CN103309363B

CN103309363B - 一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法

Info

Publication number: CN103309363B
Application number: CN201310254033.4A
Authority: CN
Inventors: 田大鹏; 王德江
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2033-06-24
Also published as: CN103309363A

Abstract

一种用于扫描成像***消除像旋转的伺服控制方法，涉及成像技术领域。解决现有采用机械联动，或电机伺服结合机械联动的方法消除像旋，导致传动精度低，或者采用电机伺服驱动，但同时存在难以实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动的问题，单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令，分别对扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的转动进行控制；力矩估计器分别估计单电机指令跟踪控制器作用在电机轴系上的等效驱动力矩，为四通道双向控制器提供力矩信息。所述四通道双向控制器通过扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机这两套伺服***之间的位置/力矩混合控制实现二者的电气联动。本发明提高了电机伺服消旋***中扫描镜与消旋机构之间的协同运动性能。

Description

一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法

技术领域

本发明涉及一种消除扫描成像***像旋转的运动控制方法，属于成像技术领域。

背景技术

在成像***中，光学镜头的视场限制了成像范围。采用横向扫描的方式是扩大成像***覆盖范围的有效途径。为减小扫描机构的转动惯量，通常在镜头前加装45°扫描镜，通过控制扫描镜旋转实现横向扫描。但扫描镜旋转会造成目标景物的影像在像平面上产生旋转。为保证扫描成像的图像完整性，必须设计高精度消像旋***。

为消除像旋，常采用消旋棱镜与45°扫描镜配合，使消旋棱镜的转角保持为45°扫描镜转角的一半；另一种方法是不使用消旋棱镜而直接转动CCD或CMOS等成像组件，使成像组件的角位置与角速度与扫描镜扫描运动同步从而消除像旋。目前，实现消旋棱镜或成像组件与45°扫描镜协同运动多采用机械联动，或电机伺服结合机械联动的方法。机械联动方法是利用齿轮、摩擦轮、槽轮加钢索传动的形式，使消旋棱镜或成像组件随45°扫描镜转动。但这种方法导致相机的轴系尺寸较大，在实际应用上有很大的局限性。并且，联动机构还存在空回、打滑、钢索松弛等问题，传动精度难以得到保障，并且需要经常进行维护。

电机伺服方法是将45°扫描镜、消旋棱镜或成像组件分别用电机伺服***驱动，在扫描镜旋转时，将相同的转动指令乘以一定比例发送给消旋棱镜或成像组件伺服***。这种方法的突出优点是机械设计简单，不需要增加机械轴系，体积小、重量轻，特别适合航空航天相机等对体积重量要求很高的场合。但由于不同的伺服***其转动惯量、受到的摩擦力矩和外界扰动并不完全相同，很难实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动。因此，在实际应用中仍在电机伺服***之间加入联动机构来提高扫描镜和消旋机构之间协同转动的精度，从而无法充分发挥电机伺服消旋方法的优势。

发明内容

本发明为解决现有采用机械联动，或电机伺服结合机械联动的方法消除像旋，导致传动精度低，或者采用电机伺服驱动，但同时存在难以实现扫描镜与消旋机构的严格协同运动的问题，提供一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法。

一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法，包括单电机指令跟踪控制器A、单电机指令跟踪控制器B、两个等效力矩估计器和四通道双向控制器，所述单电机指令跟踪控制器A和单电机指令跟踪控制器B分别用于扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机对指令的跟踪；所述等效力矩估计器为四通道双向控制器的计算提供力矩信息；所述四通道双向控制器用于协调扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的转动；具体方法为：

步骤一、根据扫描镜转动指令，分别获得扫描镜伺服电机的角位置信息θ₁和角速度信息以及消旋机构伺服电机的角位置信息θ₂、角速度信息然后将消旋机构伺服电机的角位置信息乘以比例系数a后与扫描镜伺服电机的角位置信息作差，获得位置差值aθ₂-θ₁；将扫描镜伺服电机角位置信息乘以比例系数1/a后与消旋机构伺服电机的角位置信息作差，获得位置差值θ₁/a-θ₂；将扫描镜伺服电机的角速度信息和消旋机构伺服电机的角速信息计算速度信息差和

