一种航天用液晶薄膜反射率控制方法及装置

1.本发明属于太阳帆航天器的姿态控制技术领域，具体涉及一种航天用液晶薄膜反射率控制方法及装置。


背景技术：

2.传统航天器一般采用耗散工质的推进器(如化推或电推)实现宇宙航行，执行长航时、远距离的深空远航任务时需要携带大量燃料，成本高，运载效率低。而太阳帆航天器利用太阳光压力作为驱动，是一种先进的无工质推进航天器，无需携带工质燃料，在执行深空探测等具有长航时、远距离特点的任务时具有显著的成本与载荷比优势。太阳帆航天器在执行深空探测任务时需要额外的力矩实现姿态调整或者飞轮卸载，但航天器所处深空环境的磁场微弱，无法像近地低轨卫星利用强地磁场进行姿态调整或者飞轮卸载。但可在太阳帆面边沿布置多块液晶薄膜，和帆面的高反射薄膜帆面一起构成复合液晶薄膜，通过反射率控制装置来调控液晶薄膜阵列所在位置的帆面反射率变化，从而获得光压调整力矩。
3.反射率控制装置利用液晶薄膜电场-光学作用特性，通过给液晶薄膜施加交变电场，控制液晶薄膜的透光率，进而控制复合液晶薄膜的反射率。此外，在控制复合液晶薄膜反射率时，若用直流或单向电压信号驱动，当电压达到一定值时，液晶内部会发生电化学反应，破坏其自身结构。久而久之，会导致液晶薄膜发黄发雾，透光效果大大打折扣，使用寿命严重缩短，所以实际使用时需要用正负交变控制信号来驱动液晶薄膜产生状态变化。太阳帆航天器的姿态控制或飞轮卸载可通过液晶薄膜反射率控制装置改变帆面的反射率实现。将液晶薄膜安装在太阳帆航天器的高反射薄膜帆面边沿，形成反射率可调的复合液晶薄膜，当太阳光照射在该液晶薄膜帆面上时，反射率控制装置可控制不同液晶薄膜的反射率在镜面反射和漫反射两种极限状态之间连续变化。右侧+x向的液晶薄膜处于断电状态，帆面反射率小，对应的光压推力f2也较小；而左侧-x向的液晶薄膜处于加电状态，帆面反射率大，对应光压推力f1较大。因此，反射率不同，作用在帆面两侧的太阳光压力大小f1和f2就不同，本实例中f1》f2，航天器可以获得y轴方向的一个调整力矩，用于实现姿态控制或飞轮卸载。为实现对液晶薄膜的透光率控制，当前商用隐私玻璃类产品主要通过交流变压器降压的方式，直接将220v市电降压到40～60v左右的交流电后供给液晶薄膜，并通过手动或光敏开关实现透明/模糊两种状态。此方式虽然结构简单，但适用的电源类型单一，控制调节能力弱，无法适用于太阳帆航天器的液晶薄膜反射率控制。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种航天用液晶薄膜反射率控制方法及装置，本发明能够解决采用直流或单向电压驱动时导致液晶薄膜内部会发生电化学反应破坏自身结构所导致的液晶薄膜发黄发雾、透光效果劣化、使用寿命严重缩短的问题，能够有效提升航天用液晶薄膜的使用寿命。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种航天用液晶薄膜反射率控制方法，包括：
7.s101，生成交变控制信号；
8.s102，通过交变控制信号驱动液晶薄膜以调节航天用液晶薄膜的反射率，且所述交变控制信号在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等。
9.可选地，步骤s102中通过交变控制信号驱动液晶薄膜以调节航天用液晶薄膜的反射率时，所述交变控制信号每一个周期内在液晶薄膜上加载的正向驱动电压和反向驱动电压均包含多个调制生成的载波信号，且所述载波信号的调制参数与航天用液晶薄膜的反射率相对应以控制航天用液晶薄膜的反射率大小。
10.可选地，所述载波信号的调制参数包括波形、频率、电压、占空比以及功率参数中的至少一项。
11.可选地，步骤s101中生成交变控制信号包括：
