CN113778000B - 一种高实时性运动控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高实时性运动控制***及方法。该***包括ARM模块、FPGA模块、高性能同步接收模块；FPGA模块作为ARM模块的外设，连接到FMC高速总线上；高性能同步接收模块用于提供精确的秒脉冲同步信号，秒脉冲同步信号连接ARM模块的外部中断口，ARM模块接收秒脉冲同步信号，通过软件实现方法得到高精度时间，并给上位机反馈控制***时间，上位机根据反馈时间与自身的基准时间进行比对，直到同步完成。本发明有效解决了现有控制***的时滞问题，与现有技术相比，本发明使***的复杂性得以简化，降低了控制***的成本，提高了控制的跟踪精度，操作简单且容易实现。

Description

一种高实时性运动控制***及方法

技术领域

本发明涉及运动控制领域，具体涉及一种高实时性运动控制***及方法，该***及方法特别适用于望远镜卫星指向与跟踪控制。

背景技术

时滞问题是许多控制***都存在的问题，时滞会降低控制***的性能甚至影响到***的稳定性。对于天文望远镜来说，不同的控制***时滞问题是不一样的。

天文望远镜跟踪天体和人造卫星，对时间的精度要求比较高，以方位轴跟踪时速为4°/s计算，时间误差1ms，则带来方位轴指向跟踪误差为14.4”。随着跟踪速度的变化，因时间误差的存在，本身跟踪精度就会受到很大的影响；另外，两轴编码器实际位置读取的滞后也会严重影响到望远镜的跟踪精度。

当前国内天文望远镜伺服控制***主要是在windows操作***上开发的，其硬件架构比较复杂繁琐，主要存在两种形式：一种是在工控机上集成多个PCI卡槽，比如AD/DA卡，编码器采集卡，计数卡，串口卡等；另外一种是采用国外成熟的伺服控制器。

上述的这样硬件架构的***有如下缺点：(1)计算机定时精度较低，调用各类板卡的函数开发包耗时相对较长，对***的实时性有一定的影响；(2)板卡或伺服控制器的价格比较昂贵；(3)***的内部硬件原理图、核心控制算法及其内部参数都不能获取，难以进行后期改进优化，***的动态性能受到制约；(4)成熟的伺服控制器不一定有高精度的时钟计数器；(5)开发难度比较大，项目周期长。

跟踪过程中实际位置实时获取至关重要，在传统地采用数据采集卡获取的编码器位置，其实时性不佳，原因是调用板卡的开发包函数也需要一定的时间，这个时间可能不固定，另外，数据采集卡兼容性不好，受操作***的限制，在一定程度上会影响最终的跟踪精度。另外，有些技术方案需要依赖国外的伺服控制器，虽可以实时通过总线获取实时位置，但有一定局限性，不利于产品的开发，价格也是非常昂贵。

目前天文望远镜控制***时滞问题还没有很好地根本性解决办法，只能通过提高通讯和操作***的实时性来解决。鉴于此，目前急需提供一种能提高天文望远镜控制***实时性的硬件架构及其软件实现方法。

发明内容

本发明针对以上问题提供一种简单可靠、成本低及通用性强的高实时性运动控制***及方法。与现有技术相比，***的复杂性得以简化，降低了控制***的成本，操作简单且容易实现。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高实时性运动控制***，包括ARM模块、FPGA模块、高性能同步接收模块；其中：

所述ARM模块与FPGA模块实时通讯，用于根据制定的通信协议完成预定的运动控制指令；

所述FPGA模块与ARM模块实时通讯，用于实时完成数据的采集以及模拟量或脉冲频率的输出，并实时将数据传递给ARM模块，供ARM模块运算处理；

所述高性能同步接收模块用于提供精确的秒脉冲同步信号，所述秒脉冲同步信号连接ARM模块的通用输入输出端口，所述通用输入输出端口被配置为外部中断口，所述ARM模块接收所述秒脉冲同步信号并以预定的频率和分辨率给上位机反馈控制***时间，上位机根据反馈时间与自身的基准时间进行比对，直到同步完成。

