空间材料暴露实验控制系统及方法

1.本发明属于设备控制技术领域，具体涉及一种空间材料暴露实验控制系统及方法。


背景技术：

2.空间材料暴露实验是空间实验研究和空间探测的重要组成部分，通过对空间暴露材料的演变、材料辐射影响等，进行在轨观测、状态数据监测和传输，便于进行分析。目前，对于已有的返回式卫星、神舟载人飞船等，需要将空间材料样品带回地面，再对空间材料样品进行分析，因此，空间材料样品和实验设备数据从在轨数据到进行样品地面分析，需要间隔较长的时间，无法及时观测空间材料样品和空间材料暴露实验设备数据，从而不利于空间材料样品的筛选和评价。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种空间材料暴露实验控制系统及方法，可有效解决上述问题。
4.本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种空间材料暴露实验控制系统，所述空间材料暴露实验控制系统搭载于在轨航天器内部，由机械臂将所述空间材料暴露实验控制系统从航天器内部转运到航天器外部，该空间材料暴露实验控制系统能够在航天器内部和外部对空间材料暴露实验设备和实验样品进行实验控制，所述空间材料暴露实验控制系统包括：主控系统、运动系统、图像采集系统和保温系统；所述主控系统分别与所述运动系统、所述图像采集系统和所述保温系统连接，所述主控系统包括：接口通信功能模块、外部设备供配电管理功能模块、驱动控制功能模块、图像采集控制功能模块、在轨装订参数功能模块、健康监测和故障处置功能模块、状态监测功能模块、保温控制功能模块、在轨升级功能模块和定时刷新功能模块。
5.优选的，所述外部设备供配电管理功能模块，用于提供15路28v供电管理和控制，包括：工作电压、电流和温度采集，提供过流保护功能，支持5个空间材料暴露实验设备、保温系统的8路加热片以及运动系统的驱动控制电路的28v供电接入。
6.优选的，所述主控系统分别与上层平台和机械臂通过接口通信功能模块连接；所述接口通信功能模块具备3路通信接口，第1路通信接口为1553b接口，第2路通信接口为fc-ae-1553接口，第3路通信接口为1553b接口；所述第1路通信接口和所述第3路通信接口是独立工作的两个接口；所述第1路通信接口，实现机械臂转运过程中所述主控系统和所述机械臂的双向数据通信，具体包括：所述机械臂将地面站发送的保温控制指令，通过所述第1路通信接口上传到所述主控系统，所述主控系统控制所述保温系统指定的加热片工作；所述主控系统，将在轨工作状态数据，通过所述第1路通信接口上报到机械臂；所述主控系统通过所述第1
路通信接口，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制和数据通信；机械臂转运结束后，所述第2路通信接口和所述第3路通信接口，共同实现所述主控系统和所述上层平台的双向数据通信，具体包括：所述上层平台将地面站发送的指令，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上传到所述主控系统进行数据解析和处理；所述主控系统，将在轨实验数据进行组包后，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上报到所述上层平台；其中，所述第3路通信接口为指令接收主通道，所述第2路通信接口为指令接收备份通道；所述指令接收主通道和所述指令接收备份通道，同时将所述主控系统的数据组包后，发送到所述上层平台，由所述上层平台将数据包下发到地面站，提升数据下行的可靠性。
7.优选的，所述运动系统，包括空间材料暴露平台运动系统、光学相机运动系统和光学相机调焦系统；所述空间材料暴露平台运动系统，用于对空间材料暴露平台的两个实验暴露区进行展开和收拢控制；所述光学相机运动系统，用于带动光学相机进行x轴、y轴、z轴的三维运动控制，使光学相机运行到待观测样品区；所述光学相机调焦系统，使光学相机进行调焦运动控制；所述驱动控制功能模块，实现多路电机的驱动控制；所述主控系统通过所述驱动控制功能模块，对各路电机的运行时间和运动行程、运动到位状态进行监测，如果电机在装订参数设定的运行时间阈值内，没有运行到指定的行程位置或指定的到位状态，则自动控制电机停止运动；每个电机的运行时间阈值通过在轨装订参数功能模块支持在轨更新，提升电机驱动控制的安全性。
8.优选的，所述图像采集系统，用于接收、解析、处理和响应所述主控系统转发的上层平台指令，并对待观测样品区内的材料样品进行图像采集，并将采集到的材料样品图片数据上传给所述主控系统，由所述主控系统将采集到的材料样品图片数据，通过所述接口通信功能模块和所述上层平台，下传到地面站；所述图像采集系统，通过rs422接口接收、解析、响应并处理所述主控系统发送的指令；支持待观测样品区的材料样品图片进行曝光、拍照，并向所述主控系统反馈最佳调焦的结果；通过lvds接口向主控系统发送采集的材料样品图片数据；其中，所述图像采集控制功能模块用于对所述图像采集系统进行控制，包括：所述图像采集控制功能模块接收来自于上层平台转发的地面站的手动调焦指令或者自动调焦指令，实现图像采集系统的调焦控制；如果为手动调焦指令，所述主控系统对所述图像采集系统进行单次调焦控制；如果为自动调焦指令，则所述主控系统将所述自动调焦指令循环自动转发给所述图像采集系统，间隔4s循环对所述图像采集系统进行调焦控制，直到主控系统接收到所述图像采集系统的最佳调焦结果；其中，主控系统通过延时4s消除电机调焦抖动对图像数据采集的干扰，由所述图像采集系统向主控系统反馈调焦结果，完成所述图像采集系统的调焦；手动调焦指令为自动调焦指令的备份功能，默认自动调焦指令。
