傾斜鏡串級多回路控制及其振動抑制技術(shù)研究
發(fā)布時間：2020-12-10 03:30
由于傾斜鏡采用了高精度、快速響應的線性電機（音圈、壓電）,加上彈性支撐方式,很容易獲得高帶寬、高分辨率的閉環(huán)性能。因此,傾斜鏡在跟蹤精度高達微弧度級或亞微弧度級的光電跟蹤系統(tǒng)中起著必不可少的作用。在復合軸光電跟蹤系統(tǒng)中,傾斜鏡系統(tǒng)的功能在于校正粗跟蹤殘差以及抑制平臺傳遞的擾動。綜合探測精度以及目標識別的考慮,圖像傳感器（CCD、CMOS）通常作為精跟蹤探測器。由于圖像傳感器的積分成像以及圖像處理造成了控制系統(tǒng)時延,從而制約了傾斜鏡系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。特別是在振動條件下,由于動力學行為復雜,模型難以精確獲得。另一個具有挑戰(zhàn)性的問題來自于閉環(huán)控制中的振動測量及其提取,那么傾斜鏡的控制方法就尤為關(guān)鍵。對于一個基于圖像的傾斜鏡跟蹤控制系統(tǒng),為了提高跟蹤性能最有效的辦法是提高帶寬以增加控制系統(tǒng)的增益,但是在傾斜鏡控制系統(tǒng)中的時延會限制控制系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。系統(tǒng)中的時延主要包括兩個方面:第一個是圖像傳感器采樣頻率,因為圖像傳感器成像需要大量的積分時間,另一個方面則是數(shù)據(jù)傳輸需要的時間。然而,很難減少跟蹤回路的時延,因為積分時間太短會影響圖像的成像質(zhì)量,處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)需要時間是不容易減少的。其次,分析...
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所)四川省
【文章頁數(shù)】：92 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
復合軸跟蹤系統(tǒng)示意圖
傾斜鏡串級多回路控制及其振動抑制技術(shù)研究2不可獲缺的部件，在光路中控制光束的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)視軸（LineofSight，LOS）穩(wěn)定與目標跟蹤[15,16]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，所觀測的目標越來越遠，因此要求所用相機的焦距長度越高，從而對于視軸穩(wěn)定性的精度要求也越來越高。為了保證成像系統(tǒng)的質(zhì)量，相機在兩次曝光過程中的視軸抖動應盡可能小，以保證成像系統(tǒng)中的目標在圖像中間且清晰穩(wěn)定。如圖1.2給出了同一相機在視軸穩(wěn)定精度分別為8urad和15urad時獲取的圖像，前者清晰度明顯高于后者[17]。傾斜鏡的響應速度和跟蹤精度在很大程度上決定了光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能，因此研究先進的傾斜鏡控制算法以提高光電跟蹤系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定性能受到廣大科研人員的重視，成為國內(nèi)外研究的熱點。圖1.2視軸穩(wěn)定精度對成像質(zhì)量的影響，引自文獻[17]Figure1.2Influenceofvisualaxisstabilityaccuracyonimagingquality光電跟蹤系統(tǒng)在應用中因平臺工作而產(chǎn)生振動會對視軸穩(wěn)定帶來很大的危害，會嚴重影響系統(tǒng)對于目標的捕獲及跟蹤[18,19]。一般來說，基于傾斜鏡的光電跟蹤系統(tǒng)載體為船舶、車輛、飛機或衛(wèi)星等，這些載體在工作過程中會因為環(huán)境的影響和自身的工作而產(chǎn)生寬頻帶的振動[20]。光電跟蹤系統(tǒng)的安裝方式有兩種，一是直接安裝在載體上，另一種是通過減振結(jié)構(gòu)與載體相連。對于載體振動頻帶寬幅度大的情況，一般需要增加減振結(jié)構(gòu)來抑制載體振動，達到被動隔振的效果。傾斜鏡通常與跟蹤機架組合形成復合軸系統(tǒng)，因此可以對載體產(chǎn)生的振動進行二級穩(wěn)定，跟蹤機架具有一定的被動減振能力和主動減振能力，主要對載體中幅值較大的振動進行抑制，傾斜鏡可以對載體的全頻帶的振動進行抑制。傾斜鏡與機架之間一般直接固定連接，傾斜鏡基座受到的擾動即為跟蹤機架衰?
