CN111650805A - 一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置及方法。收到切换指令后，以最大控制量控制旋转电磁铁由第一视场加速向第二视场旋转，在旋转路径中设置有两个位置检测的光电开关，记录经过这两个位置检测点的时间，由此算得减速运行开始时刻及减速停止时刻，至减速时刻以负向最大控制量控制旋转电磁铁减速运行至停止时刻，同时启动第二视场处的磁力锁紧组件锁定切换机构，实现切换机构稳定无超调地停止在第二视场，实现切换时间最优。该方法切换速度快，通过控制方法实现减速缓冲，无需提供减速缓冲装置，简化了现有切换机构。

Description

一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置及方法

技术领域

本发明涉及双视场成像领域，具体涉及一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法。

背景技术

双视场切换机构常用于红外成像系统，在光电系统中，双视场成像系统的大视场用于搜索目标，小视场用于精确跟踪测量，常用于跟踪或监视机动性强的目标，其切换速度直接影响了使用效果，若切换时间过长导致跟踪目标丢失，无法满足使用要求。

双视场切换方式有轴向运动切换方式和径向运动切换方式。轴向运动切换方式通过凸轮旋转，实现变倍镜组及补偿镜组轴向间距的变化，改变光学系统的焦距实现不同视场的切换，该方法对凸轮的加工精度要求高，且装配调整较复杂，并且参与成像的透镜数目较多，切换时间较长；径向运动切换方式通常为旋转切换方式，即通过变倍镜组在光学系统中切入/切出来实现不同视场的切换。

目前常用的旋转切换控制方法基于伺服电机+多圈电位计方式，伺服电机经减速器带动变倍组径向切换，多圈电位计反馈位置，采用经典闭环控制实现变倍组的切入/切出，该方法切换时间长，时间达到了秒级。另一种常用的切换方法基于旋转电磁铁+气弹簧缓冲结构，控制电磁铁以最大加速度由一个视场旋转接近另一视场，设计的气动缓冲装置保证旋转切换机构到达另一视场时，旋转机构不会碰撞反弹，该方法虽然提高了切换速度，但是气弹簧缓冲结构复杂，需要调节初始气压，调节麻烦。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的双视场快速切换装置及方法，提高视场切换速度，简化现有切换机构。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，采用旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现第一视场与第二视场的切换；其特殊之处在于：

以正向最大控制量控制旋转电磁铁带动变倍镜组由第一视场位置向第二视场位置运行，运行过程中特定时刻将正向最大控制量替换为反向最大控制量作用于旋转电磁铁减速运行，直至到达第二视场位置时清除控制量；

其中，设旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下从0时刻到达旋转路径1/3和2/3行程处的时间分别为T1和T2，加载反向最大控制量的起始时刻和终点时刻分别为t3和t4；则t3＝3*T2–3*T1；t4＝T1+T2；

同理，通过先以反向最大控制量控制、再以正向最大控制量控制实现第二视场向第一视场的切换。即：0时刻以反向最大控制量控制旋转电磁铁带动变倍镜组由第二视场位置向第一视场位置运行，运行过程中t3时刻将反向最大控制量替换为正向最大控制量作用于电磁铁减速运行，直至到达第一视场位置时(t4时刻)清除控制量。

进一步地，还通过对应于第一视场位置和第二视场位置分别设置磁力锁紧组件，在旋转电磁铁带动变倍镜组运行接近第二视场位置时，使能对应的磁力锁紧组件，磁力锁紧组件对切换机构产生吸附作用，以保证变倍镜组稳定停止于第二视场位置。

进一步地，所述磁力锁紧组件具体可在t3时刻被加电使能。在t4时刻，磁力锁紧组件继续处于使能状态，直至收到由第二视场向第一视场切换的指令时，除去使能。

进一步地，确定所述特定时刻，是在旋转路径的1/3和2/3行程处分别设置位置检测组件，通过记录旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下依次到达两处位置检测组件的时间T1、T2，进而计算得到t3和t4。

