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1、Vol . 1 No13Sep . ,2004天文研究与技术 国家天文台台刊ASTRON. R&T PNAOC第 1 卷 第 3 期2004 年 9 月一种基于 AS - I 总线的圆顶随动系统高杰1 , 肖宏玲1 , 姜晓军2(1 . 清华大学核能技术设计研究院 , 北京 100084 ; 2 . 中国科学院国家天文台 , 北京 100012)摘要 : 介绍了一种采用 AS - I 现场总线技术进行位置检测的望远镜圆顶随动方法 。该方法采用断续跟踪的方式 , 不但安装和维护简单 , 而且具有运行时震 动小等特点 。给出了由望远镜转动中心与圆顶球心不重合引起的偏差的计算公式 , 并对其进行了分
2、析 。关键词 : 圆顶随动 ; AS - I ; 偏差补偿中图分类号 : P 111文献标识码 : A文章编号 : 1672 - 7673 (2004) 03 - 0196 - 07对于安放在天文台圆顶内的望远镜 , 为了让圆顶不挡住视线 , 观测时必须要求圆顶天窗时刻对准望远镜 , 并且能够跟随望远镜的运动进行随动 。为了减轻观测人员的工作 负担 , 在普通天文圆顶上加装一套自动圆顶随动系统是十分必要的 。在圆顶随动系统中 , 关键要获得的是当前时刻望远镜和圆顶天窗的具体位置 , 然后将其进行比较 , 从而 确定圆顶是否应该转动以及转动的角度 。我们可以从望远镜的控制系统中取出望远镜的指向位
3、置 , 因此需要解决的主要问题是如何检测圆顶天窗的位置 。国内专业天文台所采 用的圆顶位置检测方法主要有齿条定位 , 超声波定位1 和码盘定位等 。但是对于许多已 经建好的天文圆顶 , 尤其是中小型业余天文台 , 在设计之初并没有考虑到圆顶的随动问题 , 因此为其安装大圆周定位齿条不但施工复杂 , 而且改造后存在运行噪音大 , 易震动等缺点 。在天文观测中 , 尤其是在长时间曝光时 , 震动会降低观测数据的质量 。而对于 专业天文圆顶经常采用的圆感应同步器或光栅定位 , 应用于普通天文圆顶中造价又相对 较高 。为了解决这一问题 , 本文提出了一种简单的基于 AS - I 现场总线的定位方法 ,
4、 在一定的精度范围内 , 此方法能够很好的满足随动要求 , 而且安装容易 , 维护简单 。1AS - I 现场总线技术现场总线是应用在生产现场 , 在微机化测量控制设备间实现双向串行多节点数字通信的系统 , 也有人称之为开放式 , 数字化 , 多点通信的底层控制网络 。 现场总线技术是将专用微处理器置入传统的测量控制仪表 , 使它们各自都具有了数基金项目 : 国家重点基础研究项目 ( G2000077620) 资助.收稿日期 : 2004 - 03 - 08 , 修订日期 : 2004 - 03 - 30作者简介 : 高杰 , 男 , 硕士研究生 , 研究方向 : 核科学与技术.字计算和数字通
5、信能力 ; 采用可进行简单连接的双绞线等作为总线 , 把多个测量控制仪表连接成网络系统 ; 并按公开 、规范的通信协议 , 在位于现场的多个微机化测量控制设 备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间 , 实现数据传输与信息交换 , 形成各种适应实际需要的自动控制系统 。简而言之 , 它把单个分散的测量控制设备变成网络节点 , 以现场总线为纽带 , 把它们连接成可以相互沟通信息 、共同完成自控任务的网络系统与控 制系统2 。AS - I 即执行器 、传感器接口 , 是一种底层的工业级现场总线标准 。AS - I 系统包括一个主站和若干个子站 , 所有设备通过一根特制的两线扁平电缆连接在一起 , 即
6、总 线 。在圆顶随动系统中我们选用 PCI 接口的主站控制板 , 如图 1 所示 , 将其安装在普通 计算机中 , 便于利用计算机与望远镜控制子系统等其他控制部分协同工作 。AS - I 主站 每 5ms 轮循访问所有子站一遍 , 完成所有通讯任务 。AS - I 子站可以自由分布 , 没有分 支规则和终端 , 每个子站都有一个唯一的地址与其对应 , 从而保证设备间通讯正常 。图 1AS - I 系统结构示意图Fig. 1Sketch map of AS - I system在图 1 中 , 地址号为 2 、3 、6 的从站为 AS - I 传感器 , 即其内部自带 AS - I 通信芯片 ,
7、 它可以直接连接在总线上 ; 而地址号为 1 、8 、9 的从站为输入或输出模块 , 它可以 连接普通类型的传感器或执行器件 , 并为它们分配地址 , 负责他们与主站以及其他从站 之间的通信 , 使用户不必购买相对昂贵的专用 AS - I 传感器 , 从而扩大了 AS - I 总线应用的灵活性 。AS - I 设备与总线的连接采用电缆刺穿技术 , 使得设备安装在几秒钟内即 可完成 。在总线电缆中数字信号直接叠加在 30V 的电源电压上 , 使其不但可以传输数据 , 而且可以为所有设备提供电源 。在需要用简单的主 - 从总线连接分散的 I/ O 装置时 , AS - I 总线是最经济的一种方 案
