应对风切变的四旋翼轨迹跟踪几何控制方法

针对存在风切变环境的四旋翼轨迹跟踪问题,提出了结合增量非线性动态逆的几何控制方法。首先,建立了基于SO(3)群的风切变扰动四旋翼动力学模型,并建立风场模型,引入风切变效应。其次,利用四旋翼的微分平坦特性将轨迹跟踪问题转换为状态跟踪问题,并依据微分平坦特性推导参考高阶状态量实现前馈控制。在控制器设计部分,姿态控制采用几何控制,使姿态具有全局不存在奇异点的特性。对于风场扰动带来的阻力与气动力矩,使用增量非线性动态逆方法进行补偿,实现线加速度和角加速度的控制。最后,基于Simulink在多种风速场景中对不同航迹进行了仿真实验,仿真结果验证了所提方法相较传统方法在面对风切变干扰情况下的有效性。

基于手性超表面的宽波段圆偏振光电探测器的仿真设计

针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题,设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成,当不同圆偏振光作用在手性超表面上时,会产生不同程度的近场光学增强,利用手性超表面在较宽波段下的强偏振依赖性来增强探测器的偏振选择性。通过时域有限差分(FDTD)仿真及优化超表面结构,手性超表面在波长为577~797nm波段内的圆二色性≥0.18。设计的圆偏振光电探测器主要工作在可见光波段,工作带宽可以达到约220nm。该探测器的设计为单一片上偏振计检测更宽波段的圆偏振光提供了新的设想。

基于Snell窗及偏振模式的水下载体航姿测量

提出了一种在水下通过Snell窗获得偏振分布模式与天顶点坐标,进而得到水下载体的航姿信息(即航向角、横滚角与俯仰角)的方法。在载体上安装鱼眼镜头与偏振相机,在水下拍摄天空,得到偏振角分布模式。建立小孔成像模型得到相机的内外参数矩阵以及镜头畸变系数,对偏振角分布模式进行畸变校正,进而得到太阳子午线特征区域,使用Canny算子检测得到特征区域边缘,由霍夫直线检测算法计算出太阳子午线与水下载体体轴夹角,得到航向角。通过实验得到不同光入射角与偏振角误差的函数关系,进行误差补偿,减小由于鱼眼镜头改变入射光偏振态带来的偏振角测量误差,进而提高太阳子午线与水下载体体轴夹角的测量精度。利用灰度阈值检测算法筛选出图像中的天顶点坐标,进而计算载体的横滚角与俯仰角,经过实验验证了算法的准确性。搭建了模拟水下环境的实验平台,实验结果表明:该方法得到的航向角平均绝对误差为0.5303°。在[-50°,50°]角度范围内,横滚角与俯仰角平均绝对误差为0.7544°与0.6213°,满足水下导航的精度需求。

基于多变量纳米线栅复合结构的可见光偏振调控

偏振调控技术能够直接满足偏光显微镜在可见光波段快速、高精度识别检测的需求,其关键是,在提高偏振消光比的同时,具有较高的光利用率。基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理,设计了一种多变量纳米线栅复合结构;采用时域有限差分方法,通过数值仿真,分析了纳米线栅各结构参数和偏振调控的变化关系,能够实现可见光波段宽角度入射、高透过率和高消光比的偏振快速调控功能;结合实验室现有条件,采用纳米压印技术进行样品制备和实验验证。实验和仿真结果表明:在入射角度±35°内,TM模偏振光的透射率和消光比分别高于60%和35 dB;并且在532 nm激光源垂直入射时,TM模偏振光的透射率和消光比与仿真结果误差范围为4%。与现有偏振显微镜设备中偏振器相比,所设计的纳米线栅偏振调控在保证高透过率的同时,消光比提升了1.5倍。

