CN110207723B - 一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法，利用主轴角位置数据对主轴陀螺进行消偏及初始对准处理，然后依据目标的运动特性生成目标运动轨迹，复合轴主轴以虚拟目标角位置为输入，主轴角位置反馈进行位置闭环，同时以虚拟目标位置与主轴陀螺积分值的差值为主轴跟踪残余误差，子轴以该残余误差为输入进行位置闭环，该残余误差与子轴的角位置差值即为复合轴控制系统的控制精度。该方法可以在无测试目标配合条件下，并且在主轴测角精度不足以支撑子轴高精度测试的情况下，通过数字虚拟目标模拟测试目标，主轴陀螺数据积分值代替主轴角位置的方式，进行复合轴跟踪系统控制精度的测试，极大地减小了复合轴控制系统控制精度测试对设备和场地的依赖。

Description

一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法

技术领域

本发明属于信号测试技术领域，主要涉及一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法，尤其涉及一种使用数字目标替代测试目标以及陀螺积分替代主轴位置，对子轴是由“快速反射镜”构成的复合轴控制系统控制精度测试方法。

背景技术

为了提高光电跟踪仪的跟踪精度，光电跟踪仪会采用复合轴系统，光电跟踪仪复合轴系统(示意图见图2)是在主机构上安装一个水平、高低均可微动的子机构，子机构一般采用快速反射镜，用以控制发射和接收光轴的方向。主机构称为主轴系统，简称主轴；快速反射镜系统称为子轴系统，简称子轴；主轴与子轴可分别控制。主轴工作范围较大，带宽较窄，精度较低；子轴工作范围较小(小有限转角)，带宽高、响应快、精度高。子轴弥补了主轴带宽低、精度不足的缺陷，而其工作范围小的缺点由主轴予以克服，两者作用合成，便可实现大范围的高精度跟踪。

快速反射镜是利用反射镜面在光源和接收器之间控制光束的一种装置，与大惯量机架结构的主轴系统共同构成复合轴系统，在各种光学系统中用于控制光束，它实际上是由镜体(玻璃或者金属)、柔性支撑架和驱动器(压电陶瓷、音圈电机、力矩器)三部分组成，其优点是结构谐振频率高、响应速率快、零摩擦、动态滞后误差小等优点，缺点为工作范围小、一般以反射镜自身位置反馈进行闭环，该装置在公开文献中有介绍。

在已公开发表的文章中可见，复合轴光电跟踪系统主轴采用精度较低的大范围探测器测量目标相对与光轴指向的偏差，该偏差由主轴响应，使目标进入精度较高的小范围子轴探测器测量范围，子轴探测器获得目标相对与光轴指向的偏差，该偏差由子轴响应，子轴对该偏差的跟随误差即为复合轴光电跟踪系统的控制误差，该控制原理见附图3。

在上述技术原理的基础上，如果想对相应系统进行控制精度测试，直观上需要完成全系统搭建，并存在真实目标的条件下才可以进行，但在设计过程往往难以协调进行真实条件下的控制精度测试。

发明内容

为解决现有技术中难以在设计过程对相应系统进行控制精度测试的问题，本发明提出一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法，在该方法中用于光电跟踪仪复合轴测试的目标是由数字生成的，而为了获得等效于子轴探测器的高精度数据，采用主轴陀螺的积分替代了空间光轴位置，并通过数字航迹的方式获得子轴输入偏差。采用本发明对复合轴控制系统的控制性能进行验证，为全系统产品交付、外场试验提供必要技术支撑。

本发明的技术方案为：

所述一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：初始化参数T、i、k、σ、λ、κ、N；其中，T为控制系统的运算周期；i代表主轴陀螺零偏计算时，主轴陀螺输出角速率数据的序号；k代表控制系统第k个运算周期；σ为主轴调转到位阈值；λ为子轴校正范围；κ为测试结束判断阈值；N为主轴陀螺零偏计算需要采集数据个数的上限；

步骤2：依据设定的目标运动轨迹计算目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}以及目标终点角位置θ_{tgt_end}；

步骤3：将光电跟踪仪主轴调转至目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}，同时将子轴锁定在子轴零位位置；

步骤4：判断主轴是否到达目标起始跟踪点的角位置，如果|θ_{tgt_init}-θ_{main_c}o_der|＜σ，执行步骤5，否则执行步骤3；其中θ_{main_coder}是主轴角位置测量器件的角位置输出；

步骤5：将主轴锁定在目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}；

步骤6：读取主轴陀螺输出角速率数据：

步骤6.1：读取并记录主轴陀螺输出角速率数据ω_{gyro_orig}(i)，i代表读取到主轴陀螺输出角速率数据的序号；

步骤6.2：更新主轴陀螺输出角速率数据序号i＝i+1，并判断读取主轴陀螺输出角速率数据是否完成，如果i>N，则进行步骤7，否则返回步骤6.1；

步骤7：根据公式

计算主轴陀螺零偏值ω_{gyro_bias}；

步骤8：进行主轴陀螺积分初值对准：θ_{main_GyroIntgInit}＝θ_{main_coder}，其中θ_{main_GyroIntgInit}为主轴陀螺积分初始值；

