本文關(guān)鍵詞：基于快速反射鏡的高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)研究

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【摘要】：視軸穩(wěn)定技術(shù)是光電吊艙實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦距、遠(yuǎn)距離偵察,激光制導(dǎo)武器實(shí)現(xiàn)激光照射,激光通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)準(zhǔn)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),其作用主要是克服載體本身的機(jī)動(dòng)和載體受到外部擾動(dòng)后對(duì)光學(xué)系統(tǒng)視軸產(chǎn)生的影響,視軸穩(wěn)定技術(shù)發(fā)展近60年,主要經(jīng)歷了被動(dòng)減振視軸穩(wěn)定、被動(dòng)機(jī)械平衡穩(wěn)定、主動(dòng)陀螺兩框架穩(wěn)定、主動(dòng)陀螺四框架穩(wěn)定、主動(dòng)陀螺四框架穩(wěn)定與兩軸快速反射鏡穩(wěn)定形成的六軸穩(wěn)定等五個(gè)階段。六軸穩(wěn)定技術(shù)從20世紀(jì)末就開(kāi)始在美國(guó)各大高端光電偵察設(shè)備(DB110吊艙、MTS-A/B光電平臺(tái),MX系列光電平臺(tái),狙擊者吊艙、F35-EOTS光電偵察系統(tǒng))中得到廣泛的應(yīng)用,這主要取決于20世紀(jì)末快速反射鏡穩(wěn)定技術(shù)的迅速發(fā)展,快速反射鏡穩(wěn)定技術(shù)不同于傳統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定結(jié)構(gòu),它是將快速反射鏡置于成像光路之中,將陀螺機(jī)械穩(wěn)定的殘差通過(guò)光路進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償,由于快速反射鏡具有極高的位置精度和帶寬,從而能夠?qū)崿F(xiàn)高的視軸穩(wěn)定精度;傳統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定常稱(chēng)之為一級(jí)穩(wěn)定,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的快速反射鏡穩(wěn)定技術(shù)稱(chēng)之為二級(jí)穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)目前快速反射鏡穩(wěn)像技術(shù)尚處于研發(fā)階段,經(jīng)過(guò)"十一五"階段已經(jīng)突破了某些關(guān)鍵技術(shù),例如快速反射鏡的光路設(shè)計(jì)、快速反射鏡二級(jí)光學(xué)補(bǔ)償原理;本文首先提出適合快速反射鏡應(yīng)用的光路設(shè)計(jì)和光路補(bǔ)償原理;接著針對(duì)快速反射鏡的應(yīng)用環(huán)境,提出幾種對(duì)擾動(dòng)有著明顯抑制作用的一級(jí)視軸穩(wěn)定控制算法,這是因?yàn)榭焖俜瓷溏R的角度行程較小,若一級(jí)機(jī)械穩(wěn)定的殘差太大,快速反射鏡二級(jí)穩(wěn)定將無(wú)法實(shí)現(xiàn);接下來(lái)分別研究基于壓電陶瓷和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速反射鏡的結(jié)構(gòu)組成、控制原理和方式,通過(guò)對(duì)比兩者之間的優(yōu)缺點(diǎn),最終選擇基于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的快速反射鏡作為本文的控制對(duì)象,由于快速反射鏡本身有位置傳感器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),能夠形成單獨(dú)的閉環(huán)系統(tǒng),通常二級(jí)穩(wěn)定控制是把快速反射鏡等效成一個(gè)獨(dú)立的控制單元,接收一級(jí)機(jī)械穩(wěn)定的殘差信號(hào)作為快速反射鏡的輸入,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的視軸穩(wěn)定控制,這樣的控制類(lèi)似于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制,對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)中的擾動(dòng)量沒(méi)有建模,因此對(duì)視軸穩(wěn)定的提高具有局限性。本文提出首先建立快速反射鏡的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù),開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中的低頻和高頻擾動(dòng)量分別為一級(jí)穩(wěn)定殘差和飛機(jī)振動(dòng)量,通過(guò)對(duì)低頻和高頻擾動(dòng)量進(jìn)行建模,結(jié)合快速反射鏡的開(kāi)環(huán)模型和陀螺傳感器數(shù)據(jù),建立新的視軸穩(wěn)定控制狀態(tài)方程,通過(guò)分析狀態(tài)方程的可觀性和可控性,對(duì)可控的狀態(tài)變量進(jìn)行控制,最終達(dá)到視軸穩(wěn)定的目的,并通過(guò)仿真分析達(dá)到預(yù)期的控制效果;最后本文描述了新型光電平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)介紹了新的平臺(tái)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)形式、新的平臺(tái)內(nèi)框架電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式、新的平臺(tái)內(nèi)框架角度傳感器設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)新型光電平臺(tái)內(nèi)框架進(jìn)行改造進(jìn)一步提高一級(jí)視軸穩(wěn)定的帶寬,減小快速反射鏡的角度行程,從而快速反射鏡的帶寬可以設(shè)計(jì)的更高,有利于提高系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度。
