53 cm雙筒激光測距望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃濤+李祝蓮+張海濤+李語強(qiáng)+熊耀恒

摘 要： 研制53 cm雙筒激光測距望遠(yuǎn)鏡的快速平穩(wěn)伺服控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)快速空間目標(biāo)的跟蹤測量。模塊化設(shè)計(jì)并構(gòu)建望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)，伺服驅(qū)動器完成電流和速度的閉環(huán)，運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)位置環(huán)和復(fù)合PID算法。對控制機(jī)箱進(jìn)行集成，并對控制器進(jìn)行嵌入式開發(fā)，由控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的運(yùn)動控制，而上位機(jī)軟件進(jìn)行任務(wù)管理和人機(jī)交互。自定義通信協(xié)議以克服通信延時(shí)和VC++定時(shí)精度不高的問題，并提出位置二次閉環(huán)與混合PID的控制策略以提高望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該望遠(yuǎn)鏡在以3 （°）/s的勻速運(yùn)動和低軌衛(wèi)星跟蹤過程中，精度在5″內(nèi)；在低速運(yùn)動和中高軌衛(wèi)星的跟蹤中，能夠達(dá)到角秒量級的精度，經(jīng)測試該望遠(yuǎn)鏡能快速平穩(wěn)地跟蹤400 km以上空間目標(biāo)，并滿足指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞： 控制系統(tǒng)； 激光測距； 望遠(yuǎn)鏡； 位置二次閉環(huán)； 混合PID

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0001?07

Design and implementation for control system of 53 cm binocular laser ranging telescope

HUANG Tao1， 2， LI Zhu?lian1， ZHANG Hai?tao1， LI Yu?qiang1， XIONG Yao?heng1

（1. Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China；

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The rapid and steady control system of the 53 cm binocular laser ranging telescope is constructed to realize the tracking and measurement of fast space targets. The modularized control system of the telescope was designed， in which the closed?loops of current and velocity are achieved by the servo driver， and the composite PID algorithm and feedback of position are realized by the motion controller. The control case is integrated and the controller is embedded. The controller is arranged to take charge of the real?time motion control， while the task management and human?computer interaction are realized by the host computer. Additionally， the user?defined communication protocol is formulated to overcome the communication delay and low timing precision of VC++. The control strategies of the 2th position closed?loop and the mixture PID are proposed to improve the tracking precision of the telescope. Experimental results indicate that the telescope can satisfy the precision of 5″ at the uniform speed of 3（°）/s and in the tracking process of low orbit satellites. Meanwhile， it reaches the precision of arc?second scale in the tracking of medium and high orbit satellites. The telescope has been proved that it is able to realize the rapid and steady tracking of space targets which are beyond 400 km far from the ground station， and can satisfy the demand of the property index.

Keywords： control system； laser ranging； telescope； 2th position closed?loop； mixture PID

0 引 言

為了發(fā)展和拓寬空間目標(biāo)監(jiān)測的新技術(shù)方法和手段，中科院云南天文臺新建一臺53 cm收發(fā)分光路的雙筒激光測距[1]望遠(yuǎn)鏡，以解決現(xiàn)有的1.2 m收發(fā)共光路望遠(yuǎn)鏡[2]中的單光子探測器（Single?Photon Detector）[3?4]易受強(qiáng)激光后向散射影響的問題，并可聯(lián)合1.2 m望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的多角度多方位測量。此外53 cm激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡可為1.2 m望遠(yuǎn)鏡成像系統(tǒng)提供激光導(dǎo)引星[5]，可進(jìn)一步提高空間暗弱目標(biāo)的探測能力，而成像系統(tǒng)對空間目標(biāo)的可視性，在很大程度上也能提高衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。

