Precision laser tracking servo control system for moving Target position measurement

Keywords:Dynamictrajectory;Positionmeasurement;Trackingservocontrol

Fuzzy PID control;Laser tracker

Abstract

Optoelectronic tracking servo control technology is very important to improving tracking precision for measurement on dynamic target. With the expanding application of optoelectronic tracking technology, higher tracking accuracy demanded for. For servo controller of laser tracker, performances such as rapid response capability, high stability, strong robustness and self-adaptive ability to parameter change are required to ensure measurement accuracy, speed, real-time.[1–4] As being more nonlinearity and uncertainty, tracking accuracy and stability of tracking system are increased by improv-ing gain or adding integral elements in tradition. However, there is conflict between tracking accuracy and stability. [5,6] Since the optoelectronic tracking servo controlling can improve tracking precision and stability of maintain system, it has

become a development trend in the high accuracy tracking control technique.

Laser tracking and servo control is essential for the laser tracker to accurately measure coor-dinates and trajectories of dynamic targets in the space. It has demanding requirements for tracking performance of the servo system in terms of dynamic response properties, con-trolling accuracy and stability. The currently used servo controlling system in the laser tracker usually adopts the traditional proportional, integral and differential (PID) control-ling methods While measuring the dynamic coordinates, the target lens move randomly in a greatly dynamic way; the systemrsquo;s tracking speed faces a delay in adapting to it, resulting in frequent miss or loss of the target. Based on the requirements of the laser tracing and servo system to quickly track targets moving in a very random and dynamic manner, this paper studies the controlling properties of the laser tracking servo system and the mod-elling of the controlled objects, proposing a hybrid controlling structure and method which incorporates multi-loop feedback control as well as fuzzy prediction and control-based cor-rection. The deviation signal of the photoelectric location is extracted and fuzzified. Fuzzy rules and controlling strategies are formulated. A fuzzy adaptive PID tracking control algo-rithm is also presented. A platform for testing the servo tracking system is constructed. The proposed controlling strategies and algorithms are applied to the single-axis laser track-ing and rapid prototype tracking tests. Test results show that the angular acceleration of the dynamic tracking servo exceeds 200^◦ /s² , proving great improvements in the systemrsquo;s random dynamic tracking performance and stability.

1. Introduction

Optoelectronic tracking servo control technology is very important to improving tracking precision for measurement on dynamic target. With the expanding application of optoelectronic tracking technology, higher tracking accuracy are demanded for. For servo controller of laser tracker, performances such as rapid response capability, high stability, strong robustness and self-adaptive ability to parameter change are required to ensure measurement accuracy, speed, real-time. [1–4] As being more nonlinearity and uncertainty, tracking accuracy and stability of tracking system are increased by improv-ing gain or adding integral elements in tradition. However, there is conflict between tracking accuracy and stability. [5,6] Since the optoelectronic tracking servo controlling can improve tracking precision and stability of maintain system, it has become a development trend in the high accuracy tracking control technique.

Laser tracker is used for measuring large size geometry and dynamic trajectory of space; it is survey equipment in urgent need for both large-scale science engineering and high-end equipment manufacturing. Laser tracker measurement object has the typical characteristics of the space follow-up targets. In order to achieve dynamic target tracking and measuring of space, itrsquo;s in need for laser tracker to detect the real-time relative variation of dynamic target position accurately, and conduct high speed servo control by tracking pitch angle of control unit. [7–10] Measuring beams are always ensured to aim and track moving target center of space quickly to realize real-time tracking and precision measurement of moving targets in a wide range and far distance. Tracking control system should have performances as fast response, no static error, small tracking error, stable and reliable work, etc. [11,12]

At present, international and domestic relevant institutions have developed a lot of studies on rapidly precision tracking for laser tracking measurement. Many new advanced modern control technologies and methods such as feed-forward compensation, prediction filtering, neural network, fuzzy control, adaptive control and others have been brought up which are very critical to solve systemsrsquo; nonlinear problems, improve tracking accuracy and stability. [3,9] In domestic precision optoelectronic tracking servo technology, great progress and application in view of space remote space-borne photoelectric acquisition, tracking and pointing (ATP) system control and fuzzy control technology have been made. [13] But in terms of large-size laser tracking measurement systems, most investigations stay in theoretical analysis and simulation phase, and there is no practical product. The main reason is that overall design technology, control structure and algorithm design technology of optoelectronic tracking measurement systems are not perfect enough, and the system reliability and real-time

