CN113415439A - 一种火星车自主休眠与唤醒系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火星车自主休眠与唤醒系统，包括：太阳电池、供电继电器、MPPT电路、唤醒继电器、温度继电器、唤醒继电器线包、唤醒电阻、火星车负载和PCU电源；太阳电池与供电继电器的公共端连接；PCU电源、唤醒继电器线包与唤醒电阻并联设置，构成唤醒电路；其中，PCU电源串联唤醒继电器后接入供电继电器的B端；唤醒继电器线包的一端串联温度继电器后接地，另一端接入供电继电器的B端；唤醒电阻的一端接地，另一端接入供电继电器的B端；火星车负载与MPPT电路串联后接入供电继电器的A端，构成正常供电电路。本发明实现了火星车的自主休眠与唤醒，以使或形成适应火星天气环境和通信约束。

Description

一种火星车自主休眠与唤醒系统
技术领域
本发明属于航天器在轨自主运行控制技术领域，尤其涉及一种火星车自主休眠与唤醒系统。
背景技术
火星与地球类似，存在季节变化和气候变化，对火星车太阳电池发电产生影响，且具有不确定性。由于我国火星车不使用核电池，在火星车火面工作期间，不排除会发生太阳电池发电不足，出现能源危机，此外由于地火通信受限，每个火星日火星车与地面仅通信一次，地面可能无法及时获知能源平衡情况，综上需要进行火星车自主休眠唤醒设计。国内外开展休眠唤醒设计的星球车包括美国火星车及我国嫦娥系列巡视器。
美国勇气号和机遇号火星车主要采用地面控制休眠，由于每日仅能进行三次地火通信，发现沙尘暴后控制休眠的时效性较低，存在夜间蓄电池过放的风险。此外，勇气号和机遇号火星车均采用了同位素热源(RHU)，休眠期间舱内温度较高，唤醒设计仅需考虑功率平衡条件。
我国火星车遭遇沙尘等恶劣天气后，为了确保火星车能够安全度过火夜，需要开展自主休眠设计。此外，由于无核源，我国火星车唤醒时既需要考虑功率平衡又需要考虑工作设备温度条件。嫦娥巡视器设计休眠唤醒主要是应对月夜，由于月球无大气，地面可准确计算太阳电池发电，等到月夜来临前，地面可通过指令控制巡视器休眠；此外，月面光照强度高，光照时间长，巡视器唤醒后不用担心能源不足问题。火星有大气，火星车能源平衡受天气变化影响，不可预计，同时受通信窗口限制火星车休眠检测和休眠设置主要靠自主完成。火面光照强度弱，且存在唤醒后太阳即将落山的情况，导致火星车唤醒后可能出现能源不足情况，必须考虑唤醒后能源平衡问题。
综上，我国火星车需要设计自主休眠唤醒方案，及时应对火星不可预计的天气变化，确保休眠唤醒过程能源安全、设备工作在适宜的温度下。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种火星车自主休眠与唤醒系统，实现了火星车的自主休眠与唤醒，以使或形成适应火星天气环境和通信约束。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种火星车自主休眠与唤醒系统，包括：太阳电池、供电继电器、MPPT电路、唤醒继电器、温度继电器、唤醒继电器线包、唤醒电阻、火星车负载和PCU电源；
太阳电池与供电继电器的公共端连接；
PCU电源、唤醒继电器线包与唤醒电阻并联设置，构成唤醒电路；其中，PCU电源串联唤醒继电器后接入供电继电器的B端；唤醒继电器线包的一端串联温度继电器后接地，另一端接入供电继电器的B端；唤醒电阻的一端接地，另一端接入供电继电器的B端；
火星车负载与MPPT电路串联后接入供电继电器的A端，构成正常供电电路。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，
温度继电器导热粘贴在火星车的蓄电池上；
唤醒电阻，包括：第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻；其中，第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻依次串联，且第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻分别导热粘贴在火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元上。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，火星车正常工作时，供电继电器置位A端，太阳电池发电通过MPPT电路为火星车负载正常供电。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，当Q＜QN时，火星车自主将供电继电器置位B端，太阳电池停止为火星车负载供电，火星车断电休眠、太阳电池进入唤醒电路；其中，QN表示火夜耗电量，Q表示蓄电池全天的最高储电量。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，火星车断电休眠、太阳电池进入唤醒电路后，太阳电池发电电流进入到唤醒电阻中，唤醒电阻产生的热量分别用于为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，随着唤醒电阻产生的热量为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热，当蓄电池的当前温度≥T1时，温度继电器闭合；当蓄电池的当前温度＜T1+3，温度继电器断开；其中，T1表示蓄电池的最低工作温度。