高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试,并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明:相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统,本文控制方法的参数鲁棒性更强;相比于传统的压电式-快速反射镜,本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下,还具有更大的行程。除此之外,在80Hz以内任意频率扰动的影响下,基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5μrad(RMS)以内;同时在-40℃~50℃的温度条件下依然可以保持该性能,远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。     

激光发射系统快速反射镜的光线反射过程

为了精确控制光电跟踪复合轴系统的快速反射镜,研究了快速反射镜的反射过程。推导出了快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系,描述了快速反射镜系统的控制方法和软件实现。以推导出的快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系为理论依据,建立了快速反射镜伺服控制系统,对快速反射镜系统进行了锁零实验和跟踪实验,并与母轴系统进行了对比。实验结果显示:快速反射镜在锁零时稳态精度小于1″,且响应快速;在跟踪时系统方位跟踪误差均方根为3.6″,俯仰跟踪误差均方根为8.7″,满足光电跟踪系统对跟踪速度和瞄准精度的要求。得到的结果表明,基于快速反射镜反射过程理论建立的快速反射镜伺服系统提高了激光发射系统的跟踪精度和响应速度。     

动载体光电平台视轴稳定精度的检测

提出一种动载体光电平台视轴稳定精度的检测方法.介绍了光学测量原理,讨论了光电平台视轴稳定精度检测系统的实施路线,并对该系统使用的自准直光学成像系统、高速数字CMOS相机和光斑检测算法进行了研究.由安装在光电平台照准架上的平面反射镜反映光电平台视轴指向角度的变化,用高速数字CMOS相机采集图像,并通过计算图像之间归一化的...     

车载大口径刚性支撑式快速反射镜

为了适应车载平台恶劣的工作环境,设计了一种大口径刚性支撑式快速反射镜。针对车载跟瞄转台对快速反射镜的应用需求选择音圈电机为驱动器,并分别设计了快速反射镜系统的平面反射镜、驱动器、支撑基座、测量元件和机械结构。然后,应用有限元分析方法,有效地实现了平面反射镜的轻量化及支撑基座的模态分析。快速反射镜通过球型铰链实现其运动部分与不动部分的连接,主要载荷通过铰链由支撑基座间接承载,从而有效地保障了大口径快速反射镜的承载能力和环境适应性。最后,组建了伺服控制系统,并对控制带宽和指向精度进行了测试。结果显示:所设计的车载大口径快速反射镜带宽达67Hz,方位指向精度为1.0″、俯仰指向精度为1.1″,表明控制系统稳定实用,满足车载平台的应用要求。     

二维快速控制水冷反射镜装置设计

为了进一步精确控制激光发射方向,减少反射镜热畸变以提高光束质量,设计了一种新型二维快速控制水冷反射镜装置.根据高功率激光反射镜的设计和制作原则,对反射镜的材料性能进行了分析,采用主动水冷铜镜来减小镜面热畸变使镜面变形控制在0.1 μm以内.然后,分别从机械结构、驱动器和控制系统、角度检测元件3方面设计了反射镜装置,其x-y轴框架式的机械结构形式,可减小反射镜的冷却水管对轴系回转精度的影响,使回转精度＜2″.实验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠,控制光束稳定的精度＜1″,可满足对激光传输方向的精确实时控制和对光束整体倾斜方向进行校正等要求.     

100 km量子纠缠分发实验捕获跟踪技术

介绍了100km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术.以Alice接收端的700 mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法.为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏,在经典复合轴跟踪模式的基础上,设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法,用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路.采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾,更好地发挥了高帧频探测器的性能,提高了抑制带宽和跟踪精度.将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100 km量子纠缠分发实验,结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4μrad,抑制带宽达到了70Hz.     

基于DOB和ZPETC的PWM驱动快速反射镜控制方法研究

针对高精度音圈电机快速反射镜PWM驱动方法存在的问题,对快速反射镜控制方法进行了研究。设计了基于干扰观测器(disturbance observer,DOB)和零相差跟踪控制器(zero phase error tracking controller,ZPETC)相结合的鲁棒控制方法。通过系统辨识实验建立了音圈电机快速反射镜的动态模型,利用半实物仿真平台对控制系统的动态性能进行了测试,给出了被控对象的实验记录测量数据及其开环幅频特性曲线bode图。研究结果表明,基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对控制系统性能的影响,系统带宽达到150 Hz以上,快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求,新方法在性能上有显著的提高,在实际工程中具有较高的应用价值。     

机载光电系统中四轴陀螺稳定平台设计

在长距离和高可靠的机载光电系统中,高精密的稳定平台承担极其重要的作用.提出使用四轴复合粗精组合的控制系统实现微弧级稳定精度.建立稳定平台机电系统的仿真模型.对两种不同结构的复合轴控制系统进行仿真设计,从仿真结果看,复合轴控制比单轴控制在动静态特性上均有较大的改善.     

