РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 378.162.33

РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ УГЛОВЫМ ДВИЖЕНИЕМ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

И.А. Зимакова*, А.А. Зимаков Научный руководитель - Г. М. Гринберг

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: medvedeva187@mail.ru

В статье рассмотрены подходы к созданию лабораторного стенда для изучения алгоритмов управления угловым движением космического аппарата. Приведены разработанные структурная схема стенда и кинематическая схема опорно-поворотного устройства.

Ключевые слова: лабораторный стенд, управление угловым движением космического аппарата

LABORATORY BENCH DEVELOPMENT FOR RESEARCH ALGORITHMS OF SPACE

VEHICLE ANGULAR MOTION CONTROL

1.А. Zimakova*, А.А. Zimakov Scientific Supervisor - G. M. Greenberg

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: medvedeva187@mail.ru

This article describes approaches to invent laboratory bench for research algorithms of space vehicle angular motion control. Developed structure bench scheme and rotary support kinematic scheme.

Keywords: laboratory bench, space vehicle angular motion control.

В процессе функционирования космического аппарата (КА) на орбите его система управления работает как в режимах навигации и наведения, так и в режимах ориентации и стабилизации углового положения КА, причем работа в этих режимах может осуществляться как одновременно, так и последовательно [1].

Основной навигационной задачей алгоритмов управления является измерение навигационных параметров и определение по ним кинематических параметров движения (координат и скоростей) КА. В задачу наведения входит определение требуемых управляющих воздействий, которые обеспечивают приведение КА в заданную точку пространства с заданной скоростью и в требуемый момент. Задачи навигации и наведения можно объединить в группу, как задачи управления движением центра масс КА.

Задачи ориентации и стабилизации можно назвать задачами управления движением КА вокруг центра масс. Задача ориентации при этом заключается в совмещение осей КА с осями некоторой системы координат, называемой базовой системой отсчета, и движение которой в пространстве известно. Задачей стабилизации, в свою очередь, является устранение неизбежно возникающих в полете малых угловых отклонений осей КА от соответствующих осей базовой системы отсчета [2].

Для того чтобы система управления КА могла привести аппарат в заданное угловое положение в пространстве, а затем удерживать его в этом положении, она должна иметь систему изме-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 3

рений угловых параметров КА и в ней должен быть заложен алгоритм управления угловым движением КА.

Целью данной работы является разработка лабораторного стенда для изучения и отработки алгоритмов управления угловым движением КА.

На рисунке 1 приведена структурная схема разработанного стенда.

Рис. 1. Структурная схема лабораторного стенда

Конструктивно лабораторный стенд представляет собой макет КА, установленный в опорно-поворотное устройство. Пространственное положение макета КА отслеживается с помощью закрепленных на нем датчиков. Для изменения пространственного положения макета КА по осям X, Y, Z предназначены исполнительные органы, управление работой которых осуществляется с помощью двух микроконтроллеров. С помощью интерфейса осуществляется связь между оператором и лабораторным стендом, а также между микроконтроллерами.

На рисунке 2 приведена кинематическая схема опорно-поворотного устройства.

аХ

Рис. 2. Кинематическая схема опорно-поворотного устройства: 1 - наружная рамка; 2 - внутренняя рамка; 3 - макет космического аппарата; 4 - датчики

Опорно-поворотное устройство выполнено по схеме карданового подвеса, что позволяет прикрепленному к нему макету КА вращаться в трех плоскостях по осям X, Y, Z. На осях вращения рамок установлены исполнительные органы.

Управление исполнительными органами осуществляется по сигналам, поступающим с выходов микроконтроллеров 1 и 2, в качестве которых выбраны платы Arduino UNO [3]. Решение об

использовании двух микроконтроллеров принято исходя из необходимости обеспечения минимального количества электрически взаимосвязанных переходов между подвижными частями подвеса.

Разработанный стенд позволяет моделировать активные одно- и трехосные системы ориентации, а также моделировать элементарные режимы эволюции положения КА на орбите:

- закрутку и успокоение космического аппарата;

- поиск ориентира;

- приведение космического аппарата к заданной ориентации;

- поддержание заданной ориентации космического аппарата;

- программные повороты космического аппарата;

- смена ориентиров (перехват) космического аппарата.

Создание стенда разбито на следующие этапы:

1. Выбор аппаратного состава. На данном этапе производится выбор микроконтроллера и исполнительных органов, а также определяется состав датчиков;

2. Разработка электромонтажной схемы стенда. На этапе осуществляется разработка электромонтажной схемы на основе принципиальных электрических схем микроконтроллеров, датчиков и исполнительных органов;

3. Разработка конструктивных элементов. На этом этапе выполняется моделирование элементов конструкции опорно-поворотного устройства и макета КА, определяются габариты и формы, компонуются все элементы. Разрабатываются элементы креплений и необходимых конструктивных узлов для стыковки элементов конструкции между собой при сборке.

4. Изготовление и сборка опорно-поворотного устройства и макета КА. На этапе осуществляется выбор технологии изготовления, подготовка к производству и непосредственное изготовление элементов стенда, их сборка, монтаж электрической части;

5. Функциональные испытания. На этапе проводится разработка методики функциональных испытаний и непосредственное проведение функциональных испытаний.

6. Разработка и отладка программного интерфейса. Выполняется выбор программной среды для разработки интерфейса и логика обмена данными с микроконтроллерами.

Библиографические ссылки

1. Разыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей. - М.: Машиностроение, 1977.-472 с.

2. Белецкий В.Б. Движение искусственного спутника относительно центра масс. - М.: Наука, - 1965. - 416 с.

3. Описание платформы Агёшпо [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Arduino. Дата обращения - 18.04.2019 г.

© Зимакова И. А., Зимаков А. А., 2019