步骤9：依据目标运动特性，计算当前第k个运算周期目标角位置θ_tgt(k)；

步骤10：以目标角位置θ_tgt(k)与主轴角位置θ_{main_coder}(k)的差值θ_tgt(k)-θ_{main_coder}(k)为误差信号驱动光电跟踪仪复合轴主轴运动；同时对主轴陀螺数据进行积分：

如果k＝0，则θ_{main_GyroIntg}(0)＝θ_{main_GyroIntgInit}；

否则θ_{main_GyroIntg}(k)＝θ_{main_GyroIntg}(k-1)+T×(ω_{gyro_orig}(k)-ω_{gyro_bias})；ω_{gyro_orig}(k)表示当前第k个运算周期中的主轴陀螺输出的角速率数据；

步骤11：判断主轴对目标跟踪的残余误差是否进入子轴校正范围，如果|θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)|≤λ，则执行步骤12，否则，执行步骤13；

步骤12：以目标角位置与主轴陀螺积分的差值θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)为误差信号驱动子轴运动，执行步骤13；

步骤13：子轴锁定子轴零位；

步骤14：记录目标角位置θ_tgt(k)、主轴角位置θ_{main_coder}(k)、目标角位置与主轴陀螺积分的差值θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)、子轴角位置数据θ_sub(k)；

步骤15：判断测试是否结束，如果|θ_tgt(k)-θ_{tgt_end}|＜κ，测试完成，执行步骤17，否则执行步骤16；

步骤16：更新控制系统运算周期，k＝k+1，跳转至步骤9；

步骤17：测试数据处理：

步骤17.1：主轴系统测试数据处理：主轴系统误差、主轴随机误差分别为mean_main、δ_main：

步骤17.2：子轴系统测试数据处理：子轴系统误差、子轴随机误差分别为mean_sub、δ_sub：

其中M为步骤9～步骤16的循环次数。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下三个方面。

(一)本发明通过数字生成目标运动轨迹的方式模拟运动目标，测试方法不需要外场布置合作目标既可对控制系统的精度进行测量，节省了成本；

(二)本发明在脱离系统光电探测环节的情况下，对光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度进行了测试，节约了时间成本；

(三)本发明可在主轴测角元件不满子轴精度测试的条件下，通过对主轴陀螺消偏、对准、积分等效替代主轴测角位置，完成复合轴系统控制精度的测试，降低了测试对系统硬件的需求。

附图说明

图1是本发明测试方法的操作流程图。

图2是光电跟踪仪复合轴系统示意图。

图3是光电跟踪仪复合轴控制原理图。

图4是本发明优选实施例目标运动轨迹规划说明图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法的优选实施是由光电设备伺服控制软件来实现，伺服控制软件运行在主控芯片为DSP的伺服控制板上，该方法实现的前提条件如下：

①光电跟踪仪结构件安装完整并经过配平处理，与控制相关的传感器(陀螺、主轴角位置传感器、子轴角位置传感器)以及通信功能正常；

②复合轴系统主轴控制基本回路可用，该回路的基本要求为：在确保相位裕度的基础上，尽量提高其带宽，在本优选实施例中主回路的剪切频率16Hz，带宽为22Hz，相位裕度47°；

③复合轴系统子轴控制基本回路可用，该回路的基本要求为：其带宽大于主轴稳定回路带宽的2倍以上，在本优选实施例中子回路的剪切频率35Hz，带宽为49Hz，相位裕度52°；

在上述工作完成的基础上，当伺服控制软件接收到上级系统或者预先设定的复合轴控制系统控制精度测试指令时，按照附图1所示的工作流程执行以下操作步骤：

步骤1：初始化参数T、i、k、σ、λ、κ、N；其中，T＝0.0005s为控制系统的运算周期；i代表主轴陀螺零偏计算时，主轴陀螺原始输出数据的序号；k代表控制系统第k个运算周期；σ＝0.1°为主轴调转到位阈值；λ＝1.2mrad为子轴校正范围；κ＝0.1°为测试结束判断阈值；N＝5000为主轴陀螺零偏计算需要采集数据个数的上限。

步骤2：依据目标运动轨迹(可以是直线运动轨迹、蛇形、俯冲、拐弯等)计算目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}以及目标终点角位置θ_{tgt_end}。

