一種天基跟瞄演示儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種用液浮殼體代替三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的低成本、便于推廣的天基跟瞄演示儀。它包括上底面開(kāi)口的水箱，以及漂浮在水箱中的球形殼體。球殼內(nèi)部安裝有三個(gè)動(dòng)量輪、三個(gè)直流電機(jī)、無(wú)線攝像頭模塊、藍(lán)牙通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊。三個(gè)動(dòng)量輪分別與三個(gè)直流電機(jī)相連。所述的藍(lán)牙通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊皆與單片機(jī)模塊相連。所述的三個(gè)直流電機(jī)皆與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連。該演示儀不僅能夠用于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的理論研究，而且也能夠?yàn)槿粘?shí)踐教學(xué)提供良好的硬件支持。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種天基跟瞄演示儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天基跟瞄演示儀，尤其是通過(guò)動(dòng)量輪進(jìn)行姿態(tài)控制的天基跟瞄演示儀。
【背景技術(shù)】
[0002]三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星姿態(tài)控制通常有噴氣和動(dòng)量交換裝置兩種形式。對(duì)于長(zhǎng)壽命高精度的三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星，在軌道上正常工作時(shí)，普遍采用角動(dòng)量交換裝置(包括固定安裝的動(dòng)量輪，控制力矩陀螺及框架動(dòng)量輪)作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。星體上安裝的角動(dòng)量交換裝置，當(dāng)其數(shù)值與方向按一定規(guī)律變化時(shí)，產(chǎn)生作用于衛(wèi)星上所需要的反作用力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的連續(xù)控制，動(dòng)量輪系的角動(dòng)量可以由多個(gè)動(dòng)量輪的角動(dòng)量合成。從上世紀(jì)60年代末開(kāi)始，國(guó)外就開(kāi)始研究多個(gè)動(dòng)量輪安裝方式對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的控制效果?，F(xiàn)在三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星所采用的角動(dòng)量交換裝置的多個(gè)動(dòng)量輪常規(guī)的安裝方式一般為三軸正交安裝。
[0003]對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，除了理論研究外，還要進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，同時(shí)以上衛(wèi)星姿態(tài)控制的理論在大學(xué)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程中都會(huì)有介紹，為了學(xué)生對(duì)上述知識(shí)能有的更好的理解，除了進(jìn)行說(shuō)教式的知識(shí)傳授與理論研究外，也需要進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，為了模擬出衛(wèi)星在空間軌道上的失重及低摩擦力矩狀態(tài)，往往需要三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)。受三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)重量、體積和成本的限制，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法方便地多臺(tái)套推廣，從而也無(wú)法為實(shí)踐教學(xué)和衛(wèi)星姿態(tài)控制提供有效地支持，并且三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)存在重心不易調(diào)節(jié)的問(wèn)題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種用液浮殼體代替三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的低成本、便于推廣的天基跟瞄演示儀，能夠直觀地展現(xiàn)出動(dòng)量輪反作用力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的精確控制，并加上圖像處理程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤與瞄準(zhǔn)。該演示儀不僅能夠用于衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的理論研究，而且也能夠?yàn)槿粘?shí)踐教學(xué)提供良好的硬件支持。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種天基跟瞄演示儀，其特征是:包括有上開(kāi)口的液體箱，以及漂浮在液體箱中的球形殼體，利用液體箱中的液體浮力平衡所述的球形殼體自身重力，以及信息采集單元，運(yùn)算單元、信號(hào)傳輸單元，控制單元；
[0006]所述的信息采集單元包括安裝在所述的球形殼體內(nèi)部的無(wú)線攝像頭模塊，所述的無(wú)線攝像頭模塊由芯片攝像頭、1.2GHZ的無(wú)線收發(fā)模塊與圖像采集卡組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取關(guān)于外部目標(biāo)位置的光流圖像，并將關(guān)于該外部目標(biāo)位置的光流圖像傳給運(yùn)算單元；
