构、无人自主运行控制等能力,为钻取系统产品的研制奠定了技术基础。

附图说明

图1是本发明钻取采样装置布局图。

图2是本发明钻取控制单元结构图。

图3是本发明钻取采样装置机构部分组成图。

图4是本发明钻取采样装置电气控制系统组成图。

图5是本发明总线遥控指令格式图。

图6是本发明总线遥控指令信息传输路径图。

图7是本发明总线遥测数据格式图。

图8是本发明总线遥测数据信息传输路径图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，构建了以多个电机为主、多类多台测量元件为辅的控制系统组成架构；通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加断电，钻取控制单元加电后，将自身加电状态以BL量遥测形式发送至外部；为了提高系统在轨数据交互的安全可靠性，采用具有高可靠通讯能力的1553B数据总线作为指令数据交互方式；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；在总线遥控指令控制下工作，驱动控制月面深层钻取采样装置的执行机构部分按照相关流程工作，完成月壤钻进取芯、样品提芯整形、样品剪切分离等动作流程，实现对月面深层钻取采样的全过程控制。

本发明的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，优选用于驱动控制钻取采样装置机构部分工作获取着陆点目标区域内深度不小于2米的月壤样品，并准确反映月壤的剖面原貌。针对钻进系统有限资源、深层月壤工况复杂多变钻取载荷无法准确预估的问题，控制系统在满足高可靠性设计需求同时还要具备极强的自适应能力，而传统的地面钻进采样控制系统无法适应空间环境、安全可靠、小型轻量化等宇航产品的应用需求。

如图1和图2所示，钻取采样装置1和钻取控制单元共同组成月面深层样品采集钻取系统，实现对月面深层钻取采样的全过程控制。月面探测着陆系统主要由着陆器3和上升器2组成，钻取采样装置1安装于着陆系统的外部侧面，横跨着陆器3和上升器2。钻取控制单元安装于着陆器3的内部侧面，着陆器通过四个着陆支撑腿底部的托盘与月面接触。

本发明的月面深层钻取采样装置的电气控制系统，与月面深层钻取采样装置的机构部分，共同组成钻取采样装置；

月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够控制月面深层钻取采样装置的机构部分，执行月壤钻进取芯、样品提芯整形、样品剪切分离等动作流程。

如图3所示，钻取采样装置1的机构部分，优选包括展开机构4、钻进机构5、整形机构6、钻杆限幅机构7、加载机构8、支撑结构9以及取芯钻具10。支撑结构9为展开机构4、钻进机构5、钻杆限幅机构7、加载机构8提供安装结构平台，各功能部件的优选配合关系如下：

钻进取芯过程：加载机构8转动带动钻进机构5沿支撑结构9内部的导轨执行向下进尺运动，取芯钻具10安装于钻进机构5的输出端，钻进机构5通过内部回转电机和冲击电机驱动取芯钻具10进行回转转动和冲击传动，实现月壤钻进取芯过程，钻杆限幅机构7为取芯钻具10提供支撑，防止取芯钻具10高速转动过程中出现扰动；

样品提芯整形过程：整形机构6内部整形电机正向旋转，进行月壤钻取样品的提芯整形；

样品剪切分离过程：整形机构6内部整形电机反向旋转，将提芯整形完成的月壤钻取样品随同盛装容器与整形机构6分离，传送给上升器2内部，展开机构4带动整形机构6展开，为上升器2返回提供避让通道；

如图4所示。本发明的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，包括：加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机、微动开关、温度传感器、加载光电零位传感器、拉力传感器、拉力放大器，提芯力传感器、提芯力放大器和整形光电零位传感器；

通过外部离散开关指令控制钻取控制单元加断电；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，控制钻取采样装置机构部分运动，执行月面无人自主采样任务，并实时接收钻取控制单元的总线遥测数据，下传地面测控系统，便于地面控制人员进行在线分析与采样策略决策；钻取控制单元加电后，将钻取控制单元自身的加电状态，通过BL量遥测形式，发送至外部；

钻取控制单元在总线遥控指令控制下工作，具体如下：

钻取控制单元控制加载电机、冲击电机、回转电机进行钻进取芯工作，直至钻进行程到设定位置，第一微动开关触发，回转电机、加载电机以及冲击电机停止工作；

在钻进取芯过程中，钻取控制单元实时采集拉力放大器、加载电机温度传感器、冲击电机温度传感器、回转电机温度传感器和加载光电零位传感器等传感器的输出信息，以及第一微动开关的状态信息；

在钻进取芯完成后，钻取控制单元控制整形电机开始正转工作，进行样品提芯整形，直至样品提芯整形到位，第二微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品提芯整形过程中，钻取控制单元实时采集提芯力放大器、整形电机温度传感器、整形光电零位传感器等传感器的输出信息，以及第二微动开关的状态信息；

