技术领域
[0001] 本
发明涉及天文望远镜控制技术领域，尤其涉及天文望远镜的分布式低速高精度跟星控制。
背景技术
[0002] 为观测天上的星星，得到星星的天文特性，希望星星在望远镜
视野图像中保持静止，不出现
像素漂移。由于地球自转，如果天文望远镜静止不动，则星星将以15
角秒每秒自东向西运动。为确保星星在视野中静止，则望远镜同样需要以15角秒每秒的速度自东向西跟随运行。实验表明，两者的速度误差必须不超过0.01角秒/秒，星星在视野图像中的
位置肉眼分辨不出移动，不出现像素漂移。因此，天文望远镜的控制有两个难点，一是极低的速度，15角秒/秒，几乎肉眼看不出来；二是速度的
稳定性要求高，工作时间长，通常一颗星要连续观测几个小时，星星在几个小时内在视野中都不可发生变动。
[0003] 同时，天文望远镜的工作室与天文望远镜有一定的空间距离。为实现可靠工作，一般望远镜的现场控制装置放置在望远镜附近，而操作人员通常在几米或几十米外的工作场所。
[0004] 目前现有的天文望远镜控制装置通过
驱动器速度环实现望远镜的低速控制，或者通过运动控制卡加驱动器的方式实现低速控制，这 两种方式的共同不足在于，速度控制虽然在平均意义上能较为准确地拟合星星的速度，但实际瞬时速度会不断变化，造成图像的
波动。同时，很多天文望远镜仍然是单机控制系统，或只有一个操作界面，不能实现远程操控。
[0005] 本发明针对系统须高精度低速运动实现跟星、需多个完全一致的操作面板进行相同操作的情况，公开一种新型的分布式天文望远镜控制装置及低速高精度控制方法。
[0006] 本发明的优点在于，分布式的控制方式，可以同时接许多个操作
节点。采用位置牵引及驱动器内插补的方式，不仅消除速度的误差，而且还消除速度误差的积分，实现进一步的稳速控制。同时，基于驱动器内插补，实现任意有理分数速度值的精确
跟踪。
发明内容
[0007] 为达到上述目的，本发明提出了一种分布式低速高精度天文望远镜控制装置，应用于天文望远镜控制。该装置由现场控制盒、远程控制盒及PC控制台三部分组成。现场控制盒内含有驱动器、主操作面板；远程控制盒内含有远程操作面板；PC控制台由带RS485串行通信口的工控机及运行在工控机上的
软件组成。
[0008] 优选地，所述控制装置中的现场控制盒的主操作面板是主设备，远程控制盒的远程操作面板、PC控制台及驱动器为从设备。主操作面板与远程控制盒、PC控制台通过RS485
串行总线相互通信，与驱动器通过CAN 2.0串行总线相互通信，实现主从分布式控制。
[0009] 优选地，所述控制装置中现场控制盒的主操作面板不间断地接收来自远程控制盒及PC控制台的按键指令，并综合用户对主操作面板自身的按键操作指令，翻译成驱动器能理解的对望远镜实施控制的操作指令，并下发给驱动器；同时主操作面板周期性收集驱动器的当前运行模式，监控驱动器的状态信息，在主操作面板显示并发布到远程控制盒及PC控制台显示。
[0010] 所述的远程控制盒，用于响应自身的按键操作并向主操作面板上传操作指令，接收来自主操作面板的驱动器的运行状态，通过数码管显示其速度及状态，通过指示灯显示运行状态。
[0011] 所述的PC控制台，通过一操作软件实现虚拟操作面板，响应自身的按钮操作并向主操作面板上传操作指令，接收来自主操作面板的驱动器的运行状态，通过文字显示其速度及状态，通过虚拟指示灯显示运行状态。
[0012] 所述现场控制盒中的驱动器用于响应主操作面板发来的控制信息；根据主控制板发送的速度参数来控制
云台的
电机转动；当驱动器或电机发生错误时，发送错误信息给主控制板。
[0013] 所属控制装置中的主操作面板，远程控制盒及PC控制台具有完全相同的操作界面。用户通过操作4*3按键阵列输入操作指令给天文望远镜；通过四位数码管及4*3
LED灯观察装置的运行状态；通过电源指示灯观察上电状态。
