中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

火星车机构集成控制系统设计与实现

周东 徐晓伟 贾阳 郭坚 李珂 朱玛 张红军

周东, 徐晓伟, 贾阳, 郭坚, 李珂, 朱玛, 张红军. 火星车机构集成控制系统设计与实现[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
引用本文: 周东, 徐晓伟, 贾阳, 郭坚, 李珂, 朱玛, 张红军. 火星车机构集成控制系统设计与实现[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
ZHOU Dong, XU Xiaowei, JIA Yang, GUO Jian, LI Ke, ZHU Ma, ZHANG Hongjun. Design and Implementation of Integrated Control System for Mars Rover Mechanism[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
Citation: ZHOU Dong, XU Xiaowei, JIA Yang, GUO Jian, LI Ke, ZHU Ma, ZHANG Hongjun. Design and Implementation of Integrated Control System for Mars Rover Mechanism[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033

火星车机构集成控制系统设计与实现

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
基金项目: 国家中长期科技发展规划重大专项资助项目
详细信息
    作者简介:

    周东(1984– ),男,工程师,主要研究方向:航天器伺服机构控制系统设计。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68747018 E-mail:314484459@qq.com

    通讯作者:

    李珂(1982– ),男,高级工程师,主要研究方向:航天器电子信息系统设计、机构控制系统设计。本文通讯作者。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68747169 E-mail:like027@126.com

  • ● The strategy of hardware resource reuse and computing resource reuse is adopted to achieve the goal of integration. ● Autonomous management functions are realized for the motion planning,control operation,etc. ● The design requirements of fault-tolerant control are met through the functions of fault detection,emergency treatment and degraded control. ● The volume,weight and power consumption are reduced by 42%,36% and 35% respectively.
  • 中图分类号: TP241.2

Design and Implementation of Integrated Control System for Mars Rover Mechanism

  • 摘要: 航天器伺服机构一般采取分散控制的方法,通过地面遥操作进行控制和监视。为实现整车移动、悬架调整、通信天线指向、太阳翼对日定向、桅杆转动等多种功能,火星车配备了众多的电机和传感器。传统设计方式无法满足火星车集成化、自主化、容错控制的要求。制定了火星车机构集成控制系统的整体架构,并开展了优化设计。采用硬件资源复用、计算资源复用等策略实现了集成化设计目标;从运动规划、控制运算等多方面实现了自主管理功能;通过故障检测与应急处置、降级运行等功能满足了容错控制的设计需求。通过火星车机构控制系统的应用,在满足多项约束的前提下各项指标达到了最优,同时验证了设计方法的正确性和合理性。对功能复杂、约束严格的探测器机构控制系统具有一定的参考价值。
    Highlights
    ● The strategy of hardware resource reuse and computing resource reuse is adopted to achieve the goal of integration. ● Autonomous management functions are realized for the motion planning,control operation,etc. ● The design requirements of fault-tolerant control are met through the functions of fault detection,emergency treatment and degraded control. ● The volume,weight and power consumption are reduced by 42%,36% and 35% respectively.
  • 图  1  火星车伺服机构简图

    Fig.  1  Diagram of Mars rover mechanism

    图  2  机构控制系统优化前的组成框图

    Fig.  2  Block diagram of mechanism control system before optimization

    图  3  集成控制系统优化后的组成框图

    Fig.  3  Block diagram of integrated control system after optimization

    图  4  硬件架构设计

    Fig.  4  The design of hardware architecture

    图  5  旋变励磁电路复用设计

    Fig.  5  Multiplex design of resolver excitation circuit

    图  6  组件侧旋变解算电路复用设计

    Fig.  6  Multiplex design of resolver circuit for mechanism

    图  7  驱动电路复用设计

    Fig.  7  Multiplex design of driver circuit

    图  8  软件架构设计

    Fig.  8  The design of software architecture

    图  9  电机闭环控制算法

    Fig.  9  Motor control algorithm

    图  10  电机无传感器开环运行

    Fig.  10  Motor sensorless open loop control

    图  11  火星车机构控制系统自主任务试验

    Fig.  11  Autonomous function test of mechanism control system

    表  1  基于关联性分析的故障分组

    Table  1  Fault grouping based on correlation analysis

    分组故障元件
    CPU故障CPU、存储器、通信接口等
    FPGA故障FPGA、配置芯片、通信接口等
    电机故障驱动芯片、电机绕组、隔离继电器等
    旋变故障励磁电路、隔离继电器、旋变绕组多路开关、解算芯片等
    到位开关上拉电阻、防反二极管、开关等
    热控故障热敏电阻、加热开关、加热片等
    下载: 导出CSV

