УЧЕБНАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СПУТНИКА ФОРМАТА CUBESAT C МОДУЛЕМ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к космической технике, а именно, к космическим аппаратам, и может быть использована при создании спутника формата CubeSat. Одновременно данная полезная модель относится к учебно-демонстрационным моделям. Более конкретно заявляемое устройство представляет собой учебно-демонстрационное оборудование для развития знаний и навыков учащихся, а именно, учебную функциональную модель спутника формата CubeSat, предназначенную для наглядной демонстрации и обучения принципам стабилизации и ориентации спутника исполнительными устройствами на основе маховиков.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В уровне техники известны учебные функциональные модели и конструкторы спутников, но, как правило, они обладают одним или несколькими недостатками из списка:
осуществляют исключительно демонстрационную функцию;
не имеют возможности решения задач стабилизации и ориентации и/или требуют для их отработки крупногабаритных, тяжелых и сложных для использования учащимися стендов;
не предназначены для обучения программированию профессиональных микроконтроллеров 32-битной архитектуры;
не соответствуют отраслевым стандартам формата CubeSat;
являются профессиональным оборудованием с повышенной сложностью входа для учащихся.
Например, известно следующее оборудование:
ArduSat - проект американской компании Because Learning, в рамках которого используется учебная модель аппарата формата CubeSat 1U.
Недостатками данного решения является:
отсутствие исполнительного устройства - такая конструкция не позволяет решать задачи стабилизации и ориентации аппарата;
программируется только в учебной среде Arduino IDE, следовательно, отсутствует возможность программирования в профессиональной среде.
ОрбиКрафт - учебный конструктор российской компании Спутникс.
Недостатками данного решения является:
несоответствие формату CubeSat, имеет принципиально иную архитектуру, не имеющую распространенного аналога в отрасли;
отсутствие компактного элемента обезвешивания в составе модели, позволяющего отрабатывать алгоритмы стабилизации и ориентации на столе учащихся, например такого, как подвес;
состоит из закрытых модулей, в связи с чем учащимся доступно только высокоуровневое программирование и ограниченный список задач.
реализация на основе одноплатного компьютера, что исключает возможность обучения программированию микроконтроллеров.
ОрбиКрафт Про - летная платформа аппаратов CubeSat производства компании Спутникс.
К недостаткам данного решения можно отнести:
отсутствие компактного элемента обезвешивания в составе модели, позволяющего отрабатывать алгоритмы стабилизации и ориентации на столе учащихся, например такого, как подвес;
реализована на основе одноплатного компьютера, не предназначена для обучения программированию микроконтроллеров;
штатно для использования совместно со сторонним оборудованием предназначена только область полезной нагрузки;
платформа разработана, как профессиональная, в первую очередь рассчитана на создание на ее основе подлежащих запуску космических аппаратов, освоение модели требует определенных навыков, как правило, отсутствующих у начинающих учащихся.
ОрбиКрафт 3D - учебная версия платформы ОрбиКрафт Про с ограниченным функционалом.
К недостаткам данного решения можно отнести:
не соответствующий отраслевому стандарту CubeSat корпус и способ сборки;
-в остальном во многом наследует специфику профессиональной платформы ОрбиКрафт Про, как и ее отличия.
Из патентного источника информации CN106781834 (A) (Правообладатель - UNIV NANJING AERONAUTICS & ASTRONAUTICS, опубликовано: 31.05.2017) известна настольная система моделирования спутников, для которой используется модуль обработки данных и выдачи инструкций; модуль терморегулирования, который собирает данные о температуре в механическом корпусе спутника таким образом, что температура внутри механического корпуса спутника поддерживается на заданном уровне; модуль ориентации, который управляет рулевым управлением механического корпуса спутника; модуль беспроводной связи, который соединен с внешним миром для обмена данными; модуль управления питанием, который обеспечивает электричеством модуль обработки данных, модуль терморегулирования, модуль ориентации и модуль беспроводной связи.
Однако данная модель за счет наличия модуля терморегуляции, влекущего за собой закрытие внутреннего пространства поверхностями из оргстекла, существенно снижает возможность исследования и изучения внутреннего устройства.
Кроме того, в указанном устройстве присутствует демонстрация одноосевой стабилизации малых космических аппаратов (МКА), при этом нет демонстрации ориентации.