9.优选的，所述状态监测功能模块，用于监测空间材料暴露实验设备和主控系统的工作状态、通信状态、工作电压、电流、温度、电机运行状态、电机运动位置和电机运动到位状态，通过主控系统更新组包后下行到地面站，数据包下行速率最大为2048字节/秒。
10.优选的，所述在轨升级功能模块用于：对所述主控系统运行的主控程序根据空间
材料暴露实验设备的需求变更进行在轨升级更新，提升主控软件对空间材料暴露实验设备的支持能力。
11.优选的，所述定时刷新功能模块用于：在所述主控系统运行过程中，定时对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新并进行校验，校验结果通过上层平台下传到地面站，提升系统可靠性；其中，通过对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新，防止空间辐照对主控程序的影响。
12.优选的，所述保温系统，用于对空间材料暴露实验设备的工作温度采集和在轨的保温控制；具体的，所述主控系统根据空间材料暴露实验设备设定工作温度的要求，控制所述保温系统的加热片进行工作，从而使背光区的空间材料暴露实验设备环境温度升高至工作所需要的温度，在轨工作温度配置范围为[-25,60]℃，通过所述在轨装订参数功能模块实现配置；在对所述保温系统的加热片进行控制时，所述主控系统的健康监测和故障处置功能模块对空间材料暴露实验设备和样品的环境温度进行监测，如果监测到温度超过装订参数的设定阈值，则自动关闭保温系统的加热片，提高保温系统的安全性；在对所述运动系统进行驱动控制时，主控系统通过健康监测和故障处置功能模块，实现电机的运行时间、运动行程、运动到位状态3种健康状态监测和故障提示，便于地面站进行在轨观测和处置，提高运动系统的安全性。
[0013]
本发明还提供一种空间材料暴露实验控制系统的方法，包括以下步骤：步骤1，在轨航天器配置多台空间材料暴露实验设备，所述空间材料暴露实验设备具有空间材料暴露平台，所述空间材料暴露平台具有用于放置材料样品的待观测样品区；所述空间材料暴露平台配置主控系统、保温系统、图像采集系统和运动系统；步骤2，空间材料暴露实验控制系统在机械臂转运过程中，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自机械臂转发的地面站指令，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制，使空间材料暴露实验设备工作温度达到装订参数指定的工作温度要求；同时，主控系统通过接口通信功能模块经过机械臂向地面站反馈控制系统的状态数据；空间材料暴露平台转运结束后，主控系统通过接口通信功能模块接收来自上层平台转发的地面站指令，控制相关系统进行工作，具体包括；主控系统根据驱动控制指令，对空间材料暴露平台的运动系统的2个电机进行控制，控制空间材料暴露平台进行展开动作，开始空间材料的暴露实验；步骤3，主控系统根据地面站发送的驱动控制指令，控制运动系统的x轴、y轴、z轴3个方向的电机，带动图像采集系统运动到指定样品的拍照观测区；然后，主控系统的图像采集功能模块通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的光学相机调焦指令；主控系统的图像采集功能模块根据光学相机调焦指令，控制运动系统的调焦电机对光学相机镜头进行调焦控制，并向地面站发送最佳调焦结果；步骤4，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的材料样品图像拍照指令，并对光学相机进行拍照控制，使光学相机采集到当前环境下待观测样品区材料样品的材料样品图片数据，同时记录当前环境参数和采集时间戳；所述主控系统将采集到的材料样品图片数据、当前环境参数和采集时间戳，形成
一个数据包，并通过接口通信功能模块下发给地面站；步骤5、主控系统通过接口通信功能模块的5路rs422接口，向空间材料暴露实验设备发送来自于地面站的工作指令，控制空间材料暴露实验设备工作；步骤6、主控系统在加电生命周期内，每隔30min
±
1min对主控系统的内部软件进行刷新校验，提高软件的可靠性；步骤7、主控系统每隔1000ms
±
100ms对在轨数据实时更新，通过接口通信功能模块组包后发送给上层平台，在轨实验的数据包括保温系统的温度、运动系统的电机运行状态、图像采集系统的状态、主控系统的软件运行状态、供配电状态、通信接口状态、刷新状态和健康状态，以及空间材料暴露实验设备的在轨实验数据和在轨工作状态；步骤8、主控系统在加电生命周期内，对保温系统的工作温度、运动系统的电机运行状态进行健康监测，如果保温系统的加热片工作故障无法加热，则进行健康报警提示；如果运动系统的电机运动行程、运行时间超过装订参数设定的时间阈值仍然没有运动到位，则进行健康报警提示；如果保温系统的加热片超过装订参数设定的温度阈值，则自动对加热片进行关断处置，处置结果通过健康状态字反馈；对于多条健康报警提示信息进行健康状态字轮询提示；步骤9、主控系统在轨运行时，根据空间材料暴露实验设备的需求变更，进行软件升级，提升主控系统的在轨适应能力和支持能力。
