基于CAN總線的主動(dòng)光學(xué)鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究*

肖心怡，張宗猛，楊德華，吳常鋮，金振宇

(1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650216)

隨著現(xiàn)代天文學(xué)的快速發(fā)展，主動(dòng)光學(xué)技術(shù)在保證望遠(yuǎn)鏡優(yōu)秀像質(zhì)的前提下，使制造大口徑天文望遠(yuǎn)鏡成為可能[1-2]。我國(guó)建造的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)采用主動(dòng)反射面技術(shù)，基于CAN總線實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)數(shù)據(jù)的接收與傳遞，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制位移促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)[3]。國(guó)家重大科學(xué)工程大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡(也叫郭守敬望遠(yuǎn)鏡, Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope, LAMOST)采用拼接鏡面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，基于以太網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)通信，采用集中分布式控制位移促動(dòng)器，調(diào)整鏡面位置[4]。

先進(jìn)地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡主鏡擬采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)8 m的觀測(cè)口徑。本文為先進(jìn)地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的主鏡位姿調(diào)整的預(yù)研需求，借鑒500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡和郭守敬望遠(yuǎn)鏡等鏡面主動(dòng)控制的成功經(jīng)驗(yàn)，研究了一種基于CAN總線的鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。首先針對(duì)主動(dòng)支撐樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)鏡面位姿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，解算位移促動(dòng)器輸出與鏡面位姿之間的關(guān)系，并根據(jù)工程應(yīng)用中的基本需求，給出基于步進(jìn)電機(jī)集成行星減速器的位移促動(dòng)器的控制指標(biāo)；構(gòu)建了分布式架構(gòu)的鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即單獨(dú)控制每個(gè)步進(jìn)電機(jī)，再由主控制器管理各個(gè)子控制器。具體來(lái)講，每個(gè)子控制器只需控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)、脈沖頻率、方向、啟停等狀態(tài)[5-7]；選用STM32設(shè)計(jì)1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和3個(gè)子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了位移促動(dòng)器的控制；選擇CAN總線通信技術(shù)進(jìn)行子控制器與主控制器的數(shù)據(jù)傳輸。這種基于CAN總線的分布式一對(duì)一的控制架構(gòu)有效減輕了主控制器的負(fù)擔(dān)，子模塊獨(dú)立性好，提高了位姿控制系統(tǒng)的靈活性。

1 鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)搭建

本文實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)700 mm口徑普通平板玻璃主動(dòng)支撐樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1(a))，具有9點(diǎn)軸向氣動(dòng)支撐及6桿式3自由度(Piston，Tip/Tilt)位姿主動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)[8]，并設(shè)有線性可變差動(dòng)變壓器(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)位移傳感器件。基于這一樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文研究的基于CAN總線的鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、重復(fù)性等測(cè)試，并對(duì)誤差進(jìn)行分析與校正。通過(guò)控制3個(gè)位移促動(dòng)器完成主鏡位姿驅(qū)動(dòng)，3個(gè)位移促動(dòng)器均勻分布在主鏡面上，其中位移促動(dòng)器分布半徑Rd=206 mm。3組位移促動(dòng)器及其二力桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主鏡3個(gè)自由度的主動(dòng)調(diào)節(jié)功能，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移促動(dòng)器的輸出位移，在位移促動(dòng)器上集成了一個(gè)位移傳感器線性可變差動(dòng)變壓器[9]，具體調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖1(b)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建Fig.1 Experimental set up system

1.1 鏡面運(yùn)動(dòng)學(xué)原理

從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度出發(fā)，將主鏡面的質(zhì)心設(shè)為原點(diǎn)，鏡面為xoy平面，光軸的方向?yàn)閦軸，建立如圖2的主鏡面位姿解算坐標(biāo)系。

圖2 鏡面位姿解算坐標(biāo)系Fig.2 Mirror coordinate system definition

主鏡的位姿調(diào)整是通過(guò)控制3個(gè)位移促動(dòng)器完成的，圖中d1，d2和d3分別為調(diào)整后位移促動(dòng)器的位置，Rd是3個(gè)位移傳感器所在圓環(huán)半徑。由3個(gè)位移促動(dòng)器輸出的位移量可以計(jì)算主鏡繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)Rx和繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)Ry以及沿z軸的平動(dòng)Z：

(1)

(2)

(3)

由(1)、(2)和(3)式可以得出Z，Rx，Ry與d1，d2，d3之間關(guān)系為

(4)

對(duì)(4)式反解可得出d1，d2，d3與Z，Rx，Ry之間的關(guān)系。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析理論公式(1)可知，當(dāng)d1與d3在同一水平位置保持不變時(shí)，Rx的輸出分辨率僅與d2有關(guān)，計(jì)算位移促動(dòng)器d2的最小分辨率為

(5)

同理，當(dāng)d2保持不變時(shí)，Ry的輸出分辨率與d1和d3有關(guān)，位移促動(dòng)器d1和d3的最小分辨率為

(6)

