快速反射镜双线性插值标定技术

为满足光电系统中对快速反射镜高指向精度的需求,对基于电涡流传感器测量的快速反射镜二维角度标定技术进行研究。分析了利用电涡流传感器进行二维角度测量的工作原理,设计了快速反射镜角度标定系统。对多项式拟合、双线性插值两种标定模型进行了理论分析和实验测试。结果表明,在±1000″角度范围内,双线性插值法标定的误差在2″以内,比传统的多项式拟合法标定精度高。标定精度的提高对实现快速反射镜高精度指向具有十分重要意义。

快速反射镜自适应反演PID复合控制系统设计

为了提高复合轴系统的光束跟踪性能,必须考虑不可测扰动对快速反射镜系统的影响。针对可测量扰动,设计了自适应反演前馈控制算法,并由此得到启发,设计了用于抑制不可测量扰动的自适应反演PID(proportional-integral-derivative)控制系统,用自适应算法提高系统稳态精度以及对不同扰动的适应性,用PID控制器修正系统的误差信号改善系统动态性能。仿真结果表明,相较于PID控制算法,自适应反演PID复合控制系统的误差均方差值下降了34.76%,相较于自适应控制算法,自适应反演PID控制系统的误差均方差值下降了13.3%,自适应反演PID复合控制系统的稳态精度相比经典PID控制和自适应反演控制系统均得到了明显的提升,采用复合算法时上升时间相较自适应算法减少了48.9%,超调量相较经典PID算法减少了80.5%,系统动态性能得到较大改善。

快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制

为进一步提升激光通信精跟踪系统的控制性能,本文对音圈电机驱动的快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)控制方法进行了研究。针对FSM中存在的强轴间耦合与外部扰动问题,提出了融合前馈解耦补偿与固定时间扩张状态观测器的复合快速非奇异终端滑模控制策略。首先,采用系统辨识方法建立FSM的双输入双输出耦合传递函数矩阵模型,并设计前馈解耦补偿器补偿耦合分量,以实现X轴和Y轴之间的运动解耦。其次,针对解耦后的各单轴模型,设计固定时间扩张状态观测器,同时实现对角速度和外部干扰的固定时间估计。随后,构建快速非奇异终端滑模面,并在控制律设计中采用指数幂函数取代符号函数,以提高系统收敛速度并抑制控制抖振,基于Lyapunov方法验证所提控制系统的稳定性,并证明跟踪误差在有限时间内收敛。最后,通过对比实验验证了提出的复合控制策略的有效性。实验结果表明,FSM在100 Hz强扰动存在的情况下,跟踪60 Hz和120 Hz圆形轨迹,其轨迹跟踪误差的平均绝对值分别为0.0036°和0.0131°,系统能够保持良好的跟踪性能,说明所提复合控制策略是有效的,满足激光通信FSM对于高精度和强抗扰等要求。

大转角快速反射镜柔性机构的优化设计与动态分析

针对压电驱动快速反射镜普遍存在的偏转范围小、扫描频率低等问题,本文设计了一种具有较大偏转角度的压电驱动快速反射镜柔性机构。首先开展了柔性机构嵌套级数、构型方式与固有频率、放大系数的相关性研究,得出了三级混合构型的初步设计方案。进一步将该机构离散为柔性铰链、刚性体和集中质量等基本单元,结合矩阵位移法,构建了柔性机构的通用动力刚度模型,得出柔性机构的结构参数与快速反射镜偏转角度的映射关系。在此基础上,对快速反射镜柔性机构关键尺寸参数进行优化设计,开展了柔性机构的模态分析。与国内外同类研究相比,该机构可以在保证较高一阶固有频率的基础上实现100 mrad机械偏转角度。

快速反射镜的系统辨识与回路成形H∞鲁棒控制

音圈式快速反射镜(Voice Coil Actuator-Fast Steering Mirror,VCA-FSM)是星间激光通信中的重要伺服机构,其基于音圈电机进行驱动,FSM内部的柔性支撑结构以及轴间相对运动使系统存在复杂耦合特性,降低了系统的控制性能。对于该问题,本文提出了一种基于模型辨识的双轴回路成形H∞解耦控制方法。首先,基于激励与响应数据求解系统脉冲响应序列,构造Hankel矩阵进行系统辨识;其次,考虑系统的耦合特性,基于标称模型进行双轴回路成形H∞鲁棒控制器的设计;最后,基于VCA-FSM伺服控制实验平台,开展方波与正弦扫频实验。实验结果表明:相较于LQG与LQR控制,本文所提出的双轴回路成形H∞鲁棒控制使系统X,Y轴跟踪闭环带宽分别最大提升了54.3 Hz和54.8 Hz,显著降低了系统的耦合特性。本文所提出的控制方法充分提高了VCA-FSM伺服系统的性能,实现了双轴VCA-FSM的高性能解耦控制。