[0007]所述的運(yùn)算單元為計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)信息采集單元所采集的關(guān)于該外部目標(biāo)位置的光流圖像進(jìn)行處理，利用圖像算法得到失調(diào)角，并通過(guò)控制算法得到指令力矩；并將所述的指令力矩以直流電機(jī)控制信號(hào)的形式通過(guò)信號(hào)傳輸單元傳給控制單元；
[0008]所述的信號(hào)傳輸單元包括藍(lán)牙通信模塊，用于接收計(jì)算機(jī)端發(fā)出的直流電機(jī)控制信號(hào)，并將該直流電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送給控制單元；[0009]所述的控制單元根據(jù)接收到的直流電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，包括安裝在所述的球形殼體內(nèi)部的單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行模塊，所述的單片機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收來(lái)自信號(hào)傳輸單元的直流電機(jī)控制信號(hào)，并將該直流電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行處理后，將正反轉(zhuǎn)信號(hào)與PWM波形輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；所述的執(zhí)行模塊包括與第一直流電機(jī)相連的第一動(dòng)量輪、與第二直流電機(jī)相連的第二動(dòng)量輪、與第三直流電機(jī)相連的第三動(dòng)量輪，所述的第一直流電機(jī)、第二直流電機(jī)、第三直流電機(jī)分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連，并根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形殼體姿態(tài)的控制。
[0010]所述的液體為水。
[0011]所述的球形殼體為兩個(gè)由透明材料構(gòu)成的半球拼接而成的封閉球殼。
[0012]所述的第一動(dòng)量輪、第二動(dòng)量輪和第三動(dòng)量輪采用三軸正交的安裝方式；根據(jù)三軸正交安裝的動(dòng)量輪所產(chǎn)生的反作用力矩對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
[0013]所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為可控制雙路直流電機(jī)的L298N。
[0014]所述的藍(lán)牙通信模塊為HC-06藍(lán)牙透?jìng)髂K。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，用液浮殼體代替三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，在成本與性能之間取得平衡，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于多臺(tái)套推廣，同時(shí)解決了三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)重心不易調(diào)節(jié)的問(wèn)題，既可用于理論研究，例如驗(yàn)證一些衛(wèi)星的姿態(tài)控制算法、目標(biāo)識(shí)別算法和跟蹤算法，又可為實(shí)踐教學(xué)提高硬件支持，給學(xué)生以直觀的認(rèn)識(shí)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2是本發(fā)明球形殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的信號(hào)傳遞示意圖。
[0019]圖中1.水箱,2.球形殼體,3.動(dòng)量輪,4.無(wú)線攝像頭,5.外部目標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D1和圖2所示:本發(fā)明的天基跟瞄演示儀包括上面開(kāi)口的水箱1，以及漂浮在水箱中的球形殼體2。球形殼體2內(nèi)部安裝有動(dòng)量輪組3，該動(dòng)量輪組包括第一動(dòng)量輪、第二動(dòng)量輪、第三動(dòng)量輪，控制動(dòng)量輪組的直流電機(jī)，無(wú)線攝像頭4，藍(lán)牙通信模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，單片機(jī)模塊。動(dòng)量輪均與單獨(dú)的直流電機(jī)相連，直流電機(jī)均與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連。藍(lán)牙通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊皆與單片機(jī)模塊相連。球形殼體2為兩個(gè)由透明材料構(gòu)成的半球拼接而成的封閉球殼。三個(gè)動(dòng)量輪采用三軸正交的安裝方式。無(wú)線攝像頭由芯片攝像頭、1.2GHZ的無(wú)線收發(fā)模塊與圖像采集卡組成，便于計(jì)算機(jī)端實(shí)時(shí)接收芯片攝像頭采集的畫(huà)面。藍(lán)牙通信模塊為HC-06藍(lán)牙透?jìng)髂K，用于接收計(jì)算機(jī)端發(fā)出的直流電機(jī)控制信號(hào)。單片機(jī)模塊接收藍(lán)牙通信模塊傳出的信號(hào)，進(jìn)行處理后，將正反轉(zhuǎn)信號(hào)與PWM波形輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制動(dòng)量輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為L(zhǎng)298N，可控制雙路直流電機(jī)。