[0014] 优选地，所述控制装置中现场控制盒、远程控制盒、PC控制台上的操作界面，其中按钮包括：加拨码按键、减拨码按键、恒动按钮、 快进按钮、慢进按钮、微动加按钮、快退按钮、慢退按钮、微动减按钮、保留按钮、停止按钮、复位按钮；指示灯包括：报警灯、通信灯、恒动灯、快进灯、慢进灯、微动加灯、快退灯、慢退灯、微动减灯、电源灯、停止灯；数码显示包括：四位七段数码管。
[0015] 优选地，所述操作界面中，在恒动状态，按下加拨码按键，恒动速度将增大，并自动保存到内部flash中，该速度将保持，掉电后重启也不丢失，除非再次按下加拨码按键或减拨码按键；按下减拨码按键，恒动速度将减小，并自动保存到内部flash中，该速度将保持，掉电后重启也不丢失，除非再次按下加拨码按键或减拨码按键。恒动按钮按下，控制装置进入恒动状态，控制望远镜以地球自转速度恒速运行，星星在望远镜的视野内保持静止。快进按钮按下，控制装置进入快进状态，控制望远镜以快速朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜快速搜索星星；快进按钮弹起，控制装置返回恒动状态。慢进按钮按下，控制装置进入慢进状态，控制望远镜以慢速朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜慢速接近搜索星星；慢进按钮弹起，控制装置返回恒动状态。微动加按钮按下，控制装置进入微动加状态，控制望远镜以微动速度朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜微动接近搜索星星；微动加按钮弹起，控制装置返回恒动状态。快退按钮按下，控制装置进入快退状态，控制望远镜以快速朝反方向即地球自转的方向前进，让望远镜快速搜索星星；快退按钮弹起，控制装置返回恒动状态。慢退按钮按下，控制装置进入慢退状态，控制望远镜以慢速朝反方向即地球自转方向前进，让望远镜慢速接近搜索星 星；慢退按钮弹起，控制装置返回恒动状态。微动减按钮按下，控制装置进入微动减状态，控制望远镜以微动速度朝反方向即地球自转的方向前进，让望远镜微动接近搜索星星；微动减按钮弹起，控制装置返回恒动状态。停止按钮按下，望远镜将停止运动。复位按钮用于对按钮所在的操作界面进行复位。报警指示灯亮时，指示为故障状态。通信指示灯，用于指示当前通信状态，当处于正常状态时，指示灯长亮长灭交替；当处于错误状态时，将快闪长灭提示错误通信状态。恒动指示灯亮时，指示为恒动状态；快进指示灯亮时，指示为快进状态；慢进指示灯亮时，指示为慢进状态；微动加指示灯亮时，指示为微动加状态；快退指示灯亮时，指示为快退状态；慢退指示灯亮时，指示为慢退状态；微动减指示灯亮时，指示为微动减状态；电源指示灯用于指示工作状态，当上电时，电源指示灯常亮。停止指示灯亮时，指示为停止状态。数码管根据不同的状态显示不同的速度值，当恒动状态时，显示恒动速度值；当快进状态时，显示快进速度值，等等。
[0016] 优选地，所述现场控制盒内的驱动器，内部运行模式为，首先上电初始化，初始化后进行
硬件自检，自检没有问题则进入空闲状态，如果发生错误则进入错误状态。主操作面板发送相应指令后，驱动器将从空闲状态切换到运行状态。运行状态下驱动器将以位置环工作。主操作面板还可以发送命令让驱动器重新自检。当运行状态遇到错误时，将进入错误状态。当错误原因排查之后，通过错误清除指令可让系统回到空闲状态。当希望停机时，主操作面板发送停机指令，驱动器进入停机状态。停机状态时若接收到启动命令可回到空闲状态。
[0017] 优选地，所述天文望远镜低速高精度控制方法，通过内置于驱动器的位置牵引方法实现高稳定低速控制，给定有理分式的速度值。规定分母是位置环的周期数，分子是在这些位置周期数下必须行走的位移脉冲数。在每个位置环的单个周期内，进行直线插补，产生所需的位置指令，送给位置环，实现闭环位置伺服；完成分母个周期数后，又重新开始新的一轮速度周期，实现位置牵引，位置对时间的斜率是我们所需的速度值。
