斜轴式望远镜机架运动建模与控制

发布时间：2021-11-18 02:27

　　斜轴式机架能够有效克服传统地平式机架垂直轴系过中天振动问题,且高度方向驱动更平稳,成为当前天文望远镜机架结构新的研究热点。但该结构的方位轴和斜轴之间呈45度夹角,垂直位移由斜轴在切面方向旋转产生,导致两方向运动耦合、跟踪系统图像旋移以及纵向不易平衡等难点,给控制带来巨大挑战。国内外斜轴驱动的相关控制研究尚处探索阶段,因此,有必要系统地分析驱动难点成因,提出相应对策,进而给出一整套切实可行的控制方案。首先分析斜轴式机架的动力学特性,研究其两轴之间运动状态的复杂耦合关系,根据机械传动原理,结合三维空间圆参数方程,建立机架运动轨迹的精确数学模型,并通过运动仿真,分析机架跟踪点空间轨迹的整体及局部特征,为运动解耦、像场旋移补偿和抗干扰控制算法奠定理论基础。其次,针对运动耦合问题,结合机架运动轨迹的数学模型和各坐标系间的转换关系,分别从前馈补偿和参数分解两个不同的视角展开研究,确立两种解耦方案。经测试,两者都能较好地解决运动耦合问题,但是前馈补偿有更好的稳定性。再次,针对像场旋移问题,通过构造天球映射和空间坐标转换求出目标质心位置,再基于解耦算法分离出精确的两轴方向独立参考量,并通过仿真实验验证... 

【文章来源】：南京信息工程大学江苏省

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．３赤道式机架结构示意图??７０，、、、，??

制算法提供理论基础。??２．１建模假设??斜轴式望远镜机架的轴系结构如图２．１所示，主要由方位轴、斜轴和天线中??心线构成，方位轴与地平面垂直，斜轴与方位轴呈４５°夹角，天线中心线和斜轴??呈４５°夹角。其中方位轴和斜轴的自转范围均为０°？３６０°，而天线中心线围绕斜??轴旋转，旋转范围也为０°？３６０°。机架在跟踪过程中，由方位轴做水平圆周运动??实现水平位移，由斜轴在４５°斜面上做圆周运动实现垂直位移。??在斜轴式机架运动轨迹建模之前，首先进行模型变量选取。如图２．２所示，??以天线焦点位置（即图像传感器摄像头固定位置）作为分析研宄的参考点Ｐ，并??记并分别选取斜轴最低点Ａ和ｘ轴正半轴上一点Ｂ作为斜轴和方位轴??旋转的起点，记斜轴和方位轴的角位移分别为ａ?ｅ?［０°?３６０°］和０?６?［０°?３６０°］，则??Ｐ点的位置可用两轴运动参数组表示为（ｒ

本文从参考点Ｐ的单条运动轨迹分析开始，主要有两种方法：一是固定斜??轴，方位轴旋转一周；二是固定方位轴，斜轴旋转一周。为了更好地研宄斜轴运??动的特点，故采用第二种方法。如图２．３所示，首先确定斜轴向量／关于方位角??的表达式，假设｜／｜?＝々，则当方位轴旋转一周时，斜轴向量／绕ｚ轴旋转了一??周，形成一个以为法线的倒置圆锥，其底面的圆周平行于ｘｏｙ平面，该圆周??的圆心为＝?（０，０，１），半径为ｒＱ?＝?１，所在平面法向量为ｎ〇?＝?（０，０，１）。??推导得到三维空间任意圆周的参数方程为：??１ｘ?＝?ａ?＋?Ｒ?■?ｃｏｓ?ｓ０?？?ｃｏｓ?ｔ〇??ｙ?＝?ｂ?＋?Ｒ?？?ｃｏｓ?ｓ〇?■?ｓｉｎ?ｔ〇?（２－１）??ｚ?＝?ｃ?＋?Ｒ?■?ｓｉｎ?ｓ０??式中：ｓ０?＝?ｔａｎ＿１［（－ｍ＿?ｃｏｓ?ｔ０?＋?ｎ?？?ｓｉｎ?ｔ〇）／ｐ］，?ｔ〇?ｅ?［０，２７ｒ］，（ａ，?６，?ｃ）为圆周圆??心，７？为圆周半径，为圆周所在平面的法向量。??根据式２－１可得斜轴向量／关于＾的表达式为：??Ｚ?＝?（ｃｏｓ?沒，ｓｉｎ?０，１），?０?￡?［０，２７ｒ］?（２－２）??１１??

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本文编号：3502022