用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法
【专利摘要】用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋转的多向控制方法，涉及成像【技术领域】。解决多个不同谱段探测器融合成像系统中采用伺服电机驱动45°扫描镜和多个成像探测器协同运动以消除像旋转的问题。成像系统中光线经过45°扫描镜后由分光镜将光束分配到各个成像组件上进行成像。单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令，分别对扫描镜伺服电机和多个成像探测器伺服电机的转动进行控制；力矩估计器分别估计单电机指令跟踪控制器作用在电机轴系上的等效驱动力矩，为多向控制器提供力矩信息。本发明在不增加额外的消旋光学元件的条件下，通过算法控制多个成像元件之间的协同运动达到消旋的目的。
【专利说明】用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种消除多探测器融合扫描成像系统像旋转的运动控制方法，属于成 像【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在成像系统中，光学镜头的视场限制了成像范围。采用横向扫描的方式是扩大成 像系统覆盖范围的有效途径。为减小扫描机构的转动惯量，通常在镜头前加装45°扫描镜， 通过控制扫描镜旋转实现横向扫描。但扫描镜旋转会造成目标景物的影像在像平面上产生 旋转。为保证扫描成像的图像完整性，必须设计高精度消像旋系统。专利"一种用于扫描成 像系统消除像旋的双向控制方法"（申请号201310254033. 4)提出采用双向控制的方法代 替传统的传动方式消除成像系统的像旋。但是这种双向控制消除像旋的方案适用于成像系 统只有一个消旋元件需要控制的情况。对于多个不同谱段探测器进行融合成像的系统，采 用针对一个扫描镜和一个消旋元件设计的双向控制方法消除像旋会给光学设计和结构设 计带来诸多限制。因此，需要一种能够适用于多个探测器融合成像系统的消除像旋转的方 法。
【发明内容】
[0003] 本发明为解决现有采用双向控制消除像旋方法只适用于一个消旋元件而不适用 于多个消旋元件的情况，提供一种用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方 法。
[0004] 用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法，由一个45°扫描镜和 n-1个成像探测器，η个单电机指令跟踪控制器、η个等效力矩估计器和多通道多向控制器 组成，所述的扫描镜和成像探测器由伺服电机驱动转动所述伺服电机装有速率陀螺仪和编 码器作为反馈传感器；所述单电机指令跟踪控制器用于伺服电机对指令的跟踪；所述等效 力矩估计器为多通道多向控制器的计算提供力矩信息；所述多通道多向控制器用于协调各 个伺服电机的转动；所述成像探测器伺服电机编号为1至η-1，扫描镜伺服电机编号为η， η>2,具体方法为：
[0005] 步骤一、根据扫描镜转动指令，分别获得第i个伺服电机的角位置信息Θ i和角速 度信息4 :然后将其中每两个伺服电机的角位置信息θρ θ』α关j，i，j e {l，2，...，n}) 作差，获得位置差值％ =6 -0与％ 将其中每两个伺服电机的角速度信息作差计 算速度信息差6/,. = 4 - 4与 冷-今；
[0006] 步骤二、单电机指令跟踪控制器i根据扫描镜转动指令与伺服电机i的角位置信 息的差，所述i = 1，2,. . .，η,获得伺服电机i的指令跟踪控制量Uu ;
[0007] 步骤三、计算扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机的等效力矩估计值；
[0008] 具体过程为：将步骤一获得的伺服电机i的角位置信息Θ i经等效力矩估计器内 的标准电机逆模型与低通滤波器乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电 机i的多向控制量ubi相减所得的差值作为伺服电机i上的等效力矩估计器的输出值；将步 骤一获得的伺服电机j的角位置信息Θ」经等效力矩估计器内的标准电机逆模型与低通滤 波器乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电机j的双向控制量U bj相减所 得的差值作为伺服电机j上的等效力矩估计器的输出值；
