基于加速度計的大型光電望遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大型光電望遠鏡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于加速度計的大型光電望 遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型光電望遠鏡是涉及光學、精密機械、電子學、精密控制等領(lǐng)域于一體的大型復 雜設(shè)備，設(shè)備的慣量大，包含的精密光學元件眾多，且造價昂貴，控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)失控或 者飛車現(xiàn)象，將有可能對設(shè)備及現(xiàn)場操作人員造成不可估量的損失，因此隨著光電望遠鏡 口徑逐漸變大，對望遠鏡保護系統(tǒng)也提出了越來越高的要求。
[0003] 目前已有大型光電望遠鏡的保護一般采用如下兩方面的措施：
[0004] (1)從電子學控制的角度，在控制軟件中，設(shè)置故障標志位，通過讀取系統(tǒng)相關(guān)傳 感器(如光電編碼器、電流傳感器等）的值對系統(tǒng)位置、速度、電流、電壓等信號進行實時監(jiān) 測，從而進行故障判斷、預警和處理。當判斷讀取信號異常時，對故障標志位進行設(shè)置，同時 判斷在不造成惡劣后果前，通過電控軟件對系統(tǒng)進行開環(huán)或者閉環(huán)制動，以免造成系統(tǒng)失 控。但是這個方法依賴于系統(tǒng)自有的傳感器設(shè)備信號，并且制動方式是采用電控軟件的軟 制動方式，具有一定的局限性，尤其是當電控軟件發(fā)生死循環(huán)或者無響應時無法對失控系 統(tǒng)進行及時的制動。
[0005] (2)從機械設(shè)計角度，對系統(tǒng)設(shè)置機械限位，它能夠使得系統(tǒng)在失控或者飛車時能 夠在機械限位處強制停止，但是這有可能會給系統(tǒng)帶來較大加速度的沖擊，存在安全隱患， 并且當系統(tǒng)失控、速度較大時，有可能沖破機械限位，造成更大的損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于加速度計的大型光電望遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)， 它使用慣性測量元件一一加速度計來實時監(jiān)控望遠鏡的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)發(fā)生異常運行 (如飛車、超速或受到較大沖擊等)時，它能夠立即檢測到并關(guān)閉電機驅(qū)動器使系統(tǒng)停止運 行，以免造成系統(tǒng)失控的惡劣后果。由于本發(fā)明是一套獨立于望遠鏡控制系統(tǒng)的輔助安全 保護系統(tǒng)，它是【背景技術(shù)】中所述保護方法的一種很好的輔助手段，極大地提高了望遠鏡保 護系統(tǒng)的可靠性。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于加速度計的大型光電望遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)，包括：
[0009] 兩個正六面體，其分別被安裝在光電望遠鏡方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，并且 距離旋轉(zhuǎn)中心一定距離的位置；
[0010]六個加速度計，每三個加速度計分別被固定在一個所述正六面體的三個垂直面 上，分別感受三維空間相互垂直的三個方向的加速度;各加速度計輸出信號經(jīng)過儀表放大 器放大、濾波器濾波后得電壓值，經(jīng)過高精度高分辨率數(shù)字采集卡后，可將加速度信號的輸 出至上位機；
[0011] 上位機根據(jù)六個加速度計安裝的位置以及望遠鏡的預定工作狀態(tài)可以給出正常 運轉(zhuǎn)情況下第i個加速度計的輸出最大值，將該值乘以某安全冗余系數(shù)作為該加速度計的 最大輸出閾值；當六個加速度計中有一個加速度計的輸出絕對值超過相應的最大輸出閾值 時，則與此加速度計對應的故障可能發(fā)生;故障保持時間超出預先設(shè)定的時間閾值，則判斷 系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常。
[0012] 在上述技術(shù)方案中，望遠鏡的預定工作狀態(tài)包括:最大角加速度、某方向所能承受 最大沖擊加速度。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，所述上位機為計算機。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，六個加速度計輸出最大閾值的確定方法為：
[0015] 首先，對方位軸旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的三個加速度計Ax、Ay、Az的輸出最大閾值進行確定；由 于望遠鏡繞方位軸做旋轉(zhuǎn)角運動，在系統(tǒng)不受任何外部沖擊的前提下，A x和Ay兩個加速度計 的輸出近似為零，記Ax和Ay兩個加速度計的輸出最大閾值分別為ΓΓ和ITS則有
[0017] 其中
<1分別是預先設(shè)定的安全系數(shù)，和分別是 望遠鏡系統(tǒng)沿加速度計Αχ和Ay敏感軸方向所能承受的最大加速度沖擊，此參數(shù)在系統(tǒng)機械 設(shè)計完成后可以確定;加速度計Az感受望遠鏡的方位軸角加速度，設(shè)望遠鏡方位軸的工作 最大角加速度為《巧作，則A z加速度計的輸出最大閾值的計算方法如下
[0018]
(3):
