用于常压服的控制系统架构的制作方法

用于常压服的控制系统架构
1.相关申请的交叉引用本技术要求于2021年12月8日申请的美国临时申请第63/287,323号的权益，该美国临时申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。


背景技术：

2.示例性实施方案涉及常压服(atmospheric suit)领域，并且具体地涉及用于常压服的控制系统架构。
3.在一些环境和应用中，常压服不仅用于防止冲击，而且还用于维护宜居环境。例如，在太空应用中，包括由氧气罐供氧的头盔和全身套装的舱外活动单元(extravehicular mobility unit，emu)维护宇航员赖以生存的环境。基于传感器的控制用于维护emu中的环境。


技术实现要素：

4.在一个示例性实施方案中，一种常压服中的控制系统包括广播型控制器局域网(can)总线和耦合到所述can总线的多个马达控制器。所述多个马达控制器中的每一者具有相同的软件设计并且基于分配的硬件地址来执行不同的控制操作。所述控制系统还包括一个或多个传感器以感测所述常压服中的一个或多个参数值并在所述can总线上提供所述一个或多个参数值。主控制器经由所述can总线与所述多个马达控制器进行通信并在所述can总线之外向所述常压服的穿戴者提供通信或在所述常压服之外提供通信。
5.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述主控制器还监督所述多个马达控制器中的每一者并基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来命令所述多个马达控制器中的每一者实施所述控制操作。
6.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述主控制器还基于未能从所述多个马达控制器中的一者接收到响应于所述命令的确认或基于所述一个或多个参数值中的一个后续参数值来检测所述多个马达控制器中的一者中的故障。
7.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述主控制器还基于检测到所述多个马达控制器中的一者中的故障而发出警报。
8.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述多个马达控制器还周期性地从所述主控制器接收健康状况信号。
9.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述多个马达控制器还基于未能接收到所述健康状况信号来检测所述主控制器中的故障并基于检测到所述主控制器中的所述故障来基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来独立地实施所述控制操作。
10.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述多个马达控制器还检测所述can总线中的故障。
11.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述多个马达控制器还以无传感器模
式独立地操作，在所述无传感器模式中，所述多个马达控制器中的每一者的所述控制操作不依赖于来自任何传感器的任何参数值。
12.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，基于所述一个或多个传感器中的一个传感器中的故障，所述多个马达控制器中基于来自所述一个或多个传感器中的所述一个传感器的所述一个或多个参数值中的一者或多者来实施所述控制操作的一个马达控制器以无传感器模式操作，在所述无传感器模式中，所述控制操作不依赖于所述一个或多个参数值中的一者或多者。
13.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述多个马达控制器中不依赖于来自所述一个或多个传感器中的发生所述故障的所述一个传感器的所述一个或多个参数值实施所述控制操作的其他马达控制器继续进行正常操作。
14.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述常压服是供在太空环境中使用的舱外活动单元(emu)，并且所述控制系统控制所述emu的主要生命保障系统(primary life support system)。
15.在另一个示例性实施方案中，一种组装常压服中的控制系统的方法包括布置广播型控制器局域网(can)总线以及将多个马达控制器耦合到所述can总线。所述多个马达控制器中的每一者具有相同的软件设计并且基于分配的硬件地址来执行不同的控制操作。所述方法还包括布置一个或多个传感器以感测所述常压服中的一个或多个参数值并在所述can总线上提供所述一个或多个参数值。主控制器经由所述can总线与所述多个马达控制器进行通信并在所述can总线之外向所述常压服的穿戴者提供通信或在所述常压服之外提供通信。
16.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述主控制器还包括所述主控制器监督所述多个马达控制器中的每一者并基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来命令所述多个马达控制器中的每一者实施所述控制操作。
