一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统及方法。利用单片DSP建立闭环控制系统，根据方位轴角度值、俯仰轴角度值和二维脱靶量确定两个步进电机的运动方向和分频系数。采用单片FPGA实现俯仰轴和方位轴步进电机SPWM细分驱动，根据两个步进电机的运动方向和分频系数产生俯仰轴SPWM波和方位轴SPWM波；利用4个双极性H桥功率驱动电路将俯仰轴SPWM波和方位轴SPWM波进行放大后分别控制两个步进电机驱动方位轴和仰俯轴转动，带动四象限探测器扫描跟踪。本发明专利技术采用单片DSP和FPGA实现基于步进电机的方位轴和俯仰轴细分驱动和闭环控制，在不增加额外控制芯片和传感器的情况下，实现要求的控制功能和性能指标，使得电路和结构都得到了精简，满足空间应用的要求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及扫描跟踪控制
，特别是涉及一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统及方法。

技术介绍

[0002]在空间交会对接中，激光雷达是一种主要的测量设备。激光雷达的工作原理为：激光器发送单脉冲激光(即主波)，激光打到合作目标后按原路径返回；探测器接收激光回波，测量主波和回波之间的时间差，解算出目标到雷达的直线距离。根据激光发射的方位角和俯仰角，结合直线距离，得到目标在以雷达为中心的极坐标系下的位置。
[0003]由于激光具有较强的方向性，光束发散角和探测器接收角均在毫弧度量级，一次脉冲激光发射探测的范围极其有限。为了实现在大范围内对目标进行扫描和捕获，进而进入稳定跟踪状态下测量目标距离和角度，必须配合方位轴和俯仰轴的运动控制。
[0004]现有采用直流电机、永磁同步电机等控制方式对于激光雷达的方位、俯仰两轴运动控制。直流电机和永磁同步电机可以提供优越的转矩和响应特性，但控制上也较为复杂。直流电机和永磁同步电机要实现高精度的运动控制，一般采用三环控制，内层电流环要求使用专用的电流传感器实现电流闭环，系统体积、重量、复杂度都相应增加。直流电机存在电刷，换向过程中可能产生电火花，同时电刷会有磨损，产生多余物，系统寿命也会受到限制，可靠性不满足空间应用的需求。永磁同步电机无电刷的问题，但控制更为复杂。永磁同步电机一般为三相，需要对两相电流进行实时测量，并经过较为复杂的变换和解算，对DSP的运算能力要求更高。直流电机和永磁同步电机运动过程中，加速度不同，输出转矩的变化较大，对电源的影响也较大。因此现有两轴控制系统控制较为复杂、成本高、重量大，存在空间环境适应性问题。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术的目的是提供一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统及方法，在满足精度要求的情况下，降低系统成本和重量、提高了系统可靠性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统，所述系统包括：
[0007]角度传感器，用于检测方位轴角度值和俯仰轴角度值；
[0008]四象限探测器，用于根据回波在各象限的能量确定二维脱靶量；
[0009]DSP闭环控制器，分别与所述角度传感器和所述四象限探测器连接，用于根据所述方位轴角度值、所述俯仰轴角度值和所述二维脱靶量确定两个步进电机的运动方向和分频系数；两个步进电机的运动方向包括：俯仰电机的运动方向和方位电机的运动方向；两个步进电机的分频系数包括俯仰电机的分频系数和方位电机的分频系数；
[0010]SPWM细分驱动控制器，与所述DSP闭环控制器连接，用于根据所述两个步进电机的运动方向和分频系数确定第一SPWM波和第二SPWM波；
[0011]4个双极性H桥功率驱动电路，分别与所述SPWM细分驱动控制器、两个步进电机连接，用于将所述第一SPWM波和所述第二SPWM波进行放大后分别控制两个步进电机，以使两个步进电机分别驱动方位轴和仰俯轴转动，进而带动四象限探测器扫描跟踪；所述两个步进电机分别为方位电机和俯仰电机。
[0012]可选地，所述SPWM细分驱动控制器包括：
[0013]系统时钟，用于产生时钟信号；
[0014]俯仰轴步进脉冲产生器，分别与所述DSP闭环控制器和所述系统时钟连接，用于根据所述俯仰电机的分频系数和所述时钟信号确定第一步进脉冲；
[0015]第一计数器，分别与所述DSP闭环控制器、所述系统时钟和所述俯仰轴步进脉冲产生器连接，用于根据所述俯仰电机的运动方向和所述第一步进脉冲进行计数，获得第一计数值；
