CN104049646B - 用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法 - Google Patents

Abstract

用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋转的多向控制方法，涉及成像技术领域。解决多个不同谱段探测器融合成像系统中采用伺服电机驱动45°扫描镜和多个成像探测器协同运动以消除像旋转的问题。成像系统中光线经过45°扫描镜后由分光镜将光束分配到各个成像组件上进行成像。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多个成像探测器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，为多向控制器提供力矩信息。本发明在不增加额外的消旋光学元件的条件下，通过算法控制多个成像元件之间的协同运动达到消旋的目的。

Description

用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法

技术领域

本发明涉及一种消除多探测器融合扫描成像系统像旋转的运动控制方法，属于成像技术领域。

背景技术

在成像系统中，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系统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系统。专利“一种用于扫描成像系统消除像旋的双向控制方法”(申请号201310254033.4)提出采用双向控制的方法代替传统的传动方式消除成像系统的像旋。但是这种双向控制消除像旋的方案适用于成像系统只有一个消旋元件需要控制的情况。对于多个不同谱段探测器进行融合成像的系统，采用针对一个扫描镜和一个消旋元件设计的双向控制方法消除像旋会给光学设计和结构设计带来诸多限制。因此，需要一种能够适用于多个探测器融合成像系统的消除像旋转的方法。

发明内容

本发明为解决现有采用双向控制消除像旋方法只适用于一个消旋元件而不适用于多个消旋元件的情况，提供一种用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法。

用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法，由一个45°扫描镜和n-1个成像探测器，n个单电机指令跟踪控制器、n个等效力矩估计器和多通道多向控制器组成，所述的扫描镜和成像探测器由伺服电机驱动转动所述伺服电机装有速率陀螺仪和编码器作为反馈传感器；所述单电机指令跟踪控制器用于伺服电机对指令的跟踪；所述等效力矩估计器为多通道多向控制器的计算提供力矩信息；所述多通道多向控制器用于协调各个伺服电机的转动；所述成像探测器伺服电机编号为1至n-1，扫描镜伺服电机编号为n，n>2，具体方法为：

步骤一、根据扫描镜转动指令，分别获得第i个伺服电机的角位置信息θ_i和角速度信息然后将其中每两个伺服电机的角位置信息θ_i，θ_j(i≠j,i,j∈{1,2,...,n})作差，获得位置差值与将其中每两个伺服电机的角速度信息作差计算速度信息差与

步骤二、单电机指令跟踪控制器i根据扫描镜转动指令与伺服电机i的角位置信息的差，所述i＝1,2,...,n，获得伺服电机i的指令跟踪控制量u_ci；

步骤三、计算扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机的等效力矩估计值；

具体过程为：将步骤一获得的伺服电机i的角位置信息θ_i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伺服电机i的多向控制量u_bi相减所得的差值作为伺服电机i上的等效力矩估计器的输出值；将步骤一获得的伺服电机j的角位置信息θ_j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伺服电机j的双向控制量u_bj相减所得的差值作为伺服电机j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与步骤三获得的伺服电机j的等效力矩估计值重新计算伺服电机i的控制量u_bi；

步骤五、将步骤二获得的伺服电机i的指令跟踪控制量u_ci与步骤四获得的多向控制量u_bi叠加，叠加后的输出值作用在伺服电机i上，实现多向控制。

本发明的有益效果：

一、本发明实现了多个成像元件协同运动，对于多光谱、高分辨率的多探测器融合扫描成像系统，解除了消除像旋对光学设计的约束，光路中不需要加入额外的消旋元件；系统不需要使多个探测器形成的成像组件进行整体运动，而是允许多个探测器分布于成像系统的任意位置，降低了机械设计难度，避免了多个成像探测器形成组件后整体旋转导致成像系统体积过大等问题。

