СТЕНД МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ ОДНООСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ И ОРИЕНТАЦИИ СПУТНИКА Российский патент 2024 года по МПК G09B9/00 B64G1/10 

Предлагаемое изобретение относится к образовательной области, а именно к учебно-тренировочным моделям, приборам и устройствам для развития профессиональных навыков обучающихся. Предназначено для обучения студентов основам разработки систем управления и моделирования поведения динамических систем с обратной связью на примере системы одноосной стабилизации и ориентации спутника. Данное изобретение позволяет организовать практико-ориентированную подготовку обучающихся на основе интеграции в образовательный процесс этапов, применяемых при создании реальных изделий аэрокосмической промышленности.

В процессе проектирования космического аппарата остро стоит проблема определения состава и характеристик системы ориентации и стабилизации космического аппарата. Так от правильности принятых решений в процессе проектирования данной системы зависит выполнение целевой миссии космического аппарата. Ошибка в проектировании данной системы может повлечь за собой преждевременный выход космического аппарата из строя и, как следствие, снижение эксплуатационного ресурса. Для оценки правильности принятых решений при разработке подобных систем применяют математическое и компьютерное моделирование. Однако важно уже на первых этапах проектирования проверить работоспособность разработанной системы, ее реализуемость и эффективность на практике. Требуются специальные испытательные и лабораторные стенды для этого. Отработка студентами практических навыков моделирования данных систем и верификации полученных результатов на реальных стендах и космических аппаратах требует определенных затрат и в некоторых случаях не представляется возможным. Таким образом, существует необходимость в создании учебно-тренировочного стенда, позволяющего отработать процесс моделирования и определения параметров системы ориентации и стабилизации макета космического аппарата, без необходимости подвергать риску реальный космический аппарат.

Известны конструктор микроспутника «ОрбиКрафт» и набор имитаторов космической среды (https://sputnix.ru/tpl/docs/Orbicraft+Terra.pdf), предназначенные для проведения экспериментов с моделями космических аппаратов, собранных из конструктора. Комплекс содержит рамку-имитатор геомагнитного поля для работы системы ориентации с одноосевым подвесом для макета спутника, макет спутника, который состоит из полезной нагрузки, микроконтроллерного устройства, источника питания и преобразователей питания, датчика угловой скорости, солнечного датчика, магнитометра, двигателя-маховика и радиоприемопередатчика, имитатора Земли и Солнца. Недостатком указанного изобретения является отсутствие возможности изменения массы и момента инерции макета спутника, что приводит к ограничению вариативности исходных данных для моделирования системы одноосной стабилизации и ориентации. Другим недостатком является конструктивный облик макета спутника, не соответствующего облику реальных космических аппаратов нано- и микроклассов.

Известен также лабораторный макет «LABSat» (В. Bruninga, US Naval Academy LABsats. AIAA JHU/APL Educational Seminar 10, Nov 2006.) полунатурного моделирования космических аппаратов для изучения студентами основ проектирования систем управления ориентаций микроспутников. Такой лабораторный макет используется для исследования систем управления ориентаций с использованием магнитной стабилизации, стабилизации маховиками, стабилизации реактивными двигателям. Недостатком данного изобретения является конструктивный облик макета, который не имеет ничего общего с обликом реального космического аппарата нано- и микроклассов, поскольку макет является только функциональным прототипом системы. Другим недостатком изобретения является отсутствие приемника внешних оптических сигналов для построения автоматической системы управления ориентацией по показаниям датчика оптического сигнала.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является учебный конструктор спутника «Интросат» (https://introsat.ru/ru/space-education-kits-all/space-education-kits/introsat-sr). Описанное техническое решение принято за прототип изобретения. Прототип содержит рамку стенда и макет спутника, совершающий вращательное движение вокруг одной оси в результате работы системы ориентации и стабилизации. В макет спутника входят микроконтроллерное устройство, двигатель-маховик, приемопередатчик, датчик угловых скоростей, магнитометр, фоторезистивный элемент, источник питания и преобразователи питания. Недостатком указанного изобретения является полное отсутствие возможности изменения массы и момента инерции макета спутника для обеспечения вариативности исходных данных для моделирования и определения параметров. Другим недостатком является отсутствие встроенного в стенд внешнего источника оптического излучения, необходимого для построения системы ориентации и стабилизации макета спутника.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей стенда в моделировании и практической верификации параметров системы ориентации и стабилизации макета спутника для широкого диапазона исходных данных, а также соответствие конструктивного облика макета спутника реальному облику космических аппаратов нанокласса.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в моделировании и практической верификации параметров системы ориентации и стабилизации макета космического аппарата, конструктивно соответствующего формату космического аппарата нанокласса с использованием внешнего автономного источника оптического сигнала, имитирующего сигнал с наземного измерительного пункта, при возможности изменения массы и момента инерции макета в широком диапазоне.