[0016]第一查表模块，与所述第一计数器连接，用于根据所述第一计数值通过查找俯仰轴SIN表确定俯仰轴SIN值；
[0017]第二查表模块，与所述第一计数器连接，用于根据所述第一计数值通过查找俯仰轴COS表确定俯仰轴COS值；
[0018]方位轴步进脉冲产生器，分别与所述DSP闭环控制器和所述系统时钟连接，用于根据所述方位电机的分频系数和所述时钟信号确定第二步进脉冲；
[0019]第二计数器，分别与所述DSP闭环控制器、所述系统时钟和所述方位轴步进脉冲产生器连接，用于根据所述方位电机的运动方向和所述第二步进脉冲进行计数，获得第二计数值；
[0020]第三查表模块，与所述第二计数器连接，用于根据所述第二计数值通过查找方位轴SIN表确定方位轴SIN值；
[0021]第四查表模块，与所述第二计数器连接，用于根据所述第二计数值通过查找方位轴COS表确定方位轴COS值；
[0022]载波计数器，与所述系统时钟连接，用于对时钟信号进行载波计数，获得载波值；
[0023]平移修正模块，分别与所述第一查表模块、所述第二查表模块、所述第三查表模块和所述第四查表模块连接，用于对所述俯仰轴SIN值、所述俯仰轴COS值、所述方位轴SIN值和所述方位轴COS值进行平移修正；
[0024]第一比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的俯仰轴SIN值进行比较，获得俯仰电机A相SPWM波；
[0025]第二比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的俯仰轴COS值进行比较，获得俯仰电机B相SPWM波；所述第一SPWM波包括俯仰电机A相SPWM波和俯仰电机B相SPWM波；
[0026]第三比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的方位轴SIN值进行比较，获得方位电机A相SPWM波；
[0027]第四比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的方位轴COS值进行比较，获得方位电机B相SPWM波；所述第二SPWM波包括方位电机A相SPWM波和方位电机B相SPWM波。
[0028]可选地，4个双极性H桥功率驱动电路分别为：
[0029]方位电机A相绕组驱动电路、方位电机B相绕组驱动电路、俯仰电机A相绕组驱动电路和俯仰电机B相绕组驱动电路；
[0030]所述方位电机A相绕组驱动电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和方位电机A相绕组；所述第一开关管的第一端、所述第三开关管的第一端分别与驱动电源正极连接，所述第一开关管的第三端分别与第二开关管的第一端和所述方位电机A相绕组的一端连接，所述方位电机A相绕组的另一端分别与所述第三开关管的第三端和所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第三端与所述第二开关管的第三端分别与驱动电源负极连接，所述第一开关管的第二端和所述第四开关管的第二端分别与所述第一比较器输出的方位电机A相SPWM波连接，所述第二开关管的第二端和所述第三开关管的第二端分别与所述第一比较器输出的方位电机A相SPWM波取反的信号连接；
[0031]所述方位电机B相绕组驱动电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和方位电机B相绕组；所述第五开关管的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括：角度传感器，用于检测方位轴角度值和俯仰轴角度值；四象限探测器，用于根据回波在各象限的能量确定二维脱靶量；DSP闭环控制器，分别与所述角度传感器和所述四象限探测器连接，用于根据所述方位轴角度值、所述俯仰轴角度值和所述二维脱靶量确定两个步进电机的运动方向和分频系数；两个步进电机的运动方向包括：俯仰电机的运动方向和方位电机的运动方向；两个步进电机的分频系数包括俯仰电机的分频系数和方位电机的分频系数；SPWM细分驱动控制器，与所述DSP闭环控制器连接，用于根据所述两个步进电机的运动方向和分频系数确定第一SPWM波和第二SPWM波；4个双极性H桥功率驱动电路，分别与所述SPWM细分驱动控制器、两个步进电机连接，用于将所述第一SPWM波和所述第二SPWM波进行放大后分别控制两个步进电机，以使两个步进电机分别驱动方位轴和仰俯轴转动，进而带动四象限探测器扫描跟踪；所述两个步进电机分别为方位电机和俯仰电机。2.