СИСТЕМА АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА ЗА НЕБЕСНЫМ СВЕТИЛОМ

УДК 621.384.31

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-398-402

СИСТЕМА АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

ЗА НЕБЕСНЫМ СВЕТИЛОМ

А.Н. Хомячкова, В.В. Матвеев

Приводится облик системы автосопровождения малого космического аппарата за небесным светилом, содержащий оптико-электронный прибор, вычислительное устройство и исполнительные органы. Рассматриваются уравнения динамики малого космического аппарата (МКА) по одной из осей с контуром управления и двигателем-маховиком (ДМ) в качестве исполнительного органа. Дана имитационная модель системы МКА-ДМ при управлении ориентацией по углу и угловой скорости. Получены переходные характеристики процесса автосопровождения за небесным светилом. Приводится макет малого космического аппарата с системой автосопровождения.

Ключевые слова: малый космический аппарат, система автосопровождения, двигатель-маховик, гироскопический датчик.

В настоящее время актуальными являются вопросы совершенствования бортовых систем малых космических аппаратов (МКА), которые должны удовлетворять целому набору характеристик: малая масса и энергопотребление, низкая стоимость и высокая точность позиционирования, длительная работоспособность. Бортовые системы должны обеспечивать строго определенную ориентацию МКА в космическом пространстве. Довольно часто МКА необходимо ориентировать относительно небесных светил (НС): звезд, Солнца, планет и в том числе Земли. В этом случае оптико-электронные приборы вырабатывают информацию об угловом положении МКА относительно НС, которая затем обрабатывается и поступает на органы управления МКА [1]. Кроме того, при движении МКА по орбите необходимо осуществлять непрерывный процесс автосопровождения за НС, который также входит в задачу ориентирования.

Целью настоящей статьи является исследование разработанной системы автосопровождения МКА за небесным светилом, посредством оптико-электронной системы, гироскопического датчика и двигателя-маховика в качестве исполнительного органа.

Облик бортовой системы автосопровождения. Система автосопровождения включает оптическую систему (рис. 1), размещенную внутри концентрической линзы - обтекателя 1 [1]. После прохождения объектива 2 излучение падает на грани зеркальной пирамиды 3 и разделяется на два пучка. Отражаясь от плоских зеркал и пройдя через конденсорные линзы 5, пучки попадают на светочувствительные площадки фотоэлементов 6. Сигналы фотоэлементов оцифровываются посредством аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 7 и поступают в контроллер 8, который по разностному сигналу формирует сигнал управления на исполнительные органы 9. Для улучшения динамики автосопровождения в систему введен гироскопический датчик 10.

Излучение от небесного светила

Рис. 1. Облик оптико-электронной системы ориентировании МКА: 1 - обтекатель, 2 - объектив;

3 - зеркальная призма; 4 - плоские зеркала; 5 - конденсор; 6 - фотоэлементы; 7 - АЦП;

8 -контроллер; 9 - исполнительные органы; 10-гироскопический датчик угловой скорости

Для управления МКА могут использоваться различные органы управления, среди которых наиболее часто используются двигатели-маховики (ДМ), которые не требуют расхода энергии и позволяют с высокой точностью ориентировать МКА. Принцип действия маховиков основан на законе сохранения момента импульса. При вращении маховика по ходу стрелки часов, корпус МКА вращается против часовой стрелки и наоборот.

Математическая модель. Система уравнений, МКА за НС посредством двигателя-маховика имеет вид:

/ай£+/м

"м =МВ

описывающая процесс автосопровождения

Jml я сесм

d¿t Л _1_ ,мКя d П "Т"2 "М "I "77 "М

dt¿ сесм dt

+ "м — U„

U,

упр

— k-\ ' ^kn

1 dt г

• Да,

'у dt у

к и

у упр,

Да = а + а0;

где /а, /м - моменты инерции МКА и маховика соответственно, а - угол поворота МКА, Пм -угловая скорость маховика, Мв - внешний возмущающий момент, действующий на МКА вокруг оси ориентирования; ¿я, Дя - индуктивность и сопротивление якоря соответственно; се, сМ - постоянные двигателя постоянного тока; иу - напряжение, подведенное к якорю двигателя; иупр - напряжение управления; к1,к2

- коэффициенты управления по угловой скорости и углу соответственно; Да - угол рассогласования, формируемой оптической системой; Ту, Ку- постоянная времени и коэффициент передачи усилителя; а0

- задающее воздействие.