    表  2  故障模式与故障检测对应关系

    Table  2  Relevance between fault mode and fault detection

    检测方法CPU
    故障
    FPGA
    故障
    电机
    故障
    旋变
    故障
    到位
    开关
    热控
    故障
    指令超限
    温度超限
    速度超限
    角度超限注①
    角度差超限注②
    运动超时
    通信监视
    过流保护
      注:①角度超限包括旋变角度超限和步数换算角度超限;角度差超限:检查机构角度和步数换算角度差值是否超限。
    下载: 导出CSV

    表  3  降级运行策略

    Table  3  Strategy of fault tolerance control

    分组降级运行策略
    电机故障使用电机备绕组或禁用故障组件
    旋变故障组件侧旋变:按照步数换算角度运行电机侧旋变,
    无传感器开环运行
    到位开关禁用到位开关,按照组件角度运行
    热控故障禁用自主温控,温度预估
    下载: 导出CSV

    表  4  火星车机构控制系统集成设计优化效果

    Table  4  Optimization effect of rover mechanism control system

    指标优化前优化后指标要求
    体积/mm310.1×1065.8×106≤7 × 106
    质量/kg6.54.1≤4.5
    功耗/W20.311.6≤ 15
    下载: 导出CSV
  • [1] 王大轶,符方舟,孟林智,等. 深空探测器自主控制技术综述[J]. 深空探测学报(中英文),2019,6(4):317-327. doi:  10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002

    WANG D Y,FU F Z,MENG L Z,et al. Research of autonomous control technology for deep space probes[J]. Journal of Deep Space Exploration,2019,6(4):317-327. doi:  10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002
    [2] 王琼,贾阳,陶灼,等. 火星移动智能体技术探讨[J]. 航天器工程,2015,24(4):27-32. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.005

    WANG Q,JIA Y,TAO Z,et al. Discuss on Mars mobile agent technologies[J]. Spacecraft Engineering,2015,24(4):27-32. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.005
    [3] 李丽娇,石然,严丹,等. 一种适用于星载太阳翼的驱动控制器设计[J]. 空间控制技术与应用,2018,44(6):22-31. doi:  10.3969/j.issn.1674-1579.2018.06.004

    LI L J,SHI R,YAN D,et al. Design of a drive controller for satellite-borne solar wing[J]. Aerospace Control and Applicant,2018,44(6):22-31. doi:  10.3969/j.issn.1674-1579.2018.06.004
    [4] 宋斌,齐永龙. 一种卫星通信天线伺服机构设计[J]. 国外电子测量技术,2014,33(2):49-52. doi:  10.3969/j.issn.1002-8978.2014.02.014

    SONG B,QI Y L. Design of satellite communication servo mechanism[J]. Foreign Electronic Measurement Technology,2014,33(2):49-52. doi:  10.3969/j.issn.1002-8978.2014.02.014
    [5] 刘宏,蒋再男,刘业超. 空间机械臂技术发展综述[J]. 载人航天,2015,21(5):435-443. doi:  10.3969/j.issn.1674-5825.2015.05.002

    LIU H,JIANG Z N,LIU Y C. Review of space manipulator technology[J]. Manned Spaceflight,2015,21(5):435-443. doi:  10.3969/j.issn.1674-5825.2015.05.002
    [6] 张旺军,申振荣,李群智,等. 月球巡视器的系统设计优化方法研究[J]. 航天器工程,2014,23(3):4-11. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.002

    ZHANG W J,SHEN Z R,LI Q Z,et al. Study on system design and optimization method of lunar rover[J]. Spacecraft Engineering,2014,23(3):4-11. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.002
    [7] 贾阳,张建利,李群智,等. 嫦娥三号巡视器遥操作系统设计与实现[J]. 中国科学技术科学,2014,44(5):470-482.

    JIA Y,ZHANG J L,LI Q Z,et al. Design and realization for teleoperation system of the Chang’e-3 rover[J]. Science China Technological Sciences,2014,44(5):470-482.
    [8] 申振荣,张伍,贾阳,等. 嫦娥三号巡视器及其技术特点分析[J]. 航天器工程,2015,24(5):8-13. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.002

    SHEN Z R,ZHANG W,JIA Y,et al. System design and technical characteristics analysis of Chang’e-3 lunar rover[J]. Spacecraft Engineering,2015,24(5):8-13. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.002
    [9] 邹大力,杨雷,曲广吉. 主动悬架星球车移动系统姿态控制研究[J]. 空间控制技术与应用,2008,34(3):12-16. doi:  10.3969/j.issn.1674-1579.2008.03.003

