复合轴精密跟踪技术的应用与发展

复合轴是双通道控制的一种实现结构,可大幅度提高光电跟踪系统的跟踪精度和响应频率,在光电跟踪观测、激光通讯和光束稳定控制中有着广泛应用。在高精度跟踪控制领域,复合轴控制技术是实现微弧度角秒级甚至亚微弧度非常有效的手段。文中介绍了复合轴跟踪系统的基本原理和主要技术问题。在复合轴控制系统中,主轴、子轴的控制带宽匹配是实现复合轴控制技术的前提,子轴(快速反射镜)的精度是复合轴精度的制约。重点分析了复合轴跟踪系统近年的发展与技术进步,如多重复合轴、虚拟复合轴以及自适应光学和复合控制等技术在复合轴系统中的应用等。

捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题

本文分析了光电捕获跟踪与瞄准系统的概念、技术要求及基本技术问题,并指出响应速度和跟踪精度是系统的关键。为实现快速捕获与高精度跟踪瞄准,必须提高光电探测器性能、改善结构设计并采用高精度控制技术等。本文对复合轴结构、视轴稳定技术、成象跟踪、前缋控制和滤波预测等作了详细的分析与讨论。本文还指出采用自适应光学技术的跟踪系统是很有前途的。

抑制光束抖动的快速反射镜复合控制

提出了改进的抑制光束抖动的快速反射镜控制算法,用于提高卫星平台捕获跟瞄(ATP)系统的瞄准精度。根据自适应前馈控制和经典PID控制算法的特点,分析了两种算法复合控制的优势。探讨了现有直接复合控制算法中自适应算法不收敛的原因,并依据解耦理论引入了解耦的复合控制算法,解决了现有直接复合算法不收敛的问题。最后,对经典PID控制,自适应前馈控制和解耦复合控制算法进行了实验比较。实验结果表明,在给定实验条件下,解耦复合控制算法的控制精度相对于经典PID反馈算法提高了近10倍;相对于自适应前馈算法提高了约3倍。结果显示,提出的解耦复合控制的算法结合了两种算法的优点,对抑制光束抖动更有效。

快速控制反射镜系统中的传递函数辨识

提出一种传递函数辨识方法。该方法使用非线性最小二乘曲线拟合法,结合控制对象的传递函数模型选取参数初始值,针对不同的频率特性分段拟合。使用该方法可以将复杂的控制系统频率特性转化为高精度的传递函数。在系统的中低频段内获得幅频±1dB和相频±1°的传递函数辨识精度。由此设计的数字补偿器有效补偿了机械谐振带来的影响,扩宽了控制系统的闭环带宽。传递函数辨识方法摆脱了数字补偿器设计依赖手工调试的状况,并可以提供复杂的数字补偿器以得到高性能的控制系统。

光电跟踪系统中精密控制技术研究进展

精密控制技术离不开光机电结构配置、电机驱动、传感器、控制算法以及载荷平台的发展,它是实现高精度光电跟踪的必要手段。无论固定地基平台还是运动平台,扰动抑制、目标跟踪以及分布式智能协同的三大关键技术始终是光电跟踪控制系统面临的技术难点。本文综述了针对上述几大关键问题的精密控制技术,展示了一些先进和前沿控制技术的研究成果,同时指出未来重点研究方向的主要思路。根据扰动影响的不同机理,从精密驱动、惯性稳定、振动控制三个方面介绍了相应扰动抑制技术的研究进展以及热点,并强调基于Stewart平台的振动与指向一体化技术是空间光电跟踪系统的重要技术方向。复合轴控制系统仍然是提高目标跟踪最有效的根本方式,最基本的技术问题是提高精跟踪倾斜镜跟踪系统的性能。观测器控制尤其是仅有误差测量的观测器技术特别适用于复合轴光电跟踪系统,发展三级或者更高级的复合轴系统应该特别注意高性能电机的应用。最后,提出多智能协同光电系统是光电跟踪领域未来重点的发展方向,需要研究多智能体的协同定位、编队控制以及载荷平台一体化等精密控制技术。

四象限探测仪测角新算法

实验结果表明 ,传统的四象限探测仪测角算法具有较大的误差。即使落在各个象限的光斑面积均未到饱和 ,最大误差也在二十角秒以上。本文给出一种新的四象限测角仪测角算法 ,这种算法不仅可用于在线测量 ,而且可使最大测量误差降低到 2 .