12.s201，根据所需反射率的调制参数生成与交变控制信号的半周期相同的控制信号；
13.s202，对控制信号进行差分驱动，得到在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等的交变控制信号。
14.可选地，步骤s201中的控制信号是指半周期pwm方波信号，所述半周期pwm方波信号内包含多个被调制的方波信号，且方波信号的调制参数与控制航天用液晶薄膜的反射率相对应。
15.可选地，步骤s202中对控制信号进行差分驱动包括：通过定时器定时产生触发中断，在定时器产生触发中断时将电桥驱动电路的两个输出端口的输出状态进行切换，使得一个输出端口从输出放大后的半周期pwm方波信号切换为输出低电平、另一个输出端口从输出低电平切换为输出放大后的半周期pwm方波信号，从而在电桥驱动电路的输出端前半周期输出正向驱动电压、后半周期输出负向驱动电压，如此循环，进而在输出端输出交变控制信号。
16.可选地，步骤s201中还包括接收带有调制参数的数据包的步骤，且在开始接收带有调制参数的数据包时设置标志位、在完成接收带有调制参数的数据包后并将标志位设置为已完成，并在标志位设置为已完成时通过触发中断信号调用中断处理函数解析数据包，并将数据包中包含调制参数更新步骤s201中生成与交变控制信号的半周期相同的控制信号所需的调制参数。
17.此外，本发明还提供一种用于应用所述的航天用液晶薄膜反射率控制方法的航天用液晶薄膜反射率控制装置，包括：信号发生模块，用于根据所需反射率的调制参数生成与交变控制信号的半周期时长相同的控制信号；差分驱动模块，用于对控制信号进行差分驱动，得到在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等的交变控制信号；所述信号发生模块的输出端与差分驱动模块相连，所述差分驱动模块的输出端与航天用液晶薄膜的电源端相连。
18.可选地，所述信号发生模块包括电源变换模块、微控制器、显示模块和串口通信模块，所述电源变换模块的输入端用于输入28v直流电源，所述微控制器分别与电源变换模块、显示模块、串口通信模块以及差分驱动模块相连。
19.可选地，所述差分驱动模块包括一个或多个电桥驱动电路，所述电桥驱动电路的电源端用于输入28v直流电源，所述电桥驱动电路的输入端与微控制器的输出端相连，所述电桥驱动电路的输出端与航天用液晶薄膜的功率驱动电路相连。
20.和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明通过交变控制信号驱动液晶薄膜以调节航天用液晶薄膜的反射率，且交变控制信号在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等，能够解决采用直流或单向电压驱动时导致液晶薄膜内部会发生电化学反应破坏自身结构所导致的液晶薄膜发黄发雾、透光效果劣化、使用寿命严重缩短的问题，能够有效提升航天用液晶薄膜的使用寿命。
附图说明
21.图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
22.图2为本发明实施例生成交变控制信号的原理示意图。
23.图3为本发明实施例中半周期pwm调制原理示意图。
24.图4为本发明实施例中反射率控制的软件流程。
25.图5为本发明实施例中反射率控制装置的结构示意图。
26.图6为本发明实施例中反射率控制装置的核心模块结构示意图。
27.图7为本发明实施例中电桥驱动电路的电路原理图。
28.图8为本发明实施例中半周期pwm占空比为10％波形图。
29.图9为本发明实施例中半周期pwm占空比为50％波形图。
