一种低成本的光电二极管为立方体卫星和行星Microrover太阳传感器

文摘

介绍了开发低成本的方法来确定一个小的态度,CubeSat-class卫星和microrover相对于太阳的方向。使用商业硬件和简单的嵌入式设计已经成为大学的一个有效的路径规划将在太空实验载荷最小成本,和传感器的开发的态度和决心往往是一个重要部分。发展的两个紧凑和高效但简单粗太阳传感器方法提出了研究。太阳能的直接测量角使用光电二极管阵列传感器和狭缝的面具。另一种太阳角估计使用正交阵列的电流测量太阳能电池。这两种方法在地面硬件上测试和比较。测试结果表明,粗太阳传感效率甚至是用最少的加工和设计卫星姿态确定系统的复杂性和探测器导航系统。

1。介绍

态度的发展的一个关键问题确定和控制系统(adc)小卫星传感器是使用态度足够小和高效足以符合质量和预算。最简单和最常见的传感器之一态度的决心是太阳传感器(1),衡量来自太阳的入射光的角度对一个惯性体框架。单轴和双轴传感器都是可用的,尽管一个双轴传感器可以由两个简洁的单轴传感器,从而降低组件成本和加工要求(2,3]。在其他太阳传感器应用中,CCD和CMOS技术被用来实现细指向精度(4,5),和软件方法可以用来增加一个传感器的准确性(6]。尽管nanosatellite adc的几种嵌入式太阳敏感器现在可以使用硬件,它是可取的,在许多nanosatellite发展项目开发太阳传感器内部使用商用现货(COTS)硬件(7),出于成本和增加潜在的进一步的研究在他们自己的项目。太阳敏感器也使用在行星探测车磁力计等其它传感器或GPS接收器是不够的。测量太阳角度的太阳传感器是一个很好的方法估计绝对定向(8- - - - - -10]。典型的需求包括1度的准确性和视野30度和60度(11]。视界宽度太阳敏感器(12)适合使用立方体卫星和microrover平台仍然是一个开放的研究领域,在许多情况下,简单的系统是可取的。研究低成本传感器使用通常由研究生和研究人员,必须高效,紧凑的尺寸,和健壮的足够的生存空间环境。本文简单、低成本、和视界宽度太阳传感器的方法。这里描述的传感器正在发展YUSEND(约克大学航天工程Nanosatellite示范)任务约克大学(13,14),其重点是立方体卫星技术的发展如1 U立方体卫星图所示1正在开发,以及microrover北极光火星探测器的任务,如图2(15,16]。

在这篇文章中,我们概述的发展两个粗太阳传感器方法足够紧凑和高效CubeSat-class微微卫星和微型漫游者和可以提供可靠的太阳能角信息嵌入的态度决心和本地化。有几个基本的方法是使用了太阳传感器,包括使用位敏二极管(PSD),线性和网格等传感器阵列ccd光电二极管阵列,和阳光的测量太阳能电池板用于功率。在这项工作中,我们利用后两个。

首先,直接测量太阳角执行使用光电二极管阵列传感器放置在一个狭缝设计前,允许光线落在传感器元素。第二,太阳角度推断使用独立的电流测量太阳能电池阵列的用于发电的外部车辆。在这两种情况下,太阳角由单片机计算几何的太阳传感器对汽车的身体。在这项研究中,假设至少90°的视野为每个太阳传感器是必要的,以便完全覆盖的外观可能与太阳传感器在每个立方体卫星的脸。测试和验证传感器,传感器硬件由旋转平衡当场旋转角度测量功能,和模拟太阳光Schott 1150提供照明光源在固定位置如图3。nanosatellite模型与太阳传感器测试下在一个光学试验台,如图所使用的光源4。使用嵌入式定点处理,估计当前的身体定位处理,通过串行接口提供车载电脑,执行本地化和控制确定操作(17]。

