一种射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法与流程

本发明涉及一种射电望远镜的运动控制领域，特别涉及一种射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法。

背景技术：

被誉为“中国天眼”的500m口径球面射电望远镜(five-hundred-meteraperturesphericalradiotelescope，fast)工程是国家“十一五”重大科技基础设施建设项目，其主要构成包括反射面和馈源接收装置，基本思路是通过反射面反射及汇聚射电波，然后馈源接收装置完成射电波的接收。馈源接收装置通过馈源支撑系统运动，馈源支撑系统采用三个主动控制机构：索驱动并联机构、ab轴旋转机构和stewart并联机构。索驱动并联机构可以把馈源接收机控制到正确的位置，ab轴旋转机构用于调整馈源接收机的姿态，stewart并联机构用于降低风扰影响，进一步调整馈源接收机的位置与姿态，确保馈源接收机可以高精度的定位在焦点上，接收射电源信号，利用上述主动控制机构实现了将馈源相心定位在焦点位置。stewart并联机构分为上下平台，在其下平台安装多波束接收机时，会同时安装一个多波束旋转机构，可以帮助多波束接收机实现自转运动，其自转角度规划需要根据天文观测规划进行计算及规划。

因此，换源规划需要对索驱动并联机构、ab轴旋转机构及多波束旋转机构进行运动规划。

换源规划是指馈源舱从上一个观测任务结束后的当前位置，运动到下一个观测任务的起点。现有技术方案中采用的换源规划方法是全段采用直线段换源的方法，容易造成索驱动的索力超限，易造成馈源支撑系统的控制机构无法承载而报警；此外，现有技术也未考虑索驱动的姿态角度对于索驱动拉力的影响，容易造成馈源支撑系统机构运行不稳定。因此，目前射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法仍需要改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种射电望远镜馈源支撑系统的运动规划方法。

本发明的技术方案是：一种射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法，其特征在于，包括：确定换源起点位置和换源结束位置；确定距离换源起点位置最近的焦面上的点，该点为换源拐点位置；从换源起点位置到换源拐点位置采用直线段换源；从换源拐点位置到换源结束位置采用焦面段换源。

进一步地，还包括确定支撑系统各阶段换源时间：确定支撑系统的焦面段换源时间、支撑系统的直线段换源时间和支撑系统的总换源时间。

进一步地，还包括确定主动控制机构换源规划：确定索驱动、ab轴旋转机构和多波束旋转机构的换源规划。

进一步地，其中所述确定支撑系统各阶段换源时间的具体方法为：

确定支撑系统的焦面段换源时间：利用所述换源拐点位置以及所述换源结束位置，获取馈源相心在焦面上的换源坐标及距离；进而根据设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算焦面段相心换源时间，所述焦面段相心换源时间即为支撑系统的焦面段换源时间；

确定支撑系统的直线段换源时间：确定直线段相心换源时间，确定直线段索驱动换源时间，确定直线段ab轴旋转机构换源时间，确定直线段多波束旋转机构换源时间，四个时间的最大值为直线段换源时间；

确定支撑系统的总换源时间：支撑系统的直线段换源时间与焦面段换源时间之和为支撑系统的总换源时间。

进一步地，其中所述确定支撑系统的直线段换源时间的具体方法为：

直线段相心换源时间的计算方法为：根据换源起点位置和换源拐点位置，以及设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算所述直线段相心换源时间。

直线段索驱动换源时间的计算方法为：根据索驱动在换源起点位置的初始角度，以及索驱动在换源拐点位置处应达到的角度，以及设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算所述直线段索驱动换源时间。即考虑了索驱动的姿态角度对于索力的影响，可进一步保证馈源支撑系统机构的稳定。

直线段ab轴旋转机构换源时间的计算方法为：根据所述换源起点位置处ab轴旋转机构的初始角度，以及所述换源结束位置处的ab轴旋转机构应达到的角度，结合设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算ab轴旋转机构的总换源时间；利用ab轴旋转机构的总换源时间减去支撑系统的焦面段换源时间，得到直线段ab轴旋转机构的换源时间。

直线段多波束旋转机构换源时间的计算方法包括：利用所述换源起点位置处多波束旋转机构的初始角度，换源结束位置处的多波束旋转机构应达到的角度，结合设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算多波束旋转机构的总换源时间；利用多波束旋转机构总换源时间减去支撑系统的焦面段换源时间，得到所述直线段多波束旋转机构换源时间。

