CN113724550A

CN113724550A - 一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法

Info

Publication number: CN113724550A
Application number: CN202110897187.XA
Authority: CN
Inventors: 龙弟之; 闻新; 于丹; 王宁; 陈辛; 魏炳翌
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2021-11-30

Abstract

本发明公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法，包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，所述场景模拟模块包括显示屏，所述显示屏内嵌于底座的凹槽中，该底座通过承力结构固定连接所述卫星演示模块，以支撑整个卫星演示模块并提供二自由度的姿态运动。

Description

一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及辅助教学实验装置领域，具体为一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法。

背景技术

近十年来，国内多所高校都已开办航天学院，旨在培养航天国防类人才。而本科阶段主要采用的是将科研、教育、生产在功能与资源优势上有机结合的“产学研”培养模式。其中，课堂教学作为产学研的主阵地，是不可忽视的关键环节。特别是专业实验课教学，在将基础教育提升到科研实力进而转化为生产力的过程中起着举足轻重的作用。以卫星的对地指向控制为例，其作为卫星在轨的基本功能之一，能够保证天线始终指向地球，确保通信稳定。由于市场上没有此类辅教装置，普遍的教授模式还是局限于课本和动力学仿真。这种传统的纯数学仿真模式容易造成理论知识和实际应用的结合不够紧密，而且单纯的理论知识学习也难以直接适用于航天工程中控制技术的应用研究，违背了该实验课程的教学目标。

在现有相关技术中，虽然已有气浮台、三轴转台等卫星姿态控制地面仿真测试设备，但由于高精密制作和应用目的的不同，其价格往往十分昂贵，操作复杂，体积庞大，不具有可视化功能且需要定期的检修和维护，不便于普及到实验教学中。因此急需开发一类与卫星姿态控制相关的简易式辅教装置，它既能满足实验课程的各方面需求，又能控制成本，可以大规模采购。

发明内容

为了将卫星对地指向控制可视化并应用到教学中，降低成本，本发明公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，旨在通过场景模拟模块实现卫星对地指向控制演示，通过卫星演示模块进行姿态的调整和控制。

本发明的技术方案如下：一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，所述场景模拟模块包括显示屏，显示屏内嵌于底座的凹槽中，该底座与承力结构固连，用以支撑整个卫星演示模块的重量。

作为优选，承力结构由铝合金加工制成并通过螺丝固连于所述底座上，在其顶端嵌入一端带法兰轴的万向节，通过该万向节连接所述卫星演示模块，提供卫星二自由度姿态运动。

作为优选，卫星演示模块包括卫星外形模块和姿态控制模块，卫星外形模块包括卫星承力壳体、设于该卫星承力壳体两侧的太阳帆板以及加装于底部的点状红光模组；姿态控制模块设于所述卫星承力壳体内部，包括执行器模块和控制该模块运动的主控模块，分别设于所述卫星承力壳体内部的隔板层上下两侧。

作为优选，点状红光模组对应场景模拟模块的显示屏并与主控板电性连接，通过该点状红光模组内部的激光管投射光点于显示屏上以模拟卫星天线的指向和星下点轨迹。

作为优选，主控模块包括主控板，该主控板电性连接电源接口、USB串口、蓝牙、启动按键和六轴陀螺仪。

作为优选，执行器模块包括两组无刷电机和飞轮，两组无刷电机通过电机支架固定连接于隔板层下方，无刷电机连接飞轮，以驱动飞轮旋转产生控制力矩。

作为优选，隔板层的上侧固定有主控模块，下表面固连有电机支架，用于安装无刷电机；整个隔板可取出进行零部件组装，并利用壳体内部凸台和电机支架提供足够的支撑。

本发明还公开了简易式卫星对地指向控制辅教装置的工作方法，STEP1，将控制程序通过所述USB串口进行烧录，并通过所述电源接口接入外接电源，使所述蓝牙、六轴陀螺仪和点状红光模组开始工作；STEP2，打开交互界面，对串口参数进行配置，并与所述卫星演示模块建立蓝牙通信链路，开始实时显示动态信息；STEP3，在所述卫星演示模块处于竖直位置时按下启动按键，实现对卫星模型的对地指向控制，打开显示屏开关观察红点在显示屏表面的移动；STEP4，在交互界面手动修改角度环和速度环参数，观察不同控制参数条件下超调、响应时间、稳态误差以及收敛性的变化。

