精密定位用螺杆式压电位移执行器研究

为了掌握柔性铰链、螺杆滑轨、夹持力机构的相互关系,基于惯性黏滑位移原理,制作一种螺杆旋转步进驱动的压电位移执行器。采用有限元仿真计算对柔性铰链及夹持机构进行设计分析。施加单向锯齿波信号,在频率低于500 Hz时,该执行器位移输出速率稳定;前进、后退速率随频率和电压增大而线性增大,500 Hz/48 V下,前进、后退速率分别为11.51μm/s和7.98μm/s,平均步长分别为23 nm和16 nm;长行程往复循环运动时,前进、后退速率相对误差分别为12.85%、4.21%,具有良好的位移稳定性。

基于GNSS/INS组合精密定位模糊度校正方法在城市车载测绘系统中的应用研究

城市车载测绘系统在城市环境下进行精密定位时面临着多路径效应和信号遮挡等问题,导致定位精度下降。为了解决这一问题提出了基于GNSS和INS组合的精密定位模糊度校正方法。研究结果表明,基于GNSS和INS组合的精密定位模糊度校正方法能够有效地提高城市车载测绘系统的定位精度,减小多路径效应和信号遮挡对定位精度的影响,该方法具有重要的应用价值和广阔的推广前景。

不同接收机天线相位中心改正模型对GPS/BDS精密定位的影响

针对国产不同品牌不同型号的地面接收机天线相位中心(antenna phase center,APC)模型及仪器厂商模型差异,本文分别采用相对定位及精密单点定位(precise single-point positioning,PPP)方法,分析了GPS/BDS高精度定位中基于不同APC改正模型引起的站点估计位置差异,获得了各不同天线APC改正模型对站点估计位置影响的平均差异值.试验结果表明:不同APC改正模型对站点定位精度的影响相当,对站点估计位置在平面方向影响较小,U方向影响较大;同一种类型的天线在不同实验区域造成的影响具有较好的一致性;同品牌天线对站点估计位置的影响有一定的相似性,尤其是同品牌系列产品其相位中心的影响更为接近.

北斗三号实时精密定位授时系统设计与实现

针对传统定位授时设备单机作业能力弱、定位授时精度低、GNSS动态授时接收机研究少等问题,设计实现了基于北斗三号精密单点定位服务信号(PPP-B2b)的实时精密定位与授时设备,所设计的设备通过全球卫星导航系统(GNSS)接收机接收北斗卫星信号,将卫星观测值、卫星广播星历以及PPP-B2b改正数输出给ZYNQ信号处理平台,ZYNQ的ARM端进行PPP-B2b接收机位置与钟差解算,输出接收机钟差到FPGA端,FPGA端通过外接的高精度10 MHz铷钟,结合实时精密钟差解算结果,生成驯服后同步到北斗时间基准的秒脉冲(1PPS)。通过设计实现静态、动态测试系统对设备进行性能测试。实验结果表明,设计的定位授时设备可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,静态授时精度优于1 ns,动态授时精度优于3 ns。

一种智能手机GNSS精密定位随机模型构建方法及定位性能分析

全球导航卫星系统(GNSS)定位芯片已经成为智能手机中实现导航定位的重要传感器,随着信息化、智能化社会的不断发展和深入,人们对手机高精度定位服务的需求不断增加。在分析伪距残差与高度角、载噪比(C/N_(0))及手机GNSS原始观测信息的相关性时发现:相比于C/N_(0),手机GNSS原始观测信息中的ReceivedSvTimeUncertaintyNanos与伪距残差的相关性更高。因此,提出了一种基于岭回归和智能手机原始观测信息的GNSS精密定位随机模型构建方法。通过构建以手机原始观测信息为特征变量的岭回归模型,利用谷歌公开数据集训练该模型,学习伪距残差与各种特征变量之间的映射关系,进而在线预测伪距噪声,以此作为GNSS定位中观测值定权的依据。最后,进行实时动态定位(RTK)和精密单点定位(PPP)实验以验证新定权方法的定位性能,实验结果表明,相比传统C/N_(0)定权方法,新定权方法的定位精度在3组实验中平均提升幅度分别为24.9%,44.8%及39.3%。

一种宏微双重驱动精密定位机构的建模与控制

提出一种宏微双重驱动精密定位机构,采用高性能直线电机直接驱动宏动平台,实现系统大行程微米级精度定位;安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动微动平台,实现纳米级的分辨率和定位精度,以高频响动态补偿系统的定位误差;采用精密光栅尺反馈微动平台输出端的位置信号,实现定位机构的全闭环反馈控制。在分别建立宏动、微动、宏微机构模型的基础上,提出复合型宏动控制和模糊自校正PID微动控制的宏微控制策略。实验研究表明:系统的动态和稳态性能良好,该定位机构的最大工作行程100 mm,稳定时间小于40 ms,重复定位精度10 nm。