[0009] 步骤四、将步骤一获得的位置差值^ = & -6.与步骤三获得的伺服电机j的等效 力矩估计值重新计算伺服电机i的控制量ubi ;
[0010] 步骤五、将步骤二获得的伺服电机i的指令跟踪控制量1^与步骤四获得的多向控 制量u bi叠加，叠加后的输出值作用在伺服电机i上，实现多向控制。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] 一、本发明实现了多个成像元件协同运动，对于多光谱、高分辨率的多探测器融合 扫描成像系统，解除了消除像旋对光学设计的约束，光路中不需要加入额外的消旋元件；系 统不需要使多个探测器形成的成像组件进行整体运动，而是允许多个探测器分布于成像系 统的任意位置，降低了机械设计难度，避免了多个成像探测器形成组件后整体旋转导致成 像系统体积过大等问题。
[0013] 二、本发明采用多向控制思想，实现扫描镜与多个成像探测器之间的协同运动，提 高成像元件之间的同步精度。本发明能够有效保证具有不同转动惯量、受到不同摩擦力矩、 外界扰动影响的扫描镜和多个成像探测器伺服系统运动的协调性，提高消除像旋的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明所述的一种用于扫描成像系统消除像旋的多向控制方法的算法原 理图；
[0015] 图2为本发明所述的一种用于扫描成像系统消除像旋的多向控制方法中等效力 矩估计原理框图；
[0016] 图3为本发明所述的一种用于扫描成像系统消除像旋的多向控制方法的硬件结 构示意图；
[0017] 图4为本发明所述的一种用于扫描成像系统消除像旋的多向控制方法的软件的 工作流程图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0018] ：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的用于多探测器 融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法中的成像系统的45°扫描镜由一套电机伺服 系统驱动，称为扫描镜伺服电机；每个成像探测器都由一套电机伺服系统驱动，称为成像探 测器伺服电机；每个电机伺服系统之间不存在机械连接，由多通道多向控制器，即一种多向 控制算法实现多套伺服系统的协同运动。
[0019] 具体包括：单电机指令跟踪控制器、等效力矩估计器、以及多通道多向控制器中的 位置控制器；扫描镜伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令后，控制45° 扫描镜按照指令规划的角位置或角速度转动；每个成像探测器伺服电机的单电机指令跟踪 控制器接收相同的扫描镜转动指令，控制成像探测器伺服电机按照与45°扫描镜相同的角 位置或角速度进行转动。
[0020] 等效力矩估计器是针对扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机设计的，其作用是 实现对驱动多个电机转动的等效力矩的估计，为多向控制器提供力矩信息。多向控制器将 每个电机伺服系统在控制层面上连接为一个整体，使各电机之间的转动角度、角速度完全 一致；从而使与扫描镜之间无机械联动的多个成像探测器的运动满足消像旋的要求。
[0021] 所述的多向控制器包括：从伺服电机i(i = l，2，...，n(n>2))发出到伺服电机 j (j关i，j = 1，2,. . .，η)的位置通道；从伺服电机i (i = 1，2,. . .，η)上的等效力矩估计器 发出到伺服电机j (j尹i，j = 1，2, ...，η)的力矩通道；以及各位置通道下的位置控制器。