30.图10为本发明实施例中半周期pwm占空比为100％波形图。
31.图11为本发明实施例中的实测占空比-反射光强曲线对比示意图。
32.图例说明：1、信号发生模块；11、电源变换模块；12、微控制器；13、显示模块；14、串口通信模块；2、差分驱动模块。
具体实施方式
33.如图1所示，本实施例航天用液晶薄膜反射率控制方法包括：
34.s101，生成交变控制信号；
35.s102，通过交变控制信号驱动液晶薄膜以调节航天用液晶薄膜的反射率，且交变控制信号在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等，从而能够解决采用直流或单向电压驱动时导致液晶薄膜内部会发生电化学反应破坏自身结构所导致的液晶薄膜发黄发雾、透光效果劣化、使用寿命严重缩短的问题，能够有效提升航天用液晶薄膜的使用寿命。
36.本实施例中，步骤s102中通过交变控制信号驱动液晶薄膜以调节航天用液晶薄膜的反射率时，交变控制信号每一个周期内在液晶薄膜上加载的正向驱动电压和反向驱动电压均包含多个调制生成的载波信号，且所述载波信号的调制参数与航天用液晶薄膜的反射率相对应以控制航天用液晶薄膜的反射率大小，从而可实现对航天用液晶薄膜的反射率的连续可调。
37.本实施例中，载波信号的调制参数包括波形、频率、电压、占空比以及功率参数中的至少一项，可根据需要选择其中的部分或全部调制参数来进行调制以提高控制效率。而
且，本实施例中通过试验优选了适合航天工程应用的控制参数和控制方式：一是通过方波、正弦波、三角波等多种波形的对比试验，优选方波控制信作为基频控制信号，控制效率更高，更利于通过pwm控制实现占空比调节，间接实现反射率的调节控制等；二是对比试验后优选基频控制信号的工作频率为50hz,占空比50％，该配置能兼顾电磁兼容性、驱动功率与液晶薄膜的寿命，微控制器的运算和控制任务适中；三是选定驱动电源的额定电压为28v，可直接使用航天器母线电源驱动，无需电源转换，既能满足控制需求，又能减小能耗和重量，提高设备与人员安全；四是将单通道驱动功率配置为5w，既能满足液晶薄膜的驱动需要，也有利于驱动电路的小型化和低功率化设计；五是选定pwm控制实现反射率的调整控制方式，而非常见的电压调整方式，前者实现更简单，控制灵活，控制效果更稳定。
38.如图2所示，本实施例步骤s101中生成交变控制信号包括：
39.s201，根据所需反射率的调制参数生成与交变控制信号的半周期相同的控制信号；
40.s202，对控制信号进行差分驱动，得到在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等的交变控制信号。
41.如图3所示，本实施例步骤s201中的控制信号是指半周期pwm方波信号(图中具体选择电压幅值为5v)，半周期pwm方波信号内包含多个被调制的方波信号，且方波信号的调制参数与控制航天用液晶薄膜的反射率相对应。图2中，液晶薄膜表面附近的箭头，分别表示入射光和反射光，不同的反射率下，反射光与入射光的强度比值不同。最终，交变控制信号为正负28v的交变控制信号。
42.如图3和图4所示，本实施例步骤s202中对控制信号进行差分驱动包括：通过定时器定时产生触发中断，在定时器(本实施例中为10ms触发一次)产生触发中断时将电桥驱动电路(本实施例中具体采用h型电桥驱动器)的两个输出端口的输出状态进行切换，使得一个输出端口从输出放大后的半周期pwm方波信号切换为输出低电平、另一个输出端口从输出低电平切换为输出放大后的半周期pwm方波信号，从而在电桥驱动电路的输出端前半周期输出正向驱动电压、后半周期输出负向驱动电压，如此循环，进而在输出端输出交变控制信号。本实施例中，电桥驱动电路的端口a和b分别作为两个输入端(引脚数量各为1)，端口c作为输出端(引脚数量为2)，输入端1(端口a)在前半周期输出pwm方波信号、后半周期输出低电平；输入端2(端口b)在前半周期输出低电平、后半周期输出pwm方波信号，从而可以组合输出交变控制信号。
