基于惯性测量的天线副面位姿测量系统的设计
尹航1,3, 陈卯蒸1,2, 刘志勇1,2     
1. 中国科学院新疆天文台, 新疆 乌鲁木齐 830011;
2. 中国科学院射电天文重点实验室, 江苏 南京 210008;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 以新疆天文台奇台110 m大型射电望远镜建设项目为背景,研发了一套基于惯性测量原理应用于大型射电望远镜的副面位姿精确测量系统。系统基于惯性测量和嵌入式技术,分别设计了信号采集终端和上位机处理软件,解决了超大型射电天线工作中副面位置摆动较大而无法确定精确位置,进而无法基于副面上六杆并联机器人对副面进行精确调节以提高观测效率的问题。该测量系统是射电望远镜副反射面控制系统构建成为闭环控制系统的关键模块。副反射面控制系统构建成为闭环控制链路以后,可以极大地提高射电望远镜的整体观测效率。
关键词: 测量系统     射电望远镜     副反射面     惯性测量     嵌入式技术    
The Position and Posture of Deputy Reflection Surface Measurement System Design Based on Inertial Measurement Technology
Yin Hang1,3, Chen Maozheng1,2, Liu Zhiyong1,2     
1. Xinjiang Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
2. Key Laboratory of Radio Astronomy, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The research has developed a measuring instrument system applied to the measurement of deputy reflection surface position and posture of the large radio telescope based on the QTT(Qatari Telescope). The system is based on the inertial measurement unit and embedded technology, the signal acquisition terminal and PC processing software are designed, the observation accuracy in large radio telescope is improved. The system is the core module in closed-loop control system of deputy reflection. The system can meet the requirements of the astronomical observation and deep space net. It is a pioneering work.
Key words: Measurement system     Radio telescopes     Deputy reflection surface     Inertial measurement     Embedded technology    

随着我国射电天文的快速发展,越来越多的大口径射电望远镜正在建设,其中,计划在新疆奇台建设的110 m射电望远镜位居国际一流大科学装置之列, 建成以后,将成为世界上最大的全向可动射电望远镜[1]。但是,大型射电望远镜由于机械尺寸较大, 加工精度以及重力、温度和风力等因素的影响,产生非线性不可预测的副反射面位姿漂移,支撑结构不再是规则的塔式结构,从而引起主副反射面偏焦[2]

为解决副反射面位姿漂移的问题,大型射电望远镜普遍采用六轴联动并联机器人伺服系统控制副面位置。基于六轴联动并联机器人伺服系统的射电望远镜副面补偿技术可以使副反射面在六个维度自由移动,实现一定的反射面偏焦补偿。但是,六轴联动并联机器人伺服系统的应用存在2个问题:(1)六轴联动并联机器人伺服系统的应用主要解决主面变形导致的反射面偏焦问题(详见文[3]),但并不能解决主副反射面之间位移偏差导致的偏焦问题;(2)六轴联动并联机器人伺服系统本身是一套开环控制系统,文[3-5]对六轴联动并联机器人伺服系统的应用进行研究,但是文献是基于开环控制模型构建的补偿控制器。以新疆天文台25 m射电望远镜为例,六轴联动并联机器人伺服系统虽然实现了一定的副面偏焦补偿,但是在望远镜运行过程中,由于支撑结构的机械缓变,每次换馈后都要对六轴联动并联机器人伺服系统的位姿误差进行标定,根据接收机的信号功率对六轴联动并联机器人伺服系统位置控制数值不断修改(见图 1),导致操作异常复杂,效率低下。

图 1 六轴联动并联机器人伺服系统控制界面图 Figure 1 The 6-DOF parallel platform control interface

在六轴联动并联机器人伺服系统的控制中引入测量环节,实现副反射面的闭环控制,可以使射电望远镜副反射面在非线性机械漂移下依然保持正常工作和精准对焦(图 2)。因此,有必要对副反射面位置姿态参数的精确测量技术进行研究。

图 2 引入位姿测量系统后六轴联动并联机器人伺服系统的结构变化 Figure 2 The structural changes of the 6-DOF parallel platform after using the measurement system
1 副面漂移量测量技术