[0022] 结合图1说明本实施方式，所述伺服电机i的等效转动惯量和阻尼参数为1為，各 个伺服电机的等效转动惯量和阻尼参数之间可以存在差别。单电机指令跟踪控制器i是针 对每个独立的伺服系统设计的位置/速度跟踪控制器，实现的是多个伺服电机对期望运动 指令（扫描镜转动指令）的跟踪。单电机指令跟踪控制器采用超前滞后网络校正，得到电机 的指令跟踪控制量 Uc;i。设成像系统的扫描镜转动指令为r，电机的转角分别为，则每个 电机的单电机指令跟踪控制器计算控制量的过程为：? = (r- Θ ) ( τ liS+l) ( τ 2iS+l)/ [(TliS+l) (T2is+1)]，其中s为拉普拉斯算子，Τπ > τ u > τ 2i > T2i为伺服系统i的超前 滞后网络参数。图1中，多向控制器中的位置控制器Cpij(s)为比例微分控制器，用于协调 伺服电机i和电机j (j尹i, j = 1，2, . . .，η)的转动；等效干扰φ为作用在伺服电机i上 的等效干扰，该等效干扰包括电机所受到的外界摩擦力矩、扰动力矩、电机实际模型与图中 所示的模型不匹配的因素。
[0023] 结合图2说明本实施方式，等效力矩估计器是将作用在电机上的控制力矩（由 单电机控制器产生）克服等效干扰以及参数不匹配引起的惯性力矩和阻尼力矩后的剩余 量估计出来。各个电机的力矩估计器采用相同的参数J和B，该组参数描述的是一标准电 机模型。因此每台电机均存在实际的等效惯量和阻尼与算法采用参数之间的偏差^1 = Ji-J，ABiiBi-B，其中，低通滤波器为gV(s2+2gs+g2)，参数g越大则截止频率越高。在 低频域，低通滤波器可视为增益为1的比例环节。则每台等效力矩估计器的输出分别为：
【权利要求】
1. 用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法，由一个45°扫描镜和 n-1个成像探测器，η个单电机指令跟踪控制器、η个等效力矩估计器和多通道多向控制器 组成，所述的扫描镜和成像探测器由伺服电机驱动转动，所述伺服电机装有速率陀螺仪和 编码器作为反馈传感器；所述单电机指令跟踪控制器用于伺服电机对指令的跟踪；所述等 效力矩估计器为多通道多向控制器的计算提供力矩信息；所述多通道多向控制器用于协调 各个伺服电机的转动；所述成像探测器伺服电机编号为1至η-1，扫描镜伺服电机编号为η， η>2,其特征是，具体方法由以下步骤实现： 步骤一、根据扫描镜转动指令，分别获得第i个伺服电机的角位置信息Θ i和角速度信 息4 ;然后将其中每两个伺服电机的角位置信息θρ θ关j，i，j e {l，2，...，n})作 差，获得位置差值心=6 与％ = 3 ;将其中每两个伺服电机的角速度信息作差计算 速度信息差心=4 -旖与為=冷-4 ; 步骤二、单电机指令跟踪控制器i根据扫描镜转动指令与伺服电机i的角位置信息的 差，所述i = 1，2,. . .，n，获得伺服电机i的指令跟踪控制量; 步骤三、计算扫描镜伺服电机和成像探测器伺服电机的等效力矩估计值； 具体过程为：将步骤一获得的伺服电机i的角位置信息Θ i经等效力矩估计器内的标 准电机逆模型与低通滤波器乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电机i 的多向控制量ubi相减所得的差值作为伺服电机i上的等效力矩估计器的输出值；将步骤一 获得的伺服电机j的角位置信息Θ」经等效力矩估计器内的标准电机逆模型与低通滤波器 乘积的传递函数后，与上一周期经过低通滤波器的伺服电机j的双向控制量u bj相减所得的 差值作为伺服电机j上的等效力矩估计器的输出值； 步骤四、将步骤一获得的位置差值心3与步骤三获得的伺服电机j的等效力矩 估计值重新计算伺服电机i的控制量ubi ; 步骤五、将步骤二获得的伺服电机i的指令跟踪控制量Uc;i与步骤四获得的多向控制量 ubi叠加，叠加后的输出值作用在伺服电机i上，实现多向控制。
2. 根据权利要求1所述的用于多探测器融合扫描成像系统消除像旋的多向控制方法， 其特征在于，所述扫描镜伺服电机的单电机指令跟踪控制器接收扫描镜转动指令后，控制 45°扫描镜按照指令规划的角位置或角速度转动；每个成像探测器伺服电机的单电机指令 跟踪控制器接收相同的扫描镜转动指令，控制成像探测器伺服电机按照与45°扫描镜相同 的角位置或角速度进行转动。
【文档编号】G05D3/20GK104049646SQ201410260265
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】田大鹏, 王福超 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所