支撑系统的直线段换源时间为所述直线段相心换源时间、直线段索驱动换源时间、直线段ab轴旋转机构换源时间、直线段多波束旋转机构换源时间之中的最大值。

进一步地，其中所述确定主动控制机构换源规划的具体方法为：

确定索驱动换源规划：分别规划索驱动在直线段和焦面段的角度和相心位置坐标随时间变化函数。

确定ab轴旋转机构换源规划：规划ab轴旋转机构在总换源时间内旋转角度随时间变化函数。

确定多波束旋转机构换源规划：规划多波束旋转机构在总换源时间内旋转角度随时间变化函数。

进一步地，其中确定索驱动换源规划具体包括：

根据索驱动在换源起点位置处的初始角度，以及索驱动在换源拐点位置处应达到的角度和支撑系统的直线段换源时间，可规划所述直线段内索驱动的角度和相心位置坐标随时间变化的函数。

根据索驱动在换源拐点位置处的初始角度，以及索驱动在换源结束位置处应达到的角度和支撑系统的焦面段换源时间，规划焦面段内索驱动的角度以及相心位置坐标随时间变化的函数。

进一步地，其中确定ab轴旋转机构换源规划具体包括：

根据ab轴旋转机构在换源初始位置处的初始角度，以及ab轴旋转机构在换源结束位置处应达到的角度和支撑系统的总换源时间，规划在总换源时间内ab轴旋转机构的角度随时间变化的函数。

进一步地，其中确定多波束旋转机构换源规划具体包括：

根据多波束旋转机构在换源初始位置处的初始角度，以及多波束旋转机构在换源结束位置处应达到的角度和支撑系统的总换源时间，规划在总换源时间内多波束旋转机构的角度随时间变化的函数。

本发明具有以下有益效果：首先，利用直线段换源和焦面段换源结合的方法，减小索驱动的拉力，保证索力的可控。其次，在换源过程中，考虑索驱动的姿态角度对于索力的影响，在直线段换源中将索驱动姿态角度运动至该焦面位置对应的俯仰角度，焦面段的速度和加速度变化变小，保证馈源支撑系统机构的稳定。最后，ab轴旋转机构和多波束旋转机构的运动角度根据整个换源时间来进行规划，可以减小其换源的角速度，使得系统运动稳定。

附图说明

图1是本发明馈源支撑系统换源规划方法的示意图；

图2是本发明直角坐标系下馈源支撑系统的换源规划轨迹示意图；

图3是本发明馈源支撑系统换源规划方法的具体流程示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-3，为本发明的一种射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法的示意图，馈源舱需要从当前位置ph运动至下一个观测任务的起点位置p1，则换源起点位置为ph，换源结束位置为p1，确定换源起点位置ph和换源结束位置为p1，确定距离所述换源起点位置ph最近的焦面上的拐点p0；从所述换源起点位置ph到所述焦面的点p0采用直线段换源规划；从所述拐点p0到所述换源结束位置p1采用焦面段换源规划。这样利用直线段换源和焦面段换源结合的方法，可以减小索驱动的压力，保证索力的可控。这里的焦面是指反射面变形为抛物面时，抛物面焦点的集合。考虑到馈源相心不在焦面上或者角度没有达到要求，其一是由于存在误差导致馈源相心不在焦面上，其二是由于调试或故障原因导致馈源相心不在焦面上或姿态角度差别较大，因此，本发明根据索驱动、ab轴旋转机构、多波束旋转机构的位置和角度进行换源规划。

一种射电望远镜馈源支撑系统的换源规划方法，包括：

1.确定换源起点位置ph和换源结束位置为p1；确定距离换源起点位置ph最近的焦面上的点，该点为换源拐点位置p0；从换源起点位置ph到换源拐点位置p0采用直线段换源；从换源拐点位置p0到换源结束位置p1采用焦面段换源；

2.确定支撑系统各阶段换源时间：确定支撑系统的焦面段换源时间、支撑系统的直线段换源时间和支撑系统的总换源时间。

3.确定主动控制机构换源规划：确定索驱动、ab轴旋转机构和多波束旋转机构的换源规划。

其中确定支撑系统各阶段换源时间，具体包括：

2.1确定支撑系统的焦面段换源时间：利用所述换源拐点位置p0以及所述换源结束位置p1，获取馈源相心在焦面上的换源坐标及距离；进而根据设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算焦面段相心换源时间，所述焦面段相心换源时间即为支撑系统的焦面段换源时间。