精密定位技术研究

精密定位技术广泛应用于精密仪器、机械和机床I、C工艺制造、计算机外围设备。其特点是精度和分辨率高,台面尺寸从小到大,品种繁多,大多有自动化操作要求,需要集成许多高性能高品质机械零部件,高分辨力检测元器件,因此制作难度大,投资大。过去精密定位的精度和分辨率已从毫米量级过渡到了微米、从亚微米进入到了纳米量级。本文概述了获取高精度定位精度的支撑关键技术。介绍了基于宏微二级叠加方式的控制系统,研制的宏动工作台用精密滚珠丝杠螺母传动,由交流伺服驱动器驱动,配备反射式光栅检测元件,构成伺服反馈系统,并对其实际误差曲线进行线性补偿之后,可将定位误差从76μm降低到3μm;再在宏动工作台面上安装高精度的微动载物台,由计算机进行宏微切换,从宏运动过渡到微运动方式,可实现大行程纳米量级精密定位。

一种应用正态分布理论的直线超声电机精密定位控制方法

针对直线超声电机在精密驱动过程中存在较强的非线性、时变性及控制模型复杂等问题,提出了一种基于正态分布理论统计直线超声电机驱动电压与速度/位移关系的方法,结合模糊逻辑控制技术,实现了对直线超声电机精密定位控制。利用宏微驱动控制模式对超声电机驱动的平台进行大行程、高精度定位实验研究,实验结果表明采用所提方法,当行程为5 mm时,稳态误差小于5 nm,能抑制系统的超调,改善系统动态性能。同时,由于直线超声电机动态保持力非常大,使得系统具有良好的抗扰动能力。

固定非差整数模糊度的PPP快速精密定位定轨

从GPS基本观测模型出发,给出并推导了分离相位小数偏差求解非差整数模糊度的精密单点定位数学模型和算法.利用少量IGS跟踪站组成服务端观测网计算未检校的相位小数偏差改正信息,用于改正用户端接收机的相位观测值,实现了固定非差整数模糊度的快速精密单点定位与定轨.试验结果表明:利用30min的地面动态或静态观测数据进行精密单点定位,非差模糊度固定成整数后,其定位结果较PPP浮点解有明显改善,水平方向提高了近一个数量级,可达到1cm甚至毫米级的精度;高程方向与对流层延迟解算精度也改善了20%～60%.与浮点解相比,固定解能显著改善PPP的定轨精度,仅用15min的短弧段观测数据,切向与法向的定轨精度可达到1cm左右;径向方向为3～5cm左右,较浮点解定轨精度改善了50%～70%.因此,固定非差整数模糊度后的PPP能够满足毫米至厘米级的快速精密定位和定轨的要求,这在GPS(准)实时应用与服务中具有很好的应用前景.

伪卫星增强GPS精密定位新方法

介绍了基于伪卫星技术的变形监测新概念,探讨了目前伪卫星定位存在的远近效应、多路径效应等关键技术问题,研究了伪卫星增强GPS的组合定位新方法.从分析精度因子着手,重点研究了伪卫星观测量加入对精度因子的影响,并以小东江坝山谷地域为试验区,计算了4种GPS与伪卫星组合方案中精度因子的变化情况.研究结果表明,采用伪卫星增强GPS定位显著降低了高程精度因子,从而大大提高了垂直方向的定位精度,使得GPS卫星在水平和垂直方向的定位精度相当.

新型磁悬浮精密定位平台的研究

针对磁悬浮精密定位平台的运动稳定性问题,设计了一种新型六自由度磁悬浮精密定位平台.该平台采用12个空心电磁线圈做定子、36块永磁体做动子,悬浮部分与驱动部分相互独立,从而很好地解决了由电磁线圈铁心引起的非线性以及悬浮与驱动单元之间的相互耦合问题.采用罗仑兹定律,分析了永磁体长度、线圈电流和悬浮位移对悬浮稳定性的影响,确定了平台的悬浮平衡位置,建立了平台在平衡位置附近的悬浮数学模型,并进行了动态响应仿真研究.研究结果表明,该磁悬浮精密定位平台在悬浮电流为2 A、悬浮高度为0.5 mm时可以稳定悬浮,因此可应用于需要超精密定位和超洁净环境的半导体光刻装置中.