2。传感器的设计

2.1。阵列传感器

太阳光电二极管传感器被经常用于航天器和卫星姿态确定系统(18,19]。建立和直接感知太阳角度的简单方法是使用一个简单的狭缝或其他孔径设计允许通过光落在一个位置在空间不同的传感器,取决于光的入射角。这个设计使用256 -元素线性光电二极管阵列,这既灵活操作,通过允许光的分布和大小,和高效利用只有一行的传感元素而不是一个矩阵如电荷耦合器件(CCD)数组。虽然一些系统使用位敏二极管(PSD)作为传感器,增加测量线性数组和提供更大的灵活性在处理光的分布数据。的陶斯TSL1402R集成线性光电二极管阵列用于这个设计。读取的数据和计算的太阳角度由Atmel ATMega168PA AVR单片机执行。一个框图之间的连接使用光电二极管阵列和微控制器如图5。

单轴传感、一个简单的线性缝在一个面具使用传感器,如图6。垂直狭缝的位置集中在传感元件,光落在传感器阵列在各个方向45°角为90°的视野。为一个线性光电二极管阵列长度光矢量落在一个角度从正常的沿着元素轴和一个角度从正常的沿着垂直于轴的元素。光电二极管电压传感器的输出下降在接触点光矢量,在远处从数组的中心。如果缝定位在远处从数组中,这个距离是简单

以确保,距离传感器,以确保,狭缝长度。最好的高精密测量用小狭缝宽度没有明显的衍射效应,但周围的材料厚度缝是制约狭缝宽度,这限制了多小可以,光束会“掐”在高角度。在这个设计中,和使用的维度和。在测试中,金属箔与宽度提供使用的狭缝宽度可接受的性能。

线性阵列一般只提供一个轴的态度估计,但是,因为数组可以测量模式,还可以测量高程在大多数角度通过使用N-slit [4),如图7。通过添加附加缝定位在一个角度中央狭缝,与多个照明模式极大值将预计在传感器阵列和横向角度可以由分离和中央狭缝和一个极大值。

作为传感器的视野是有限的,超过一个太阳传感器需要覆盖广泛的角度。两个单缝传感器或一个Z-slit传感器可以涵盖两个固体角度90°锥体体积来看,和个人的一个立方体卫星可以覆盖这种方式根据任务需求。microrover使用,180°全景(地平线,地平线)可以由四个二极管连接到角锥广场(19,20.]。在当前的研究中,一个N-slit传感器正在研究的部分天空覆盖microrover由于空间限制。

估计microrover从太阳能的取向角,身体的角度对地面和太阳的角度对地面必须考虑。前者与惯性测量可以获得从一个静止的加速度计测量重力矢量,而后者可以从太阳能获得星历数据和当前时间。为了简化分析,我们假设加速度计与太阳传感器的角度是关于forward-pointing设在和角是关于side-pointing设在。探测器的身体角度有关- - -相互重合对地面坐标系和可以计算的重力向量使用普通航空关系如下:

获取感知水平方位vertically-centered太阳传感器测量的角度和必须对探测器的身体调整角度和投射在水平面使用quadrant-aware反正切函数如下:

太阳星历数据必须分开计算估计当前的位置,这可以用各种可用的软件。罗孚的标题真北可以计算使用太阳方位和感知方位由(9]

2.2。太阳能电流传感

由于限制空间和能量可用nanosatellite,优先利用遥感方法,关注其他可用数据的处理,而不是离散传感器。这样做的方法之一是样本nanosatellite的太阳能电池阵列,所产生的电流信息,通常用于小卫星为峰值功率跟踪或电池充电监控。这一系列的优势角度生成一组独立测量noncoplanar太阳能电池板没有外部传感器可以测量准确但一般小于离散传感器由于非线性。在这项研究中,我们考虑一个立方的身体与一个固定的太阳能电池板在每个正交的脸,如图8。立方体卫星几何,不超过三个太阳能电池板暴露于阳光在轨道上如果一个点光源和反射从地球上被认为可以忽略不计,与角度,,。为简单起见,假设类似的身体microrover情况下,较低的脸上虽然没有太阳能电池板。