光栅干涉式触觉传感器

因光学式触觉传感器有着灵敏度高、抗干扰能力强等优点,提出了一种基于亚波长金属光栅干涉的触觉传感器。首先,基于等效介质理论和薄膜干涉理论对触觉传感器的传感原理进行介绍;接着,通过纳米压印工艺和真空蒸发镀膜工艺在柔性中间聚合物片材(IPS)表面制作亚波长金属光栅,通过光刻工艺用SU—8光刻胶将亚波长金属光栅以固定间距平行离面放置,使其透射光强随接触力的施加而改变;最后,对光栅触觉传感器进行一系列力加载实验,实验结果表明:该触觉传感器的平均力分辨率可达到0.0003N/Gray以上,平均测量误差为6.3%。通过小型化设计,可以用于机械手上实现触觉传感功能。

基于Zynq处理器的成像式偏振导航传感器

偏振导航是一种受昆虫偏振视觉启发的仿生天文导航方法。使用纳米压印技术将金属纳米光栅阵列集成在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的感光区域,制作出模仿昆虫感知偏振光的偏振敏感器件。采用现场可编程门阵列(FPGA)与高级精简指令集机器(ARM)架构相异构的主控芯片Zynq实时处理偏振信息,制作了成像式偏振导航传感器。传感器在FPGA端实现了偏振图像的采集、解码以及解算的硬件加速,在ARM端移植Linux系统,实现多任务之间的协作和同步。可通过预留的串口输出航向角、网口输出图像,频率约为10 Hz。标定后传感器室内实验偏振角误差为±0.15°,从室外实验采集的大气偏振分布模式图中能清晰分辨出太阳子午线,经过补偿后航向角误差为±0.4°。

基于多源信息紧耦合的四足机器人平面导航方法

四足机器人具有地形适应能力强,行动灵活的特点,适用于抢险救援以及星际探索等复杂环境。该文为了实现卫星拒止环境中四足机器人的自主导航,并提升系统的抗干扰性,提出了一种基于偏振定向原理的多源信息融合算法,并将该算法应用于四足机器人的平面导航规划中。首先,基于卡尔曼滤波方法,设计了“偏振光+惯性+地磁”的多传感器紧耦合导航算法,并通过主动干扰实验,验证融合航向角的鲁棒性,在光干扰下,航向角标准差较融合前减小64.8%,电磁干扰环境下基本不受影响;然后,基于该导航算法设计了四足机器人的平面循迹对比实验,结果表明该算法推算的路径绝对轨迹误差(ATE)两圈平均值为0.273 m,较传统磁航角参考算法减少了50.1%,较偏振角参考算法减少了35.2%。实验验证了该组合导航算法的航向鲁棒性得到有效提升,且适用于四足机器人在卫星拒止环境的自主导航。

基于FPGA与CMOS图像传感器的集成式偏振导航传感器

偏振导航传感器以天空偏振光场为导航信息源,具有无源自主、实时性好、无误差累积等优点。以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器作为光电转换器件,可以解决基于光电二极管的偏振导航传感器易受干扰的问题。基于集成了六方向金属纳米光栅的CMOS图像传感器,以现场可编程门阵列(FPGA)为处理核心设计了仿生偏振导航传感器。首先,阐述了偏振导航传感器的工作原理与传感器有效数据提取算法;其次,设计了传感器的软硬件系统,在FPGA上开发了偏振信息图像的采集模块、数据筛选模块以及数据处理模块,可以实时解算出偏振角,并通过串口输出;最后对传感器性能进行了实验验证。结果表明,该传感器可以实时输出偏振角度,且最大角度误差为0.1°。

基于偏振光传感器的仿鼠脑导航方法

面对长距离复杂场景下的自主移动机器人导航问题,仿生鼠脑的RatSLAM相较传统SLAM更加高效。但完全依赖视觉信息,导致其精度不高、可靠性不足。通过引入天空偏振光定向,高效地提供精准的绝对航向角,可以弥补RatSLAM的不足。设计并搭建了一种偏振光仿鼠脑导航系统及导航实验平台,经过室外道路实验验证了系统的性能,并与RatSLAM进行了比较。实验结果表明,偏振光仿鼠脑导航系统和RatSLAM的平均位置误差分别为3.65 m和26.29 m,平均角度误差分别为0.36°和2.39°。该系统减少了累积误差,实现了高效、强鲁棒性、轻量化的自主导航。

