摆镜式激光通信终端光束指向与粗跟踪特性

基于两正交旋转轴的单平面镜（摆镜式）激光通信终端的粗跟踪问题,提出了一种求解光束指向的法矢量求解算法,给出了该类型通信终端的粗跟踪算法。采用矢量反射定律和矩阵旋转变换规律,理论推导了摆镜的光束指向模型和跟踪模型,对比分析了不同安装方式对光束指向和畸变的影响,并对模型分别进行了建模仿真和实验研究。结果表明:光束传输模型和粗跟踪模型的精度优于3 μrad,所研制的摆镜式激光终端粗跟踪精度,最大误差优于15.5 μrad (3σ),均方根误差优于10.5 μrad,满足激光通信终端对高精度粗跟踪的技术要求。该研究工作对摆镜式扫描系统的光束指向分析和激光终端粗跟踪具有借鉴意义。     

飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法

飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪,脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置,跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量,因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上,结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响;建立了跟踪脱靶量标定误差模型;根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真,结果显示,其误差小于17.8 m,当目标距离仪器10 m时,仪器的指向误差小于1.1,该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后,基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定,为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。     

可见光多波段激光合束系统设计北大核心CSCD

为了实现可见光波段不同波长多路激光的精密合束,设计了一套激光合束系统。通过长焦距镜头和高缩束倍率镜头配合大面阵光电探测器分别实现合束激光指向与位置的高精度、实时监测;通过高精度的角度调节平台和位置调节平台分别实现光束指向和位置监测误差的实时补偿。在完成光束指向、位置监测镜头的设计加工及精密装调后,获得位置监测装置的监测分辨率为0.054 mm,指向监测装置的监测分辨率为3.5μrad;在完成光束位置校正平台、指向校正两维摆镜、闭环控制系统合束流程的详细设计后,对合束系统的合束精度进行实验检测和误差分析。实验结果表明:合束系统短时间内针对稳定光束的合束精度为:指向6.17μrad,位置优于0.66 mm;长时间内针对缓慢漂移光束的合束精度为:指向18.46μrad,位置优于0.72 mm。因此,所设计的激光合束系统合束精度高,并且可及时对光束的漂移误差进行自动补偿,满足系统的应用要求。     

美国西德激光测卫测月工作考察报告 (三)跟踪、跟踪架和光学系统

1.限踪架的精度及其校准跟踪架是人卫测距仪的一个重要组成部分。由跟踪架所决定的跟踪精度和指向精度,对回波数据率等有直接影响。高精度人卫测距仪的跟踪精度和指向精度很大程度取决于跟踪架的轴系精度、随动和编码器精度。目前美国的高精度人卫测距仪,轴系的正交性和晃动误差约为±1弧秒(均方根值),编码器的精度为18～22位。跟踪精度除天顶附近较差外,一般可达2～5弧秒,在环境温度低于-5℃或高于 20℃时,精度将有所下降。据美国CGC公司说,他们研制的人卫测距仪,其静态指向精度为2.5～3弧秒,跟踪精度为20弧秒,修正后可达5弧秒(经修正后消掉系统误差)。     

机器人位姿测量中激光跟踪仪布局位置研究

应用激光跟踪仪进行机器人位姿测量时,为了减小激光跟踪仪分布位置对测量结果的影响,对激光跟踪仪布局位置开展优化。以ABB IRB1410型机器人为研究对象,规划了其测量区域。通过构建激光跟踪仪误差传递函数,对激光跟踪仪测距误差、测角误差对整体坐标测量精度影响进行分析。通过仿真分析研究了激光跟踪仪不同分布位置下机器人测量区域内测量点整体偏差的分布规律。通过构建激光跟踪仪布局评价函数并基于MATLAB无约束线性优化算法确定了激光跟踪仪最优布局位置主要位于测量区域中心轴线及其延长线附近,并对最优位置相邻区域整体测量偏差的分布规律进行了分析,为机器人现场测量提供一定的参考依据。     

四象限探测器用于激光跟踪仪目标脱靶量测量

介绍了基于四象限探测器的激光跟踪仪目标脱靶量测量系统。根据四象限探测器的工作原理和跟踪激光的光斑特性,分析得出目标脱靶量与四象限探测器输出电流信号的关系为非线性。针对非线性关系不易快速解算的难题,文中采用了分段线性插值算法。使用高精度位移平台对测量系统进行标定并开展了测量实验。结果表明,该系统测量速度快,每秒测量次数可达600次以上;测量精度高,在±500μm量程范围内测量精度可达5μm。该系统可以广泛应用于需要微小位移测量的相关领域。     

精密两维转镜的动力学仿真与控制误差分析

精密两维转镜作为激光角度欺骗干扰半实物仿真试验系统中模拟弹目、弹干扰视线运动的重要设备,其控制误差是影响视线运动模拟精度的重要因素,进而影响半实物仿真试验精度。以多体系统动力学方法推导了精密两维转镜的机电分析动力学模型,采用计算力矩法设计了两维转镜的轨迹跟踪控制器,并在Matlab/Simulink环境中对建立的反映转镜动态特性的数学模型进行了仿真,转镜方位、俯仰轴对等效正弦输入信号的角位置跟踪误差分别为2.2 mrad与3.5 mrad,结果表明:模型可实现对引导输入的角位置信号的高精度跟踪控制。     