这个测量的线性变化取决于所使用的太阳能电池。同时,引入了非线性负载的变化提出了太阳能电池阵列。nanosatellite与一个线性或脉冲控制电池充电系统,这通常来自电池充电率的变化随着电池状态的变化,可以补偿包括太阳能电池电压或电荷的估计系统状态的计算来确定总功率和电流输出。

当前传感电路的差动放大器是由银行读通过模拟-数字转换器(ADC)通道上可用ATMega168PA单片机读取线性阵列。电流检测电阻的0.1Ω创建一个从太阳能电池板的电流电压差,由一个放大OPA2340轨到轨运算放大器在微分配置增加了100。获得对太阳能电池板的输出电流然后10 V /。假设马不超过500将来自nanosatellite太阳能电池板,所以ADC 5 V可用于测量的参考。作为输出custom-constructed太阳能电池板通常略有不同,它仍然需要校准ADC测量由单片机执行的。当前的读出放大器电路用于传感如图9。

当前太阳能电池板产生的数量取决于区域所示的面板和角度的变化改变有效面积太阳能的太阳能电池板拦截。阳光下的功率密度(W / m²)和恒定加载或通过使用补偿计算,有效的太阳能电流相对于最大太阳能电流拦截了太阳能电池阵列随入射角在一般条款,可以表达率

当前遥感结果更吵,不如的结果线性光电二极管阵列。特别是,ADC偏移和收益必须单独为每个面板校准,确保测量可以相比。图16显示了太阳能电池板的输出应用移动平均后去除噪声。通过应用(5),确定车辆周围的角象限,太阳,可以提取到每个面板相对太阳角的估计。结合几个面板允许测定太阳角度对身体任意角度观察到太阳能电池板。尽管这种方法可能比直接太阳通常被认为是不可靠测量,它允许太阳没有专用的传感器测量角度更广泛的角度比单个外部传感器能够测量。方程(2),(3)和(4)可以申请罗孚只要两正交轴角测量可以从太阳能电池板获得几何。

3所示。测试结果

3.1。阵列传感器的结果

典型照明测量太阳光电二极管阵列传感器如图10。电压输出必须倒,这样照明变得积极。然后,质心算法(4)是用来确定照明的中心在传感器与一条垂直线(如图所示)。重心的位置然后使用(1每个角)采样来确定相应的太阳能角

估计,重心太阳能角绘制在图11,与实际太阳能角平衡试验装置上使用比较的显示为一条直线。一般来说,很好的估计和实际之间的协议是实现太阳能的角度。值得注意的是,这个角的数据不是过滤或平滑,但仍达到一致的跟踪。

如果一个N-slit用于执行横向角的估计,多个照明重心存在传感器如图12,必须单独分区。然而,随着角从垂直的增加,是很常见的照明区域移动的适度高角度传感器和其他两个照亮区域的方法,最终合并在一起,如图13。这带来一个问题为重心分区角增加。为了缓解这个问题,照亮区域的外边界跟踪和质心之间的约束是这些边界和边界之间的中点。有N-slit至关重要的一个精确的几何精度在这种情况下,和一些必须执行校准对齐的传感器和N-slit,特别是角与中心缝边缝的。使用重心从狭缝位于中心位置和质心的一个侧缝位置的角可以使用[估计4]

估计横向太阳能角从N-slit测量获得通过(7)如图14。获得合理的协议,但错误是高于简单线性狭缝测量由于构造精确N-slit的更复杂。准确的测量角度大约35°以上由于困难无法获得准确的分区和质心照亮区域的传感器在高角度。更广泛的N-slit或薄材料的使用和狭缝宽度扩展了可衡量的角度传感器。