1.2 鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.2.1 基于CAN總線的位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

綜合考慮總線的信號(hào)線數(shù)、通信類型、支持多主方式、通信距離、通信速度以及允許的節(jié)點(diǎn)總數(shù)等因素，本文選擇CAN總線作為主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的通信。CAN是一種采用串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議完成控制與測(cè)試儀器之間數(shù)據(jù)交換的總線，可以支持實(shí)時(shí)控制和分布式控制。通信過(guò)程如圖3，包括微控制單元(Microcontroller Unit, MCU)，CAN控制器和CAN收發(fā)器[10]。MCU首先將報(bào)文發(fā)送給CAN控制器，CAN控制器將報(bào)文解析成邏輯信號(hào)，再發(fā)送給CAN收發(fā)器，最后通過(guò)CAN_H和CAN_L兩根總線將電信號(hào)傳輸?shù)紺AN總線，使用CAN通信不僅能夠減少硬件電路所需線束，還提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)在一定程度上節(jié)約了成本。

圖3 CAN節(jié)點(diǎn)通信原理圖Fig.3 Schematic diagram of CAN node communication

主鏡位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖4。系統(tǒng)由上位機(jī)、MCU模塊和下位機(jī)3部分組成。上位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)接收MCU模塊通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，與設(shè)定數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)而對(duì)位移促動(dòng)器的模式進(jìn)行設(shè)定，向MCU模塊發(fā)送控制命令，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和實(shí)時(shí)顯示；MCU模塊負(fù)責(zé)通過(guò)CAN總線接收下位機(jī)子節(jié)點(diǎn)的傳感器信號(hào)，傳遞給上位機(jī)系統(tǒng)，并將接收的上位機(jī)控制命令通過(guò)總線傳輸?shù)较鄳?yīng)的子節(jié)點(diǎn)；下位機(jī)主要負(fù)責(zé)把子節(jié)點(diǎn)采集的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)總線發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，并執(zhí)行促動(dòng)器控制命令。該系統(tǒng)具有傳輸速率快、兼容能力高、容錯(cuò)能力強(qiáng)及擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.4 System architecture

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括主節(jié)點(diǎn)的MCU模塊、CAN通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、子節(jié)點(diǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括測(cè)試界面設(shè)計(jì)，以及對(duì)以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行程序的編寫與調(diào)試，用于驗(yàn)證以太網(wǎng)通信能否實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)分為主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，主節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信功能及通過(guò)CAN總線與子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸；子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)CAN通信，完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制以及傳感器數(shù)據(jù)的采集。

1.2.2 位移促動(dòng)器-步進(jìn)電機(jī)的加減速特性設(shè)計(jì)

本文中位移促動(dòng)器的動(dòng)力元件是步進(jìn)電機(jī)，設(shè)計(jì)合理的步進(jìn)電機(jī)加減速特性來(lái)確保位移促動(dòng)器的平穩(wěn)運(yùn)行。利用控制脈沖個(gè)數(shù)控制角位移量，脈沖由微控制器定時(shí)器的PWM信號(hào)產(chǎn)生，將脈沖信號(hào)輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。位移促動(dòng)器的控制采用分布式架構(gòu)，因此要考慮對(duì)3組位移促動(dòng)器的協(xié)同控制。將3組位移促動(dòng)器分別運(yùn)動(dòng)200 μm，300 μm及500 μm，設(shè)置不同的頻率，得到3組位移促動(dòng)器運(yùn)行曲線如圖5。由圖5可知，由于3組位移促動(dòng)器同時(shí)運(yùn)動(dòng)，主鏡實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)本身造成位移促動(dòng)器d1方向的位移量較多，而位移促動(dòng)器d2，d3由于開環(huán)運(yùn)行產(chǎn)生丟步現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)閉環(huán)控制后3組位移促動(dòng)器在35 s時(shí)都到達(dá)了設(shè)定的目標(biāo)位置，即位移促動(dòng)器協(xié)同控制方法能夠滿足實(shí)際需求。

圖5 位移促動(dòng)器協(xié)同運(yùn)行曲線圖Fig.5 Synchronization of the three displacement actuators

2 鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

2.1 鏡面位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

參見圖1(a)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用激光位移傳感器和傾角儀測(cè)量主鏡的位姿狀態(tài)，用姿態(tài)角度傳感器檢測(cè)鏡面的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，用激光位移傳感器檢測(cè)主鏡在z軸方向的平動(dòng)位置[11]。采用圖6所示的位姿驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在不考慮電機(jī)細(xì)分的情況下，位移促動(dòng)器的最小分辨率的均方根誤差為0.1 μm；若主鏡傾斜調(diào)整Rx和Ry的基本輸出分辨率的均方根誤差為1″，根據(jù)(5)式和(6)式，位移促動(dòng)器d2的分辨率均方根誤差須達(dá)1.7 μm，位移促動(dòng)器d1和d3的分辨率均方根誤差須達(dá)1.8 μm。