二、本发明采用多向控制思想，实现扫描镜与多个成像探测器之间的协同运动，提高成像元件之间的同步精度。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多个成像探测器伺服系统运动的协调性，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系统消除像旋的多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系统消除像旋的多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系统消除像旋的多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系统消除像旋的多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：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法中的成像系统的45°扫描镜由一套电机伺服系统驱动，称为扫描镜伺服电机；每个成像探测器都由一套电机伺服系统驱动，称为成像探测器伺服电机；每个电机伺服系统之间不存在机械连接，由多通道多向控制器，即一种多向控制算法实现多套伺服系统的协同运动。

具体包括：单电机指令跟踪控制器、等效力矩估计器、以及多通道多向控制器中的位置控制器；扫描镜伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令后，控制45°扫描镜按照指令规划的角位置或角速度转动；每个成像探测器伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收相同的扫描镜转动指令，控制成像探测器伺服电机按照与45°扫描镜相同的角位置或角速度进行转动。

等效力矩估计器是针对扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机设计的，其作用是实现对驱动多个电机转动的等效力矩的估计，为多向控制器提供力矩信息。多向控制器将每个电机伺服系统在控制层面上连接为一个整体，使各电机之间的转动角度、角速度完全一致；从而使与扫描镜之间无机械联动的多个成像探测器的运动满足消像旋的要求。

所述的多向控制器包括：从伺服电机i(i＝1,2,...,n(n＞2))发出到伺服电机j(j≠i,j＝1,2,...,n)的位置通道；从伺服电机i(i＝1,2,...,n)上的等效力矩估计器发出到伺服电机j(j≠i,j＝1,2,...,n)的力矩通道；以及各位置通道下的位置控制器。

结合图1说明本实施方式，所述伺服电机i的等效转动惯量和阻尼参数为J_i、B_i，各个伺服电机的等效转动惯量和阻尼参数之间可以存在差别。单电机指令跟踪控制器i是针对每个独立的伺服系统设计的位置/速度跟踪控制器，实现的是多个伺服电机对期望运动指令(扫描镜转动指令)的跟踪。单电机指令跟踪控制器采用超前滞后网络校正，得到电机的指令跟踪控制量u_ci。设成像系统的扫描镜转动指令为r，电机的转角分别为θ_i，则每个电机的单电机指令跟踪控制器计算控制量u_ci的过程为：u_ci＝(r-θ_i)(τ_1is+1)(τ_2is+1)/[(T_1is+1)(T_2is+1)]，其中s为拉普拉斯算子，T_1i＞τ_1i＞τ_2i＞T_2i为伺服系统i的超前滞后网络参数。图1中，多向控制器中的位置控制器C_pij(s)为比例微分控制器，用于协调伺服电机i和电机j(j≠i,j＝1,2,...,n)的转动；等效干扰d_i为作用在伺服电机i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。各个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。因此每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ΔJ_i＝J_i-J，ΔB_i＝B_i-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。则每台等效力矩估计器的输出分别为：

所述多向控制器利用各个伺服电机的角位置信息和力矩信息实现电机之间运动的协调一致。在多向控制器中存在位置通道和力矩通道，分别为伺服电机j(j≠i,j＝1,2,...,n)向伺服电机i提供的角位置信息和力矩信息。

多向控制算法下有位置控制器，根据各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。则在多向控制的作用下，各伺服系统的动力学特性分别为：

$J{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}{J}_i{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_i+B{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i+\mathrm{\Δ}{B}_i{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i=K_p[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_j-(n-1){\mathrm{\θ}}_i]+K_d[\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_j-(n-1){\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i]+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(u_{\mathrm{cj}}+d_j-\mathrm{\Δ}{J}_j{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j-\mathrm{\Δ}{B}_j{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_j)+u_{\mathrm{ci}}+d_i$

则在多向控制下，上述动力学方程中任意两个方程相减可得：

$J({\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_i-{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_j)+(B+n{K}_d)({\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i-{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_j)+n{K}_p({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j)=0$