进一步地，利用中断函数通过计时器记录T1、T2，每一次切换运行前，将计时器清0；切换运行开始的同时打开计时器，切换运行至两位置检测组件处时记录时间。

相应的，一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，包括基座和安装于基座上的变倍镜组、切换机构和旋转电磁铁，所述旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现第一视场与第二视场的切换；其特殊之处在于：还包括控制器和在旋转路径的1/3和2/3行程处分别设置的位置检测组件；所述位置检测组件与基座相对固定；设旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下从0时刻到达旋转路径1/3和2/3行程处的时间分别为T1和T2，所述控制器存储的程序被加载时实现以下步骤：

在第一视场位置以正向最大控制量+U驱动旋转电磁铁向第二视场方向运动；

依次记录切换机构经过两处位置检测组件的时间T1、T2；计算减速运行开始时刻t3及减速结束时刻t4；t3＝3*T2–3*T1，t4＝T1+T2；

在t3时刻以负向最大控制量-U驱动旋转电磁铁以最大减速度减速；

减速运动到t4时刻时，移除旋转电磁铁控制量，旋转电磁铁速度减速为0到达第二视场位置；

同理，通过先以反向最大控制量、再以正向最大控制量实现第二视场向第一视场的切换。

进一步地，对应于第一视场位置和第二视场位置还分别设置有磁力锁紧组件，磁力锁紧组件与基座相对固定；在旋转电磁铁带动变倍镜组运行接近第二视场位置时，所述控制器使能对应的磁力锁紧组件，磁力锁紧组件能够对切换机构产生吸附作用，以保证变倍镜组稳定停止于第二视场位置。

进一步地，所述磁力锁紧组件兼作机械限位件。

进一步地，所述控制器采用MCU或者FPGA实现，所述位置检测组件采用光电开关。

进一步地，所述控制器采用DSP-TMS320F2812，两个光电开关记为光电开关A、光电开关B，分别与DSP的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2脚相连，通过设置CAP1和CAP2脚上升沿中断，在中断函数中记录光电开关A触发时间为T1，光电开关B触发时间为T2。

本发明与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

1.本发明的切换控制方法，以最大正向控制量加速运动，最大负向控制量减速运动到终点位置，视场切换速度快，经测试，该控制方法视场切换时间小于150ms，较以往的切换时间有较大提高；

2.本发明通过巧妙布局两个体积小、灵敏度高的光电开关，通过记录旋转机构到达两开关的时间计算减速控制开始时刻与结束时间，控制旋转切换机构精准无超调到位控制，自然实现缓冲到位，无需设计复杂的缓冲装置。

3.本发明在视场位置处安装锁紧吸附电磁铁，保证切换结束后，稳定停在期望的视场位置，提高切换控制的鲁棒性。

4.常规的气弹簧缓冲结构需在两个方向设置两套缓冲结构才可实现第一视场到第二视场或第二视场到第一视场的双向切换，而本发明的切换方法无需增加额外的机构即可实现两方向快速切换。

附图说明

图1视场切换运动曲线。

图2视场切换控制流程图。

图3基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置的一个实施例示意图。

图3中的标号说明：

1-旋转电磁铁；2、3-磁力锁紧电磁铁；4-变倍镜组；5、6-光电开关A、B；7-基座；8-对应于磁力锁紧电磁铁的切换机构吸附区域。

具体实施方式

以下结合附图和实施例具体阐述本发明。

本实施例中涉及的基于旋转电磁铁的切换机构可参考中国专利文献CN109946811 A公开的“一种快速响应的双视场切换机构”，旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现视场切换。当然，本实施例的实现不限于上述专利文献中所示的切换机构具体结构。

本实施例的双视场快速切换装置在硬件上主要增加了两个位置检测组件，具体为切换路径上两个等间距安装的光电开关，由此计算视场切换控制的减速开始时刻及停止时刻。本实施例中也设置有磁力锁紧组件，为两视场提供机械限位，同时也通过锁紧电磁铁，实现切换机构的锁定。这里，磁力锁紧组件的作用距离可以很小(例如不超过6mm)，在切换过程中，对切换机构驱动力影响可以忽略不计，仅在期望视场位置附近对切换机构起吸附作用。

