2023年旋转音圈电机驱动的二维摆镜精密跟踪系统研究1.docx

致 谢 三年的求学时光即将结束，在这三年里，我不仅学到了促进自己成长的知识，而且也明白了为人处世的道理。值此成文之际，我想将我最诚挚的感谢送给那些敬爱的，给我启发、帮助的人们。 首先，我要感谢导师唐涛副研究员对我在学术上的教授同时也在生活上的关心。您敬业的精神是我学习奋斗的目标；开阔的视野是我前进之路的明灯；渊博的知识是我在汪洋里遨游的动力。从论文的选题、研究方案确实立、具体问题的解决到论文的撰写和修改，都是在老师您辛勤的指导下完成的。在您的谆谆教诲下，我懂得了在专业领域要翻开思路，更要拓展眼界不要被已有的领域思维禁锢自己。唐老师为人善良谦虚，也给予我研究生生活诸多的帮助。 同时也要感谢光束控制重点实验室的各位老师黄永梅研究员、付承毓研究员、杜升平副研究员、杨涛副研究员、徐少雄老师在课题的进展中对我给予的在学术上的帮助，使得我的论文进展能够顺利推进。感谢室里的赵娥老师，胡波师兄，崔博弈师兄，感谢研究生部的向银辉书记、廖俊莉老师、朱文老师、兰琦老师谢谢你们对研究生的支持和关心。 感谢同在第一研究室学习的同学们，感谢陈思思、史一翔、郭晓锋、郭弘扬、陈德毅是你们的陪伴给科研生活增添了一抹亮丽的色彩。感谢博士研究生李力行、杨发盛、邓超、罗勇、严灵杰、余佳威师兄以及硕士研究生王改霞、易彬、陈静师姐、曹政师兄感谢你们在学习和生活中给予的关心和帮助！ 感谢同寝室的小伙伴们，在生活中我们互相鼓励、相互娱乐，为枯燥的科研生活中增加了一抹令人欣慰的彩色。能与你们一起度过在所的两年时间是我的荣幸。谢谢你们带给我快乐，同样也希望我们友谊的小船能够驶出天际！ 也要感谢我的父母对我的培养，感谢他们在生活中给我的照顾，在精神上对我的支持！特别感谢薛诗山的鼓励，谢谢在我沮丧时给我的鼓励，使我有里继续前进的动力！最后再次向一直支持我鼓励我的亲朋好友致以由衷的感谢！ 黄宣淋 2023年3月 第一章 绪论 课题背景及意义 光电捕获〔Acquisition〕、跟踪〔Tracking〕、瞄准〔Pointing〕ATP系统被广泛运用于对地观测，天文观测，目标自动捕获跟踪、以及空间光通信等领域，同时应用环境也被拓展到各种平台上，除了地基外，还包括车载、舰载、机载以及空天。近年来，随着人类对于空间探索的需求变大，各国都投入了大量的人力与物力来研究开发先进的精密光电设备，作为ATP系统中粗跟踪局部的二维摆镜技术也得到了极大的开展。 更短的响应时间和更高的跟踪精度一直是精密控制领域追逐的目标。对于现有的光电系统来说，即便是地基的摆镜系统同样也存在复杂的扰动，摩擦，死区。而动平台光电跟踪系统的视轴稳定技术也是如今光电跟踪精密控制领域的一个难点。这些关键技术的突破都能使得我国光电精密跟踪技术领域向前推进缩小与先进国家的差距。 在二维摆镜控制系统中，进一步提高跟踪精度的途径有两个。一是寻找更高精度的控制算法，建立更加完善的系统模型，这些从传统控制算法演变而来来的模糊控制，自适应控制算法，最优控制，预测控制等。这些算法在一定条件下对控制对象的一些性能是有一定的提升，但这些方法或是对对象模型建立要求较高，或是运算复杂度较大，难以满足实时性的要求。二是从执行机构和检测机构入手，旋转音圈电机是一种具有无铁芯结构的直驱电机，无齿槽，能线性控制，这就使得以旋转音圈电机驱动的二维摆镜在执行机构这一局部不会给系统带来更多的误差。随着技术的进步和开展，摆镜控制系统逐渐更加的复杂，对控制要求也在不断的提高包括系统的精度、响应时间、鲁棒性。换句话说，希望系统在有较高跟踪精度的同时也希望系统具有较强的抗扰动能力。另外系统的稳定输出也是有较高要求的。 旋转音圈电机其突出的性能在二维摆镜系统中可以对传统的机械传动不利因素比方机械谐振、推力不稳、力矩不平衡等有很好的克服作用。