02 Урок. Знакомство с датчиками

Датчик угловой скорости

Датчик угловых скоростей предназначен для измерения угловой скорости вращающегося объекта. Измерять угловую скорость необходимо для того, чтобы можно было остановить вращение спутника – стабилизировать его. Также с помощью датчика угловой скорости можно заставить спутник вращаться с определенной скоростью.

Принцип работы датчика угловой скорости

Основным измерительным элементом датчика угловой скорости является специальный микроэлектромеханический (МЭМС) гироскоп. Это не обычный гироскоп, в котором с большой скоростью вращается диск, а миниатюрный вибрационный гироскоп. Внутри МЭМС гироскопа есть кольцо, которое, колеблется в одной плоскости. Если такой гироскоп поставить на вращающуюся платформу, плоскость которой совпадает с плоскостью колебаний кольца, то на нее начнет действовать сила Кориолиса пропорциональная скорости вращения платформы. Сила Кориолиса измеряется с использованием пьезоэлементов, которые выдают напряжение, пропорциональное приложенной силе.

Рисунок 1. Устройство датчика угловой скорости

Определив силу Кориолиса и зная скорость колебания, можно вычислить угловую скорость и ее изменение (угловое ускорение).

Рисунок 2. Микросхема чувствительного элемента

Проверка работоспособности датчика угловой скорости

Подключите датчик угловой скорости и СЭП к БКУ. Откройте Notepad++ и напишите программу на Python или на С.

Код на Python:

def control(): # Основная функция программы, в которой вызываем остальные функции
 
 hyro_result = [0,0,0,0] # Инициализируем hyro_result
 num = 1 # Номер Датчика угловой скорости
 print "Enable angular velocity sensor №", num
 hyro_turn_on(num) # Включаем ДУС
 sleep(1) # Ждем включения 1 секунду
 print "Get RAW data from angular velocity sensor"
 
 for i in range(10):  #Считываем показания 10 раз
  hyro_result = hyro_request_raw(num) #записываем ответ функции
  # hyro_request_raw в переменную hyro_result
  if not hyro_result[0]: # если датчик не вернул сообщение об ошибке,
   print "state:", hyro_result[0], "x_raw =", hyro_result[1], \
    "y_raw =", hyro_result[2], "z_raw =", hyro_result[3]
    # Выводим данные
  elif hyro_result[0] == 1: # если датчик вернул сообщение об ошибке 1
   print "Fail because of access error, check the connection"
  elif hyro_result[0] == 2: # если датчик вернул сообщение об ошибке 2
   print "Fail because of interface error, check your code"
 
  sleep(1) # Показания считываются раз в секунду
 
 print "Disable angular velocity sensor №", num
 hyro_turn_off(num)   # Выключаем ДУС

Код на С:

#include "libschsat.h"
 
int control(){
 uint16_t num = 1;   // Номер Датчика угловой скорости
 int16_t hyro_result[] = {0, 0, 0, 0};
 printf("Enable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) angular velocity sensor № %d", num); 
 hyro_turn_on(num);       // Включаем ДУС
 Sleep (1);       //Ждем включения 1 секунду
 printf("\nGet (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) RAW data from angular velocity sensor\n");
 
 int i;
 for (i = 0; i < 10; i++) {   //Считываем показания 10 раз 
 hyro_result[0] = hyro_request_raw(num,& hyro_result[1],& hyro_result[2],& hyro_result[3]);
 
 if (!hyro_result[0])
  {
   printf("state: (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) %d", i);
   printf(" (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) x_raw = %d", hyro_result[1]);
   printf(" (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) y_raw = %d", hyro_result[2]);
   printf(" z_raw = %d\n", hyro_result[3]);
 
  }
  else if (hyro_result[0] == 1)
  {
   printf("Fail (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) because of access error, check the connection");
  }
  else if (hyro_result[0] == 2)
  {
   printf("Fail (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) because of interface error, check your code");
  }
  Sleep(1);
 
 } 
 printf("\nDisable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) angular velocity sensor № %d\n", num);
 hyro_turn_off(num); 
 return 0;
}

Запустите программу и протестируйте работу ДУС.

Анализ кода

Обратите внимание, после символа # пишут комментарии, которые никак не влияют на работу программы.

Программа начинается с объявления функции control().

Затем мы создаем список hyro_result для получения данных от датчика и переменную num, хранящую номер датчика.

Далее оператор print выводит сообщение о включении датчика.

Затем функция hyro_turn_on(num) включает датчик с указанным номером.