进一步的，所述外部中断口配置为外部中断上升沿触发。

进一步的，所述FPGA模块作为ARM模块的外设，连接到FMC高速总线上，所述FPGA模块与ARM模块通过FMC总线接口方式进行并行方式通信。

进一步的，通过ARM模块片选选中FPGA模块进行数据读写。

进一步的，所述高实时性运动控制***用于天文望远镜的跟踪和控制。

进一步的，该***还包括计算机、方位伺服驱动器、方位伺服电机、方位光栅编码器、高度伺服驱动器、高度伺服电机、高度光栅编码器以及GPS同步时钟控制器，所述ARM模块与计算机相互通信，所述FPGA模块用于接收方位光栅编码器、高度光栅编码器和GPS同步时钟控制器的数据，并向方位伺服驱动器和高度伺服驱动器输出控制信号，所述方位光栅编码器的数据同时输出至方位伺服电机，所述高度光栅编码器的数据同时输出至高度伺服电机，所述方位伺服电机在方位伺服驱动器的驱动下运行，所述高度伺服电机在高度伺服驱动器的驱动下运行。

一种高实时性运动控制方法，包括：

步骤1：高性能同步接收模块提供秒脉冲同步信号，将秒脉冲同步信号输入至ARM模块的通用输入输出口，将所述通用输入输出口配置成外部中断口；

步骤2：配置时间计数器CNT，时间计数器增加到最大计数值后重新开始计数，求得更新中断时间；每进中断设置计数器标志位TIME_FLAG加1，清中断标志位；记控制器计数器时间为Time_cnt；

步骤3：读取高性能同步接收模块反馈的秒脉冲同步信号，所述秒脉冲同步信号包含基准时间BasicTime、端口外部中断的使能信号；同步信号达到的同时，记录当前GPS时间，并开启外部中断使能信号；在触发外部中断程序内，设置脉冲触发标志位，中断标志位TIME_FLAG清零，在将计数器清零的同时重新开启时钟计数器，此时记准确时间为Time_Actual＝BasicTime+1+Time_cnt；

步骤4：ARM模块按照预定频率和分辨率给上位机反馈控制***时间，上位机根据反馈时间与自身进行比对，如果两者时间基准差在设定阈值以内，表示同步完成，否则再次发送同步命令信号，直到同步完成。

一种基于上述高实时性运动控制方法的望远镜卫星指向与跟踪控制方法，包括：

步骤1：接收卫星轨道数据，轨道起始时间为T1，结束时间为T3；

步骤2：处理卫星轨道数据，并获得同步时间T2，判断T2与T1的关系；

步骤3：当T2＜T1时，望远镜定位于轨道起始坐标点，并返回步骤2；当T2≥T1时，执行步骤4；

步骤4：开始定时跟踪，获取时间T2，计算T2时刻对应的卫星坐标；

步骤5：读取两轴位置信号，计算两轴的角位置误差，并计算望远镜两轴分别对应的调节速度；判断T2与T1的关系；

步骤6：当T2＞T1时，停止定时跟踪；当T2≤T1时，返回步骤4，直至定时跟踪结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种高实时性运动控制***及方法有效解决了现有控制***的时滞问题，特别是有效解决了现有技术中天文望远镜控制***的时滞问题，与现有技术相比，本发明使***的复杂性得以简化，降低了控制***的成本，提高了控制的跟踪精度，操作简单且容易实现。

附图说明

图1是基于ARM与FPGA组成的伺服控制方案图；

图2是ARM+FPGA硬件架构结构框图；

图3是ARM与FPGA通信结构示意图；

图4是时间软件实现流程图；

图5是望远镜卫星指向与跟踪控制流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是针对现有控制***的时滞问题而提出的一种高实时性运动控制***及方法，因此，本发明的***和方法可用于解决任何控制***的时滞问题。但为了便于详细说明本发明的原理及构成，以下实施例仅以望远镜卫星指向与跟踪控制为例进行详细说明。