[0014]
本发明提供的空间材料暴露实验控制系统及方法具有以下优点：本发明提供的空间材料暴露实验控制系统及方法，可以对空间飞行暴露材料进行在轨实验，并对实验过程的照片和数据进行实时采集和回传到地面站，能够为空间材料暴露实验提供安全可靠的控制技术，为空间材料暴露样品和空间材料暴露实验设备在轨实验数据的分析、在轨实时图片的观测提供技术保障。
附图说明
[0015]
图1为本发明提供的空间材料暴露实验控制系统的结构示意图；图2为本发明提供的空间材料暴露实验主控系统的功能模块示意图。
具体实施方式
[0016]
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0017]
本发明提供一种空间材料暴露实验控制系统，可以支持空间材料和空间材料暴露试验设备进行在轨实验，对实验过程的材料样品图片数据进行实时采集并回传到地面站，从而使地面站及时获得空间材料与空间环境作用的状态数据和图像数据，为空间材料的制造和改进提供方向。本发明可弥补空间材料在轨开展暴露实验、状态监测、在轨实验控制、实验数据、图像数据采集的空间。
[0018]
参考图1，本发明提供的空间材料暴露实验控制系统，搭载于在轨航天器内部，由机械臂将空间材料暴露实验控制系统从航天器内部转运到航天器外部，该空间材料暴露实验控制系统能够在航天器内部和外部对空间材料暴露实验设备和实验样品进行实验控制。
空间材料暴露实验控制系统包括：主控系统、运动系统、图像采集系统、保温系统；所述主控系统分别与所述运动系统、图像采集系统和保温系统连接。
[0019]
参考图2，所述主控系统的功能模块有：接口通信功能模块、外部设备供配电管理功能模块、驱动控制功能模块、图像采集控制功能模块、在轨装订参数功能模块、健康监测和故障处置功能模块、状态监测功能模块、保温控制功能模块、在轨升级功能模块和定时刷新功能模块。
[0020]
下面对各主要系统和模块详细介绍：（1）运动系统所述运动系统，包括空间材料暴露平台运动系统、光学相机运动系统和光学相机调焦系统；所述空间材料暴露平台运动系统，用于对空间材料暴露平台的两个实验暴露区进行展开和收拢控制；空间材料暴露平台展开后，开始空间材料样品的暴露实验；空间材料暴露平台收拢后，结束空间材料样品的暴露实验；所述光学相机运动系统，用于对光学相机进行运动控制，使光学相机运行到待观测样品区，具体为：带动光学相机进行x轴、y轴、z轴的三维运动控制，使光学相机运行到待观测样品区；所述光学相机调焦系统，用于使光学相机进行调焦运动控制；所述运动系统，具体包括多路电机；例如，光学相机运动系统配置有3个方向的电机，空间材料暴露平台运动系统的2个电机，图像采集系统的1个调焦电机。
[0021]
（2）图像采集系统所述图像采集系统，用于接收、解析、处理和响应所述主控系统转发的上层平台指令，并对待观测样品区内的材料样品进行图像采集，并将采集到的材料样品图片数据上传给所述主控系统，由所述主控系统将采集到的材料样品图片数据，通过所述接口通信功能模块和所述上层平台，下传到地面站；所述图像采集系统，通过rs422接口接收、解析、响应并处理所述主控系统发送的指令；支持待观测样品区的材料样品图片进行曝光、拍照，并向所述主控系统反馈最佳调焦的结果；通过lvds接口向主控系统发送采集的材料样品图片数据；（3）保温系统所述保温系统，用于对空间材料暴露实验设备的工作温度采集和在轨的保温控制；具体的，所述主控系统根据空间材料暴露实验设备设定工作温度的要求，控制所述保温系统的加热片进行工作，从而使背光区的空间材料暴露实验设备环境温度升高至工作所需要的温度，在轨工作温度配置范围为[-25,60]℃，通过所述在轨装订参数功能模块实现配置；（4）主控系统本发明中，主控系统采用cpu+fpga控制方式，采用nor flash存储技术，实现3份cpu运行代码和2份fpga运行代码的存储，每份代码有2个存储区，一共6份代码存储区；因此，主控系统软件能够从指定的运行代码区自动启动主控系统的运行控制程序。主控系统的具体功能模块有：（4.1）外部设备供配电管理功能模块外部设备供配电管理功能模块，用于提供15路28v供电管理和控制，包括：对工作
电压、电流、温度等进行状态采集，提供过流保护功能，同时支持5个空间材料暴露实验设备、保温系统的8路加热片以及运动系统的驱动控制电路的28v供电接入。
[0022]
