CN110927920A - 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法 - Google Patents

一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110927920A
CN110927920A CN201911326011.8A CN201911326011A CN110927920A CN 110927920 A CN110927920 A CN 110927920A CN 201911326011 A CN201911326011 A CN 201911326011A CN 110927920 A CN110927920 A CN 110927920A
Authority
CN
China
Prior art keywords
loop
tilting mirror
grating ruler
control
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911326011.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110927920B (zh
Inventor
阮勇
徐田荣
杨涛
凌宇
赵志强
杜升平
蒋晶
唐涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Optics and Electronics of CAS
Original Assignee
Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Optics and Electronics of CAS filed Critical Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority to CN201911326011.8A priority Critical patent/CN110927920B/zh
Publication of CN110927920A publication Critical patent/CN110927920A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110927920B publication Critical patent/CN110927920B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/18—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors
    • G02B7/182—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B11/00—Automatic controllers
    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
    • G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法，主要用于提高倾斜镜控制系统的精度，减小跟踪误差，实现高精度的图像稳定。控制装置包括快速倾斜镜、伺服控制器、光栅尺传感器、图像传感器(如CCD、四象限等)、信标光源、平台。控制方法是一种双回路闭环控制：闭环回路包含了高带宽速度回路和跟踪回路；其中速度回路信号由光栅尺测量的位置信号微分所得，跟踪回路信号来源于图像传感器。本发明采用了级联的传感器控制方式，有效减小了跟踪误差，实现了高清晰的稳像，具有结构简单、稳定可靠、工程实现容易。

Description

一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法
技术领域
本发明设计跟踪控制领域，具体涉及一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法，主要用于减小跟踪误差，提升系统的跟踪性能，实现高清晰的图像稳定。
背景技术
倾斜镜广泛应用于光束控制系统中。对于提高快速倾斜镜控制系统的跟踪性能具有重要意义。国内外专家从硬件和软件上分别提出了各种方法，很多公开文献如论文(CCDbased optical tracking loop design trades,Proc.SPIE,1635,286–299(1992).)、(Tip-Tilt Tests by Using Eddy Current Measuring Sensors,Applied Mechanics andMaterials,Vol.870,pp.73-78(2017))等都做了相应的报道。文献所给出的从硬件方面的方法是改善系统的设计，减小系统的延迟，提高跟踪带宽；在控制方式上，在有限的跟踪带宽下加一个高带宽的位置内环，实现双位置回路的控制模式。然而，高的控制带宽总是受到多方面的限制，比如延迟、机械结构，所以对于提高系统设计的代价是高昂的。而采用双位置回路的控制模式的方法仅仅是改善了内环带宽，有利于跟踪回路控制器的设计，并不能很有效的提升跟踪回路对于误差的抑制能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法，采用了位置速率双回路控制模式。