53 cm双筒激光测距望远镜控制系统的设计与实现

黄涛+李祝莲+张海涛+李语强+熊耀恒

摘 要： 研制53 cm双筒激光测距望远镜的快速平稳伺服控制系统，以实现快速空间目标的跟踪测量。模块化设计并构建望远镜的控制系统，伺服驱动器完成电流和速度的闭环，运动控制器实现位置环和复合PID算法。对控制机箱进行集成，并对控制器进行嵌入式开发，由控制器负责实时的运动控制，而上位机软件进行任务管理和人机交互。自定义通信协议以克服通信延时和VC++定时精度不高的问题，并提出位置二次闭环与混合PID的控制策略以提高望远镜的跟踪精度。实验结果表明：该望远镜在以3 （°）/s的匀速运动和低轨卫星跟踪过程中，精度在5″内；在低速运动和中高轨卫星的跟踪中，能够达到角秒量级的精度，经测试该望远镜能快速平稳地跟踪400 km以上空间目标，并满足指标要求。

关键词： 控制系统； 激光测距； 望远镜； 位置二次闭环； 混合PID

中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）16?0001?07

Design and implementation for control system of 53 cm binocular laser ranging telescope

HUANG Tao1， 2， LI Zhu?lian1， ZHANG Hai?tao1， LI Yu?qiang1， XIONG Yao?heng1

（1. Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China；

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The rapid and steady control system of the 53 cm binocular laser ranging telescope is constructed to realize the tracking and measurement of fast space targets. The modularized control system of the telescope was designed， in which the closed?loops of current and velocity are achieved by the servo driver， and the composite PID algorithm and feedback of position are realized by the motion controller. The control case is integrated and the controller is embedded. The controller is arranged to take charge of the real?time motion control， while the task management and human?computer interaction are realized by the host computer. Additionally， the user?defined communication protocol is formulated to overcome the communication delay and low timing precision of VC++. The control strategies of the 2th position closed?loop and the mixture PID are proposed to improve the tracking precision of the telescope. Experimental results indicate that the telescope can satisfy the precision of 5″ at the uniform speed of 3（°）/s and in the tracking process of low orbit satellites. Meanwhile， it reaches the precision of arc?second scale in the tracking of medium and high orbit satellites. The telescope has been proved that it is able to realize the rapid and steady tracking of space targets which are beyond 400 km far from the ground station， and can satisfy the demand of the property index.

Keywords： control system； laser ranging； telescope； 2th position closed?loop； mixture PID

0 引 言

为了发展和拓宽空间目标监测的新技术方法和手段，中科院云南天文台新建一台53 cm收发分光路的双筒激光测距[1]望远镜，以解决现有的1.2 m收发共光路望远镜[2]中的单光子探测器（Single?Photon Detector）[3?4]易受强激光后向散射影响的问题，并可联合1.2 m望远镜实现空间目标的多角度多方位测量。此外53 cm激光发射望远镜可为1.2 m望远镜成像系统提供激光导引星[5]，可进一步提高空间暗弱目标的探测能力，而成像系统对空间目标的可视性，在很大程度上也能提高卫星激光测距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。

卫星激光测距的原理是通过精确测定激光脉冲在地面观测站与卫星之间的往返时间间隔，从而算出地面观测站到卫星的距离。自1997年美国航空航天局的John J. Degnan提出高重复率的激光测距[6]，kHz卫星激光测距技术在近几年迅速发展起来，它通过高测距频率来增加观测数据以提高标准点精度。大型的激光测距望远镜是集光机电于一体的综合系统，伺服控制系统是其重要组成部分，直接影响了望远镜的跟踪精度、激光光束的指向和数据的测量采集。对于低轨卫星的跟踪，伺服系统应具有较好的快速响应能力；对于高轨卫星的跟踪，伺服系统则应具有较好的低速平稳性。而伺服控制系统涉及到电力电子技术、电机技术、控制技术、计算机技术、通信技术等多技术领域[7]。在驱动方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦传动[8]，而VLT，Subaru等采用直接驱动[8]，国内大型望远镜一般采用控制简单、低速稳定性好的大功率直流力矩有刷电机。在主控单元的选择中，普遍会采用高速的DSP、FPGA、工控机或专用的运动控制器。集驱动、保护、功率转换拓扑的智能型功率模块纷纷涌现，特别是集成智能功率模块IPM逐渐成为了伺服驱动的优选方案。在望远镜的控制算法上，最普遍的是各种改进的PID算法，如变结构PID[9]、内模PID[10]等，还有速度滞后补偿、速度前馈、动态高型控制等都是常用的提高精度的方法[11]，另外模糊控制[12]、重复控制[13]、H～∞控制[14]和自抗扰控制[15]等也取得很好的控制效果。