本实施例的高实时性运动控制***如图1所示，该***是一种基于ARM与FPGA组成的伺服运动控制方案，主要包括：小型计算机(本实施例中，该小型计算机具有带操作***的嵌入式触摸屏)、ARM+FPGA组成的伺服控制硬件架构、方位伺服驱动器、方位伺服电机、方位光栅编码器、高度伺服驱动器、高度伺服电机、高度光栅编码器以及GPS同步时钟控制器。ARM模块与计算机相互通信，FPGA模块用于接收方位光栅编码器、高度光栅编码器和GPS同步时钟控制器的数据，并向方位伺服驱动器和高度伺服驱动器输出控制信号，方位光栅编码器的数据同时输出至方位伺服电机，高度光栅编码器的数据同时输出至高度伺服电机，方位伺服电机在方位伺服驱动器的驱动下运行，高度伺服电机在高度伺服驱动器的驱动下运行。

如图2所示，本实施例由ARM与FPGA的硬件架构替代多个PCI板卡，ARM采用网络方式与小型计算机进行通信，根据制定的通信协议完成计算机相关的运动控制指令。两者之间主要通过SPI或FMC总线方式进行实时通讯，FPGA主要负责实时完成编码器数据的采集，完成模拟量或脉冲频率的输出，并通过总线接口实时将数据传递给ARM单元，供ARM运算处理。

本实施例采用ARM+FPGA两者之间的FMC或SPI总线接口通信方式，具体实现方式如下：

ARM精于外设控制，但运算的高效性、实时性远不及FPGA，FPGA拥有并行处理特性，具有良好的实时性，用于处理实时性要求非常高的精插补运算，处理速度不匹配，给ARM与FPGA通信带来了困难。

另外，ARM和FPGA之间加一个双口RAM芯片，可以实现较高的通信速度，但会增加硬件成本，同时增大板卡器件数量。由于FPGA内部可以设置双口数据通信，作为缓冲区，既保证了速度，又节约了成本，采用FPGA作为ARM的一个外设，连接到FMC高速总线上，能很好地解决这个问题，故本实施例选用FMC总线接口方式进行并行方式通信。其示意图如图3所示：

本实施例中，FMC通信选用26位数据线，5位地址线，通过ARM片选选中FPGA芯片进行数据读写，FPGA可以通过中断反馈数据处理情况。

5位地址线可以声明32个数据变量，足够使用。上述示意图只连接了26位数据线，对于更高位数的变量，这里可以通过程序变量级联方式，可达到64位数据变量类型，数据总线可读可写，程序移植性很强便于实现。

在整个控制***中，时间的精度直接影响恒星和卫星理论位置的计算。如果时间精度不够或存在延时，会导致虽然根据码盘读数望远镜的跟踪过程良好，但实际跟踪目标却不在望远镜视场中。由于恒星相对于低轨卫星，速度慢，毫秒级的时间精度对于恒星跟踪足够。但低轨卫星速度快，望远镜在跟踪过程中，两轴的速度一般可达到2°/s～6°/s。秒级的时间精度对于高精度的卫星激光测距是远远不够的，如果时间误差为1ms，则会使卫星理论位置存在7.2"～21.6"的误差。

为了提高时间的精度，本实施例利用高性能同步接收机(Meridian PrecisionGPS Time Base)，并设计时间同步方案来保证两***的时间同步。有关时间的软件设计如图4所示，具体实现方法如下：

步骤1：

高性能同步接收机还提供精确地秒脉冲同步信号1pps，其作用是用来指示整秒的时刻，而该时刻通常是用秒脉冲的上升沿来表示。将秒脉冲的输入信号连接到芯片的ARM通用输入输出口，通过软件将该端口配置成外部中断上升沿触发。

步骤2：

考虑运行效率，本发明可将计数器配置成20MHz，时间精度能达50ns，计数器32位，控制就有了精确地时间计数器Time_cnt，计数器增加到最大值后会重新从0开始增计数，在这里，设置最大计数值为500000000，求得更新中断时间为：500000000*0.00000005＝25s；每进中断设置计数器标志位TIME_FLAG加1，清中断标志位；T_CNT为计数器寄存器值，记控制器计数器时间为：Time_cnt＝T_CNT*0.00000005+TIME_FLAG*25；