{\overset{\cdot}{θ}}_{1} / a - {\overset{\cdot}{θ}}_{2};

步骤二、单电机指令跟踪控制器A根据扫描镜转动指令与扫描镜伺服电机的角位置信息的差，获得扫描镜伺服电机的指令跟踪控制量u_c1；单电机指令跟踪控制器B根据所述扫描镜转动指令与乘以比例系数a的消旋机构伺服电机的角位置信息的差，获得消旋机构伺服电机的指令跟踪控制量u_c2；

步骤三、计算扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的等效力矩估计值；

具体过程为：将步骤一获得的扫描镜伺服电机的角位置信息θ₁经等效力矩估计器内的标准电机逆模型与低通滤波器乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1相减所得的差值作为扫描镜伺服电机上的等效力矩估计器的输出值；根据步骤一获得的消旋机构伺服电机的角位置信息θ₂经等效力矩估计器内的标准电机逆模型与低通滤波器乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2相减所得的差值作为消旋机构伺服电机上的等效力矩估计器的输出值；

步骤四、将步骤一获得的位置差值aθ₂-θ₁和θ₁/a-θ₂与步骤三获得的扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的等效力矩估计值重新计算扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1和消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2；

步骤五、将步骤二获得的扫描镜伺服电机的指令跟踪控制量u_c1和消旋机构伺服电机的指令跟踪控制量u_c2分别与步骤四获得的扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1和消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2叠加，叠加后的输出值作用在相应的电机上。

本发明的有益效果：

一、本发明无需机械联动机构的辅助，实现机械传动完全隔离的扫描镜伺服***与消旋机构伺服***之间严格的协同运动。不仅能减小扫描成像***的体积、重量，还能有效避免机械联动方法中存在的空回、打滑、柔性传动元件松弛等问题，有效提高整个扫描成像***的可维护性。

二、本发明采用双向控制思想，相比现有的对扫描镜和消旋伺服***分别进行指令跟踪控制的方法在两套电机伺服***协同性方面具有突出的优势。本发明能够有效保证具有不同转动惯量、受到不同摩擦力矩、外界扰动影响的扫描镜和消旋机构伺服***运动的协调性，提高消除像旋的精度。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法的算法原理图；

图2为本发明所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法中等效力矩估计原理框图；

图3为本发明所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法的硬件结构示意图；

图4为本发明所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法的软件的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法中的成像***的45°扫描镜由一套电机伺服***驱动，称为扫描镜伺服电机；消旋棱镜或成像组件由另一套电机伺服***驱动，称为消旋机构伺服电机；两者之间不存在机械连接，由四通道双向控制器，即一种双向控制算法实现两套伺服***的协同运动。

具体包括：两个单电机指令跟踪控制器、两个等效力矩估计器、以及四通道双向控制器中的位置控制器；作用在扫描镜伺服电机的单电机指令跟踪控制器A接收扫描镜转动指令，控制45°扫描镜按照指令规划的角位置或角速度转动；作用在消旋机构伺服电机上的单电机指令跟踪控制器B接收相同的扫描镜转动指令，控制消旋机构伺服电机按照与扫描镜转动指令成一定比例转动。

两个等效力矩估计器分别针对扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机设计，分别实现对驱动两台电机转动的等效力矩的估计，为四通道双向控制器提供力矩信息。四通道双向控制器将两套电机伺服***在控制层面上连接为一个整体，使二者的转动角度、角速度完全一致，或呈一定比例；从而使与扫描镜之间无机械联动的成像组件或消旋棱镜的运动满足消像旋的要求。