На основе уравнений движения (1) получена имитационная модель системы автосопровождения в среде Ма^аЬ/ЗШиНпк (рис. 2), в которой ДМ приближенно описан передаточной функцией апериодического звена первого порядка. Электромеханическая постоянная времени ДМ принималось равной 0,02 с, постоянная времени усилителя 0,001 с, коэффициент передачи оптической системы 50 В/рад. Момент инерции маховика и МКА 2,07е-5 и 6,5е-3 кг-м2 соответственно. Коэффициент передачи гироскопа 50 В/(рад/с).

S'p¡/180

M¡>

Угол рассогласования

Оптическая система

0.001S+1

33.3 0.02s+1

Усилитель Двигатель Гироскоп

-а

Угловая скорость МКА

Intégralo г

Угловаяскорость макоаика

iewp¡

Угол поворота 2 МКА

3 Угловап скорость МКА

Рис. 2. Имитационная модель системы МКА - ДМ

Из анализа модели по рис. 2 было установлено, что система устойчива и имеет запасы устойчивости: по амплитуде 61,2 дБ, по фазе 89,9

Ниже приведены графики переходных процессов по углу ориентации (рис. 3, а) и угловой скорости (рис. 3, б) МКА. Время переходных процессов составляет около 6 с, что допустимо для подобных систем МКА.

Для того, чтобы сформировать требования к гироскопу в имитационную модель, приведенную на рис. 2, был помещен блок задания инструментальной погрешности гироскопического датчика в виде постоянного смещения нуля в данном запуске. Смещение нуля задавались следующие: 0,1°/с, 0,5°/с, 1°/с. Графики угла рассогласования в зависимости от различной погрешности гироскопа приведены на рис. 4.

Из результатов расчетов было установлено, что смещение нуля гироскопа значением 1 °/с, вызывает погрешность по углу рассогласования порядка 1 градуса. Таким образом, предполетные калибровочные действия с гироскопом должны сводить смещение нуля гироскопа не более 0,1 °/с.

Макетный образец МКА. На рис. 5, 6 приведены фотографии разработанного макетного образца МКА с микромеханическим гироскопом в контуре управления [3, 4]. На первом этапе исследовался процесс гашения угловой скорости МКА при первоначальной его закрутке. Это связано с тем, что при выводе на орбиту, МКА может совершать беспорядочные вращения, которые должны быть устранены системой ориентации.

Из рис. 7 следует, что время переходного процесса составляет не более 4-х секунд, что согласуется с результатами моделирования. Колебания переходной характеристики вызваны неидеальностью испытательного оборудования в наземных условиях.

а б

Рис. 3. Графики переходных процессов: по углу ориентации (а) и угловой скорости (б) МКА

^ 0

-1

-Смещение нуля гироскопа=0,1 °/с -Смещение нуля гироскопа=0,5 °/с ..........Смещение нуля гироскопа= 1 °/с

- \

\ л

NN

V \ \ ч, V

0123456789 10

Время, с

Рис.4. Графики угла рассогласования в зависимости от значения погрешности гироскопа

а б

Рис. 5. Макет МКА вид спереди: а - вид без солнечной панели; б - вид с солнечной панелью: 1 - корпус; 2 - направляющие; 3 - пластины; 7 - двигатель-маховик; 8 - корпус двигателя; 11 - элемент питания; 12 - установочная плата; 13 - фоторезисторы;

14 - солнечная панель

5

4

3

2

1

На рис. 7 приведена экспериментальная кривая гашения угловой скорости МКА при начальной скорости закрутки равной 88 °/с.

Рис.6. Макет МКА вид сверху: 4 - макетная плата; 5 - разъемное соединение; 6 - микросхема L293D; 9 - модуль GY-521; 10 - микроконтроллер Arduino Nano; 15 - кнопка питания

Время, с

Рис. 7. Процесс гашения угловой скорости МКА при начальной закрутке 88 °/с

Выводы. Продемонстрирован облик системы автосопровождения МКА за НС. Выведены уравнения динамики МКА по одной из осей с контуром управления и ДМ в качестве исполнительного органа. Представлен макет МКА с системой автосопровождения, а также проведены исследования процесса гашения угловой скорости МКА при начальной закрутке значением 88 °/с. Экспериментальные исследования согласуются с результатами моделирования.

Исследование выполнено при финансовой поддержки гранта ректора ТулГУ для обучающихся по образовательным программам высшего образования - программам магистратуры №8923 ГРР_М.