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，当温度继电器闭合后，唤醒电阻产生的压差作用在唤醒继电器线包两端，当太阳电池发电功率达到唤醒功率阈值P后，唤醒继电器线包驱动唤醒继电器闭合，PCU电源得电，之后PCU电源发送控制指令，以控制供电继电器置位A端，恢复正常供电：太阳电池发电通过MPPT电路为火星车负载供电。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，通过如下方式确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例：
确定蓄电池的最低工作温度T1、电源控制器的最低工作温度T2、数据管理单元的最低工作温度T3；
根据热平衡模型，计算得到蓄电池、电源控制器和数据管理单元的加热功率比例；其中，计算得到的加热功率比例满足：当蓄电池的温度达到T1后，电源控制器的温度高于T2、且数据管理单元的温度高于T3；
根据计算得到的满足要求的加热功率比例，确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，通过如下方式确定唤醒功率阈值P：
对Pb进行时间积分，得到太阳电池的全天发电量Qs；其中，Pb表示在光深为τa时，太阳电池发电通过MPPT电路火星车负载正常供电的功率；
确定火星车最小工作模式下的全天耗电量Qw；
当Qs＝Qw时，确定唤醒功率阈值P为：P＝max(Pa1,Pa1,…,Pai,…,Pan)；其中，max()为求最大值函数，Pai表示在光深为τa时，第i时刻太阳电池发电通过唤醒电路为唤醒电阻供电的功率。
在上述火星车自主休眠与唤醒系统中，唤醒电阻的阻值R为：
Figure BDA0003126779550000041
其中，V表示唤醒继电器闭合电压。
本发明具有以下优点：
(1)火夜期间由于太阳翼无法发电，蓄电池电量将达到全天最低，传统的蓄电池过放保护设计，只有在蓄电池基本耗尽后才进行休眠保护，易造成唤醒后由于电量不足出现二次休眠问题。本发明在蓄电池电量最高时(通常在进入火夜前)，进行蓄电池电量能否过火夜检测，在确定无法过火夜后及时休眠，能够最大程度的保存蓄电池电量，避免发生唤醒后二次休眠问题。
(2)唤醒电路中，由于设计了唤醒继电器和温度继电器，唤醒继电器线包和温度继电器串联，当设备温度满足要求后，温度继电器才闭合，唤醒继电器线包上电，同时当太阳电池发电功率达到设定功率时，对应的太阳电池全天发电能力可以满足火星车全天最小工作模式耗电量，唤醒继电器线包两端电压才达到唤醒继电器闭合电压，唤醒继电器闭合，火星车唤醒。综上，火星车只有在工作设备温度满足要求、发电能力大于耗电能力以后，才唤醒，避免出现唤醒时设备低温损伤，唤醒后功率不平衡问题。
附图说明
图1是本发明实施例中一种火星车自主休眠与唤醒系统的电路结构示意图；
图2是本发明实施例中一种自主休眠检测流程图；
图3是本发明实施例中一种太阳电池正常工作发电功率和休眠后发电功率的对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于：提供一种星车自主休眠与唤醒系统，通过检测太阳电池电流，确定蓄电池全天最高电量，根据蓄电池全天最高电量判定是否满足过火夜的能耗需求，如果不满足则控制火星车进行休眠；设计唤醒电路，由太阳电池、供电继电器、MPPT电路正常供电电路、唤醒电路组成，火星车正常工作时，太阳电池发电通过MPPT电路为火星车负载供电。火星车休眠前将正常供电电路断开，火星车断电休眠，太阳电池发电进入唤醒电路，为舱内设备加热，自主唤醒后，将太阳电池发电切换回正常供电电路。其中，所述的火星车自主休眠，软件实时检测太阳电池发电电流由大于火星车负载电流变为等于小于火星车负载电流条件，当条件满足时，认定蓄电池电量为全天最高电量，该电量如果小于火夜耗电量，则火星车立即进行断电休眠，否则火星车继续进行检测。
如图1，在本实施例中，该火星车自主休眠与唤醒系统，包括：太阳电池1、供电继电器2、MPPT电路3、唤醒继电器4、温度继电器5、唤醒继电器线包6、唤醒电阻7、火星车负载8和PCU电源9。其中，太阳电池1与供电继电器2的公共端连接。PCU电源9、唤醒继电器线包6与唤醒电阻7并联设置，构成唤醒电路；PCU电源9串联唤醒继电器4后接入供电继电器2的B端；唤醒继电器线包6的一端串联温度继电器5后接地，另一端接入供电继电器2的B端；唤醒电阻7的一端接地，另一端接入供电继电器2的B端。火星车负载8与MPPT电路3串联后接入供电继电器2的A端，构成正常供电电路。
在本实施例中，唤醒电阻7具体可以包括：第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻。其中，第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻依次串联设置。