在基于图像传感器的位置环里，添加一个速度内环，利用速度回路引入的积分环节改造系统的传递特性，提升系统的跟踪能力，效减小了跟踪误差，提升了跟踪精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置，该装置由光栅尺传感器、快速倾斜镜、伺服控制器、信标光源、图像传感器和平台组成；其中快速倾斜镜、图像传感器安装在同一平台上；信标光源用于模拟空间中任意图像的点；快速倾斜镜闭环控制的目的就是减小跟踪误差，实现信标光源在图像传感器中高清晰的图像稳定；其中，光栅尺传感器直接安装在快速倾斜镜上，直接测量快速倾斜镜的倾斜量；光栅尺传感器是一种直接测量位置的传感器，由于其具有很高的精度及分辨率，可以将其测量的位置信息进行微分的到速率信息，从而实现快速倾斜镜的速率反馈控制；另外图像传感器可以测量信标光源的位置信息实现位置回路；从而由图像传感器、光栅尺传感器实现位置速率双回路控制。
进一步地，所述的图像传感器为CCD或者四象限。
进一步地，所述的反馈回路，速度会路的控制带宽应该尽可能最大化，至少2倍于跟踪(位置)回路的带宽。
进一步地，快速倾斜镜控制系统引入速率控制导致系统呈微分特性，当速度回路完成闭环后在位置环路引入一个积分环节，位置回路使用PI(比例-积分)实现回路稳定；因此系统型別提升二阶，从而有效减小系统跟踪误差，提升控制精度。
一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制方法，该控制方法是一种双回路闭环控制：闭环回路包含了高带宽速度回路和跟踪回路；其中速度回路信号由光栅尺测量的位置信号微分所得，跟踪回路信号来源于图像传感器。
本发明相对于现有技术的优点有：
(1)本发明在原有单跟踪(位置)回路的基础上增加一个速度回路，有效减小跟踪误差，提高系统跟踪能力；
(2)本发明所使用的光栅尺传感器为非接触式传感器，安装不会增加系统的驱动负载；
(3)本发明控制算法简单，稳定可靠，工程实现容易。
附图说明
图1为本发明基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置示意图；
其中：1为光栅尺传感器、2为伺服控制器、3为快速倾斜镜、4为图像传感器、5为信标光源、6为平台；
图2为本发明一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制方法控制结构图；
其中：快速倾斜镜的速率传递特性：Gv；速度控制器：Cv；跟踪(位置)控制器：C；跟踪信号输入：R(s)；跟踪信号误差：E(s)；跟踪信号输出O(s)。
光栅尺传感器特性近似为常数1；图像传感器特性近似为e-τs。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。
如图1所示，基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置：由快速倾斜镜3、伺服控制器2、信标光源5、光栅尺传感器1图像传感器(如CCD、四象限等)4和平台6组成。其中快速倾斜镜3、图像传感器4安装在同一平台上；光栅尺传感器1直接安装在快速倾斜镜上，直接测量快速倾斜镜的倾斜量。信标光源5用于模拟空间中任意图像的点。快速倾斜镜3闭环控制的目的减小跟踪误差，实现信标光源5在图像传感器4中高清晰的图像稳定。
伺服控制器2用于装置的闭环控制，具体包含功率驱动、控制板卡、高精度采集单元(模拟电路预处理单元、A/D、D/A、串口)、驱动电源等。通过采集单元获取角位移传感器图像传感器4的模拟信号。图像传感器4提供光源的位置偏差，该信号用做跟踪回路的闭环信号。通过串口获取光栅尺传感器1测量快速倾斜镜3的倾斜量，该信号微分后用作速度闭环信号。
反馈回路的设计已经是非常成熟的方法。其中速度反馈回路可以使用比例-积分(PI)控制器实现闭环。值得注意的是，速度回路的闭环带宽应为跟踪(位置)回路带宽的2倍以上，因此高带宽的速度回路可以认为
Figure BDA0002328395370000031
当速度回路闭环完成后，跟踪(位置)回路的开环传递函数会引入一个积分环节，再设计一个PI控制器可以实现跟踪(位置)回路的稳定控制。在控制板卡里完成速度控制器、跟踪(位置)控制器，就实现了本发明的控制方法。
图2为本发明一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制方法控制结构图；其中，快速倾斜镜的速率传递特性：Gv；速度控制器：Cv；跟踪(位置)控制器：C(s)；跟踪信号输入：R(s)；跟踪信号误差：E(s)；跟踪信号输出O(s)。光栅尺传感器特性近似为常数1；图像传感器特性近似为e-τs。
按照上述方法能够实现该方法的原理如下：快速倾斜镜控制系统的开环传递函数描述如下：
Figure BDA0002328395370000032
其中，KP、KI分别是位置控制器增益、积分时间常数，P、I是符号角标，s为拉普拉斯算子，τ为系统延迟时间，一般2～3倍于CCD图像传感器的采样时间。
由此，可以得出该方法的灵敏度函数：
Figure BDA0002328395370000033
很显然，传统的快速倾斜镜控制系统对跟踪信号误差抑制的效果为：
Figure BDA0002328395370000041
其中，CP(s)为传统控制方法中控制器，K为控制器积分常数。