0.1μm大行程精密定位控制系统的研究

本文介绍了一种新型的精密工作台定位控制系统。本控制系统采用伺服电机粗动控制与压电陶瓷精动控制相结合的方法完成对工作台的定位控制 ,并利用衍射干涉光栅测长技术进行实时检测。本系统工作行程 5 0 mm,定位精度± 0 .1μm。

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。

GPS精密定位中的海潮位移改正

根据海洋负荷潮理论 ,利用NAO99b全球海潮模型 ,计算了中国部分IGS站的海潮位移改正 ,并将海潮位移改正应用到GPS数据处理当中。在GAMIT软件的解算过程中 ,分别按加入和不加入海潮位移改正 ,对GPS基线分量和测站坐标分别进行了计算和比较分析。结果表明 ,海潮位移改正无论是对GPS基线分量还是对测站坐标 。

智能控制在超精密定位中的应用研究

针对超精密定位系统对定位精度的要求,研究智能PID控制技术,以提高系统的定位精度。研究对象是采用宏/微双伺服驱动系统中由压电陶瓷器件+柔性铰链构成的两维超精密定位系统。由于压电陶瓷器件+柔性铰链构成的微动系统具有迟滞、蠕变等强非线性,同时受到宏动系统高加速运行的扰动,常规PID控制难以获得良好控制效果。对此,提出神经网络自适应模糊推理PID位置控制系统,并进行了控制系统结构研究,实验结果表明:智能控制能有效改善系统的控制性能,提高了重复定位精度。

3自由度精密定位平台的运动特性和优化设计

为了实现3-RRR柔顺并联精密定位平台的精确运动,研究了它的封闭形式精确运动模型和尺寸优化设计。采用卡氏第二定理建立精密定位平台的封闭式柔度模型。根据柔顺并联机构的结构特点,将其划分为3个对称分布的运动支链,并结合铰链的柔度模型和机构力传递关系分别推导出各个支链的刚度模型,整个系统的刚度为所有支链在同一坐标系下的刚度的叠加。建立的刚度模型是以柔性铰链的柔度为变量的封闭形式模型。根据柔度矩阵可得到反映输入位移和输出位移之间关系的雅可比矩阵。理论模型与有限元分析的比较结果显示,两者所得的运动模型误差为1.0%～9.5%,证明了所推导运动模型的正确性和精确性。根据雅可比矩阵的封闭公式,分析其对结构参数的灵敏度,并由此选出对平台运动特性影响较大的优化设计变量。提出以最大化平台工作空间为目标,以铰链强度、最大输入力、几何尺寸和输入耦合为约束的优化模型。结果表明,优化后的结构参数能获得更大的输出位移,说明该方案能满足优化设计要求。

非共振型压电电机驱动的大行程精密定位旋转平台的建模和实验

针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小,结构与控制系统复杂的问题,提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模,确定了系统运动方程。然后,分析其作动机理,研究影响旋转平台转速的不同因素。最后,实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性,确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明,在直流偏置为60V,峰峰电压为120V,频率为180 Hz的正弦波电压激励下,该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2μrad/s,分辨率和最大负载分别为3μrad和60g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比,设计的平台具有行程大,精度高,结构简单,稳定可控,且装配调试方便,易于批量化生产等优势。

冷压印光刻工艺精密定位工作台的研制

冷压印光刻工艺是一种将模板图形翻制到硅片上的技术。为了获得高分辨率压印图形 ,为压印光刻机设计了一个精密定位工作台。精密定位工作台是压印光刻机的关键部件 ,它既能够保证模板 -抗蚀剂 -硅片结构间的接触均匀一致 ,并实现模板与承片台间的三个运动自由度 ,即沿 z轴的直线运动和绕 x、y轴的旋转运动 (α和β) ,又可以实现步进对准所需要的沿x、y轴的直线运动和绕 z轴的旋转运动 ( θ)。设计中采用了柔性机械结构 ,消除了使用铰链连接所引起的间隙与摩擦等问题。压印实验结果显示定位系统在 2 0 0 mm的行程中 ,精密定位工作台定位精度达到 8nm以内。实现了压印光刻工艺在集成电路制造中的高精度定位要求。

利用补偿提高精密定位平台的定位精度

运用反相补偿法原理,从误差曲线中分离出系统误差并与其反相曲线叠加以消除系统误差的影响。给出了对精密定位平台宏动工作台和微动工作台进行补偿的具体实例,补偿后定位误差分别从17.4μm改善到1.3μm和从137.6nm改善到22.2 nm。理论分析和实验结果表明,反相补偿法对于降低系统误差十分有效,但对于随机误差效果不佳。

基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究

阐述了压电陶瓷微位移执行器的驱动原理,介绍了执行器的性能与应用情况;利用自行设计的输出特性测试系统,对WTYD0808042压电陶瓷微位移执行器进行了相关实验研究,分析了执行器的非线性和迟滞特性;采用Duhem算子建立了压电执行器的迟滞模型,利用建立的Duhem模型作为PID反馈控制的前馈环节进行闭环精密定位控制的研究。实验结果表明:该模型能够有效降低非线性和迟滞特性对压电执行器位移输出精度的影响,提高执行器的动态响应特性。