步骤3：

微型计算机通过RS232串口读取高性能同步接收机反馈的整秒时间，精确到秒。它通过网络将当前时间(时、分、秒)发送给望远镜控制***，其发送的同步信号命令里包含了基准时间BasicTime、端口外部中断的使能信号。当同步信号一来，立即记录当前GPS时间，并立即开启秒脉冲输入端口外部中断使能信号。在触发外部中断程序内，设置脉冲触发标志位，中断标志位TIME_FLAG清零，在将计数器清零的同时重新开启时钟计数器，此时控制器精准时间记为Time_Actual＝BasicTime+1+T_CNT*0.00000005+TIME_FLAG*25；

步骤4：

ARM控制器会按照一定频率以1ms时间分辨率给上位机反馈控制器时间，上位机会根据反馈时间与自身进行比对，如果两者时间基准差在5ms以内，表示同步完成，否则再次发送同步命令信号，直到同步完成。

如图5所示，本实施例还提供一种基于上述高实时性运动控制方法的望远镜卫星指向与跟踪控制方法，包括：

步骤1：接收卫星轨道数据，轨道起始时间为T1，结束时间为T3；

步骤2：处理卫星轨道数据，并获得同步时间T2，判断T2与T1的关系；

步骤3：当T2＜T1时，望远镜定位于轨道起始坐标点，并返回步骤2；当T2≥T1时，执行步骤4；

步骤4：开始定时跟踪，获取时间T2，计算T2时刻对应的卫星坐标；

步骤5：读取两轴位置信号，计算两轴的角位置误差，并计算望远镜两轴分别对应的调节速度；判断T2与T1的关系；

步骤6：当T2＞T1时，停止定时跟踪；当T2≤T1时，返回步骤4，直至定时跟踪结束。

本实施例采用ARM+FPGA伺服硬件架构的天文望远镜跟踪控制***获得精确可靠的时间，且实时能获取方位轴、高度轴的位置，速率能达20ns以上，极大地提高了望远镜的实时性和指向跟踪精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种望远镜卫星指向与跟踪控制方法，其特征在于，所述方法基于一种高实时性运动控制方法，所述高实时性运动控制方法包括：

步骤1：高性能同步接收模块提供秒脉冲同步信号，将秒脉冲同步信号输入至ARM模块的通用输入输出口，将所述通用输入输出口配置成外部中断口；

步骤2：配置时间计数器CNT，时间计数器增加到最大计数值后重新开始计数，求得更新中断时间；每进中断设置计数器标志位TIME_FLAG加1，清中断标志位；记控制器计数器时间为Time_cnt；

步骤3：读取高性能同步接收模块反馈的秒脉冲同步信号，所述秒脉冲同步信号包含基准时间BasicTime、端口外部中断的使能信号；同步信号达到的同时，记录当前GPS时间，并开启外部中断使能信号；在触发外部中断程序内，设置脉冲触发标志位，中断标志位TIME_FLAG清零，在将计数器清零的同时重新开启时钟计数器，此时记准确时间为Time_Actual＝BasicTime+1+Time_cnt；

步骤4：ARM模块按照预定频率和分辨率给上位机反馈控制***时间，上位机根据反馈时间与自身进行比对，如果两者时间基准差在设定阈值以内，表示同步完成，否则再次发送同步命令信号，直到同步完成；

所述望远镜卫星指向与跟踪控制方法包括：

步骤a：接收卫星轨道数据，轨道起始时间为T1，结束时间为T3；

步骤b：处理卫星轨道数据，并获得同步时间T2，判断T2与T1的关系；

步骤c：当T2＜T1时，望远镜定位于轨道起始坐标点，并返回步骤2；当T2≥T1时，执行步骤4；

步骤d：开始定时跟踪，获取时间T2，计算T2时刻对应的卫星坐标；

步骤e：读取两轴位置信号，计算两轴的角位置误差，并计算望远镜两轴分别对应的调节速度；判断T2与T1的关系；

步骤f：当T2＞T1时，停止定时跟踪；当T2≤T1时，返回步骤4，直至定时跟踪结束。

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