旋转双棱镜用于目标跟踪时,其光束转向与棱镜旋转之间存在非线性关系。基于两步法解算两套棱镜角位置逆向解,沿目标移动方向求其方向导数来计算棱镜转速与光束转向率的比值,分析不同指向目标沿不同方向移动时的棱镜驱动和控制要求。结果表明:对于确定的旋转双棱镜系统,目标跟踪对棱镜驱动和控制要求只取决于当前目标指向偏转角及目标移动方向与径向的夹角;目标沿切向或径向移动,将分别导致系统观测场中央区和边缘区目标跟踪的棱镜旋转控制奇异性;目标跟踪对两棱镜旋转驱动和控制的要求存在微小差异,基于两套逆向解的分析结果无显著差异。

由于超声电机压电材料、摩擦材料、接触界面的非线性, 速度平稳性和位置控制精度不高, 这在一定程度上制约了它在高端精密装备中的应用。本文介绍了一种实现超声电机速度、位置高精度控制的方法。从连续运动与步进运动两个维度分析了超声电机的速度调控机理, 阐明了速度波动的误差来源, 建立了以幅值、频率为输入量, 融合稳态环节与动态环节的速度模型。为了准确预测步进位移量, 建立并辨识了启动-关断两段式二阶速度模型; 接着采用双环复合控制算法实现了高平稳性速度控制, 并通过驱动参数优化实现了电机的高分辨率位置控制。最后, 运用分段逼近策略实现了高精度定位。实验结果表明, 在速度控制方面, 采用双环复合方法控制的速度平稳性为0.44%, 相比单速度环的控制效果提升了一倍; 在位置控制方面, 超声电机的开环位置分辨率达到了0.375 μrad, 定位精度达到了1.7 μrad。本文提出的控制方法综合了不同参数及不同环路的调控特点, 有效提高了超声电机的速度与位置控制精度, 为超声电机在精密装备中的拓展应用奠定了基础。

为了克服传统超声电机测控系统参数调控不灵活、特性测试分析不全面、控制算法效率低等问题, 本文介绍了一种能对超声电机主要机电参数进行测量和控制的实验系统。依据超声电机参数特点与输入输出特性提出了测控系统总体方案。针对变预压力特性与温度特性难以快速获取的问题, 设计了以电动缸为出力源的预压力施加装置和以薄膜热电阻为敏感源的界面温度采集装置; 针对高频激励信号难以灵活产生和实时采集的困难, 设计了多参数可调的驱动与采集电路; 针对电机特性测控低效、过程不够规范的问题, 形成了标准化测控流程, 尤其是提出了能够精细化分析瞬态特性的同步采集和控制流程。测试结果表明, 本系统覆盖了超声电机主要的8项控制参数与13项状态参数, 能够实现控制参数的在线精确调控与状态参数的快速测量, 测试效率较传统的超声电机测控系统提高了30%, 为超声电机的动力学建模、特性评估及运动控制算法研究提供了较为完善的测控手段。

为提升精密转台的轨迹运动精度, 本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面, 推导了S曲线轨迹规划方程, 并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法, 从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令; 运动控制方面, 在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿, 以此改善转台的伺服性能, 提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后, 对两部分算法进行综合, 给出了具体实现步骤, 并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明: 相比于传统控制方法, 采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%, 稳态精度提升99.75%, 从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。

精密柔索传动是一种通过主、从动轮之间有适当预紧的传动介质来实现的挠性摩擦传动方式, 具有布局灵活、高精度、轻量化等特点, 在多种灵巧性精密机电装置和伺服机构中得到了广泛的应用。本文归纳了柔索传动技术在精密指向机构、人机交互机器人、跑步机器人、灵巧手和微创手术末端器械等方面的应用进展; 总结了亟待解决的基础理论和应用研究相关问题, 主要包括传动机理研究、伺服系统的应用研究、针对典型应用需求的工程设计方法研究等; 最后, 对进一步发展精密柔索传动理论分析与工程设计技术提出了建议。