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原创性研究论文

文章信息

精密激光跟踪控制系统的运动,目标位置测量

文摘

激光跟踪和伺服控制是至关重要对于激光跟踪器的精确测量坐标和轨迹的动态目标的空间。它要求跟踪伺服系统的性能要求的动态响应特性,控制精度和稳定性。当前使用的伺服控制系统在激光跟踪器中通常采用传统的比例,积分和微分(PID)控制方法。测量动态坐标,目标透镜会以动态的方式随机移动;系统的跟踪速度要适应它会面临延迟,结果就会经常错过或失去目标。基于激光跟踪和伺服系统的要求，快速跟踪目标就会以一个随机和动态的方式,于是研究出了激光跟踪伺服系统的控制性能和控制对象的造型,提出一种混合控制结构和方法，这个方法集成了多环反馈控制以及模糊预测和控制的修正，提取模糊的光电位置偏差信号。制定模糊规则和控制策略。一种模糊的自适应PID跟踪控制算法。平台测试伺服跟踪系统提出的控制策略和算法应用于单轴激光跟踪和快速原型跟踪测试。试验结果表明,动态跟踪伺服系统的角加速度超过200?/ s2,证明这个能够极大的改善系统的随机动态跟踪性能和稳定性。

2016 爱思唯尔公司 保留所有权利

一.介绍

光电跟踪伺服控制技术对于测量跟踪动态圆盾的精度有着很好的改善。光电跟踪技术应用的不断深入,对于跟踪精度要求的也会不断的提高。伺服控制器的激光跟踪器,有着快速反应能力，高稳定性、和自适应能力等优点。强参数变化必须确保测量精度,速度,和(1 - 4)更多的非线性和不确定性,跟踪精度和稳定性系统增加了改进传统的收益或添加积分元素。然而,会有跟踪精度和稳定性之间的冲突，[5,6]，自从光电跟踪伺服控制可以提高跟踪精度和维护系统的稳定,它已成为高精度跟踪控制技术的发展趋势。

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Y. Juqing et al. / Optik 131 (2017) 994–1002

图1

激光跟踪仪是用来测量大尺寸几何形状和动态轨迹的空间；这是设备是大规模科学工程和高端装备制造需要的。激光跟踪测量对象的典型特征就是在空间中跟踪目标。为了实现动态目标跟踪和测量,它在激光跟踪系统中需要实时检测相对变异的动态目标的准确位置,,以至于能够进行高速伺服控制跟踪控制单元的俯仰运动。[7–10]测量光束总是要确保目标和跟踪移动在目标中心的空间并且能够快速意识到运动目标并进行实时跟踪和精密测量她的范围和方向。跟踪控制系统应该表现为快速响应,没有静态错误,跟踪误差小,工作稳定可靠等. [11,12]

目前,国际和国内相关机构开发了很多研究激光跟踪测量的快速精确跟踪许多新的前馈等先进的现代控制技术和方法。补偿,预测滤波、神经网络、模糊控制、自适应控制和其他性能能关键的解决系统的非线性和稳定性，提高跟踪精度的问题。[3,9] 在国内精密光电跟踪伺服技术,光电采集、跟踪和指向(ATP)系统控制和模糊控制技术有着很大的进步和应用的空间。[13] 但在大型激光跟踪测量系统方面,大部分停留在理论分析和仿真阶段,没有实际的成果。主要原因是总体设计技术、控制结构和算法设计技术的光电跟踪测量系统不够完善,系统的可靠性和实时性能相对较差。所以开发精密激光跟踪伺服控制系统,实现快速、稳定、高精密跟踪测量移动目标的位置是迫在眉睫。基于激光跟踪原型,这项工作进行了技术研究和应用程序设计为光电跟踪伺服控制单元,控制结构与“三环反馈 模糊校正”进行智能控制,采用模糊自适应控制器,提出了模糊的PID控制算法设计、关键部件特别挑选了合适的工具,加上技术积累和储备在高精度智能跟踪测量仪器领域能进行开发。[4,14,15]

二.光电跟踪系统的构成

激光跟踪器光电跟踪伺服控制本质上可以被视为一个位置伺服控制系统,需要一个快速、灵活、准确的对输入信号的响应.这个系统有一定的随机性，会对目标轨迹产生客观的动态变化。在目标透镜中心的激光光束的速度和准确性核心问题是目标的随机运动。[7,16]

这个设计结合目标距离和方位角和俯仰角信息通过检测激光点抵消PSD探测的技术,保证目标镜坐标测量位置。采用闭环混合跟踪控制算法,输出控制量和方位。这可以使激光输出总是指向目标镜子的中心区域。系统工作过程图1所示

