基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

基于次镜像移补偿的折反式航测相机光机系统设计

针对航测相机对地摆扫成像过程中的动态像移问题,采用两镜望远系统的矢量像差理论,将次镜作为像移补偿元件,通过次镜多维运动实现航测相机的综合像移补偿。次镜在对像移进行补偿的过程中会发生偏心和倾斜,导致次镜离轴,影响成像质量,因此,建立了失调折反光学系统成像模型,研究次镜像差场偏移矢量与次镜失调量之间的关系,并分析次镜多维运动对成像质量的影响。为验证次镜多维运动的像移补偿能力,搭建实验平台对该航测相机进行了实验室内以及外场成像试验。结果表明,采用该像移补偿技术的航测相机动态分辨率可达74 lp/mm,且像移补偿精度优于0.5个像素,达到设计预期。

基于模型预估方法补偿扫描镜运动对成像影响分析

文中基于模型预估补偿方法,对扫描镜运动对成像的影响进行了分析。首先,对静止轨道气象卫星的姿态动力学环境进行了分析,确定出了扫描镜运动补偿的对象。其次,设计了基于模型预估的扫描镜运动补偿系统的方案、模型和算法。仿真结果表明,基于预估模型补偿方法能够减小扫描镜运动对扫描镜光轴指向的影响,提高扫描镜的成像质量。

运动补偿成像光谱仪的地面分辨率

针对用运动补偿增加成像光谱仪能量积分时间的情况,推导出了其地面分辨率和望远系统焦距选择的一般表达式。运动补偿成像光谱仪地面分辨率与指向反射镜转角成反比关系,转角大时地面分辨率低,反之亦然。给定成像光谱仪探测器像元尺寸为20μm,飞行轨道高度为600 km,光线摆角≤30°,以星下点、最大摆角和整个运动补偿段地面分辨率中值为30 m为依据来计算望远系统的焦距,求得望远系统焦距为400、470、435 mm,并给出了此时的地面分辨率相对比值与光线摆角的关系曲线。对于积分时间一定的情况,推导出指向反射镜的反扫角速度公式。结果表明:指向反射镜反扫角速度是卫星运动速度、飞行轨道高度、对目标进行凝视测量时光线的提前摆角、飞行时间及地球半径的函数,改变指向反射镜反扫的角速度,可使积分时间增大N倍。

星载红外探测器快速反射镜控制系统设计

像移补偿是保证星载红外探测器成像质量的关键技术之一,针对某星载红外探测器光学系统的设计特点和成像工作模式,为补偿红外探测器在轨运行方向产生的像移和摆扫方向产生的像移,提出分别对俯仰方向快速反射镜和方位方向快速反射镜实施控制的方案。首先介绍红外遥感原理及像移现象;其次详细分析红外探测器光学系统的设计特点和光学系统组成;然后重点分析了红外探测器在轨工作中的像移产生的原因,并计算出在轨运行方向产生的像移量和摆扫方向产生的像移量;最后提出像移补偿方案,阐明其工作原理,并对像移控制系统硬件设计进行了详细分析。计算结果表明所设计的像移补偿系统的运动范围和运动加速度满足红外探测器技术指标的要求。

离轴三反大视场空间相机像移速度场模型

大视场空间相机在轨成像期间,由于地球自转、卫星姿态机动和颤振等因素导致焦面像速场呈非线性各向异性分布。为此提出了一种新的基于刚体运动学的像移速度场建模方法,考虑离轴角参数,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了侧摆成像时同速与异速像移速度匹配模式对相机成像质量的影响。分析结果表明:以传函下降5%为约束,侧摆15°成像时,当积分级数大于10级时应采用异速匹配模式,积分级数为32级时,异速匹配相比于同速匹配使焦面动态MTF从0.340 8提高到0.970 2。当积分级数确定为16级时,侧摆角在12.3°以内时可采用同速匹配模式。在轨成像结果证明了像移速度场模型的准确性,可为大视场空间相机像移补偿提供可靠依据。

