一种控制力矩陀螺自动化测试系统及方法与流程

本技术涉及航天，尤其涉及一种控制力矩陀螺自动化测试系统及方法。

背景技术：

1、控制力矩陀螺 （control moment gyro，cmg）单机是敏捷微小卫星姿态机动核心执行部件，由高速组件、连接支架、低速组件和控制器组件四大单元构成。依靠低速框架电机机构带动高速转子组件偏转，改变转子角动量的空间指向，进而输出控制力矩，实现卫星姿态的快速机动和稳定控制。cmg单机产品具有低速控制精度高、输出力矩大、小型化等特点，对转子转速、框架电机角度、驱动电流、轴系温度、通讯稳定性等指标要求严苛。在出厂阶段和总装阶段，必须开展大量闭环仿真测试、长时稳定性测试及通讯故障摸底测试，以确保产品在轨运行的可靠性与安全性。

2、当前商业微小卫星迭代速度快、批量交付需求大，cmg单机测试分为单机单独标定、星地闭环联试、在轨时序复现三类工况，行业普遍采用工控上位机搭配can/rs485总线硬件搭建测试平台，依靠上位机软件下发控制指令、采集cmg单机遥测数据完成性能验证。

3、现有 cmg单机地面测试依靠多套独立工具、分离控制软件拼凑搭建，各模块数据不互通、时间基准不一致，仅支持简单开环与单点指令，无法模拟卫星复杂机动任务，同时缺少三维可视化与指令统计诊断功能，存在测试效率低、工况覆盖不全、在轨验证不充分、故障难定位等多重缺陷，难以满足现阶段 cmg单机全面地面测试需求。

4、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种控制力矩陀螺自动化测试系统及方法，采用分层模块化架构，将数据监测、指令控制、机动模拟、三维可视化集成于统一平台，实现对cmg单机的测试。

2、第一方面，本技术提供一种控制力矩陀螺自动化测试系统，系统包括：通信模块，用于与控制力矩陀螺 （control moment gyro，cmg）单机进行通信获得遥测数据，与地检设备进行通信获得地检设备的状态参数；向cmg单机发送控制指令，向地检设备发送地检指令；数据模块，用于解析和统计遥测数据，根据解析结果获取第一参数；根据地检设备的状态参数获取第二参数；根据控制指令和地检指令获取第三参数；根据第一参数、第二参数和/或第三参数进行多维度计算；控制模块，用于获取用户输入的控制指令，获取地检设备向cmg单机转发的地检指令；对电机的控制模式进行切换和参数设置；控制模式包括以下模式之一或组合：增量位置环、速度控制环、高速电机恒力矩控制、恒转速控制和/或推扫模式；模拟机动模块，用于模拟卫星在轨机动过程中的cmg单机的控制任务，控制任务包括闭环转速跟随测试、闭环位置跟随测试和动态跟随性能验证；模拟机动模块包括速度控制单元、位置控制单元和机动曲线导入单元；其中，速度控制单元用于按照用户输入的第四参数生成速度规划曲线，并下发至cmg单机，以对cmg单机进行闭环转速跟随测试；位置控制单元用于按照用户输入的第五参数生成位置轨迹规划曲线，并下发至cmg单机，以对cmg单机进行闭环位置跟随测试；机动曲线导入单元用于按照数据文件生成外部机动曲线，并将外部机动曲线下发至cmg单机，以验证cmg单机在卫星机动任务中的动态跟随性能；可视化模块，用于提供人机交互界面，显示遥测数据、地检设备的状态参数、控制指令、地检指令、第一参数、第二参数、第三参数、速度规划曲线、位置轨迹规划曲线、外部机动曲线，和/或cmg单机的三维姿态。

3、以此，本技术实施例将星上数据解析、地检状态监控、指令下发、机动模拟、三维可视化集成于统一平台，所有数据基于统一时间基准，测试人员无需在多软件之间切换，显著提升了测试效率，降低了人工操作失误风险。