Технический результат достигается тем, что стенд моделирования поведения динамических систем с обратной связью на примере системы одноосной стабилизации и ориентации спутника, состоящий из рамы стенда, автономного источника оптического сигнала и макета спутника, устанавливаемого через две опоры и вал и совершающего вращательное движение вокруг вертикальной оси, внутри которого располагается источник питания, драйвер преобразователя питания, программируемое микроконтроллерное устройство, преобразователь интерфейса UART - USB, USB разъем для подключения к ЭВМ, датчик угловых скоростей, фоторезистивный элемент и маховик с электроприводом, отличающийся тем, что конструктивно макет спутника выполнен в формате CubeSat 3U, маховик макета спутника представляет набор дисков переменных масс и диаметров, устанавливаемых с помощью винтов в осевом направлении, имеется механизм изменения момента инерции макета спутника, состоящий из коромысла, соединенного с ручкой механизма общим валом, и двух прикрепленных к коромыслу выдвижных штанг, на конце которых расположены массивные однородные диски, автономный источник оптического сигнала крепится на одной из стоек рамки стенда и состоит из блока элементов питания и инфракрасного светодиода с малым углом рассеивания для формирования узконаправленного излучения.

Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает решение поставленной задачи, а именно позволяет проводить моделирование и верификацию на практике системы ориентации и стабилизации макета спутника, соответствующего реальному облику космических аппаратов нанокласса. Механизм изменения момента инерции макета спутника и составной маховик обеспечивают вариативность исходных данных для проведения моделирования, а автономный источник оптического сигнала с малым углом рассеивания позволяет смоделировать работу системы ориентации и стабилизации макета спутника по показаниям сигнала с источника, имитирующего наземный измерительный пункт.

Все предложенные признаки существенны, так как влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Заявляемое изобретение иллюстрируется Фиг. 1-4.

На фиг. 1. изображена принципиальная схема заявленного стенда.

На фиг. 2 изображен механизм изменения момента инерции макета спутника заявленного стенда.

На фиг. 3 изображен составной маховик макета спутника заявленного стенда.

На фиг. 4 изображен чертеж заявленного стенда.

Позиции на фигурах обозначают:

1 - рама стенда;

2 - автономный источник оптического сигнала;

3 - макет спутника;

4 - ЭВМ;

5 - инфракрасный светодиод с малым углом рассеивания;

6 - блок элементов питания;

7 - тумблер питания автономного источника оптического сигнала;

8 - источник питания;

9 - драйвер преобразователя питания;

10 - тумблер питания макета спутника;

11 - микроконтроллерное устройство;

12 - драйвер электродвигателя;

13 - электродвигатель;

14 - энкодер;

15 - датчик угловых скоростей;

16 - фоторезистивный элемент;

17 - преобразователь интерфейса UART-USB;

18 - USB разъем;

19 - составной маховик;

20 - ручка механизма изменения момента инерции;

21 - механизм изменения момента инерции;

22 - вал механизма изменения момента инерции;

23 - коромысло;

24 - выдвижная штанга;

25 - массивный однородный диск;

26, 27, 28 - составные диски маховика.

Стенд состоит из П-образной рамы стенда 1, на одну из стоек которой устанавливается автономный источник оптического сигнала 2, а на центральной перекладине через две подшипниковых опоры устанавливается вал, который жестко соединен с конструкцией макета спутника 3 для исключения колебательных движений перпендикулярных продольной оси макета спутника 3.

Автономный источник оптического сигнала 2 состоит из инфракрасного светодиода с малым углом рассеивания 5 для имитации узконаправленного сигнала наземного измерительного пункта, блока элементов питания 6 для обеспечения автономности работы и тумблера питания автоматического источника оптического сигнала 7.

Макет спутника, выполненный в формате конструкции космического аппарата нанокласса CubeSat 3U, состоит из микроконтроллерного устройства 11, реализующего алгоритм системы ориентации и стабилизации по показаниям фоторезистивного элемента 16, датчика угловых скоростей 15 и энкодера 14, управление вращением вала электродвигателя 13 осуществляется через драйвер электродвигателя 12, который в свою очередь приводит во вращение составной маховик 19.

Преобразователь интерфейса UART-USB 17 и USB разъем 18 используются для подключения к ЭВМ 4 для настройки режима моделирования и задания начальных параметров, а также для выгрузки результатов практической верификации.

Механизм изменения момента инерции 21 позволяет изменять момент инерции макета спутника 3, не изменяя его массы. Ручка механизма изменения момента инерции 20 соединена с коромыслом 23 через вал механизма изменения момента инерции 22, при вращении ручки 20 коромысло изменяет положение выдвижных штанг 24, на которых закреплены массивные однородные диски 25.

Составной маховик 19 позволяет изменять массу и момент инерции макета спутника 3 путем изменения количества составных дисков маховика 26-28, устанавливаемых с помощью осевых винтов.

При моделировании и практической верификации параметров системы ориентации и стабилизации макета спутника работы стенд работает следующим образом.

Обучающийся задает необходимые исходные данные по массе и моменту инерции макета спутника 3, устанавливая нужное количество составных дисков маховика 26, 27, 28 и регулируя положение ручки механизма изменения момента инерции 20 для изменения положения массивных однородных дисков 25. Включением тумблера питания автономного источника оптического сигнала 7 замыкается цепь питания между блоком элементов питания 6 и инфракрасным светодиодом с малым углом рассеивания 8, который начинает излучать узконаправленный пучок света в инфракрасном диапазоне, имитируя сигнал с наземного измерительного пункта.