在样品剪切分离过程中，钻取控制单元控制整形电机开始反转工作，直至样品分剪切离行程到位，第三微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品剪切分离过程中，钻取控制单元实时采集整形光电零位传感器、整形电机温度传感器等传感器的输出信息、以及第三微动开关的状态信息；

钻取控制单元的总线遥测数据，包括：第一微动开关、第二微动开关和第三微动开关的状态信息，拉力放大器、提芯力放大器、温度传感器、加载光电零位传感器以及整形光电零位传感器的输出信息。

回转电机、冲击电机、拉力放大器、拉力传感器、回转电机温度传感器，冲击电机温度传感器，拉力放大器，安装于钻进机构内部；回转电机主要用于为螺旋钻具回转运动提供驱动力矩和转速；冲击电机主要用于驱动机构内部重锤运动产生固定冲击频率的冲击载荷并传递至螺旋钻具，使得钻具对目标样品产生冲击作用，破坏样品物理形态；拉力传感器主要用于测量钻进取芯过程中月面对螺旋钻具的支反力；拉力放大器主要用于将拉力传感器输出的毫伏级差分电压信号放大为0-5V模拟量电压信号，提高系统的抗干扰能力；回转电机温度传感器主要用于测量回转电机内部的温度，避免电机高温烧毁；冲击电机温度传感器主要用于测量冲击电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

加载电机、加载光电零位传感器、加载电机温度传感器，安装于加载机构内部；加载电机功能是通过谐波减速器驱动卷筒实现回转运动，卷筒带动钢丝绳卷入和卷出，从而带动钻进机构实现钻进和提升运动；加载光电零位传感器安装于加载电机的尾部，与加载电机输出轴连接，实时测量并记录加载电机转过的圈数，从而获取钻进取芯位置信息；加载电机温度传感器主要用于测量加载电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

整形电机、整形光电零位传感器、整形电机温度传感器，安装于整形机构内部；整形电机功能是通过谐波减速器驱动整形机构内部的初级封装容器旋转，从而实现取芯样品的提芯整形和剪切分离；整形光电零位传感器安装于整形电机的尾部，与整形电机输出轴连接，实时测量并记录整形电机转过的圈数，从而获取机构运动位置信息；整形电机温度传感器主要用于测量整形电机内部的温度，避免电机高温烧毁；

第二微动开关，第三微动开关，安装于整形机构内部；第二微动开关主要用于测量样品提芯整形过程中机构运动行程到位信息；第三微动开关主要用于测量样品剪切分离过程中机构运动行程到位信息；

第一微动开关，安装于支撑结构内部；第一微动开关主要用于测量月壤钻进取芯过程中钻进机构运动行程到位信息；

提芯力传感器、提芯力放大器，安装于支撑结构内部；提芯力传感器主要用于测量在样品提芯整形过程中拉动月壤样品运动的力载状态信息；提芯力放大器主要用于将提芯力传感器输出的毫伏级差分电压信号放大为0-5V模拟量电压信号，提高系统的抗干扰能力；

拉力放大器、拉力传感器、提芯力放大器、提芯力传感器以及光电零位传感器均采用同体结构备份冗余设计。加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机这4台电机均为同体结构绕组备份冗余设计，其中加载电机和整形电机为步进电机，冲击电机和回转电机为三相直流无刷电机。通过采用备份冗余设计方式有效地降低了系统的质量，避免在单份失效的条件下影响任务的成败，有效地解决了航天型号产品轻量化与高可靠性的要求。

月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够与地面钻取任务支持平台进行配合；

钻取任务支持平台可根据钻取系统传输的遥测参数在线获取月壤状态参数，建立月壤数学模型，进行深层钻取动力学仿真和遥测驱动单元仿真，开展地面物理验证，验证遥控指令和遥测参数，形成任务规划控制策略，通过中央控制单元、测控系统上行数据注入着陆器DIU，着陆器DIU采用1553B总线进行数据传输，将钻取任务支持平台上行的总线指令数据发送至钻取控制单元，通过钻取控制单元控制钻取采样装置机构部分运动，从而完成采样工作。

如图5和图6所示，总线遥控指令采用基于APID(应用过程标识)的分包遥控方法进行优选的信息拓扑设计，每一个遥控数据包均优选由包识别、包序列控制、包长、遥控包数据域等四个部分组成，其中包识别包含版本号、类型、副导头标志、应用过程标识组成，版本号占用3bit，类型占用1bit，副导头标志占用1bit，应用过程标识占用11bit，包序列控制包含序列标志，包名称或序列计数，其中序列标志占用2bit，包名称或序列计数占用14bit，包长占用16bit，其余数据长度分配给有效数据；钻取系统根据在轨深层采样的控制需求，依据控制功能，将钻取子系统在轨总线遥控指令分为12个独立的遥控包，具体为：(1)预编程工作模式；(2)钻取过程电机运动控制；(3)提取和分离过程电机运动控制；(4)参数阈值设定；(5)传感器状态设置；(6)紧急制动指令；(7)电机绕组控制；(8)预编程参数设置；(9)拉力/提芯力解析公式系数设置；(10)内存数据下传；(11)预编程力值边界条件设置；(12)钻进参数标志和加载电机停止工作次数设置。

