CN112230682B - 极轴式光学望远镜水平检测装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种极轴式光学望远镜水平检测装置，通过AD采集系统对加速度计的输出进行实时采集，根据加速度计的输出确定望远镜的视轴与水平面夹角，当判断视轴与水平面夹角降至第一级阈值时，将发送给伺服控制系统的IO1信号置为高电平，伺服控制系统接收到高电平信号后，通过设置视轴转动速度参考值为0来将望远镜视轴停止转动，而如果望远镜伺服控制系统失效，也就是通过伺服控制系统对望远镜视轴的制动失败时，则通过判断视轴与水平面夹角降至第二级阈值时，将发送给急停开关的IO2信号置为高电平，急停开关装置接收到高电平信号后，对望远镜视轴实行紧急制动，从而保证了极轴式望远镜视轴以及光学系统的安全。

Description

极轴式光学望远镜水平检测装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及光电设备电控领域，尤其涉及极轴式光学望远镜水平检测装置。

背景技术

由于极轴式光学望远镜底座与水平面有一定的夹角，因此当赤经角变换不同角度时，对应视轴水平位置的赤纬角是不同的，因此它无法像地平式望远镜一样仅通过俯仰角就能够判断视轴与水平面的夹角。而为了保证光学系统的安全，必须保证视轴指向不能低于水平面，这就要求在不同的赤经角时对赤纬角的活动范围进行限制。

目前工程中一般采用水银开关检测装置，它检测精度低，输出带有延迟，导致可靠性差，而且限位方法依赖于伺服控制系统，当伺服控制系统出现故障时无法完成对视轴和光学系统的保护。

发明内容

本发明为解决上述问题之一；提供一种极轴式光学望远镜水平检测装置，通过以下方式实现：

一种极轴式光学望远镜水平检测装置，包括极轴式望远镜，所述极轴式望远镜用于观测事物；加速度计，所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室中，用于实时检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角并发出信号；A/D采集模块，采集来自所述加速度计的信号并将所述信号传送至下一单元；加速度计信号处理控制器，接收来自所述A/D采集模块的信号、通过逻辑判断实时处理所述信号并根据分析传出高电平或低电平信号；所述逻辑判断的结果为当所述极轴式望远镜视轴高于水平面时，输出的信号为低电平，当所述极轴式望远镜视轴低于水平面时，输出的信号为高电平。

优选的，还包括：伺服系统，接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO1高电平信号并根据高电平信号控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；急停装置，接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO2高电平信号并根据高电平信号对所述极轴式望远镜视轴实行紧急制动，使极轴式望远镜视轴停止转动；

优选的，所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室的底端中心位置，所述加速度计的敏感方向与所述极轴式望远镜视轴方向平行，所述加速度计的敏感方向竖直向下。

优选的，所述A/D采集模块传送至所述加速度计信号处理控制器的信号为加速度计的输出值的数字信号，所述加速度计的输出值为a_g，计算公式如下：

a_g＝g sin E (1)

其中g代表当地加速度，a_g代表加速度计的输出值，E为所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角。

优选的，所述加速度计信号处理控制器对来自所述A/D采集模块的信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的加速度计输出值

优选的，所述逻辑判断为判断加速度计的输出值和预设阈值的关系，包括：

根据公式(2)设置两个阈值，

a＝g sin E′ (2)

a为预设的阈值，E′为所述极轴式望远镜视轴预设的俯仰角，g为当地加速度，两个阈值分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，所述a_{g_warning}和a_{g_stop}满足如下关系：

a_{g_warning}＞a_{g_stop}≥0 (3)

a_{g_warning}为预警阈值，a_{g_stop}为急停阈值；

当满足公式(4)条件，所述加速度计信号处理控制器将IO1传出高电平信号，否则传出低电平信号：

当满足公式(5)条件，所述加速度计信号处理控制器将IO2传出高电平信号，否则传出低电平信号：

优选的，还包括用于接收所述加速度计信号处理控制器传出信号的上位机软件，所述上位机软件用于实时了所述解极轴式光学望远镜视轴实时状态。

一种上述的极轴式光学望远镜水平检测装置的控制方法，其特征在于，包括：

S1、所述加速度计检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角，并输出信号传至所述A/D采集模块；