针对旋转双棱镜扫描成像中棱镜引起的成像畸变进行研究并通过逆向光线追迹对其实施校正.为估算畸变的特点和程度,根据视轴指向及视场尺寸确定棱镜转角和入射光方向,基于矢量形式的折射定律对视场跨度内的光线通过两棱镜实行追迹.以锗棱镜的红外成像及玻璃棱镜的可见光成像为例模拟成像变形.结果表明,图像沿着偏离系统轴的方向被压缩.偏转角越大,图像变形越突出.为校正成像畸变,从像点通过棱镜实行逆向光线追迹.针对可见光成像搭建旋转双棱镜扫描成像系统并分析其成像畸变,结果表明成像畸变的模拟预测与实验观测结果相符.无论针对模拟图像还是实际图像,逆向光线追迹都能有效地校正成像畸变,改善成像质量.该畸变分析及其校正方法对旋转双棱镜成像应用具有一定的参考价值.

针对光电稳定平台伺服系统模型参数辨识问题, 提出了线性和非线性模型参数分离辨识方法。在线性模型参数辨识过程中, 利用差动逆M序列信号作为输入, 相应的响应信号作为输出, 并应用最小二乘方法辨识线性离散模型参数, 从而降低非线性因素的影响。在非线性模型参数辨识过程中, 以LuGre摩擦模型为基础, 针对摩擦和不平衡质量相互耦合的问题, 提出了考虑不平衡质量的LuGre模型静态参数辨识方法; 然后, 利用电流信号作为摩擦力测量值, 对LuGre模型动态参数进行辨识, 得到包含不平衡质量和动态摩擦的系统非线性部分模型参数。构建了单轴光电稳定平台实验系统, 利用本文提出的方法对实验系统动力学模型参数进行了辨识。结果表明: 质量不平衡力矩的辨识值为0.183 N·m, 略高于理论值0.18 N·m, 满足辨识精度要求。实验证实提出的辨识方法可以实现对模型线性与非线性参数的有效辨识。

为了缩短直驱伺服系统设计周期, 并保证所设计的系统的性能满足设计指标要求, 提出了一种直驱伺服系统机电联合建模方法。以典型的直驱伺服系统为例, 叙述了该建模方法的实现过程。建立了直驱伺服系统的动力学理论模型和基于Recurdyn和Matlab的机电联合仿真模型, 在不同条件下对机电联合仿真模型进行了时域和频域仿真分析, 并对仿真结果与系统实际测试结果进行了对比。结果表明: 系统开环时域与频域仿真结果与实验结果基本吻合, 幅频匹配度大于83%, 相频匹配度大于73%, 时域匹配度大于89%。得到的结果验证了提出方法的有效性和正确性, 表明利用该方法可在设计过程中对设计方案进行性能预测, 提高设计效率。

针对谐波传动系统的控制方法与性能预测问题, 本文考虑影响谐波传动系统性能的主要因素, 提出了一种精密谐波传动系统建模方法。建立了整个谐波传动系统的动力学模型和Simlink仿真模型, 给出了仿真模型中各参数的获取方法。针对模型中难于准确测得的参数, 提出了一种最小二乘辨识方法。对谐波传动系统的仿真模型进行了时频域仿真分析与实验验证, 结果表明: 建立的谐波传动系统模型各参数具有明确物理意义, 便于工程应用; 建模时仅利用一次扫频即可得到所有未知参数的估计值, 提高了参数获取的效率, 降低了成本; 仿真模型与实际系统时频域特性基本一致, 所有结果匹配度超过70%。得到的结果验证了该建模方法的正确性。

近年来Risley棱镜在**侦察领域得到越来越多的应用。介绍Risley棱镜的基本组成, 从数学模型上论证了Risley棱镜两种工作原理及其应用技术, 分析了工程实现的难点, 描述了国内外的工程应用情况, 国防科技大学研制的物理样机可实现10°光束偏转, 实验结果表明已初步实现了扫描成像和光束扫描功能。