Дипломная работа: Разработка солнечного датчика системы ориентации и стабилизации наноспутника Cube Sqi

Содержание

Введение
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И
ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ДАТЧИКОВ
ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
1.1. Функциональные возможности и существующие реализации щелевых датчиков с использованием фотоэлементов
1.2 Щелевой датчик с фотодиодами
1.3 Щелевой датчик светового излучения
1.4 Щелевой датчик углового положения Солнца
1.5 Обоснование выбора типа модели и элементной базы
1.6 Чувствительные элементы щелевых солнечных датчиков
1.7 Микропроцессорный блок обработки сигналов поступающих с фотоэлементов.( Atmega 32)
1.8 Постановка задач
2 РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ И АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ЩЕЛЕВЫ
СОЛНЕЧНЫХ ДАТЧИКОв
2.1 Разработка принципа работы и алгоритма функционирования щелевог солнечного датчика с перегородками
2.2 Разработка принципа и алгоритма работы щелевого солнечного датчика с треугольными фотоэлементами
2.3 Разработка принципа и алгоритма работы щелевого датчика с двумя парой треугольных фотоэлементов
2.4 Анализ преимуществ и недостатков щелевых солнечных датчиков с использованием фотоэлементов
2.5 Усовершенствование принципа работы, алгоритма функционирования, а
так же надежности щелевого солнечного с двумя парой треугольных фотоэлементов
2.6 Реализация ПО для щелевого солнечного датчика
2.7 Определение положения космического аппарата с помощью щелевых солнечных датчиков
3 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
3.1 Анализ условий труда, искусственного и естественного освещения, а так же ксистемы кондиционирования помещения
3.2 Выбор системы освещения рабочих мест и производственного помещения, расчет искусственного освещения помещения
3.3 Выбор системы кондиционирования помещения
4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА
4.1 Цели и задачи проекта
4.2 Обоснование необходимости разработки макета щелевого солнечного датчика
4.3 Выбор применяемых основных и расходных материало
4.4 Определение затрат на создание программного продукта
4.5 Расчет затрат на оплату труда разработчика и сборщика макета
4.6 Расчет материальных затрат
4.7 Расчет затрат на техническое обеспечение проекта
4.8 Расчет расходов
4.9 Вывод
Заключение
Список литературы
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И
ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ДАТЧИКОВ
ОРИЕНТАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Конструкция С.Д. определяется конкретными требованиями к его
точности, надёжности, быстродействию, величине сферы обзора и т.д. На
рисунке ниже представлена классификация солнечных датчиков. Установка
солнечного датчика связана с требованием не затенения его
широкоугольного поля зрения никакими элементами конструкции корпуса
КА, что накладывает определенные условия на компоновку корпуса КА,
размещение на нем таких элементов конструкции, как солнечные батареи,
антенны и т. п., на выбор наиболее подходящего места для устан овки самого
солнечного датчика [3].
Для начала введем понятия грубой и точной ориентации.
Грубая ориентация предназначена для быстрого нахождения объекта,
на который необходимо ориентироваться, датчики грубой ориентации имеют
значительную погрешность.
Точная ориентация предназначена для более точной детализации и
обработки информации получаемой от объекта ориентирования, датчики
точной ориентации должны иметь минимальную погрешность [1].
Датчики грубой ориентации могут работать в двух режимах как
самостоятельно так и объединившись вместе с датчиком точной ориентации,
как одно устройство [2].
Рисунок 1.1- Классификация солнечных датчиков

Датчики грубой ориентации:
- косинусный датчик – сигнал поступающий с этого датчика
пропорционален косинусу угла падения света на чувствительный элемент
датчика. Включает следующие элементы: матовое стекло, темнокрасный
фильтр, приемник лучистой энергии и усилитель [2];
- датчик с теневым полем – пропускает только половину светового
излучения, из - за установленной диафрагмы, для определения угла
отклонения по одной оси необходимо пара таких датчиков. Включает
следующие элементы: диафрагма, нейтральный фильтр, темнокрасный
фильтр, приемник лучистой энергии и усилитель [4];
- датчики с активным сканированием производят реконструкцию
компенсации движения, которая удаляет смазанные пятна, полученные
в результате движения.
Датчики точной ориентации:
- датчик с амплитудным анализатором – определяет закон распределения
амплитуд электрических импульсов, поступающих с фотоэлементов.
Включает следующие элементы: зеркальный объектив, вторичное
зеркало, амплитудный анализатор, фотоэлементы [2];
- датчик с инверсным фотодиодом – благодаря триггеру датчик
запоминает состояние и может хранить его очень большое количество
времени без поступления питания на него, также очень быстро может
переключаться из одного состояния в другое;
- датчик с секторными приемниками излучения – чувствительные
элементы фотоэлементы в форме секторов, обычно используют четыре таких
приемника образующих круг;
датчики с фигурными приемниками излучения – принцип действия такой же,
как и у датчиков с секторными приемниками, за исключением различных
форм фотоэлементов;
- щелевые датчики с использованием фотоэлементов – угол падения
солнечного света определяется из отношения токов поступающих с
фотоэлементов. Для создания засвеченных поверхностей используются
щели, из за которых при угле падения солнечного света не равном нулю
градусов токи, поступающие с фотоэлементов становятся разными. Площадь
засвеченных поверхностей пропорциональна поступающим токам с
фотоэлементов [5].
