CN105487465A - 基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，包括：两个正六面体，其分别被安装在光电望远镜方位轴和俯仰轴的旋转平面内，并且距离旋转中心一定距离的位置；六个加速度计，每三个加速度计分别被固定在一个所述正六面体的三个垂直面上，分别感受三维空间相互垂直的三个方向的加速度。当望远镜电控系统发生异常或者依赖于电控系统的安全保护系统失灵时，此保护系统能够起到及时报警并且预防灾难性事故发生的作用，是大型望远镜已有保护系统的一套有效的辅助安全保护系统。

Description

基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统

技术领域

本发明涉及大型光电望远镜技术领域，具体涉及一种基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统。

背景技术

大型光电望远镜是涉及光学、精密机械、电子学、精密控制等领域于一体的大型复杂设备，设备的惯量大，包含的精密光学元件众多，且造价昂贵，控制系统一旦出现失控或者飞车现象，将有可能对设备及现场操作人员造成不可估量的损失，因此随着光电望远镜口径逐渐变大，对望远镜保护系统也提出了越来越高的要求。

目前已有大型光电望远镜的保护一般采用如下两方面的措施：

(1)从电子学控制的角度，在控制软件中，设置故障标志位，通过读取系统相关传感器(如光电编码器、电流传感器等)的值对系统位置、速度、电流、电压等信号进行实时监测，从而进行故障判断、预警和处理。当判断读取信号异常时，对故障标志位进行设置，同时判断在不造成恶劣后果前，通过电控软件对系统进行开环或者闭环制动，以免造成系统失控。但是这个方法依赖于系统自有的传感器设备信号，并且制动方式是采用电控软件的软制动方式，具有一定的局限性，尤其是当电控软件发生死循环或者无响应时无法对失控系统进行及时的制动。

(2)从机械设计角度，对系统设置机械限位，它能够使得系统在失控或者飞车时能够在机械限位处强制停止，但是这有可能会给系统带来较大加速度的冲击，存在安全隐患，并且当系统失控、速度较大时，有可能冲破机械限位，造成更大的损失。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，它使用惯性测量元件——加速度计来实时监控望远镜的运行状态，当系统发生异常运行(如飞车、超速或受到较大冲击等)时，它能够立即检测到并关闭电机驱动器使系统停止运行，以免造成系统失控的恶劣后果。由于本发明是一套独立于望远镜控制系统的辅助安全保护系统，它是背景技术中所述保护方法的一种很好的辅助手段，极大地提高了望远镜保护系统的可靠性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，包括：

两个正六面体，其分别被安装在光电望远镜方位轴和俯仰轴的旋转平面内，并且距离旋转中心一定距离的位置；

六个加速度计，每三个加速度计分别被固定在一个所述正六面体的三个垂直面上，分别感受三维空间相互垂直的三个方向的加速度；各加速度计输出信号经过仪表放大器放大、滤波器滤波后得电压值，经过高精度高分辨率数字采集卡后，可将加速度信号的输出至上位机；

上位机根据六个加速度计安装的位置以及望远镜的预定工作状态可以给出正常运转情况下第i个加速度计的输出最大值，将该值乘以某安全冗余系数作为该加速度计的最大输出阈值；当六个加速度计中有一个加速度计的输出绝对值超过相应的最大输出阈值时，则与此加速度计对应的故障可能发生；故障保持时间超出预先设定的时间阈值，则判断系统运行出现异常。

在上述技术方案中，望远镜的预定工作状态包括：最大角加速度、某方向所能承受最大冲击加速度。

在上述技术方案中，所述上位机为计算机。

在上述技术方案中，六个加速度计输出最大阈值的确定方法为：

首先，对方位轴旋转平面内的三个加速度计A_x、A_y、A_z的输出最大阈值进行确定；由于望远镜绕方位轴做旋转角运动，在系统不受任何外部冲击的前提下，A_x和A_y两个加速度计的输出近似为零，记A_x和A_y两个加速度计的输出最大阈值分别为和则有