傾斜鏡串級多回路控制及其振動抑制技術(shù)研究4由表1.1可以得知使用音圈電機和壓電陶瓷的各自優(yōu)缺點。使用音圈電機驅(qū)動的傾斜鏡的顯著優(yōu)點是質(zhì)量輕且運動行程大，但是相較于壓電陶瓷驅(qū)動的傾斜鏡帶寬較低。相反，壓電陶瓷驅(qū)動的傾斜鏡具有較高帶寬而行程較校美國航天局（NASA）于20世紀80年代最先將傾斜鏡應用于航天軍事領(lǐng)域，之后美國的其他研究部門也開始跟進研究。近幾十年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴展，越來越多研究機構(gòu)對傾斜鏡進行生產(chǎn)研發(fā)，不斷改進傾斜鏡的設計以提升其性能。美國麻省理工學院（MIT）的林肯實驗室（Lincolnlaboratory）作為最早開始進行傾斜鏡研究的機構(gòu)之一，于1990年設計出一款使用音圈電機驅(qū)動的高帶寬快速反射鏡（HighBandwidthSteeringMirror,HBSM）[23,24]，其用途是為了提高空間中激光通信的指向精度，如圖1.3所示。圖1.3MIT高帶寬快速反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖，引自文獻[23]Figure1.3StructuralschematicdiagramofMIT’sHBSM2007年，林肯實驗室在HBSM的基礎上進行改進，研制出了改進型快速反射鏡（AdvancedFastSteeringMirror,AFSM）[25,26]，如圖1.4所示。AFSM采用了新型的電磁驅(qū)動器和新型的柔性支撐結(jié)構(gòu)。新型電磁驅(qū)動器電流熱效應更小，可提供的加速度為4000g；新型的柔性支撐結(jié)構(gòu)為彈性橡膠材料，其具有頻率相關(guān)的阻尼特性。因此，AFSM具有更好的性能，其在控制帶寬、角加速度等各方面性能超過了HBSM。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]快速反射鏡研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J]. 王震,程雪岷. 應用光學. 2019(03)
[2]基于快速反射鏡的自適應控制算法研究[J]. 曹洪瑞,劉永凱,張淑梅. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(01)
[3]速度前饋補償?shù)呐炤d光電設備伺服系統(tǒng)的設計[J]. 張恩東,李焱,張玉東,董宇星,李毅. 電光與控制. 2016(07)
[4]大角度壓電式快速控制反射鏡[J]. 袁剛,王代華,李世棟. 光學精密工程. 2015(08)
[5]前饋-反饋控制系統(tǒng)的具體分析及其MATLAB/Simulink仿真[J]. 孫秀麗,王培培. 中國集成電路. 2013(09)
[6]復合軸精密跟蹤技術(shù)的應用與發(fā)展[J]. 馬佳光,唐濤. 紅外與激光工程. 2013(01)
[7]機載光電跟蹤平臺脫靶量滯后的補償方法研究[J]. 彭東. 計算機測量與控制. 2012(03)
[8]快速反射鏡的誤差自適應前饋復合控制[J]. 丁科,黃永梅,馬佳光,付承毓. 中國激光. 2011(07)
[9]基于FSM的高精度光電復合軸跟蹤系統(tǒng)研究[J]. 王紅紅,陳方斌,壽少峻,宋曉明. 應用光學. 2010(06)
[10]提高高速壓電傾斜鏡應用帶寬的方法[J]. 朱衡,陳東紅,凌寧,姜文漢. 光電工程. 2009(07)
博士論文
[1]基于信息融合的運動平臺光電跟蹤控制技術(shù)研究[D]. 羅勇.中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所) 2019
[2]運動平臺預測跟蹤技術(shù)研究[D]. 鄧超.中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所) 2018
[3]空間望遠鏡大口徑FSM機構(gòu)控制及仿真技術(shù)研究[D]. 張茜丹.中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所) 2018
[4]基于快速反射鏡的高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)研究[D]. 汪永陽.中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所) 2016
[5]運動平臺ATP系統(tǒng)控制技術(shù)研究[D]. 劉子棟.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2015
[6]基于前饋控制的艦載光電跟瞄關(guān)鍵技術(shù)[D]. 呂舒.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2014