Функция sleep(1) приостанавливает выполнение программы на 1 секунду. Затем в цикле for i in range(10): мы 10 раз считываем и выводим значение датчика.

Показания датчика считываем с помощью функции hyro_request_raw(num).

Магнитометр

Назначение магнитометра

Информацию об ориентации спутник получает по датчику угловой скорости и магнитометру. Информация об угле нужна для того чтобы разворачивать спутник в необходимую сторону, а информация об угловой скорости необходима для того чтобы стабилизировать спутник, т.е. погасить угловое вращение. Управляющий момент создается с помощью двигателя маховика.

Принцип работы магнитометра

Работа магнитометра основана на применении магниторезистивного эффекта, когда электрическое сопротивление проводника изменяется в соответствии с направлением линий магнитного поля. В основе датчика лежит слой пермаллоя (специального сплава никеля с железом), который обладает сильным магниторезистивным эффектом. Электрическое сопротивление пермаллоя меняется обычно в пределе ±5 % в зависимости от силы и направления действующего магнитного поля.

Рисунок 3. Устройство магнитометра

Таким образом, измеряя силу тока, протекающего через слой пермаллоя при подаче постоянного напряжения +5В можно определить направление линий магнитного поля. Для того чтобы измерить направление магнитных линий по всем трем осям используют три маленьких датчика, ориентированных по осям X, Y и Z, установленные в одной микросхеме.

Рисунок 4. Направление линий магнитного поля

Рисунок 5. Датчик

Проверка работоспособности магнитометра

Откройте Notepad++ и напишите программу на Python или на С.

Код на Python:

def control(): # Основная функция программы, в которой вызываем остальные функции
 mgn_result = [0,0,0,0] # Инициализируем mgn_result
 num = 1  # номер магнитометра
 print "Enable magnetometer №", num
 magnetometer_turn_on(num)
 sleep(1)
 print "Get RAW data from magnetometer" 
 for i in range(10):
  mgn_result = magnetometer_request_raw(num)
  if not mgn_result[0]: # если датчик вернул сообщение об ошибке,
   print "state:", mgn_result[0], "x_raw =", mgn_result[1], \
    "y_raw =", mgn_result[2], "z_raw =", mgn_result[3] 
    # Обратите внимание на символ переноса строки!
  elif mgn_result[0] == 1:
   print "Fail because of access error, check the connection"
  elif mgn_result[0] == 2:
   print "Fail because of interface error, check your code"
  sleep(1)
 print "Disable magnetometer №", num
 magnetometer_turn_off(num)

Код на С:

#define LSS_OK 0 
#define LSS_ERROR 1 
#define LSS_BREAK 2
 
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include "libschsat.h"
int control() // Основная функция программы, в которой вызываем остальные функции
{
 int16_t mgn_result[] = {0,0,0,0}; // Инициализируем mgn_result
 uint16_t num = 1; // номер магнитометра
 int i;
 printf("Rnable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) magnetometer №%d\n", num);
 magnetometer_turn_on(num);
 Sleep(1);
 printf("Get (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) RAW data from magnetometer\n");
 for (i = 0; i < 1000; i++)
 {
  mgn_result[0] = magnetometer_request_raw(num,& mgn_result[1],& mgn_result[2],& mgn_result[3]);
  if (!mgn_result[0])// если датчик вернул сообщение об ошибке,
  {
   printf("\nstate:%d, (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) \nx_raw =%d,\ny_raw =%d, \nz_raw =%d\n",i, mgn_result[1], mgn_result[2], mgn_result[3]); //Обратите внимание на символ переноса строки!
  }
  else if (mgn_result[0] == 1){
   printf("Fail (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) because of access error, check the connection");
  }
  else if (mgn_result[0] == 2){
   printf("Fail (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) because of interdace error, check your code");
  }
  Sleep(0.1);
 }
 printf("Disable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) magnetometer №%d\n", num);
 magnetometer_turn_off(num);
 return 0;
}

Запустите программу и протестируйте работу магнитометра.

Анализ кода

Программа начинается с объявления функции control().

Затем мы создаем список mgn_result для получения данных от датчика и переменную num, хранящую номер магнитометра.

Далее оператор print выводит сообщение о включении датчика.

Затем функция magnetometer_turn_on(num) включает магнитометр с указанным номером.

Функция sleep(1) приостанавливает выполнение программы на 1 секунду. Затем в цикле for i in range(10): мы 10 раз считываем и выводим значение магнитометра.

Показания магнитометра считываем с помощью функции magnetometer_request_raw(num).

