MEMS摆镜在小型化激光成像雷达中的应用

研究了MEMS摆镜在未来小型化激光成像雷达的系统中的应用。首先介绍了MEMS摆镜自身的器件特性,结合脉冲成像激光雷达的应用背景,分析了系统设计时要注意的问题。进一步设计了MEMS摆镜的驱动模块,通过仿真和成像验证了李萨如扫描图形的应用。     

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。     

空间稳像系统摆镜设计与仿真

摆镜作为稳像系统核心部件,摆镜单元的性能参数和外载荷对摆镜面形的影响为摆镜设计和装配的主要约束条件。在设计约束基础上,对摆镜及其装卡结构材料进行了选择,对结构进行了轻量化设计。为考察外载作用对摆镜面形影响规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜组件进行了仿真,使用基于Zernike多项式的光机集成仿真方法消除刚体位移,得到了消除刚体位移后摆镜面形参数。仿真结果表明:外载作用下摆镜刚体位移明显;预紧力作用下刚体平移占据了刚体位移的主要方面;动力载荷作用下,当重力存在于光轴方向时,静力载荷对摆镜面形起主要作用,否则动力载荷对摆镜面形起主导作用。在仿真数据基础上,对摆镜零件进行了加工和装配,对装配后摆镜进行了面形测试,测试结果表明:摆镜面形能够满足设计要求,也说明了摆镜结构设计的合理性和仿真方法的有效性。     

摆镜扫描的重复控制系统

为解决摆镜扫描速度振荡的问题,采用永磁同步电机作为扫描驱动电机,建立了控制系统的传递函数模型.同时,根据摆镜扫描运动具有周期性的特点,提出了一种改进结构的重复控制器对扫描电机的转速进行控制.该控制器引入两个放大环节对系统增益进行调节,从而改善了系统的跟踪性能.实验结果显示,该控制系统能够有效地提高摆镜扫描的速度稳定性,抑制扫描电机在换向时的振荡现象.     

倒立摆控制器的鲁棒性研究

在建立倒立摆系统控制对象数学模型的基础上,详细介绍了单级单级控制器的设计过程。首先,采用PID控制算法和状态空间极点配置法对倒立摆进行控制器设计,然后采用最优控制算法设计倒立摆的控制器,最后设计一种基于自适应的控制器。最终采用Matlab软件进行仿真验证了设计结果,证明了自适应的有效性。     

基于新型重复控制器的高精度摆镜伺服系统研究

为了解决摆镜伺服系统周期速度振荡的问题,采用直流电机作为扫描驱动电机,建立伺服系统的数学模型,根据摆镜扫描的周期性特点,提出了一种改进的重复控制器对伺服系统的转速进行控制,实现结果表明该方法很好的改善了系统的跟踪性能,有效的提高了摆镜扫描的速度稳定性,抑制了电机的振荡现象.     

多扫描周期摆镜伺服系统设计与实现

扫描摆镜伺服系统是扫描型热像仪的核心部件之一,扫描摆镜摆动周期需适应热像仪视频制式的要求。为了支持扫描型热像不同速率视频输出的需求,基于双向扫描摆动方式,设计并实现了多扫描周期摆镜伺服系统。给出了基于FPGA、MCU构架的硬件方案、目标轨迹特性及控制算法的设计方法。实验测试结果表明本扫描摆镜伺服系统具有跟踪精度高、频率切换时间短和运行稳定等特点,具有很强的工程实践性。     

两轮移动倒立摆的开关切换模糊极点配置控制器设计

为了更好地控制两轮移动式倒立摆,文章以两轮移动式倒立摆动力学数学模型为基础,设计了一种开关切换模糊极点配置控制器,利用该控制器对系统进行控制。通过一个选择型开关把模糊控制和状态反馈的极点配置控制有机的统一起来构成了开关切换模糊极点配置控制器。在Simulink中,对设计的开关切换模糊极点配置控制器进行了仿真,实现了两轮移动式倒立摆的平衡、匀速前进、匀速转弯。仿真结果说明了开关切换模糊极点配置控制器对两轮移动式倒立摆起到一定的抗干扰和理想的控制作用。     

激光通信平背伺服摆镜支撑结构优化设计EI北大核心CSCD

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度,设计了一种周边柔性支撑的方案,通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构,降低结构刚度,减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多,并且相互耦合,首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化,确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置,随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明,采用该周边柔性支撑后,摆镜组件一阶频率为446.66 Hz,在±5℃温升(温降)和标准地球重力共同作用下,最大面形误差RMS为λ/42.87,能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用ZYGO干涉仪在(23±5)℃温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测,结果表明,摆镜面形PV值优于λ/5.1,RMS优于λ/43.28,满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明,柔性支撑参数设计可靠,满足使用要求。     