根据权利要求1所述的空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统，其特征在于，所述SPWM细分驱动控制器包括：系统时钟，用于产生时钟信号；俯仰轴步进脉冲产生器，分别与所述DSP闭环控制器和所述系统时钟连接，用于根据所述俯仰电机的分频系数和所述时钟信号确定第一步进脉冲；第一计数器，分别与所述DSP闭环控制器、所述系统时钟和所述俯仰轴步进脉冲产生器连接，用于根据所述俯仰电机的运动方向和所述第一步进脉冲进行计数，获得第一计数值；第一查表模块，与所述第一计数器连接，用于根据所述第一计数值通过查找俯仰轴SIN表确定俯仰轴SIN值；第二查表模块，与所述第一计数器连接，用于根据所述第一计数值通过查找俯仰轴COS表确定俯仰轴COS值；方位轴步进脉冲产生器，分别与所述DSP闭环控制器和所述系统时钟连接，用于根据所述方位电机的分频系数和所述时钟信号确定第二步进脉冲；第二计数器，分别与所述DSP闭环控制器、所述系统时钟和所述方位轴步进脉冲产生器连接，用于根据所述方位电机的运动方向和所述第二步进脉冲进行计数，获得第二计数值；第三查表模块，与所述第二计数器连接，用于根据所述第二计数值通过查找方位轴SIN表确定方位轴SIN值；第四查表模块，与所述第二计数器连接，用于根据所述第二计数值通过查找方位轴COS表确定方位轴COS值；载波计数器，与所述系统时钟连接，用于对时钟信号进行载波计数，获得载波值；平移修正模块，分别与所述第一查表模块、所述第二查表模块、所述第三查表模块和所述第四查表模块连接，用于对所述俯仰轴SIN值、所述俯仰轴COS值、所述方位轴SIN值和所述方位轴COS值进行平移修正；第一比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的俯仰轴SIN值进行比较，获得俯仰电机A相SPWM波；第二比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与
修正后的俯仰轴COS值进行比较，获得俯仰电机B相SPWM波；所述第一SPWM波包括俯仰电机A相SPWM波和俯仰电机B相SPWM波；第三比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的方位轴SIN值进行比较，获得方位电机A相SPWM波；第四比较器，分别与所述载波计数器和所述平移修正模块连接，用于将所述载波值与修正后的方位轴COS值进行比较，获得方位电机B相SPWM波；所述第二SPWM波包括方位电机A相SPWM波和方位电机B相SPWM波。3.根据权利要求2所述的空间交会对接激光雷达扫描跟踪控制系统，其特征在于，4个双极性H桥功率驱动电路分别为：方位电机A相绕组驱动电路、方位电机B相绕组驱动电路、俯仰电机A相绕组驱动电路和俯仰电机B相绕组驱动电路；所述方位电机A相绕组驱动电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和方位电机A相绕组；所述第一开关管的第一端、所述第三开关管的第一端分别与驱动电源正极连接，所述第一开关管的第三端分别与第二开关管的第一端和所述方位电机A相绕组的一端连接，所述方位电机A相绕组的另一端分别与所述第三开关管的第三端和所述第四开关管的第一端连接，所述第四开关管的第三端与所述第二开关管的第三端分别与驱动电源负极连接，所述第一开关管的第二端和所述第四开关管的第二端分别与所述第一比较器输出的方位电机A相SPWM波连接，所述第二开关管的第二端和所述第三开关管的第二端分别与所述第一比较器输出的方位电机A相SPWM波取反的信号连接；所述方位电机B相绕组驱动电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管和方位电机B相绕组；所述第五开关管的第一端、所述第七开关管的第一端分别与驱动电源正极连接，所述第五开关管的第三端分别与第六开关管的第一端和所述方位电机B相绕组的一端连接，所述方位电机B相绕组的另一端分别与所述第七开关管的第三端和所述第八开关管的第一端连接，所述第八开关管的第三端与所述第六开关管的第三端分别与驱动电源负极连接，所述第五开关管的第二端和所述第八开关管的第二端分别与所述第二比较器输出的方位电机B相SPWM波连接，所述第六开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：周黎，杨武，刘恩海，周向东，冯志辉，岳永坚，袁林晨，刘光林，代冬军，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：