同时在复杂环境下，旋转音圈电机因为其驱动较为简单，所以具有高性能的闭环二维摆镜控制系统，能极大的解决响应速度和跟踪精度这样的对立问题。而旋转音圈电机的开展随着电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术的进步，旋转音圈电机电机也进入了一个全新的阶段。 本课题的主要研究目的是设计一款由旋转音圈电机驱动的二维摆镜控制系统，本文首次将二维摆镜的结构特性与旋转音圈电机的性能特性相结合预计将整套控制系统的控制精度与控制带宽都能相应有所提升。 1.2 国外二维摆镜跟踪技术的开展现状 光电跟踪系统应用星间、星地的激光通信领域。国外的星地激光通信试验已经开展了30至40年，并且有大量的试验都已经取得了成功，与之相应的光电跟瞄系统技术也开展的较为成熟，技术难点被相应的攻破同时关键技术也都被一一掌握。因此开展自身的光电跟踪技术同时学习国外的经典二维摆镜跟踪控制技术非常有必要。 上世纪七八十年代欧洲的欧空局、日本的空间中心以及美国NASA等在空间通信领域领先的国家已经着手空间光通信的试验，并实现了通信终端LEO与GEO与地面通信终端三者间的交叉通信，并由此向更加通用的领域开展，这极大的刺激国内该领域的开展。国外主要研究工程有：欧空局的SILEX方案、日本的OICETS方案、美国的STRV-2方案、德国的TerraSAR-X激光通信终端等。 SILEX方案 SILEX空间光通信，包括两颗独立的通信终端。终端之一搭载在法国SPOT4上送入太空中并成功并入832Km太阳同步轨道，在2023年欧空局将第二颗终端被ARTEMIS成功送入地球同步轨道。于同年11月进行了空间光通信试验，SPOT4将光信号发送给ARTEMIS，随后在通过该同步卫星将信号发送回地面接收实现星间的激光通信，如图1.1所示。并且与2023年12月完成ARTEMIS与飞机之间的无限激光通信。终端采用 L型结构并且采用复合轴控制模式。粗跟踪以CCD为位置传感器，像素尺寸约为30，不确定区域为8，负载局部总重量为75Kg，转动惯量为5，执行电机采用的是步进电机。而精跟踪局部那么采用14x14 的CCD，同时数据传输可以到达8k，执行电机为音圈电机。 SILEX示意图 〔2〕日本OICETS卫星方案 日本OICETS方案始于上世纪八十年代中期，九十年代初正式可用于试验的星间通信系统，九十年代中期完成前期方案并着手装配激光通信终端。×104km。 LUCE中光电跟踪设备采用的是经典U型结构，如图1.2所示。其主要功能是实现对光信号的接收通信。首先要消除来自天体运转的误差，包括天体高度、以及方位信息带来的误差使得系统知道目标在何处；然后实现光路的链接，这一阶段主要是尽可能的抑制在天体运行时整个设备的低频震动引起的扰动，使得系统能够跟踪得到目标；最后由于通信中的收发终端的相对位移使得光电跟踪设备必须相应的机动，以实现二者之间的链接不会因为相对位移中断，使得系统要始终能对准目标。 LUCE结构示意图 该复合轴系统的粗跟踪机构为二轴万向节转台结构，双轴采用10位的编码器作为检测结构，执行机构为两个力矩电机。粗跟踪的工作摆角方位轴的转角范围为，俯仰轴转角范围为。检测机构为670x490的CCD，CCD视场范围为，角分辨率为这是在捕获阶段时的时差与角分辨率。当进入跟踪阶段时CCD的视场会进一步的缩小，精度会进一步提高视场达范围到达之前的1/10，角分辨率到达。设备在实施捕获、跟踪时系统能到达的跟踪精度是。复合轴的精跟踪局部采用的平面xy轴正交结构。双轴的执行电机为压电陶瓷，压电陶瓷的控制带宽可以到达一千甚至几千赫兹，其控制精度可以实现微弧度。精跟踪时系统的视场跟踪范围，控制带宽在1.5kHz，精跟踪检测机构为四象限光电探测器，在对目标实施跟踪时的跟踪精度到达。 