激光测量光束通过跟踪旋转镜向客观目标发出,发射的光反射锥顶点后通过跟踪镜再次反射。从目标反射镜回来并联原始光束,当它到达BS(分束器),一部分被反射到PSD(位置敏感探测器)，然后另一部分进入测距模块

进入位置探测器是用来跟踪目标镜子,当光束进入跟踪球的中心，传入的没有返回，光束之间的位置发生偏移。所以位置检测器的输出信号是处于静力平衡状态的零控制系统；当目标镜动作传入的光束在返回之间发生位置偏差，所以探测器在标记的位置输出错误，与此同时控制信号会通过控制算法计算，伺服控制信号驱动电机领导跟踪镜旋转和镜子里的目标改变入射光方向,一步一步减少偏差信号,实现目标。

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伺服系统主要由方位和俯仰电机安装在二维跟踪转台,对象目标镜子,跟踪镜,伺服驱动器,圆光栅、DSP控制和通信模块相关控制算法和软件。关键要素影响系统控制精度和快速跟踪能力包括伺服控制结构、控制算法、圆光栅测角精度。快速跟进意味着系统应该有更快的动态响应,较短的过渡过程和更大的带宽,而这是相互矛盾的,高控制精度会使系统应该有较小的稳态误差。快速反应可能会引入系统超调;在同一时间宽的带宽肯定引起高频噪音,并减少系统稳定裕度,从而影响控制精度。传统的跟踪伺服控制主要是应用频率特性和PID控制算法,但是当控制环境变化和目标状态突变,系统控制误差会增加很明显,甚至不能保证正常轨道。. [17,18] 在这个模糊PID控制算法中不仅执行良好的鲁棒性和动态性能,抗干扰能力也很强,而且实现稳态精度高。DSP控制和通信模块的核心是实现整个系统的实时数据处理。它的主要功能是cross-clock通信数据采集单元、TCP / IP通信上电脑,CANOPEN通信控制电机驱动模块、跟踪控制算法和其他相关数据处理和操作。有效跟踪目标,伺服电机有着高性能的响应速度,速度的稳定性和控制精度。永磁同步电动机(永磁同步电动机)可以顺利进行和响应在使用优秀的算法系统运行速度较低时,由于其优势转矩系数高,过载能力强,所以没有碳刷和换向火花,高动态响应以及低电磁干扰。在本设计中选择直流力矩电机作为驱动元素,两套电机伺服控制系统的方位和俯仰的结构基本上是相同的。

三.跟踪随动控制

3.1 运动控制建模

永磁同步电动机是一种非线性、强耦合、多变量的控制对象的电动机。它可以被认为是通过解耦控制器的直流电机。它确保定子电流矢量保持交轴(T轴)和与转子磁链矢量正交(M轴)。通过这种方式,永磁同步电动机作为直流电机可以转化为一个线性单变量控制对象。电压和电磁转矩方程可以用正交轴(m - t)坐标表示。(1):

uT是电压在M和T轴;即时通讯,它代表了当前M和T轴分别omega;e电角速度,Te他电磁转矩,np指示杆数,f是永磁体产生的磁链。Eq。(1)表明,当定子电流矢量正交于转子磁链矢量,改变T轴电流组件可以控制电磁转矩,实现高精度、快速响应的精确的伺服跟踪。根据控制要求和SVPWM,马达驱动循环模型设计。流速双闭环是内循环限制干扰,实现速度稳定位置控制系统是确保良好的外层循环位置来控制精度。电机驱动的原则是在图2。在运动控制过程中,正弦轨迹引导方法通常是采用电机的动态特性及综合位置误差等。制导精度主要由控制系统、驱动电路和电动机性能决定。正弦的错误指导永磁同步电动机优化0.001?和均误差减少到0.0002?。正弦的结果指导轨迹和运动位置误差曲线如图3所示。

3.2伺服系统控制结构和策略

三环反馈伺服控制结构的电流、速度和位置设计;在这三个监管机构分别用于调整位置环、速度环和电流环。模糊自适应PID控制基于模糊推论应用于系统控制设计。PID控制器的参数在不同的时刻线根据执行误差和误差方差比率自动调整。闭环伺服控制系统结构表示为图4。

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图2

图3

图4

使用电流环调节可以提高系统强硬性，加快系统响应,并改善线性转矩控制,可使系统起止电流不变,限制起动电流,保证电机电流不超过最大允许的值。电流环调节器根据二阶-控制器的设计反馈系统,阻尼比的因素为= 0.707,因此良好的性能可以确定减少量。使用速度环调节可以抑制系统干扰,减少直流电机惯性,提高系统的线性度。提供了速度反馈信号的微分信号环形光栅。速度环调节器控制器根据标准II系统设计为PI调节器,根据规则和调节器参数测定的最大的相位角使成为最好的三阶最佳系统。使用位置回路调节可以保证位置精度,改进后系统性能,实现伺服位置控制。通过控制跟踪镜方位角和俯仰角,电动机旋转角的位置来实现跟踪测量光束运动并且消除其目标镜中心的位置。即它代表d→0,如图1所示。

