CN114995102B - 一种复杂空间机构高可靠性控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂空间机构高可靠性控制系统及方法，所述复杂空间机构中包括至少一个空间机构的执行部件和与所述空间机构的执行部件连接的至少一个所述空间机构的传感器；所述控制系统包括：控制设备和驱动设备，其中控制设备采用三机或多机热冗余,用于完成自动控制。驱动设备一般采用双机冷备份，用于完成执行部件驱动和传感器信号采集处理，同时驱动设备亦以离散控制的方式独立完成故障处理或控制任务。设计了自动控制和离散控制两种的控制模式，具备高可靠性和通用性，控制对象可以是一套或多套复杂空间机构。本发明可以用于复杂空间机构高可靠性控制，同时也可以在其他空间机构高可靠性控制中推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，尤其涉及一种复杂空间机构控制系统及方法。
背景技术
现随着空间飞行器技术的迅速发展，其构造日趋复杂，功能不断增多，各类复杂空间机构的应用越来越多。复杂空间机构的特点不仅机构部分复杂，而且存在传感器种类繁多，执行部件多样化，需要在空间完成的动作步骤多，任务复杂，甚至存在多种复杂空间机构协同工作的任务需求。
典型的复杂空间机构如可重复展收舱门机构、可重复展收太阳电池阵机构等，每套机构均有十多个甚至数十个机构部件组成，配置了十多个电机、十多个旋转变压器和数十个开关传感器。每个展收程序需要按流程顺序完成十多个甚至数十个机构动作。由于复杂空间机构动作多，往往还有在任务过程中各项动作一般不可逆不可中断的特点，故对可靠性要求极高。除了自动完成各项动作和工作任务外，还要求一般故障不影响机构按设定程序完成工作任务。
在此背景下，目前复杂空间机构的控制系统不具备高可靠性，故障后很难不影响任务完成，重大故障不能保证飞行器的系统安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种复杂空间机构控制系统及方法。
本发明提供了一种复杂空间机构控制系统，所述复杂空间机构中包括至少一个空间机构的执行部件和与所述空间机构的执行部件连接的至少一个所述空间机构的传感器；
所述控制系统包括：
控制设备，用于接收所述飞行器平台发出的自动控制指令，并根据所述控制指令的内容选择执行相应自动控制操作，根据所述自动控制操作的执行情况自动进行执行情况判断并向所述驱动设备自动发送控制指令，所述空间机构的所述执行部件按照设定的自动控制操作执行控制操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；
驱动设备，用于接收所述控制设备发出的控制指令执行驱动操作，同时采集所述传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备，供所述控制设备自动控制使用；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；
其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构。
优选地，所述控制设备包括CPU模块，用于发送所述控制系统内部自动控制指令；控制信号仲裁表决输出模块，用于接收所述CPU模块发出的所述自动控制指令，进行仲裁表决后输出仲裁表决结果至所述驱动设备。
优选地，所述驱动设备采用双机冷备份模式，所述驱动设备包括主机部分和备机部分，所述主机部分包括依次连接的第一指令遥测处理模块、第一执行部件驱动主模块和第一信号采集处理主模块，所述备机部分包括依次连接的第二指令遥测处理模块、第二执行部件驱动主模块和第二信号采集处理主模块；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，对所述第一执行部件驱动主模块/所述第二执行部件驱动主模块进行驱动，并根据所述第一信号采集处理主模块/所述第二信号采集处理主模块采集的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务。
优选地，所述驱动设备还包括主备切换模块，用于接收所述飞行器平台发出的主备切换控制指令，正常情况下主机各模块供电运行和故障情况下切换备机各模块供电运行。
优选地，所述控制设备采用三机或多机热冗余，若一机故障时自动隔离故障，自动控制不受任何影响；两机故障时通过地面指令指定任一机工作。
优选地，所述执行部件驱动主模块包括单个或单组电机或电磁类执行部件。
优选地，所述控制系统包括自动控制和离散控制两种冗余的控制模式，所述控制模式根据地面指令或遵循设定的控制逻辑进行自动切换，默认使用自动控制模式，故障时转入离散控制模式。
优选地，所述控制指令包括直接指令或间接指令，所述直接指令为OC门类开关形式的直接指令，所述间接指令包括通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线指令。