Из патентного источника информации CN106781970A (Правообладатель - BEIJING GEEKYC EDUCATION TECH CO LTD опубликовано: 31.05.2017) известно учебное пособие и система для имитации спутниковой демонстрации, за счет которых можно смоделировать положение работающего спутника, взаимодействие информационных данных, управление сбором информации и управление представлением информации, чтобы преподавательский состав мог явно проводить демонстрацию, а учащимся было легче учиться. Между тем, структурная особенность спутника моделируется четко и полностью на основе взаимосвязи, так что студенты могут всесторонне и визуально изучить состав спутника и углубить понимание спутника, собрав своими руками учебное пособие по моделированию спутника. С помощью устройства отображения демонстрация может быть проведена более наглядно и детально, а рабочее состояние спутника может быть объяснено.
Однако данное техническое решение не имеет технической возможности обезвешивания, не имеет исполнительного устройства, не позволяет изучать и решать задачи стабилизации и ориентации аппарата.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является устранение недостатков известного уровня техники и разработка учебной функциональной модели, которая позволит осуществлять учебно-демонстрационные функции в области основ конструирования и программирования МКА, включая обучение разработке алгоритмов стабилизации и ориентации обезвешенного МКА.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в расширении арсенала технических средств для обучения основам ориентации и стабилизации МКА как в учебной, так и профессиональной средах программирования микроконтроллеров, с повышением доступности обучения основам космической инженерии при сохранении соответствия используемых технологий и разработанных обучающих задач реальным технологиям и задачам космической отрасли.
Указанный технический результат достигается за счет конструкции учебной функциональной модели спутника формата CubeSat c модулем ориентации и стабилизации, которая включает корпус, выполненный с возможностью крепления к подвесу и представляющий собой несущую раму, выполненную из вертикально установленных несущих рельсов и горизонтально установленных шпангоутов, соединенных между собой крепежными соединениями и образующих прямоугольный параллелепипед.
Несущая рама снабжена боковыми гранями, верхней и нижней гранями, на верхней гране установлена материнская плата посредством монтажных стоек, на которой закреплены микроконтроллер, датчик положения, плата расширения и модуль питания, с установленным на нем аккумулятором; на боковых гранях установлены датчики освещенности, а на нижней грани размещено исполнительное устройство, содержащее плату маховика и маховик, установленный на плате маховика посредством крепежных соединений, при этом исполнительное устройство вместе с датчиком положения и датчиками освещенности образуют модуль ориентации и стабилизации, а плата маховика, датчик положения и датчики освещенности связаны с микроконтроллером.
Согласно варианту осуществления полезной модели, датчик положения содержит магнитометр, гироскоп и акселерометр
Учебная модель дополнительно может содержать радиомодуль и модуль камеры, установленные на боковых гранях, и связанные с микроконтроллером.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель поясняется чертежами, на которых
На фиг. 1 представлен общий вид заявляемой полезной модели в сборе;
На фиг. 2 представлена конструкция корпуса заявляемой полезной модели;
На фиг. 3 представлено соединение плат заявляемой полезной модели;
На фиг. 4 представлено соединение модулей и корпуса заявляемой полезной модели;
На фиг. 5 представлено размещение модулей с креплением на боковых гранях заявляемой полезной модели.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявляемое решение предназначено для осуществления учебно-демонстрационных функций в области основ конструирования и программирования МКА, включая обучение разработке алгоритмов стабилизации и ориентации обезвешенного МКА.
Функциональная модель спутника формата CubeSat c модулем ориентации и стабилизации (см. фиг. 1-5) состоит из
корпуса 1, который представляет собой несущую раму 3, выполненную из вертикально установленных несущих рельсов 4 и горизонтально установленных шпангоутов 5, соединенных между собой крепежными соединениями и образующих прямоугольный параллелепипед, и подвеса 2, к которому крепится корпус 1 посредством вертлюга 9. Несущая рама 3 снабжена боковыми гранями 6, верхней 7 и нижней 8 гранями, на верхней грани 7 имеется отверстие для крепления спутника к подвесу 2. Шпангоуты 5 и рельсы 4 соединены винтовыми соединениями в несущую раму 3, согласно фиг. 2.
Корпус 1 выполнен для соответствия модели формату CubeSat в целях возможного использования в реальных миссиях, а также наглядной демонстрации учащимся основного конструктива, функционала и массогабаритных параметров формата CubeSat. В зависимости от размера несущих рельсов и количества боковых граней данная конструкция позволяет соответствовать форматам CubeSat 1U, 2U и 3U.
На верхней грани 7 установлена материнская плата 10, которая фиксируется к ней монтажными стойками 17 (см. фиг. 4). На материнской плате 10 закреплены микроконтроллер 13, рассчитанный на работу как в учебной, так и в профессиональной среде, датчик положения 11, плата расширения 14 и модуль питания 12, с установленным на нем аккумулятором, согласно Фиг. 3. Датчик положения 11 включает магнитометр, гироскоп и акселерометр.