本优选实例采取直线运动轨迹(见附图4)，O为光电跟踪仪原点位置，平面OAC为水平面，D为目标起始位置，B为目标终点位置，DB与平面OAC平行，目标以速度V由D向B运动，CA为DB在水平面上的投影，H为DB与平面OAC的距离，P为O至AC的距离。R指向目标，R在XOY的投影为r，θ_{tgt_Az}为目标水平角位置，θ_{tgt_El}为目标高低角位置。

令DB之间的距离为L，则目标跟踪起始点的角位置为：

目标跟踪终点的角位置为：

其中θ_{tgt_init_Az}、θ_{tgt_init_El}为目标起始跟踪点的水平角位置和高低角位置，θ_{tgt_end_Az}、θ_{tgt_end_El}目标跟踪终点的水平角位置和高低角位置。

步骤3：将光电跟踪仪主轴调转至目标起始跟踪点角位置(θ_{tgt_init_Az},θ_{tgt_init_El})，同时将子轴锁定在子轴零位位置。

步骤4：判断主轴是否到达目标起始跟踪点的角位置，如果

|θ_{tgt_init_Az}-θ_{main_coder_Az}|＜σand|θ_{tgt_init_El}-θ_{main_coder_El}|＜σ

则执行步骤5，否则执行步骤3；其中θ_{main_coder_Az}是主轴水平角位置测量器件(编码器、旋转变压器或者其它角位置测量器件)的角位置输出，θ_{main_coder_El}是主轴高低角位置测量器件的角位置输出。

步骤5：将主轴方位向以及高低向同时锁定在目标起始跟踪点角位置(θ_{tgt_init_Az},θ_{tgt_init_El})。

步骤6：读取主轴陀螺输出角速率数据：

步骤6.1：读取并记录主轴水平陀螺输出角速率数据ω_{gyro_orig_Az}(i)和主轴高低陀螺输出角速率数据ω_{gyro_orig_El}(i)，，i代表读取到主轴陀螺输出角速率数据的序号；

步骤6.2：更新主轴陀螺输出角速率数据序号i＝i+1，并判断读取主轴陀螺输出角速率数据是否完成，如果i>N，则进行步骤7，否则返回步骤6.1；

步骤7：根据公式

计算主轴水平陀螺零偏值ω_{gyro_bias_Az}和高低陀螺零偏值ω_{gyro_bias_El}；

步骤8：主轴陀螺积分初值对准，θ_{main_GyroIntgInit_Az}＝θ_{main_coder_Az}，θ_{main_GyroIntgInit_El}＝θ_{main_coder_El}，其中θ_{main_GyroIntgInit_Az}为主轴水平陀螺积分初始值，θ_{main_GyroIntgInit_El}为主轴高低陀螺积分初始值。

步骤9：依据目标运动特性，计算当前第k个运算周期目标角位置

(θ_{tgt_Az}(k)，θ_{tgt_El}(k))；

步骤10：以θ_{tgt_Az}(k)-θ_{main_coder_Az}为误差信号驱动光电跟踪仪复合轴主轴水平方向运动，θ_{tgt_El}(k)-θ_{main_coder_El}为误差信号驱动光电跟踪仪复合轴主轴高低方向运动；

同时对主轴陀螺数据进行积分：

如果k＝0，则θ_{main_Gyr}oIntg__Az(0)＝θ_{main_GyroIntgInit_Az}，θ_{main_GyroIntg_El}(0)＝θ_{main_GyroIntgInit_El}；

否则θ_{main_GyroIntg_Az}(k)＝θ_{main_GyroIntg_Az}(k-1)+T×(ω_{gyro_orig_Az}(k)-ω_{gyro_bias_Az})；

θ_{main_GyroIntg_El}(k)＝θ_{main_GyroIntg_El}(k-1)+T×(ω_{gyro_orig_El}(k)-ω_{gyro_bias_El})。

步骤11：判断主轴对目标跟踪的残余误差是否进入子轴校正范围，如果

|θ_{tgt_Az}(k)-θ_{main_GyroIntg_Az}(k)|≤λand|θ_{tgt_El}(k)-θ_{main_GyroIntg_El}(k)|≤λ

则执行步骤12，否则，执行步骤13。

步骤12：以θ_{tgt_Az}(k)-θ_{main_GyroIntg_Az}(k)为误差信号驱动子轴水平方向运动，

以θ_{tgt_El}(k)-θ_{main_GyroIntg_El}(k)为误差信号驱动子轴高低方向运动，执行步骤13。

步骤13：子轴锁定子轴零位。

步骤14：记录(θ_tgt_{_Az}(k)，θ_{tgt_El}(k))、(θ_{main_coder_Az}(k)，θ_{main_coder_El}(k))、

(θ_{tgt_Az}(k)-θ_{main_GyroIntg_Az}(k),θ_{tgt_El}(k)-θ_{main_GyroIntg_El}(k))、(θ_{sub_Az}(k),θ_{sub_El}(k))，