图6

执行的PID控制器参数在线自调整根据误差和误差方差比率在不同的时刻。将模糊控制与PID控制相结合,动态和静态特征系统可以实现互相适应withoutthe需要建立精确的数学模型的控制对象。预测函数的自适应模糊控制可以得到系统参数的变化,这是反馈控制量作为控制变量,使系统快速稳定。模糊控制的优点是快速输入响应,短暂的过渡过程和不敏感参数特征，被用来使系统有较高的控制精度和快速target-capturing能力,从而达到更好控制效果。

位置回路的校正量增大时,将传递到循环速度,驱动转矩马达拖方位和俯仰轴执行跟踪目标。

位置控制输入信号来自目标检测单位给定的PSD偏移量。分析和计算表明,位置环的开环增益L成正比,光束反射点的距离跟踪旋转镜瞄准镜。在系统实际工作过程中,L是改变目标点位置,因此位置开环增益也是多变的。f增益,系统会不稳定,如果太小,跟踪将减弱，跟踪误差也会变高很多。为了改善这一缺陷,引入开环增益来修正实际测量距离值。

目标脱靶量检测装置主要包括PSD和信号调节电路、AD数据采集模块,数据处理和通信等系统框图见图5。首先,入射光信号通过特殊光路激光跟踪器从激光达到PSD活跃的区域。

它使PSD生成四光电流信号。通过I / V转换、水平位移和放大,四个电流信号转换为适当的电压信号从0到10 V或?10 0;然后模块执行同步并行采样和模拟-数字转换、电压信号被发送到基于FPGA的逻辑运算和信号的数字滤波操作的数据处理单元。最后脱靶量结果转移到跟踪控制单元。

3.3伺服控制算法

采用增量式PID控制算法,数字控制信号的输出

KP获得成正比,KI = T / TI积分系数,KD = KP TD / T是微分常数。便于实现数字采样程序,简化公式如下：

模糊PID控制器结构框图图6所示。这是二维模糊控制器误差e和误差变化率ec是输入。基于误差e和误差变化率ec在不同的时间,三个PID控制器参数kp ki kd主见在线和PID控制器输入修正根据预先确定的模糊控制规则。位置环调节器执行跟踪控制时,系统的位置误差值e(k)最初在某些时刻采样。然后可以计算误差变异率ec(k)。最大最小值模糊推理合成根据模糊控制规则,并对应kp ki kd的每种语言可以获得。最后,用加权y Juqing et al。/ Optik 131(2017)994 - 2017 994解决模糊算术平均法,PID控制器校正参数将达到准确值。

KP(k),KI(k)和KD(k)是PID控制器参数值k时刻;KP(k - 1),KI(k - 1)和KD(k - 1)是PID控制器参数值(k - 1),并设置的PID控制器参数k值。

4.硬件选择设计

根据结构设计,俯仰轴转动部分的重量是1.5公斤,机械转动惯量是1230公斤平方毫米。同样,方位轴转动部分的重量是6.2公斤,机械转动惯量是17614公斤平方毫米。一旦设置加速度是20 rad / s2,所以必要的驱动电动机转矩是0.36 n·m。储备五次扭矩,选择的最小驱动力矩电机为1.8 n·m。

所以J92LYX04上海研究所微电动机转矩电动机采用方位驱动电动机,其锁定转子扭矩峰值1.5 n m,锁定转子连续转矩是0.8 n·m。这个电机外径92毫米,无载速度是500 rpm。应用增量编码器反馈接口,高带宽嵌入式控制回路,四阶限制或低通滤波器,低干扰边缘滤波器,动态脉宽调制效率高。

角度测量组件是英国的高精度圆光栅REXM系列。DSi双读头信号组合可以消除偏心误差,残余误差非常小,只有评分误差和周期误差(电子细分误差)。通过与DSi REXM配合,整体安装误差可以达到比plusmn;1.0。

根据需求的角度测量精度和结构尺寸,投手轴使用100毫米外径的圆光栅,方位轴使用150毫米外径的圆光栅。目标镜子的一个关键组件的三维坐标测量激光跟踪系统有两个功能:第一,目标镜效应的光学反射装置,它使所有灯沿光轴方向被沿着他们的初始路径反射回干扰系统,实现高精度测量。第二,随着系统的测量头的镜头,

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