机载光电转塔系统轴系误差数值分析

机载光电转塔系统轴系误差是影响随动跟踪和视轴指向精度的主要因素之一。为了分析轴系误差对精度的影响量值,运用坐标变换的原理,建立了机载光电转塔系统在方位和俯仰理想状态和在轴系误差状态随动跟踪的数学模型,进行了数值计算与仿真分析。仿真特性曲线表明,在不同随动角度下轴系误差对精度的影响是变化的。为了满足机载光电转塔系统高精度随动、视轴指向和高分辨率的探测和感知外部环境,提出了消除误差和提高精度的解决方法,可用于机载光电转塔系统的设计分析、误差控制和技术问题处理,具有一定的实际工程应用参考价值。     

动态空间激光通信系统视轴初始指向建模及验证

捕获、对准、跟踪系统是空间激光通信重要组成部分,是通信正常进行的前提与保障。针对捕获系统中的初始指向内容进行了详细研究,给出初始系统指向系统模型,应用坐标转换矩阵补偿由于位置不同、姿态变化、安装基准轴差异、初始零位不一致等对初始指向方位角和俯仰角的影响。提出初始指向系统视轴标校方法,根据误差分析方法确定了指向精度及捕获不确定区域大小。在飞机-飞机动态演示实验中,应用双天线全球定位系统/捷联导航系统(GPS/INS)组合器件实时得到位置、姿态等参数,实现初始指向系统性能测试。借助观靶相机实际测量本系统捕获不确定区域大小为10mrad,与理论分析结果基本一致。     

智能激光3D投影空间定位精度分析

为了解决激光3D投影定位无法兼顾高精度、实时性、智能补偿定位的问题,搭建了一种基于激光跟踪定位技术的智能激光3D投影系统,并进行空间精度分析。首先,建立激光3D投影系统数学模型;其次对激光3D投影系统进行光学中心标定,再利用投影承接部件基准点对部件坐标系进行标定,从而完成智能激光3D投影系统的标定及搭建;最后,建立智能激光3D投影定位精度模型。仿真结果显示,激光3D投影仪投影区域中间部分精度最佳,由激光跟踪测量精度引起的投影承接面投影点误差小于投影仪引起的投影承接面投影点误差。实验结果显示:在3~4 m的投影距离上,所研制的智能激光3D投影系统的投影形状及位置准确度可以优于0.3 mm。与传统的激光投影系统相比,该系统解决了大尺寸投影承接部件不能大量安装合作目标问题,使工作中无需目标反射头及校准工装,省略校准过程,当投影系统或被测部件移动或漂移时,智能化识别、解算、补偿相对位移量,保证实时、精确投影至正确位置,极大提高了投影定位系统的工作精度和定位效率。     

大气湍流对激光半主动制导精度的影响

根据强度起伏导致的对数振幅方差和相位起伏导致的到达角方差,计算出由大气湍流引起的激光半主动制导跟踪系统的角误差,并通过专用软件仿真了大气湍流引起的角误差对激光半主动制导瞄准精度的影响。计算和仿真结果表明:大气湍流引起的跟踪误差可达几十微弧度,导致制导系统的瞄准精度下降10%左右。     

大尺寸空间角测量系统光轴指向不确定度评定

由于被测对象相距较远,高精度的公共测量基准难以建立,因此大尺寸空间角测量的难度较大。为了解决大尺寸条件下空间角的现场测量问题,提出一种基于惯性基准的大尺寸空间角测量方法。首先,阐述了大尺寸空间角的测量原理并且设计了测量系统。然后,对测量系统中基于二维振镜的光轴指向不确定度进行了研究,重点分析了各类误差对光轴指向不确定度的影响。最后,利用蒙特卡洛仿真对各项误差所引起的光轴指向不确定度进行评定,为光轴跟踪装置的误差分配及其指向精度的现场评估等工作奠定了基础。     

基于ADAMS的工业机器人轨迹精度模型研究

预测工业机器人轨迹精度对高精度加工具有重要影响,分析影响其轨迹精度的因素,基于ADAMS提出一种考虑结构参数误差及关节转角偏差的轨迹精度模型。应用激光跟踪仪辨识工业机器人结构参数与名义值间存在的偏差,分析关节转角偏差随工况的变化,在ADAMS环境下建立轨迹精度模型。以UR5机器人为实验对象,API激光跟踪仪为测量仪器对其轨迹精度进行测量,与模型输出结果进行对比,实验结果表明,该模型可准确预测工业机器人轨迹精度,预测精度可达0.5 mm,且参考该预测结果进行误差补偿后,轨迹精度基本达到1 mm以内。     