[7]動基座下光電經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定控制方法研究[D]. 葛兵.中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所) 2014
[8]運動平臺中慣性穩(wěn)定控制技術(shù)研究[D]. 夏運霞.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2013
[9]空間光通信信標光束精密控制的研究[D]. 章勇勤.武漢大學 2010
[10]運動平臺捕獲、跟蹤與瞄準系統(tǒng)視軸穩(wěn)定技術(shù)研究[D]. 胡浩軍.國防科學技術(shù)大學 2005
碩士論文
[1]艦載激光通信終端的視軸穩(wěn)定控制方法研究[D]. 毛昉.重慶理工大學 2019
[2]高精度衛(wèi)星氣浮仿真轉(zhuǎn)臺微小干擾力矩分析與實驗研究[D]. 劉興富.哈爾濱工業(yè)大學 2015
[3]機載衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 蔡文莉.西安電子科技大學 2012
[4]基于快速傾斜鏡掃描調(diào)制的運動信標光系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 趙輝.國防科學技術(shù)大學 2009
[5]基于PC104直流伺服電機控制的研究[D]. 王興.長春理工大學 2009
[6]基于PC/104和CAN總線的自動操舵儀研究[D]. 李志.哈爾濱工程大學 2008
[7]基于PC104精跟蹤數(shù)字伺服系統(tǒng)研究[D]. 齊宇嵐.長春理工大學 2008
[8]自由空間激光通信APT系統(tǒng)精跟蹤控制技術(shù)研究[D]. 吳瓊.長春理工大學 2008
[9]基于PC/104的嵌入式運動控制系統(tǒng)的研究[D]. 何勇.四川大學 2005
本文編號：2908006
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所)四川省
【文章頁數(shù)】：92 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
復合軸跟蹤系統(tǒng)示意圖
傾斜鏡串級多回路控制及其振動抑制技術(shù)研究2不可獲缺的部件，在光路中控制光束的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)視軸（LineofSight，LOS）穩(wěn)定與目標跟蹤[15,16]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，所觀測的目標越來越遠，因此要求所用相機的焦距長度越高，從而對于視軸穩(wěn)定性的精度要求也越來越高。為了保證成像系統(tǒng)的質(zhì)量，相機在兩次曝光過程中的視軸抖動應盡可能小，以保證成像系統(tǒng)中的目標在圖像中間且清晰穩(wěn)定。如圖1.2給出了同一相機在視軸穩(wěn)定精度分別為8urad和15urad時獲取的圖像，前者清晰度明顯高于后者[17]。傾斜鏡的響應速度和跟蹤精度在很大程度上決定了光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤性能，因此研究先進的傾斜鏡控制算法以提高光電跟蹤系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定性能受到廣大科研人員的重視，成為國內(nèi)外研究的熱點。圖1.2視軸穩(wěn)定精度對成像質(zhì)量的影響，引自文獻[17]Figure1.2Influenceofvisualaxisstabilityaccuracyonimagingquality光電跟蹤系統(tǒng)在應用中因平臺工作而產(chǎn)生振動會對視軸穩(wěn)定帶來很大的危害，會嚴重影響系統(tǒng)對于目標的捕獲及跟蹤[18,19]。一般來說，基于傾斜鏡的光電跟蹤系統(tǒng)載體為船舶、車輛、飛機或衛(wèi)星等，這些載體在工作過程中會因為環(huán)境的影響和自身的工作而產(chǎn)生寬頻帶的振動[20]。光電跟蹤系統(tǒng)的安裝方式有兩種，一是直接安裝在載體上，另一種是通過減振結(jié)構(gòu)與載體相連。對于載體振動頻帶寬幅度大的情況，一般需要增加減振結(jié)構(gòu)來抑制載體振動，達到被動隔振的效果。傾斜鏡通常與跟蹤機架組合形成復合軸系統(tǒng)，因此可以對載體產(chǎn)生的振動進行二級穩(wěn)定，跟蹤機架具有一定的被動減振能力和主動減振能力，主要對載體中幅值較大的振動進行抑制，傾斜鏡可以對載體的全頻帶的振動進行抑制。傾斜鏡與機架之間一般直接固定連接，傾斜鏡基座受到的擾動即為跟蹤機架衰?