[0022]本發(fā)明的信號(hào)傳遞過(guò)程參照?qǐng)D3所示:芯片攝像頭采集外部目標(biāo)5的畫(huà)面，并通過(guò)
1.2GHZ的無(wú)線收發(fā)模塊與圖像采集卡和計(jì)算機(jī)端保持實(shí)時(shí)傳輸。計(jì)算機(jī)端接收畫(huà)面后，經(jīng)過(guò)圖像處理程序得到當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)與畫(huà)面中心的相對(duì)偏差，并通過(guò)差分得出目標(biāo)點(diǎn)當(dāng)前的相對(duì)速度。通過(guò)對(duì)數(shù)值的綜合分析，將直流電機(jī)控制信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)端藍(lán)牙主機(jī)發(fā)送到與單片機(jī)模塊相連接的藍(lán)牙從機(jī)。單片機(jī)接收到信號(hào)并分析處理后，輸出正確的正反轉(zhuǎn)信號(hào)與PWM波形至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制動(dòng)量輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。動(dòng)量輪組通過(guò)反作用力矩實(shí)現(xiàn)對(duì)球形殼體姿態(tài)的控制，并帶動(dòng)與球形殼體固連的無(wú)線攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定目標(biāo)的跟蹤和瞄準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種天基跟瞄演示儀，其特征是:包括有上開(kāi)口的液體箱，以及漂浮在液體箱中的球形殼體，利用液體箱中的液體浮力平衡所述的球形殼體自身重力，以及信息采集單元，運(yùn)算單元、信號(hào)傳輸單元，控制單元； 所述的信息采集單元包括安裝在所述的球形殼體內(nèi)部的無(wú)線攝像頭模塊，所述的無(wú)線攝像頭模塊由芯片攝像頭、1.2GHZ的無(wú)線收發(fā)模塊與圖像采集卡組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取關(guān)于外部目標(biāo)位置的光流圖像，并將關(guān)于該外部目標(biāo)位置的光流圖像傳給運(yùn)算單元； 所述的運(yùn)算單元為計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)信息采集單元所采集的關(guān)于該外部目標(biāo)位置的光流圖像進(jìn)行處理，利用圖像算法得到失調(diào)角，并通過(guò)控制算法得到指令力矩；并將所述的指令力矩以直流電機(jī)控制信號(hào)的形式通過(guò)信號(hào)傳輸單元傳給控制單元； 所述的信號(hào)傳輸單元包括藍(lán)牙通信模塊，用于接收計(jì)算機(jī)端發(fā)出的直流電機(jī)控制信號(hào)，并將該直流電機(jī)控制信號(hào)發(fā)送給控制單元； 所述的控制單元根據(jù)接收到的直流電機(jī)控制信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，包括安裝在所述的球形殼體內(nèi)部的單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行模塊，所述的單片機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收來(lái)自信號(hào)傳輸單元的直流電機(jī)控制信號(hào)，并將該直流電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行處理后，將正反轉(zhuǎn)信號(hào)與PWM波形輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；所述的執(zhí)行模塊包括與第一直流電機(jī)相連的第一動(dòng)量輪、與第二直流電機(jī)相連的第二動(dòng)量輪、與第三直流電機(jī)相連的第三動(dòng)量輪，所述的第一直流電機(jī)、第二直流電機(jī)、第三直流電機(jī)分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連，并根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形殼體姿態(tài)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基跟瞄演示儀，其特征是:所述的液體為水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基跟瞄演示儀，其特征是:所述的球形殼體為兩個(gè)由透明材料構(gòu)成的半球拼接而成的封閉球殼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基跟瞄演示儀，其特征是:所述的第一動(dòng)量輪、第二動(dòng)量輪和第三動(dòng)量輪采用三軸正交的安裝方式；根據(jù)三軸正交安裝的動(dòng)量輪所產(chǎn)生的反作用力矩對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基跟瞄演示儀，其特征是:所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為可控制雙路直流電機(jī)的L298N。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種天基跟瞄演示儀，其特征是:所述的藍(lán)牙通信模塊為HC-06藍(lán)牙透?jìng)髂K。
【文檔編號(hào)】G09B25/00GK103676956SQ201410001175
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】周浩, 劉小明, 杜文豪, 毛李恒, 吳犀 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)