[0018] 优选地，所述望远镜低速高精度控制方法，当有理分数的速度指令下发并发出执行指令时，首先进行初始化：把参考位置指令设置成反馈位置指令。根据速度分母与速度分子的大小划分为两种情况。当速度分母大于速度分子时，这定义为特殊的插补模式；当速度分子大于速度分母时，这定义为正常的插补模式。
[0019] 优选地，所述望远镜低速高精度控制方法，在特殊插补模式下，初始化插补参数C为速度分母减去两倍的速度分子绝对值、插补参数C1为负的两倍的速度分子绝对值、插补参数C2为速度分母减去速度分子绝对值的差值的两倍。在正常的插补模式下，初始化插补参数C为速度分子绝对值减去两倍的速度分母、插补参数C1为负的两倍的速度分母、插补参数C2为速度分子绝对值减去速度分母的差值乘以2。分子计数器、分母计数器清零。
[0020] 优选地，所述望远镜低速高精度控制方法，当初始化执行完毕后，在位置环的
定时器周期，执行如下步骤：在正常插补情况下，如果分子计数器大于或等于速度分子，结束此轮速度分母周期数的插补，分 子计数器、分母计数器清零，C重置速度分子绝对值减去两倍的速度分母，并将开启新一轮速度分母周期数的插补；如果分子计数器小于速度分子，判断参数C的正负，如果C大于零，分子计数器不断增加1，位置指令也增加或减小1，参数C赋值为C:＝C+C1,直到C小于零为止，如果C已经小于零，则分子分母计数器都增加1，位置指令增加或减小1，参数C赋值为C:＝C+C2。
[0021] 优选地，所述望远镜低速高精度控制方法，当初始化执行完毕后，在位置环的定时器周期，执行如下步骤：在特殊插补模式下，如果分母计数器大于或等于速度分母，结束此轮速度分母周期数的插补，分子计数器、分母计数器清零，C重置速度分母减去两倍的速度分子绝对值，并将开始下一轮速度分母周期数的插补；如果分母计数器小于速度分母，则首先判断参数C的正负，如果C小于零，则计数分母增加，位置指令增加或减小1,参数C赋值为C:＝C+C2；如果C大于零，则分母计数值加1，参数C赋值为C:＝C+C1。
[0022] 优选地，所述望远镜低速高精度控制方法，通过直线插补产生的位置指令，将作为驱动器位置环周期中的输入指令
信号给位置环，驱动器再运行位置环实现基于位置牵引的低速高精度速度控制。
[0023] 从上述方案可以看出，本发明优点如下：
[0024] 内置于驱动器、与驱动器位置环同
频率运行的有理分数的位置牵引速度直线插补方法，实现了无累积误差的低速高精度望远镜跟星控制。
附图说明
[0025] 图1系统组成示意图
[0026] 图2操作面板界面布局
[0028] 图4远程控制盒及PC控制台软件流程图
[0029] 图5驱动器软件流程图
[0030] 图6内置直线插补的位置环流程图
[0031] 图7直线内插补的初始化
[0032] 图8正常插补模式的一次执行
[0033] 图9特殊插补模式的一次执行
具体实施方式
[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0035] 1、系统组成
[0036] 图1为本发明分布式低速高精度天文望远镜控制装置的结构示意图。该装置由现场控制盒、远程控制盒及PC控制台组成。
[0037] 现场控制盒内含有驱动器、主操作面板。
[0038] 远程控制盒内含有远程操作面板。
[0039] PC控制台由工控机及运行在工控机上的软件组成。
[0040] 现场控制盒的主操作面板有1路CAN 2.0通信
接口，1路RS485接口。
[0041] 现场控制盒的驱动器有1路CAN2.0
通信接口。
[0042] 远程操作面板带1路RS485接口。
[0043] PC控制台具有RS485通信接口。
[0044] 现场控制盒的主操作面板与驱动器通过CAN2.0实现实时通信。在实时通信中，主操作面板是主设备，驱动器是从设备。