基于扩张状态观测器的快速反射镜滑模控制

快速反射镜需要具备快速的动态响应以及抗干扰能力。针对快速反射镜系统在工作环境中,因自身运动以及外界干扰等因素所引起的不确定性干扰问题,本文在对快速反射镜系统进行分析与数学建模的基础上,提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时,有效减少了抖振,便于工程实现。通过仿真实验证明:相较于传统滑模控制器,采用基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,上升时间缩短了50.4%,调节时间上缩短了39.1%,跟踪精度提高了30.5%,满足了快速反射镜的工作要求,提高了动态性能。

快速反射镜位移传感器高精度采集电路设计与实现

对位移传感器高精度及低延时的数据采集是实现快速反射镜高精度和高带宽的关键。详细分析了复合轴中快速反射镜位移传感器采集电路的需求,并依此进行了硬件电路和软件设计。经过测试,采集电路有效分辨率可达17bit,数据频率为5kHz,信号采集延时200μs,能够实现对快速反射镜位移传感器信号的高速高精度采集,可有效提升控制带宽和控制精度。

面向光束指向调控的双快速反射镜偏转角快速解算方法

基于双快速反射镜的光束指向调控系统可补偿光束位置偏差及角度偏差,双反射镜引入的耦合效应致使难以快速求解合适的镜面绕轴偏转角。为解决该问题,文中构建了双快速反射镜光束指向调控模型,分析了偏转角与光斑位移在小角度下的近似线性关系,提出了偏转角的快速解算方法,可在单次求解后获得适用的镜面偏转角。该方法采用迭代收敛算法解算抑制随机光束指向失调的偏转角并形成数据集,基于该数据集训练浅层神经网络,可根据当前光斑位置偏差直接解算快速反射镜偏转角。仿真实验结果表明,依据该方法解算的偏转角进行调控,相较于未调控前光束状态,在X和Z方向的位置偏差分别减小99.32%、99.46%,角度偏差分别减小99.07%、98.98%,平均综合偏差减小99.16%,极大地抑制了光束指向失调。

用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究

为了满足空间激光通信和激光雷达载荷中快速控制反射镜的使用需求,研制了一种轻量化SiC反射镜。首先,根据指向机构的使用工况和动力学响应要求,对反射镜结构的安装形式以及轻量化进行了优化设计;其次,通过有限元仿真分析,计算出反射镜的动态特性和安装使用中的面形变化,模拟出镀膜应力对反射镜面形的影响;最后,结合镀膜应力的产生机理和作用方式,在反射镜光学加工阶段预制面形补偿,解决了反射镜镀膜中面形退化问题。测试结果表明,反射镜在装配过程中的面形变化均方根(RMS)≤0.005λ(λ为波长,λ=632.8nm),反射镜安装后的最终面形变化RMS值为0.019λ,可以满足系统使用的指标要求。该反射镜的结构设计与分析流程以及镀膜加工方法可以应用到其他类似反射镜的设计与加工过程。

音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术

针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求,研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型,采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型,同时建立音圈制动器的电磁驱动模型,并进行关键参数的迭代设计确定最优参数;以Matlab/Simulink为联合仿真平台,建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口,结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真,并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证50Hz成像周期下回扫补偿残差与相位滞后,其中实测回扫补偿残差0.0365mrad,相位滞后2.6ms,虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求;并对系统的开环频响曲线进行对比,中低频幅值响应误差不超过10%。仿真和实验结果表明,该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。

用于深空探测快速反射镜的电磁驱动

为了实现深空探测系统对成像光束的高速和高精度控制,以50 mm×4 mm的单晶硅反射镜作为负载,采用理论和仿真分析相结合的方法,对音圈电机驱动的快速反射镜进行了理论分析和实验验证。给出了该快速反射镜的一般构成、工作原理及数学模型,采用有限元法分析计算了音圈电机线圈、永磁体和气隙尺寸对驱动力矩的影响,最后设计、制作了快速反射镜样机,并进行了测试。结果表明,快速反射镜的转角范围大于±1°,带宽(3 dB)大于500 Hz。该研究结果有助于推广光学快速反射镜在深空探测、激光通信、光电对抗等领域的应用。