所述的四通道双向控制器包括：从扫描镜伺服电机发出到达消旋机构伺服电机的位置通道；从扫描镜伺服电机上的等效力矩估计器发出到达消旋机构的伺服电机的力矩通道；从消旋机构伺服电机发出到达扫描镜伺服电机的位置通道；从消旋机构上的等效力矩估计器发出到达扫描镜伺服电机的力矩通道；以及四通道双向控制器下的位置控制器。

结合图1说明本实施方式，所述扫描镜伺服电机的等效转动惯量和阻尼参数J₁、B₁与消旋机构伺服电机的等效转动惯量和阻尼参数J₂、B₂之间可以存在差别。单电机指令跟踪控制器A和单电机指令跟踪控制器B为分别针对两套独立的伺服***设计的位置/速度跟踪控制器，实现的是扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机对某期望运动指令（扫描镜转动指令）的跟踪。两个单电机指令跟踪控制器采用超前滞后网络校正，得到两台电机的指令跟踪控制量u_c1和u_c2。设成像***的扫描镜转动指令为r，两台电机的转角分别为θ₁和θ₂，则两台电机的单电机指令跟踪控制器计算控制量u_c1和u_c2的过程分别为：u_c1=(r-θ₁)(τ₁₁s+1)(τ₂₁s+1)/[(T₁₁s+1)(T₂₁s+1)]和u_c2=(r-aθ₂)(τ₁₂s+1)(τ₂₂s+1)/[(T₁₂s+1)(T₂₂s+1)]，其中s为拉普拉斯算子，T₁₁>τ₁₁>τ₂₁>T₂₁为扫描镜伺服***的超前滞后网络参数，T₁₂>τ₁₂>τ₂₂>T₂₂为消旋机构伺服***的超前滞后网络参数。图1中，双向控制器中的位置控制器C_p(s)为比例微分控制器，用于协调扫描镜伺服电机和消旋机构电机的转动；等效干扰d1和d2分别为作用在扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机上的等效干扰，该等效干扰包括电机所受到的外界摩擦力矩、扰动力矩、电机实际模型与图中所示的模型不匹配的因素。

结合图2说明本实施方式，等效力矩估计器是将作用在电机上的控制力矩（由单电机控制器产生）克服等效干扰以及参数不匹配引起的惯性力矩和阻尼力矩后的剩余量估计出来。两台电机的力矩估计器采用相同的参数J和B，该组参数描述的是一标准电机模型。因此两台电机均存在实际的等效惯量和阻尼与算法采用参数之间的偏差ΔJ₁=J₁-J，ΔJ₂=J₂-J，ΔB₁=B₁-B,ΔB₂=B₂-B。其中，低通滤波器为g²/(s²+2gs+g²)，参数g越大则截止频率越高。在低频域，低通滤波器可视为增益为1的比例环节。则两台等效力矩估计器的输出分别为：

u_{cl} + d_{1} - Δ J_{1} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{1} - Δ B_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1}

和

u_{c 2} + d_{2} - Δ J_{2} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{2} - Δ B_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} .

所述四通道双向控制器利用扫描镜伺服电机以及消旋机构伺服电机的角位置信息和力矩信息实现二者运动的协调一致（按照一定比例a运动，a的确定根据具体消旋方案确定，如消旋机构伺服电机驱动的是消旋棱镜，则a为2；如消旋机构伺服电机驱动的是CCD或CMOS等成像组件，则a为1）。在四通道双向控制器中存在两条位置通道和两条力矩通道，分别为扫描镜伺服电机向消旋机构电机提供的角位置信息、消旋机构伺服电机向扫描镜电机提供的角位置信息、扫描镜伺服电机向消旋机构伺服电机提供的力矩信息、以及消旋机构伺服电机向扫描镜伺服电机提供的力矩信息。

四通道双向控制器下有位置控制器，根据扫描镜伺服电机与消旋机构伺服电机之间的角位置以及角速度信息之差计算出相应的位置控制量。该控制器采用比例微分形式，比例增益和微分增益分别设为K_p和K_d。则在四通道双向控制的作用下，扫描镜伺服***与消旋机构伺服***的动力学特性分别为：

