[发明专利]一种基于旋转双棱镜的跟踪装置的控制方法

摘要

本发明提供了一种基于旋转双棱镜的跟踪装置的控制方法，可以对运动目标进行跟踪。该装置包括两个棱镜、两个电机、两个位置传感器、一个探测器和一个控制器。通过旋转双棱镜，扩大了探测器的视场；通过探测器和控制器可以计算目标位置；通过控制器控制棱镜旋转，可以对运动目标进行闭环跟踪，使目标的成像始终在探测器视场中间。本发明解决了旋转双棱镜用于目标跟踪的问题，通过探测器闭环，使其可应用于对运动目标的跟踪。本发明的装置结构紧凑、转动惯量低、响应迅速。

主权项

一种基于旋转双棱镜的跟踪装置的控制方法，所述的基于旋转双棱镜的跟踪装置包括：第一棱镜(1)、第二棱镜(2)、第一电机(3)、第二电机(4)、第一位置传感器(5)、第二位置传感器(6)、探测器(7)和控制器(8)，其中，两个棱镜旋转轴、两个电机转子旋转轴和探测器为同轴，第一棱镜(1)和第二棱镜(2)具有相同的顶角和折射率，第一电机(3)和第二电机(4)均为环形力矩电机，第一电机(3)的转子与第一棱镜(1)直接相连，第二电机(4)的转子与第二棱镜(2)直接相连；第一位置传感器(5)测量第一棱镜(1)绕转轴的旋转角度θ1，并将θ1送到控制器(8)；第二位置传感器(6)测量第二棱镜(2)绕转轴的旋转角度θ2，并将θ2送到控制器(8)；探测器(7)能够测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ，并将其送到控制器(8)，控制器(8)接收第一棱镜(1)的位置θ1、第二棱镜(2)的位置θ2、探测器(7)上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ，输出电压信号V1至第一电机(3)，输出电压信号V2至第二电机(4)，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：步骤1)、由探测器测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ、俯仰角Φ；由第一位置传感器测量得到第一棱镜的位置θ1，第二位置传感器测量得到第二棱镜的位置θ2；由θ1、θ2、Θ、Φ计算得到目标的方位角Θt和俯仰角Φt；计算过程如下：由目标发出的光在探测器上形成像点，由于光路是可逆的，那么由探测器出射的光束经过两个棱镜折射后的出射光线将到达目标点，此过程可以通过4次折射得到，如公式(1)所示：其中，Tri表示依次经过的4次折射过程，i＝1,2,3,4；设Kt，Lt，Mt表示矢量的方向余弦，则方位角Θt和俯仰角Φt由下面公式计算：Θt=arctan(LtKt),Kt≥0arctan(LtKt)+π,Kt<0---(2)]]>Φt＝arccos(Mt)                (3)步骤2)、由目标的方位角Θt和俯仰角Φt，计算使目标成像在探测器的视场中心时，两个棱镜需要旋转到的新位置θ1*、θ2*；计算过程如下：由于光路是可逆的，为了使目标成像在视场中心，由探测器中心出射的光线(0,0,1)将到达目标点；按两步法计算θ1*和θ2*：第一步：由俯仰角Φt计算△θ＝|θ1‑θ2|，具体方法为保持第一棱镜(1)的位置不动，采用优化方法得到△θ＝|θ1‑θ2|；优化方法的原理为：由于两个棱镜的夹角在0°～180°或180°～360°范围时，入射光线(0,0,1)对应的出射光线的俯仰角和方位角与棱镜夹角的大小是单调的，迭代优化算法也会很快收敛到全局极值，具体流程如下：步骤1、取棱镜夹角为i＝1，转步骤2；步骤2、通过公式(1)‑公式(3)计算得到俯仰角Φi，转步骤3；步骤3、如果|Φi‑Φt|<ε，ε为设定的精度要求，△θi+1＝△θi，流程结束；否则转步骤4；步骤4、如果Φi<Φt，取如果Φi>Φt，取转步骤5；步骤5、更新i＝i+1；转步骤2；第二步：在第一步基础上，得到了棱镜夹角△θ＝|θ1‑θ2|，通过公式(1)‑公式(3)，得到2个方位角Θ0和Θ0'，则两个棱镜需要同步旋转的角度为Θt‑Θ0和Θt‑Θ0'，则两个棱镜需要旋转到的最终位置有两组解：或步骤3)、通过控制器控制第一电机和第二电机运动，使其带动第一棱镜和第二棱镜旋转到位置θ1*、θ2*，目标将被锁定在探测器(7)的视场中心。