卫星激光通信MEMS快速反射镜可靠性研究进展

快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)具有响应快、精度高、分辨率高等优势,被广泛应用于卫星激光通信、超分辨率成像、高精度激光瞄准等领域,是捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing,ATP)系统中的核心部件。传统快反镜主要由压电陶瓷和音圈电机驱动,而基于微机电(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技术制备的快反镜具有小型化及批量化等优势,是技术发展的趋势,但其应用于卫星激光通信领域的可靠性尚未进行全面论证。文中介绍了快反镜的工作原理、环境适应性要求以及国内外快反镜的可靠性水平,结合致动原理和结构分析了现有快反镜的失效机理、评估方法和可靠性加固技术,最后指出了高可靠性快反镜的结构和加固技术发展方向,并通过综合分析与仿真验证了MEMS快反镜应用于卫星激光通信的可行性。

快速反射镜理论建模与仿真分析

为有效指导快速反射镜设计,开展了快速反射镜理论建模与仿真分析研究。相比以往单自由度运动模型,该文基于动力学分析,建立了两轴快速反射镜的多自由度运动微分方程,推导出被控对象传递函数和对基座扰动的隔离传递函数;仿真分析了结构谐振频率对被控对象特性的影响,指出转动固有频率较大时,被控对象为欠阻尼系统,传递函数曲线存在谐振峰;建立了包含结构特性的快速反射镜控制系统仿真模型,分析了负载质心偏离柔性铰链支承中心、结构谐振频率等对其扰动隔离性能的影响,指出非工作轴固有频率越大,对扰动隔离性能越好,一般选择在伺服系统增益交界频率2倍以上,工作轴固有频率需权衡扰动隔离性能和电机力矩约束等进行选择。最后结合实物振动试验,验证了仿真模型的正确性。

磁阻式快速反射镜电磁驱动特性研究

为了实现结构紧凑高效的快速反射镜,对磁阻式电磁驱动进行研究。先对磁阻式电磁驱动的工作原理、结构组成、理论模型进行详细分析,然后采用有限元方法分析计算了永磁体、线圈、气隙等尺寸参数对驱动力矩的影响,最后设计、制作了磁阻式快速反射镜样机并进行测试,结果表明:快速反射镜外形尺寸为Φ32 mm×38 mm,行程大于±1°,X、Y轴的阶跃响应上升时间分别为15.9 ms和13.5 ms,带宽大于400 Hz。研究结果有助于掌握磁阻式电磁驱动的特性,由此设计的快速反射镜具有低功耗和结构紧凑的特点,适合在空间激光通信等领域应用。

双轴音圈电机快速反射镜的系统建模与滑模控制

快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是高精密光学系统中的关键仪器,基于音圈电机(Voice Coil Actuator,VCA)驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性,导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能,对于该问题,本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先,采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型;随后,基于平衡实现与平衡截断,在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶;其次,基于降阶模型,采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器,通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律,并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振;最后,基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台,开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明:本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法,系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%,251.3%,扰动抑制带宽分别提高了约39.9%,451.9%,阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%,97.7%,螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%,97.8%,且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。

基于IDE-BPNN的快速反射镜迟滞建模

由压电陶瓷驱动的快速反射镜(FSM)现已被广泛用于自适应光学系统的执行环节,为了对其迟滞效应精确建模,该文提出了一种针对FSM的IDE-BPNN建模方法。基于Madelung法则以最小二乘法构建称迟滞算子作为迟滞运动的基本描述,扩展训练用的数据集,并采用改进的差分进化算法(IDE)对BP神经网络(BPNN)进行训练。实验表明,当输入30 Hz衰减的正弦信号时,IDE-BPNN模型的单轴最大误差为0.745μrad,归一化最大误差为0.87%,归一化均方根误差为0.36%。相较于最小二乘建模法,相对于最小二乘模型误差大幅缩小,有较好的使用价值。

一种消光程差双快速反射镜设计

快速反射镜镜通过控制反射镜的转动来转动光束,由于其具有体积小、响应速度快、指向精度高等优点,被广泛应用于激光武器、精密跟踪、扫描成像等多种光电领域,主要用于实现精密跟踪、稳瞄、稳像、扫描和像移补偿等功能。本文介绍了一双轴快速反射镜加三轴快速反射镜用在光路中,通过新增平移维度可使得光程差压缩至微米级。分析了口径和转动角度对光程差的影响,同时对音圈电机的补偿量和音圈电机的移动量进行了计算。

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。

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。

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。