基于以上分析,对主副反射面之间的位姿漂移进行测量非常有必要,但是国际上通用的办法是引入六轴联动并联机器人伺服系统对副面位姿进行不断调节以实现反射面补偿,并无有效手段对副面整机的位姿漂移进行测量,故有必要寻找一种新的方式测量整机的位姿漂移。六轴联动并联机器人伺服系统本质上属于一种机器人系统,对机器人系统常用的位姿测量方式予以探究,主要有旋转编码器测量技术、视觉测量和惯性测量技术。

1.1 旋转编码器测量技术

旋转编码器通常安装于电机输出轴,将连续的轴旋转角度离散化和量化后输出,可检测位置和速度。但是由于该技术在使用过程中,链接测试器件两部分之间的相对运动必须为线性运动,故不适用。

1.2 视觉测量

视觉测量系统是以可见光摄像机为传感器测量射电望远镜副面位姿参数的系统,通过双相机交汇三维成像的原理获取空间点的三维坐标建立副面三维姿态测量方法[6]。由于方法数据量较大,对系统计算性能要求较高,实时性较低,不适宜大口径射电望远镜副面位姿的实时测量。

1.3 惯性测量技术

惯性测量元件是测量目标在三维空间中角加速度和线性加速度的装置。每个惯性测量单元中包含了三个维度下单轴的加速度计和单轴的陀螺仪。

惯性测量单元不需要接收外界信号就能够得到系统在运行过程中的姿态和位置等信息,可以高精度地测定载体的运动参数[7]。因此,选用惯性测量技术测量副反射面位姿参数,设计一套基于惯性传感器的测量单元。

基于固定式机器人运动模型对110 m大口径射电望远镜的运动过程进行建模,使用线性惯性测量原理对做非线性漂移的六轴联动并联机器人伺服系统的漂移误差进行标定,进而实现副反射面位姿调节测控链中的测量环节,重点在系统设计,系统硬件如图 3

图 3 位姿测量系统下位机硬件系统图 Figure 3 The lower computer hardware system of the measurement system
2 系统设计 2.1 系统架构

系统架构如图 4。设计的惯性测试系统有3个分系统:下位机分系统、上位机分系统和算法模块。

图 4 系统整体架构 Figure 4 The system overall architecture

下位机分系统的主要任务是使用惯性测量传感器采集天线副反射面运动参数,包括3个维度的线性加速度信号,3个维度的角加速度信号。将采集到的六维信号数据进行重新编码处理,发送至上位机,使用附带的温度传感器、湿度传感器、风速传感器采集天线副反射面所处位置的温度场、湿度场、风力场等参数。

上位机分系统的主要任务是对上位机传回的数据进行解码处理,对解码后的参数进行解算,得出天线副反射面的姿态与位置参数,将反解的参数汇集至天线控制单元的中控机,为后续调试提供参考。

算法模块本身为上位机分系统中的子模块,属于核心算法,将其列为单独的分系统,主要任务是对上位机解码的参数进行运算,反解天线副反射面的位置姿态参数。

2.2 下位机分系统 2.2.1 惯性测量器件的选用

作为新疆天文台110 m射电望远镜的预研工作,惯性测量器件选用成本较低的MPU6050模块,研发思路为使用成本较低、精度较低的惯性测量器件进行建模。在试验中,使用精度要求较低的试验平台进行测试,后续换用高精度的符合大型射电望远镜性能要求的高精度惯性测量器件。

2.2.2 采集电路的设计

下位机分系统架构如图 5。中心控制器采用基于ARM CortexM3内核的STM32F103芯片,该微控制器接口丰富,可以进行多种任务的拓展,为后续大型射电望远镜系统的其他测量项目奠定预研基础。

图 5 下位机分系统软件模块架构 Figure 5 The lower computer subsystem software module architecture
2.3 上位机分系统架构