（4.2）接口通信功能模块接口通信功能模块具备3路通信接口，第1路通信接口为1553b接口，第2路通信接口为fc-ae-1553接口，第3路通信接口为1553b接口；所述第1路通信接口和所述第3路通信接口是独立工作的两个接口；所述第1路通信接口，实现机械臂转运过程中所述主控系统和所述机械臂的双向数据通信，具体包括：所述机械臂将地面站发送的保温控制指令，通过所述第1路通信接口上传到所述主控系统，所述主控系统控制所述保温系统指定的加热片工作；所述主控系统，将在轨工作状态数据，通过所述第1路通信接口上报到机械臂；所述主控系统通过所述第1路通信接口，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制和数据通信；机械臂转运结束后，所述第2路通信接口和所述第3路通信接口，共同实现所述主控系统和所述上层平台的双向数据通信，具体包括：所述上层平台将地面站发送的指令，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上传到所述主控系统进行数据解析和处理；所述主控系统，将在轨实验数据进行组包后，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上报到所述上层平台；其中，所述第3路通信接口为指令接收主通道，所述第2路通信接口为指令接收备份通道；所述指令接收主通道和所述指令接收备份通道，同时将所述主控系统的数据组包后，发送到所述上层平台，由所述上层平台将数据包下发到地面站，提升数据下行的可靠性。两个通道同时进行数据下行：第2路通信接口的数据包下行速率为20480字节/秒，第3路通信接口的数据包下行速率为894字节/秒。
[0023]
（4.3）驱动控制功能模块驱动控制功能模块在于：所述主控系统通过驱动控制功能模块，对空间材料暴露平台的两个实验暴露区进行驱动控制，控制实验暴露区进行展开和收拢；所述主控系统可对图像采集系统光学相机的x轴、y轴、z轴3个方向电机进行驱动控制，驱动光学相机运行到待观测样品区；所述主控系统通过驱动控制功能模块驱动运动系统的1路调焦电机对光学相机进行调焦；所述驱动控制功能模块在于：实现多路电机的驱动控制，对各路电机的运行时间和运动行程、运动到位状态进行监测，如果电机在装订参数设定的运行时间阈值内，没有运行到指定的行程位置或指定的到位状态，则自动控制电机停止运动；每个电机的运行时间阈值通过在轨装订参数功能模块支持在轨更新，提升电机驱动控制的安全性。
[0024]
（4.4）图像采集控制功能模块所述主控系统的图像采集控制功能模块，用于对所述图像采集系统进行控制，包括：所述图像采集控制功能模块接收来自于上层平台转发的地面站的手动调焦指令或者自动调焦指令，实现图像采集系统的调焦控制；如果为手动调焦指令，所述主控系统对所述图像采集系统进行单次调焦控制；如果为自动调焦指令，则所述主控系统将所述自动调焦指令间隔4s，循环对所述图像采集系统进行调焦控制，直到主控系统接收到所述图像采集系统的最佳调焦结果；其中，主控系统通过延时4s消除电机调焦抖动对图像数据采集的干扰，由所述图像采集系统向主控系统反馈调焦结果，每轮自动调焦时间不超过256s，完成所述
图像采集系统的调焦；手动调焦指令为自动调焦指令的备份功能，默认自动调焦指令。
[0025]
（4.5）状态监测功能模块状态监测功能模块，用于监测空间材料暴露实验设备和主控系统的工作状态、通信状态、工作电压、电流、温度、电机运行状态、电机运动位置和运动到位状态。主控系统每隔1000ms
±
100ms对状态监测的参数实时更新，通过接口通信功能模块组成896字节数据包后，通过1553b接口转发给上层平台；同时，主控系统每隔1000ms
±
100ms组成2048字节的数据包后，通过fc-ae-1553接口转发给上层平台。数据包的参数有保温系统的温度、运动系统的电机运行状态、图像采集系统的工作状态、调焦状态、拍照状态、主控系统的软件运行状态、供配电状态、通信接口状态、刷新状态、健康状态、以及空间材料暴露实验设备的实验数据和在轨工作状态等。
[0026]
（4.6）在轨升级功能模块在轨升级模块用于：根据任务需求，对所述主控系统运行的主控程序根据空间材料暴露实验设备的需求变更进行在轨升级更新，提升主控系统对空间材料暴露实验设备的支持能力。
[0027]
所述主控系统的代码在轨升级时，通过接口通信功能模块的fc-ae-1553接口接收地面站发送的代码数据包，每次升级可以选择6个代码区的任意一个代码区进行升级，升级后的代码区可以根据地面站的指令，切换到原先的代码区。
[0028]
（4.7）定时刷新功能模块定时刷新功能模块用于：在所述主控系统运行过程中，每隔（30min
±
1min）定时对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新并进行校验，校验结果通过上层平台下传到地面站，提升系统可靠性；其中，通过对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新，用于防止空间辐照对主控程序的影响。
[0029]
（4.8）健康监测和故障处置功能模块健康监测和故障处置功能模块在于：在主控系统加电生命周期内，在对所述保温系统进行控制时，对空间材料暴露实验设备环境温度和样品温度进行监测，如果监测到温度超过设定阈值，则自动关闭保温系统的加热片，防止空间材料暴露实验设备环境温度和样品温度过高；健康监测和故障处置功能模块在于：在主控系统加电生命周期内，对保温系统的工作温度进行健康监测，如果保温系统加热片工作故障，例如加热片打开10min后，温度值升高小于2℃，则自动进行故障处置：例如关闭加热片，并进行健康报警提示；健康监测和故障处置功能模块在于：在主控系统加电生命周期内，在对运动系统的电机运行控制过程中，对电机的运动行程、运行时间、运动到位状态进行3种健康监测，例如：电机的运动行程和运行时间，超过装订参数设定阈值仍然没有运动到位，则进行健康报警提示；对于多条健康报警提示信息进行健康状态字轮询提示；所有健康状态报警提示信息通过所述主控系统的接口通信功能模块打包后，向上层平台转发到地面站。