【關(guān)鍵詞】：快速反射鏡視軸穩(wěn)定 二級(jí)光學(xué)穩(wěn)定 一級(jí)視軸穩(wěn)定技術(shù) 快速反射鏡光路設(shè)計(jì) 新型光電平臺(tái)設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V279
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 開(kāi)展基于快速反射鏡高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)研究的背景及意義13-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外光電穩(wěn)定平臺(tái)的發(fā)展概況15-18
• 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容18-21
• 1.3.1 基于小型快速反射鏡的靈巧型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)18-19
• 1.3.2 基于快速反射鏡的高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)19-20
• 1.3.3 快反穩(wěn)定技術(shù)對(duì)于陀螺一級(jí)穩(wěn)定技術(shù)的要求20-21
• 第2章 基于快速反射鏡的靈巧型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)21-35
• 2.1 靈巧型光路設(shè)計(jì)21-24
• 2.2 基于靈巧型光路的二級(jí)穩(wěn)定原理24-29
• 2.3 光線傳遞矩陣29-33
• 2.4 本章小結(jié)33-35
• 第3章 一級(jí)穩(wěn)定中高精度視軸穩(wěn)定算法的實(shí)現(xiàn)35-71
• 3.1 快速反射鏡二級(jí)穩(wěn)定對(duì)于一級(jí)穩(wěn)定的約束35-36
• 3.2 采用改進(jìn)型加速度反饋的高精度視軸穩(wěn)定算法36-44
• 3.3 采用高階擾動(dòng)觀測(cè)器的高精度視軸穩(wěn)定算法44-57
• 3.3.1 擾動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)44-46
• 3.3.2 伺服系統(tǒng)分析46-57
• 3.4 采用自抗擾控制的高精度視軸穩(wěn)定算法57-70
• 3.4.1 自抗擾控制算法的定義58-60
• 3.4.2 自抗擾控制算法的離散化60-61
• 3.4.3 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的一般化61-63
• 3.4.4 降階擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器63-64
• 3.4.5 擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器在視軸穩(wěn)定算法中的應(yīng)用64-70
• 3.5 本章小結(jié)70-71
• 第4章 基于快速反射鏡的二級(jí)穩(wěn)定視軸技術(shù)研究71-101
• 4.1 基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快速反射鏡物理模型和仿真結(jié)果71-82
• 4.1.1 壓電陶瓷快反柔性軸承支撐設(shè)計(jì)71-75
• 4.1.2 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)遲滯分析和仿真分析75-82
• 4.2 基于音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)快速反射鏡物理模型和實(shí)測(cè)結(jié)果82-92
• 4.2.1 音圈電機(jī)快反柔性軸承支撐設(shè)計(jì)83-87
• 4.2.2 音圈電機(jī)的選型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果87-92
• 4.3 基于音圈電機(jī)快速反射鏡的二級(jí)視軸穩(wěn)定技術(shù)92-100
• 4.4 本章小結(jié)100-101
• 第5章 伺服系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)101-121
• 5.1 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)101-117
• 5.1.1 核心板硬件原理圖101-104
• 5.1.2 電流環(huán)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)104-117
• 5.2 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)117-120
• 5.3 本章小結(jié)120-121
• 第6章 基于共光路系統(tǒng)的新型光電平臺(tái)載荷布局及驅(qū)動(dòng)技術(shù)121-139
• 6.1 萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)124-130
• 6.1.1 內(nèi)框架運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的架構(gòu)126-128
• 6.1.2 各關(guān)節(jié)變量的求解與分析128-130
• 6.2 電容式角度傳感器的設(shè)計(jì)130-135
• 6.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擺放方式135-136
• 6.4 本章小結(jié)136-139
• 第7章 總結(jié)與展望139-143
• 7.1 結(jié)論139-140
• 7.2 研究展望140-143
• 參考文獻(xiàn)143-153
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況153-154
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介154-155
• 致謝155

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