S2、所述A/D采集模块将采集到的加速度计的输出值a_g发送到所述加速度计信号处理控制器中；

S3、所述加速度计信号处理控制器对加速度计的输出值a_g进行滤波处理并输出滤波处理后的加速度计输出值

S4、所述加速度计信号处理控制器根据公式a＝g sin E′设置两个阈值，分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，当a_{g_warning}＞a_{g_stop}≥0时，所述加速度计信号处理控制器将IO1输出高电平信号，所述伺服系统接收高电平信号，所述伺服机构控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；当

时，所述加速度计信号处理控制器将IO2输出高电平信号，所述急停装置接收高电平信号，所述急停装置控制所述极轴式望远镜视轴停止转动。

有益效果：本发明设计一种利用压电加速度计来监控极轴式光学望远镜视轴与水平面夹角的装置，通过AD采集系统对加速度计的输出进行实时采集，根据加速度计的输出确定望远镜的视轴与水平面夹角，当判断视轴与水平面夹角降至第一级阈值时，将发送给伺服控制系统的IO1信号置为高电平，伺服控制系统接收到高电平信号后，通过设置视轴转动速度参考值为0来将望远镜视轴停止转动，而如果望远镜伺服控制系统失效，也就是通过伺服控制系统对望远镜视轴的制动失败时，则通过判断视轴与水平面夹角降至第二级阈值时，将发送给急停开关的IO2信号置为高电平，急停开关装置接收到高电平信号后，对望远镜视轴实行紧急制动，从而保证了极轴式望远镜视轴以及光学系统的安全。

附图说明

图1是本发明的基本组成图。

图2是本发明逻辑判断的流程图。

图3是本发明加速度计安装示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

现有技术的极轴式光学望远镜的控制转动机构只有伺服机构，所以当伺服机构损坏，是不能使极轴式光学望远镜视轴停止转动，极轴式光学望远镜将脱离控制，但是本发明的装置设置有急停装置，通过加速度计传送信号来命令急停装置或者伺服系统，根据传递不同的信号使不同的装置对极轴式光学望远镜进行控制，本发明利用加速度计来实现对极轴式望远镜视轴与水平面夹角的实时监控，并且实时发送两路I/O信号分别给伺服控制系统和急停开关装置，当判断视轴接近水平面时，首先通过伺服控制系统对视轴进行制动，进一步当伺服控制系统制动失效时，通过急停开关装置对视轴进行制动，从而达到保护极轴式望远镜光学系统安全的目的。

如图1所示，一种极轴式光学望远镜水平检测装置，包括极轴式望远镜、加速度计、A/D采集模块、加速度计信号处理控制器、伺服系统、急停装置。所述极轴式望远镜用于观测事物；所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室中，用于实时检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角并发出信号；A/D采集模块采集来自所述加速度计的信号并将所述信号传送至下一单元；加速度计信号处理控制器接收来自所述A/D采集模块的信号、通过逻辑判断实时处理所述信号并根据分析传出高电平或低电平信号；伺服系统接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO1高电平信号并根据高电平信号控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；急停装置接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO2高电平信号并根据高电平信号对所述极轴式望远镜视轴实行紧急制动，使极轴式望远镜视轴停止转动；所述逻辑判断的结果为当所述极轴式望远镜视轴高于水平面时，输出的信号为低电平，当所述极轴式望远镜视轴低于水平面时，输出的信号为高电平。

如图2所示，其中加速度计的具体安装为所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室的底端中心位置，所述加速度计的敏感方向与所述极轴式望远镜视轴方向平行，所述加速度计的敏感方向竖直向下。由于加速度计本身的特点为当加速度计敏感方向垂直地面向下时，加速度计输出当地的重力加速度g，当加速度计敏感方向垂直地面向上时，加速度计输出-g，当加速度计敏感方向与地面平行时，加速度计输出为0。所以结合加速度计的安装方式和加速度计本身的特点，可以得知所述极轴式望远镜视轴与水平面之间的夹角。具体原因如下：

由于极轴式望远镜的赤经轴和赤纬轴都相对于地球有运动，因此，在安装加速度计时应该保证两轴的转动角加速度在加速度计的敏感轴方向的分量为零，也即保证加速度计只是敏感地球重力加速度。角加速度与线加速度的大小关系如公式(5)所示：

a＝αr cosθ (5)