优选的，第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻分别导热粘贴在火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元上。温度继电器5导热粘贴在火星车的蓄电池上。
在本实施例中，火星车正常工作时，供电继电器2置位A端，太阳电池1发电通过MPPT电路3为火星车负载8正常供电。当蓄电池全天的最高储电量Q小于火夜耗电量QN时，火星车自主将供电继电器2置位B端，太阳电池1停止为火星车负载8供电，火星车断电休眠、太阳电池1进入唤醒电路。其中，如图2所示，在白天时，太阳电池1接收光照发电，其发电电流记作Qf，Qf存在几种可能情况：Qf＞火星车负载电流，Qf＝火星车负载电流，Qf＜火星车负载电流。白天，当Qf＞火星车负载电流时，多余的电流流入蓄电池，持续为蓄电池充电，蓄电池的储电量逐渐增大；随着日落，Qf逐渐变小，直至Qf＝火星车负载电流，此时开始，太阳电池1不再给蓄电池充电，蓄电池由充电状态转为放电状态；当Qf＜火星车负载电流后，蓄电池为火星车负载8供电，蓄电池的储电量逐渐降低。由此可见，Qf由“Qf＞火星车负载电流”变为“Qf＝火星车负载电流”时，蓄电池此时的电量为全天最高电量，记作Q。
进一步的，火星车断电休眠、太阳电池1进入唤醒电路后，太阳电池1发电电流进入到唤醒电阻7中，唤醒电阻7产生的热量分别用于为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热。
进一步的，随着唤醒电阻7产生的热量为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热，当蓄电池的当前温度≥T1时，温度继电器5闭合；当蓄电池的当前温度＜T1+3，温度继电器5断开。其中，T1表示蓄电池的最低工作温度。需要说明的是，蓄电池的当前温度≥T1时，温度继电器5闭合，随着蓄电池的当前温度逐渐降低，直至＝T1，但此时温度继电器5不会直接就断开，而是等到蓄电池的当前温度＜T1+3时，温度继电器5才会断开，提供了控制的可靠性。
进一步的，当温度继电器5闭合后，唤醒电阻7产生的压差作用在唤醒继电器线包6两端，当太阳电池1发电功率达到唤醒功率阈值P后，唤醒继电器线包6驱动唤醒继电器4闭合，PCU电源9得电，之后PCU电源9发送控制指令，以控制供电继电器2置位A端，恢复正常供电：太阳电池1发电通过MPPT电路3为火星车负载8供电。
在本实施例中，可以通过如下方式确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例：确定蓄电池的最低工作温度T1、电源控制器的最低工作温度T2、数据管理单元的最低工作温度T3。然后，根据热平衡模型，计算得到蓄电池、电源控制器和数据管理单元的加热功率比例；其中，计算得到的加热功率比例满足：当蓄电池的温度达到T1后，电源控制器的温度高于T2、且数据管理单元的温度高于T3。最后，根据计算得到的满足要求的加热功率比例，确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例。其中，需要说明的是，该确定方式是本领域公知的，在此不再赘述。
在本实施例中，可以通过如下方式确定唤醒功率阈值P：首先，对Pb进行时间积分，得到太阳电池1的全天发电量Qs；其中，Pb表示在光深为τa时，太阳电池1发电通过MPPT电路3火星车负载8正常供电的功率。然后，确定火星车最小工作模式下的全天耗电量Qw。最后，当Qs＝Qw时，确定唤醒功率阈值P为：P＝max(Pa1,Pa1,…,Pai,…,Pan)；其中，max()为求最大值函数，Pai表示在光深为τa时，第i时刻太阳电池(1)发电通过唤醒电路为唤醒电阻7供电的功率。
在本实施例中，唤醒电阻7的阻值R为：
Figure BDA0003126779550000071
其中，V表示唤醒继电器4闭合电压。
在本实施例中，
唤醒前后，太阳翼发电功率计算公式如下：
火星表面太阳光照辐射由直射光和散射光组成。垂直于太阳光入射方向上的光强Seff可表示为：
Figure BDA0003126779550000072
其中，S表示火星大气层顶部垂直于太阳光线的光强，e表示自然底数，τ表示火星光学深度，μ表示太阳高度角的余弦，f表示考虑火星大气和火星尘的衰减及散射作用的归一化光强系数，A表示火面反射率，C表示散射光有效因子。
如图3所示，有：
a)正常工作时，太阳电池通过MPPT电路输出的功率Pb为：
Pb＝AarryηcellSeffktkdustKlossCill_in(1-KZD)ηpass
其中，Aarry表示太阳电池阵面积，ηcell表示发电效率，kt表示温度影响因子，kdust表示火星尘影响因子，Kloss表示损耗因子，Cill_in表示入射角系数，KZD表示遮挡系数，ηpass表示功率传输与变换效率。
b)休眠时，太阳电池通过唤醒负载输出的功率Pa为：
Pa＝[Nb×(Isc×Kt)×A×Kloss]2×R
其中，Nb表示太阳电池并联数目，Isc表示短路电流(以25℃为基准)，R表示唤醒电阻的阻值。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，包括：太阳电池(1)、供电继电器(2)、MPPT电路(3)、唤醒继电器(4)、温度继电器(5)、唤醒继电器线包(6)、唤醒电阻(7)、火星车负载(8)和PCU电源(9)；