基于无监督学习和注意力机制的水下偏振图像融合

针对光线在水体中传播会受到吸收和散射影响,仅使用传统的强度相机获取水下图像存在成像结果亮度偏低、图像模糊、细节丢失等问题,将深度融合网络应用于水下偏振图像,即用深度学习的方法将水下偏振度图像与光强图像融合。分析水下主动偏振成像模型,搭建实验装置获取水下偏振图像构建训练数据集,并进行适当变换以扩充数据集。构建基于无监督学习和注意力机制引导的用于融合偏振度和光强图像的端到端学习框架,并对损失函数及权重参数进行阐述。使用制作的数据集在不同的损失权重参数下进行网络训练,基于不同的图像评价指标对融合后的图像进行评估。实验结果表明,融合后的水下图像细节更为丰富,相比于光强图像信息熵提升24.48%,标准差提升139%。相比于其他传统融合算法,该方法不需要人工调节权重参数,运算速度较快,具有较强的稳定性和自适应性,对于海洋探测、水下目标识别等领域的应用研究具有重要意义。

基于偏振光传感器的移动机器人导航实验

根据沙蚁Cataglyphis的导航机理研制了一种检测天空偏振光的导航传感器。为测试传感器室外导航性能,设计了采用传感器输出的航向角控制移动机器人按特定轨迹运动的实验。首先,介绍传感器的结构原理及功能模型,为提高传感器精度,在室内用光学积分球模拟天空偏振光源,用精密转台对传感器输出角度进行补偿,补偿后传感器误差在±0.2°以内。然后,简要说明采用的移动机器人平台结构和采用传感器导航的方法。最后,描述导航实验过程,得到了利用光电编码盘输出角度信息与利用偏振光传感器输出航向角两种导航方法的对比实验结果。结果显示,偏振光传感器导航相对于光电编码盘较为精确,二者平均位置误差分别是1.17cm和31.6cm。实验证实偏振光传感器误差不随时间累积,能够自主完成移动机器人导航,可用于移动载体自主导航系统。

气溶胶对天空偏振辐射影响的测量

研究了气溶胶光学特性对天空偏振辐射的影响以获得实际的天空偏振分布模式。采用自主搭建的天空偏振辐射测量系统,于不同日期、同一地点在太阳子午面内进行了若干实验,分别测量了太阳高度角约为60°时,435～465nm,535～565nm,685～715nm 3个波段光在散射角为90°时对应的偏振度和辐射强度。用大气压强、能见度等参数进行理论计算获得了气溶胶光学厚度。当气溶胶光学厚度在0.2～0.55间逐渐增大时,3个波段对应的最大偏振度分别从43%减小到22%、从41%减小到21%、从38%减小到19%,而对应的辐射量不断增大。实验结果表明:随着气溶胶光学厚度的增大,偏振度不断减小,尤其是对长波长,偏振度的衰减更明显,从而不利于偏振光导航。

多方向偏振光实时定位样机的设计与搭建

为了提高偏振光导航定位的可靠性和实时性,提出了一种利用多方向偏振光的自主式导航定位方法并搭建了样机。通过样机多方向阵列结构中的偏振光导航传感器实时检测天空多个方向的偏振光信息,并对这些信息进行优选和融合处理,计算得到更加可靠且准确的太阳空间位置。最后根据太阳空间位置,结合时间和地磁场分布信息,计算样机所在位置的经纬度,实现实时定位。基于可视化软件LabVIEW编写样机上位机程序,能够实时采集样机中传感器数据,同步处理计算且实时显示载体地点经纬度,数据更新率可达10Hz。静态测试结果表明,定位样机性能稳定,经度方向上的定位精度为±0.4°,纬度方向上为±1.2°,定位精度较高,可应用于实际导航。