圖6 位姿驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Fig.6 Mirror aligning test system

2.2 位移促動(dòng)器的性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)試位移促動(dòng)器的最小可控步長(zhǎng)來(lái)測(cè)量位移促動(dòng)器的校正能力。在5 kg負(fù)載下，將位移促動(dòng)器的控制器設(shè)置為無(wú)細(xì)分情況，連續(xù)給出相同步進(jìn)量(每次5步)，得到輸出最小校正能力測(cè)試曲線如圖7，根據(jù)圖7可知，位移促動(dòng)器在無(wú)細(xì)分情況下能實(shí)現(xiàn)最小步長(zhǎng)均方根誤差(位移分辨率)優(yōu)于1 μm。

圖7 位移分辨率曲線Fig.7 Test of displacement resolution

由位移促動(dòng)器中的線性可變差動(dòng)變壓器實(shí)時(shí)反饋位移促動(dòng)器的位置與目標(biāo)位置進(jìn)行比較，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)，完成位移促動(dòng)器閉環(huán)控制。閉環(huán)控制位移促動(dòng)器運(yùn)行10 μm，用線性可變差動(dòng)變壓器與激光位移傳感器同時(shí)記錄位移促動(dòng)器的運(yùn)行曲線，如圖8。由圖8可知，線性可變差動(dòng)變壓器與激光位移傳感器記錄位移促動(dòng)器閉環(huán)控制的實(shí)際位移量與目標(biāo)位置偏差的均方根誤差都在1 μm之內(nèi)，位移促動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)位移閉環(huán)輸出精度均方根誤差優(yōu)于1 μm。

圖8 位移促動(dòng)器閉環(huán)控制曲線Fig.8 Closed loop control of displacement actuator

2.3 鏡面位姿驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能測(cè)試

將主鏡位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的3組位移促動(dòng)器都調(diào)整到水平位置，靜止放置于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，利用傾角儀記錄系統(tǒng)的Rx與Ry的變化，激光位移傳感器記錄系統(tǒng)z軸方向的變化，得到Rx，Ry的穩(wěn)定性曲線如圖9(a)，z方向的穩(wěn)定性曲線如圖9(b)。由圖9可知，Rx與Ry的靜態(tài)均方根誤差不超過(guò) ± 0.2″，z軸方向靜態(tài)均方根誤差不超過(guò) ± 0.4 μm，系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。

圖9 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試Fig.9 Test of system stability

通過(guò)閉環(huán)控制對(duì)主鏡位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。調(diào)整3組位移促動(dòng)器的步進(jìn)位移量，讓每組位移促動(dòng)器分別移動(dòng)120 μm，200 μm及 -150 μm，往返執(zhí)行5次。利用激光位移傳感器同步測(cè)量系統(tǒng)z軸方向的位移，同樣利用傾角儀來(lái)測(cè)量Rx與Ry。圖10(a)為Rx的重復(fù)性曲線，圖10(b)為Ry的重復(fù)性曲線，圖10(c)為z軸方向的重復(fù)性曲線。

圖10 系統(tǒng)的重復(fù)性測(cè)試曲線Fig.10 Test of system repeatability

根據(jù)Rx，Ry重復(fù)性曲線圖可知，系統(tǒng)的重復(fù)均方根誤差為2″，z軸方向的重復(fù)性均方根誤差為3 μm。誤差是由系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境等因素造成，因此利用線性可變差動(dòng)變壓器對(duì)之進(jìn)行閉環(huán)校正。系統(tǒng)閉環(huán)校正后的繞x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線如圖11(a)，繞y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線如圖11(b)，繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線如圖11(c)。由校正后的曲線圖可知，Rx與Ry的穩(wěn)態(tài)均方根誤差優(yōu)于1″，z方向的穩(wěn)態(tài)均方根誤差在1 μm以內(nèi)。

圖11 鏡面位姿閉環(huán)調(diào)整測(cè)試Fig.11 Test of the mirror closed loop alignment

3 總 結(jié)

本文針對(duì)光學(xué)鏡面位姿主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套基于CAN總線通信技術(shù)的位姿驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用CAN總線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，建立分布式系統(tǒng)架構(gòu)控制位移促動(dòng)器內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)，完成系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于線性可變差動(dòng)變壓器位移閉環(huán)，位移促動(dòng)器的控制精度的均方根誤差達(dá)1 μm，Rx與Ry的穩(wěn)態(tài)均方根誤差都優(yōu)于1″，z方向的穩(wěn)態(tài)均方根誤差在1 μm以內(nèi)。本文采用CAN總線實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)光學(xué)鏡面3自由度位姿調(diào)整控制初步探索，為我國(guó)在研的先進(jìn)地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡主鏡支撐系統(tǒng)提供了技術(shù)儲(chǔ)備，也可用于其它主動(dòng)光學(xué)鏡面變形的力促動(dòng)器的分布式控制。