8、 。因此 , 在圆顶随动系统中我们选用 AS - I 总线系统用于圆顶天窗位置的检测 。2圆顶位置检测由于圆顶天窗的开口与望远镜的有效口径相比具有一定的宽度余量 , 所以圆顶随动系统可以采用断续跟踪的方式 , 在望远镜指向和圆顶天窗方位相差小于特定的角度时 ,天文研究与技术 国家天文台台刊1 卷198即望远镜在圆顶天窗的开口范围内活动时 , 圆顶保持静止不动 ,成的震动 。当失配角超出一定角度时 , 即望远镜的指向 即将移出圆顶天窗的开口范围时 , 圆顶天窗便转动至相应方向的下一个传感器位置 , 以使望远镜指向继续保持在天窗开口范围内 。 我们在圆顶室内的地板外缘均匀分布若干金属传感器 , 并
9、将所有传感器通过一根总 线 电 缆 串 接 起 来 , 与AS - I 主站相连 。然后在圆顶的天窗中心位置安放一块 金属标识物 。当圆顶天窗转动到某一位置时 , 金属标识 物接近某一传感器 , 如图 2 所示 , 从而使其产生信号 , 通知主站 。主站通过该从站的地址编号便可得知现在圆 顶天窗的位置 。望远镜转动时 , 可以通过计算得知望远镜指向是否移出了天窗的开口范围 , 若移出则驱动圆顶 转动电机 , 使圆顶向相应的方向转动 , 直至该方向的下消除由于圆顶运动所造一个传感器产生信号 , 即圆顶天窗达到下一个定位位置时 , 停止转动 。就这样 , 圆顶跟随望远镜一步一步地转 动 , 从而实
10、现断续式的跟踪随动 。图 2圆顶驱动机构Driving parts of the domeFig. 2可以看出 , 采用断续跟踪方式的随动系统的定位精度很大程度上取决于位置传感器的安装个数 ,安装少了 , 随动系统定位精度不够 ,安装多了 ,系统成本就会相应增加 。图 3望远镜在天窗开口中的活动范围The moving range of the telescope in the dome windowFig. 3所以 ,必须选择合适的传感器个数 。如图 3 所示 , 为了让圆顶不遮挡望远镜的一丝光线 , 望远镜镜筒在一个天窗孔范围 内所能回转的最大角度应该为 z , 图中 q 为圆顶球直径 ,
11、 S t 为圆顶天窗弧长 , t 为圆顶天窗开口角度 , t 为望远镜镜筒直径 , c 为望远镜视场角的一半 。对于长焦距望远镜 , 焦平面上视场角一般都很小 , 如 16LX200 望远镜配备 ST - 9XE 型 CCD 相机后 c 0 . 1 , 所以 c 一般可以忽略 。另外 , 由于望远镜的镜筒直径所对应的圆顶角度很小 ,所以 z 可以采用近似计算公式 : tst -2180z = 2 .(1)qz 既是望远镜镜筒在一个天窗孔范围内所能回转的最大角度 , 同时也是位置传感器所能平均分布的最大间隔角度 ,所以圆顶周围所需的位置传感器个数最小值 N min = 360/ z 。实际安装时
12、 , 为了进一步提高随动系统定位精度 , 并且充分考虑到整个系统的成本 , 可以在 N min的基础上适当增加位置传感器个数 。3偏差补偿在望远镜的安装过程中 , 不可避免的会造成望远镜镜筒的光学中心和圆顶的球心不重合现象 。如果不对该偏差进行补偿 , 通过望远镜指向位置计算出的圆顶天窗位置必然 产生较大的误差 , 甚至会出现圆顶遮挡望远镜视线的现象 , 因此必须通过计算 , 对中心不重合所造成的误差给予补偿 。当望远镜光学中心和圆顶球心重合时 , 望远镜的赤道坐标和圆顶的地平坐标的转换 关系如下3 := tan - 1 co ssi n t ( 2)A,co ssin co s t - si
13、nco s= tan - 1 co ssi n co s t - si nco s(3)Z.co s A (co s co sco s t + sinsin)其中 , 为赤纬 ; t 为时角 ; 为望远镜安装地点的地理纬度角 ; A 为圆顶天窗中轴线的方位角 ; Z 为天窗风帘孔中心的天顶距 。当望远镜光学中心和圆顶球心不重合时 , 如图 4 所示 , 设望远镜的光学中心 O在 以圆顶球心 O 为中心的直角坐标系中的偏差坐标为 ( x0 , y0 , z0 ) , 望远镜镜筒光轴线与圆顶天窗球面的交点 S 在以 O为中心的直角坐标系中的坐标为 ( x, y, z) 。因 此 , 由图 4 可得
14、 :天文研究与技术 国家天文台台刊1 卷200图 4望远镜中心和圆顶球心的位置偏差Offset of the telescope optical center from the dome centerx= r co s H sin A y= r co s H co s A z= r sin Hx = x+ x0y = y+ y0z = z+ z0Fig. 4(4)x2 + y2 + z2R2=xtan =y其中 , 为圆顶天窗中轴线的方位角 , A 为望远镜指向的方向角 ,的地平高度 , R 为圆顶的球半径 , r 为点 S 到 O的距离 , x0 , y0 , z0 ,量获得 , 为已知常量
