Учебно-демонстрационный стенд для управления пространственной ориентацией микроспутников в группе
|
Введение 4
1 Методы относительной навигации и технологии технического зрения?
1.1 Определение космических аппаратов, классификация, тенденции
развития 7
1.2 Методы управления относительной ориентацией и навигацией ... 9
1.3 Примеры использования перечисленных выше методов 11
1.4 Определения и библиотеки технического зрения и машинного
обучения 13
2 Описание стенда и методики проведения измерений 16
2.1 Обоснование применения ИК диодов в качестве характерных
признаков «ведомого» спутника 16
2.2 Описание структуры стенда 17
2.3 Описание работы стенда 19
3 Описание используемой математической модели 21
3.1 Определение зависимости расстояния между объектом и камерой
от размера объекта на изображении 21
3.2 Математическая модель определения координат ИК диодов в
пространстве 24
3.3 Математическая модель измерения углов Эйлера 30
3.4 Оценка погрешностей измерений 31
3.4.1 Оценка требуемых точностных характеристик 31
3.4.2 Оценка погрешности измерения расстояния между камерой и
макетом при фронтальном расположении макета 33
3.4.3 Оценка погрешности измерения угла поворота макета
относительно одной из осей координат 34
3.4.4 Оценка погрешности определения углов Эйлера при
измерении расстояния до макета с помощью дополнительного метода 35
3.5 Описание способа перехода между системами координат 37
4 Разработанные программы 39
4.1 Использованные библиотеки и рассмотренные элементы
структурной схемы 39
4.2 Подпрограмма обработки изображений 40
4.3 Подпрограмма, определяющая положение макета в текущий
момент времени 41
4.4 Программа управления макетом 42
5 Результаты проведения измерений 44
5.1 Результаты оценки погрешности измерения расстояния до макета
при его фронтальном расположении 44
5.2 Оценка погрешности измерения угла поворота макета
относительно одной оси 54
5.3 Оценка погрешности определения углов Эйлера при измерении
расстояния до макета с помощью дополнительного метода 66
5.4 Результаты проведения натурного эксперимента 70
Заключение 72
Список использованных источников 74
Приложения 76
1 Методы относительной навигации и технологии технического зрения?
1.1 Определение космических аппаратов, классификация, тенденции
развития 7
1.2 Методы управления относительной ориентацией и навигацией ... 9
1.3 Примеры использования перечисленных выше методов 11
1.4 Определения и библиотеки технического зрения и машинного
обучения 13
2 Описание стенда и методики проведения измерений 16
2.1 Обоснование применения ИК диодов в качестве характерных
признаков «ведомого» спутника 16
2.2 Описание структуры стенда 17
2.3 Описание работы стенда 19
3 Описание используемой математической модели 21
3.1 Определение зависимости расстояния между объектом и камерой
от размера объекта на изображении 21
3.2 Математическая модель определения координат ИК диодов в
пространстве 24
3.3 Математическая модель измерения углов Эйлера 30
3.4 Оценка погрешностей измерений 31
3.4.1 Оценка требуемых точностных характеристик 31
3.4.2 Оценка погрешности измерения расстояния между камерой и
макетом при фронтальном расположении макета 33
3.4.3 Оценка погрешности измерения угла поворота макета
относительно одной из осей координат 34
3.4.4 Оценка погрешности определения углов Эйлера при
измерении расстояния до макета с помощью дополнительного метода 35
3.5 Описание способа перехода между системами координат 37
4 Разработанные программы 39
4.1 Использованные библиотеки и рассмотренные элементы
структурной схемы 39
4.2 Подпрограмма обработки изображений 40
4.3 Подпрограмма, определяющая положение макета в текущий
момент времени 41
4.4 Программа управления макетом 42
5 Результаты проведения измерений 44
5.1 Результаты оценки погрешности измерения расстояния до макета
при его фронтальном расположении 44
5.2 Оценка погрешности измерения угла поворота макета
относительно одной оси 54
5.3 Оценка погрешности определения углов Эйлера при измерении
расстояния до макета с помощью дополнительного метода 66
5.4 Результаты проведения натурного эксперимента 70
Заключение 72
Список использованных источников 74
Приложения 76
С древних времён человечество влекут звёзды. Люди видели в скоплениях точек на небосводе фигуры людей и животных, отображения сущностей материальных и имматериальных. По звёздам ориентировались мореходы и путешественники, стремясь открыть другие земли, отыскать новые пути и изучить нашу планету.