〔3〕德国的TerraSAR-X激光通信终端 德国卫星搭载了一台激光通信终端与另一台搭载在美国的卫星上的通讯设备实现了LEO-LEO的通信试验，同时双方的通信终端都是德方研制的。这次试验采用的是直接通信光通信技术，也就是说脱离信标光，这就表达了整个系统的动态跟瞄精度极高，同时说明该终端的捕获能力也极为出色。通信终端如图1.3所示。 整个光电通信设备整体为一体化结构，包含光学组件与控制系统。粗跟踪的扫描范围为±180°，粗跟踪视场为，精跟踪视场为位于终端下部。 LCT结构示意图 〔4〕瑞士OPTEL激光通信终端 瑞士的OPTEL高性能激光通信终端的设计和开发建立是在瑞士空间中心ISLFE、OXL等空间工程根底上的。OPTEL系列激光终端包括短距离〔2023Km〕通信的OPTEL02，中距离〔25000Km〕通信的OPTEL25，以及长距离〔80000Km〕通信的OPTEL80。OPTEL25的外观示意图如图1.4所示，包括超前光学瞄准组件，粗精跟踪局部。粗跟踪采用二维指向镜结构，总重量为2.5Kg，方位轴摆动范围为，俯仰角范围，功耗5W。方位俯仰的角速度分别为，，角加速度为。精跟踪模块也是采用xy平面快反镜结构，角度偏转范围为，通过5k的探测器可以形成数百的闭环控制带宽。 OPTEL外部结构示意图 1.3 国内二维摆镜研究现状 从上世纪七十年代开始，国内就已经开始对光电跟踪系统的研究了。通过对光电跟踪系统领域的研究机构与高校的调研。国内的研究机构主要包括中国科学院光电所、长春光机所，高校主要集中在哈工大、武汉大学、电子科技大学。 中国科学院光电所从上世纪七十年代开始着手光电跟踪设备的研制。突破了一个个技术瓶颈，打破了国外的技术封锁，研制出第一台国内的光电经纬仪。而且像ATP技术、复合轴的驱动控制、自适应光电跟踪等技术都是在国内领先的。光电所研制的ATP设备对于机动目标的跟踪精度可以到达对于低速目标甚至是静止目标可以到达的跟踪精度。 哈工大的星间光通信技术实现了国内对于该技术的从无到有的过程。哈工大成功研制了用于星间光通信的模拟链路实验系统，为之后的星间光通信试验做准备。 电子科技大学也是最早开始从事激光通信技术研究的高校之一。研制的数字激光通信系统实现了近地双向3km的激光通信。该通信系统，其能够工作的摆动角度方位轴能实现的偏转，俯仰轴有的偏转，其指向精度为。 嫦娥方案中，嫦娥3号在13年12月14日实现了月球软着陆。嫦娥3号搭载的二维转台的扫描视场为15°的圆视场，转台的扫描范围俯仰轴有85°的摆动范围，方位轴的摆动范围是，°，采用的驱动电机为四相步进电机。 通过上述的调研二维摆镜的驱动电机的类型主要包括步进电机驱动、无刷直流电机驱动、压电陶瓷驱动、音圈电机如表 表1.1 电机性能比照 电机 步进电机 直流无刷电机 压电陶瓷 音圈电机 力矩波动 较大 较小 很小 很小 控制精度 角分级 角秒级 〔传感器精度〕 角秒级 〔传感器精度〕 角秒级 〔传感器精度〕 驱动方式 数字脉冲 三相矩形波 脉宽调制 脉宽调制、线性 控制电路 复杂程度 简单 换向时复杂 相对简单 相对简单 考虑到空间、星载的一些特殊应用环境，二维摆镜只需要一个有限摆角的工作范围，旋转音圈电机的运动模式也是有限角度的摆动这与二维摆镜是一致的，这能极大的简化摆镜系统的机械结构同时也能节省体积。 1.4 音圈电机的应用与控制方法 音圈电机因为其快速的动态响应以及极高的控制精度，被广泛应用于高精定位伺服系统中，在上述各国的空间工程中也能看到很多的ATP终端都因为音圈电机的高精度的特点被选择为执行电机。将旋转音圈电机应用于有限角摆幅的摆镜控制系统来说也是一个极佳的电机选择。 同时音圈电机的控制器闭环性能也随之有了更高的要求，相较于常用的直驱电机要求更快的响应速度，更高的定位精度，甚至对于超调量，稳态误差都有较高的需求。因此对于音圈电机的控制策略研究也得到了长促的开展。 光学自动对焦领域里