J {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{1} + Δ J_{1} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{1} + B {\overset{\cdot}{θ}}_{1} + Δ B_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1} = K_{p} (a θ_{2} - θ_{1}) + K_{d} (a {\overset{\cdot}{θ}}_{2} - {\overset{\cdot}{θ}}_{1}) + a (u_{c 2} + d_{2} - Δ J_{2} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{2} - Δ B_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2}) + u_{c 1} + d_{1}

{J \overset{\cdot \cdot}{θ}}_{2} + Δ J_{2} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{2} + {B \overset{\cdot}{θ}}_{2} + Δ B_{2} {\overset{\cdot}{θ}}_{2} = K_{p} (\frac{θ_{1}}{a} - θ_{2}) + K_{d} (\frac{{\overset{\cdot}{θ}}_{1}}{a} - {\overset{\cdot}{θ}}_{2}) + \frac{u_{cl} + d_{1} - Δ J_{1} {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{1} - Δ B_{1} {\overset{\cdot}{θ}}_{1}}{a} + u_{c 2} + d_{2}

则在四通道双向控制下，上述两个动力学方程的左右两端分别相减可得：

J ({\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{1} - a {\overset{\cdot \cdot}{θ}}_{2}) + (B + {2 K}_{d}) ({\overset{\cdot}{θ}}_{1} - a {\overset{\cdot}{θ}}_{2}) + {2 K}_{p} (θ_{1} - {aθ}_{2}) = 0

由于J、B、K_d和K_p均为正数，则由上述方程可知在本发明的算法作用下，扫描镜伺服电机与消旋机构伺服电机的角运动满足：θ₁-aθ₂→0，则θ₁/θ₂→a。因此，本发明对于具有不同转动惯量、受到不同摩擦力矩等外界扰动的扫描消旋成像***，可令扫描伺服电机与消旋伺服电机的转角严格成比例地协调运动，在不增加额外机械传动机构的前提下，通过电的方式实现二者的高精度联动。通过调节四通道双向控制下的位置控制器增益，可实现对二者联动精度、收敛速度的调节。

图3为硬件结构图；算法运行的硬件背景为扫描消旋***。光束经45°扫描镜折转，进入光学镜组；所述45°扫描镜由环形的扫描镜伺服电机驱动，在扫描镜伺服电机轴系上安装有角速率陀螺和光电编码器。为缩小成像***尺寸，还可使用光路折转镜来折转光路。由消旋机构伺服电机驱动布置在光路中的消旋棱镜或成像组件转动，实现消除像旋。消旋机构伺服电机的轴系上也安装有角速率陀螺和光电编码器。本实施方式的实现算法以DSP为核心，利用DSP内部定时器功能使算法按照一定的周期循环运行。利用DSP的外部接口光电编码器和角速率陀螺。通过安装在电机轴系上的光电编码器测量出扫描伺服电机以及消旋机构伺服电机相对于成像设备框架的转动角位置，获得算法中所需的角位置信息θ₁和θ₂；利用安装在扫描镜伺服电机以及消旋机构伺服电机上的高精度角速率陀螺，测量出两套伺服***的转动角速度和提供给四通道双向控制器中的比例微分位置控制器C_p(s)。DSP计算出总的驱动电机转动的控制量，以PWM波的形式经过相互独立的功率放大电路作用在电机上，使电机产生运动所需的驱动力矩，驱动电机转动。将控制算法中所有的拉普拉斯算子用双线性变换s=(2z-1)/(T_sz+1)的方式变换为离散形式，其中T_s为采样周期。将离散传递函数改写为差分方程，则可通过在DSP中编程实现本发明提出的控制算法。