快速反射镜两轴柔性支承设计

提出了基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承结构,研究了这种柔性支承静动态特性的设计过程和设计方法。首先,从快速反射镜的工作机理出发,分析了系统对柔性支承的特性要求;然后,结合现有两种柔性支承结构的特点,提出基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承设计;在分析单个柔性铰链刚度特性的基础上,研究了两轴柔性支承的设计方法;最后,以通光口径为Φ90 mm、行程为±2 mrad、工作带宽为300 Hz的两轴快速反射镜为例,进行了两轴柔性支承的设计和特性计算。基于dSPACE半实物仿真系统建立了两轴柔性支承特性实验,对柔性支承的转动刚度进行测试,并对由设计的柔性支承组成的快速反射镜系统的控制性能进行分析。实验结果显示:设计的快速反射镜系统的一阶机械响应频率为78 Hz,闭环控制带宽为340 Hz,满足设计要求,表明基于集中柔度的柔性铰链单元的柔性支承可以满足行程若干mrad,工作带宽数百Hz的两轴快速反射镜的应用需求,且具有加工工艺性好,转动中心稳定等优点。     

快速反射镜系统的扰动抑制控制研究

快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）作为惯性稳定平台的精跟踪控制系统,能够进一步提高惯性稳定平台的视轴稳定精度。针对FSM在工作过程中受到的外界风力干扰、载机姿态变化和内部摩擦力等多源扰动,设计基于干扰观测器（Disturbance Observer,DOB）的抗扰控制方法。先建立FSM的数学模型,对实体快反镜进行模型辨识,然后设计基于干扰观测器的速度环扰动抑制控制方法。通过仿真实验验证了所设计干扰抑制方法的有效性,可为扰动抑制方法的工程应用奠定基础。     

Wolter I型反射镜面形在线检测装置设计

由于传统的基于干涉原理的测量方法无法对用于太阳X射线成像仪的Wolter I型旋转非球面反射镜进行检测,本文提出了一种在线检测此类反射镜面形的方法。以长程轮廓测量仪的原理为基础,经过改进、整合测量装置并在扫描机构中加入五角棱镜转折光路,搭建了一套Wolter I型旋转非球面反射镜面形检测装置,并对该装置的工作原理、结构参数设定以及数据处理算法等进行了研究。用一块标准平面反射镜作为基准面对该装置定标,并通过实测反射镜样品进行验证实验。实验结果表明:该装置的倾斜度测量误差为RMS 6.7 μrad,重复精度为0.75 μrad,轮廓测量精度约为PV 0.24λ,RMS 0.07λ,基本满足设计要求。     

柔性轴FSM控制技术综述

在复合轴光电跟踪系统中,通过对快速反射镜（FSM）的控制实现了光束的更精确控制。本文分析了国内外几种柔性轴FSM的机械结构及性能,具体介绍了应用较成熟的柔性轴FSM控制系统以及柔性轴系统设计的几项关键技术。     

快速反射镜驱动形式对伺服带宽的影响

为了提高大行程快速反射镜系统的伺服带宽,提出一种直线驱动形式的快速反射镜。该快速反射镜以音圈电机作为驱动器,利用滚珠花键约束驱动器工作方向,将传统的弧线驱动转变为直线驱动。首先,对直线驱动快速反射镜进行了结构设计,重点分析了直线驱动单元的组成形式与特点;接着,从约束条件分析驱动形式对系统伺服带宽的影响因素,并推导两种驱动形式下,快速反射镜在大行程运动时的动力学方程;最后,利用有限元分析得出快速反射镜的机械谐振频率,并通过实验测试对两种驱动形式下快速反射镜的伺服带宽进行了验证。结果表明,在相同的实验条件下,相较于传统弧线驱动形式,直线驱动形式快速反射镜的机械谐振频率由121.8Hz提高至229.9Hz,伺服带宽由40.3Hz提高至75.1Hz,分别提高了88.8%、86.4%,满足快速反射镜在大行程工作状态下的高带宽设计要求。     

光电稳定跟踪装置的稳定机理分析研究

介绍了一类使用微机电速率陀螺组合、具有全稳定功能、且无天顶跟踪盲锥区的新型高精度三轴光电稳定跟踪装置的稳定机理.首先分析了该类装置中的坐标系及其相互之间的关系,然后运用多体力学的方法推导了该类装置的运动学方程,得出了三轴平台式速率稳定装置的数学模型.该模型表明,实现三轴全姿态稳定,不同的陀螺安装方法有不同的优缺点.研究了由于瞄准线稳定误差带来的图像相对运动和变形情况,分析了瞄准线稳定精度对图像稳定精度的影响.结果表明,两轴稳定装置绕轴线的旋转会造成比较大的图像稳定误差,而三轴稳定装置可以有效抑制绕轴旋转误差,从而达到较高的图像稳定精度.     

