应用于星载相机的调焦控制系统及调焦控制方法
【专利摘要】应用于星载相机的调焦控制系统及调焦控制方法，涉及星载机构控制系统设计领域，包括步进电机、步进电机驱动电路和相机焦面；其特征是；还包括ARM微处理器和回弹式磁性直线位移传感器；回弹式磁性直线位移传感器垂直安装在相机焦面后方，获得相机焦面直线移动时的模拟电压，并将模拟电压传送至ARM微处理器；ARM微处理器根据中心机发送的相机焦面预调位置计算步进电机的转动步数和方向信息，然后向步进电机驱动电路发送驱动信号，使相机焦面到达预调焦位置；ARM微处理器根据中心机发送的命令的不同，实现对星载相机的闭环调焦和开环调焦。本发明所述方法具有成本低廉、电路复杂度低、数据处理简单等特点。
【专利说明】
应用于星载相机的调焦控制系统及调焦控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及微小卫星机构控制系统设计领域，具体涉及一种利用回弹式直线位移传感器并基于微小型ARM微处理器的星载相机调焦系统设计与实现方法。
【背景技术】
[0002]伴随着航天事业的迅猛发展，以相机载荷为核心的小卫星得到广泛应用，空间遥感图像的成像质量、视场、分辨率渐渐成为外界关注的焦点。小卫星由于体积的优势可以精确地完成姿态控制与调整，使相机可以省去调偏流机构。但是，星载相机所处运载和环境的变化，如冲击、振动、温度、压力、距离等不可控因素，可能导致空间光学系统中透镜的折射率、厚度、曲率半径、透镜材料内力、反射面变形、金属结构等变化，这些微小形变都会使空间相机离焦，严重影响成像质量。为了保证空间相机获得最佳分辨率图像，必须对焦平面进行补偿，调焦系统就成为了星载相机的一个重要组成部分，传统模式下采用51单片机、码盘和光电转化电路完成系统的闭环调焦功能，这种设计外围电路复杂、质量重、成本高、体积大，不符合小卫星未来发展的方向。51单片机由于其自身资源有限，所需外设较多、体积大、功耗高、运行速度慢已经被更多ARM微处理器所代替，但是由于航天可靠性的要求，仍然占有一席之地。ARM芯片随着制作工艺的提高，其稳定性可靠性大大提高，而且凭借其价格低廉、资源丰富、功耗低等特点已逐步适用于低成本微小卫星系统中。
[0003]为了实现焦面位置的精确定位与测量，调焦系统必须有一个反馈信号形成闭环。现今，能提供这种反馈信号的装置主要包括旋转变压器、电位计、磁性直线位移传感器、磁编码器、光电编码器等设备。电位计是典型的接触式角度传感器，有一个在碳电阻等材料上的滑动触点，这个可变电阻与角度滑动触点的移动位置成正比关系。接触式传感器的固有缺点在于使用寿命和可靠性有限;旋转变压器是通过余弦和正弦信号输出的反馈编码器。当轴旋转时，旋转变压器的反馈信号能提供绝对位置信息，但其具有低速性能较差、解码电路十分复杂、抗电磁干扰性能弱，造价昂贵等缺点;光电编码器是典型的非接触式、数字化角传感器，通过测量涡轮蜗杆转动角度和机构减速比计算焦面实际位置，精度高，无接触磨碎、分辨率高;磁性直线位移传感器(LDT)是用来测量直线移动的反馈传感器，适用于直线位置移动测量，可以直接作用在焦面处，其无接触无磨损、可靠性高、体积小、抗干扰能力强、易于维护、接口简单、价格低廉，尽管精度低于光电编码器，但足够满足焦面指标精度。
[0004]针对航天相机调焦系统基于回弹式磁性直线位移传感器的空白和ARM微处理器的使用局限性，有必要提出一种针对低廉微小卫星电路复杂度低、功耗低、成本低、机构尺寸小易于模块化的星载相机调焦系统设计与实现方法。
【发明内容】
[0005]本发明为解决现有星载相机的调焦控制系统存在电路结构复杂、数据处理繁琐、可靠性差以及精度低等问题，提供一种应用于星载相机的调焦控制系统及调焦控制方法。
[0006]应用于星载相机的调焦控制系统，包括步进电机、步进电机驱动电路和相机焦面；其特征是;还包括ARM微处理器和回弹式磁性直线位移传感器；
[0007]所述回弹式磁性直线位移传感器垂直安装在相机焦面后方，获得相机焦面直线移动时的模拟电压，并将所述的模拟电压传送至ARM微处理器;所述ARM微处理器根据中心机发送的相机焦面预调位置计算步进电机的转动步数和方向信息，然后向步进电机驱动电路发送驱动信号，所述步进电机驱动电路驱动步进电机，使相机焦面到达预调焦位置;所述ARM微处理器根据中心机发送的命令的不同，实现对星载相机的闭环调焦和开环调焦。
[0008]应用于星载相机的调焦控制方法，该方法由以下步骤实现:
[0009]步骤一、调整调焦传动机构和直线运动机构，将步进电机安装在调焦传动机构上；
[0010]步骤二、将回弹式磁性直线位移传感器的测量探头顶在相机焦面的位置并固定，探头所顶位置反馈模拟电压由ARM微处理器接收；
[0011]步骤二、将回弹式磁性直线位移传感器的测量探头安装在相机焦面后方并固定，ARM微处理器采集相机焦面移动时回弹式磁性直线位移传感器反馈的模拟电压；
[0012]步骤三、所述ARM微处理器根据中心机发送的调焦指令，进行调焦；如果接收的是开环调焦的指令，ARM微处理器的调焦过程为:
[0013]步骤三一、接收中心机发送的开环调焦步数；
[0014]步骤三二、向步进电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I;
[0015]步骤三三、判断调焦步数是否为0，如果否，返回执行步骤三二;如果是，调焦完成；
[0016]如果接收的闭环调焦的指令，则ARM微处理器的调焦过程为:
[0017]步骤三四接收中心机发送的闭环调焦预调位置信息；
[0018]步骤三五、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值；
[0019]步骤三六、根据预调位置和读取的传感器的差值计算调焦步数；
[0020]步骤三七、向电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I;
[0021]步骤三八、判断调焦步数是否为0，如果是，执行步骤三九;如果否，执行步骤三七；
[0022]步骤三九、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值；
[0023]步骤三十、判断读取传感器的值和预调位置差是否小于闭环门限，如果否，返回执行步骤二六;如果是，调焦完成。
[0024]本发明的有益效果:本发明根据微小卫星调焦系统的要求，采用回弹式磁性直线位移传感器并基于微小型ARM微处理器进行星载相机调焦系统的设计与实现，使星上调焦系统具有成本低廉、电路复杂度低、数据处理简单、可靠性高、精度高等特点，十分适用于微小卫星调焦系统。具体体现以下几点:
[0025]—、本发明采用回弹式磁性直线位移传感器作为焦面测量装置，输出为三线制。位移传感器输出电压量直接可以被ARM采集，不需要RS422S数据通讯线。连线简单，控制方便，供电电压可选、AD采集精度高。
[0026]二、本发明中位移传感器探头直接作用于焦面，有别传统利用编码器测量涡轮蜗杆和焦面测量位置拟合的方法。该方法精度和可靠性更高，易于设计及安装。
[0027]三、本发明中调焦系统在轨并不是一直通电，可以减少其单粒子翻转和栓锁问题，完全可以利用工业级微小ARM芯片作为调焦系统的处理器，其自身资源丰富、处理速度快、成本低廉、功耗低，在真空高低温条件仍然可以正常运行。
[0028]四、本发明中步进电机驱动电路采用多个MOS管串联形式连接，保证一个MOS管击穿后驱动电路仍然正常工作，驱动前端采用三极管一级隔离，把数字信号和模拟信号隔离。该驱动电路可以提高空间无备份情况下电机工作的可靠性。
[0029]五、本发明中ARM微处理器单独成立系统，整套调焦系统对外只有电源和中心机通信接口，在调焦测试、调焦环境试验时更加方便，易于模块化。
【附图说明】
[0030]图1为本发明所述的应用于星载相机的调焦控制系统的原理框图；
[0031]图2为本发明所述的应用于星载相机的调焦控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0032]【具体实施方式】一、结合图1说明本实施方式，应用于星载相机的新型调焦控制系统，包括ARM微处理器、步进电机、步进电机驱动电路、中心机、调焦传动机构、直线运动机构和回弹式磁性直线位移传感器；
[0033]本实施方式中所述的回弹式磁性直线位移传感器取代传统编码器完成焦面位置测量，将传感器测量探安装在焦面后方，利用工业级微小ARM微处理器自带的12位AD完成对位移传感器输出的模拟电压采集、量化和编码，得到此时焦面位置，ARM微处理器再根据中心机给出的预调焦位置量计算步进电机的转动步数、方向，然后输出相应数量的电机驱动电动信号。驱动电机使焦面到达预调位置。所述ARM微处理器根据接收中心机的指令的不同可以实现相机焦面的闭环和开环控制。最终使焦面达到预期位置。