多方向金属光栅偏振器及在偏振导航中的应用

在同一聚碳酸酯基底上制作了6个不同方向的双层金属光栅偏振器,用于消除分立器件带来的安装误差。将该偏振器应用于偏振导航传感器上并进行了测角精度测试,基于神经网络法研究了角度测量的误差补偿方法。首先,基于严格耦合波理论设计了一种亚波长双层金属光栅偏振器,分析了它的周期和金属厚度对偏振器性能的影响,其在510nm波长入射时TM偏振光透射率高于71%,消光比大于2 100。应用纳米压印技术在聚碳酸酯基底上加工制作了设计的偏振器,其基底上设有6块结构参数相同但朝向不同的双层金属光栅结构。将此偏振器安装在偏振导航传感器上并在测试平台上测试了测角精度,测试的原始误差在±1°以内;经BP神经网络法误差补偿后,测角误差在±0.2°以内。得到的结果可较好地满足偏振导航的要求。

压电发电微电源国外研究进展

微加工技术极大地促进了各类传感器系统的微型化、集成化,使微机电系统(MEMS)功能越来越强,功耗、体积越来越小,而微能源部分却日益成为MEMS微型化设计的瓶颈。该文系统介绍了一种在MEMS应用中有极具发展潜力的能源供应方式——压电微能源。压电微能源可通过收集环境能量来发电,具有长寿命、高能量密度、与MEMS工艺兼容等优点,在微系统中具有广泛的应用前景。

基于偏振光传感器的导航系统实验测试

导航传感器的研制具有重要的研究意义及实用价值,根据沙蚁(Cataglyphis)的导航定位机理研制了一种新型的偏振光导航传感器,介绍了传感器的结构原理及功能模型,设计了基于偏振光传感器的导航控制系统,利用现有的移动机器人平台对导航系统的性能进行了实验测试。测试结果表明,该传感器无误差累积,在移动载体自主导航系统中有广泛的应用前景。

基于柔性纳米压印工艺制备中红外双层金属纳米光栅

用纳米压印工艺制备红外金属光栅时,硬模板压印极易造成光栅结构缺陷致使光栅性能下降。本文采用柔性纳米压印工艺作为替代方法制备了适合在3-5μm波段工作,高度为100nm,上下金属层厚为40nm的双层金属纳米光栅,其光栅结构参数为:周期200nm,线宽100nm,深宽比1∶1。该方法采用热纳米压印工艺将母模板光栅结构复制到IPS(Intermediate Ploymer Sheet)材料上,制作出压印所需软模板;随后通过紫外纳米压印工艺将IPS软模板压印到STU-7压印胶,得到结构完整均匀的介质光栅;最后在介质光栅上垂直热蒸镀金属铝,完成中红外双层金属纳米光栅的制备。对所制备光栅进行了测试,结果表明,所制备光栅在2.5~5μm波段的TM偏振透射率超过70%,在2.7~5μm波段的消光比超过30dB,在2.72~3.93μm波段的消光比超过35dB,显示了优异的消光比特性和偏振特性。该研究结果在红外偏振探测、红外偏振传感等方面具有潜在应用。

热压印中聚合物填充过程的仿真分析

基于有限元方法并借助ANSYS软件对热压印过程中二维的聚合物填充过程进行模拟。聚合物加热温度高于剥离转化温度时,采用Mooney-Rivlin模型表示聚合物的机械性能。详细分析了深宽比、凹槽宽度、占空比、摩擦系数对聚合物变形的影响。数值计算结果表明,深宽比对聚合物高度影响显著;凹槽宽度对聚合物形成单、双峰结构影响较大;占空比影响残留比率;摩擦系数对聚合物高度的影响较小。在制作高质量的热压印图形中,该数值分析结果有助于优化过程参数。

仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

针对研制仿生导航微传感器的需要,设计并且搭建了偏振导航传感器实验模型。分析了仿生导航传感器工作的原理,构建了传感器模型实验平台和光学标定装置。利用光学标定装置对导航传感器进行了暗场标定、均匀非偏振光标定。进行了导航定位角度输出实验,获得了导航传感器三个偏振方向分析器标准化输出曲线。测试结果表明这种新型传感器的设计是合理有效的。

拓扑优化方法的研究现状及在微机构设计中的应用

简要介绍了MEMS的设计现状和拓扑优化方法 ,并根据MEMS中微机构的特点 ,概述了拓扑优化方法在微机构中的应用。最后以微夹钳为例 ,对不同负载。