17.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述主控制器还包括所述主控制器基于未能从所述多个马达控制器中的一者接收到响应于所述命令的确认或基于所述一个或多个参数值中的一个后续参数值来检测所述多个马达控制器中的一者中的故障。
18.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述主控制器还包括所述主控制器基于检测到所述多个马达控制器中的一者中的故障而发出警报。
19.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，所述方法还包括配置所述多个马达控制器中的每一者以周期性地从所述主控制器接收健康状况信号。
20.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述多个马达控制器还包括所述多个马达控制器基于未能接收到所述健康状况信号来识别所述主控制器中的故障并基于识别到所述主控制器中的所述故障来基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来独立地实施所述控制操作。
21.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述多个马达控制器还包括所述多个马达控制器识别所述can总线中的故障。
22.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，配置所述多个马达控制器还包括所述多个马达控制器以无传感器模式独立地操作，在所述无传感器模式中，所述多个马达控制
器中的每一者的所述控制操作不依赖于来自任何传感器的任何参数值。
23.除了本文描述的特征中的一者或多者之外，基于所述一个或多个传感器中的一个传感器中的故障，配置所述多个马达控制器使得所述多个马达控制器中基于来自所述一个或多个传感器中的所述一个传感器的所述一个或多个参数值中的一者或多者来实施所述控制操作的一个马达控制器以无传感器模式操作，在所述无传感器模式中，所述控制操作不依赖于所述一个或多个参数值中的一者或多者，并且所述多个马达控制器中不依赖于来自所述一个或多个传感器中的发生所述故障的所述一个传感器的所述一个或多个参数值实施所述控制操作的其他马达控制器继续进行正常操作。
附图说明
24.以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相似元件的编号相似：图1示出了根据一个或多个实施方案的包括控制系统架构的常压服；以及图2是根据一个或多个实施方案的用于具有架构的常压服的示例性控制系统的示意图。
具体实施方式
25.本文参考附图以举例而非限制的方式呈现所公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述。
26.如前所述，常压服在不同应用中为穿戴者维护宜居环境。在示例性太空应用中，常压服可以是emu。如前所述，基于传感器的控制用于维护环境。随着任务持续时间和与安全港(例如，航天器)的距离增加，在较长时段内可靠地维护常压服中的宜居环境的能力变得越来越重要。一个或多个装置的缺陷更有可能发生在更长的任务中，因此需要稳健的容错架构。
27.本文详述的系统和方法的实施方案涉及用于常压服的控制系统架构。出于解释目的而讨论的控制系统属于生命保障系统。所述架构包括一组马达控制器、主控制器和通过控制器局域网(can)总线进行通信的传感器。can总线是已知的广播型串行通信总线(即，总线上的所有节点都能收到总线上的每一次通信)。马达控制器中的每一者可以是相同的(即，具有相同的硬件和软件)，每个马达控制器的功能由硬件地址定义。因而，可以根据需要重新调整马达控制器的用途，并且软件开发和鉴定变得更加容易。此外，获得太空环境所需的抗辐射部件和备用马达控制器也大幅简化了。基于can总线的使用，来自每个马达控制器和主控制器的通信以及来自每个传感器的数据是普遍可用的(即，可供任何马达控制器或主控制器访问)。这有助于主控制器的监督和马达控制器中的每一者对主控制器的健康状况的监测。另外，can总线直接添加节点(例如，传感器、马达控制器)。
28.图1示出了根据一个或多个实施方案的包括控制系统架构的常压服100。图1所示的示例性常压服100是emu 105。虽然出于解释目的具体讨论了emu和太空应用，但是根据一个或多个实施方案的用于控制器系统架构的应用还可以包括水下环境(例如，在常压潜水服中)、地面环境(例如，在防化服中或污染防护服)、高海拔环境(例如，在飞行服中)和地下环境。通常，包括头盔以维持宜居环境的任何套装都被称为常压服。
29.emu 105包括头盔110，其被示为带有任选的头盔内显示器115。作为emu 105的一
部分固定的系统包括主要生命保障系统(plss) 120以及显示和控制模块(dcm) 130。这些系统120、130连同emu 105的部件为在太空中执行舱外活动的穿戴者创造了宜居环境。正如参考图2所详述，根据一个或多个实施方案的控制系统架构定义了控制plss 120和dcm 130的操作以维持emu 105中的环境的部件的结构和行为。
30.图2是根据一个或多个实施方案的用于具有架构的常压服100的示例性控制系统200的示意图。控制系统200用于解释的目的，但是不意图限制可以使用根据一个或多个实施方案的架构组装的每个控制系统200。根据替代实施方案，由架构定义的结构和行为可能产生其他控制系统200。所述结构包括可以具有相同设计但是针对不同功能实例化的多个马达控制器210、主控制器230和通过can总线215进行通信的传感器220。主控制器230可以是现场可编程门阵列(fpga)。详细地说，这种结构促进了双重容错行为和许多操作场景。另外，所述架构促进经由对马达控制器210的软件更新和对基于fpga的主控制器230的代码的更新来简化重新编程和更新。