Микроконтроллер 13 осуществляет управление моделью, с возможностью обучения учащихся навыкам программирования микроконтроллеров.
Материнская плата 10 служит для объединения всех элементов в единое устройство, включая контур питания и все шины данных, а также предоставление учащимся основных распространенных интерфейсов для свободного технического творчества с применением сторонних компонентов на базе модели (I2C (основной), GPIO, PWM, UART, SPI, CAN), а также возможность дополнять устройство сторонними модулями формата Arduino Shield, при необходимости.
Датчик положения 11 предоставляет данные об угловых скоростях, ускорениях и положении в магнитном поле для реализации алгоритмов стабилизации и ориентации учащимися.
Назначение платы расширения 14 с зоной макетирования и дополнительными разъемами основной шины данных это предоставление легкой возможности размещать и подключать к шинам данных сторонние электронные компоненты в техническом творчестве учащихся для создания своих собственных прототипов на основе модели.
Модуль питания 12 предназначен для обеспечения электропитанием устройства и всех его компонентов в контурах с напряжением 3,3В и 5В, с возможностью контролируемой безопасной зарядки по microUSB или от сторонней, не входящей в состав модели, цепи солнечных батарей.
На боковых гранях 6 установлены: датчики освещенности 18, радиомодуль 19 и модуль камеры 20, согласно фиг. 5.
Датчики освещенности 18 установлены для предоставления данных об освещенности каждой боковой грани для реализации алгоритмов ориентации учащимися.
Конструкция также снабжена исполнительным устройством, которое содержит плату маховика 15 и маховик 16, установленный на плате маховика 15 посредством крепежных соединений, при этом плата маховика 15 крепится монтажными стойками 17 к нижней грани 8 (см. Фиг. 4), а нижняя грань 8 крепится на несущей раме 3, согласно фиг. 2.
Исполнительное устройство вместе с датчиком положения 11 и датчиками освещенности 18 представляют собой модуль ориентации и стабилизации. Назначением модуля является обучение учащихся основам различных алгоритмов стабилизации и ориентации космических аппаратов, управляющих положением аппаратов, в том числе относительно яркого источника света (Солнца или его имитации) или магнитного поля (Земли или искусственно созданного). Следуя такого рода алгоритмам, программа управляющего микроконтроллера может изменять скорость и направление вращения маховика 16 на основе показания датчиков положения 11 и/или освещенности 18.
Обезвешивание модели для проведения испытаний и отработки алгоритмов ориентации и стабилизации обеспечивается с помощью подвеса 2, на который посредством вертлюга 9 устанавливается корпус 1. Такая конструкция позволяет проводить испытания непосредственно на столе учащихся, без применения громоздких и/или сложных в эксплуатации испытательных стендов. Применение многокомпонентного вертлюга 9 позволяет осуществлять почти свободное вращение модели по вертикальной оси с незначительным трением и без накапливаемого эффекта закручивания нити, по сравнению с известными в отрасли подвесами на основе нити.
На материнскую плату 10 устанавливается микроконтроллер 13, например, STM32F103C8 Blue Pill, имеющий 32-разрядное ядро архитектуры ARM Cortex-M3, выводы общего назначения GPIO, 10 выводов с 12-битным АЦП, две шины I2C, три шины UART, две шины SPI, а также шину CAN. Управляющий алгоритм может быть написан с использованием определенных библиотек с открытым кодом на языке Arduino C в среде разработки Arduino, либо на более низком уровне, на языке C/C++ в STM32CubeIDE.
Использование такого типа микроконтроллера позволяет: а) осуществлять управлением моделью через разработку программы управления как в учебной, так и в профессиональной среде разработки для микроконтроллеров, и б) легко осуществлять его замену, а, следовательно, значительно повышает ремонтопригодность модели.
Модуль маховика 15, датчик положения 11 (включает магнитометр, гироскоп и акселерометр), датчики освещенности 18 взаимодействуют с микроконтроллером 13 по интерфейсу, например, I2C. Физически подключение обеспечивается с помощью разъемов micro-match, установленными как на вышеперечисленных модулях, так и на материнской плате 10, и четырехвыводных шлейфов с ответными разъемами. На шлейфах розетки micro-match с одной стороны имеют выступающую часть, обеспечивающую однозначность верного соединения. Адреса датчиков освещенности 18 можно задать физически с помощью тумблеров.
Указанная структура позволяет легко и наглядно осуществлять самостоятельную сборку-разборку модели учащимися, в том числе младшего возраста, без необходимости перепрошивки датчиков освещенности для назначения им различных удобных адресов на шине I2C.