由公式(2)和公式(3)对比可以明显得知，采用位置速率控制模式由于引入了速度回路，因此控制系统型別高于仅采用位置回路控制模式控制系统，从而有效提升了系统在的误差抑制能力。采用本发明方法有一个需要满足的重要条件就是内回路采用的速度回路带宽必须要尽可能宽，应至少为外回路即跟踪(位置)回路的2倍以上。另外对于图像传感器的信号的要求为噪声应尽量低，否则会限制系统对误差的抑制能力，特别是低频信号的误差抑制能力。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置，其特征在于：该装置由光栅尺传感器(1)、快速倾斜镜(3)、图像传感器(4)、伺服控制器(2)、信标光源(5)、平台(6)组成；其中快速倾斜镜(3)、图像传感器(4)安装在同一平台上；信标光源(5)用于模拟空间中任意图像的点；快速倾斜镜(3)闭环控制的目的是减小跟踪误差，实现信标光源(5)在图像传感器(4)中高清晰的图像稳定；其中：光栅尺传感器(1)安装在快速倾斜镜(3)上用于测量快速倾斜镜倾斜量；光栅尺传感器(1)是一种直接测量位置的传感器，由于其具有很高的精度及分辨率，可以将其测量的位置信息进行微分的到速率信息，从而实现快速倾斜镜(3)的速率反馈控制；另外图像传感器(4)可以测量信标光源(5)的位置信息实现位置回路；从而由图像传感器(4)、光栅尺传感器(1)实现位置速率双回路控制。
2.根据权利要求1所述的基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置，其特征在于：所述的图像传感器(4)为CCD或者四象限。
3.根据权利要求1所述的基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置，其特征在于：所述的反馈回路，速度回路的控制带宽应该尽可能最大化，至少2倍于跟踪(位置)回路的带宽。
4.根据权利要求1所述的基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置，其特征在于：快速倾斜镜控制系统引入速率控制导致系统呈微分特性，当速度回路完成闭环后在位置环路引入一个积分环节，位置回路使用PI(比例-积分)实现回路稳定；因此系统型別提升二阶，从而有效减小系统跟踪误差，提升控制精度。
5.一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制方法，其特征在于：该控制方法是一种双回路闭环控制：闭环回路包含了高带宽速度回路和跟踪回路；其中速度回路信号由光栅尺测量的位置信号微分所得，跟踪回路信号来源于图像传感器。
CN201911326011.8A 2019-12-20 2019-12-20 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法 Active CN110927920B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911326011.8A CN110927920B (zh) 2019-12-20 2019-12-20 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911326011.8A CN110927920B (zh) 2019-12-20 2019-12-20 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110927920A true CN110927920A (zh) 2020-03-27
CN110927920B CN110927920B (zh) 2022-04-19

Family

ID=69863386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911326011.8A Active CN110927920B (zh) 2019-12-20 2019-12-20 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110927920B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005108162A (ja) * 2003-09-12 2005-04-21 Ricoh Co Ltd サーボ制御装置
CN102540877A (zh) * 2012-02-03 2012-07-04 中国科学院光电技术研究所 一种基于快速倾斜镜校正的振动控制装置的控制方法
CN102707732A (zh) * 2012-05-25 2012-10-03 中国科学院光电技术研究所 一种光通信的精跟踪控制系统
CN104266663A (zh) * 2014-09-28 2015-01-07 中国科学院光电技术研究所 一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法
CN104932252A (zh) * 2015-06-26 2015-09-23 中国科学院光电技术研究所 一种改进的自抗扰与pid的串级控制方法
CN106843256A (zh) * 2017-03-30 2017-06-13 上海航天控制技术研究所 一种采用位置速度双回路的卫星控制方法
CN107505845A (zh) * 2017-09-18 2017-12-22 中国科学院光电技术研究所 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法