其中(θ_{sub_Az}(k),θ_{sub_El}(k))为子轴水平角位置和子轴高低角位置。

步骤15：判断测试是否结束，如果

|θ_{tgt_Az}(k)-θ_{tgt_end_Az}|＜κand|θ_{tgt_El}(k)-θ_{tgt_end_El}|＜κ，

则测试完成，执行步骤17，否则执行步骤16。

步骤16：更新控制系统运算周期，k＝k+1，跳转至步骤9。

步骤17：测试数据处理：

步骤17.1：主轴系统测试数据处理：主轴水平方向系统误差、主轴水平方向随机误差、主轴高低方向系统误差、主轴高低方向随机误差分别为mean_{main_Az}、δ_{main_Az}、mean_{main_El}、δ_{main_El}：

步骤17.2：子轴系统测试数据处理：子轴水平方向系统误差、子轴水平方向随机误差、子轴高低方向系统误差、子轴高低方向随机误差分别为mean_{sub_Az}、δ_{sub_Az}、mean_{sub_El}、δ_{sub_El}，同时也是复合轴控制系统的控制精度：

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Claims (1)

1.一种光电跟踪仪复合轴控制系统控制精度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：初始化参数T、i、k、σ、λ、κ、N；其中，T为控制系统的运算周期；i代表主轴陀螺零偏计算时，主轴陀螺输出角速率数据的序号；k代表控制系统第k个运算周期；σ为主轴调转到位阈值；λ为子轴校正范围；κ为测试结束判断阈值；N为主轴陀螺零偏计算需要采集数据个数的上限；

步骤2：依据设定的目标运动轨迹计算目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}以及目标终点角位置θ_{tgt_end}；

步骤3：将光电跟踪仪主轴调转至目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}，同时将子轴锁定在子轴零位位置；

步骤4：判断主轴是否到达目标起始跟踪点的角位置，如果|θ_{tgt_init}-θ_{main_coder}|＜σ，执行步骤5，否则执行步骤3；其中θ_{main_coder}是主轴角位置测量器件的角位置输出；

步骤5：将主轴锁定在目标起始跟踪点角位置θ_{tgt_init}；

步骤6：读取主轴陀螺输出角速率数据：

步骤6.1：读取并记录主轴陀螺输出角速率数据ω_{gyro_orig}(i)，i代表读取到主轴陀螺输出角速率数据的序号；

步骤6.2：更新主轴陀螺输出角速率数据序号i＝i+1，并判断读取主轴陀螺输出角速率数据是否完成，如果i>N，则进行步骤7，否则返回步骤6.1；

步骤7：根据公式

计算主轴陀螺零偏值ω_{gyro_bias}；

步骤8：进行主轴陀螺积分初值对准：θ_{main_GyroIntgInit}＝θ_{main_coder}，其中θ_{main_GyroIntgInit}为主轴陀螺积分初始值；

步骤9：依据目标运动特性，计算当前第k个运算周期目标角位置θ_tgt(k)；

步骤10：以目标角位置θ_tgt(k)与主轴角位置θ_{main_coder}(k)的差值θ_tgt(k)-θ_{main_coder}(k)为误差信号驱动光电跟踪仪复合轴主轴运动；同时对主轴陀螺数据进行积分：

如果k＝0，则θ_{main_GyroIntg}(0)＝θ_{main_GyroIntgInit}；

否则θ_{main_GyroIntg}(k)＝θ_{main_GyroIntg}(k-1)+T×(ω_{gyro_orig}(k)-ω_{gyro_bias})；ω_{gyro_orig}(k)表示当前第k个运算周期中的主轴陀螺输出的角速率数据；

步骤11：判断主轴对目标跟踪的残余误差是否进入子轴校正范围，如果|θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)|≤λ，则执行步骤12，否则，执行步骤13；

步骤12：以目标角位置与主轴陀螺积分的差值θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)为误差信号驱动子轴运动，执行步骤13；

步骤13：子轴锁定子轴零位；

步骤14：记录目标角位置θ_tgt(k)、主轴角位置θ_{main_coder}(k)、目标角位置与主轴陀螺积分的差值θ_tgt(k)-θ_{main_GyroIntg}(k)、子轴角位置数据θ_sub(k)；

步骤15：判断测试是否结束，如果|θ_tgt(k)-θ_{tgt_end}|＜κ，测试完成，执行步骤17，否则执行步骤16；

步骤16：更新控制系统运算周期，k＝k+1，跳转至步骤9；

步骤17：测试数据处理：

步骤17.1：主轴系统测试数据处理：主轴系统误差、主轴随机误差分别为mean_main、δ_main：

步骤17.2：子轴系统测试数据处理：子轴系统误差、子轴随机误差分别为mean_sub、δ_sub：

其中M为步骤9～步骤16的循环次数。

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