Список литературы

1. Парвулюсов Ю.Б., Родионов С.А., Солдатов В.П. Проектирование оптико- электронных приборов: учебник. изд. 2-е, перераб. и доп. Под ред. Ю. Г. Янкушенкова. М.: Логос, 2000. 488 с.

2. Изнар А.Н., Павлов А.В., Федоров Б.Ф. Оптико-электронные приборы космических аппаратов. М. «Машиностроение», 1972. 368 с.

3. Хомячкова А.Н. Оптико-электронная система ориентирования космического аппарата // Материалы 14-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Новые направления развития приборостроения». Минск: Изд-во БНТУ. 2021. 228 с.

4. Хомячкова А.Н., Матвеев В.В. Система ориентации малого космического аппарата с датчиком положения солнца // Промышленная революция 4.0: Взгляд молодежи. Тула: Изд-во ТулГУ.2021. С. 184-185.

Матвеев Валерий Владимирович, д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник молодежной лаборатории инерциальных датчиков первичной информации, систем ориентации и навигации, matweew.valery@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хомячкова Альбина Николаевна, магистрант, младший научный сотрудник молодежной лаборатории инерциальных датчиков первичной информации, систем ориентации и навигации, khoma05 19@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

OPTOELECTRONIC ORIENTATION SYSTEM USING THE SUN AS A REFERENCE POINT

A.H. Khomyachkova, V.V. Matveev

The image of the auto-tracking system of a small spacecraft behind a celestial body, containing an optoelectronic device, a computing device and executive bodies, is given. The equations of dynamics of a small spacecraft (SSC) along one of the axes with a control loop and an engine-flywheel (DM) as an executive body are considered. A simulation model of the MKA-DM system with control of orientation by angle and angular velocity is given. The transient characteristics of the process of auto-tracking behind the celestial body are obtained. A model of a small spacecraft with an autotracking system is presented.

Key words: small spacecraft, autotracking system, flywheel engine, gyroscopic sensor.

Matveev Valery Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, leading researcher of the Youth Laboratory of inertial sensors of primary information of orientation and navigation systems, mat-weew.valery@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khomyackova Albina Nikolaevna, postgraduate, a junior researcher at the Youth Laboratory of inertial sensors of primary information of orientation and navigation systems, khoma05_19@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 004.5

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-402-406

РАЗРАБОТКА ВЕБ-ИНТЕРФЕЙСА АДАПТИВНОГО ИМПОРТА И ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ АГРОМЕТЕОСТАНЦИЙ

А.Н. Голбан, А.В. Греченева, Я.С. Котов, К.А. Макеев, Д.М. Смыслов

Статья посвящена исследованию и разработке адаптивного веб-интерфейса, позволяющего в режиме реального времени осуществлять автоматизированный импорт данных агрометеостанций, анализировать выводимые в таблицу и графики физико-химические параметры полей, сравнивать их с нормальными значениями для каждой из культур с учетом вегетативного периода и информировать пользователя в случае обнаружения отклонения от нормы. Созданный веб -интерфейс позволяет снизить влияние человеческого фактора в ходе разведочного анализа данных, повысить скорость обнаружения аномальных значений, способных привести к частичной или полной гибели выращиваемых культур.

Ключевые слова: растениеводство, агрометеостанции автоматизированный сбор и анализ данных, адаптивный интерфейс, физико-химические параметры почвы.

В современном мире визуализация при работе с большим объемом данных становится востребованной темой для исследований. Использование больших данных даёт возможность одновременно определять тенденции развития исследуемого объекта и ставить для него стратегические цели, рассчитанные с заданным уровнем точности. Применение визуализации позволяет быстрее анализировать структуру исходных данных, неочевидные в них показатели и, как следствие из этого, быстрее выходить на анализ и интерпретацию полученных результатов. Основное преимущество визуализации состоит в том, что в наглядном виде информация воспринимается, обрабатывается и усваивается человеком в разы быстрее, чем в другом ином виде.

Целью работы является создание модуля веб-интерфейса Системы поддержки принятия решений (СППР) в задачах растениеводства на открытом грунте, улучшающего визуализацию данных на основе имеющихся средств отображения информации, с помощью событийности для графиков и таблиц.

Необходимость использования визуализации при работе с данными. Под визуализацией предполагается зримое представление данных или результатов анализа этих данных. Исследуемый объект может быть визуализирован различными способами, все зависит как от самого объекта, так и от целей его визуализации. Сегодня, чаще всего говорят о компьютерной визуализации, примерами которой являются различные формы таблиц, рисунков, графиков и дашбордов, созданных с помощью программных продуктов [1].