提高万向轴系式快速反射镜指向精度的装置

为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙,改善FSM系统的指向精度,设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上,分析了FSM系统指向误差的来源。然后,设计了轴系间隙消除装置,计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后,针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明:该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度,使其在方位方向提高约4.4倍,俯仰方向提高约3.3倍。此外,在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置,不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度,还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑,从而进一步提高了FSM的承载能力。     

车载光电设备主动隔振平台支撑结构设计及模糊PID控制

光电跟瞄设备在车载平台上将会受到多自由度的复合振动,系统视轴的成像质量将受到很大的影响,严重时设备零部件的配合间隙将会松动甚至零部件损坏。针对某型光电跟瞄设备设计了二级主动隔振支撑平台及主动控制算法。隔振平台采用重心支撑方式,以较大程度地减小对视轴影响较大的耦合角振动,同时在安装架上设计了大阻尼的防冲橡胶垫,与两级减振装置共同作用起到保护和稳定设备的作用。针对角振动问题,以设备平台各支撑点及重心的位移及速度作为反馈信号,采用模糊PID控制算法,设计了隔振平台的控制方案并进行了控制程序的编写。在ADAMS中建立了系统的虚拟样机,对机械系统和控制系统进行了联合仿真。仿真结果表明,二级主动隔振平台在一定的路况下具有较好的隔振防冲性能,能够起到保护设备及稳定视轴的作用。     

激光跟踪仪的光电瞄准与定位系统

考虑激光跟踪仪的光电瞄准与定位直接影响仪器的整体测量精度和使用性能,讨论了激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术并提出了光电探测瞄准、信号调理采集、数字处理及智能跟踪伺服的系统整体技术方案。对系统关键部件进行选型,利用角锥棱镜和位敏探测器(PSD)作为光电探测核心,设计了探测光路和信号处理电路。研制了系统样机,搭建了目标位移量标准测试平台,对样机光电瞄准系统探测信号进行了测试。测试结果显示:采用该设计方案设计的激光跟踪仪样机的静态定位测量精度达到6μm,随机动态跟踪测量速度大于1m/s。结果表明:提出的方法可解决激光跟踪仪定位精度低、动态跟踪效果差等常见问题,可为研制高精度、大范围、大尺寸测量仪器提供技术参考。     

用于稳定和单轴扫描的快速控制反射镜结构与性能

快速控制反射镜(FSM)是采用反射面在光源和接收器之间控制光束的一种装置.在目标探测和跟踪应用中要求迅速扫描和转动光束以保持视线(LOS)稳定,这些任务要求装置具有精密扫描和高水平干扰抑制能力.贝尔通信系统分部(BCSD)已研制,实验和交付了用于机载战术场合的无反作用快速控制反射镜,此装置在8°范围内以15Hz的三角形扫描轨迹控制、扫描和稳定两英寸光束;反射镜绝对位置为±40μrad,扫描时对90%三角波的绝对位置在34μrad之间.     

航空光电稳定平台质量不平衡力矩的前馈补偿

讨论了旋翼直升机高频振动时产生的质量不平衡力矩对航空光电稳定平台性能的影响。基于传统光电稳定平台电流反馈、速度反馈、位置反馈的三闭环控制系统提出了一种基于系统模型的质量不平衡力矩前馈补偿方法。该方法通过标定平台质量偏心,利用加速度传感器获取平台加速度信号来对平台的质量不平衡力矩进行前馈补偿,实现对平台质量不平衡力矩的抑制,提高光电稳定平台的扰动抑制能力。实验结果表明:相对于传统三闭环控制系统,引入前馈补偿后系统的扰动隔离度至少提高了6.4dB;相对于利用扰动观测器对质量不平衡力矩进行补偿的传统补偿方案,引入前馈补偿的光电稳定平台系统不仅在低频段补偿效果提升约12.9dB,而且克服了扰动观测器在高频时不能补偿质量不平衡力矩带来的影响,使平台在全频段的扰动隔离度都大幅提高,视轴能更好地稳定在惯性空间内,具有较高的实用性和使用价值。     

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.