在计算机控制光学表面抛光中,高斯形状的去除函数是一种理想的去除函数,然而传统的双转子运动抛光产生的去除函数与高斯形状有较大偏差,不够平滑,因此会在被抛光表面引入较大的中频误差,影响高功率激光系统的性能。针对该问题,在传统双转子抛光的基础上,本文提出了偏心双转子运动抛光技术,并建立了数学模型。理论分析表明,偏心双转子抛光可以产生更加接近高斯形状的去除函数。对各关键参数进行优化,理论上获得了拟合优度(R²)达到0.9986的高斯型去除函数。进行了偏心双转子定点抛光实验和光栅轨迹数控抛光实验,定点抛光实验中获得了R²=0.9895的高斯型去除函数,验证了理论分析的正确性;光栅轨迹数控抛光实验证明了偏心双转子抛光技术较传统双转子抛光技术对中频误差有更好的抑制作用。

提出一种基于Adaboost算法的楼宇场景分类方法,用于移动机器人在未知楼宇环境中进行自主环境感知和地图构建。所提方法采用激光传感器获得环境局部栅格地图,并对该地图进行特征提取;然后利用Adaboost算法构建场景分类器,针对不同场景选择有效边界点;采用基于边界的遍历式路径规划策略,由边界点确定移动机器人的导航路径。实验结果表明,移动机器人能够在未知楼宇环境中进行自主巡视,并利用自带的同步定位与建图(SLAM)技术将探测到的局部栅格地图拼接为完整的楼宇环境地图,实现自主导航。

细径形状传感器在医学上有多种潜在的应用, 如乳腺肿瘤胸部穿刺针的定位、肠道内窥镜的形状显示、心脏血管导管的定位等, 其形状重建和末端定位精度一直是研究者关心的主要问题之一。为了提高光纤光栅形状传感器的形状重建精度, 本文研究了沿基材母线等间隔分布的FBG形状传感器的应变传递规律并对其进行实验验证。此形状传感器利用环氧树脂胶将FBG封装至镍钛合金丝表面, 形成FBG形状传感器的基材-黏结层-光纤-黏结层的四层复合材料结构。根据光纤光栅传感器应变传递力学简化模型, 推导出相应的平均应变传递率公式; 分别研究光纤至基材中心距、黏结层长度、厚度和弹性模量对光纤光栅传感器平均应变传递率的影响。实验结果表明, 封装后的光纤光栅传感器平均应变传递率在有效范围内随着基材长度的增加而增加, 黏结层外径的增加对其影响不大, 验证了理论模型的可用性。将应变传递率引入形状重建中, 改进了FBG形状传感器的形状重建算法, 末端相对定位精度由原来的3.5%提高到2.7%。

靶准直器是惯性约束核聚变靶场中的重要部件, 其在靶室中的位姿是保证靶定位瞄准精度的主要因素之一。为了实现微米级的定位瞄准精度, 需要利用调整机构对靶准直器位姿进行调整。本文采取理论分析、有限元仿真和实验验证相结合的方法对靶准直器悬臂Y向调整机构的受力变形和稳定性进行了研究。根据对Y向调整机构的受力变形分析, 得到结构受力变形的理论关系式, 可从理论上优化Y向调整机构的刚度和稳定性; 基于有限元仿真对Y向调整机构进行相应约束条件下的稳定性分析和结构优化; 利用实验装置对靶准直器整体稳定性进行实验测试。实验结果表明: Y向调整机构优化后, 靶准直器静态Y向变形由原来的7.9 μm减小至小于2 μm, 动态稳定性满足系统2 μm/2 h的稳定性要求。同时, 试验、仿真和理论分析结果的变化趋势一致, 验证了理论和仿真分析的正确性。

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台, 提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略, 通过对送靶机构的主动运动控制, 实现了图像雅可比矩阵的在线自标定; 利用增量式 PI 控制方法对送靶机构进行控制, 实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中, 基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07 μm, 姿态调整误差为0.02 μrad; 而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16 μm, 姿态调整误差为0.07 μrad。实验结果表明: 基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性, 靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力, 并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明, 不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同; 氧化铝陶瓷的损伤阈值最高, 氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较, 工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同, 不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异; 陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料, 吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程, 最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.

通过构建肢体运动模型,运用C空间到关节空间映射理论得到关节空间中的运动参数(角位移/肢体长度)。基于光学运动捕捉仪采集步态运动实时序列,运用最小二乘法拟合关节点计算肢体长度,然后分析点坐标误差和关节长度误差对角位移的影响。结果显示,通过最小二乘拟合法计算得到的肢体长度误差小于0.5 mm,尺寸误差在0.3%以内,点误差和肢体长度误差引起的角位移误差在1.5%以内。此方法稳定可靠且精度高。

研究了表面处理工艺对铝合金表面抗激光损伤能力的影响。结果表明，在相同纳秒激光脉冲辐照下，与机械抛光相比，化学镀镍、阳极氧化黑和硬质阳极氧化处理的表面损伤阈值较低，而钝化和微弧氧化的损伤阈值较高；相同处理工艺但不同参数对应的损伤阈值不同。通过比较不同工艺表面的相关物理参数，对损伤阈值、形貌和规律进行了分析。结果表明，钝化更适用于高功率激光装置中铝合金表面的处理。

以光纤布拉格光栅(FBG) 曲线传感器在结肠中的形状检测为背景, 提出了一种基于Frenet标架的坐标点拟合算法来提高光纤光栅曲线重建算法的精度。首先, 将相互之间呈90°的四根光纤光栅贴在一根形状记忆合金(SMA Styrene Maleic Anhydride)基材周围, 形成一根直径为3 mm, 长度为900 mm的光纤光栅曲线传感器。接着, 将该曲线传感器分别放置在毫米方格纸以及圆柱体上进行二维和三维曲线的重建。通过曲线重建软件读出每个数据采集点的重建坐标值, 并与通过方格纸读出的标准坐标值对比得出重建误差, 从而得出两种坐标点拟合方法的优劣。结果表明: 使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法可有效提高重建精度。对提出的算法与常用的曲线重建算法进行了比较, 结果显示: 在接近光纤光栅应变极限的情况下, 使用基于Frenet标架的坐标点拟合算法在单方向上能够比原算法平均减小约3.5%~5.5%的误差, 为进一步提高光纤光栅形状传感系统的精度奠定了基础。

为了提高高功率激光装置中靶定位调试的效率和精度, 提出了一种仿真初调和实验误差分析相结合的靶定位调试方法。该方法采用3-CCD传感器进行定位监测, 利用OpenGL成像技术实现CCD仿真图像的采集, 并对目标靶、送靶机构等进行虚拟构建。 基于仿真实验分析了实际系统中靶定位的误差来源, 包括图像检测误差、3-CCD传感器的装校误差及送靶机构的定位误差等。靶定位算法的调试和初步验证在仿真系统中独立进行, 实现了理想条件下的零误差定位调整; 调试后的算法在实际系统中的靶定位精度小于±5 μm, 角度误差为±0.015°。由于仿真初调可脱离实验平台进行, 故有效地提高了工程效率。提出的调试方法在实际系统中的定位精度满足高功率激光打靶的要求。