15、 。公式 (4) 经化简后可得 :C = x0 co s H sin A + y0 co s H co s A + z0 sin HH 为望远镜指向R 均可以通过测R2 - ( x2 + y2 + z2) + C2 - Cr =0 0 0( 5) = tan - 1 r co s H si n A + x0r co s H co s A + y0其中 , C 为中间变量 。当望远镜指向某一方位时 , 即在给定 H 和 A 的情况下 , 可以利用公式 (5) 求得圆顶天窗的方位角 。如果把望远镜指向的球面划分成间距为0 . 01rad 的球面网格 , 然后利用公式 (5) 逐 个计算网格中每一点
16、在公式 (4) 中所对应的数值解 , 便可以得到与该网格所对应的圆顶天窗的位置矩阵 。图 5 显示的便是望远镜镜简指向方位角 与圆顶天窗位置方位角 A的差在上述网格内(即望远镜镜筒指向的活动范围内)的变化关系 。图 5望远镜与圆顶天窗水平方向角之差Difference of the azimuths between the telescope and the domeFig. 5从图 5 我们可以看出在大部分范围内 , 尤其是望远镜指向的地平高度H 较低时 ,由望远镜中心与圆顶球心不重合所造成镜筒与天窗水平方位角之差很小 , 但是当望远镜指向接近天顶时 , 方位角之差会突然变大 , 直至出现飞
17、升现象 。所以 , 对于不同天文台 , 首先应该精确测量出望远镜中心与圆顶球心的不重合度偏 差 , 然后根据公式 (5) 计算出望远镜在不同指向下 , 与圆顶天窗方位角之间的偏差矩阵 , 在随动系统程序中予以补偿 , 从而提高圆顶随动系统的定位精度 。当在极靠近天顶附近处观测时 , 可以利用圆顶天窗的转角余量 , 暂时切换掉圆顶随动 , 望远镜离开天极 附近后继续使用 。4应用本文提供的圆顶随动方案已经在清华大学天体物理中心7 . 5 m 的天文圆顶上实现 ,共使用圆顶位置检测传感器 36 个 , 通过一根 AS - I 总线电缆串接到主控计算机 ( 装有AS - I 主站板卡) 上 。圆顶内
18、 16LX200 望远镜通过串口与主控电脑连接 , 望远镜控制及 圆顶随动软件用 Visual C + + 编写实现 。整个系统实际运行效果良好 。天文研究与技术 国家天文台台刊1 卷202参考文献1周吉光 , 李自力 , 王毕. 云南天文台 1m RCC 望远镜电气系统的改造 J .云南天文台台刊 , 2001 , (2) : 42 - 47 .23阳宪惠. 现场总线技术及应用 M .北京 : 清华大学出版社 , 1999 . 1 .龚祖同. 60 厘米试验天文反射望远镜专集 M .229 - 232 .北京 : 科学出版社 , 1980 .AnAstrodome Synchronizati
19、on System Ba sed on AS - I Fiel dbusGAO J ie1 , XIAO Hong2ling1 , J IANG Xiao2jun2(1 . Institute of Nuclear Energy Technology , Tsinghua University , Beijing 100084 ;2 . National Astronomical Observatories , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100012 , China)Abstract : We introduce an automatic do
20、me control system by using AS - I fieldbus fordetecting the slit position in the dome2telescope synchronization , AS - I fieldbus has several advantages compared with traditional control systems , i . e . easier installation , lower maintenance and lower cost . In this paper we also provide a formula for computing the offset caused by non2 coincidence between the telescope slewing center and the dome spherical center , and make further analysis on the offset .Key words : dome synchronization ; AS - I ; offset compensation