[0034]本实施方式所述的步进电机驱动电路完成将ARM微处理器输出的电平转换为可以控制电机转动的驱动信号;调焦传动机构和直线运动机构完成电机转动到焦面直线移动的连接工作；回弹式磁性直线位移传感器将焦面直线移动时回弹式磁性直线位移传感器反馈的模拟电压反馈给ARM微处理器。
[0035]本实施方式所述的回弹式磁性直线位移传感器的输出为三线制，即一根电源线，一根模拟电压线，一根地线。位移传感器输出模拟量可以直接被ARM采集利用，不需要额外的RS422S数据通讯线。连线简单，控制方便，供电电压可选、AD采集精度高。将回弹式磁性直线位移传感器的测量探头直接作用于相机焦面，对相机焦面深度进行直接测量输出相应模拟量电压，有别传统利用编码器测量涡轮蜗杆和相机焦面测量位置拟合的方法。该方法精度和可靠性更高，易于设计及安装。
[0036]本实施方式所述的步进电机驱动电路采用场效应管串联形式，保证一个MOS管击穿后驱动电路仍然正常工作，驱动前端采用三极管一级隔离，把数字信号和模拟信号隔离。该驱动电路可以提高空间无备份情况下电机工作的可靠性。
[0037]本实施方式所述的ARM微处理器单独成立系统，整套调焦系统对外只有电源和中心机通信接口，在调焦测试、调焦环境试验时更加方便，易于模块化。
[0038]本实施方式所述的应用于星载相机的调焦控制系统在轨并不是一直通电，可以减少其单粒子翻转和栓锁问题，完全可以利用工业级微小ARM芯片作为调焦系统的处理器，其自身资源丰富、处理速度快、成本低廉、功耗低，实验证明在真空高低温条件仍然可以正常运行。
[0039]【具体实施方式】二、结合图2说明本实施方式，本实施方式为【具体实施方式】一所述的应用于星载相机的新型调焦控制系统的调焦控制方法，该方法由以下步骤实现:
[0040]—、根据调焦需求设计调焦传动机构、直线运动机构，将步进电机安装在传动机构上，并确认电机减速比；
[0041]二、将回弹式磁性直线位移传感器作为测量反馈信号的装置，探头紧紧顶在相机焦面位置并固定，探头所顶位置反馈模拟电压量在量程中间附近，确保焦面前后伸缩都在传感器测量范围内。
[0042]三、所述ARM微处理器根据中心机发送的调焦指令，进行调焦；如果接收的是开环调焦的指令，ARM微处理器的调焦过程为:
[0043]步骤三一、接收中心机发送的开环调焦步数；
[0044]步骤三二、向步进电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I;
[0045]步骤三三、判断调焦步数是否为0，如果否，返回执行步骤三二;如果是，调焦完成；
[0046]如果接收的闭环调焦的指令，则ARM微处理器的调焦过程为:
[0047]步骤三四接收中心机发送的闭环调焦预调位置信息；
[0048]步骤三五、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值；
[0049]步骤三六、根据预调位置和读取的传感器的差值计算调焦步数；
[0050]步骤三七、向电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I;
[0051]步骤三八、判断调焦步数是否为0，如果是，执行步骤三九;如果否，执行步骤三七；
[0052]步骤三九、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值；
[0053]步骤三十、判断读取传感器的值和预调位置差是否小于闭环门限，如果否，返回执行步骤二六;如果是，调焦完成。
[0054]本实施方式中设计ARM微处理器为中心的最小系统，独立成箱，主要由ARM微处理器模块、电机驱动模块、电源模块、信号采集模块等组成。其中，电机驱动采用串联场效应管设计，驱动前端采用三极管一级隔离，提高空间电机工作可靠性。
[0055]本实施方式将回弹式磁性直线位移传感器的和步进电机连接到上述最小系统电箱。通过下载口下载软件，软件部分主要包括:中断服务子程序:主要用来控制电机的转动频率和响应中心机下发的指令;位移传感器采集子程序:主要进行位移传感器模拟电压的AD采集、量化、编码和处理，供闭环调焦使用;RS422通讯子程序:RS422通讯子程序接收中心计算机指令同时反馈焦面位置信息;看门狗复位子程序:处理器给内置看门狗定时喂狗，确保程序跑飞时复位重启;开环调焦子程序:发送电机四项相应数量驱动电平信号；闭环调焦子程序:不断采集实际焦面位置并发送驱动电平信号，使相机焦面达到预调位置。