基于扫描反射镜的航空相机前向像移补偿

航空相机航向方向的像移包括飞机前向飞行引起的前向像移以及飞机姿态(俯仰/偏航)在航向方向的分量。本文以某摆扫型航空相机为例,分析了利用扫描反射镜进行前向方向像移补偿的原理,扫描反射镜以二分之一的前向方向像移角速度的速度旋转即可补偿前向像移。文中探讨了两种控制方案,第一种方案将陀螺直接安装在反射镜上,结构设计简单,但控制电路较复杂,且需增加一个陀螺;第二种方案提出利用机械系统增加2:1速比的方法,可以节省成本,且不增加控制系统的难度。经过实际工程实践证明,第二种方案简单实用,可以满足相机补偿要求。

航天器两自由度扫描镜图像运动补偿技术研究

研究航天器的两自由度扫描镜图像运动补偿问题。在姿态估计信息的基础上,给出了一种运动补偿算法。算法中不仅补偿了姿态估计信息,还同时考虑了姿态信息中的长周期系统误差。利用扫描镜在特定工作模式下相对惯性空间的准确定向能力和系统误差的长周期特性,给出了一种系统误差的估计和补偿算法,每隔一定的时间段对系统误差估计值进行更新并加以补偿,进一步提高了扫描精度。基于一颗地球静止轨道卫星的数值仿真结果验证了补偿算法的有效性。

三轴稳定卫星扫描镜运动的偏差与补偿

根据带扫描镜运动的三轴稳定卫星姿态动力学方程 ,进行扫描镜扫描过程仿真 ,绘制扫描轨迹 ,计算由于卫星姿态引起的扫描镜扫描偏差。结果表明 ,扫描偏差有积累现象 ,且最大偏差值超过 GOES I- M卫星的许用扫描偏差值 ( 2 .8μrad)。提出了修正扫描镜运动控制方程的扫描镜运动补偿方法。仿真结果表明 ,用这种方法消除了扫描偏差的积累 ,使扫描镜光轴角度偏差值远小于2 .8μrad。修正方程简单 ,计算量很小 ,是一种补偿扫描偏差的有效方法。

扫描镜设计与精度分析

为了满足高光谱成像仪对地运动补偿的需求,设计了一套扫描镜装置并详细分析了扫描镜的运动精度。首先,介绍了扫描镜的运动补偿原理和性能指标要求,据此给出了基于步进电机与谐波减速器的扫描镜驱动方案。接着描述了驱动模块、镜子支撑、轴系及控制电路等子系统的设计方案,然后分析计算了扫描镜的位置精度和速度精度,最后得出了位置精度优于1′,速度精度3.4%～5.2%的结论。试验结果表明:扫描镜位置精度达到40″,而扫描镜速度精度为5.3%。扫描镜运动精度满足高光谱成像仪的成像需求。

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。

快速反射镜在像移补偿中的应用

本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性;针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题,设计了模型参考自适应控制器;最后通过实验验证了该算法的性能,结果显示:采用本算法后,快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上,在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10μrad,精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。

航空光电成像系统像移补偿技术研究

航空光电成像系统由于像移的存在导致成像分辨率下降,严重影响航空光电系统的整机性能。采用像移补偿技术可以提高航空光电系统成像质量。分析了移动探测器像移补偿技术原理与运动光学元件像移补偿技术原理,重点研究了基于快调反射镜(FSM)的高精度像移补偿技术。通过工程简化分析,分别推导了快调反射镜位于平行光路和会聚光路的像移补偿随动角度规律,并针对会聚光路中快调反射镜带来的离焦量进行分析,讨论了离焦量对光学系统波像差的影响。仿真结果表明,随着离焦量的增加,波像差呈线性增大趋势。通过分析光学系统波像差对其光学调制传递函数(MTF)的影响,结果表明F数等于8,在奈奎斯特频率处,当离焦量在0.1 mm以内,光学调制传递函数MTF的下降量在26.6%以内。

卫星图像运动补偿的矢量几何法

研究利用星上有效载荷扫描镜运动控制进行图像运动补偿的新方法。分析了影响三轴稳定静止轨道气象卫星成像的主要因素,研究了轨道运动对扫描镜光轴指向的影响。应用三锥相交原理,提出了利用测量估算所得轨道位置和速度信息计算补偿量的矢量几何法。数值仿真结果表明,矢量几何法能够有效补偿轨道运动对扫描镜光轴指向的影响,显著提高成像质量,精度与传统矢量坐标变换法相同,但运算量更小。