优选地，所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块配置模拟量直接遥测，或者配置通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线遥测。
本发明提供了一种复杂空间机构控制方法，根据所述的复杂空间机构控制系统执行，包括：
控制设备接收所述飞行器平台发出的自动控制指令，并根据所述控制指令对空间机构的执行部件进行驱动操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；
驱动设备接收所述控制设备发出的控制指令执行驱动操作，同时采集传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备，供所述控制设备自动控制使用；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；
其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构。
针对现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明为复杂空间机构配置的控制系统同时具备自动控制和离散控制两种冗余的控制模式，具有可靠性高，通用性强的特点，有广泛的应用前景；
本发明所提供的复杂空间机构的控制系统具备高可靠性，一般故障不影响任务完成，重大故障仍能够保证飞行器的系统安全，具备较强的故障处理能力和多种处理手段；采用多机热冗余，实现自动控制；采用双机冷备份，通过离散控制的方式独立完成故障处理或控制任务；
控制系统可以完成一套或多套机构的控制，在完成多套机构控制时，既可以控制各套机构独立完成工作任务，也可以控制多套机构协同工作，共同完成工作任务。
附图说明
图1为本发明实施例一所述的复杂空间机构控制系统示意图；
图2为本发明实施例一所述的复杂空间机构控制系统中的自动控制和离散控制切换示意图，其中自动控制电路包括控制设备全部电路和驱动设备部分电路，离散控制电路包括驱动设备的部分电路；
图3为本发明实施例一中自动控制示例图；
其中，1-复杂空间机构；2-飞行器平台；3-控制设备；4-驱动设备；5-主机部分；6-备机部分。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种复杂空间机构控制系统，所述复杂空间机构1中包括至少一个空间机构的执行部件和与所述空间机构的执行部件连接的至少一个所述空间机构的传感器；
飞行器平台2为控制系统提供基础资源，包括向控制设备3和驱动设备4供电，并发送控制指令，实时采集遥测信号下传地面；
在此基础上，所述控制系统包括：
控制设备3，用于接收所述飞行器平台2发出的自动控制指令，并根据所述控制指令的内容选择执行相应自动控制操作，根据所述自动控制操作的执行情况自动进行执行情况判断并向所述驱动设备4自动发送控制指令，所述空间机构的所述执行部件按照设定的自动控制操作执行控制操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；控制设备3，用于完成自动控制，即接收自动控制指令后，自动控制空间机构按设定程序动作，完成机构工作任务，无须地面判断或其他指令介入控制。
自动控制示例见图3，控制设备软件可以设定多个自动控制程序，根据需要选择相应自动控制程序执行。在某个自动控制程序中，可以完成复杂机构的多个机构动作，亦可以组合多套机构的不同机构协同工作。图3所示仅为简单控制逻辑，电机运行至传感器到位后停止，亦可根据需要设计更复杂控制逻辑，接收自动控制指令，开始执行第一自动控制程序，向驱动器发送第一机构第一电机正转指令，第一电机控制传感器到位，发送第一电机停止指令，向驱动器发送第二机构第二电机反转指令，第二电机控制传感器到位，发送第二电机停止指令，向驱动器发送第三机构第三电机反转指令，第三电机控制传感器到位，发送第三电机停止指令，其他机构按设定程序操作，执行完成，退出第一控制程序。其中，每一个机构里每个电机都有配套传感器来表征机构状态，电机和传感器间的配合关系可通过软件或硬件方式进行连接。
驱动设备4，用于接收所述控制设备3发出的控制指令执行驱动操作，同时采集所述传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备4，供所述控制设备4自动控制使用；在所述控制设备3故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构1。
在控制设备3故障情况下，驱动设备4进入离散控制模式可以独立工作，完成工作任务或故障处理。驱动设备4可以接收离散控制指令，对单个或单组电机或执行部件进行驱动，并根据采集传感器信号进行控制。一般每次接收一条地面指令完成一个对应的机构动作，可以由地面顺序发送多条指令并辅以地面判断来完成控制任务。
控制设备3和驱动设备4可以合并组成一台控制单机，也可以设计为独立的控制器和驱动器。