傾斜鏡串級多回路控制及其振動抑制技術(shù)研究4由表1.1可以得知使用音圈電機和壓電陶瓷的各自優(yōu)缺點。使用音圈電機驅(qū)動的傾斜鏡的顯著優(yōu)點是質(zhì)量輕且運動行程大，但是相較于壓電陶瓷驅(qū)動的傾斜鏡帶寬較低。相反，壓電陶瓷驅(qū)動的傾斜鏡具有較高帶寬而行程較校美國航天局（NASA）于20世紀80年代最先將傾斜鏡應用于航天軍事領(lǐng)域，之后美國的其他研究部門也開始跟進研究。近幾十年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴展，越來越多研究機構(gòu)對傾斜鏡進行生產(chǎn)研發(fā)，不斷改進傾斜鏡的設計以提升其性能。美國麻省理工學院（MIT）的林肯實驗室（Lincolnlaboratory）作為最早開始進行傾斜鏡研究的機構(gòu)之一，于1990年設計出一款使用音圈電機驅(qū)動的高帶寬快速反射鏡（HighBandwidthSteeringMirror,HBSM）[23,24]，其用途是為了提高空間中激光通信的指向精度，如圖1.3所示。圖1.3MIT高帶寬快速反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖，引自文獻[23]Figure1.3StructuralschematicdiagramofMIT’sHBSM2007年，林肯實驗室在HBSM的基礎上進行改進，研制出了改進型快速反射鏡（AdvancedFastSteeringMirror,AFSM）[25,26]，如圖1.4所示。AFSM采用了新型的電磁驅(qū)動器和新型的柔性支撐結(jié)構(gòu)。新型電磁驅(qū)動器電流熱效應更小，可提供的加速度為4000g；新型的柔性支撐結(jié)構(gòu)為彈性橡膠材料，其具有頻率相關(guān)的阻尼特性。因此，AFSM具有更好的性能，其在控制帶寬、角加速度等各方面性能超過了HBSM。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]快速反射鏡研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J]. 王震,程雪岷. 應用光學. 2019(03)
[2]基于快速反射鏡的自適應控制算法研究[J]. 曹洪瑞,劉永凱,張淑梅. 傳感器與微系統(tǒng). 2017(01)
[3]速度前饋補償?shù)呐炤d光電設備伺服系統(tǒng)的設計[J]. 張恩東,李焱,張玉東,董宇星,李毅. 電光與控制. 2016(07)
[4]大角度壓電式快速控制反射鏡[J]. 袁剛,王代華,李世棟. 光學精密工程. 2015(08)
[5]前饋-反饋控制系統(tǒng)的具體分析及其MATLAB/Simulink仿真[J]. 孫秀麗,王培培. 中國集成電路. 2013(09)
[6]復合軸精密跟蹤技術(shù)的應用與發(fā)展[J]. 馬佳光,唐濤. 紅外與激光工程. 2013(01)
[7]機載光電跟蹤平臺脫靶量滯后的補償方法研究[J]. 彭東. 計算機測量與控制. 2012(03)
[8]快速反射鏡的誤差自適應前饋復合控制[J]. 丁科,黃永梅,馬佳光,付承毓. 中國激光. 2011(07)
[9]基于FSM的高精度光電復合軸跟蹤系統(tǒng)研究[J]. 王紅紅,陳方斌,壽少峻,宋曉明. 應用光學. 2010(06)
[10]提高高速壓電傾斜鏡應用帶寬的方法[J]. 朱衡,陳東紅,凌寧,姜文漢. 光電工程. 2009(07)
博士論文
[1]基于信息融合的運動平臺光電跟蹤控制技術(shù)研究[D]. 羅勇.中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所) 2019
[2]運動平臺預測跟蹤技術(shù)研究[D]. 鄧超.中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所) 2018
[3]空間望遠鏡大口徑FSM機構(gòu)控制及仿真技術(shù)研究[D]. 張茜丹.中國科學院大學(中國科學院上海技術(shù)物理研究所) 2018
[4]基于快速反射鏡的高精度視軸穩(wěn)定技術(shù)研究[D]. 汪永陽.中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所) 2016
[5]運動平臺ATP系統(tǒng)控制技術(shù)研究[D]. 劉子棟.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2015
[6]基于前饋控制的艦載光電跟瞄關(guān)鍵技術(shù)[D]. 呂舒.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2014
[7]動基座下光電經(jīng)緯儀視軸穩(wěn)定控制方法研究[D]. 葛兵.中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所) 2014
[8]運動平臺中慣性穩(wěn)定控制技術(shù)研究[D]. 夏運霞.中國科學院研究生院（光電技術(shù)研究所） 2013
[9]空間光通信信標光束精密控制的研究[D]. 章勇勤.武漢大學 2010
[10]運動平臺捕獲、跟蹤與瞄準系統(tǒng)視軸穩(wěn)定技術(shù)研究[D]. 胡浩軍.國防科學技術(shù)大學 2005
碩士論文
[1]艦載激光通信終端的視軸穩(wěn)定控制方法研究[D]. 毛昉.重慶理工大學 2019
[2]高精度衛(wèi)星氣浮仿真轉(zhuǎn)臺微小干擾力矩分析與實驗研究[D]. 劉興富.哈爾濱工業(yè)大學 2015
[3]機載衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D]. 蔡文莉.西安電子科技大學 2012
[4]基于快速傾斜鏡掃描調(diào)制的運動信標光系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]. 趙輝.國防科學技術(shù)大學 2009
[5]基于PC104直流伺服電機控制的研究[D]. 王興.長春理工大學 2009
[6]基于PC/104和CAN總線的自動操舵儀研究[D]. 李志.哈爾濱工程大學 2008
[7]基于PC104精跟蹤數(shù)字伺服系統(tǒng)研究[D]. 齊宇嵐.長春理工大學 2008
[8]自由空間激光通信APT系統(tǒng)精跟蹤控制技術(shù)研究[D]. 吳瓊.長春理工大學 2008
[9]基于PC/104的嵌入式運動控制系統(tǒng)的研究[D]. 何勇.四川大學 2005
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