[0030]
（4.9）保温控制功能模块所述主控系统将保温系统的24路温度传感器采集值通过上层平台发送到地面站；
如果温度传感器采集值低于装订参数配置的低位阈值，则自动控制保温系统的相关加热片工作，如果温度传感器采集值高于装订参数配置的高位阈值，则自动关闭相关的加热片。
[0031]
（4.10）在轨装订参数功能模块在轨装订参数功能模块，实现保温系统加热片温度阈值的设置、运动系统中电机运行时间阈值设置，提升了在轨实验的灵活性。
[0032]
本发明中，主控系统能够对舱外迎风面和被风面的2个空间材料暴露区进行展开和回收控制，迎风面和被风面的空间材料暴露区电机控制行程最大970mm。
[0033]
本发明中，主控系统具备5种空间材料暴露实验设备的rs422通信控制，例如舱外原子氧剥蚀实验、污染物沉积实验、动态摩擦实验、静态摩擦实验、迎风面以及被风面材料样品暴露观测实验、空间材料暴露实验设备在轨实验的控制、空间材料暴露实验设备在轨数据的采集和组包下发。
[0034]
本发明中，主控系统根据空间材料暴露实验设备对工作环境的需求，能够控制保温系统的加热片进行工作，从而使背光区的空间材料暴露实验设备和样品的环境温度升高至工作所需要的温度，在轨工作温度配置范围为[-25,60]℃。
[0035]
本发明中，主控系统能够接收地面站的手动调焦或自动调焦指令，对图像采集系统的相机进行调焦控制，并将调焦控制的执行结果反馈到地面站。
[0036]
本发明中，主控系统的图像采集功能模块能够对图像采集系统进行控制，实现指定观测区材料样品图片数据进行曝光、拍照控制，对材料样品图片数据进行组包下行到地面站。
[0037]
本发明中，主控系统通过电机驱动控制系统能够对图像采集系统进行驱动控制，实现960mm（长）
×
110mm（宽）
×
370mm（高）三维空间内的空间材料暴露实验样品图像在轨观测。
[0038]
本发明中，主控系统通过lvds接口接收图像采集系统自动调焦后发送的清晰的图像数据，每张图像数据量为4096*2048b。
[0039]
主控系统通过与上层平台的fc-ae-1553接口，一次性可连续输出8张8mb高清图像。
[0040]
本发明中，主控系统工作过程中，定时对fpga代码进行刷新，防止空间辐照等影响导致代码运行异常；刷新完成后对代码进行校验，并将校验结果下行到地面站。
[0041]
本发明中，所述主控系统工作过程中，对空间材料暴露实验设备或样品的温度进行监测，如果超过装订参数的设定阈值，则自动关闭保温系统的加热片。如果加热片工作故障无法加热，则自动关闭加热片。
[0042]
本发明中，所述主控系统能够对运动系统的6路电机的运行时间、运动行程、运动到位状态进行3种状态的监测，如果电机在设定的时间阈值内没有运行到指定的行程位置或没有运动到位，则自动控制电机停止运动；每个电机的运行时间阈值支持在轨配置，提升了电机驱动控制的安全性。
[0043]
本发明中，所述主控系统能够根据空间材料暴露实验设备的任务需求变更，实现代码在轨更新。
[0044]
本发明还提供一种基于空间材料暴露实验控制系统的方法，包括以下步骤：步骤1，在轨航天器配置多台空间材料暴露实验设备，所述空间材料暴露实验设备
具有空间材料暴露平台，所述空间材料暴露平台具有用于放置材料样品的待观测样品区；所述空间材料暴露平台配置主控系统、保温系统、图像采集系统和运动系统；步骤2，空间材料暴露实验控制系统在机械臂转运过程中，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自于机械臂转发的地面站指令，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制，使空间材料暴露实验设备工作温度达到装订参数指定的工作温度要求；同时，主控系统通过接口通信功能模块经过机械臂向地面站反馈控制系统的状态数据；例如，主控系统通过接口通信功能模块每秒向机械臂转发实验数据为32字节；其中，地面站指令包括：保温系统加热片控制指令，从而控制指定的加热片工作，对指定的空间材料暴露实验设备进行加热。如果所述主控系统的状态监测模块检测到所述保温系统的温度传感器采集值超过装订参数设置的温度阈值，则自动关闭加热片；空间材料暴露平台转运结束后，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自于上层平台转发的地面站指令，例如：保温系统加热片控制指令、运动控制指令、空间材料暴露实验设备工作指令、图像采集系统调焦和拍照指令；控制相关系统进行工作，具体包括：主控系统根据所述保温系统加热片控制指令，对保温系统的指定加热片进行控制，使空间材料暴露实验设备工作环境温度，达到在轨工作温度要求，如果温度超过装订参数设置的阈值范围[-25,60]℃，则自动关闭保温系统的加热片；主控系统根据驱动控制指令，对空间材料暴露平台的运动系统的2个电机进行控制，控制空间材料暴露平台进行展开动作，开始空间材料的暴露实验；步骤3，主控系统根据地面站发送的驱动控制指令，控制运动系统的x轴、y轴、z轴3个方向的电机，带动图像采集系统运动到指定样品的拍照观测区；然后，主控系统的图像采集功能模块通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