    ZOU D L,YANG L,QU G J. Research on the attitude control of active suspension rover[J]. Aerospace Control and Application,2008,34(3):12-16. doi:  10.3969/j.issn.1674-1579.2008.03.003
    [10] 陶灼,陈百超. 火星车在松软地面上的蠕动步态研究[J]. 航天器环境工程,2016,33(3):262-268. doi:  10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.006

    TAO Z,CHEN B C. The inching locomotion of a martian rover on loose soil[J]. Spacecraft Environment Engineering,2016,33(3):262-268. doi:  10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.006
    [11] 彭松,陈百超,张建利. 月面巡视器定向天线对地指向规划方法研究[J]. 航天器工程,2013,22(3):41-46. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2013.03.007

    PENG S,CHEN B C,ZHANG J L. Research on the method of lunar rover antenna direction planning[J]. Spacecraft Engineering,2013,22(3):41-46. doi:  10.3969/j.issn.1673-8748.2013.03.007
    [12] 赵葵银,寻大勇,唐勇奇. 基于AD2S80A的永磁同步电动机高精度位置检测系统[J]. 低压电器,2006,9:25-27.

    ZHAO K Y,XUN D Y,TANG Y Q. High accuracy position measuring system based on AD2S80A for permanent magnet synchronous motor[J]. Low Voltage Application,2006,9:25-27.
    [13] 郑力,卢刚,李声晋. 基于AD2S80A的双路RDC测角系统及接口设计[J]. 微特电机,2009(8):12-18.

    ZHENG L,LU G,LI S J. Design of double channel angle measuring system based on AD2S80A and its interface circuit[J]. Small & Special Electrical Machines,2009(8):12-18.
    [14] 徐建萍,施未勋. 一种基于MSK4300的无刷直流电机伺服控制系统设计[J]. 自动化应用,2013(4):50-55.

    XU J P,SHI W X. A brushless DC motor servo control system based on MSK4300[J]. Automation Application,2013(4):50-55.
    [15] 林芳,王煜,付毅宾,等. 基于FPGA的星载步进电机控制电路设计[J]. 中国空间科学技术,2017,37(3):77-84.

    LIN F,WANG Y,FU Y B,et al. Design of stepper motor control circuit for satellite based on FPGA[J]. Chinese Space Science and Technology,2017,37(3):77-84.
    [16] 郭闯强,倪风雷,孙敬颞,等. 空间机械臂关节容错控制系统研究[J]. 电机与控制学报,2011,15(2):76-83.

    GUO C Q,NI F L,SUN J T,et al. Design of the faulttolerant control system for space robotic joint[J]. Electric Machines and Control,2011,15(2):76-83.
    [17] 李清,吴昊,冯立墨,等. 三余度机电伺服机构及其故障隔离与重构技术[J]. 微电机,2014,47(12):40-44.

    LI Q,WU H,FENG L M,et al. Technology of reconstitution and fault isolation for trebleredundancy of mechanical and electrical servo mechanism[J]. Micro Motors,2014,47(12):40-44.
  • [1] 潘冬, 李德伦, 袁宝峰, 贾阳, 王瑞, 张泽洲.  火星车系统动力学建模与仿真分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200032
    [2] 张宝明, 朱岩, 王连国, 杨建峰, 周斌, 徐卫明, 孙树全, 蔡治国, 徐欣锋, 杜庆国.  中国首次火星探测任务火星车有效载荷定标试验 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200043
    [3] 裴福俊, 严鸿, 朱明君.  太阳敏感器辅助的分布式EKF-SLAM火星车自主导航方法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20171117001
    [4] 徐勇, 贾阳, 郭坚, 赵蕾, 朱剑冰, 王翠莲, 范延芳, 佟玲.  火星车图像压缩存储系统与关键算法设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200035
    [5] 鄢青青, 刘卫, 满剑锋, 朱玛, 周东, 刘学.  火星车转移坡道机构展开策略分析与验证 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200041
    [6] 马传令, 刘勇, 梁伟光, 张尧.  “嫦娥4号”中继星应急轨道控制策略设计与分析 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.03.011
    [7] 孔令高, 张爱兵, 田峥, 郑香脂, 王文静, 刘勇, 丁建京.  自主火星探测高集成离子与中性粒子分析仪 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.005
    [8] 王大轶, 符方舟, 孟林智, 李文博, 李茂登, 徐超, 葛东明.  深空探测器自主控制技术综述 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.002
    [9] 黄翔宇, 徐超, 胡荣海, 李茂登, 郭敏文, 胡锦昌.  火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2019.04.006
    [10] 张永隆, 刘华缨, 曾祥远.  双星系统L1点悬停探测控制器设计与仿真 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.3.010
    [11] 赵琳, 杜爱民, 乔东海, 孙树全, 张莹, 区家明, 郭志芳, 李智, 冯晓, 顾少燃, 李峰.  火星车磁通门磁强计技术 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.05.010
    [12] 彭德云, 邹雪梅, 李亮.  月球背面探测任务多目标协同控制模式设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2018.06.007
    [13] 欧阳威, 张洪波, 郑伟.  环火星自主导航系统设计及参数优化研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.01.007
    [14] 朱岩, 白云飞, 王连国, 沈卫华, 张宝明, 王蔚, 周盛雨, 杜庆国, 陈春红.  中国首次火星探测工程有效载荷总体设计 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.002
    [15] 王汀, 郭延宁, 张瑶, 马广富.  基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导律研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.010
    [16] 于正湜, 崔平远.  行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.04.006
    [17] 魏祥泉, 黄建明, 顾冬晴, 陈凤.  火星车自主导航与路径规划技术研究 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.012
    [18] 彭松, 贾阳, 陈百超.  火星车绝对定位方法选择 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.007
    [19] 吴超, 赵振华, 杨俊, 李世华, 郭雷.  基于约束预测控制的火星大气进入轨迹跟踪 . 深空探测学报(中英文),
    [20] 董元元, 崔祜涛, 田阳.  基于栅格地图的火星车路径规划方法 . 深空探测学报(中英文), doi: 10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.007
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:  8
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-15
  • 修回日期:  2020-08-02
  • 网络出版日期:  2021-01-18