31.图2中所示的示例性控制系统200包括控制plss 120功能性的各个方面(即，不同的plss子系统)的六个马达控制器210a至210f (通常称为210)。如前所述，马达控制器210a至210f可以包括相同的软件设计，但是每个马达控制器可以提供不同的功能(即，在不同的子系统上实施不同的控制操作)。所述功能由硬件寻址标识符定义，所述硬件寻址标识符在设置期间建立并且可以在舱外任务之间修改。即，例如，在一次舱外任务期间由马达控制器210a (即，给定的物理装置)提供的功能(即，实施的控制操作)可以由另一个马达控制器(诸如备用马达控制器210或例如在后续舱外任务中改变用途的马达控制器210e)提供。出于解释目的，分配给马达控制器(mc) 210a至210f中的每一者的示例性控制操作被总结在表1中。 子系统控制操作mc210a快速循环胺(rca)系统调整阀门以关闭胺床mc210b航天服水膜蒸发器(swme)调整孔口以调整常压服内的吸湿性mc210c变速风扇调整风扇转速以控制常压服内的氧气循环mc210d控制冷却液循环泵调整值以控制冷却液循环泵mc210e对冷却液循环泵的冗余控制对用于控制冷却液循环泵的阀门的冗余控制mc210f主要氧气调节器调整阀门以调制压力调节卡上的压力
表1. 与每个马达控制器210相关联的控制操作。
32.如前所述，示例性马达控制器210不限制替代布置。例如，一个或多个控制操作可以进一步细分以由两个或更多个马达控制器210控制。作为附加示例，可以包括冗余马达控制器210以用于控制操作中的一者或多者。
33.控制操作中的一者或多者可以基于来自一个或多个传感器220的数据。例如，马达控制器210a可以使用来自二氧化碳(co2)传感器220的二氧化碳测量值。图2中所示的其他传感器包括压力和温度(pt)传感器220、差压(dp)传感器220和压力(p)传感器220。例如，压力和温度(pt)传感器220中的一者或多者可以获得常压服100的穿戴者的压力和温度以提供生物测定，而一个或多个其他压力和温度(pt)传感器220可以获得常压服100内的大气的压力和温度。来自所有传感器220的数据可通过can总线215供马达控制器210中的任一者和主控制器230使用。电源总线可以与can总线215并联布置以向装置中的每一者供电。
34.除了来自传感器220的数据之外，来自其他装置的信息也可以通过can总线215获得。例如，监测plss电池的健康状况的电池管理系统(bms)可以通过can总线215提供信息。与常压服100的穿戴者之间的通信也可以通过can总线215传输。穿戴者可以控制dcm 130的面板上的旋钮以提供输入，同时可以在dcm 130的显示器上向穿戴者提供消息(例如，警报)。输入/输出(i/o)接口被示为促进可以一起封装在机箱中的装置通过can总线215进行的通信。这些装置包括主控制器230、射频(rf)卡、信息学接口卡以及电源管理和分配(pmad)装置。
35.由架构定义的结构允许在几种不同场景下进行操作。例如，非故障场景可能涉及主控制器230对马达控制器210的操作起到监督作用。根据这种场景，即使来自每个传感器220的数据在can总线215上是可用的，主控制器230也可以监测来自每个传感器220的数据，而每个马达控制器210监测来自一个或多个相关传感器220的数据。然后主控制器230可以根据需要向马达控制器210中的每一者提供命令以实施控制操作。
36.例如，马达控制器210a可以仅监测co2水平。当co2水平指示rca系统当前使用的胺床饱和(例如，co2水平超过阈值)时，主控制器230可以通过can总线向马达控制器210a发送命令215以发起胺床切换。作为响应，马达控制器210a可以激活切换过程并且还向主控制器230提供确认。主控制器230可以基于所述确认向常压服100的穿戴者(例如，经由dcm显示器)或向监测站或航天器(例如，经由rf卡)提供状态或其他信息。
37.基于架构，可以促进健康状况监测以及故障预测和缓解。根据示例性实施方案，作为正常操作模式的一部分，主控制器230还可以在每次使用(例如，每次出舱活动)期间存储性能数据。例如，主控制器230可以包括非易失性存储器装置以存储指示性能(例如，马达控制器210、传感器220的性能)的高保真数据。例如，可以在任务之间分析数据以执行预测健康状况监测。即，可以将数据与基线数据进行比较以识别或预测马达控制器210或传感器220中的故障。
38.一种示例性故障场景涉及主控制器230的故障。主控制器230可以通过can总线215提供可供所有马达控制器210使用的健康状况指示(例如，周期性信号)。当马达控制器210确定can总线215没有发生故障(例如，来自传感器220的数据在can总线215上仍然可用)但是来自主控制器230的健康状况指示不可用时，它们可以确定主控制器230已发生故障。在这种情况下，马达控制器210中的每一者可以以无人监督的方式进行它们对应的控制操作。因此，例如，基于co2水平超过阈值，马达控制器210a可以在没有来自主控制器230的命令的情况下发起rca的胺床的切换操作。