云南天文台自主研制53 cm双筒kHz激光测距望远镜的控制系统，采用力矩电机直接驱动的方式，使用圆光栅编码器作为测量反馈元件，选用工控机和运动控制器为主控单元，应用位置二次闭环和带前馈补偿[16]等多种PID的控制算法，现已完成了控制系统的集成设计和控制软件的开发，并进行了基本的调试和测试工作。1 控制系统的总体方案

1.1 53 cm激光测距望远镜概述

53 cm kHz激光测距望远镜主要由机械系统、光学系统、检测系统、控制系统四大系统组成，总重约4 200 kg。该望远镜采用地平式结构，机械部分主要由激光发射望远镜主镜筒、激光接收望远镜主镜筒、中间连接块、高度轴系、方位轴系、方位底座和安全保护等组成。光学系统分激光发射光路和回波接收光路，发射光路采用反射式系统，激光经过二次扩束发射，接收光路采用RC系统，视场角0.5°，接收380～780 nm的光谱，通过半透半反分成两路：一路为接收终端，一路为监视终端。激光器采用Nd：YAG激光器，经单脉冲选择三级放大和晶体二次谐波倍频后产生532 nm的激光。

接收器件要求高灵敏度和尽可能小的电子渡越时间，本系统选用制冷单光子雪崩二极管（C?SPAD），它具有量子效率高、输出信号强等优点。为确保机架运行的安全性，轴系上设置了三重限位保护，分别为软件限位、电限位和机械限位，此三重限位依次顺序起作用。控制系统由力矩电机、伺服驱动器、运动控制器和工控机等组成。

1.2 技术指标

建立53 cm激光发射双筒望远镜的伺服控制系统，并与1.2 m望远镜联合实现具有跟踪测量快速空间目标能力的多功能同步观测系统。该伺服系统带有电流环、速度环和位置环的三环反馈，并采用CCD图像跟踪的光电闭环得到目标的实时脱靶量，以使该望远镜能快速高精度跟踪400 km以上的空间目标，跟踪精度需优于10″。根据400 km以上空间目标的运动特性，为该望远镜制定表1所示的指标。

表1 控制系统的精度指标

1.3 系统方案

图1为控制系统的结构框图。相比于摩擦传动，直接驱动具有高传动刚度、少摩擦、易安装调试和弱非线性特性等优点[17]。故53 cm双筒望远镜的方位轴和高度轴都采用直流力矩电机直接驱动的方式，解决了高低速比差问题，同时减少了机械传动系统造成的传动短周期误差，得到较好的跟踪平稳性。为满足测角分辨精度，测角元件使用了RENISHAW增量式编码器，直径为Φ255，分辨率为32.4″，经200倍频细分后分辨率可达0.162″，满足指向及电修正分辨精度。主控制器选用工控机和运动控制器，输出标准的-10～10 V的工业控制信号，通过伺服驱动器控制电机的转速和转向，来驱动望远镜在高度轴和方位轴上的运转。

图1 控制系统结构图

为达到精确稳定控制，引入三环反馈和CCD图像闭环[18?19]。位置反馈采用编码器读取位置值，速度反馈采用对位置信号差分的方法得到速度值，电流反馈采用电机内部的电流传感器自行完成。其中位置反馈为外反馈，进入运动控制器中运算，经过调节器输出速度给定，同时位置信息传送回工控机进行决策和显示，而速度反馈形成内反馈，与给定的速度值进行比较调节，输出调节电流。CCD图像闭环采用CCD对空间目标成像，送回工控机作图像识别与跟踪处理，实时计算目标脱靶量，并传送给控制系统，对望远镜进行跟踪指向修正。对于空间目标检测，考虑夜空背景和卫星的成像特性，先对数字图像滤波增强，提高目标与背景的对比度，再采用自适应局部阈值分割，检测出目标，然后计算目标的质心，并得出质心与视场中心的位置偏差。对于空间目标跟踪，既要保证目标检测与脱靶量传送的实时性，还要设计目标运动轨迹的预测算法对脱靶量进行滞后补偿。同时需提高算法的抗干扰性，以防止高频噪声和其他天体等因素的影响。

控制算法主要采用经典实用的PID控制。而在高速高精度的望远镜控制中，传统的PID具有非线性、时变不确定和控制精度有限等缺点，不能达到理想的控制效果，故考虑采用复合控制，即在闭环的基础上，引入一个输入信号或扰动信号的前馈通路，这既不影响系统的稳定性，还使系统近似等效为高阶无差系统，从而提高系统的跟踪精度。

同时本文还在复合PID的基础上应用多种PID，即混合PID算法，以进一步提高该控制系统的跟踪性能如图2所示。