太阳电池(1)与供电继电器(2)的公共端连接；
PCU电源(9)、唤醒继电器线包(6)与唤醒电阻(7)并联设置，构成唤醒电路；其中，PCU电源(9)串联唤醒继电器(4)后接入供电继电器(2)的B端；唤醒继电器线包(6)的一端串联温度继电器(5)后接地，另一端接入供电继电器(2)的B端；唤醒电阻(7)的一端接地，另一端接入供电继电器(2)的B端；
火星车负载(8)与MPPT电路(3)串联后接入供电继电器(2)的A端，构成正常供电电路。
2.根据权利要求1所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，
温度继电器(5)导热粘贴在火星车的蓄电池上；
唤醒电阻(7)，包括：第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻；其中，第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻依次串联，且第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻分别导热粘贴在火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元上。
3.根据权利要求2所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，火星车正常工作时，供电继电器(2)置位A端，太阳电池(1)发电通过MPPT电路(3)为火星车负载(8)正常供电。
4.根据权利要求3所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，当Q＜QN时，火星车自主将供电继电器(2)置位B端，太阳电池(1)停止为火星车负载(8)供电，火星车断电休眠、太阳电池(1)进入唤醒电路；其中，QN表示火夜耗电量，Q表示蓄电池全天的最高储电量。
5.根据权利要求4所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，火星车断电休眠、太阳电池(1)进入唤醒电路后，太阳电池(1)发电电流进入到唤醒电阻(7)中，唤醒电阻(7)产生的热量分别用于为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热。
6.根据权利要求5所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，随着唤醒电阻(7)产生的热量为火星车的蓄电池、电源控制器和数据管理单元加热，当蓄电池的当前温度≥T1时，温度继电器(5)闭合；当蓄电池的当前温度＜T1+3，温度继电器(5)断开；其中，T1表示蓄电池的最低工作温度。
7.根据权利要求6所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，当温度继电器(5)闭合后，唤醒电阻(7)产生的压差作用在唤醒继电器线包(6)两端，当太阳电池(1)发电功率达到唤醒功率阈值P后，唤醒继电器线包(6)驱动唤醒继电器(4)闭合，PCU电源(9)得电，之后PCU电源(9)发送控制指令，以控制供电继电器(2)置位A端，恢复正常供电：太阳电池(1)发电通过MPPT电路(3)为火星车负载(8)供电。
8.根据权利要求2所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，通过如下方式确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例：
确定蓄电池的最低工作温度T1、电源控制器的最低工作温度T2、数据管理单元的最低工作温度T3；
根据热平衡模型，计算得到蓄电池、电源控制器和数据管理单元的加热功率比例；其中，计算得到的加热功率比例满足：当蓄电池的温度达到T1后，电源控制器的温度高于T2、且数据管理单元的温度高于T3；
根据计算得到的满足要求的加热功率比例，确定第一子电阻、第二子电阻和第三子电阻的阻值比例。
9.根据权利要求7所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，通过如下方式确定唤醒功率阈值P：
对Pb进行时间积分，得到太阳电池(1)的全天发电量Qs；其中，Pb表示在光深为τa时，太阳电池(1)发电通过MPPT电路(3)火星车负载(8)正常供电的功率；
确定火星车最小工作模式下的全天耗电量Qw；
当Qs＝Qw时，确定唤醒功率阈值P为：P＝max(Pa1,Pa1,…,Pai,…,Pan)；其中，max()为求最大值函数，Pai表示在光深为τa时，第i时刻太阳电池(1)发电通过唤醒电路为唤醒电阻(7)供电的功率。
10.根据权利要求9所述的火星车自主休眠与唤醒系统，其特征在于，唤醒电阻(7)的阻值R为：
Figure FDA0003126779540000031
其中，V表示唤醒继电器(4)闭合电压。
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