衛(wèi)星激光測距的原理是通過精確測定激光脈沖在地面觀測站與衛(wèi)星之間的往返時(shí)間間隔，從而算出地面觀測站到衛(wèi)星的距離。自1997年美國航空航天局的John J. Degnan提出高重復(fù)率的激光測距[6]，kHz衛(wèi)星激光測距技術(shù)在近幾年迅速發(fā)展起來，它通過高測距頻率來增加觀測數(shù)據(jù)以提高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)精度。大型的激光測距望遠(yuǎn)鏡是集光機(jī)電于一體的綜合系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)是其重要組成部分，直接影響了望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度、激光光束的指向和數(shù)據(jù)的測量采集。對于低軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)應(yīng)具有較好的快速響應(yīng)能力；對于高軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)則應(yīng)具有較好的低速平穩(wěn)性。而伺服控制系統(tǒng)涉及到電力電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等多技術(shù)領(lǐng)域[7]。在驅(qū)動方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦傳動[8]，而VLT，Subaru等采用直接驅(qū)動[8]，國內(nèi)大型望遠(yuǎn)鏡一般采用控制簡單、低速穩(wěn)定性好的大功率直流力矩有刷電機(jī)。在主控單元的選擇中，普遍會采用高速的DSP、FPGA、工控機(jī)或?qū)Ｓ玫倪\(yùn)動控制器。集驅(qū)動、保護(hù)、功率轉(zhuǎn)換拓?fù)涞闹悄苄凸β誓K紛紛涌現(xiàn)，特別是集成智能功率模塊IPM逐漸成為了伺服驅(qū)動的優(yōu)選方案。在望遠(yuǎn)鏡的控制算法上，最普遍的是各種改進(jìn)的PID算法，如變結(jié)構(gòu)PID[9]、內(nèi)模PID[10]等，還有速度滯后補(bǔ)償、速度前饋、動態(tài)高型控制等都是常用的提高精度的方法[11]，另外模糊控制[12]、重復(fù)控制[13]、H～∞控制[14]和自抗擾控制[15]等也取得很好的控制效果。

云南天文臺自主研制53 cm雙筒kHz激光測距望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)，采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動的方式，使用圓光柵編碼器作為測量反饋元件，選用工控機(jī)和運(yùn)動控制器為主控單元，應(yīng)用位置二次閉環(huán)和帶前饋補(bǔ)償[16]等多種PID的控制算法，現(xiàn)已完成了控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和控制軟件的開發(fā)，并進(jìn)行了基本的調(diào)試和測試工作。1 控制系統(tǒng)的總體方案

1.1 53 cm激光測距望遠(yuǎn)鏡概述

53 cm kHz激光測距望遠(yuǎn)鏡主要由機(jī)械系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成，總重約4 200 kg。該望遠(yuǎn)鏡采用地平式結(jié)構(gòu)，機(jī)械部分主要由激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡筒、激光接收望遠(yuǎn)鏡主鏡筒、中間連接塊、高度軸系、方位軸系、方位底座和安全保護(hù)等組成。光學(xué)系統(tǒng)分激光發(fā)射光路和回波接收光路，發(fā)射光路采用反射式系統(tǒng)，激光經(jīng)過二次擴(kuò)束發(fā)射，接收光路采用RC系統(tǒng)，視場角0.5°，接收380～780 nm的光譜，通過半透半反分成兩路：一路為接收終端，一路為監(jiān)視終端。激光器采用Nd：YAG激光器，經(jīng)單脈沖選擇三級放大和晶體二次諧波倍頻后產(chǎn)生532 nm的激光。

接收器件要求高靈敏度和盡可能小的電子渡越時(shí)間，本系統(tǒng)選用制冷單光子雪崩二極管（C?SPAD），它具有量子效率高、輸出信號強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。為確保機(jī)架運(yùn)行的安全性，軸系上設(shè)置了三重限位保護(hù)，分別為軟件限位、電限位和機(jī)械限位，此三重限位依次順序起作用。控制系統(tǒng)由力矩電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器和工控機(jī)等組成。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