上位机分系统架构如图 6,上位机分系统由4个子模块构成:人机交互界面、串口通信模块、数据处理算法以及网络通信模块。

图 6 上位机分系统架构图 Figure 6 Structure of Host Computer

天文数据处理软件的开发是天文技术研究的一个重要组成部分,如何为用户提供友好的交互界面一直是软件开发人员关注的问题。上位机的编程主要基于开发工具Qt Designer完成。Qt平台的开发项目具备较强的可移植性,可支持Linux系统和各类Windows平台,可以进行独立于平台的程序开发和配置。

作为新疆天文台建设110 m射电望远镜的预研,在进行工程设计时,必须考虑系统的可复用性[7]。在上位机研发过程中,设计了用户交互界面+核心处理算法+网络通信模块+串口通信模块的标准架构。这种架构的上位机软件主要有3点优势:(1)由于外接硬件设备大多数为串口通信,可以保证安装上位机的计算机通过串口与外部硬件进行通信;(2)考虑到未来的大射电望远镜控制计算机之间将对现有的串口通信进行改造,实行实时的网络通信,故在上位机中集成了网络通信模块,为将来各个控制计算机的串联进行了技术准备;(3)将算法处理模块单独编列,将来上位机系统可以通过单独编列的算法处理函数进行修改,扩大使用范围,故上位机系统在未来大型射电望远镜的设计中可以作为辅助系统上位机分系统的标准架构进行参考。

3 数据处理

数据处理模块是核心模块,主要负责对下位机采集的数据进行分析处理。作用主要有3点:(1)解算射电望远镜副面的实时位姿;(2)通过获取射电望远镜的运行信息,解算射电望远镜副面的理论位置;(3)计算射电望远镜副反射面漂移量,并将相关参数提供给校正系统。

3.1 位移数据的获取

惯性测量系统能够自主测定系统的线加速度和角加速度,在下位机系统中,通过二次积分程序实现系统三维线性位移和三维转角的测定。在上位机系统中,基于姿态信息建立姿态转换矩阵,能够得到系统在运行过程中的姿态和位置等信息。程序示例如图 7

图 7 位移解算程序示例 Figure 7 The example of displacement calculation program
3.2 射电望远镜系统与副面系统的建模

基于固定机器人系统的运动模型对射电望远镜系统进行建模,坐标如图 8,设射电望远镜所处的坐标系为{A}。

图 8 射电望远镜系统运动坐标系 Figure 8 The radio telescope system motion coordinate system

位置矢量Ap表示当前副面在射电望远镜坐标系中的理论位置,Ao表示当前副面在射电望远镜坐标系中的初始位置,位置矢量Aq表示当前副面在射电望远镜坐标系中的实际位置,矩阵形式如下:

$ {}^A\mathit{\boldsymbol{p}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{p_x}}\\ {{p_y}}\\ {{p_z}} \end{array}} \right], $ (1)
$ {}^A\mathit{\boldsymbol{o}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{o_x}}\\ {{o_y}}\\ {{o_z}} \end{array}} \right], $ (2)
$ {}^A\mathit{\boldsymbol{q}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{q_x}}\\ {{q_y}}\\ {{q_z}} \end{array}} \right]. $ (3)

对射电望远镜副面建立直角坐标系{B},利用与{B}的坐标轴平行的3个单位矢量表示副面相对于射电望远镜的姿态。ARB矩阵表示副面相对于射电望远镜系统的理论姿态;AOB矩阵表示副面相对于射电望远镜系统的初始姿态;AXB矩阵表示副面相对于射电望远镜系统的实际姿态。

$ {}^A{\mathit{\boldsymbol{R}}_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{r_{11}}}&{{r_{12}}}&{{r_{13}}}\\ {{r_{21}}}&{{r_{22}}}&{{r_{23}}}\\ {{r_{31}}}&{{r_{32}}}&{{r_{33}}} \end{array}} \right], $ (4)
$ {}^A{\mathit{\boldsymbol{O}}_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{o_{11}}}&{{o_{12}}}&{{o_{13}}}\\ {{o_{21}}}&{{o_{22}}}&{{o_{23}}}\\ {{o_{31}}}&{{o_{32}}}&{{o_{33}}} \end{array}} \right], $ (5)
$ {}^A{\mathit{\boldsymbol{X}}_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_{11}}}&{{x_{12}}}&{{x_{13}}}\\ {{x_{21}}}&{{x_{22}}}&{{x_{23}}}\\ {{x_{31}}}&{{x_{32}}}&{{x_{33}}} \end{array}} \right]. $ (6)