关于光伏发电系统跟踪太阳聚光发电优化控制

针对跟踪太阳聚光发电对跟踪太阳精度要求高、机械惯性大、动力传导存在死区,改进设计一种适用于复杂环境的高精度太阳传感器,通过差分形式对太阳位置进行粗略和精密检测,建立了跟踪太阳聚光发电系统动力部分的数学模型,提出基于模糊控制的跟踪太阳聚光发电优化控制策略,通过仿真和现场应用结果表明,设计的太阳传感器能够适应强光和弱光环境,检测精度优于 0.3°,提出的控制策略能够实现连续高精度跟踪太阳,提升了发电效率。     

激光跟踪仪高精度测量运动物体位姿的研究

为了实现运动物体空间位姿高精度的实时测量,基于激光跟踪仪测量的地理坐标系的方法,采用两个激光跟踪仪分别瞄准运动物体首尾两处的标靶,两台激光跟踪仪同步触发采集数据,实时获取运动物体首尾两点的空间坐标数据,测量了运动物体在空间地理坐标系下的位置和姿态信息;利用自主研发的软件计算了运动物体的空间位姿,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,测量系统的稳定性与精度较好,所提出的测量方法能够满足高精度的空间位姿测量要求。     

激光视觉传感器的机器人焊缝高精度跟踪系统

以提升焊接机器人焊接精度为目的，设计激光视觉传感器的机器人焊缝高精度跟踪系统。由工业相机和激光传感器、焊接机器人等组成系统硬件架构，获取焊缝激光光源后，将其传输至激光图像传感层。采用激光图像传感器对焊缝激光光源图像进行物理滤波处理，使用工业相机拍摄焊缝激光图像。提取焊缝激光图像特征，依据其特征点位置对焊接机器人进行手眼标定，获取焊接机器人校正向量并将该向量输入到机器人运动控制层内的焊缝跟踪程序内，利用该程序不断修正焊接机器人跟踪行为并向接口电路电机驱动器发送控制跟踪命令，实现机器人焊缝高精度跟踪。实验结果表明：该系统具备良好的启动性能，对焊机机器人手眼标定径向畸变、切向畸变数值均较小，跟踪不同类型焊缝的最低偏差数值仅为0.01 mm,跟踪精度高。     

空间激光通信单探测器复合跟踪控制技术研究

空间激光通信终端伺服系统是一种高精度的跟踪机构,在扰动条件下,通信系统对跟踪系统的稳定性及精度提出了较高的要求。本文主要介绍了激光通信伺服系统的复合跟踪技术,详细论述了单探测器复合跟踪方式的选择以及激光通信伺服系统的控制流程。最后,在振动平台上进行了粗精复合的激光跟踪实验。实验结果显示,当通信终端系统跟踪最大振动加速度为0.22°/s2的振动平台时,跟踪目标平稳性较好,单独采用粗跟踪时误差为60 μrad,采用粗精复合跟踪时位置误差可以达到2 μrad。实验结果表明,空间激光通信系统中单探测器复合跟踪技术的设计满足了系统跟踪精度的要求,为激光通信控制系统的设计提供了一定的参考。     

关于光伏发电系统跟踪太阳聚光发电优化控制

针对跟踪太阳聚光发电对跟踪太阳精度要求高、机械惯性大、动力传导存在死区，改进设计一种适用于复杂环境的高精度太阳传感器，通过差分形式对太阳位置进行粗略和精密检测，建立了跟踪太阳聚光发电系统动力部分的数学模型，提出基于模糊控制的跟踪太阳聚光发电优化控制策略。通过仿真和现场应用结果表明，设计的太阳传感器能够适应强光和弱光环境，检测精度优于 0.3°，提出的控制策略能够实现连续高精度跟踪太阳，提升了发电效率。     

大口径光束引导装置设计

在惯性约束核聚变装置中,为了实现高精度光束焦点位置调整的目的,采用了基于高精度自动调整反射镜进行光束准直引导的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了不同驱动方式下电动反射镜的调整精度数据.结果表明:柔性铰链连接直线微位移驱动机构和旋转轴框,能够有效地消除摩擦和间隙等对精度的影响,该电动反射镜能够在±15 mrad的运动范围内实现1μrad激光光束指向调整分辨率,满足了神光-Ⅲ装置的技术要求。这一结果对大型激光器中高精度光束调整系统的设计是有帮助的。     

标校塔信号源抗风扰稳定系统设计与实现

外场雷达标校过程中,塔顶信号源在风载荷的干扰下会产生数10 mm的偏摆,这种偏摆对雷达标校精度会产生较大影响。为消除风载荷的影响,设计了基于激光跟踪仪、二维稳定平台等为核心器件的抗风扰稳定系统。该系统通过激光跟踪仪实时测量信号源的位置偏摆量,然后计算出修正值后利用二维稳定平台进行位置补偿,最终实现信号源位置稳定。测试结果显示该系统稳定精度高、响应速度快,可在0.2 s内实现位置稳定精度优于0.5 mm。并可为外场雷达标校提供有利的技术保障。