图4为本实施方式所述的控制方法的软件流程图；首先获取扫描镜转动指令、读取光电编码器和角速率陀螺的测量值，获得扫描镜伺服电机以及消旋机构伺服电机的角位置、角速度信息，为程序中各变量赋值；接着进入循环，开始算法程序：根据扫描镜转动指令和扫描镜伺服电机的角位置信息计算单电机指令跟踪控制器A的输出值；根据扫描镜转动指令和消旋机构伺服电机的角位置信息计算单电机指令跟踪控制器B的控制量；根据测量到的扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的角位置、上一个控制周期内计算出的双向控制量u_b1、u_b2计算扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的等效力矩估计器的输出值；利用扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的光电编码器的读出值计算位置信息差aθ₂-θ₁和θ₁/a-θ₂；利用扫描镜和消旋机构角速率陀螺读出值计算速度信息差和按照关于四通道双向控制算法的说明结合图1计算新的双向控制量u_b1和u_b2；接下来，将扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的双向控制量与各自的单电机指令跟踪控制器输出值相加，转换为PWM波的形式从DSP输出给功率放大电路；若持续控制则从第一步重复循环，若需停止控制则将各变量值保持或清零，退出循环。

本发明在不增加机械传动机构的情况下，实现扫描镜伺服电机与消旋机构伺服电机严格协同地按照扫描镜转动指令进行转动。该算法可应用于转动惯量、摩擦力矩、外界扰动力矩等完全不同的扫描镜伺服***与消旋机构伺服***之间。本发明的算法可基于DSP编程实现。

Claims

1.一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法，包括单电机指令跟踪控制器A、单电机指令跟踪控制器B、两个等效力矩估计器和一个四通道双向控制器，所述单电机指令跟踪控制器A和单电机指令跟踪控制器B分别用于扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机对指令的跟踪；所述等效力矩估计器为四通道双向控制器的计算提供力矩信息；所述四通道双向控制器用于协调扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的转动；其特征是，具体方法为：

步骤四、根据步骤一获得的位置差值aθ₂-θ₁和θ₁/a-θ₂、速度信息差和以及步骤三获得的扫描镜伺服电机和消旋机构伺服电机的等效力矩估计值重新计算扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1和消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2；

2.根据权利要求1所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法，其特征在于，所述扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1和消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2的计算过程为：将步骤一获得的位置差值aθ₂-θ₁与速度信息差经过四通道双向控制器内的一个位置控制器计算控制量，所述控制量再与乘以比例系数a的消旋机构伺服电机上的等效力矩估计器输出值相加；获得扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1；所述消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2的获取过程为：将步骤一获得的位置差值θ₁/a-θ₂与速度信息差经过四通道双向控制器内的另一位置控制器计算控制量，所述控制量再与乘以比例系数1/a的扫描镜伺服电机上的等效力矩估计器输出值相加，获得消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2。

3.根据权利要求1所述的一种用于扫描成像***消除像旋的双向控制方法，其特征在于，步骤三所述的上一周期为第一个执行周期时，经过低通滤波器的扫描镜伺服电机的双向控制量u_b1，与经过低通滤波器的消旋机构伺服电机的双向控制量u_b2的值为初值。

4.根据权利要求1所述消除像旋的双向控制方法，其特征在于：所述单电机指令跟踪控制器A和单电机指令跟踪控制器B采用超前滞后校正网络。

5.根据权利要求1所述消除像旋的双向控制方法，其特征在于：所述四通道双向控制器下的位置控制器为比例微分控制。

6.根据权利要求1所述消除像旋的双向控制方法，其特征在于：所述扫描镜伺服电机上的等效力矩估计器与消旋机构伺服电机上的等效力矩估计器的结构完全相同，所述等效力矩估计器中采用的标准电机逆模型为Js²+Bs，其中J为标准电机等效惯量、B为标准电机等效阻尼，s为拉普拉斯算子；所述低通滤波器为g²/(s²+2gs+g²)，g为调整低通滤波器截止频率的参数。