43.如图4所示，本实施例步骤s201中还包括接收带有调制参数的数据包的步骤，且在开始接收带有调制参数的数据包时设置标志位、在完成接收带有调制参数的数据包后并将标志位设置为已完成，并在标志位设置为已完成时通过触发中断信号调用中断处理函数解析数据包，并将数据包中包含调制参数更新步骤s201中生成与交变控制信号的半周期相同的控制信号所需的调制参数，从而可通过上位机方便调节调制参数，以满足反射率的实时调节要求。改变调制参数，即可得到不同交变控制信号，以满足反射率的调节需要。
44.本实施例中反射率控制装置的内嵌软件流程如图4所示。主要由程序初始化单元、串口接收中断单元、数据处理单元、定时器中断单元、半周期pwm控制量输出单元等构成，程序运行流程为：步骤1：对程序的变量定义、函数声明、标志位、波特率设置等完成初始化动作，进入主程序。步骤2：判断由串口接收中断单元所赋值的接收标志位状态是否完成，即是
否接收到一个完整的数据包：“是”则执行数据处理单元函数，对接收的指令进行数据包解析，更新各通道pwm参数并返回执行结果指令给上位机，同时复位接收标志；“否”则进入下一步。步骤3：判断由定时器中断单元每隔10ms一次所产生的触发状态是否有效，“是”则翻转输出状态，如io_a输出pwm,io_b输出低电平；“否”则保持状态，如io_a输出低电平,io_b输出pwm。步骤4：返回步骤2，以循环执行步骤2、步骤3。
45.如图5所示，本实施例还提供一种用于应用的航天用液晶薄膜反射率控制方法的航天用液晶薄膜反射率控制装置，包括：信号发生模块1，用于根据所需反射率的调制参数生成与交变控制信号的半周期时长相同的控制信号；差分驱动模块2，用于对控制信号进行差分驱动，得到在液晶薄膜上加载正向驱动电压的有效时间和反向驱动电压的有效时间相等的交变控制信号；信号发生模块1的输出端与差分驱动模块2相连，差分驱动模块2的输出端与航天用液晶薄膜的电源端相连，上述电路结构简单紧凑，集成度高，能耗低，可满足太阳帆航天器对体积、功耗、质量和可靠性的特殊要求。
46.如图5所示，信号发生模块1包括电源变换模块11、微控制器12、显示模块13和串口通信模块14，电源变换模块11的输入端用于输入28v直流电源，微控制器12分别与电源变换模块11、显示模块13、串口通信模块14以及差分驱动模块2相连。
47.差分驱动模块2可根据需要包括一个或多个电桥驱动电路，电桥驱动电路的电源端用于输入28v直流电源，电桥驱动电路的输入端与微控制器12的输出端相连，电桥驱动电路的输出端与航天用液晶薄膜的功率驱动电路相连。参见图8，本实施例中差分驱动模块2包括多个电桥驱动电路(drv8871)，以用于实现对多块航天用液晶薄膜的多通道控制。
48.如图6所示，本实施例中的微控制器12具体采用型号为atemega2560的mcu实现，该mcu具有丰富pwm控制资源，且采用两路引脚控制每一个电桥驱动电路的输入端(in1和in2)，每一个电桥驱动电路的输出端包含两个输出引脚(out1和out2)，分别与航天用液晶薄膜的功率驱动电路相连，实现了6个液晶薄膜反射率控制通道，最多可扩展实现多达25个控制通道，每个通道都可以独立调节反射率。通过利用微控制器12内置的pwm调节功能，通过参数配置即可实现各通道半周期内占空比参数的调节，最终实现相应通道的薄膜液晶反射率步进调节功能。微控制器12运行的控制程序可自动/被动调节控制信号的占空比，达到步进调节液晶薄膜反射率的目的，利用微控制器12具有多路pwm功能的io端口的特征，采用相同的配置和驱动方法，可实现液晶薄膜的多通道控制目的。