如图7和图8所示，系统总线遥测数据采用基于APID(应用过程标识)的单E-PDU分包遥测方法进行信息拓扑设计，每一个遥测数据包均优选由包识别、包序列控制、包长、E-PDU数据域等四个部分组成，其中包识别包含版本号、类型、副导头标志、应用过程标识组成，版本号占用3bit，类型占用1bit，副导头标志占用1bit，应用过程标识占用11bit，包序列控制包含分组标志，包序列计数，其中分组标志占用2bit，包序列计数占用14bit，包长占用16bit，其余数据长度分配给有效数据；钻取控制单元将遥测数据组装为独立的单E-PDU遥测包，通过1553B总线下行给数据管理单元，数据管理单元分别通过数传通道、测控通道两个独立的通道下行给地面测控系统，数传通道和测控通道对数据传输形成异构备份，有效地规避了单通道故障影响任务的风险。

本发明的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，构建了以4台电机为主、7类20余台套测量元件为辅的控制系统组成架构；通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加断电，钻取控制单元加电后，将自身加电状态以BL量遥测形式发送至外部；为了提高系统在轨数据交互的安全可靠性，采用具有高可靠通讯能力的1553B数据总线作为指令数据交互方式；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；在总线遥控指令控制下工作，驱动控制月面深层钻取采样装置的执行机构部分按照相关流程工作，完成月壤钻进取芯、样品提芯整形、样品剪切分离等动作流程，实现对月面深层钻取采样的全过程控制，本发明的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统所达到的技术指标如下：

钻进深度测量精度：优于1.5mm

平均钻进速度：不小于10cm/min

提芯整形测量精度：优于2mm

提芯整形速度：不小于18cm/min

供电电压：+23～+29V

拉力测量范围：不小于800N

拉力测量精度：优于5‰

提芯力测量范围：不小于350N

提芯力测量精度：优于5‰

系统工作平均功率：不大于450W

系统工作峰值功率：不大于1150W

系统可靠度：不低于0.996

工作环境温度：-40℃～+85℃

存储环境温度：-50℃～+110℃

工作环境压力：可适应月面环境压力(≤1×10^-11Pa)

本发明通过了完整的航天型号产品热真空、热循环、高温存储、低温存储、随机振动、正弦振动、加速度、冲击等环境试验的考核，性能指标良好。

本发明采用1553B总线作为系统信息交互总线，具有较高的稳定性；总线遥控指令与遥测数据采用基于应用过程标识APID的分包遥控、分包遥测方法对系统信息流进行了分包管理。本发明采用的钻取任务支持平台可根据钻取系统传输的遥测参数在线获取月壤状态参数，建立月壤数学模型，进行深层钻取动力学仿真和遥测驱动单元仿真，开展地面物理验证，验证总线遥控指令和遥测参数，形成任务规划控制策略

本发明根据深层月壤钻进采样的研制需求，设计了一种全新的月面深层钻取采样装置电气控制系统，确定了以4台电机为主、7类20余台套测量元件为辅的控制系统组成架构，关键产品采用冗余备份设计；本发明为了提高系统可靠性，采用具有高可靠通讯能力的1553B数据总线架构模式作为指令数据交互方式，通过深入分析、识别钻取系统在轨工作过程中遥控遥测需求，设计了钻取系统遥控遥测参数体系，使系统具备了关键参数在轨重构、无人自主运行控制等能力,为钻取系统产品的研制奠定了技术基础。

本发明充分考虑宇航产品的小型轻量化、高可靠的设计理念，根据月面钻进采样的动作流程，确定了优选以4台电机为主、7类20余台套测量元件为辅的最优控制系统组成架构，电机与传感器进行了结构同体绕组备份的冗余设计方式，有效地降低了系统的质量，避免在单份失效的条件下影响任务的成败，有效地解决了航天型号产品轻量化与高可靠性的要求。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于包括：加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机、微动开关、温度传感器、加载光电零位传感器、拉力传感器、拉力放大器，提芯力传感器、提芯力放大器和整形光电零位传感器；