本实施例的原理如图1所示，为实现时间最优切换，以最大控制量控制旋转电磁铁由第一视场加速运行到接近第二视场位置，再以反向最大控制量作用电磁铁减速运行到终点，使得旋转机构稳定停在第二视场位置，以最大控制量进行加、减速，从而达到时间最优。

如图1所示，当最大控制量作用于旋转电磁铁时，因旋转摩擦力矩较旋转驱动力矩小得多，可忽略，因此可认为切换机构经历加速-匀速-减速的过程，且加速过程与减速过程对称，旋转的角度相等。

两个位置检测组件等间距安装在旋转区间内，即分别安装在1/3和2/3行程处，根据旋转机构到达1/3和2/3行程处的时间T1和T2计算出减速运行起始时刻t3和终点时刻t4。保证旋转机构在定负向控制量作用下减速运行停止在终点位置，不会碰撞反弹。

t3和t4的计算原理如下：

加速与减速运动过程对称，易得

t4＝T1+T2

到达两光电开关的时刻分别为T1和T2，因此

即

其中：s1为T1时刻前旋转电磁铁匀速运动的时间，v_max为匀速运行的速度，可得：

t3＝T2+s1＝3*T2–3*T1

因位置检测组件(光电开关)安装位置误差、旋转电磁铁正反向力矩不可能完全相等、旋转机构加减速过程不可能完全对称，因此t4时刻，旋转电磁铁停靠位置会有略微差别，这时通过锁紧电磁铁吸附旋转机构，保证旋转机构稳定于第二视场位置，提高切换控制的鲁棒性。

因此，基于上述装置的双视场切换控制方法是：收到切换指令后，以最大控制量控制旋转电磁铁由第一视场加速向第二视场旋转，在旋转路径中设置有两个位置检测的光电开关，记录经过这两个位置检测点的时间，由此算得减速运行开始时刻及减速停止时刻，至减速时刻以负向最大控制量控制旋转电磁铁减速运行至停止时刻，同时启动第二视场处的磁力锁紧组件锁定切换机构，实现切换机构稳定无超调地停止在第二视场，实现切换时间最优。如图2所示：

1)在第一视场位置以最大控制量+U驱动电磁铁向第二视场方向运动；

2)分别记录旋转机构经过光电开关A和光电开关B的时间T1和T2；

3)计算负向最大控制量-U作用减速运行开始时刻t3及减速结束时刻t4；

t3＝3*T2–3*T1；

t4＝T1+T2；

4)在t3时刻以负向最大控制量-U驱动旋转电磁铁以最大减速度减速，同时第二视场的锁紧电磁铁加电使能；

5)减速运动到t4时刻后，移除旋转电磁铁控制量，旋转电磁铁速度减速为0到达第二视场位置。

6)同理实现第二视场向第一视场位置切换。

以下进一步给出一个实例：变倍镜组切入视场为25°×20°，切出为10°×8°。旋转机构旋转角度范围为0-45°。

如图3所示，该装置包括基座和安装于基座上的变倍镜组、切换机构、旋转电磁铁、两处光电开关以及两处磁力锁紧电磁铁，旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现第一视场与第二视场的切换；光电开关A安装于15°位置，光电开关B安装于30°位置；两处磁力锁紧电磁铁分布于第一视场位置和第二视场位置；两处光电开关以及两处磁力锁紧电磁铁均与基座相对固定。

旋转电磁铁驱动器采用H桥驱动。

控制器可选用MCU或者FPGA等实现，本实例中控制器采用DSP-TMS320F2812；两个光电开关分别与DSP的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2脚相连。DSP的控制过程如下：

a、收到切换指令时，将计数器清0。第一视场位置锁紧电磁铁断电，旋转电磁铁加正向最大电压+U，同时打开计时器；

b、设置CAP1和CAP2脚上升沿中断，在中断函数中记录光电开关A触发时间T1，和光电开关B触发时间T2；

c、计算减速控制开始时刻t3及结束时刻t4；

d、在t3时刻，旋转电磁铁施加反向电压-U，第二视场位置锁紧电磁铁加电使能；

e、反向减速运动到t4时刻，旋转电磁铁断电，计时器停止计数，完成视场切换。

同理，重复上述步骤，可完成由第二视场位置至第一视场位置的快速切换。

Claims (10)