的光学相机调焦指令；主控系统的图像采集功能模块根据光学相机调焦指令，控制运动系统的调焦电机对光学相机镜头进行调焦控制，并向地面站发送最佳调焦结果；具体的，主控系统的图像采集功能模块每隔4s，循环发送光学相机自动调焦指令，并向地面站反馈调焦过程和调焦结果；步骤4，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的材料样品图像拍照指令，并对光学相机进行拍照控制，使光学相机采集到当前环境下待观测样品区材料样品的材料样品图片数据，同时记录当前环境参数和采集时间戳；所述主控系统将采集到的材料样品图片数据、当前环境参数和采集时间戳，形成一个数据包，并通过接口通信功能模块下发给地面站；具体的，通过接口通信功能模块的fc-ae-1553b接口，向上层平台转发到地面站；图像数据包的数据包长度为20480字节/秒，最大可以下行64mb图像数据。
[0045]
另外，所述主控系统将采集到的空间材料暴露实验设备的全部实验数据组包后，通过fc-ae-1553b接口，向上层平台转发到地面站，实验数据的数据包长度20480字节/秒。
[0046]
步骤5、主控系统通过接口通信功能模块的5路rs422接口，向空间材料暴露实验设备发送来自于地面站的工作指令，控制空间材料暴露实验设备工作；步骤6、主控系统在加电生命周期内，每隔30min
±
1min对主控系统的内部软件进行刷新校验，提高软件的可靠性；步骤7、主控系统每隔1000ms
±
100ms对在轨数据实时更新，通过接口通信功能模
块组包后发送给上层平台，在轨实验的数据包括保温系统的温度、运动系统的电机运行状态、图像采集系统的状态、主控系统的软件运行状态、供配电状态、通信接口状态、刷新状态和健康状态，以及空间材料暴露实验设备的在轨实验数据和在轨工作状态等；步骤8、主控系统在加电生命周期内，对保温系统的工作温度、运动系统的电机运行状态进行健康监测，如果保温系统的加热片工作故障无法加热，则进行健康报警提示；如果运动系统的电机运动行程、运行时间超过装订参数设定的时间阈值仍然没有运动到位，则进行健康报警提示；如果保温系统的加热片超过装订参数设定的温度阈值，则自动对加热片进行关断处置，处置结果通过健康状态字反馈；对于多条健康报警提示信息进行健康状态字轮询提示；具体的，主控系统在对所述保温系统加热片进行控制时，通过对空间材料暴露实验设备环境温度和样品温度进行监测，如果监测到温度超过设定阈值，则自动关闭保温系统的加热片，将健康状态字下行到地面站。
[0047]
主控系统在加电生命周期内，对保温系统的工作温度、运动系统的电机运行状态进行健康监测；如果保温系统加热片工作故障无法加热，例如加热片打开10min后，温度值升高小于2℃，则自动进行故障处置：例如关闭加热片，并进行健康报警提示；如果运动系统的电机运动行程、运行时间超过装订参数设定阈值仍然没有运动到位，则进行健康报警提示；如果保温系统的加热片超过装订参数设定的温度阈值，则自动对加热片进行关断处置，处置结果通过健康状态字提示；对于多条健康报警提示信息进行健康状态字轮询提示。
[0048]
步骤9、主控系统在轨运行时，根据空间材料暴露实验设备的需求变更，进行软件升级，提升主控系统的在轨适应能力和支持能力。
[0049]
在整个过程中，所述主控系统的接口通信功能模块的第2路fc-ae-1553b接口和第3路1553b接口，每隔（1000ms
±
100ms）同时经过上层平台向地面站组包发送全部的系统数据，其中第2路接口的数据包长度2048字节，第3路接口的数据包长度为896字节，数据包内容包括指令的执行结果、空间材料暴露实验设备的工作状态、运动系统电机的运行状态、主控系统的工作状态。
[0050]
空间材料暴露实验控制系统实验结束后，由所述主控系统控制所有的空间材料暴露实验设备结束实验、关闭外部设备和保温系统的加热片供电电源、控制运动系统的3个拍照电机和1个调焦电机回到原始位置，控制2个实验样品暴露平台收拢，结束全部的实验。
[0051]
本发明提供的空间材料暴露实验控制系统及方法，可以对空间材料进行在轨暴露实验，并对实验过程中的照片数据和实验数据进行实时采集和回传到地面站，能够为空间材料暴露实验提供安全可靠的控制技术，为材料暴露在轨实验数据的分析、在轨实时观测提供技术保障。
[0052]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述空间材料暴露实验控制系统搭载于在轨航天器内部，由机械臂将所述空间材料暴露实验控制系统从航天器内部转运到航天器外部，该空间材料暴露实验控制系统能够在航天器内部和外部对空间材料暴露实验设备和实验样品进行实验控制，所述空间材料暴露实验控制系统包括：主控系统、运动系统、图像采集系统和保温系统；所述主控系统分别与所述运动系统、所述图像采集系统和所述保温系统连接，所述主控系统包括：接口通信功能模块、外部设备供配电管理功能模块、驱动控制功能模块、图像采集控制功能模块、在轨装订参数功能模块、健康监测和故障处置功能模块、状态监测功能模块、保温控制功能模块、在轨升级功能模块和定时刷新功能模块。2.