Включением тумблера питания макета спутника 10 подается питание от источника питания 8 на драйвер преобразователя питания 9, благодаря чему запитываются остальные элементы макета спутника 3. С использованием ЭВМ 4 обучающийся подключается к макету спутника 3 через USB разъем 18 и преобразователь интерфейса UART-USB 17 для загрузки в микроконтроллерное устройство 11 параметров системы ориентации и стабилизации, полученных в результате теоретического моделирования по заданным исходным данным по массе и моменту инерции макета спутника 3. После отключения ЭВМ 4 от USB разъема 18 обучающийся закручивает рукой макет спутника 3, придавая начальное вращательное движение макету спутника 3, для инициализации работы системы ориентации и стабилизации.

Текущее значение угловой скорости с датчика угловой скорости 15 считывается микроконтроллерным устройством 11 по цифровому интерфейсу связи. На основании величин сигналов с датчика угловой скорости 15 и энкодера электродвигателя 14, а также загруженных параметров результата теоретического моделирования, микроконтроллерное устройство 11 формирует и передает управляющий сигнал с помощью драйвера электродвигателя 12, управляющего электродвигателем 13, для задания скорости вращения составного маховика с целью компенсации начальной угловой скорости вращения макета спутника 3.

После компенсации начальной угловой скорости вращения макета спутника 3, микроконтроллерное устройство 11 формирует управляющий сигнал на электродвигатель 13 на основании показаний датчика угловой скорости 15, показаний энкодера электродвигателя 14 и параметров, полученных в ходе теоретического моделирования, для осуществления программного поворота макета спутника 3 на 360 градусов с постоянной скоростью вращения. В процессе осуществления программного поворота показания уровня сигнала с фоторезистивного элемента 16 считываются и сохраняются микроконтроллерным устройством 11 с целью построения зависимости уровня сигнала от углового положения, полученного с датчика угловой скорости 15. Микроконтроллерное устройство 11 вычисляет угловое положение автономного источника оптического сигнала 2 на основании максимального значения уровня сигнала полученной зависимости.

После осуществления программного поворота макета спутника 3 на 360 градусов микроконтроллерное устройство 11 формирует управляющий сигнал на электродвигатель 13 на основании рассчитанного углового положения источника оптического сигнала 2 до совмещения оси фоторезистивного элемента 16 и оси инфракрасного светодиода с малым углом рассеивания 5 так, чтобы угловая разность между ними была не более 5 градусов.

Далее микроконтроллерное устройство 11 отключает управление электродвигателем 13 и обучающийся подключается к макету спутника 3 через USB разъем 18 и преобразователь интерфейса UART-USB 17 для выгрузки количественных результатов работы системы ориентации и стабилизации.

Задавая различные значения массы, моментов инерции и начальной скоростью вращения макета спутника 3, можно определять и верифицировать на практике параметры системы ориентации и стабилизации космического аппарата нанокласса.

Таким образом, данное изобретение решает техническую задачу расширения функциональных возможностей стенда в моделировании и практической верификации параметров системы ориентации и стабилизации макета спутника, конструктивно соответствующего реальному космическому аппарату нанокласса, для широкого диапазона исходных данных.

Изобретение относится к учебно-тренировочным моделям, приборам и устройствам для развития профессиональных навыков обучающихся. Предназначено для обучения студентов основам разработки систем управления космических аппаратов и моделирования поведения динамических систем с обратной связью. Стенд моделирования поведения динамических систем с обратной связью на примере системы одноосной стабилизации и ориентации спутника включает в себя механизм изменения момента инерции макета спутника и составной маховик с дисками разных масс и диаметров. Благодаря изобретению можно моделировать систему управления космического аппарата, определять ее параметры в широком диапазоне исходных данных. Технический результат - изобретение расширяет арсенал средств заявленного назначения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Стенд моделирования поведения динамических систем с обратной связью на примере системы одноосной стабилизации и ориентации спутника, состоящий из рамы стенда, автономного источника оптического сигнала, который крепится на одной из стоек рамки стенда, и макета спутника, устанавливаемого через две опоры и вал и совершающего вращательное движение вокруг вертикальной оси, внутри которого располагается источник питания, драйвер преобразователя питания, программируемое микроконтроллерное устройство, преобразователь интерфейса UART-USB, USB разъем для подключения к ЭВМ, датчик угловых скоростей, фоторезистивный элемент и маховик с электроприводом, при этом стенд дополнительно включает механизм изменения момента инерции макета спутника, состоящий из коромысла, соединенного с ручкой механизма общим валом, и двух прикрепленных к коромыслу выдвижных штанг, на конце которых расположены массивные однородные диски, а маховик представляет набор дисков переменных масс и диаметров, устанавливаемых с помощью винтов в осевом направлении.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что конструктивно макет спутника выполнен в формате CubeSat 3U.

3. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что автономный источник оптического сигнала состоит из инфракрасного светодиода с малым углом рассеивания для формирования узконаправленного излучения и блока элементов питания.