作为优选，STEP3中实现对卫星模型的对地指向控制具体为：按下启动按键，模块初始化，串口开始接收指令，当定时器触发中断时，对六轴陀螺仪获取的卫星模型动态参数进行采样并将采样得到的数据输入控制算法做出响应输出，以控制无刷电机驱动俯仰、滚转两个通道的飞轮实现对卫星模型的对地指向控制；当定时器没有触发中断时，串口继续发送数据，测控交互界面持续显示相关参数信息。

有益效果：

（1）本发明针对航天专业实验课堂的实际需求，整个辅教装置结构简单，占用体积小，不易发生故障，维护方便；

（2）本发明可以通过装置演示飞轮执行机构与卫星的动量交换所引起的姿态指向控制，结合PPT讲解卫星姿态控制理论，直观性强；

（3）本发明可修改控制器参数通过显示的姿态稳定收敛曲线观察三种控制参数分别对超调、响应时间、稳态误差的影响，交互性好；

（4）本发明的装置可适用于实验室建设，普及到卫星姿态控制的实验教学中，有效的填补国内航天类实验教学器材市场空白。

附图说明

图1为本发明一个实施例的整体结构图；

图2为本发明一个实施例的卫星演示模块结构图；

图3为本发明一个实施例的交互界面设计图；

图4为本发明一个实施例的控制流程图。

附图标记：1底座、2显示屏、3承力结构、4喷嘴、 5万向节、6 太阳帆板、7显示屏接口、8显示屏开关、9电源接口、10 USB串口、11 蓝牙、12主控板、13 启动按键、14 六轴陀螺仪、15 隔板层、16 电机支架 17 飞轮、18 电机、19 点状红光模组。

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。

本发明公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置及其工作方法，能够模拟卫星在轨姿态二自由度的对地指向控制，结合实验教学为师生提供一个形象的辅助教学工具和交互实验平台。

如图1所示，一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，场景模拟模块与卫星演示模块以一定距离放置。场景模拟模块包括显示屏2，显示屏2内嵌于底座1的凹槽中，底座1螺纹连接承力结构3，并通过承力结构3顶端的万向节5连接卫星演示模块，以支撑整个卫星演示模块并提供二自由度的姿态运动。底座1的侧边还设有显示屏接口7和显示屏开关8。承力结构3为成三角形状的三根条形柱，分别连接底板一侧短边的两端及对应侧的中间部位，承力结构3的顶端可嵌入万向节5，利用万向节法兰轴一端连接卫星演示模块来保证二自由度的姿态运动。

如图2所示，为卫星演示模块示意图。卫星演示模块包括卫星外形模块以及姿态控制模块。卫星外形模块包括卫星承力壳体、喷嘴4、连接在外壳两侧的太阳帆板6、以及加装于外壳底部的与主控板12电性连接的点状红光模组19。在卫星姿态调整过程中，可通过点状红光模组19内的激光管投射在显示屏上的光点来模拟卫星天线的指向和星下点轨迹。姿态控制模块安装在卫星承力壳体内，具体包括执行器模块和主控模块，分别安装于卫星承力外壳内设的隔板层15上下两侧进行相互分隔。执行器模块包括两组无刷电机18和飞轮17，主控模块设于卫星承力外壳的隔板层15上侧，包括与主控板12相互电性连接的电源接口9、USB串口10、蓝牙11、启动按键13和MPU6050六轴陀螺仪14。以STM32单片机12作为主控板，利用六轴陀螺仪14获取的卫星模型动态参数为基础，根据PID控制算法做出响应输出，最终由两组无刷电机18驱动俯仰、滚转两个通道的飞轮16实现对卫星模型的对地指向控制。

本发明还公开了一种简易式卫星对地指向控制辅教装置的工作方法，通过USB串口10完成控制程序烧录后，利用电源接口9接入外接电源，此时蓝牙11、六轴陀螺仪14、和点状红光模组19已开始工作；然后打开如图3所示的交互界面，配置好通信端口和波特率，与卫星演示模块建立蓝牙通信链路，在绘图窗口开始实时显示卫星x、y两个通道的姿态角和飞轮转速，并在动画演示窗口演示卫星本体的姿态转动；接着在卫星演示模块处于竖直位置时按下启动按键13。如图4所示，为具体控制流程图，按下启动按键13之后，模块初始化，串口开始接收指令，当定时器触发中断时，对六轴陀螺仪14获取的卫星模型动态参数进行采样并将采样得到的姿态数据输入控制算法，根据PID控制算法做出响应输出，以控制无刷电机18驱动俯仰、滚转两个通道的飞轮16实现对卫星模型的对地指向控制；当定时器没有触发中断时，串口继续发送数据，测控交互界面持续显示相关参数信息。打开显示屏开关8观察红点在显示屏2上的移动；最后可以在交互界面中手动修改两个通道的角度环和速度环参数，观察不同控制参数条件下超调、响应时间、稳态误差以及收敛性的变化，在点击停止按钮后可中断通信。