使用这两种角度和和预先计算的太阳星历数据,测试计算microrover的标题。太阳传感器安装在车身大骨架的microrover取向与如上所述,和microrover旋转165°- 135°远离北。估计航向角为30°扫描绘制在图15,外部测量角叠加供参考。提高测量的精度,2点移动平均线是用于处理。

3.2。太阳目前的结果

电流测量使用高收益和ADC感应产生更多的噪音比数字传感用一个线性阵列如上所述。虽然一个恒流画和电容去耦的放大器和单片机使用别针在这项研究中,应用窗口的平均数据假设缓慢角的变化是必要的,以实现一致的结果。图16显示当前太阳能电池板的输出,,三个太阳能电池板的枚举(面临的轴),(面临的轴),(面临的轴)增加的方向角1 U立方体卫星。光滑的参考曲线实际太阳能角度提出了平衡测试对每个面板,,是参考的叠加。

后过滤当前从每个小组,实际的太阳能的象限角在于对卫星的身体必须确定。这样做的最简单的方法是简单地识别哪些板接触是最阳光通过比较相对太阳能电池板电流和分配适当的正弦信号象限使用映射函数的函数。最大的变化在高太阳能照明存在的角度对每个面板中,可以确定卫星的正弦函数的象限车身骨架的角度通过使用仅和确定只有当前的映射作为

使用(8),从每个太阳能电池板用于获取当前估计身体框架角在180°角,如图17。很明显,有不连续和更高的角附近的不准确这对应于。这是由于突然跳的任务还不确定角度接近垂直。减轻,修订映射给出了(9)可以利用其他太阳能电池板的贡献在高角度,以提高测量的准确性。估计身体框架角对于这种情况如图18。修改后的映射如下:

应该注意的是,这个估计不可靠,如果太阳能电池板的分布在身体不对称的照明,如microrover的情况下。因此,(8)更适合microrover使用更少的获得有用的信息和(9)更适合nanosatellite使用。

4所示。比较的结果和讨论

这里描述有效地比较这两种方法,包括测量的错误是很重要的对已知的测试期间使用的角度。图19显示了线性阵列的估计误差角的测量从图11使用(6)。图20.显示横向角的估计误差数组在使用N-slit图14使用(7),和图21显示在图的错误15使用一个N-slit航向估计。最后,图22显示了当前太阳能电池板的估计误差角测量从图18使用(9)。线性阵列显示了最大误差约±5°N-slit测量整体一致性较低,而太阳能电流传感显示了最大误差约±7°。这些都是类似的结果,但线性阵列数据通过质心,否则过滤,而太阳能当前数据需要大量的过滤消除测量噪声。因此使用离散的数字传感器整体仍有望提供更好的可靠性和准确性,虽然适当的数据处理,当前测量太阳能还可以提供可用的和免费粗角测量。跟踪精度和噪声出现在microrover航向估计与传感器实验室检测,但作为移动平均值略低,和表明,可用的信息可以提取使用单一N-slit传感器。

5。结论

我们已经实现,而粗太阳角度传感两种有用的方法。只使用简单的硬件和嵌入式软件实现,非常粗的态度估计结果可以通过使用光电二极管阵列或太阳能电池板电流测定方法跟踪nanosatellite态度或microrover导航。光电二极管阵列提供了良好的整体精度误差在±5°没有额外的过滤,因此需要最小的处理,但可以改善超出这个措施如果实施额外的过滤。双轴传感是可能的一个线性阵列使用N-slit配置,但精确的施工缝是必要的和横向角测量更有限。太阳能电池板电流测量不使用一个离散的传感器可以提供角近似整个车辆的外观±7°,但是需要大量的过滤和平均测量,因此往往是不准确和更多的运算。

太阳传感器设计等这些都可在大学和研究硬件开发项目因其简单性、健壮性和成本效益。测试两个太阳的传感器配置是并行完成,两个传感器也可以用于并行立方体卫星或microrover在不确定条件下达到更高的精度。未来的工作将包括改进太阳传感器的设计方法,进一步改进定位和导航。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

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