Солнечные датчики

Назначение солнечных датчиков

Назначение солнечных датчиков – определение расположения спутника относительно Солнца. Так-как положение Солнца относительно Земли в любой момент времени известно достаточно точно, следовательно, можно определить и расположение спутника относительно Земли.

Принцип работы солнечных датчиков

В основе солнечного датчика лежит фотодетектор, который измеряет яркость света. Самые популярные фотодетекторы — это фоторезисторы и фотодиоды.

Фоторезистор состоит из материала, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего света.

В отличие от фоторезистора фотодиод выдает напряжение под действием света. Фотодиодные датчики бывают нескольких типов — LEP (Latheral Effect Photodiode), QD-фотодиод (Quadrant Detector) или матричные.

Рисунок 6. Фотодиодные датчики

LEP фотодиод – это одиночный фотодиод с большой чувствительной поверхностью.

Рисунок 7. LEP фотодиод

QD-фотодиод состоит из четырех независимых фотодиодов, расположенных симметрично относительно центра чувствительной поверхности.

Рисунок 8. QD-фотодиод

Рисунок 9. Расчет положения пятна на поверхности QD-фотодиода

Расчет положения пятна на поверхности QD-фотодиода получается из соотношений выходных токов фотодиодов.

Матричный датчик содержит большое количество фотодиодов и позволяет определить положение Солнца еще точнее.

Рисунок 10. Матричный датчик

Проверка работоспособности солнечных датчиков

Подключите по очереди солнечные датчики и СЭП к БКУ и проверьте их работу. Откройте Notepad++ и напишите программу на Python или на С.

Код на Python:

def control(): # Основная функция программы, в которой нужно вызывать остальные функции
 sun_result = [0,0,0] # Инициализируем sun_result
 num = 1
 print "Enable sun sensor №", num
 sun_sensor_turn_on(num)
 sleep(1)
 print "Get RAW data from sun sensor"  
 
 for i in range(10):
  sun_result = sun_sensor_request_raw(num)
  if not sun_result[0]: # если датчик вернул сообщение об ошибке,
   print "state:", sun_result[0], "raw =", sun_result[1], \
    sun_result[2]
  elif sun_result[0] == 1:
   print "Fail because of access error, check the connection" 
  elif sun_result[0] == 2:
   print "Fail because of interface error, check your code"
 
  sleep(1)
 
 print "Disable sun sensor №", num
 sun_sensor_turn_off(num)

Код на С:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include "libschsat.h"
#define LSS_OK 0 
#define LSS_ERROR 1 
#define LSS_BREAK 2
 
int control(){ //Основная функция программы
 uint16_t sun_result[] = {0, 0, 0}; // инициализируем sun_result
 uint16_t num = 1; // номер солнечного датчика
 printf("Enable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) sun sensor №%d\n", num);
 sun_sensor_turn_on(num); //включаем датчик 
 Sleep(1); //Ждем включения 1 секунду
 printf("Get (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) RAW data from sun sensor №%d\n", num);
 int i;
 for (i = 0; i < 10; i++) //считываем показаия 10 раз
 {
  sun_result[0] = sun_sensor_request_raw(num,& sun_result[1],& sun_result[2]);/*проверить как работает, очень странно,  что работает
  если не работает задать sun_result[0] */
  if (!sun_result[0]){ //если датчик не вернул сообщение об ошибке,
   printf("state: (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) %d raw = %d, %d\n", i, sun_result[1], sun_result[2]);
   }
 
  else if (sun_result[0] == 1) { //если датчик вернул сообщение об ошибке 1
   printf("Fail because of access error, check the connection\n");
   }
  else if (sun_result[0] == 2) { //если датчик вернул сообщение об ошибке 2
   printf("Fail (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) because of interface error, check you code\n");
   }
  Sleep(1); //показания считываются раз в секунду
 
  }
 printf("Disable (http://www.opengroup.org/onlinepubs/009695399/functions/printf.html) sun sensor №%d\n", num);
 sun_sensor_turn_off(num); //выключаем солнечный датчик
 return 0;
}

Запустите программу и протестируйте работу солнечного датчика. Поочередно протестируйте все 4 солнечных датчика.

Анализ кода

Программа начинается с объявления функции control().

Затем мы создаем список sun_result для получения данных от датчика и переменную num, хранящую номер датчика.

Далее оператор print выводит сообщение о включении датчика.

Затем функция sun_sensor_turn_on(num) включает датчик с указанным номером.

Функция sleep(1) приостанавливает выполнение программы на 1 секунду.

Затем в цикле for i in range(10): мы 10 раз считываем и выводим значение датчика.

Показания датчика считываем с помощью функции sun_sensor_request_raw(num).