本发明的复杂空间机构1高可靠性控制系统，包括：控制设备3、驱动设备4；控制对象是复杂空间机构1；控制系统安装于飞行器平台后，通过电缆与空间机构连接，同时接入平台提供的供电；控制系统接收平台发出控制指令后，可以按照控制指令内容完成机构控制驱动，完成复杂空间机构1的工作任务。
在实际使用中，该控制系统可以完成一套或多套机构的控制。在完成多套机构控制时，既可以控制各套机构独立完成工作任务，也可以控制多套机构协同工作，共同完成工作任务。
本发明具有可靠性高，通用性强等特点，能够满足复杂空间机构控制需求，具有较好的推广和应用前景。
进一步，所述控制设备3包括CPU模块，用于发送所述控制系统内部自动控制指令；控制信号仲裁表决输出模块，用于接收所述CPU模块发出的所述自动控制指令，进行仲裁表决后输出仲裁表决结果至所述驱动设备4。如图1所示，控制设备3一般由三机或多机CPU模块、控制信号仲裁表决输出模块以及其他相应配套模块组成，各机输出的内部自动控制指令进行仲裁表决后输出给驱动设备4，驱动设备4接收后直接控制相应电机驱动设备4按指令工作。
本领域技术人员可以理解，本发明包括控制设备3、驱动设备4，控制对象是一套或多套复杂空间机构1；控制系统安装于飞行器平台后，通过电缆与空间机构连接，同时接入平台提供的供电；控制系统接收平台发出控制指令后，可以按照控制指令内容完成机构控制驱动，完成复杂空间机构1的工作任务。
进一步，所述驱动设备4采用双机冷备份模式，一机故障时可以通过指令切换到另一机工作。所述驱动设备4包括主机部分5和备机部分6，所述主机部分5包括依次连接的第一指令遥测处理模块、第一执行部件驱动主模块和第一信号采集处理主模块，所述备机部分6包括依次连接的第二指令遥测处理模块、第二执行部件驱动主模块和第二信号采集处理主模块；在所述控制设备3故障情况下，进入离散控制模式独立工作，所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，对所述第一执行部件驱动主模块/所述第二执行部件驱动主模块进行驱动，并根据所述第一信号采集处理主模块/所述第二信号采集处理主模块采集的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务。
本领域技术人员可以理解，驱动设备4可采用双机冷备份，主要用于完成执行部件驱动和传感器信号采集处理，同时驱动设备4亦可以离散控制的方式独立完成故障处理或控制任务。
进一步，所述驱动设备4还包括主备切换模块，用于接收所述飞行器平台发出的主备切换控制指令，正常情况下主机各模块供电运行和故障情况下切换备机各模块供电运行。
如图1所示，驱动设备4一般由指令遥测处理模块、信号采集处理模块、执行机构驱动设备4组成。上述模块一般配置主备模块，通过主备切换模块进行主备切换。主备切换模块一般采用继电器切换主备机的供电电源，即主机各模块供电接通时主机工作，备机各模块供电接通时备机工作，同时对于冷备工作模式来说，主备机各模块供电设计为不同时接通。某些飞行器平台条件允许时，亦可以将主备机切换模块配置到平台配电器中。
进一步，所述控制设备3采用三机或多机热冗余，主要用于完成自动控制，若一机故障时自动隔离故障，自动控制不受任何影响；两机故障时通过地面指令指定任一机工作。
进一步，所述执行部件驱动主模块包括单个或单组电机或电磁类执行部件。
如图2所示，所述控制系统包括自动控制和离散控制两种互为冗余的控制模式，所述控制模式根据地面指令或遵循设定的控制逻辑进行自动切换。本发明设计了一种复杂空间机构控制系统，该系统设计了自动控制和离散控制两种互为冗余的控制模式，内部架构也采取了多种冗余设计，具备高可靠性和通用性，控制对象可以是一套或多套复杂空间机构。复杂空间机构控制系统可以完成一套或多套机构的控制。在完成多套机构控制时，既可以控制各套机构独立完成工作任务，也可以控制多套机构协同工作，共同完成工作任务。
进一步，所述控制指令包括直接指令或间接指令，所述直接指令为OC门形式的直接指令，所述间接指令包括通过1553B总线或者RS422串行总线发送的指令。
进一步，所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块配置模拟量直接遥测，或者配置通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线遥测。
本控制系统所涉及的指令可以配置OC门类开关形式的直接指令，也可以配置1553B总线或者RS422串行总线，通过总线发送指令。遥测可以配置一部分模拟量直接遥测，也可以配置通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线遥测。为了提高可靠性，供电、指令、遥测均可采用多种形式的备份。
实施例二
本发明提供了一种复杂空间机构控制方法，根据实施例一所述的复杂空间机构控制系统执行，包括：
飞行器平台为控制系统提供基础资源，包括向控制设备和驱动设备供电，并发送控制指令，实时采集遥测信号下传地面；