49.如图7所示，电桥驱动电路具体选用ti公司的dvr8871芯片，其采用低内阻的mos管，集成度高，体积小，功耗低，工作电压宽，外围电路需求少，控制性能优越，适合多通道设计。每一个电桥驱动电路(drv8871)的5号引脚连接+28v电源并通过多个滤波电容(c1～c6)接地，6号引脚和8号引脚分别作为两个输出引脚(out1和out2)，分别与航天用液晶薄膜的功率驱动电路相连，整个控制回路无感性原件，可有效减少系统的电磁干扰。直接用+28v母线电压供电，利用电桥驱动电路(drv8871)搭建放大驱动电路，将0～5v的交变控制信号放大，并差分输出最大幅值为-28v/+28v的交变控制方波信号，以驱动各个通道的液晶薄膜。本实施例采用pwm调节基频控制信号半周期内有效驱动信号的占空比，实现液晶薄膜反射率的连续调节功能。具体包括：(1)选用具有多路pwm控制io端口的微处理器构建信号发生模块；(2)在信号发生时，将微控制器12的两个具备pwm控制功能的io端口配置为一组控制通道，通过内嵌定时器控制，以50hz的频率交替输出方波形式的基频控制信号；(3)在基频
控制信号的正半周期内或者负半周期内，对io端口进行pwm控制参数配置，进一步实现半周期内工作信号的占空比调节。
50.本实施例中，反射率控制装置多通道控制指令通信协议如表1所示，用于给遥控指令组包与遥测参数解析提供参考。
51.表1：多通道控制指令通信协。
[0052][0053]
参见表1，遥控/遥测数据包协议依次由包头、操作码、长度、内容、校验和包尾6个字段组成，具体定义为：
[0054]
a)包头：固定码，0xeb90，用于数据包起始位的标志。
[0055]
b)操作码：包类别字，用于判断该数据包的属性，1个字节。
[0056]
c)长度：内容字段的总长度，用于变长指令的数据提取，2个字节。
[0057]
d)内容：指令的主要内容，即用于执行的数据包内容。
[0058]
e)校验：内容字段的和运算，取低八位，用于判断数据包的正确性，1个字节。
[0059]
f)包尾：固定码，0xdd43，用于数据包终止位的标志。
[0060]
指令类别包括遥控和遥测两种，遥控指令指由地面测控系统上行发送至反射率控制装置的设定或控制指令包；遥测指令指由反射率控制装置下行发送至地面测控系统端的返回结果数据包。本实施例中，遥控指令包括：全通道参数设置，单通道参数设置2条指令。a)全通道参数设置：同步设置全部通道的输出值，内容为：w0＝通道1参数，w1＝通道2参数
…
，wn＝通道n+1参数,参数范围0-255(对标0％-100％的输出量)。b)单通道参数设置：单独设置指定通道输出值，内容为：w0＝通道编号,最大255，序号从1开始；w1＝参数值，0-255(对标0％-100％的输出量)。本实施例中，遥测指令包括：全/单通道参数设置结果返回与指令错误代码返回3条指令。a)全/单通道参数设置结果返回：返回执行结果状态(1个字节)，内容为：0xaa：成功，0x55：失败。b)指令错误代码返回：报错机制，当下位机检测到与本通信协议不符合时，会返回错误代码指令(1个字节)，内容为：0x01：crc错误，0x02：长度不对。由于采用变长字段，系统可最大支持255通道同时控制，且控制量分辨力设计为255，能满足所
有液晶薄膜矩阵的同步高精度控制。
[0061]