$T_{A_x}^{\max }={\mathrm{\σ}}_{A_x}^{\max }{a}_{A_x}^{\max },T_{A_y}^{\max }={\mathrm{\σ}}_{A_y}^{\max }{a}_{A_y}^{\max }---\left(2\right)$

其中分别是预先设定的安全系数，和分别是望远镜系统沿加速度计A_x和A_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定；加速度计A_z感受望远镜的方位轴角加速度，设望远镜方位轴的工作最大角加速度为则A_z加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数；

其次，确定俯仰轴旋转平面内的三个加速度计E_x、E_y、E_z的输出最大阈值；加速度计E_x感受望远镜的俯仰轴角加速度，设望远镜俯仰轴的工作最大角加速度为则E_x加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数；在系统不受任何外部冲击的前提下，E_y加速度计的输出近似为零，记E_y加速度计的输出最大阈值为则有

$T_{E_y}^{\max }={\mathrm{\σ}}_{E_y}^{\max }{a}_{E_y}^{\max }---\left(5\right)$

其中是预先设定的安全系数，是望远镜系统沿加速度计E_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定；

记E_z加速度计的输出最大阈值为望远镜的俯仰角记为E(0°<E<90°)，则有

其中是预先设定的冗余系数。

在上述技术方案中，故障时间阈值T₀，设采集加速度计信号的A/D采集卡采样频率为fHz，则T₀取为其中是预先设定的整系数。

与现有大型光电望远镜保护系统相比，本发明的主要优势为：借助于外部独立测量设备——加速度计组对系统运行状态进行实时监控，加速度计系统的供电、信号采集、信号处理、信号显示、故障判读软件等均是独立于望远镜控制系统的，而且一旦判断系统运行出现异常时，直接通过硬件将电机驱动器关闭，不受望远镜控制软件的限制。当望远镜电控系统发生异常或者依赖于电控系统的安全保护系统失灵时，此保护系统能够起到及时报警并且预防灾难性事故发生的作用，是大型望远镜已有保护系统的一套有效的辅助安全保护系统。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明中三个加速度计在正六面体上的安装示意图。

图2为本发明中装有三个加速度计的正六面体在望远镜方位轴和俯仰轴旋转平面内的安装示意图。

图3为本发明的大型光电望远镜辅助安全保护系统的信号流程示意图。

图4为本发明的大型光电望远镜辅助安全保护系统的程序流程示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明采用在望远镜的方位轴和俯仰轴的适当位置安装一套独立于望远镜系统的加速度计测量组合，该系统基于多个加速度计的测量信号，通过一套完整的信号采集和显示系统实时地测量望远镜的运行状态，起到监控、预警和保护的作用。具体实施方案如下：

(1)加速度计组的安装方式：

该辅助安全保护系统采用六个加速度计，分为两组，每三个加速度计分别被固定在一个正六面体的三个垂直面上，分别感受三维空间相互垂直的三个方向的加速度，安装方式如示意图1所示。两个正六面体分别被安装在光电望远镜方位轴和俯仰轴的旋转平面内，并且距离旋转中心一定距离的位置。记在方位轴旋转平面上安装的三个加速度计分别计为A_x，A_y，A_z，俯仰轴旋转平面上安装的三个加速度计分别计为E_x，E_y，E_z，正六面体安装示意图如图2所示，其中A_r是正六面体中心距离方位轴旋转中心的距离，A_x加速度计的测量轴沿旋转平面径向半径向外，A_y加速度计的测量轴沿旋转平面与径向半径垂直，A_z加速度计测量轴与A_x、A_y加速度计测量轴构成右手直角坐标系，E_r是正六面体中心距离俯仰轴旋转中心的距离，E_x加速度计测量轴方向在旋转平面内与径向半径垂直，E_y加速度计测量轴方向在旋转平面内沿径向半径向外，E_z加速度计测量轴与E_x、E_y加速度计测量轴构成右手直角坐标系。