Программируемый радиомодуль 19 взаимодействует с микроконтроллером 13 по интерфейсу SPI. Подключение можно произвести проводами для макетирования, без пайки. На материнской плате 10 также находится подключенный к одной из шин SPI слот для microSD карты, которая может использоваться в качестве логгера - для сохранения данных и последующего чтения их на компьютере.
Назначением программируемого радиомодуля (19) в составе модели является обучение учащихся основам радиотехники с возможностью учащихся самостоятельно определять частоту, модуляцию и кодирование канала связи, реализации протоколов помехоустойчивого кодирования, отработки реалистичных циклограмм (алгоритмов) работы модели, включающих в себя сеансы удаленной радиосвязи в УКВ диапазоне
Модули Bluetooth (условно не показаны), а также модуль камеры 20 подключаются к микроконтроллеру 13 по шинам UART.
Назначением камеры является наглядная демонстрация одной из основных задач космических аппаратов - дистанционной съемки Земли из космоса. С помощью этого элемента учащиеся могут реализовывать комплексные алгоритмы автоматической съемки и передачи изображения по одному из двух возможных каналов беспроводной связи.
Модуль маховика 15 и модуль камеры 20 требуют напряжения питания 5 В. Это напряжение обеспечивает повышающий преобразователь напряжения модуля питания 12.
Модуль питания 12 содержит слот-крепление для аккумуляторной литий-ионной батареи типоразмера 18650. Ее можно заряжать, не вынимая, через порт microUSB на плате питания, так и внешним зарядным устройством.
Учащиеся могут осуществлять самостоятельную сборку модели, знакомясь с составом модуля ориентации и стабилизации, в том числе, с помощью винтовых соединений и беспаечного соединения проводами для организации связи между платами по определенным интерфейсам.
Все конструктивные компоненты модели позволяют осуществлять многократную сборку-разборку, что увеличивает срок полезного использования модели и отвечает задачам применения модели в обучении учащихся школьного возраста. Кроме того, возможно использовать одну модель для обучения разных учебных групп. Это же повышает ремонтопригодность модели, так как в случае поломки достаточно заменить только вышедший из строя компонент.
Учебный процесс предполагает обучение программированию малого космического аппарата. Программируемым устройством является промышленный микроконтроллер семейства STM32, используемый также в космической отрасли, что соответствует реальным отраслевым задачам. Программирование данного микроконтроллера имеет низкий порог вхождения, так как может осуществляться в распространенной для дополнительного образования школьников среде Arduino IDE с использованием определенных библиотек, имеющих открытый код. Более продвинутые пользователи могут использовать для программирования профессиональную среду STM32CubeIDE.
Модули спутника не являются “черными ящиками”: целевая аудитория имеет к ним свободный доступ, принимая показания с датчиков и управляя исполнительным устройством с помощью микроконтроллера, взаимодействующего с ними по интерфейсу, например, I2C. Структура и форма граней (фиг. 2), а также небольшие размеры устройств, крепящихся к боковым граням, обеспечивают наглядность модуля ориентации, позволяя беспрепятственно наблюдать за работой маховика и других составных частей модели.
При написании алгоритма управления моделью спутника учащиеся решают инженерные задачи, схожие с реальными задачами в области космической инженерии. Например, целевая аудитория может решать следующие задачи:
a. Отработка получения показаний с датчиков, подключенных по интерфейсу I2C к микроконтроллеру, их последующая обработка и беспроводная передача в качестве телеметрии по радиоканалу.
b. Отработка стабилизации аппарата, расположенного на подвесе, в одной плоскости по показаниям гироскопа.
c. Отработка одноосной ориентации аппарата в магнитном поле по показаниям магнитометра.
d. Отработка одноосной ориентации аппарата по показаниям датчиков освещенности на источник света.
e. Задачи стабилизации и ориентации можно разбить на несколько этапов с нарастанием сложности: от запуска работы исполнительного устройства с не зависимыми от показаний датчиков параметрами до написания ПИД-регулятора для обеспечения более точной и быстрой стабилизации и ориентации.
f. g. Отработка получения снимка с камеры и последующая его передача по радиоканалу для оценки качества ориентации и стабилизации по качеству снимка.
Перечень позиций:
1. Корпус;
2. Подвес;
3. Несущая рама;
4. Несущие рельсы;
5. Шпангоуты;
6. Боковые грани;
7. Верхняя грань;
8. Нижняя грань;
9. Вертлюг;
10. Материнская плата;
11. Датчик положения;
12. Модуль питания;
13. Микроконтроллер;
14. Плата расширения;
15. Плата маховика;
16. Маховик;
17. Монтажные стойки;
18. Датчики освещенности;
19. Радиомодуль;
20. Модуль камеры.