若要描述副反射面相对于射电望远镜系统的位姿状态,可用如下齐次矩阵表示,其中,(7)为理论位姿状态;(8)为初始位姿状态;(9)为实际位姿状态。

$ {}^A{T_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{}^A{R_B}}&{{}^A{p_B}}\\ 0&1 \end{array}} \right], $ (7)
$ {}^A{P_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{}^A{O_B}}&{{}^A{o_B}}\\ 0&1 \end{array}} \right], $ (8)
$ {}^A{K_B} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{}^A{X_B}}&{{}^A{q_B}}\\ 0&1 \end{array}} \right]. $ (9)

利用球面坐标系对射电望远镜的日常运行状态进行建模,其运动模型为

$ \begin{array}{l} {\rm{Sph}}\left( {\alpha ,\beta ,r} \right) = {\rm{Rot}}\left( {z,\alpha } \right){\rm{Rot}}\left( {y,\beta } \right){\rm{Trans}}\left( {0,0,r} \right)\\ = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \alpha }&{ - \sin \alpha }&0&0\\ {\sin \alpha }&{\cos \alpha }&0&0\\ 0&0&1&0\\ 0&0&0&1 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \beta }&0&{\sin \beta }&0\\ 0&1&0&0\\ { - \sin \beta }&0&{\cos \beta }&0\\ 0&0&0&1 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0&0\\ 0&1&0&0\\ 0&0&1&r\\ 0&0&0&1 \end{array}} \right],\\ = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \alpha \cos \beta }&{ - \sin \alpha }&{\cos \alpha \sin \beta }&{r\cos \alpha \sin \beta }\\ {\sin \alpha \cos \beta }&{\cos \alpha }&{\sin \alpha \sin \beta }&{r\sin \alpha \sin \beta }\\ { - \sin \beta }&0&{\cos \beta }&{r\cos \beta }\\ 0&0&0&1 \end{array}} \right] \end{array} $ (10)

其中,α为望远镜运行的俯仰角;β为望远镜运行的方向角。

3.3 射电望远镜副面的实时位姿

通过望远镜的运动模型(10)式与副反射面初始位姿(8)式联立,可得副反射面的理论位姿态(7)式,由此得到副面的理论位置(1)式与理论姿态角(4)式。

在射电望远镜坐标系{A}下,基于下位机实时传回的采集数据,进行二次积分,得出副面当前实际位置(3)式与实际姿态(6)式。

至此,数据处理任务结束,将由3.2节得出的副面当前实际位置(3)式与实际姿态(6)式,3.2节理论位置(1)式和理论姿态(4)式通过全局变量显示在上位机前端,并通过网络协议模块输出至副面调整系统。

4 结论与展望

基于惯性测量技术和嵌入式技术,针对超大口径射电望远镜副反射面的机械漂移研发了一套测量系统。卡式天线副反射面、六自由度并联机器人、惯性测量技术虽然都是成熟的研究对象,但是在工程上并无将三者结合在一起的先例。随着惯性测量技术和微电子技术的不断发展和传感器精度不断提高,在新疆天文台110 m射电望远镜的建设和运行中,基于惯性测量技术构建的测量系统将起到更为广泛的应用。

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由中国科学院国家天文台主办。
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尹航, 陈卯蒸, 刘志勇
Yin Hang, Chen Maozheng, Liu Zhiyong
基于惯性测量的天线副面位姿测量系统的设计
The Position and Posture of Deputy Reflection Surface Measurement System Design Based on Inertial Measurement Technology
天文研究与技术, 2018, 15(4): 390-396.
Astronomical Research and Technology, 2018, 15(4): 390-396.
收稿日期: 2017-09-22
修订日期: 2018-01-20

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