Философы и учёные из разных эпох и стран стремились ответить на вопросы, как выглядит Земля и что находится за её пределами. Чем больше люди узнавали, тем больше новых вопросов возникало. Для ответа на них требовалось придумывать всё новые способы изучения планеты и космоса. Не так давно человечество получило возможность взглянуть на свой дом со стороны.
Запуск первого искусственного спутника Земли, состоявшийся 4 октября 1957 года, ознаменовал начало новой эры. Появилась возможность изучать ближайший космос не только с помощью телескопов. Возникли новые, немыслимые ранее проблемы и цели. Люди начали свой путь к звёздам.
В настоящее время уже нельзя представить дальнейшее развитие человечества без космических технологий. Космические аппараты (КА) применяются для решения широкого спектра задач. В частности, спутники выполняют фотосъёмку земной поверхности, получают информацию о протекающих в атмосфере процессах, исследуют Солнечную Систему и дальний космос. Также спутники позволяют определять точное положение объекта на поверхности планеты, обеспечивать надёжную связь на огромных расстояниях (всемирная сеть «Интернет»).
Совершенствование космических аппаратов было бы невозможным без развития технологий. Разрабатываются более устойчивые к космической среде материалы, способные дольше переносить значительные перепады температур, космическое излучение и влияние безвоздушной среды. Улучшается устанавливаемое на спутники оборудование (миниатюризация, уменьшение веса, увеличение срока службы и надёжности устройств). Развиваются средства связи и системы энергопитания КА. Немаловажным является изучение и совершенствование законов управления относительным движением спутников. Также развиваются технологии производства и, соответственно, технологические процессы.
Современные технологии позволяют открыть новые пути для решения возникающих задач. Возможным путём решения задач уменьшения массогабаритных характеристик космических аппаратов и повышения их надёжности является использование группы малых спутников вместо одного большого космического аппарата.
Существует несколько причин, по которым этот путь решения интересен и актуален:
1) Повышение показателей надёжности. При отказе одной из бортовых систем космический аппарат, как правило, теряет возможность продолжать выполнение поставленной задачи. Напротив, если использовать группу из нескольких малых спутников, то при выходе из строя одного из них группа в целом сможет продолжить функционировать.
2) Уменьшение затрат на разработку и, как следствие, уменьшение стоимости проектов. Это связано с необходимостью разработки нескольких универсальных и относительно простых конструкций малых спутников, которые возможно применять в большом количестве миссий, что является отличной альтернативой разработке отдельного крупного и сложного спутника для каждого проекта. Таким образом, в зависимости от поставленных задач можно изменять количество таких конструкций, а также состав используемого оборудования. Также появляется возможность выполнения параллельной сборки и проверки нескольких спутников, что позволит значительно сократить время подготовки миссии.
3) Возможность вывода на орбиту нескольких космических аппаратов. За один запуск может быть осуществлён вывод одной или нескольких групп малых КА. Также появляется возможность дополнить уже существующую группу новыми спутниками для её расширения либо для замены выбывших спутников. При запуске крупного спутника он, как правило, работает один и не может быть восстановлен при возникновении неисправности.
Следует отметить, что вышеперечисленные причины влияют на отдельную отрасль космических технологий - разработку ракеты-носителя, затраты на проектирование которой существенно уменьшаются, так как при запуске небольшого числа малых КА она может быть уменьшена по массогабаритным характеристикам. Более того, применение последних достижений в этом направлении может позволить уменьшить себестоимость запуска группы микроспутников и количество вредных выбросов в окружающую сферу, так как малая ракета-носитель будет иметь топливные баки меньших размеров.
Одной из важных задач обеспечения качественной работы группы малых КА является обеспечение точной взаимной навигации между спутниками, особенно на малых расстояниях. Для решения этой задачи необходимо осуществить разработку алгоритмов управления и методов управления относительным положением малого спутника в пространстве.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является исследование метода, обеспечивающего определение параметров взаимной пространственной ориентации группы микроспутников с использованием оптической системы. Проведенное исследование позволит оценить практическую пользу использования группы малых спутников вместо классических КА, определить направление для дальнейшего изучения темы.
В настоящей работе используется учебно-демонстрационный стенд, разработанный автором настоящей работы под руководством доцента кафедры Аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов (№ 11) ФГАОУ ВО ГУАП В. В. Перлюка. Стенд предназначен для исследования метода определения взаимной пространственной ориентации и управления группы малых спутников и позволит в будущем наглядно продемонстрировать работу метода.
Философы и учёные из разных эпох и стран стремились ответить на вопросы, как выглядит Земля и что находится за её пределами. Чем больше люди узнавали, тем больше новых вопросов возникало. Для ответа на них требовалось придумывать всё новые способы изучения планеты и космоса. Не так давно человечество получило возможность взглянуть на свой дом со стороны.