2.2确定支撑系统的直线段换源时间：确定直线段相心换源时间，确定直线段索驱动换源时间，确定直线段ab轴旋转机构换源时间，确定直线段多波束旋转机构换源时间，四个时间的最大值为直线段换源时间。

2.3确定支撑系统的总换源时间：支撑系统的直线段换源时间与焦面段换源时间之和为支撑系统的总换源时间；

其中确定主动控制机构换源规划具体包括：

3.1确定索驱动换源规划：分别规划索驱动在直线段和焦面段的角度和相心位置坐标随时间变化函数。

3.2确定ab轴旋转机构换源规划：规划ab轴旋转机构在总换源时间内旋转角度随时间变化函数。

3.3确定多波束旋转机构换源规划：规划多波束旋转机构在总换源时间内旋转角度随时间变化函数。

其中确定支撑系统的直线段换源时间具体包括：

2.2.1直线段相心换源时间(t_for_line)的计算方法为：根据换源起点位置ph和换源拐点位置p0，以及设定的最大加速度限值、最大速度限值，计算所述直线段相心换源时间。

2.2.2直线段索驱动换源时间(t_cable_line)的计算方法为：根据索驱动在换源起点位置ph的初始角度，以及索驱动在换源拐点位置p0处应达到的角度，以及设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算所述直线段索驱动换源时间。即考虑了索驱动的姿态角度对于索力的影响，可进一步保证馈源支撑系统机构的稳定。

2.2.3直线段ab轴旋转机构换源时间的计算方法为：根据所述换源起点位置ph处ab轴旋转机构的初始角度，以及所述换源结束位置p1处的ab轴旋转机构应达到的角度，结合设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算ab轴旋转机构的总换源时间(t_ab_time)；利用ab轴旋转机构的总换源时间减去支撑系统的焦面段换源时间，得到直线段ab轴旋转机构的换源时间(t_ab_time-t_arc)。

2.2.4直线段多波束旋转机构换源时间的计算方法包括：利用所述换源起点位置ph处多波束旋转机构的初始角度，换源结束位置p1处的多波束旋转机构应达到的角度，结合设定的最大角加速度限值、最大角速度限值，计算多波束旋转机构的总换源时间(t_horn_time)；利用多波束旋转机构总换源时间减去支撑系统的焦面段换源时间，得到所述直线段多波束旋转机构换源时间(t_horn_time-t_arc)。

2.2.5支撑系统的直线段换源时间为所述直线段相心换源时间(t_for_line)、直线段索驱动换源时间(t_cable_line)、直线段ab轴旋转机构换源时间(t_ab_time-t_arc)、直线段多波束旋转机构换源时间(t_horn_time-t_arc)之中的最大值。

其中确定索驱动换源规划具体包括：

3.1.1根据索驱动在换源起点位置ph处的初始角度，以及索驱动在换源拐点位置p0处应达到的角度和支撑系统的直线段换源时间，可规划所述直线段内索驱动的角度和相心位置坐标随时间变化的函数。

3.1.2根据索驱动在换源拐点位置p0处的初始角度，以及索驱动在换源结束位置p1处应达到的角度和支撑系统的焦面段换源时间，规划焦面段内索驱动的角度以及相心位置坐标随时间变化的函数。

其中确定ab轴旋转机构换源规划具体包括：

根据ab轴旋转机构在换源初始位置ph处的初始角度，以及ab轴旋转机构在换源结束位置p1处应达到的角度和支撑系统的总换源时间，规划在总换源时间内ab轴旋转机构的角度随时间变化的函数。

其中确定多波束旋转机构换源规划具体包括：

根据多波束旋转机构在换源初始位置ph处的初始角度，以及多波束旋转机构在换源结束位置p1处应达到的角度和支撑系统的总换源时间，规划在总换源时间内多波束旋转机构的角度随时间变化的函数。

因此，在本发明的整个换源规划中，使用直线段换源与焦面段换源结合的方式，并合理规划馈源支撑系统运动机构的加减速度，保证了换源过程系统的稳定性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。