钻取采样装置的机构部分包括：展开机构、钻进机构、支撑结构、取芯钻具、整形机构、钻杆限幅机构、加载机构；回转电机、冲击电机、拉力放大器、拉力传感器、回转电机温度传感器，冲击电机温度传感器，拉力放大器，安装于钻进机构内部；加载电机、加载光电零位传感器、加载电机温度传感器，安装于加载机构内部；整形电机、整形光电零位传感器、整形电机温度传感器，安装于整形机构内部；第二微动开关，第三微动开关，安装于整形机构内部；第一微动开关，安装于支撑结构内部；第一微动开关主要用于测量月壤钻进取芯过程中钻进机构运动行程到位信息；提芯力传感器、提芯力放大器，安装于支撑结构内部；

拉力放大器、拉力传感器、提芯力放大器、提芯力传感器以及光电零位传感器均采用主备份冗余设计；加载电机、整形电机、冲击电机、回转电机这4台电机均为双绕组冗余设计，其中加载电机和整形电机为步进电机，冲击电机和回转电机为三相直流无刷电机；

通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加电与断电；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；

钻取控制单元加电后，将加电状态作为BL量遥测数据，发送至外部；

钻取控制单元在总线遥控指令控制下工作，具体如下：

钻取控制单元控制加载电机、冲击电机、回转电机进行钻进取芯工作，直至钻进行程到设定位置，第一微动开关触发，回转电机、加载电机以及冲击电机停止工作；

在钻进取芯过程中，钻取控制单元实时采集拉力放大器、加载电机温度传感器、冲击电机温度传感器、回转电机温度传感器和加载光电零位传感器的输出信息，以及第一微动开关的状态信息；

在钻进取芯完成后，钻取控制单元控制整形电机开始正转工作，进行样品提芯整形，直至样品提芯整形到位，第二微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品提芯整形过程中，钻取控制单元实时采集提芯力放大器、整形电机温度传感器、整形光电零位传感器的输出信息，以及第二微动开关的状态信息；

在样品提芯整形完成后，钻取控制单元控制整形电机开始反转工作，直至样品剪切分离行程到位，第三微动开关触发，整形电机停止工作；

在样品剪切分离过程中，钻取控制单元实时采集整形光电零位传感器、整形电机温度传感器的输出信息，以及第三微动开关的状态信息。

2.根据权利要求1所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：控制钻取控制单元加断电的外部离散开关指令数量为8条。

3.根据权利要求2所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：控制钻取控制单元加断电的外部离散开关指令，包括：钻取控制单元驱动供电模块主份加电指令、钻取控制单元驱动供电模块主份断电指令、钻取控制单元驱动供电模块备份加电指令、钻取控制单元驱动供电模块备份断电指令、钻取控制单元控制供电模块主份加电指令、钻取控制单元控制供电模块主份断电指令、钻取控制单元控制供电模块备份加电指令、钻取控制单元控制供电模块备份断电指令。

4.根据权利要求1所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：通过1553B总线获取钻取控制单元的总线遥测数据，包括：第一微动开关、第二微动开关和第三微动开关的状态信息，拉力放大器、提芯力放大器、温度传感器、加载光电零位传感器以及整形光电零位传感器的输出信息；

系统总线遥测数据采用基于应用过程标识APID的单E-PDU分包遥测方法进行信息拓扑设计，每一个遥测数据包均由包识别、包序列控制、包长、E-PDU数据域四个部分组成，其中包识别包含版本号、类型、副导头标志、应用过程标识组成，版本号占用3bit，类型占用1bit，副导头标志占用1bit，应用过程标识占用11bit，包序列控制包含分组标志，包序列计数，其中分组标志占用2bit，包序列计数占用14bit，包长占用16bit，其余数据长度分配给有效数据；钻取控制单元将遥测数据组装为独立的单E-PDU遥测包，通过1553B总线下行给数据管理单元，数据管理单元分别通过数传通道、测控通道两个独立的通道下行给地面测控系统，数传通道和测控通道对数据传输形成异构备份。

5.根据权利要求1所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：月面深层钻取采样装置的电气控制系统，与月面深层钻取采样装置的机构部分，共同组成钻取采样装置；

月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够控制月面深层钻取采样装置的机构部分，执行钻进取芯、样品提芯整形、样品分离动作流程。

6.根据权利要求1所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：钻取采样装置和钻取控制单元，共同组成月面深层样品采集钻取系统，实现对月面深层钻取采样的全过程控制；

通过外部离散开关指令，控制钻取控制单元加电断电；着陆器DIU通过1553B总线向钻取控制单元发送总线遥控指令，并接收钻取控制单元的总线遥测数据；

钻取控制单元加电后，将钻取控制单元自身的加电状态，以BL量遥测形式，发送至外部；

钻取控制单元，在总线遥控指令控制下，控制月面深层钻取采样装置工作。

7.根据权利要求1所述的一种月面深层钻取采样装置的电气控制系统，其特征在于：月面深层钻取采样装置的电气控制系统，能够与地面钻取任务支持平台进行配合。