Запуск первого искусственного спутника Земли, состоявшийся 4 октября 1957 года, ознаменовал начало новой эры. Появилась возможность изучать ближайший космос не только с помощью телескопов. Возникли новые, немыслимые ранее проблемы и цели. Люди начали свой путь к звёздам.
В настоящее время уже нельзя представить дальнейшее развитие человечества без космических технологий. Космические аппараты (КА) применяются для решения широкого спектра задач. В частности, спутники выполняют фотосъёмку земной поверхности, получают информацию о протекающих в атмосфере процессах, исследуют Солнечную Систему и дальний космос. Также спутники позволяют определять точное положение объекта на поверхности планеты, обеспечивать надёжную связь на огромных расстояниях (всемирная сеть «Интернет»).
Совершенствование космических аппаратов было бы невозможным без развития технологий. Разрабатываются более устойчивые к космической среде материалы, способные дольше переносить значительные перепады температур, космическое излучение и влияние безвоздушной среды. Улучшается устанавливаемое на спутники оборудование (миниатюризация, уменьшение веса, увеличение срока службы и надёжности устройств). Развиваются средства связи и системы энергопитания КА. Немаловажным является изучение и совершенствование законов управления относительным движением спутников. Также развиваются технологии производства и, соответственно, технологические процессы.
Современные технологии позволяют открыть новые пути для решения возникающих задач. Возможным путём решения задач уменьшения массогабаритных характеристик космических аппаратов и повышения их надёжности является использование группы малых спутников вместо одного большого космического аппарата.
Существует несколько причин, по которым этот путь решения интересен и актуален:
1) Повышение показателей надёжности. При отказе одной из бортовых систем космический аппарат, как правило, теряет возможность продолжать выполнение поставленной задачи. Напротив, если использовать группу из нескольких малых спутников, то при выходе из строя одного из них группа в целом сможет продолжить функционировать.
2) Уменьшение затрат на разработку и, как следствие, уменьшение стоимости проектов. Это связано с необходимостью разработки нескольких универсальных и относительно простых конструкций малых спутников, которые возможно применять в большом количестве миссий, что является отличной альтернативой разработке отдельного крупного и сложного спутника для каждого проекта. Таким образом, в зависимости от поставленных задач можно изменять количество таких конструкций, а также состав используемого оборудования. Также появляется возможность выполнения параллельной сборки и проверки нескольких спутников, что позволит значительно сократить время подготовки миссии.
3) Возможность вывода на орбиту нескольких космических аппаратов. За один запуск может быть осуществлён вывод одной или нескольких групп малых КА. Также появляется возможность дополнить уже существующую группу новыми спутниками для её расширения либо для замены выбывших спутников. При запуске крупного спутника он, как правило, работает один и не может быть восстановлен при возникновении неисправности.
Следует отметить, что вышеперечисленные причины влияют на отдельную отрасль космических технологий - разработку ракеты-носителя, затраты на проектирование которой существенно уменьшаются, так как при запуске небольшого числа малых КА она может быть уменьшена по массогабаритным характеристикам. Более того, применение последних достижений в этом направлении может позволить уменьшить себестоимость запуска группы микроспутников и количество вредных выбросов в окружающую сферу, так как малая ракета-носитель будет иметь топливные баки меньших размеров.
Одной из важных задач обеспечения качественной работы группы малых КА является обеспечение точной взаимной навигации между спутниками, особенно на малых расстояниях. Для решения этой задачи необходимо осуществить разработку алгоритмов управления и методов управления относительным положением малого спутника в пространстве.
Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы является исследование метода, обеспечивающего определение параметров взаимной пространственной ориентации группы микроспутников с использованием оптической системы. Проведенное исследование позволит оценить практическую пользу использования группы малых спутников вместо классических КА, определить направление для дальнейшего изучения темы.
В настоящей работе используется учебно-демонстрационный стенд, разработанный автором настоящей работы под руководством доцента кафедры Аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов (№ 11) ФГАОУ ВО ГУАП В. В. Перлюка. Стенд предназначен для исследования метода определения взаимной пространственной ориентации и управления группы малых спутников и позволит в будущем наглядно продемонстрировать работу метода.
В настоящей работе был исследован оптический метод относительной навигации и ориентации. Был использован учебно-демонстрационный стенд, разработанный автором настоящей работы под руководством доцента кафедры Аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов (№ 11) ФГАОУ ВО ГУАП В. В. Перлюка.