39.替代或附加(即，双重故障)场景涉及can总线215的故障。马达控制器210中的每一者可以基于在can总线215上缺少任何通信(例如，传感器数据、命令)来确定can总线215已发生故障。在这种情况下，除了来自主控制器230的命令之外，来自传感器220的数据也是不可用的。马达控制器210中的每一者可以以不依赖于数据的无数据模式操作。例如，马达控制器210a可以周期性地(例如，每3分钟)而不是基于由传感器220提供的co2水平发起rca系统的胺床的切换。
40.根据由根据一个或多个实施方案的架构促进的又另一场景，传感器220的故障可能导致马达控制器210中的一者或多者以无数据模式操作。即，即使在主控制器230和can总线215操作时，传感器220中的一者或多者也可以停止通过can总线215提供数据。在这种情
况下，只有受影响的马达控制器210需要以不依赖于数据的无数据模式操作。受影响的马达控制器210可以被主控制器230指示来以无数据模式开始操作。例如，如果仅提供差压(dp)的传感器220发生故障，则基于来自co2传感器220的数据控制rca系统的马达控制器210a仍然可以正常模式操作。
41.根据示例性实施方案，主控制器230可以检测马达控制器210中的一者或多者中的故障。例如，可以基于马达控制器210未能提供响应于命令的确认来检测故障。在这种情况下，主控制器230可以经由dcm 130的显示器向常压服100的穿戴者提供警报。主控制器230可以另外或替代地经由rf卡向监测中心或航天器或居留舱传输警报。基于由有故障的马达控制器210正在执行的控制操作，来自主控制器230的警报可以指示常压服100的穿戴者必须立即返回航天器或居留舱。
42.明确讨论的场景只是示例性的，并且其他场景对于架构也是可能的。例如，主控制器230可以为马达控制器210中的每一者提供冗余并且可以接管有故障的马达控制器210的功能性。在主控制器230命令马达控制器210a发起rca系统的胺床的切换的示例性情况中，缺少来自马达控制器210a的确认或后续并非由传感器220指示的预期co2水平下降的确认可以指示马达控制器210a已发生故障。在这种情况下，主控制器230可以执行分配给马达控制器210a的控制操作。
43.在主控制器230中的冗余功能性的情况中，可以基于can总线215的故障来指定主控制器230或每个马达控制器210是否以无数据模式操作以防止主控制器230和马达控制器210中的每一马达控制器试图对系统中的每一者执行无数据控制。因为架构促进每个装置(例如，每个马达控制器210、主控制器230)对can总线215上的所有通信的访问，所以可以通过多种方式建立容错或冗余。即，由广播型总线(例如，can总线)上的多个马达控制器210、主控制器230和传感器220定义的架构提供了稳健且灵活的解决方案来承受装置中的一者或或多者中的故障。
44.本文使用的术语仅仅是为了描述具体实施方案，并且不意图限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”意图也包括复数形式。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时指定所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其群组的存在或添加。
45.虽然已参考一个例示性实施方案或多个实施方案描述了本公开，但本领域的技术人员应理解，可做出各种改变并且等效形式可代替其元件，而此并不背离本公开的范围。另外，可做出诸多修改以使特定的情况或材料适合于本公开的教义，而此并不背离本公开的实质范围。因此，不旨在将本公开限制于作为被认为施行本公开的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本公开将包括在权利要求书范围内的所有实施方案。

技术特征：
1.一种常压服中的控制系统，所述控制系统包括：广播型控制器局域网(can)总线；耦合到所述can总线的多个马达控制器，所述多个马达控制器中的每一者具有相同的软件设计并且被配置为基于分配的硬件地址来执行不同的控制操作；一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为感测所述常压服中的一个或多个参数值并在所述can总线上提供所述一个或多个参数值；以及主控制器，所述主控制器被配置为经由所述can总线与所述多个马达控制器进行通信并在所述can总线之外向所述常压服的穿戴者提供通信或在所述常压服之外提供通信。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述主控制器被配置为监督所述多个马达控制器中的每一者并基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来命令所述多个马达控制器中的每一者实施所述控制操作。3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述主控制器被配置为基于未能从所述多个马达控制器中的一者接收到响应于所述命令的确认或基于所述一个或多个参数值中的一个后续参数值来检测所述多个马达控制器中的所述一者中的故障。4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述主控制器被配置为基于检测到所述多个马达控制器中的所述一者中的所述故障而发出警报。5.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述多个马达控制器被配置为周期性地从所述主控制器接收健康状况信号。