4、在一种可选的设计中，第一参数包括运动参数、电气参数和/或热控参数，数据模块还用于：对每个第一参数实时计算当前值、最小值、最大值、平均值和/或最大差值；关联显示地检设备的状态参数与指令计数；进行地检设备与cmg单机的状态关联监控，第二参数包括以下任意参数之一或多个组合：同步信号状态、框架电机模式、高速状态、地检状态、安全模式、判据1计数、判据2计数、软复位状态、硬复位状态、通讯原码等离散状态量；实时统计控制指令的计数和地检指令获取第三参数，第三参数包括以下任意参数之一或组合：框架电机控制指令计数、高速电机控制指令计数、指令校验和错误计数、控制指令正确计数、pid参数修改指令计数和/或数据超范围计数。

5、以此，本技术实施例解决缺乏指令级故障诊断的问题。通过实时统计控制指令计数、校验错误计数、数据超范围计数、指令头错误计数等，为通信链路故障和指令异常提供精确的量化诊断依据。

6、在一种可选的设计中，控制模块包括指令控制单元、电机控制单元、推扫模式控制单元和地检指令管理单元；指令控制单元用于获取用户输入的控制指令，控制指令包括以下指令之一或多个组合：取数指令、角速度控制指令、定角保持指令、位置指令、软复位指令、开环锁轴指令；获取地检设备向cmg单机转发的地检指令，包括开启地检发送指令和停止地检发送指令；其中角速度控制指令用于控制cmg单机的目标角速度和角位置，确定闭环控制模式；闭环控制模式包括增量位置环和速度控制环、pid控制算法或自适应控制算法。电机控制单元用于向cmg单机发送控制电机的指令，控制电机的指令包括恒力矩指令和/或恒转速指令；推扫模式控制单元用于确定卫星推扫成像时的cmg单机的控制状态；地检指令管理单元用于控制地检设备向cmg单机转发指令的状态、配置指令周期、周期使能和发送角速度。

7、以此，本技术实施例解决控制模式单一的问题，实现cmg单机全性能覆盖验证。通过集成增量位置环、速度控制环、恒力矩、恒转速、推扫等多种控制模式，能够全面验证cmg单机在不同控制策略下的启动、调速、定位、保持等动态性能，覆盖cmg单机的全生命周期测试需求。

8、在一种可选的设计中，第四参数包括对速度跟随采样的终止角度、采样周期、控制周期、时间差、循环次数及循环使能；第五参数包括对位置跟随采样的终止角度、采样周期、控制周期、时间差、循环次数及循环使能；数据文件包括时间-速度-位置数据文件，时间-速度-位置数据文件包括excel、文本格式、xml格式、json格式或二进制格式；模拟机动模块，还用于在将外部机动曲线下发至cmg单机的同时下发以下参数：速度、位置、推扫模式、和框架电机角推扫。

9、以此，本技术实施例解决缺乏机动任务模拟的问题，降低在轨风险。通过单次/循环速度位置控制及外部机动曲线导入功能，能够在地面完整模拟卫星在轨机动过程中的cmg单机控制任务，提前暴露潜在问题，有效降低卫星在轨故障风险。

10、在一种可选的设计中，可视化模块包括标签页显示单元、图形显示单元和姿态显示单元；标签页显示单元用于显示多标签页；多标签页包括：星上数据页、地检数据页、图形显示页和姿态实时显示页；图形显示单元用于根据第一参数进行实时曲线绘制；第一参数包括运动参数、电气参数和/或热控参数；姿态显示单元用于通过三维图形引擎，根据框架电机角度和转子转速实时计算并渲染cmg单机的三维姿态。

11、以此，本技术实施例解决人机交互不友好、故障定位困难的问题。通过多维统计值显示、实时曲线绘制和cmg单机三维姿态实时显示，使得测试人员可以直观、全面地掌握cmg单机运行状态，快速识别机械运动异常、控制响应异常等问题，大幅缩短故障排查时间。