При выполнении работы было проведено моделирование, позволяющее оценить влияние калибровочных параметров и положения «ведомого» спутника относительно камеры на точность результатов измерений. Также был проведён натурный эксперимент, доказывающий истинность применяемой математической модели.
В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:
- разработана математическая модель, позволяющая определить координаты и углы ориентации микроспутника по его изображению, полученному с помощью оптической системы;
- произведена оценка погрешностей, возникающих при использовании оптического метода относительной ориентации и навигации;
- разработано программное обеспечение, позволяющее определить пространственное положение макета при использовании оптического метода относительной ориентации и навигации;
- установлено, что применение для реализации рассматриваемого метода оптической системы, использующей одну камеру, малоэффективно, так как при повороте макета одновременно относительно осей OY, OZ становится невозможно однозначно определить его пространственную ориентацию и относительное положение.
При проведении натурного эксперимента не удалось установить калибровочное расстояние и положение макета относительно камеры с высокой точностью. В связи с этим полученные ошибки результатов проведённых измерений значительно превышают рассчитанные теоретически значения. Однако удалось доказать истинность применяемой математической модели.
Эффективно компенсировать недостаток оптической системы, использующей одну камеру, позволит применение следующих способов:
1) Использование двух камер. Этот способ позволяет определять взаимную пространственную ориентацию с помощью только оптического метода, но требует использования более сложной математической модели.
2) Использование лазерного метода определения расстояния между
«ведомым» спутником и камерой. Этот способ позволяет с высокой точностью определять указанное расстояние, но требует точного позиционирования направления лазерного луча.
Некоторые результаты работы были представлены на следующих мероприятиях:
1. Семьдесят первая международная студенческая научная конференция ГУАП, 2018 г.
2. Всероссийская молодёжная научно-практическая конференция «Орбита молодёжи» и перспективы развития российской космонавтики» (24-28 сентября 2018 г., Красноярск).
3. XXI конференция молодых учёных «Навигация и управление движением» (19-22 марта 2019 г., Санкт-Петербург).
В дальнейшем предполагается решение следующих задач:
- составление математической модели и программного обеспечения для определения динамических характеристик движения макета;
- изучение и реализация методов, позволяющих повысить точность результатов определения пространственного положения микроспутника с использованием оптической системы.
При выполнении работы было проведено моделирование, позволяющее оценить влияние калибровочных параметров и положения «ведомого» спутника относительно камеры на точность результатов измерений. Также был проведён натурный эксперимент, доказывающий истинность применяемой математической модели.
В процессе выполнения работы были получены следующие результаты:
- разработана математическая модель, позволяющая определить координаты и углы ориентации микроспутника по его изображению, полученному с помощью оптической системы;
- произведена оценка погрешностей, возникающих при использовании оптического метода относительной ориентации и навигации;
- разработано программное обеспечение, позволяющее определить пространственное положение макета при использовании оптического метода относительной ориентации и навигации;
- установлено, что применение для реализации рассматриваемого метода оптической системы, использующей одну камеру, малоэффективно, так как при повороте макета одновременно относительно осей OY, OZ становится невозможно однозначно определить его пространственную ориентацию и относительное положение.
При проведении натурного эксперимента не удалось установить калибровочное расстояние и положение макета относительно камеры с высокой точностью. В связи с этим полученные ошибки результатов проведённых измерений значительно превышают рассчитанные теоретически значения. Однако удалось доказать истинность применяемой математической модели.
Эффективно компенсировать недостаток оптической системы, использующей одну камеру, позволит применение следующих способов:
1) Использование двух камер. Этот способ позволяет определять взаимную пространственную ориентацию с помощью только оптического метода, но требует использования более сложной математической модели.
2) Использование лазерного метода определения расстояния между
«ведомым» спутником и камерой. Этот способ позволяет с высокой точностью определять указанное расстояние, но требует точного позиционирования направления лазерного луча.
Некоторые результаты работы были представлены на следующих мероприятиях:
1. Семьдесят первая международная студенческая научная конференция ГУАП, 2018 г.
2. Всероссийская молодёжная научно-практическая конференция «Орбита молодёжи» и перспективы развития российской космонавтики» (24-28 сентября 2018 г., Красноярск).
3. XXI конференция молодых учёных «Навигация и управление движением» (19-22 марта 2019 г., Санкт-Петербург).
В дальнейшем предполагается решение следующих задач:
- составление математической модели и программного обеспечения для определения динамических характеристик движения макета;
- изучение и реализация методов, позволяющих повысить точность результатов определения пространственного положения микроспутника с использованием оптической системы.