控制设备接收所述飞行器平台发出的自动控制指令，并根据所述控制指令的内容选择执行相应自动控制操作，根据所述自动控制操作的执行情况自动进行执行情况判断并向所述驱动设备自动发送控制指令，所述空间机构的所述执行部件按照设定的自动控制操作执行控制操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；
驱动设备接收所述控制设备发出的控制指令执行驱动操作，同时采集传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备，供所述控制设备自动控制使用；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；
其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构。
本发明具有可靠性高，通用性强等特点，具有较好的推广和应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种复杂空间机构控制系统，其特征在于，所述复杂空间机构中包括至少一个空间机构的执行部件和与所述空间机构的执行部件连接的至少一个所述空间机构的传感器；
所述控制系统包括：
控制设备，用于接收飞行器平台发出的自动控制指令，并根据所述控制指令的内容选择执行相应自动控制操作，根据所述自动控制操作的执行情况自动进行执行情况判断并向驱动设备自动发送控制指令，所述空间机构的所述执行部件按照设定的自动控制操作执行控制操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；
驱动设备，用于接收所述控制设备发出的控制指令执行驱动操作，同时采集所述传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备，供所述控制设备自动控制使用；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；
其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构；
所述控制设备包括CPU模块，用于发送所述控制系统内部自动控制指令；控制信号仲裁表决输出模块，用于接收所述CPU模块发出的所述自动控制指令，进行仲裁表决后输出仲裁表决结果至所述驱动设备；
所述驱动设备采用双机冷备份模式，所述驱动设备包括主机部分和备机部分，所述主机部分包括依次连接的第一指令遥测处理模块、第一执行部件驱动主模块和第一信号采集处理主模块，所述备机部分包括依次连接的第二指令遥测处理模块、第二执行部件驱动主模块和第二信号采集处理主模块；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，对所述第一执行部件驱动主模块/所述第二执行部件驱动主模块进行驱动，并根据所述第一信号采集处理主模块/所述第二信号采集处理主模块采集的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务；
所述驱动设备还包括主备切换模块，用于接收所述飞行器平台发出的主备切换控制指令，正常情况下主机各模块供电运行和故障情况下切换备机各模块供电运行；
所述控制设备采用三机或多机热冗余，若一机故障时自动隔离故障，自动控制不受任何影响；两机故障时通过地面指令指定任一机工作；
所述执行部件包括单个或单组电机或电磁类执行部件；
所述控制系统包括自动控制和离散控制两种冗余的控制模式，所述控制模式根据地面指令或遵循设定的控制逻辑进行自动切换，默认使用自动控制模式，故障时转入离散控制模式；
所述控制指令包括直接指令或间接指令，所述直接指令为OC门类开关形式的直接指令，所述间接指令包括通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线指令；
所述第一指令遥测处理模块/所述第二指令遥测处理模块配置模拟量直接遥测，或者配置通过1553B总线或者RS422串行总线发送的总线遥测。
2.一种复杂空间机构控制方法，其特征在于，根据如权利要求1所述的复杂空间机构控制系统执行，包括：
控制设备接收所述飞行器平台发出的自动控制指令，并根据所述控制指令的内容选择执行相应自动控制操作，根据所述自动控制操作的执行情况自动进行执行情况判断并向所述驱动设备自动发送控制指令，所述空间机构的所述执行部件按照设定的自动控制操作执行控制操作，完成所述空间机构工作任务的自动控制；
驱动设备接收所述控制设备发出的控制指令执行驱动操作，同时采集传感器发出的传感器信号并传输至所述控制设备，供所述控制设备自动控制使用；在所述控制设备故障情况下，进入离散控制模式独立工作，接收所述飞行器平台发出的离散控制指令，控制所述执行部件的驱动，并根据所述传感器采集到的所述传感器信号进行控制，独立完成故障处理或控制任务，或者控制多套机构协同工作，共同完成工作任务；
其中，所述控制指令中控制对象是所述复杂空间机构。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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