[0045] 现场控制盒的主操作面板与远程控制盒、PC控制台通过RS485实现多节点长距离通信。在RS485通信中，主操作面板是主设备，远程控制盒及PC控制台是从设备。
[0046] 现场控制盒的驱动器与天文望远镜的有刷
驱动电机相连。驱动器与有刷
电动机连接线包括两路电机线及电机的
编码器反馈。
[0047] 2操作面板
[0048] 图2为本发明分布式低速高精度天文望远镜控制装置中主操作面板、远程控制盒及PC控制板的
人机界面。
[0049] 在人机界面的上方，是四位八段数码管，用于显示当前运行状态下的速度信息。
[0050] 在八段数码管的下方，是3*4阵列的按键。按键的旁边，有相对应的LED指示灯。从左到右，从上到下，按键依次为加键、减键、恒动键、快进键、慢进键、微动加键、快退键、慢退键、微动减键、保留、停止键、复位键。从左到右，从上到下，LED灯依次为报警灯、通信灯、恒动灯、快进灯、慢进灯、微动加灯、快退灯、慢退灯、微动减灯、电源灯、停止灯。
[0051] 在恒动状态，按下加拨码按键，恒动速度将增大，并自动保存到 内部flash中，该速度将保持，掉电后重启也不丢失，除非再次按下加拨码按键或减拨码按键；按下减拨码按键，恒动速度将减小，并自动保存到内部flash中，该速度将保持，掉电后重启也不丢失，除非再次按下加拨码按键或减拨码按键。
[0052] 恒动按钮按下，控制装置进入恒动状态，控制望远镜以地球自转速度恒速运行，星星在望远镜的视野内保持静止。恒动按钮弹起，不改变恒动状态。
[0053] 快进按钮按下，控制装置进入快进状态，控制望远镜以快速朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜快速搜索星星；快进按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0054] 慢进按钮按下，控制装置进入慢进状态，控制望远镜以慢速朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜慢速接近搜索星星；慢进按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0055] 微动加按钮按下，控制装置进入微动加状态，控制望远镜以微动速度朝正方向即地球自转的反方向前进，让望远镜微动速度接近搜索星星；微动加按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0056] 快退按钮按下，控制装置进入快退状态，控制望远镜以快速朝反方向即地球自转的方向前进，让望远镜快速搜索星星；快退按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0057] 慢退按钮按下，控制装置进入慢退状态，控制望远镜以慢速朝反方向即地球自转方向前进，让望远镜慢速接近搜索星星；慢退按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0058] 微动减按钮按下，控制装置进入微动减状态，控制望远镜以微动速度朝反方向即地球自转的方向前进，让望远镜微动速度接近搜索星星；微动减按钮弹起，控制装置返回恒动状态。
[0059] 停止按钮按下，望远镜将停止运动。
[0060] 复位按钮用于对按钮所在的操作界面进行复位。
[0061] 图中报警指示灯亮时，指示为故障状态。
[0062] 通信指示灯，用于指示当前通信状态，当处于正常通信状态时，指示灯长亮长灭交替；当处于错误通信状态时，将快闪长灭提示错误状态。
[0063] 恒动指示灯亮时，指示为恒动状态。
[0064] 快进指示灯亮时，指示为快进状态。
[0065] 慢退指示灯亮时，指示为慢退状态。
[0066] 微动加指示灯亮时，指示为微动加状态。
[0067] 快退指示灯亮时，指示为快退状态。
[0068] 慢进指示灯亮时，指示为慢进状态。
[0069] 微动减指示灯亮时，指示为微动减状态。
[0070] 电源灯亮时，指示系统已经上电。
[0071] 停止指示灯亮时，表示为停止状态。
[0072] 数码管根据不同的状态显示不同的速度值，当恒动状态时，显示恒动速度值；当快进状态时，显示快进速度值，等等。
[0073] 3、主操作面板控制软件流程
[0074] 图3为本发明主控制软件流程图,运行在现场控制盒的主操作面 板上。
[0075] 系统复位后进入初始化状态，首先进行外设及内部变量初始化工作，并让LED、数码管、按键处于初始状态，并等待驱动器完成初始化和自检工作。在初始化状态，按键是不起作用的。
[0076] 初始化完毕后，系统进入自检状态。在自检状态：与驱动器进行通信，确保通信是正常的。读取驱动器内部状态，如果驱动器工作正常，会处于断强电状态，主操作面板写当前码盘数；如果驱动器不正常，则主操作面板根据驱动器的错误状态报警，提示出现错误，等待技术人员排查错误，就完成了自检工作。在自检状态，按键是不起作用的。
[0077] 系统自检正常、或在停止状态时按下恒动键、或者搜索状态时快进、快退、慢进、慢退、微动加、微动减按键弹起，系统会发出加强电指令，进入恒动状态。在恒动状态，主操作面板会写入恒动运行参数，系统按照默认设定的恒动速度前进。但如果用户按下加键或减键，则可以微调速度，微调有上限和下限，这时候主操作面板会把新的速度指令下发。在恒动状态主操作面板会周期查询驱动器的状态，如果出现了错误，则主操作面板会进入错误状态进行报警。
[0078] 在恒动状态或停止状态，如果按下快进、慢进、快退、慢退、微动加、微动减等按键，则进入搜索状态。在搜索状态，将以快进、慢进、快退、慢退、微动加、微动减等速度运行。当相应按键弹起，则将重新进入到恒动状态。在搜索状态主操作面板会周期查询驱动器的状态，如果出现了错误，则主操作面板会进入错误状态进行报警。
[0079] 如果按下停止键则进入停止状态。在停止状态，会发出命令使驱动器停止运动，断强电。在搜索状态主操作面板会周期查询驱动器的状态，如果出现了错误，则主操作面板会进入错误状态进行报警。
[0080] 当系统在自检、恒动、搜索、停止等状态，如果出现了运行错误时，会进入错误状态，会做出指示。等待用户排除故障。当故障排除完毕后，主操作面板可发出清除指令。当清除成功后，系统会跳到停止状态。
[0081] 4、远程控制盒及PC控制台软件流程
[0082] 图4是运行在远程操作盒及PC控制台上的软件模
块流程图，执行相同的功能。他们的流程如下：
[0083] 首先是系统复位，然后进行初始化，给出各个按键、数码管及指示灯的初始状态。初始化完毕后，进入主扫描周期。
[0084] 主扫描周期中，首先不断查询，主扫描周期标识位是否置1。如果是，将读入所有当前按键值的状态，并与上一循环的键值比较，根据按键键值的变化得出具体按键信息。如果没有任何按键的变化，则不做任何处理；如果有键被按下或弹起，按键信息将发送给上位机即主操作面板。当查询完按键信息，或者主扫描周期标识位为零，将查询是否有上位机发布的串口消息；如果有，则解析相应通信协议，得到系统当前的运行状态，根据最新的速度信息更新数码管显示，并更新指示灯的状态。
[0085] 5、驱动器软件流程图
[0086] 请参考图5，图5为本发明驱动器软件流程图。
[0087] 系统上电后，驱动器进行初始化工作，首先初始化外设，然后对系统初始化。
[0088] 初始化完了后进行自检工作，检测各接口及MOS管是否工作正常，自检完毕，当一切正常时，进入空闲状态。当出现故障时，进入错误状态。
[0089] 进入空闲状态后，功率管还是关闭的，由空闲状态可到达运行状态并可再次强制自检。