像移补偿快速反射镜时频特性优化控制

为了进一步优化像移补偿快速反射镜的时域和频域特性，进而提高运动相机所拍摄照片的清晰度，设计了基于线性扩张状态观测器（LESO）、零相位误差跟踪控制器（ZPETC）和卡尔曼滤波器的控制系统。首先，建立了音圈电机驱动型快速反射镜的数学模型。然后，阐述了LESO、ZPETC和卡尔曼滤波器的原理。最后，对被控对象进行了实验研究。阶跃响应曲线显示，系统调节时间达到2．5ms，与比例-积分-微分（PID）控制系统相比，系统相对误差在小于1％时能够以更快的速度收敛到零。伯德图显示，系统带宽达到369Hz，是PlD控制系统的1．5倍以上，同时减少了接近一半的相位滞后。在加入干扰后，系统平均相对误差达到0．028％，比PID控制系统减少了75％。相机拍摄的照片表明，该控制方法使得照片的主观视角效果和客观评价指标参数都有所提高。

像移补偿快速反射镜时频特性优化控制(英文)

为了进一步优化像移补偿快速反射镜的时域和频域特性,进而提高运动相机所拍摄照片的清晰度,设计了基于线性扩张状态观测器(LESO)、零相位误差跟踪控制器(ZPETC)和卡尔曼滤波器的控制系统。首先,建立了音圈电机驱动型快速反射镜的数学模型。然后,阐述了LESO、ZPETC和卡尔曼滤波器的原理。最后,对被控对象进行了实验研究。阶跃响应曲线显示,系统调节时间达到2.5 ms,与比例-积分-微分(PID)控制系统相比,系统相对误差在小于1%时能够以更快的速度收敛到零。伯德图显示,系统带宽达到369 Hz,是PID控制系统的1.5倍以上,同时减少了接近一半的相位滞后。在加入干扰后,系统平均相对误差达到0.028%,比PID控制系统减少了75%。相机拍摄的照片表明,该控制方法使得照片的主观视角效果和客观评价指标参数都有所提高。

用于航空遥感的二维像移补偿镜的设计

在航空遥感中,由于振动、飞行器的运动及相机摆动等原因,相机在曝光时,被摄物影像与CCD之间存在着相对运动,带来了成像模糊及拖尾效应,此即像移.其存在对图像质量及精度都有很大影响,因此,怎样减少像移就成为提高遥感设备性能的重要手段。本文介绍了压电式二维像移补偿镜的工作原理,详细描述了其结构的设计以及功能的实现.设计了PZT压电陶瓷驱动补偿镜的柔性铰链平台,实现了补偿镜对CCD成像像移的二维补偿,并对像移补偿镜模型进行了性能分析,通过实验验证了像移补偿镜的性能.

宽视场遥感相机像移速度模型及补偿策略

宽视场遥感相机在轨成像期间,受地球自转、卫星颤振、姿态机动等因素影响而产生像移,导致成像质量降低。为此,提出了一种适用于宽视场遥感相机的像移速度模型,并考虑了离轴角对计算精度的影响,推导了离轴三反相机像移速度和偏流角解析式。以某卫星为例,仿真分析了3种典型成像模式下像移速度和偏流角在焦面的分布情况,仿真结果与定性分析结果一致,验证了像移速度模型的正确性。在此基础上,针对侧摆兼具俯仰成像模式,提出了相应的像移补偿策略。补偿效果表明,卫星侧摆35°兼具俯仰35°成像时,采用全局优化偏流角匹配策略能保证整个焦面区域的调制传递函数（modulation transfer function,MTF）均大于0.95（16级）;采用局部优化偏流角匹配策略能保证焦面重点观测目标的MTF大于0.95（96级）;采用提出的像移速度匹配策略在分11组调节行周期情况下,能保证整个焦面区域的MTF均大于0.95（16级）。仿真结果表明,提出的像移补偿策略能有效解决侧摆兼具俯仰成像时的像质下降问题,可为宽视场遥感相机像移补偿提供可靠依据。