6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述多个马达控制器被配置为基于未能接收到所述健康状况信号来检测所述主控制器中的故障并基于检测到所述主控制器中的所述故障来基于来自所述一个或多个传感器中的所述一者或多者的所述一个或多个参数值中的所述一者或多者来独立地实施所述控制操作。7.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述多个马达控制器被配置为检测所述can总线中的故障。8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述多个马达控制器被配置为以无传感器模式独立地操作，在所述无传感器模式中，所述多个马达控制器中的每一者的所述控制操作不依赖于来自任何传感器的任何参数值。9.根据权利要求1所述的控制系统，其中基于所述一个或多个传感器中的一个传感器中的故障，所述多个马达控制器中基于来自所述一个或多个传感器中的所述一个传感器的所述一个或多个参数值中的一者或多者来实施所述控制操作的一个马达控制器被配置为以无传感器模式操作，在所述无传感器模式中，所述控制操作不依赖于所述一个或多个参数值中的所述一者或多者。10.根据权利要求9所述的控制系统，其中所述多个马达控制器中不依赖于来自所述一个或多个传感器中的发生所述故障的所述一个传感器的所述一个或多个参数值实施所述控制操作的其他马达控制器被配置为继续进行正常操作。11.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述常压服是供在太空环境中使用的舱外活动单元(emu)，并且所述控制系统控制所述emu的主要生命保障系统。12.一种组装常压服中的控制系统的方法，所述方法包括：布置广播型控制器局域网(can)总线；
将多个马达控制器耦合到所述can总线，所述多个马达控制器中的每一者具有相同的软件设计并且被配置为基于分配的硬件地址来执行不同的控制操作；布置一个或多个传感器以感测所述常压服中的一个或多个参数值并在所述can总线上提供所述一个或多个参数值；以及配置主控制器以经由所述can总线与所述多个马达控制器进行通信并在所述can总线之外向所述常压服的穿戴者提供通信或在所述常压服之外提供通信。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述配置所述主控制器包括所述主控制器监督所述多个马达控制器中的每一者并基于来自所述一个或多个传感器中的一者或多者的所述一个或多个参数值中的一者或多者来命令所述多个马达控制器中的每一者实施所述控制操作。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述配置所述主控制器包括所述主控制器基于未能从所述多个马达控制器中的一者接收到响应于所述命令的确认或基于所述一个或多个参数值中的一个后续参数值来检测所述多个马达控制器中的所述一者中的故障。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述配置所述主控制器包括所述主控制器基于检测到所述多个马达控制器中的所述一者中的所述故障而发出警报。16.根据权利要求13所述的方法，其还包括配置所述多个马达控制器中的每一者以周期性地从所述主控制器接收健康状况信号。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述配置所述多个马达控制器包括所述多个马达控制器基于未能接收到所述健康状况信号来识别所述主控制器中的故障并基于识别到所述主控制器中的所述故障来基于来自所述一个或多个传感器中的所述一者或多者的所述一个或多个参数值中的所述一者或多者来独立地实施所述控制操作。18.根据权利要求12所述的方法，其中所述配置所述多个马达控制器包括所述多个马达控制器识别所述can总线中的故障。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述配置所述多个马达控制器包括所述多个马达控制器以无传感器模式独立地操作，在所述无传感器模式中，所述多个马达控制器中的每一者的所述控制操作不依赖于来自任何传感器的任何参数值。20.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述一个或多个传感器中的一个传感器中的故障，配置所述多个马达控制器使得所述多个马达控制器中基于来自所述一个或多个传感器中的所述一个传感器的所述一个或多个参数值中的一者或多者来实施所述控制操作的一个马达控制器以无传感器模式操作，在所述无传感器模式中，所述控制操作不依赖于所述一个或多个参数值中的所述一者或多者，并且所述多个马达控制器中不依赖于来自所述一个或多个传感器中的发生所述故障的所述一个传感器的所述一个或多个参数值实施所述控制操作的其他马达控制器继续进行正常操作。

技术总结
一种常压服中的控制系统包括广播型控制器局域网(CAN)总线和耦合到所述CAN总线的多个马达控制器。所述多个马达控制器中的每一者具有相同的软件设计并且基于分配的硬件地址来执行不同的控制操作。所述控制系统还包括一个或多个传感器以感测所述常压服中的一个或多个参数值并在所述CAN总线上提供所述一个或多个参数值。主控制器经由所述CAN总线与所述多个马达控制器进行通信并在所述CAN总线之外向所述常压服的穿戴者提供通信或在所述常压服之外提供通信。服之外提供通信。服之外提供通信。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：哈米尔顿森德斯特兰德公司
技术研发日：2022.12.05
技术公布日：2023/6/12