其中a表示角加速度，r表示测量点离旋转中心的距离，θ表示测量方向与切向的夹角，α表示测量方向的线加速度，因此要想使得望远镜两轴角加速度在加速度计敏感方向投影均为零，只需使得r＝0或者θ＝90°。设加速度计安装位置距离赤经轴的垂直距离为r_λ，加速度计敏感方向与赤经轴旋转的切向方向的夹角为θ_λ，加速度计安装位置距离赤纬轴的垂直距离为

加速度计敏感方向与赤纬轴旋转的切向方向的夹角为

由于赤经轴和赤纬轴的交汇处在主镜的上端，刚好是光线通过的地方，所以不可以安装在这个位置，因此无法实现r_λ和

同时为零的安装方式。为此，将加速度计安装在主镜的底端中心位置，敏感方向与视轴平行且指向外，此时

θ_λ＝90°，也可以实现赤经轴和赤纬轴的角加速度在加速度计敏感方向的投影为零，所以加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室的底端中心位置，所述加速度计的敏感方向与所述极轴式望远镜视轴方向平行，所述加速度计的敏感方向竖直向下。此时，加速度计的输出仅是地球重力加速度在加速度计敏感方向的投影，因此，如果视轴在水平面以上，那么加速度计输出为正值，如果视轴沿水平面方向，则加速度计输出为0，如果视轴在水平面以下，那么加速度计输出为负值。根据以上原理就能够根据加速度计的输出与预设的阈值做比较来发出I/O信号给伺服控制系统和望远镜急停开关装置，从而保证望远镜光学系统的安全性。

优选的，A/D采集模块传送至所述加速度计信号处理控制器的信号为加速度计的输出值的数字信号，所述加速度计的输出值为a_g，计算公式如下：

a_g＝g sin E (1)

其中g代表当地加速度，a_g代表加速度计的输出值，E为所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角。

优选的，所述加速度计信号处理控制器对来自所述A/D采集模块的信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的加速度计输出值

优选的，所述逻辑判断为判断加速度计的输出值和预设阈值的关系，包括：

根据公式(2)设置两个阈值，

a＝g sin E′ (2)

a为预设的阈值，E′为所述极轴式望远镜视轴预设的俯仰角，g为当地加速度，两个阈值分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，其中a_{g_warning}作为预警的阈值，例如当俯仰角E′＝5°时预警，那么a_{g_warning}＝g sin 5°，而a_{g_stop}作为急停的阈值，例如当俯仰角E′＝1°时急停，那么a_{g_stop}＝g sin 1°。所述a_{g_warning}和a_{g_stop}满足如下关系：

a_{g_warning}＞a_{g_stop}≥0 (3)

a_{g_warning}为预警阈值，a_{g_stop}为急停阈值；

当满足公式(4)条件，加速度计信号处理控制器将I/O1信号置为高电平，伺服控制系统接收到高电平信号之后，对极轴式望远镜赤纬轴和赤经轴进行减速至零速的处理，公式(4)为：

其中

代表滤波处理后的加速度计输出；

当满足公式(5)条件，加速度计信号处理控制器将I/O2信号置为高电平，急停开关接收到高电平I/O2信号后，会立即将望远镜视轴进行紧急制动：

当极轴式望远镜的伺服控制系统运行正常的前提下，则能够在不触发公式(5)之前将极轴式望远镜视轴停止运动，从而保证了望远镜光学系统的安全；而如果伺服控制系统运行出现了异常，那么通过独立于伺服控制系统的急停装置也能够将极轴式望远镜的视轴迅速停止，从而进一步保证了在伺服控制系统出现异常的条件下也能够保证望远镜光学系统的安全。另外，加速度计信号处理控制器将I/O1和I/O2信号实时传送给上位机软件，能够有利于操控者实时了解限位信息即限位状态。

一种上述极轴式光学望远镜水平检测装置的控制方法，包括：

S1、所述加速度计检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角，并输出信号传至所述A/D采集模块；

S2、所述A/D采集模块将采集到的加速度计的输出值a_g发送到所述加速度计信号处理控制器中；

S3、所述加速度计信号处理控制器对加速度计的输出值a_g进行滤波处理并输出滤波处理后的加速度计输出值

S4、所述加速度计信号处理控制器根据公式(2)设置两个阈值，分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，当a_{g_warning}＞a_{g_stop}≥0时，所述加速度计信号处理控制器输出高电平信号，所述伺服系统接收IO1高电平信号，所述伺服机构控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；当