基于LuGre模型实现精密伺服转台摩擦参数辨识及补偿

为降低摩擦对光学精密伺服转台速度跟踪精度的影响,提出了基于LuGre模型的转台摩擦参数辨识和补偿方法。首先,分析转台在自由减速过程中的速度过零现象,采用遗传算法拟合减速曲线从而获得转台摩擦参数和转动惯量;然后,通过仿真实验验证辨识方法;最后,利用辨识得到的参数计算摩擦补偿并叠加到转台速度伺服系统。实际实验系统的数据更新率达1kHz,已实现了速度-电流双闭环控制。实际拟合实验中,拟合与实测速度曲线的误差均方差为2.9×10-3rad/s;速度跟踪实验中,对于幅值为0.032 4rad/s,频率为0.5Hz的给定正弦信号,摩擦补偿消除了波形失真,系统速度跟踪误差的均方差减少27%。实验表明,用该方法测量转台摩擦参数精确度高,基于辨识参数的摩擦补偿可提高光学伺服转台低速低频段的速度跟踪精度。

复合轴控制系统应用研究

复合轴控制是提高光电跟踪系统跟踪精度和控制带宽的一种有效手段，尤其在光束定向器系统中，不仅要求系统要稳定地跟踪上动态目标，而且必须将光束锁定在目标的某一点上，这对控制系统的要求是非常高的，必须采用双或三复合轴控制方式。本文从应用角度叙述、分析和讨论了双检测型复合轴系统的主、从结构模式、视场和带宽匹配以及稳定性问题，并给出了应用设计方法。试验结果表明，系统总跟踪精度达到±２″（ＲＭＳ），较一般光电跟踪系统提高了一个数量级。

视轴偏角对三轴光电跟踪系统跟踪过程的影响

地平式、X-Y式光电跟踪系统存在空间跟踪盲区。三轴光电跟踪系统通过跟踪方式切换可以解决空间跟踪盲区问题,但视轴偏角使得脱靶量到轴转动量的转换不同于常规地平式跟踪系统,同时使系统具有不可见区域。分析和仿真表明:视轴偏角较小时,脱靶量与轴驱动量的转换可用常规地平式跟踪系统中的方法近似,否则,需用不同的计算方法;在三轴跟踪系统退化成的地平式跟踪系统的天顶跟踪盲区外即可进行跟踪方式切换。

高精度跟踪控制系统中电流环控制技术研究

在跟踪控制系统中,速度回路控制对象的特性对控制系统的跟踪精度有很大的影响。根据电流负反馈的基本原理,在位置、速度双闭环的基础上加入了电流反馈传感器,设计了电流环校正网络。仿真和实验表明,电流环有效地改善了速度回路控制对象的特性,提高了速度回路的低频增益,控制系统位置回路的跟踪精度约有 10 倍的提高。

卡尔曼预测滤波对跟踪传感器延迟补偿的算法研究

针对跟踪传感器延迟对伺服系统的精度和稳定性的不利的影响,本文提出了一种补偿方法。根据已延迟的跟踪传感器信号通过卡尔曼预测滤波来计算当前的目标位置和速度信号,并将这两个信号分别作为伺服系统的位置引导信号和速度顺馈信号进行闭环跟踪。理论分析和仿真数据表明,卡尔曼预测滤波能够在几帧内预测得到较准确的目标位置和速度信号,该补偿方法能够有效地提高伺服系统的跟踪精度和稳定性。

空间光通信中的精密跟踪瞄准技术

描述了空间光通信中的捕获、跟踪与瞄准 ( ATP)系统的概念、作用。详细介绍了它的组成和工作原理。简要叙述了实现这样一个 ATP系统所需要解决的主要技术问题和难点。