空间稳像系统摆镜的一种新型拓扑优化方法

针对于空间稳像系统摆镜的面型精度保持问题,实现摆镜的轻量化设计,在直径110 mm圆平面反射镜的设计过程中将机械结构拓扑优化引入到光学器件设计领域。对背部减重部分进行了拓扑优化设计。对拓扑优化设计的原理和方法做了较为详细的介绍。吸收了变密度法中的SIMP(Solid Isotropic Material with Penalization)插值算法和RAMP(Rational Approximation of Material Properties)插值算法的思想,提出了一种新型惩罚中心可调节的ASMP(Adjusted Solid Material with Penalization)插值算法,并对各种插值算法进行了仿真。仿真结果证明,基于本文提出的新型ASMP插值算法的拓扑优化结果正确可靠,有一定的优越性。同时使用新型方法对摆镜进行了优化,并与其他设计结果进行了比对,结果显示新型拓扑优化结果能够较大程度地提高面型精度,使用起来更加灵活方便。新型差值算法的提出是对现有拓扑优化的插值算法进行了补充完善,也为后续参数优化设计奠定了基础。     

基于接触方法与集成仿真技术的摆镜面形仿真

为考察所设计摆镜在外载作用下面形变化是否满足设计要求,研究了摆镜在螺钉预紧力和不同方向重力作用下的摆镜面形变化规律,使用接触非线性有限元方法对摆镜进行了仿真,采用基于Zernike多项式的数据处理算法对面形数据进行了处理,得到消除刚体位移后表征实际面形变化的参数和表示刚体位移系数的分布曲线。结果表明:螺钉预紧力和不同方向重力作用下摆镜刚体位移明显,镜面平移占据了刚体位移的主要方面,基于集成仿真技术的面形处理算法可以有效消除刚体位移;预紧力存在、不同方向重力作用下摆镜面形影响略有不同,与预紧力相比重力作用对面形影响较小。预紧力作用下摆镜面形仿真数据对于摆镜设计、装调具有一定指导意义,也说明了基于接触方法面形仿真的工程适用性。     

基于T-S模糊模型的倒立摆

用牛顿力学方法建立了直线一级倒立摆的非线性数学模型,并基于倒立摆系统的状态方程,用Matlab对系统进行定性分析。采用极点配置法、LQR设计了控制器,并分析了参数对系统控制的影响。针对倒立摆的非线性,研究了非线性控制方法中变结构控制的基本思想,并设计了控制器。     

DS1842：APD偏置和电流监测IC

Maxim推出采用3mm×3mm TDFN封装的76VAPD偏置输出级和电流监测ICDS1842。器件采用Maxim先进的BiCMOS工艺设计，集成高压（76V）电流源和双电流镜，用于监测APD电流。该器件还包含一个FET开关，可与外部DC／DC控制器配合工作，     

76V APD偏置和电流监测IC

DS1842采用BiCMOS工艺设计,集成高压（76V）电流源和双电流镜,用于监测APD电流。该器件还包含一个FET开关,可与外部DC—DC控制器配合工作,构建DC／DC升压转换器。     

倒立摆模糊控制器研究

倒立摆系统是一个典型的多变量、非线性、强耦合和快速运动的自然不稳定系统,作为一个典型的控制对象,一直受到不少专家学者的关注与研究。通过推导和分析倒立摆的数学模型,主要讨论了模糊控制器的设计与仿真。仿真结果表明,模糊控制器能对倒立摆进行很好的控制。     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

模糊控制二级倒立摆系统方法二——基于规则的Fuzzy控制器

本文主要研究Fuzzy控制二级倒立摆的控制方法,设计了一个高精度、高分辨率的Fuzzy控制器,并用之实时控制二级倒立摆获得成功;利用综合误差的概念,给出了Fuzzy控制二级倒立摆的控制规则;合适的设计选择Fuzzy化函 数自动地实现粗精控制转换;采用多模分域控制使控制的稳定性提高,用上述概念设计的Fuzzy控制器,对二级倒立摆实时控制获得较好的效果。     

长线列红外探测器双模式成像装置中的摆镜控制系统设计

为了实现长线列红外探测器双模式成像装置的两种工作模式,需要在成像装置中增加摆镜控制系统,而高速扫描时的扫描线性度和静止时的位置稳定精度是本系统设计的关键因素。本文着重论述了摆镜控制系统的整体设计和指标要求,基于这些指标,提出了一种高线性和高稳定精度摆镜控制系统的实现方案。并利用Simulink进行了仿真,验证该方案切实可行。     

基于等效弹簧式柔性连接的摆镜模态分析

针对空间稳像系统摆镜的柔性连接方式,提出了使用多个等效弹簧单元替代原有的柔性连接的有限元分析方式。对等效弹簧与原弹簧的弹性系数的对应关系进行了推导,使用等效弹簧的方式对摆镜系统完成了有限元建模,并进行了模态分析,计算出了一阶谐振频率。最后用非接触式激光共振检测系统对摆镜系统进行了检测,并将检测结果与模态分析结果进行了对比,结果表明,基于等效弹簧式柔性连接的摆镜有限元建模方法切实有效。为摆镜的后续设计提供建设性参考,对类似的工程分析具有十分重要的借鉴意义。     

高双折射光纤Sagnac环反射特性的JONES矩阵分析

利用JONES矩阵对基于高双折射光纤Sagnac环的反射光谱特性进行了理论分析,得出了偏振控制器、耦合比、高双折射光纤长度和折射率差及入射光偏振方向对其反射谱线的影响,计算结果与已报道的实验数据相符合。结论对设计制作不同性能的Sagnac型环形镜及相关器件等具有一定参考价值。