本发明针对航天专业实验课堂的实际需求，利用卫星模型，地球模型以及各模拟设备，搭建一个与实际情况相近的卫星对地指向场景。整个辅教装置结构简单，占用体积小，不易发生故障，维护方便。具体的辅助教学中，老师可以通过装置演示飞轮执行机构与卫星的动量交换所引起的姿态指向控制，结合PPT讲解卫星姿态控制理论。交互性方面，学生可修改控制器参数通过显示的姿态稳定收敛曲线观察三种控制参数分别对超调、响应时间、稳态误差的影响。综合来看，本发明的装置可适用于实验室建设，普及到卫星姿态控制的实验教学中，有效的填补国内航天类实验教学器材市场空白。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：包括场景模拟模块以及设于该场景模拟模块正上方的卫星演示模块，所述场景模拟模块包括显示屏（2），所述显示屏（2）内嵌于底座（1）的凹槽中，该底座（1）与承力结构（3）固连，用以支撑整个卫星演示模块的重量。

2.根据权利要求1所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述承力结构（3）由铝合金加工制成并通过螺丝固连于所述底座（1）上，在其顶端嵌入一端带法兰轴的万向节（5），通过该万向节（5）连接所述卫星演示模块，提供卫星二自由度姿态运动。

3.根据权利要求1或2所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述卫星演示模块包括卫星外形模块和姿态控制模块，所述卫星外形模块包括卫星承力壳体、设于该卫星承力壳体两侧的太阳帆板（6）以及加装于底部的点状红光模组（19）；所述姿态控制模块设于所述卫星承力壳体内部，包括执行器模块和控制该模块运动的主控模块，分别设于所述卫星承力壳体内部的隔板层（15）上下两侧。

4.根据权利要求3所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述点状红光模组对应所述场景模拟模块的显示屏（2）并与主控板（12）电性连接，通过该点状红光模组（19）内部的激光管投射光点于所述显示屏（2）上以模拟卫星天线的指向和星下点轨迹。

5.根据权利要求4所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述主控模块包括主控板（12），该主控板（12）电性连接电源接口（9）、USB串口（10）、蓝牙（11）、启动按键（13）和六轴陀螺仪（14）。

6.根据权利要求4或5所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述执行器模块包括两组无刷电机（18）和飞轮（17），所述两组无刷电机（18）通过电机支架（16）固定连接于隔板层（15）下方，无刷电机（18）连接飞轮（17），以驱动飞轮旋转产生控制力矩。

7.根据权利要求6所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置，其特征在于：所述隔板层（15）的上侧固定有主控模块，下表面固连有电机支架（16），用于安装无刷电机（18）；整个隔板可取出进行零部件组装，并利用壳体内部凸台和电机支架（16）提供足够的支撑。

8.根据权利要求7所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置的工作方法，其特征在于：STEP1，将控制程序通过所述USB串口（10）进行烧录，并通过所述电源接口（9）接入外接电源，使所述蓝牙（11）、六轴陀螺仪（14）和点状红光模组（19）开始工作；STEP2，打开交互界面，对串口参数进行配置，并与所述卫星演示模块建立蓝牙通信链路，开始实时显示动态信息；STEP3，在所述卫星演示模块处于竖直位置时按下启动按键（13），实现对卫星模型的对地指向控制，打开显示屏开关（8）观察红点在显示屏（2）表面的移动；STEP4，在交互界面手动修改角度环和速度环参数，观察不同控制参数条件下超调、响应时间、稳态误差以及收敛性的变化。

9.根据权利要求8所述的简易式卫星对地指向控制辅教装置的工作方法，其特征在于：所述STEP3中实现对卫星模型的对地指向控制具体为：按下启动按键（13），模块初始化，串口开始接收指令，当定时器触发中断时，对六轴陀螺仪（14）获取的卫星模型动态参数进行采样并将采样得到的数据输入控制算法做出响应输出，以控制无刷电机（18）驱动俯仰、滚转两个通道的飞轮（16）实现对卫星模型的对地指向控制；当定时器没有触发中断时，串口继续发送数据，测控交互界面持续显示相关参数信息。