12、第二方面，本技术提供一种控制力矩陀螺自动化测试方法，方法包括：与cmg单机进行通信获得遥测数据，与地检设备进行通信获得地检设备的状态参数；向cmg单机发送控制指令，向地检设备发送地检指令；解析和统计遥测数据，根据解析结果获取第一参数；根据地检设备的状态参数获取第二参数；根据控制指令和地检指令获取第三参数；根据第一参数、第二参数和/或第三参数进行多维度计算；获取用户输入的控制指令，获取地检设备向cmg单机转发的地检指令；对电机的控制模式进行切换和参数设置；控制模式包括以下模式之一或组合：增量位置环、速度控制环、高速电机恒力矩控制、恒转速控制和/或推扫模式；模拟卫星在轨机动过程中的cmg单机的控制任务，控制任务包括闭环转速跟随测试、闭环位置跟随测试和动态跟随性能验证；模拟机动模块包括速度控制单元、位置控制单元和机动曲线导入单元；其中，按照用户输入的第四参数生成速度规划曲线，并下发至cmg单机，以对cmg单机进行闭环转速跟随测试；按照用户输入的第五参数生成位置轨迹规划曲线，并下发至cmg单机，以对cmg单机进行闭环位置跟随测试；按照数据文件生成外部机动曲线，并将外部机动曲线下发至cmg单机，以验证cmg单机在卫星机动任务中的动态跟随性能；进行人机交互，显示遥测数据、地检设备的状态参数、控制指令、地检指令、第一参数、第二参数、第三参数、速度规划曲线、位置轨迹规划曲线、外部机动曲线，和/或cmg单机的三维姿态。

13、在一种可选的设计中，第一参数包括运动参数、电气参数和/或热控参数，方法还包括：对每个第一参数实时计算当前值、最小值、最大值、平均值和/或最大差值；关联显示地检设备的状态参数与指令计数；进行地检设备与cmg单机的状态关联监控，第二参数包括以下任意参数之一或多个组合：同步信号状态、框架电机模式、高速状态、地检状态、安全模式、判据1计数、判据2计数、软复位状态、硬复位状态、通讯原码等离散状态量；实时统计控制指令的计数和地检指令获取第三参数，第三参数包括以下任意参数之一或组合：框架电机控制指令计数、高速电机控制指令计数、指令校验和错误计数、控制指令正确计数、pid参数修改指令计数和/或数据超范围计数。

14、在一种可选的设计中，控制指令包括以下指令之一或多个组合：取数指令、角速度控制指令、定角保持指令、位置指令、软复位指令、开环锁轴指令；其中角速度控制指令用于控制cmg单机的目标角速度和角位置，确定闭环控制模式；闭环控制模式包括增量位置环和速度控制环、pid控制算法或自适应控制算法；方法还包括：获取地检设备向cmg单机转发的地检指令，包括开启地检发送指令和停止地检发送指令。

15、在一种可选的设计中，第四参数包括对速度跟随采样的终止角度、采样周期、控制周期、时间差、循环次数及循环使能；第五参数包括对位置跟随采样的终止角度、采样周期、控制周期、时间差、循环次数及循环使能；数据文件包括时间-速度-位置数据文件，时间-速度-位置数据文件包括excel、文本格式、xml格式、json格式或二进制格式；方法还包括：在将外部机动曲线下发至cmg单机的同时下发以下参数：速度、位置、推扫模式和框架电机角推扫。

16、在一种可选的设计中，方法还包括：显示多标签页；多标签页包括：星上数据页、地检数据页、图形显示页和姿态实时显示页；根据第一参数进行实时曲线绘制；第一参数包括运动参数、电气参数和/或热控参数；运动参数包括框架电机角度、框架电机转速和转子转速；通过三维图形引擎，根据框架电机角度、框架电机转速和转子转速实时计算并渲染cmg单机的三维姿态。

17、第三方面，本技术提供一种计算设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行所述存储器存储的程序，当所述存储器存储的程序被执行时，所述处理器用于执行如第一方面任意一项所述的方法。

18、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序在处理器上运行时，使得所述处理器执行如第一方面任意一项所述的方法。