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述外部设备供配电管理功能模块，用于提供15路28v供电管理和控制，包括：工作电压、电流和温度采集，提供过流保护功能，支持5个空间材料暴露实验设备、保温系统的8路加热片以及运动系统的驱动控制电路的28v供电接入。3.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述主控系统分别与上层平台和机械臂通过接口通信功能模块连接；所述接口通信功能模块具备3路通信接口，第1路通信接口为1553b接口，第2路通信接口为fc-ae-1553接口，第3路通信接口为1553b接口；所述第1路通信接口和所述第3路通信接口是独立工作的两个接口；所述第1路通信接口，实现机械臂转运过程中所述主控系统和所述机械臂的双向数据通信，具体包括：所述机械臂将地面站发送的保温控制指令，通过所述第1路通信接口上传到所述主控系统，所述主控系统控制所述保温系统指定的加热片工作；所述主控系统，将在轨工作状态数据，通过所述第1路通信接口上报到机械臂；所述主控系统通过所述第1路通信接口，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制和数据通信；机械臂转运结束后，所述第2路通信接口和所述第3路通信接口，共同实现所述主控系统和所述上层平台的双向数据通信，具体包括：所述上层平台将地面站发送的指令，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上传到所述主控系统进行数据解析和处理；所述主控系统，将在轨实验数据进行组包后，通过所述第2路通信接口和所述第3路通信接口上报到所述上层平台；其中，所述第3路通信接口为指令接收主通道，所述第2路通信接口为指令接收备份通道；所述指令接收主通道和所述指令接收备份通道，同时将所述主控系统的数据组包后，发送到所述上层平台，由所述上层平台将数据包下发到地面站，提升数据下行的可靠性。4.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述运动系统，包括空间材料暴露平台运动系统、光学相机运动系统和光学相机调焦系统；所述空间材料暴露平台运动系统，用于对空间材料暴露平台的两个实验暴露区进行展开和收拢控制；所述光学相机运动系统，用于带动光学相机进行x轴、y轴、z轴的三维运动控制，使光学相机运行到待观测样品区；所述光学相机调焦系统，使光学相机进行调焦运动控制；所述驱动控制功能模块，实现多路电机的驱动控制；所述主控系统通过所述驱动控制功能模块，对各路电机的运行时间和运动行程、运动到位状态进行监测，如果电机在装订参数设定的运行时间阈值内，没有运行到指定的行程位置或指定的到位状态，则自动控制电
机停止运动；每个电机的运行时间阈值通过在轨装订参数功能模块支持在轨更新，提升电机驱动控制的安全性。5.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述图像采集系统，用于接收、解析、处理和响应所述主控系统转发的上层平台指令，并对待观测样品区内的材料样品进行图像采集，并将采集到的材料样品图片数据上传给所述主控系统，由所述主控系统将采集到的材料样品图片数据，通过所述接口通信功能模块和所述上层平台，下传到地面站；所述图像采集系统，通过rs422接口接收、解析、响应并处理所述主控系统发送的指令；支持待观测样品区的材料样品图片进行曝光、拍照，并向所述主控系统反馈最佳调焦的结果；通过lvds接口向主控系统发送采集的材料样品图片数据；其中，所述图像采集控制功能模块用于对所述图像采集系统进行控制，包括：所述图像采集控制功能模块接收来自于上层平台转发的地面站的手动调焦指令或者自动调焦指令，实现图像采集系统的调焦控制；如果为手动调焦指令，所述主控系统对所述图像采集系统进行单次调焦控制；如果为自动调焦指令，则所述主控系统将所述自动调焦指令循环自动转发给所述图像采集系统，间隔4s循环对所述图像采集系统进行调焦控制，直到主控系统接收到所述图像采集系统的最佳调焦结果；其中，主控系统通过延时4s消除电机调焦抖动对图像数据采集的干扰，由所述图像采集系统向主控系统反馈调焦结果，完成所述图像采集系统的调焦；手动调焦指令为自动调焦指令的备份功能，默认自动调焦指令。6.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述状态监测功能模块，用于监测空间材料暴露实验设备和主控系统的工作状态、通信状态、工作电压、电流、温度、电机运行状态、电机运动位置和电机运动到位状态，通过主控系统更新组包后下行到地面站，数据包下行速率最大为2048字节/秒。7.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述在轨升级功能模块用于：对所述主控系统运行的主控程序根据空间材料暴露实验设备的需求变更进行在轨升级更新，提升主控软件对空间材料暴露实验设备的支持能力。8.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述定时刷新功能模块用于：在所述主控系统运行过程中，定时对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新并进行校验，校验结果通过上层平台下传到地面站，提升系统可靠性；其中，通过对所述主控系统运行的主控程序进行周期性刷新，防止空间辐照对主控程序的影响。