时，所述加速度计信号处理控制器IO2输出高电平信号，所述急停装置接收高电平信号，所述急停装置控制所述极轴式望远镜视轴停止转动。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种极轴式光学望远镜水平检测装置，其特征在于，包括

极轴式望远镜，所述极轴式望远镜用于观测事物；

加速度计，所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室中，用于实时检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角并发出信号；

A/D采集模块，采集来自所述加速度计的信号并将所述信号传送至下一单元；

加速度计信号处理控制器，接收来自所述A/D采集模块的信号、通过逻辑判断实时处理所述信号并根据分析传出高电平或低电平信号；

所述逻辑判断的结果为当所述极轴式望远镜视轴高于水平面时，输出的信号为低电平，当所述极轴式望远镜视轴低于水平面时，输出的信号为高电平；

所述A/D采集模块传送至所述加速度计信号处理控制器的信号为加速度计的输出值的数字信号，所述加速度计的输出值为a_g，计算公式如下：

a_g＝gsinE (1)

其中g代表当地加速度，a_g代表加速度计的输出值，E为所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角；

所述逻辑判断为判断加速度计的输出值和预设阈值的关系，包括：

根据公式(2)设置两个阈值，

a＝gsinE′ (2)

a为预设的阈值，E′为所述极轴式望远镜视轴预设的俯仰角，g为当地加速度，两个阈值分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，所述a_{g_warning}和a_{g_stop}满足如下关系：

a_{g_warning}>a_{g_stop}≥0 (3)

a_{g_warning}为预警阈值，a_{g_stop}为急停阈值；

其中

代表滤波处理后的加速度计输出，当满足公式(4)条件，所述加速度计信号处理控制器将IO1传出高电平信号，否则传出低电平信号：

当满足公式(5)条件，所述加速度计信号处理控制器将IO2传出高电平信号，否则传出低电平信号：

还包括：

伺服系统，接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO1高电平信号并根据高电平信号控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；

急停装置，接收来自所述加速度计信号处理控制器的IO2高电平信号并根据高电平信号对所述极轴式望远镜视轴实行紧急制动，使极轴式望远镜视轴停止转动。

2.根据权利要求1所述的极轴式光学望远镜水平检测装置，其特征在于，所述加速度计安装在所述极轴式望远镜的主镜室的底端中心位置，所述加速度计的敏感方向与所述极轴式望远镜视轴方向平行，所述加速度计的敏感方向竖直向下。

3.根据权利要求2所述的极轴式光学望远镜水平检测装置，其特征在于，所述加速度计信号处理控制器对来自所述A/D采集模块的信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的加速度计输出值

4.根据权利要求1所述的极轴式光学望远镜水平检测装置，其特征在于，还包括用于接收所述加速度计信号处理控制器传出信号的上位机软件，所述上位机软件用于实时了解所述极轴式光学望远镜视轴实时状态。

5.根据权利要求1至3任一项所述的极轴式光学望远镜水平检测装置的控制方法，其特征在于，包括：

S1、所述加速度计检测所述极轴式望远镜视轴与水平面的夹角，并输出信号传至所述A/D采集模块；

S2、所述A/D采集模块将采集到的加速度计的输出值a_g发送到所述加速度计信号处理控制器中；

S3、所述加速度计信号处理控制器对加速度计的输出值a_g进行滤波处理并输出滤波处理后的加速度计输出值

S4、所述加速度计信号处理控制器根据公式a＝gsinE′设置两个阈值，分别记为a_{g_warning}和a_{g_stop}，其中a_{g_warning}为预警阈值，a_{g_stop}为急停阈值，a为预设的阈值，E′为所述极轴式望远镜视轴预设的俯仰角，g为当地加速度，

当

时，所述加速度计信号处理控制器将IO1输出高电平信号，所述伺服系统接收高电平信号，所述伺服系统控制所述极轴式望远镜视轴停止转动；当

时，所述加速度计信号处理控制器将IO2输出高电平信号，所述急停装置接收高电平信号，所述急停装置控制所述极轴式望远镜视轴停止转动。

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