由于J、B、K_p和K_d均为正数，则由上述方程可知在本发明的算法作用下，伺服电机i与伺服电机j的角运动满足：θ_i-θ_j→0(i≠j,i,j∈{1,2,...,n})，则θ_i/θ_j→1。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多探测器拼接扫描消旋成像系统，可令各个伺服电机的转角严格一致地运动，在不增加额外机械传动机构的前提下，通过电的方式实现各个伺服电机的高精度联动，进而使得分布在成像系统中的45°扫描镜和多个探测器的进行相同的角运动，消除像旋转。通过调节多通道多向控制下的位置控制器增益，可实现对联动精度、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系统。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。为缩小成像系统尺寸，还可使用光路折转镜来折转光路。分光镜将光束分配到单个成像探测器上，由成像探测器伺服电机驱动各个成像探测器转动，实现消除像旋。成像探测器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的外部接口连接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θ_i；利用安装在扫描镜伺服电机以及成像探测器伺服电机上的高精度角速率陀螺，测量出每个伺服系统的转动角速度，提供给多向控制器中的比例微分位置控制器C_pi(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每个成像探测器伺服电机的角位置、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伺服电机i的角位置信息计算单电机指令跟踪控制器i的输出值；根据测量到的伺服电机i的角位置、上一个控制周期内计算出的双向控制量u_bi计算伺服电机i的等效力矩估计器的输出值；利用各个伺服电机的光电编码器的读出值计算位置信息差θ_i-θ_j(i≠j,i,j∈{1,2,...,n})；利用各个旋转机构的角速率陀螺读出值计算速度信息差(i≠j,i,j∈{1,2,...,n})；按照关于多向控制算法的说明结合图1计算新的多向控制量u_bi；接下来，将各个伺服电机的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各个成像探测器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系统与多个成像探测器伺服系统之间。本发明的算法可基于DSP编程实现。

Claims (2)

1.用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法，由一个45°扫描镜和n-1个成像探测器、n个单电机指令跟踪控制器、n个等效力矩估计器和一个多通道多向控制器组成，所述45°扫描镜和成像探测器由伺服电机驱动转动，所述伺服电机装有速率陀螺仪和编码器作为反馈传感器；所述单电机指令跟踪控制器用于伺服电机对扫描镜转动指令的跟踪；所述等效力矩估计器为多通道多向控制器的计算提供力矩信息；所述多通道多向控制器用于协调各个伺服电机的转动；成像探测器伺服电机编号为1至n-1，扫描镜伺服电机编号为n，n>2，其特征是，具体方法由以下步骤实现：

步骤一、根据扫描镜转动指令，分别获得第i个伺服电机的角位置信息θ_i和角速度信息然后将其中每两个伺服电机的角位置信息θ_i，θ_j i≠j,i,j∈{1,2,...,n}作差，获得角位置信息差与将其中每两个伺服电机的角速度信息作差计算角速度信息差与

步骤二、单电机指令跟踪控制器i根据扫描镜转动指令与伺服电机i的角位置信息差，所述i＝1,2,...,n，获得伺服电机i的指令跟踪控制量u_ci；

步骤三、计算扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机的等效力矩估计值；

具体过程为：将步骤一获得的伺服电机i的角位置信息θ_i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运算后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电机i的多向控制量u_bi相减所得的差值作为伺服电机i上的等效力矩估计器的输出值，该输出值作为伺服电机i的等效力矩估计值；将步骤一获得的伺服电机j的角位置信息θ_j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运算后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电机j的多向控制量u_bj相减所得的差值作为伺服电机j上的等效力矩估计器的输出值，该输出值作为伺服电机j的等效力矩估计值；

步骤四、将步骤一获得的角位置信息差与步骤三获得的伺服电机j的等效力矩估计值重新计算，获得伺服电机i的多向控制量u_bi；

步骤五、将步骤二获得的伺服电机i的指令跟踪控制量u_ci与步骤四获得的多向控制量u_bi叠加，叠加后的输出值作用在伺服电机i上，实现多向控制。

2.根据权利要求1所述的用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法，其特征在于，所述扫描镜伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令后，控制45°扫描镜按照扫描镜转动指令规划的角位置或角速度转动；每个成像探测器伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收相同的扫描镜转动指令，控制成像探测器伺服电机按照与45°扫描镜相同的角位置或角速度进行转动。