本实施例中具体采用了6路反射率控制通道，微控制器mega2560最多支持25路控制通道，该控制装置共设计了6路，保留了19个通道资源作为的备用。其中使用的6个通道对应芯片引脚依次为：1,5，6,7，15,16，17,24，25,26，39,40；保留的19个通道对应的端口引脚为：12，13，18，19，20，23，35-38，41-46，50-60，63；64，70-78。以控制通道1为例，其工作原理为：微控制器的引脚1、引脚5两个io端口配置为一组，定时器中断程序以10ms为间隔触发此组端口轮流输出占空比可调的两组pwm脉冲信号，从而生成工作频率为50hz的基频控制信号，控制信号的半周期为10ms；利用h型电桥驱动芯片drv8871进行放大并差分输出，产生-28v/+28v的交变信号，以驱动该通道的液晶薄膜；通过软件调节pwm的占空比，达到步进调节液晶薄膜反射率的目的。控制装置共设计6路dvr8871驱动电路，每个单元的drv8871的2，3脚为控制输入端；6，8脚为输出端；4脚接等效值30.2kω取样电阻；5脚vcc,1脚gnd。为提高航天产品的可靠性，外围电路依据航天标准进行设计与布局，如退耦滤波电容采用2串2并的方式设计，能有效避免单个电容击穿而导致整个电路失效；如电阻采用并联方式，可减小单个电阻的工作电流，延长电阻寿命。
[0062]
本实施例的关键技术为半周期pwm控制方式，在达到反射率调节的同时，还能严格控制正半周期和负半周期的有效驱动时间近似相等。微控制器两个具备pwm功能的io端口配置为一组，以50hz频率轮流输出占空比可调的pwm脉冲信号，利用h桥驱动芯片进行放大，并差分输出大幅值的交变控制信号，以驱动液晶薄膜。半周期pwm控制方式由2个类型的周期信号构成，一是输出交变信号的切换周期为20ms，对应50hz的基频控制信号，二是半周期中调节rms值的pwm信号周期1ms(对应1khz的pwm调制信号)，采用此周期时长是为了适配h桥驱动单元的调节性能。周期切换控制时序逻辑如下：当输入端口a为高电平或pwm信号，输入端口b为低电平时，输出端口c为正半周输出；当输入端口a为低电平，输入端口b为高电平或pwm信号时，输出端口c为负半周输出。为防止正向驱动电压和反向驱动电压加载的有效时间不一致，进而导致薄膜液晶产生电化学反应而加速老化，应在控制中确保正半周期和负半周期的占空比参数配置为一致。依据上述理论设计出液晶薄膜反射率控制装置，实测通过软件调节pwm的占空比，能达到液晶薄膜反射率步进调节的效果，如图8、图9以及图10所示为pwm占空比为10％，50％，100％时交变控制信号输出的实测波形图，参见图8～图10可见，波形幅值电压满足，振幅一致，频率稳定，无明显毛刺，符合液晶薄膜控制需求。
[0063]
本实施例的航天用液晶薄膜反射率控制装置具备6个独立的反射率控制通道，采用usb/rs-232接口与上位机通信，将研制的反射率控制装置接入地面的反射率测试试验系统中，通过上位机发送连续调节占空比的控制指令，控制对应的反射率控制装置调整驱动波形的占空比，并采用高精度的光强采集模块采集反射光强，可得到占空比-反射光强曲线，如图11所示。该曲线表明复合液晶薄膜的反射光强度随占空比提高而变强，10％-70％变化率最大，70％-100％变化率逐渐减小，而未贴液晶薄膜的反射强度在稳定的光源系统下始终维持在2700lux，因此可调反射率范围在14.8％-85.1％之间。通过测试，该装置可以调控不同数量、不同组合的液晶薄膜的反光率状态，且每一个通道的液晶薄膜的反射率可以实现连续调控。
[0064]
此外，本实施例还提供一种太阳帆航天器，包括相互连接的太阳帆和航天器本体，太阳帆上设有航天用液晶薄膜，航天器本体中设有前述的航天用液晶薄膜反射率控制装
置，且航天用液晶薄膜反射率控制装置的输出端与航天用液晶薄膜的功率驱动电路相连。
[0065]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。