Далее будут рассматриваться только датчики с использованием
фотоэлементов, а также возможные их конструкции, преимущества и
недостатки, принципы работы и т.д. Так как изготовление щелевых
солнечных датчиков намного выгоднее, чем изготовление оптических
датчиков, так же такие датчики имеют очень маленькую погрешность
измерения угла падения солнечного света, и очень удобны при установке на
космический аппарат.

1.1 Функциональные возможности существующих реализаций
датчиков с использованием фотоэлементов.
В таких датчиках обычно применяется монокристаллический кремний в
качестве фотоэлемента, датчики могут иметь как собственные
микроконтроллеры для обработки поступающей информации так и
использовать бортовой комплекс управления (БКУ) космического аппарата.
Наличие собственного микроконтроллера делает датчик автономным, но
также наличие микроконтроллера предусматривает добавление
дополнительного блока питания, либо наличие приборов преобразователей
тока и напряжения для питания микроконтроллера.
Есть множество различных щелевых солнечных датчиков с
работы. Щели в таких приборах нужны для частичного засвечивания
поверхностей элементов. Дело в том, что в приближении площадь
засвеченной поверхности пропорциональна силе тока, поступающему с этих
поверхностей на аналого -цифровой преобразователь. Определяя отношение
токов поступающих от поверхностей можно судить о площадях освещенных
поверхностей. Зная тригонометрические формулы можно с определенн ой
точностью определить угол падения солнечного света относительно
космического аппарата [6].
1.2 Щелевой датчик с фотодиодами
Датчик предназначен для определения угловых координат светящегося
ориентира и, в частности, для определения направления на Солнце в системе
координат космического аппарата. Датчик состоит из двух идентичных
каналов, служащих для измерения угловых координат в двух взаимно
ортогональных плоскостях. Каждый канал состоит из линейного прибора с
зарядовой связью, над которым на заданном расстоянии на параллельной
плоскости располагаются оптический ослабляющий фильтр, оптический
полосовой фильтр и щелевая маска. Кроме того, в каждом канале имеются:
генератор тактовых импульсов, усилитель сигналов прибора с зарядовой
связью, пороговое устройство, счетчик импульсов, выходной регистр и
устройство для запоминания признака присутствия Солнца. На выходе
датчика формируется цифровой код, соответствующий порядковому номеру
фоточувствительного элемента прибора с зарядовой связью, который является
средним в группе фоточувствительных элементов, освещенных через щель в
маске солнечными лучами. Целью изобретения является получение угловых
координат без выполнения вычислительных операций и расширение поля
зрения [7].
Датчик состоит из двух идентичных каналов, служащих для измерения
угловых координат в двух взаимно ортогональных плоскостях. Каждый канал
состоит из линейного прибора с зарядовой связью, над которым на заданном
расстоянии на параллельной плоскости располагаются оптический
ослабляющий фильтр, оптический полосовой фильтр и щелевая маска.
Рисунок 1.2 - Щелевой солнечный датчик с использованием фотодиодов
Устройство предлагаемого датчика в части фотоприемника и щелевой
маски поясняется чертежом, где 1 - многоэлементный фотоприемник; 2 - один из элементарных фотоприемников; 3
-угловой шаг расположения
элементарных фоточувствительных элементов; 4 - ось координат; 5 - щель в
маске, 6 - угловая координата Солнца; 7 - Солнце.
Кроме того, в каждом канале имеются: генератор тактовых импульсов,
усилитель сигналов прибора с зарядовой связью, пороговое устройство,
счетчик импульсов, выходной регистр и устройство для запоминания
признака присутствия Солнца. На выходе датчика формируется цифровой код,
соответствующий порядковому номеру фоточувствительного элемента
прибора с зарядовой связью, который является средним в группе
фоточувствительных элементов, освещенных через щель в маске солнечными
лучами. Целью изобретения является получение угловых координат без
выполнения вычислительных операций и расширение поля зрения [7].
Указанная цель достигается тем, что заявляемый датчик содержит
многоэлементный фоточувствительный приемник, причем
фоточувствительные элементы располагаются не на прямой линии на
плоскости, а на кривой, в частности на дуге окружности, вследствие чего
угловая координата Солнца оказывается связанной с номером среднего
освещенного элементарного фотоприемника через выражение α=[n-(N+1)/2]γ,
где α - угловая координата; γ - угловой шаг расположения
фоточувствительных элементов, n - порядковый номер фоточувствительного
элемента, который является средним в группе фоточувствительных элементов,
освещенных солнечными лучами, N - общее количество фоточувствительных
элементов в многоэлементном фотоприемнике. То есть имеет место линейная
зависимость между угловой координатой и номером среднего
фоточувствительного элемента.