[0056]本实施方式所述的调焦方法取代了传统编码器对涡轮蜗杆位置采集和焦面测量位置线性拟合的方法。而是直接将位移传感器测量探头顶在焦面处，通过焦面直线移动时反馈的电压模拟量直接测量焦面深度。同时首次利用工业级微小型ARM微处理器进行模拟量采集，中心机通信和调焦电机驱动信号产生，使调焦系统独立可控并实现闭环调焦和开环调焦两种功能。整套设计中的ARM微处理器和直线位移传感器均首次应用在航天调焦系统中，该方法具有成本低廉、电路复杂度低、数据处理简单、可靠性高、精度高等特点。实际应用中调焦控制精度可达6um，适合于低成本微小卫星使用。
【主权项】
1.应用于星载相机的调焦控制系统，包括步进电机、步进电机驱动电路和相机焦面;其特征是;还包括ARM微处理器和回弹式磁性直线位移传感器； 所述回弹式磁性直线位移传感器垂直安装在相机焦面后方，获得相机焦面直线移动时的模拟电压，并将所述的模拟电压传送至ARM微处理器;所述ARM微处理器根据中心机发送的相机焦面预调位置计算步进电机的转动步数和方向信息，然后向步进电机驱动电路发送驱动信号，所述步进电机驱动电路驱动步进电机，使相机焦面到达预调焦位置;所述ARM微处理器根据中心机发送的命令的不同，实现对星载相机的闭环调焦和开环调焦。2.根据权利要求1所述的应用于星载相机的调焦控制系统，其特征在于，还包括调焦传动机构和直线运动机构，所述步进电机固定在调焦传动机构上，所述相机焦面固定在直线运动机构上。3.根据权利要求1所述的应用于星载相机的调焦控制系统，其特征在于，所述回弹式磁性直线位移传感器的输出采用三线制。4.根据权利要求1所述的应用于星载相机的调焦控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动电路采用多个MOS管串联，且在驱动电路的前端连接三极管。5.根据权利要求1至4任意一项所述的应用于星载相机的调焦控制系统的调焦控制方法，其特征是，该方法由以下步骤实现: 步骤一、调整调焦传动机构和直线运动机构，将步进电机安装在调焦传动机构上；步骤二、将回弹式磁性直线位移传感器的测量探头顶在相机焦面的位置并固定，探头所顶位置反馈模拟电压由ARM微处理器接收； 步骤二、将回弹式磁性直线位移传感器的测量探头安装在相机焦面后方并固定，ARM微处理器采集相机焦面移动时回弹式磁性直线位移传感器反馈的模拟电压； 步骤三、所述ARM微处理器根据中心机发送的调焦指令，进行调焦；如果接收的是开环调焦的指令，ARM微处理器的调焦过程为: 步骤三一、接收中心机发送的开环调焦步数； 步骤三二、向步进电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I; 步骤三三、判断调焦步数是否为O，如果否，返回执行步骤三二;如果是，调焦完成； 如果接收的闭环调焦的指令，则ARM微处理器的调焦过程为: 步骤三四接收中心机发送的闭环调焦预调位置信息； 步骤三五、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值； 步骤三六、根据预调位置和读取的传感器的差值计算调焦步数； 步骤三七、向电机驱动电路发送一个时序的驱动信号，同时调焦步数减I; 步骤三八、判断调焦步数是否为O，如果是，执行步骤三九;如果否，执行步骤三七； 步骤三九、ARM微处理器读取回弹式磁性直线位移传感器的值； 步骤三十、判断读取传感器的值和预调位置差是否小于闭环门限，如果否，返回执行步骤二六;如果是，调焦完成。6.根据权利要求5所述的应用于星载相机的调焦控制方法，其特征在于，所述步进电机驱动电路采用多个MOS管串联，且在驱动电路的前端连接三极管。7.根据权利要求5所述的应用于星载相机的调焦控制方法，其特征在于，所述回弹式磁性直线位移传感器的输出采用三线制。
【文档编号】G03B13/34GK106094391SQ201610595838
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610595838.9, CN 106094391 A, CN 106094391A, CN 201610595838, CN-A-106094391, CN106094391 A, CN106094391A, CN201610595838, CN201610595838.9
【发明人】冯汝鹏, 徐伟, 朴永杰, 郑晓云, 王绍举, 章家保, 金光
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所