9.根据权利要求1所述的空间材料暴露实验控制系统，其特征在于，所述保温系统，用于对空间材料暴露实验设备的工作温度采集和在轨的保温控制；具体的，所述主控系统根据空间材料暴露实验设备设定工作温度的要求，控制所述保温系统的加热片进行工作，从而使背光区的空间材料暴露实验设备环境温度升高至工作所需要的温度，在轨工作温度配置范围为[-25,60]℃，通过所述在轨装订参数功能模块实现配置；在对所述保温系统的加热片进行控制时，所述主控系统的健康监测和故障处置功能模块对空间材料暴露实验设备和样品的环境温度进行监测，如果监测到温度超过装订参数的设定阈值，则自动关闭保温系统的加热片，提高保温系统的安全性；在对所述运动系统进行驱动控制时，主控系统通过健康监测和故障处置功能模块，实现电机的运行时间、运动行
程、运动到位状态3种健康状态监测和故障提示，便于地面站进行在轨观测和处置，提高运动系统的安全性。10.一种权利要求1-9任一项所述的空间材料暴露实验控制系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在轨航天器配置多台空间材料暴露实验设备，所述空间材料暴露实验设备具有空间材料暴露平台，所述空间材料暴露平台具有用于放置材料样品的待观测样品区；所述空间材料暴露平台配置主控系统、保温系统、图像采集系统和运动系统；步骤2，空间材料暴露实验控制系统在机械臂转运过程中，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自机械臂转发的地面站指令，实现空间材料暴露平台在机械臂转运过程中的保温控制，使空间材料暴露实验设备工作温度达到装订参数指定的工作温度要求；同时，主控系统通过接口通信功能模块经过机械臂向地面站反馈控制系统的状态数据；空间材料暴露平台转运结束后，主控系统通过接口通信功能模块接收来自上层平台转发的地面站指令，控制相关系统进行工作，具体包括；主控系统根据驱动控制指令，对空间材料暴露平台的运动系统的2个电机进行控制，控制空间材料暴露平台进行展开动作，开始空间材料的暴露实验；步骤3，主控系统根据地面站发送的驱动控制指令，控制运动系统的x轴、y轴、z轴3个方向的电机，带动图像采集系统运动到指定样品的拍照观测区；然后，主控系统的图像采集功能模块通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的光学相机调焦指令；主控系统的图像采集功能模块根据光学相机调焦指令，控制运动系统的调焦电机对光学相机镜头进行调焦控制，并向地面站发送最佳调焦结果；步骤4，主控系统通过接口通信功能模块，接收来自于地面站的材料样品图像拍照指令，并对光学相机进行拍照控制，使光学相机采集到当前环境下待观测样品区材料样品的材料样品图片数据，同时记录当前环境参数和采集时间戳；所述主控系统将采集到的材料样品图片数据、当前环境参数和采集时间戳，形成一个数据包，并通过接口通信功能模块下发给地面站；步骤5、主控系统通过接口通信功能模块的5路rs422接口，向空间材料暴露实验设备发送来自于地面站的工作指令，控制空间材料暴露实验设备工作；步骤6、主控系统在加电生命周期内，每隔30min
±
1min对主控系统的内部软件进行刷新校验，提高软件的可靠性；步骤7、主控系统每隔1000ms
±
100ms对在轨数据实时更新，通过接口通信功能模块组包后发送给上层平台，在轨实验的数据包括保温系统的温度、运动系统的电机运行状态、图像采集系统的状态、主控系统的软件运行状态、供配电状态、通信接口状态、刷新状态和健康状态，以及空间材料暴露实验设备的在轨实验数据和在轨工作状态；步骤8、主控系统在加电生命周期内，对保温系统的工作温度、运动系统的电机运行状态进行健康监测，如果保温系统的加热片工作故障无法加热，则进行健康报警提示；如果运动系统的电机运动行程、运行时间超过装订参数设定的时间阈值仍然没有运动到位，则进行健康报警提示；如果保温系统的加热片超过装订参数设定的温度阈值，则自动对加热片进行关断处置，处置结果通过健康状态字反馈；对于多条健康报警提示信息进行健康状态字轮询提示；
步骤9、主控系统在轨运行时，根据空间材料暴露实验设备的需求变更，进行软件升级，提升主控系统的在轨适应能力和支持能力。

技术总结
本发明提供一种空间材料暴露实验控制系统及方法，空间材料暴露实验控制系统搭载于在轨航天器内部，由机械臂将空间材料暴露实验系统从航天器内部转运到航天器外部，该空间材料暴露实验控制系统能够在航天器内部和外部对空间材料暴露实验设备和实验样品进行实验控制。空间材料暴露实验控制系统包括：主控系统、运动系统、图像采集系统和保温系统。本发明提供的空间材料暴露实验控制系统及方法，可以控制空间材料和科学设备在轨开展实验，并对实验照片和实验数据进行实时采集并回传到地面站，能够为我国空间材料暴露实验提供安全可靠的在轨实验控制技术，为空间材料在轨数据分析、在轨实时观测提供技术保障，为空间材料的研究和发展奠定基础。和发展奠定基础。和发展奠定基础。


技术研发人员：安美珍 王珂 李喆 任庆庆 王绍坤 吕宏宇 凡炼文 陈曦 袁野
受保护的技术使用者：中国科学院空间应用工程与技术中心
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/6/4