Датчик содержит также пороговые устройства, регистр фотоприемника,
счетчик импульсов, выходной регистр, генератор тактовых импульсов.
Работает датчик следующим образом. Солнечные лучи, прошедшие
через щелевую маску, попадают на многоэлементный фоточувствительный
приемник, где преобразовываются в электрический сигнал. Электрический
сигнал с каждого элементарного фотоприемника поступает на пороговое
устройство для преобразования в цифровой сигнал, который принимает
значение логического нуля или единицы в зависимости от того, освещен
фоточувствительный элемент или нет. Выходные сигналы пороговых
устройств фиксируются в регистре фотоприемника, из которого считываются
по команде последовательно и синхронно с тактовыми импульсами.
Одновременно с началом вывода сигнала из регистра фотоприемника счетчик
начинает считать тактовые импульсы. Как только на выходе регистра
фотоприемника появляется сигнал, соответствующий освещенному
элементарному фотоприемнику, счетчик начинает считать импульсы с
частотой, в 2 раза меньшей, чем тактовая частота. После этого, как только на
выходе регистра фотоприемника появится сигнал, соответствующий
неосвещенному элементарному фотоприемнику, счетчик прекращает счет, а
полученный на счетчике код запоминается в выходном регистре. Таким
образом, определяется номер среднего освещенного элементарного
фотоприемника и соответственно угловая координата Солнца [8].
Многоэлементный фотоприемник может быть изготовлен по планарной
технологии из известных полупроводниковых материалов. Получение
фоточувствительных элементов, лежащих на заданной кривой, производится
за счет вырезания в пластине полупроводника отверстия заданного профиля с
помощью лазера.
Преимуществом данного датчика является достаточно простая
конструкция, простота вычисления угла падения солнечного света. Можно
повысить точность прибора, добавляя новые фотодиоды и уменьшая угловой
шаг фотодиодов.
Недостатком данного датчика является необходимость выполнения для
нахождения угловых координат вычислений по формулеα=arctg[x(n-
(N+1)/2)/d],где α - угловая координата; d - расстояние от поверхности прибора
с зарядовой связью до плоскости, на которой находится щелевая маска; х -
шаг расположения фоточувствительных элементов, n - порядковый номер
фоточувствительного элемента, который является средним в группе
фоточувствительных элементов, освещенных солнечными лучами, N - общее
количество фоточувствительных элементов в приборе с зарядовой связью [7].
Другим недостатком является маленькая величина поля зрения -
66°(±33°), что обусловлено дискретностью прибора с зарядовой связью и
точностью вычисления функции вида γ=arctg(x) для значений аргумента,
больших 1.
Датчик одноосный, повышая точность прибора, добавляя новые
фотодиоды и уменьшая угловой шаг фотодиодов, уменьшается надежность
прибора.
Также подобная конструкция датчика весьма не удобна из за чего могут
возникнуть трудности с размещением датчика на космическом аппарате.
1.3 Щелевого датчик светового излучения
Датчик предназначен для определения направления на Солнце в системе
координат космического аппарата.
В данном датчике представленном на рисунке 4 содержатся такие
элементы как: основание 1, шторка2, галтель 3 – для исключения зоны
нечувствительности СД и фотоэлектрические элементы 4 -7 для
преобразования энергии света в электрическую для дальнейшей её обработки.
Рисунок 1.3 - Щелевой солнечный датчик светового излучения
Принцип работы такого щелевого датчика относительно прост.В
датчике светового излучения, содержащем основание, на котором закреплена
светоэкранирующая шторка с галтелью и установлены четыре
фотоэлектрических элемента, фотоэлектрические элементы расположены с
зазором по отношению друг к другу симметрично относительно продольной и
поперечной плоскостей симметрии датчика, в которых расположена
светоэкранирующая шторка с галтелью, выполненной в виде креста и
расположенной так, что нормальные проекции вершин внутренних прямых
углов креста совпадают с центрами фотоэлектрических элементов,
выполненных квадратными [8].
Симметричное размещение всех фотоэлектрических элементов
относительно светоэкранирущей шторки с галтелью; выполнение галтели в
виде креста и закреплении ее на шторке таким образом, что при расположении
источника света в перпендикулярном к плоскости основания направлению
освещается только четверть активной поверхности каждого
фотоэлектрического элемента [6].
При нахождении Солнца в положении, когда направление нормали к
основанию 1 датчика совпадает с направлением на Солнце, все выходные
сигналы с датчика будут иметь равные значения. При отклонении Солнца от
вертикали на некоторый угол в заданной (или в общем случае в любой)
плоскости относительно плоскости основания 1, выходные сигналы с
фотоэлектрических элементов 4-7 будут пропорциональны их освещенной
площади с учетом угла наклона солнечных лучей к основанию 1.
Выходные сигналы с фотоэлектрических элементов поступают на входы
ЭВМ, где производится вычисление координаты единичного вектора
направления на Солнце.....