CN108897230A (zh) * 2018-09-28 2018-11-27 中国科学院光电技术研究所 一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法
CN109062115A (zh) * 2018-09-11 2018-12-21 长沙学院 一种基于双闭环控制的滚球控制方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005108162A (ja) * 2003-09-12 2005-04-21 Ricoh Co Ltd サーボ制御装置
CN102540877A (zh) * 2012-02-03 2012-07-04 中国科学院光电技术研究所 一种基于快速倾斜镜校正的振动控制装置的控制方法
CN102707732A (zh) * 2012-05-25 2012-10-03 中国科学院光电技术研究所 一种光通信的精跟踪控制系统
CN104266663A (zh) * 2014-09-28 2015-01-07 中国科学院光电技术研究所 一种运动平台光电跟踪系统二级稳定扰动解耦方法
CN104932252A (zh) * 2015-06-26 2015-09-23 中国科学院光电技术研究所 一种改进的自抗扰与pid的串级控制方法
CN106843256A (zh) * 2017-03-30 2017-06-13 上海航天控制技术研究所 一种采用位置速度双回路的卫星控制方法
CN107505845A (zh) * 2017-09-18 2017-12-22 中国科学院光电技术研究所 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法
CN109062115A (zh) * 2018-09-11 2018-12-21 长沙学院 一种基于双闭环控制的滚球控制方法
CN108897230A (zh) * 2018-09-28 2018-11-27 中国科学院光电技术研究所 一种基于跟踪和扰动前馈的快反镜控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周睿 等: "基于两级高速倾斜镜闭环控制的光束稳定技术研究", 《光学学报》 *
徐新行 等: "具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计", 《仪器仪表学报》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110927920B (zh) 2022-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104267743A (zh) 一种采用自抗扰控制技术的船载摄像稳定平台控制方法
CN101470318B (zh) 振动补偿控制电路
CN102368162B (zh) 一种大角度的快速反射镜跟踪系统
CN101382805B (zh) 速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统
CN107505845B (zh) 一种提高倾斜镜控制系统扰动抑制能力的控制方法
CN106227035A (zh) 一种运动平台小型光电系统高精度跟瞄控制方法
KR101440702B1 (ko) 병렬 구동 시스템
CN112051726B (zh) 一种基于线性跟踪微分器的位置前馈控制方法
CN102540877B (zh) 一种基于快速倾斜镜校正的振动控制装置的控制方法
FR2504701B1 (zh)
CN107390522A (zh) 一种基于视觉跟踪的误差观测前馈控制方法
CN106953579A (zh) 一种音圈电机位置运动控制方法
CN110794878B (zh) 一种随动系统俯仰角度跟踪控制方法
CN110927920B (zh) 一种基于光栅尺的快速倾斜镜位置速率控制装置及方法
CN109884791B (zh) 一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法
CN108268027B (zh) 驾驶轨迹优化方法及优化系统
CN107543537B (zh) 一种提高光纤陀螺标度因数稳定性的方法
CN201141934Y (zh) 一种能自动调整镜头焦距的电脑制版设备
CN102185251B (zh) 计算机控制的激光器长期稳频装置及其方法
CN102385312A (zh) 一种快速倾斜镜控制系统中串联型pi-pi的控制器
CN112304336B (zh) 一种高频角振动转台控制方法
CN111427386B (zh) 一种结合bang-bang控制与无超调预测控制的光电设备快速调转方法
Borrello A multi stage pointing acquisition and tracking (PAT) control system approach for air to air laser communications
CN108880366B (zh) 一种减速箱试验台转矩加载控制器的控制方法
CN208044348U (zh) 一种无人驾驶纯电动船的船舵系统精度识辩系统装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant