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定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法

阅读：886发布：2023-01-22

专利汇可以提供定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，定天镜将目标光反射后，经光学传输系统传输给倾斜镜；倾斜镜再次反射后传输给分光镜，将目标光分成两部分，一部分进入主光路，另一部分经过凸透镜投射到目标光检测相机的成像面上；检测相机检测出实际光束方向和期望光束方向的误差，从而得出任务误差矢量并传输给系统的主控制器；将定天镜和倾斜镜的运动联合建模为串联四自由度机械臂模型；主控制器计算出运动模型各个关节自由度的目标转动速度，并对系统的各运动部件进行驱动，最终达到稳定输出光束方向的目的。本发明解决了分级控制时两系统运动不协调问题，从而解决由于运动不协调而对光束稳定性产生较大影响等问题，进一步提高了系统及光束的稳定性。，下面是定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，其特征在于，步骤如下：
⑴.定天镜接收目标光，并反射到后端的光学传输系统；
⑵.光学传输系统将定天镜反射的目标光传输给倾斜镜；
⑶.经过倾斜镜反射后，目标光被传输给分光镜；
⑷.分光镜将目标光分成两部分，其中一部分进入主光路用于其他光学分析系统，另一部分经过凸透镜聚焦后投射到目标光检测相机的成像面上；
⑸.将定天镜和倾斜镜的运动联合建模为一个串联四自由度机械臂的运动模型，计算出其运动学模型和速度运动学模型，并将末端指向的方向角作为控制的目标任务矢量，具体的目标任务矢量根据期望光束方向设定；
⑹.由检测相机检测出当前实际光束方向和期望光束方向之间的误差，从而得出任务误差矢量，并传输给系统的主控制器；
⑺.主控制器接收该任务误差矢量，根据系统的运动学模型和速度运动学模型，并且在设计的零空间控制器作用下，计算出运动模型各个关节自由度的目标转动速度；
⑻.主控制器根据目标转动速度对系统的各运动部件进行驱动，最终达到稳定输出光束方向的目的。
2.根据权利要求1所述的定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，其特征在于，对于步骤
5中所述的一个已知的期望目标任务矢量ξd＝[φd,θd]T，其中φd和θd为用欧拉角描述的运动模型末端指向的方向角，需要求出步骤7中所述的运动模型目标转动速度矢量其中分别为运动模型各个关节自由度的转动速度；计算方
法为
其中J为系统运动模型的雅克比矩阵；为J的右伪逆矩阵；a和K为理想增
益因子，根据实际需求适当取值；q(t)为定天镜和倾斜镜的运动位置传感器得出的运动模型当前各关节自由度的位置信息；ξerr＝ξd-ξ＝[φerr,θerr]T是由检测相机检测出的当前光束实际方向和期望光束的误差从而确定的当前任务误差矢量；为末端指向期
望的目标速度矢量，针对本控制对象，该矢量是根据目标与系统的相对运动时，目标位置在系统坐标系中所期望的欧拉角变化得出；qsi(i＝1,2...c)为控制次要目标任务所设计的零空间调节矢量，由零空间控制器根据人为设计的次级目标任务功能构造函数计算得出，c是次要目标任务的数量。
3.根据权利要求2所述的定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，其特征在于，对于所述的零空间调节矢量为一个任意向量，该向量可由人为设计完成一些次要目标任务，对本运动系统来说，计算方法为
其中α为匹配常系数，根据所对应当前任务的权重适当取值；H(q)为次级目标任务功能构造函数，可根据实际需求人为设计。
4.根据权利要求1-3之一所述的定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，其特征在于，本方法中的控制规则如下：
第一步，系统速度运动学模型建立：本控制方法的实质就是对于一个已知的目标任务矢量ξ＝[φ,θ]T，需要求出运动模型的构型矢量q＝[q1,q2,q3,q4]T，即每个关节的转动位置；而在实际控制过程中使用速度运动学对目标的微分运动进行分析，该系统的速度运动学模型为
其中 J(q)为系统的雅克比矩阵，可由式2推导出；
第二步，速度运动学模型的解。式5的速度运动学方程的解为：
其中为雅克比矩阵J的右伪逆矩阵(Pseudo-inverse Matrix)，为
矩阵J的零空间矩阵，为一个任意矢量；
第三步，零空间控制器设计：如第二步中所述，为一个任意矢量，该矢量可由人为设计完成一些次要目标任务，对本发明中的运动系统来说，零空间的内部运动速度可以表示为：
其中α为匹配常系数，根据所对应当前任务的权重适当取值；H(q)为次级目标任务功能构造函数，根据实际需求人为设计；要考虑两个常用保证系统稳定性的次要目标任务，分别为避免运动关节极限角、最大化可操作度：
第四步，运动控制方法设计：传感器系统包括定天镜和倾斜镜的运动位置传感器以及检测相机；
四-1.由检测相机检测出的当前光束实际方向和期望光束的误差从而确定当前系统目标任务矢量的误差ξerr＝ξd-ξ＝[φerr,θerr]T输入主控制器，其中ξd为期望的目标任务矢量，ξ为当前实际目标任务矢量；
四-2.将定天镜和倾斜镜的运动位置传感器得出的当前位置信息q(t)输入主控制器；
四-3.得出目标期望速度矢量输入主控制器，针对本发明的控制对象，该
矢量是根据目标与系统的相对运动时，目标位置在系统坐标系中所期望的欧拉角变化得出；
四-4.零空间控制器根据位置传感器得出的当前位置信息q(t)，根据式7和本发明中主要考虑的两个次要目标任务计算零空间调节量qs输入主控制器，其中的qs由两个次要目标矢量叠加；
四-5.主控制器根据式6给出的速度运动学模型为本发明的运动系统设计运动控制方法，计算出控制矢量qd对定天镜和倾斜镜运动系统进行驱动，控制矢量qd 算法为：
其中为末端指向期望的目标速度矢量，针对本控制对象，该矢量是根据目
标与系统的相对运动时，目标位置在系统坐标系中所期望的欧拉角变化得出，ξerr＝ξd-ξ＝[φerr,θerr]T为末端指向姿态的误差矢量，a和K为理想增益因子，qsi(i＝1,2...c)为控制次要目标任务所设计的零空间速度矢量，c是次要目标任务的数量，其中c＝2。

说明书全文

定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及天文观测仪器中的定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，特别是一种基于多自由度冗余解析控制的定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，以保证目标光源导入光束的稳定性。本发明涉及大气光学、机器人学及相关的信号处理、电子计算机、电机控制等技术领域。

背景技术

[0002] 定天镜和倾斜镜在天文观测领域中已经应用了很多年，其中定天镜主要用于消除地球和空间目标之间相对运动的影响，将目标光源持续导入天文观测仪器的输入端，属于低频运动；而倾斜镜主要用于消除大气湍流所造成的光束抖动和倾斜，提高目标光束在天文观测仪器中的稳定性，属于高频运动。在当前普遍的应用控制方法中，定天镜和倾斜镜是分别控制的，分属于两个控制系统，在很多公开文献中如中国专利200910251477.6、201210024560.1和书籍(天文光干涉测量，王正明等)也做了相应的说明。这种控制方法在一定程度上能够改善光束稳定性，但是并没有考虑到定天镜作为光束导入的第一步，对后端光束稳定性的影响。定天镜运动所造成的光束抖动和倾斜往往会耦合到后端的光学系统，尤其是当前控制方法中，倾斜镜可能运动到极限位置，而此时对定天镜进行纠正往往会使得倾斜镜在短时间内产生位置的跳变，对光束稳定产生较大影响甚至造成跟踪系统的不稳定。

发明内容

[0003] 为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法。本发明采用多自由度冗余解析控制方法，将定天镜和倾斜镜归为一个整体进行运动协调控制，有效提高光学系统中的光束稳定性。并利用整体控制后的冗余自由度，设计零空间控制器进行系统内部调节，提高系统自身的可靠性和稳定性。

[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种定天镜和倾斜镜的整体协调控制方法，其特征在于，步骤如下：
⑴.定天镜接收目标光，并反射到后端的光学传输系统；
⑵.光学传输系统将定天镜反射的目标光传输给倾斜镜；
⑶.经过倾斜镜反射后，目标光被传输给分光镜；
⑷.分光镜将目标光分成两部分，其中一部分进入主光路用于其他光学分析系统，另一部分经过凸透镜聚焦后投射到目标光检测相机的成像面上；
⑸.将定天镜和倾斜镜的运动联合建模为一个串联四自由度机械臂的运动模型，计算出其运动学模型和速度运动学模型，并将末端指向的方向角作为控制的目标任务矢量，具体的目标任务矢量根据期望光束方向设定；
⑹.由检测相机检测出当前实际光束方向和期望光束方向之间的误差，从而得出任务误差矢量，并传输给系统的主控制器；
⑺.主控制器接收该任务误差矢量，根据系统的运动学模型和速度运动学模型，并且在设计的零空间控制器作用下，计算出运动模型各个关节自由度的目标转动速度；
⑻.运动控制器根据目标转动速度对系统的各运动部件进行驱动，最终达到稳定输出光束方向的目的。

[0005] 换言之，本发明设置由定天镜、倾斜镜、检测相机、分光镜以及一系列反射镜组成的光束方向校正系统。将上述的定天镜和倾斜镜的运动建模为串联四自由度机械臂的运动模型，并将末端指向的方向角作为控制的目标任务矢量，这个目标任务矢量根据期望光束方向设定。在控制过程中，首先由检测相机检测出当前实际光束方向和期望光束方向之间的误差，从而得出任务误差矢量，系统的主控制器接收该任务误差矢量，根据运动模型的速度运动学模型，并且在设计的零空间控制器作用下，计算出运动模型各个关节自由度的目标转动速度，主控制器会根据目标转动速度对系统的各运动部件进行驱动，最终达到稳定输出光束方向的目的。

[0006] 对于所述的零空间控制器，由于所得的运动模型，其自由度对目标任务而言是冗余的，所以采用零空间控制器的多目标优化冗余度解析方法，进行系统的冗余度运动控制。该控制器产生的系统运动会对系统的内部结构关系产生影响，但是完全不会影响到末端输出目标的最终控制。使用该控制器可以在保证主要目标任务(即期望的光束方向)达成的同时完成多个次要目标任务。

[0007] 相较于现有技术，本发明的优点在于：本发明将定天镜和倾斜镜归为一个整体进行控制，可以解决现有技术分级控制时容易产生的两系统运动不协调问题，从而解决类似于倾斜镜位置跳变对光束稳定性产生较大影响等问题，进一步提高系统中光束的稳定性；本发明采用零空间控制器的多目标优化冗余解析方法，进行系统的冗余度运动控制，这种控制方法可以在保证主要目标任务(即期望的光束方向)达成的同时完成多个次要目标任务，可以进一步提高系统本身的稳定性。
附图说明

[0008] 图1为本发明的光束方向校正系统结构示意图；图2为本发明的运动学及坐标分布示意图；
图3为本发明的运动系统控制规则示意图。

具体实施方式

[0009] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：实施例1，首先，对本发明控制方法应用中所涉及的光束方向校正系统结构进行说明。

[0010] 如图1所示，在定天镜4与倾斜镜5之间设置后端的光学传输系统2，以连接两者的光路；在倾斜镜5与主光路7之间，设置分光镜6，该分光镜6将目标光3分成两部分，其中一部分进入主光路7用于其他光学分析系统，另一部分经过凸透镜聚焦后投射到目标光检测相机1的成像面上；该检测相机1检测出当前实际光束方向和期望光束方向之间的误差，输出给主控制器；定天镜4与倾斜镜5的转动位置信息被其自身传感器检测出后，传输给零空间控制器和主控制器，该零空间控制器的输出也接主控制器；所述主控制器计算出目标转动速度对定天镜和倾斜镜系统的各运动部件进行驱动。(图1中没有画出零空间控制器和主控制器)。

[0011] 对于所述的光束方向校正系统，其中定天镜采用常用地平式定天镜；倾斜镜采用压电陶瓷驱动的常用二轴倾斜镜；目标光检测相机种类不限，可以采用CCD、COMS相机或者四象限探测器等。

[0012] 其中所述的后端的光学传输系统，为一块或多块平面反射镜，或缩束光路系统。对于本发明的控制方法而言，定天镜到倾斜镜之间添加或者减少常规平面镜反射光路，并不影响最终输出的目标任务(即倾斜镜输出的光束方向角)，即便添加缩束光路也只是在运动学模型的转动角参数中乘上缩束光路对应的比例参数即可，不会对所建立的运动学模型以及控制方法产生本质影响，所以本发明的示意图中将光束方向校正系统中的光学传输系统简化成一块反射镜。

[0013] 其次，对本发明控制方法中对系统运动建模及目标任务矢量设定做出说明。

[0014] 第一步，确定系统运动模型及模型参数描述方法。如图2所示，将本发明中仅有两个运动设备(定天镜与倾斜镜)的运动方式建模成为一个四自由度串联式机械臂结构，其中定天镜的运动建模为1和2号转动关节，倾斜镜的运动建模为3和4号转动关节。本发明中采用机械臂运动学中最常用的一种模型建立规则，Denavit-Hartenberg规则，以下简称DH规则,在此规则中每一个关节的齐次变换矩阵被描述为由四个基本坐标变换组成。