快速反射镜成象跟踪系统

从快速反射镜机械结构设计、３８０Ｈｚ高帧频成象探测器及数字控制系统三个方面系统地介绍了基于ＡＳＴ３８６计算机的快速反射镜成象跟踪系统。对提高反射镜机械结构谐振频率和高帧频图象实时处理速度及位置测量精度等问题给出了一些解决方法，并提出在数字控制系统中引入插值算法可虚拟地提高系统采样频率，增加系统带宽。最后给出了实验结果。

预测滤波技术在光电经纬仪中的应用仿真

在光电经纬仪中,电视或红外脱靶量的滞后对控制系统的稳定性和跟踪精度都有较大的影响。根据跟踪控制系统实时性和精度要求,设计了两种预测滤波器,卡尔曼滤波器和有限记忆平滑滤波器,并模拟光电经纬仪实际工作的几种情况,进行了仿真。仿真结果表明,预测滤波技术能有效地增加控制系统的相角稳定裕度,改善控制系统的性能。

稳定转台摩擦参数的测量及其对稳定精度的影响

提出一种测量由力矩电机驱动的稳定转台摩擦参数的方法。通过对转台自由减速过程速度曲线的拟合,以及电机启动过程电流的测量,可以得到最大静摩擦力矩、库仑摩擦力矩、粘滞摩擦系数和转动惯量。建立了稳定转台摩擦的仿真模型。针对一个单轴稳定转台进行的仿真和实验结果表明,在扰动换向时产生的稳定误差尖峰由扰动换向时的阶跃摩擦干扰力矩产生。仿真获得了和实验一致的精度结果。对进一步提高稳定精度的方法进行了分析。

目标速度预测在光电跟踪控制系统中的应用

在光电跟踪设备的电视或红外自动跟踪系统中,引入目标的速度信息是提高跟踪精度的一种有效方法。为了得到目标的速度信息,设计了电视或红外脱靶量滞后时间的辨识方法以及目标速度预测的卡尔曼滤波方法,通过对电视或红外脱靶量信息同辨识出的脱靶量滞后时刻的仪器位置信息进行拟合,预测出被跟踪目标的速度信息,从而构成复合控制。仿真和实验结果表明,通过上述方法能够得出较为准确的目标速度信息,所构成的复合控制系统有效地提高了系统的跟踪精度。

100km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700mm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100km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。

偏距对改进X-Y双轴式光电跟踪系统跟踪性能的影响

天顶跟踪盲区是地平式光电跟踪系统的固有缺陷。X-Y双轴式光电跟踪系统(规则X-Y双轴式)可以解决过顶跟踪问题,但跟踪范围极为有限,把视轴沿X轴方向平移偏距D,形成一种改进的X-Y双轴式光电跟踪系统,即偏X-Y双轴式光电跟踪系统。偏X-Y双轴式光电跟踪系统可以解决过顶跟踪问题,其跟踪范围与规则X-Y双轴式光电跟踪系统相比有很大提高。由D引入的跟踪误差可以忽略或修正,但具有更大的地平面跟踪盲区。

神经网络在光电跟踪系统引导中的应用

系统误差的存在使得对光电跟踪系统进行引导时会存在引导误差,修正系统误差有利于提高引导精度。最小二乘系统误差修正方法精度较低;球谐函数的系统误差修正方法有较高的修正精度,但不适用于三轴光电跟踪系统;BP神经网络的系统误差修正方法的修正精度比球谐函数法提高约20%,有望用到球谐函数法不适用的三轴光电跟踪系统的系统误差修正中。

一种运动目标位置合成的快速算法

研究用经纬仪测定运动目标位置过程中的有关问题。为保证算法的实时性 ,采用直线插值方法。根据非整数倍周期时的偏差量 ,给出偏差量在整数倍周期时的带有延时作为参数的表示式。利用这一表示式 ,在目标作匀加速运动的前提下提出了延时的辨识方法 ,从而解决了目标位置合成中的难题。