[0090] 进入运行状态，系统自动进入位置环状态，基于位置牵引的有理分数速度插补将运行于位置环内部。当运行结束时，可回到空闲状态或进入停机状态。
[0091] 进入停机状态后，一切外设关闭，系统不能恢复到运行状态，只能重新上电。
[0092] 进入错误状态后，首先根据错误号作出相应提示。当故障排除后将回到空闲状态。
[0093] 6、位置牵引直线插补的有理分数速度运行
[0094] 图6为位置牵引的有理分数速度直线插补方法在驱动器内部的流程图。当驱动器进入运行状态，自动进入直线插补位置环模式。在直线插补位置环模式下，等待位置环周期标识位置1，表示位置环周期到。当位置环周期到后，将执行直线内插补方法，生成位置环所需的位置指令并送给位置环。位置环根据位置指令及实际位置反馈进行闭环控制，实现位置伺服。直线内插补和位置环相结合，实现低速高 精度的有理分数速度伺服。
[0095] 图7为直线内插补的初始化流程。该流程运行于图6中“执行一次直线内插补”环节。
[0096] 当新的速度指令到或第一次进入位置环运行，将进入直线内插补的初始化流程。首先我们根据所下达的速度指令，初始化指令的速度分子和速度分母。速度分子可正可负，速度分母一直是正数。并把位置反馈赋值给位置指令。并判断速度分子与速度分母的大小。
[0097] 当速度分子大于速度分母时，进入正常插补模式。在正常插补模式下，初始化插补参数C为速度分子绝对值减去两倍的速度分母、插补参数C1为负的两倍的速度分母、插补参数C2为速度分子绝对值减去速度分母的差值乘以2。
[0098] 当速度分母大于速度分子时，进入特殊插补模式。在特殊插补模式下，初始化插补参数C为速度分母减去两倍的速度分子绝对值、插补参数C1为负的两倍的速度分子绝对值、插补参数C2为速度分母减去速度分子绝对值的差值的两倍。
[0099] 初始化C,C1及C2后，分子计数器、分母计数器清零。直线插补初始化结束。
[0100] 图8为正常插补模式的一次执行。当驱动器进入正常插补模式后，首先判断分子计数器是否大于等于速度分子。如果是，表明上一轮的一次有理分数速度已经执行完毕，执行的距离是速度分子绝对值，执行的时间是速度分母，并将进行新一轮的有理分数速度执行，这时分子计数器清零，初始化参数C为速度分子的绝对值减去两倍的速度 分母的差值，开始新一轮的插补。
[0101] 如果分子计数器小于速度分子，或者已经完成了新一轮插补的初始化，循环判断C是否大于零。如果C大于零，判断分子计数器是否大于等于速度分子，如果大于等于，则结束此次内插补，如果小于，则分子计数器加1，如果速度分子大于零，位置指令增加1脉冲，如果速度分子小于零，位置指令减小1脉冲，并更新参数C,C等于C加上C1,并继续循环判断C是否大于零，直到C小于等于零为止。
[0102] 如果C小于等于零，判断分子计数器是否大于速度分子，如果大于等于，则结束此次内插补；如果小于，则分子计数器加1，分母计数器加1，如果速度分子大于零，位置指令增加1脉冲，如果速度分子小于零，位置指令减小1脉冲，并更新参数C,C等于C加上C2,结束此次内插补。
[0103] 图9为特殊插补模式的一次执行。首先判断分母计数器是否小于速度分母。
[0104] 如果是，继续判断C是否小于等于零，如果小于等于零，则分母计数器增加1，如果速度分子大于零，位置指令增加1，如果速度分子小于零，位置指令减小1，C赋值为C加上C2,结束此次内插补；如果C大于零，分母计数器增加1，C赋值为C加上C1,结束此次内插补。
[0105] 如果否，分子分母计数器清零，C初始化为速度分母减去2倍的速度分子绝对值的差值，并结束此次内插补。
[0106] 以上
实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的
硬盘、光盘或
软盘。
[0107] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