建立53 cm激光發(fā)射雙筒望遠(yuǎn)鏡的伺服控制系統(tǒng)，并與1.2 m望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合實(shí)現(xiàn)具有跟蹤測量快速空間目標(biāo)能力的多功能同步觀測系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)帶有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)反饋，并采用CCD圖像跟蹤的光電閉環(huán)得到目標(biāo)的實(shí)時(shí)脫靶量，以使該望遠(yuǎn)鏡能快速高精度跟蹤400 km以上的空間目標(biāo)，跟蹤精度需優(yōu)于10″。根據(jù)400 km以上空間目標(biāo)的運(yùn)動特性，為該望遠(yuǎn)鏡制定表1所示的指標(biāo)。

表1 控制系統(tǒng)的精度指標(biāo)

1.3 系統(tǒng)方案

圖1為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。相比于摩擦傳動，直接驅(qū)動具有高傳動剛度、少摩擦、易安裝調(diào)試和弱非線性特性等優(yōu)點(diǎn)[17]。故53 cm雙筒望遠(yuǎn)鏡的方位軸和高度軸都采用直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動的方式，解決了高低速比差問題，同時(shí)減少了機(jī)械傳動系統(tǒng)造成的傳動短周期誤差，得到較好的跟蹤平穩(wěn)性。為滿足測角分辨精度，測角元件使用了RENISHAW增量式編碼器，直徑為Φ255，分辨率為32.4″，經(jīng)200倍頻細(xì)分后分辨率可達(dá)0.162″，滿足指向及電修正分辨精度。主控制器選用工控機(jī)和運(yùn)動控制器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的-10～10 V的工業(yè)控制信號，通過伺服驅(qū)動器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，來驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡在高度軸和方位軸上的運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為達(dá)到精確穩(wěn)定控制，引入三環(huán)反饋和CCD圖像閉環(huán)[18?19]。位置反饋采用編碼器讀取位置值，速度反饋采用對位置信號差分的方法得到速度值，電流反饋采用電機(jī)內(nèi)部的電流傳感器自行完成。其中位置反饋為外反饋，進(jìn)入運(yùn)動控制器中運(yùn)算，經(jīng)過調(diào)節(jié)器輸出速度給定，同時(shí)位置信息傳送回工控機(jī)進(jìn)行決策和顯示，而速度反饋形成內(nèi)反饋，與給定的速度值進(jìn)行比較調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)電流。CCD圖像閉環(huán)采用CCD對空間目標(biāo)成像，送回工控機(jī)作圖像識別與跟蹤處理，實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)脫靶量，并傳送給控制系統(tǒng)，對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行跟蹤指向修正。對于空間目標(biāo)檢測，考慮夜空背景和衛(wèi)星的成像特性，先對數(shù)字圖像濾波增強(qiáng)，提高目標(biāo)與背景的對比度，再采用自適應(yīng)局部閾值分割，檢測出目標(biāo)，然后計(jì)算目標(biāo)的質(zhì)心，并得出質(zhì)心與視場中心的位置偏差。對于空間目標(biāo)跟蹤，既要保證目標(biāo)檢測與脫靶量傳送的實(shí)時(shí)性，還要設(shè)計(jì)目標(biāo)運(yùn)動軌跡的預(yù)測算法對脫靶量進(jìn)行滯后補(bǔ)償。同時(shí)需提高算法的抗干擾性，以防止高頻噪聲和其他天體等因素的影響。

控制算法主要采用經(jīng)典實(shí)用的PID控制。而在高速高精度的望遠(yuǎn)鏡控制中，傳統(tǒng)的PID具有非線性、時(shí)變不確定和控制精度有限等缺點(diǎn)，不能達(dá)到理想的控制效果，故考慮采用復(fù)合控制，即在閉環(huán)的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)輸入信號或擾動信號的前饋通路，這既不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還使系統(tǒng)近似等效為高階無差系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

同時(shí)本文還在復(fù)合PID的基礎(chǔ)上應(yīng)用多種PID，即混合PID算法，以進(jìn)一步提高該控制系統(tǒng)的跟蹤性能如圖2所示。