[0015]

[0016] 本发明中的系统DH规则参数如表2所示。

[0017] 表2.定天镜与倾斜镜系统DH规则参数表

[0018] 其中i为第i 连杆，四个DH规则参数中ai、di和αi均为常量，qi为变量，表示第i关节的转动角度。

[0019] 第二步，系统运动学模型计算。根据建立的系统坐标系和DH规则参数，可以根据式1求得各个的齐次变换矩阵至并且根据机器人正向运动学可得由定天镜基坐标系O0X0Y0Z0到倾斜镜末端坐标系O4X4Y4Z4的齐次变换矩阵为：

[0020] 其中，矩阵为坐标系O0X0Y0Z0到坐标系O4X4Y4Z4的旋转矩阵，其单位列向量分别代表坐标轴向量X4,Y4,Z4在坐标系O0X0Y0Z0中的方向向量，而则为原点O4在坐标系O0X0Y0Z0中的位置。

[0021] 第三步，目标任务矢量计算。在本发明中的控制方法中，任务矢量为输出光束的方向角，可以变换为倾斜镜末端指向的姿态角，在本发明中使用常用欧拉角表达方式来描述末端指向的姿态。根据欧拉角的定义，可得：

[0022] 本发明的控制方法需要关注的是输出的目标光方向，只和其中的φ和θ有关，计算公式为：

[0023] 本发明中建立矢量ξ＝[φ,θ]T作为控制模型的目标任务矢量。

[0024] 最后，结合图3对本发明的控制规则做出说明。

[0025] 第一步，系统速度运动学模型建立。对于本发明的控制方法的实质就是对于一个已知的目标任务矢量ξ＝[φ,θ]T，需要求出运动模型的构型矢量q＝[q1,q2,q3,q4]T，即每个关节的转动位置。而在实际控制过程中使用速度运动学对目标的微分运动进行分析，该系统的速度运动学模型为：其中 J(q)为系统的雅克比矩阵，可由式2推导出。

[0026] 第二步，速度运动学模型的解。式5的速度运动学方程的解为：其中为雅克比矩阵J的右伪逆矩阵(Pseudo-inverse Matrix)，
为矩阵J的零空间矩阵，为一个任意矢量。

[0027] 第三步，零空间控制器设计。如第二步中所述，为一个任意矢量，该矢量可由人为设计完成一些次要目标任务，对本发明中的运动系统来说，零空间的内部运动速度可以表示为：其中α为匹配常系数，根据所对应当前任务的权重适当取值。H(q)为次级目标任务功能构造函数，可根据实际需求人为设计。本发明中主要考虑两个常用保证系统稳定性的次要目标任务，分别为避免运动关节极限角、最大化可操作度。

[0028] 第四步，运动控制方法设计。控制规则的结构如图3所示。图中的传感器系统主要包括定天镜和倾斜镜的运动位置传感器以及检测相机。

[0029] 四-1.由检测相机检测出的当前光束实际方向和期望光束的误差从而确定当前系统目标任务矢量的误差ξerr＝ξd-ξ＝[φerr,θerr]T输入主控制器，其中ξd为期望的目标任务矢量，ξ为当前实际目标任务矢量；四-2.将定天镜和倾斜镜的运动位置传感器得出的当前位置信息q(t)输入主控制器；
四-3.得出目标期望速度矢量输入主控制器，针对本发明的控制对象，该
矢量是根据目标与系统的相对运动时，目标位置在系统坐标系中所期望的欧拉角变化得出；
四-4.零空间控制器根据位置传感器得出的当前位置信息q(t)，根据式7和本发明中主要考虑的两个次要目标任务计算零空间调节量qs输入主控制器，其中的qs由两个次要目标矢量叠加；
四-5.主控制器根据式6给出的速度运动学模型为本发明的运动系统设计运动控制方法，计算出控制矢量qd对定天镜和倾斜镜运动系统进行驱动，控制矢量qd 算法为：
其中为末端指向期望的目标速度矢量，针对本发明的控制对象，该矢量
是根据目标与系统的相对运动时，目标位置在系统坐标系中所期望的欧拉角变化得出，ξerr＝ξd-ξ＝[φerr,θerr]T为末端指向姿态的误差矢量，a和K为理想增益因子，qsi(i＝1,2...c)为控制次要目标任务所设计的零空间速度矢量，c是次要目标任务的数量，本发明中c＝2。

[0030] 本发明中未详细阐述的部分属于本领域中公知技术。

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