(2)各加速度计输出信号经过仪表放大器放大、滤波器滤波后得电压值，经过高精度高分辨率数字采集卡后，将加速度信号的输出以数字格式传输至计算机中。

(3)使用上位机软件对加速度信号进行读取，并实时将加速度信号在监控界面上进行显示。根据六个加速度计安装的位置以及望远镜的预定工作状态(如最大角加速度、某方向所能承受最大冲击加速度等)可以给出正常运转情况下第i个加速度计的输出最大值，将该值乘以某安全冗余系数作为该加速度计的最大输出阈值。当六个加速度计中有一个加速度计的输出绝对值超过相应的最大输出阈值时，上位机程序中与此加速度计对应的故障Flag置1，否则所有Flag默认值为0，当判断某一故障Flag为1或者某几个故障Flag同时为1时，说明系统有运行异常的可能，系统将进行故障预警，若某故障Flag保持为1的时间超出预先设定的时间阈值，则判断系统运行出现异常，关闭电机驱动器，以防止系统超速或飞车失控。

为了更加清楚明白介绍本发明的技术方案及优点，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明是借助于惯性测量器件——加速度计建立大型光电望远镜的辅助安全保护系统。根据牛顿定律，力是改变物体运动状态的原因，而力作用到物体上使得物体产生加速度，本系统就是基于这个原理，如示意图1和图2所示，在大型光电望远镜的方位轴和俯仰轴的关键部位分别安装固定在正六面体上的两组加速度计组，来实时监测大型光电望远镜的在三维空间中的加速度信息。

加速度计的输出是电压模拟信号，根据示意图3所示的流程，经过放大器和A/D数据采集卡后，将模拟信号转换为数字信号。设采集到的数字信号为M，则对应的加速度大小为

$a=\frac{(M-2^n)\&times;L}{2^n}---\left(1\right)$

式中L为加速度计的量程，量纲为“m/s²”，n+1为A/D数据采集卡的位数。下面分别给出六个加速度计输出最大阈值的确定方法。

首先对方位轴旋转平面内的三个加速度计A_x、A_y、A_z的输出最大阈值进行确定。由示意图2可以看出，由于望远镜绕方位轴做旋转角运动，在系统不受任何外部冲击的前提下，A_x和A_y两个加速度计的输出近似为零，记A_x和A_y两个加速度计的输出最大阈值分别为和则有

$T_{A_x}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{A_x}^{\max }{a}_{A_x}^{\max },T_{A_y}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{A_y}^{\max }{a}_{A_y}^{\max }---\left(2\right)$

其中分别是预先设定的安全系数，和分别是望远镜系统沿加速度计A_x和A_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定。由示意图2所示，加速度计A_z感受望远镜的方位轴角加速度，设望远镜方位轴的工作最大角加速度为则A_z加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数。

其次，确定俯仰轴旋转平面内的三个加速度计E_x、E_y、E_z的输出最大阈值。根据示意图2中各个加速度计的安装位置，加速度计E_x感受望远镜的俯仰轴角加速度，设望远镜俯仰轴的工作最大角加速度为则E_x加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数。在系统不受任何外部冲击的前提下，E_y加速度计的输出近似为零，记E_y加速度计的输出最大阈值为则有

$T_{E_y}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{E_y}^{\max }{a}_{E_y}^{\max }---\left(5\right)$

其中是预先设定的安全系数，是望远镜系统沿加速度计E_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定。

记E_z加速度计的输出最大阈值为望远镜的俯仰角记为E(0°<E<90°)，则有

其中是预先设定的冗余系数。

最后，确定故障时间阈值T₀，设采集加速度计信号的A/D采集卡采样频率为fHz，则T₀取为其中是预先设定的整系数。

故障诊断的原理就是当各加速度计的输出绝对值大于预先设定的该加速度计的最大输出阈值时，则初步判断系统可能会出现运行异常，若该现象持续时间很短，不会引起系统产生较大速度，则不进行故障处理，只进行故障预警，否则，认为系统运行出现了故障，需要采取必要的措施进行故障处理。