1.一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，采用旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现第一视场与第二视场的切换；其特征在于：

以正向最大控制量控制旋转电磁铁带动变倍镜组由第一视场位置向第二视场位置运行，运行过程中特定时刻将正向最大控制量替换为反向最大控制量作用于旋转电磁铁减速运行，直至到达第二视场位置时清除控制量；

其中，设旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下从0时刻到达旋转路径1/3和2/3行程处的时间分别为T1和T2，加载反向最大控制量的起始时刻和终点时刻分别为t3和t4；则t3＝3*T2–3*T1；t4＝T1+T2；

同理，通过先以反向最大控制量控制、再以正向最大控制量控制实现第二视场向第一视场的切换。

2.根据权利要求1所述的基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，其特征在于：还通过对应于第一视场位置和第二视场位置分别设置磁力锁紧组件，在旋转电磁铁带动变倍镜组运行接近第二视场位置时，使能对应的磁力锁紧组件，磁力锁紧组件对切换机构产生吸附作用，以保证变倍镜组稳定停止于第二视场位置。

3.根据权利要求2所述的基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，其特征在于：所述磁力锁紧组件具体是在t3时刻被加电使能。

4.根据权利要求1所述的基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，其特征在于：确定所述特定时刻，是在旋转路径的1/3和2/3行程处分别设置位置检测组件，通过记录旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下依次到达两处位置检测组件的时间T1、T2，进而计算得到t3和t4。

5.根据权利要求4所述的基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换方法，其特征在于：利用中断函数通过计时器记录T1、T2，每一次切换运行前，将计时器清0；切换运行开始的同时打开计时器，切换运行至两位置检测组件处时记录时间。

6.一种基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，包括基座和安装于基座上的变倍镜组、切换机构和旋转电磁铁，所述旋转电磁铁驱动切换机构带动变倍镜组切入/切出光路实现第一视场与第二视场的切换；其特征在于：还包括控制器和在旋转路径的1/3和2/3行程处分别设置的位置检测组件；所述位置检测组件与基座相对固定；设旋转电磁铁在正向最大控制量的作用下从0时刻到达旋转路径1/3和2/3行程处的时间分别为T1和T2，所述控制器存储的程序被加载时实现以下步骤：

在第一视场位置以正向最大控制量+U驱动旋转电磁铁向第二视场方向运动；

依次记录切换机构经过两处位置检测组件的时间T1、T2；计算减速运行开始时刻t3及减速结束时刻t4；t3＝3*T2–3*T1，t4＝T1+T2；

在t3时刻以负向最大控制量-U驱动旋转电磁铁以最大减速度减速；

减速运动到t4时刻时，移除旋转电磁铁控制量，旋转电磁铁速度减速为0到达第二视场位置；

同理，通过先以反向最大控制量、再以正向最大控制量实现第二视场向第一视场的切换。

7.根据权利要求6所述基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，其特征在于：对应于第一视场位置和第二视场位置还分别设置有磁力锁紧组件，磁力锁紧组件与基座相对固定；在旋转电磁铁带动变倍镜组运行接近第二视场位置时，所述控制器使能对应的磁力锁紧组件，磁力锁紧组件能够对切换机构产生吸附作用，以保证变倍镜组稳定停止于第二视场位置。

8.根据权利要求7所述基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，其特征在于：所述磁力锁紧组件兼作机械限位件。

9.根据权利要求6所述基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，其特征在于：所述控制器采用MCU或者FPGA实现，所述位置检测组件采用光电开关。

10.根据权利要求9所述基于旋转电磁铁切换机构的双视场快速切换装置，其特征在于：所述控制器采用DSP-TMS320F2812，两个光电开关记为光电开关A、光电开关B，分别与DSP的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2脚相连，设置CAP1和CAP2脚上升沿中断，在中断函数中记录光电开关A触发时间为T1，光电开关B触发时间为T2。

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