[0019] 其中1 <〇·Γ < 1.2是預先設(shè)定的冗余系數(shù)；
[0020] 其次，確定俯仰軸旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的三個加速度計Ex、Ey、Ez的輸出最大閾值;加速度計 Ex感受望遠鏡的俯仰軸角加速度，設(shè)望遠鏡俯仰軸的工作最大角加速度為則Ex加速 度計的輸出最大閾值^ 3"的計算方法如下
[0021] 卞
(4)
[0022] 其中是預先設(shè)定的冗余系數(shù);在系統(tǒng)不受任何外部沖擊的前提下，Ey加 速度計的輸出近似為零，記Ey加速度計的輸出最大閾值為方："，則有
[0023]
(5)
[0024] 其中是預先設(shè)定的安全系數(shù)，4Γ是望遠鏡系統(tǒng)沿加速度計Ey敏感軸 方向所能承受的最大加速度沖擊，此參數(shù)在系統(tǒng)機械設(shè)計完成后可以確定；
[0025] 記Ez加速度計的輸出最大閾值為，望遠鏡的俯仰角記為E(0°〈E〈90°)，則有
[0026]
(_
[0027] 其中<1.2是預先設(shè)定的冗余系數(shù)。
[0028] 在上述技術(shù)方案中，故障時間閾值To,設(shè)采集加速度計信號的A/D采集卡采樣頻率 為fHz，則To取為y，其中是預先設(shè)定的整系數(shù)。
[0029] 與現(xiàn)有大型光電望遠鏡保護系統(tǒng)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢為:借助于外部獨立測 量設(shè)備一一加速度計組對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，加速度計系統(tǒng)的供電、信號采集、信 號處理、信號顯示、故障判讀軟件等均是獨立于望遠鏡控制系統(tǒng)的，而且一旦判斷系統(tǒng)運行 出現(xiàn)異常時，直接通過硬件將電機驅(qū)動器關(guān)閉，不受望遠鏡控制軟件的限制。當望遠鏡電控 系統(tǒng)發(fā)生異常或者依賴于電控系統(tǒng)的安全保護系統(tǒng)失靈時，此保護系統(tǒng)能夠起到及時報警 并且預防災難性事故發(fā)生的作用，是大型望遠鏡已有保護系統(tǒng)的一套有效的輔助安全保護 系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0030] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0031] 圖1為本發(fā)明中三個加速度計在正六面體上的安裝示意圖。
[0032] 圖2為本發(fā)明中裝有三個加速度計的正六面體在望遠鏡方位軸和俯仰軸旋轉(zhuǎn)平面 內(nèi)的安裝示意圖。
[0033] 圖3為本發(fā)明的大型光電望遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)的信號流程示意圖。
[0034] 圖4為本發(fā)明的大型光電望遠鏡輔助安全保護系統(tǒng)的程序流程示意圖。
【具體實施方式】
[0035]本發(fā)明的發(fā)明思想為：
[0036]本發(fā)明采用在望遠鏡的方位軸和俯仰軸的適當位置安裝一套獨立于望遠鏡系統(tǒng) 的加速度計測量組合，該系統(tǒng)基于多個加速度計的測量信號，通過一套完整的信號采集和 顯示系統(tǒng)實時地測量望遠鏡的運行狀態(tài)，起到監(jiān)控、預警和保護的作用。具體實施方案如 下：
[0037] (1)加速度計組的安裝方式：
[0038] 該輔助安全保護系統(tǒng)采用六個加速度計，分為兩組，每三個加速度計分別被固定 在一個正六面體的三個垂直面上，分別感受三維空間相互垂直的三個方向的加速度，安裝 方式如示意圖1所示。兩個正六面體分別被安裝在光電望遠鏡方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)平面 內(nèi)，并且距離旋轉(zhuǎn)中心一定距離的位置。記在方位軸旋轉(zhuǎn)平面上安裝的三個加速度計分別 計為A x，Ay，Az，俯仰軸旋轉(zhuǎn)平面上安裝的三個加速度計分別計為Ex，E y，Ez，正六面體安裝示 意圖如圖2所示，其中Ar是正六面體中心距離方位軸旋轉(zhuǎn)中心的距離，A x加速度計的測量軸 沿旋轉(zhuǎn)平面徑向半徑向外，Ay加速度計的測量軸沿旋轉(zhuǎn)平面與徑向半徑垂直，Α ζ加速度計測 量軸與Ax、Ay加速度計測量軸構(gòu)成右手直角坐標系，E r是正六面體中心距離俯仰軸旋轉(zhuǎn)中心 的距離，Ex加速度計測量軸方向在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)與徑向半徑垂直，E y加速度計測量軸方向在旋 轉(zhuǎn)平面內(nèi)沿徑向半徑向外，Ez加速度計測量軸與Ex、E y加速度計測量軸構(gòu)成右手直角坐標 系。
[0039] (2)各加速度計輸出信號經(jīng)過儀表放大器放大、濾波器濾波后得電壓值，經(jīng)過高精 度高分辨率數(shù)字采集卡后，將加速度信號的輸出以數(shù)字格式傳輸至計算機中。
[0040] (3)使用上位機軟件對加速度信號進行讀取，并實時將加速度信號在監(jiān)控界面上 進行顯示。根據(jù)六個加速度計安裝的位置以及望遠鏡的預定工作狀態(tài)(如最大角加速度、某 方向所能承受最大沖擊加速度等)可以給出正常運轉(zhuǎn)情況下第i個加速度計的輸出最大值， 將該值乘以某安全冗余系數(shù)作為該加速度計的最大輸出閾值。當六個加速度計中有一個加 速度計的輸出絕對值超過相應的最大輸出閾值時，上位機程序中與此加速度計對應的故障 Flag置1，否則所有Flag默認值為0，當判斷