根据图3所示的加速度计信号处理流程，加速度计测量信号经过A/D转换机构后输出的数字信号进入硬件进行处理，硬件采用DSP，上位机中程序流程如图4所示，首先读取数字信号M_i(i＝A_x、A_y、A_z、E_x、E_y、E_z)，并根据式(1)将之转换为加速度信号进而与预先设定的各加速度计的最大输出阈值进行比较，若加速度信号绝对值超过了设定最大阈值，则该加速度计故障Flag置为1，并且判断故障Flag为1的持续时间是否大于时间阈值T₀，若故障Flag为1的时间超过了时间阈值，则将电机驱动器的控制使能信号设为高电平，电机驱动器关闭，电机停止转动。同时，通过通讯系统将关闭驱动器的信号反馈给控制器和主控计算机。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，其特征在于，包括：

两个正六面体，其分别被安装在光电望远镜方位轴和俯仰轴的旋转平面内，并且距离旋转中心一定距离的位置；

六个加速度计，每三个加速度计分别被固定在一个所述正六面体的三个垂直面上，分别感受三维空间相互垂直的三个方向的加速度；各加速度计输出信号经过仪表放大器放大、滤波器滤波后得电压值，经过高精度高分辨率数字采集卡后，可将加速度信号的输出至上位机；

上位机根据六个加速度计安装的位置以及望远镜的预定工作状态可以给出正常运转情况下第i个加速度计的输出最大值，将该值乘以某安全冗余系数作为该加速度计的最大输出阈值；当六个加速度计中有一个加速度计的输出绝对值超过相应的最大输出阈值时，则与此加速度计对应的故障可能发生；故障保持时间超出预先设定的时间阈值，则判断系统运行出现异常。

2.根据权利要求1所述的基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，其特征在于，望远镜的预定工作状态包括：最大角加速度、某方向所能承受最大冲击加速度。

3.根据权利要求1所述的基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，其特征在于，所述上位机为计算机。

4.根据权利要求1所述的基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，其特征在于，六个加速度计输出最大阈值的确定方法为：

首先，对方位轴旋转平面内的三个加速度计A_x、A_y、A_z的输出最大阈值进行确定；由于望远镜绕方位轴做旋转角运动，在系统不受任何外部冲击的前提下，A_x和A_y两个加速度计的输出近似为零，记A_x和A_y两个加速度计的输出最大阈值分别为和则有

$T_{A_x}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{A_x}^{\max }{a}_{A_x}^{\max },T_{A_y}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{A_y}^{\max }{a}_{A_y}^{\max }---\left(2\right)$

其中分别是预先设定的安全系数，和分别是望远镜系统沿加速度计A_x和A_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定；加速度计A_z感受望远镜的方位轴角加速度，设望远镜方位轴的工作最大角加速度为则A_z加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数；

其次，确定俯仰轴旋转平面内的三个加速度计E_x、E_y、E_z的输出最大阈值；加速度计E_x感受望远镜的俯仰轴角加速度，设望远镜俯仰轴的工作最大角加速度为则E_x加速度计的输出最大阈值的计算方法如下

其中是预先设定的冗余系数；在系统不受任何外部冲击的前提下，E_y加速度计的输出近似为零，记E_y加速度计的输出最大阈值为则有

$T_{E_y}^{\max }={\mathrm{\&sigma;}}_{E_y}^{\max }{a}_{E_y}^{\max }---\left(5\right)$

其中是预先设定的安全系数，是望远镜系统沿加速度计E_y敏感轴方向所能承受的最大加速度冲击，此参数在系统机械设计完成后可以确定；记E_z加速度计的输出最大阈值为望远镜的俯仰角记为E(0°<E<90°)，则有

其中是预先设定的冗余系数。

5.根据权利要求1所述的基于加速度计的大型光电望远镜辅助安全保护系统，其特征在于，故障时间阈值T₀，设采集加速度计信号的A/D采集卡采样频率为fHz，则T₀取为其中是预先设定的整系数。