火星车机构集成控制系统设计与实现

doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
    基金项目:  国家中长期科技发展规划重大专项资助项目
    作者简介:

    周东(1984– ),男,工程师,主要研究方向:航天器伺服机构控制系统设计。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68747018 E-mail:314484459@qq.com

    通讯作者: 李珂(1982– ),男,高级工程师,主要研究方向:航天器电子信息系统设计、机构控制系统设计。本文通讯作者。通讯地址:北京市海淀区友谊路104号(100094)电话:(010)68747169 E-mail:like027@126.com
  • ● The strategy of hardware resource reuse and computing resource reuse is adopted to achieve the goal of integration. ● Autonomous management functions are realized for the motion planning,control operation,etc. ● The design requirements of fault-tolerant control are met through the functions of fault detection,emergency treatment and degraded control. ● The volume,weight and power consumption are reduced by 42%,36% and 35% respectively.
  • 中图分类号: TP241.2

摘要: 航天器伺服机构一般采取分散控制的方法,通过地面遥操作进行控制和监视。为实现整车移动、悬架调整、通信天线指向、太阳翼对日定向、桅杆转动等多种功能,火星车配备了众多的电机和传感器。传统设计方式无法满足火星车集成化、自主化、容错控制的要求。制定了火星车机构集成控制系统的整体架构,并开展了优化设计。采用硬件资源复用、计算资源复用等策略实现了集成化设计目标;从运动规划、控制运算等多方面实现了自主管理功能;通过故障检测与应急处置、降级运行等功能满足了容错控制的设计需求。通过火星车机构控制系统的应用,在满足多项约束的前提下各项指标达到了最优,同时验证了设计方法的正确性和合理性。对功能复杂、约束严格的探测器机构控制系统具有一定的参考价值。

注释:
1)  ● The strategy of hardware resource reuse and computing resource reuse is adopted to achieve the goal of integration. ● Autonomous management functions are realized for the motion planning,control operation,etc. ● The design requirements of fault-tolerant control are met through the functions of fault detection,emergency treatment and degraded control. ● The volume,weight and power consumption are reduced by 42%,36% and 35% respectively.

English Abstract

周东, 徐晓伟, 贾阳, 郭坚, 李珂, 朱玛, 张红军. 火星车机构集成控制系统设计与实现[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
引用本文: 周东, 徐晓伟, 贾阳, 郭坚, 李珂, 朱玛, 张红军. 火星车机构集成控制系统设计与实现[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
ZHOU Dong, XU Xiaowei, JIA Yang, GUO Jian, LI Ke, ZHU Ma, ZHANG Hongjun. Design and Implementation of Integrated Control System for Mars Rover Mechanism[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
Citation: ZHOU Dong, XU Xiaowei, JIA Yang, GUO Jian, LI Ke, ZHU Ma, ZHANG Hongjun. Design and Implementation of Integrated Control System for Mars Rover Mechanism[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200033
参考文献 (17)

返回顶部

目录

    /

    返回文章
    返回