激光星間通信終端精瞄微定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、微定位系統(tǒng)是當(dāng)今科學(xué)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域的熱點。微定位系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域主要有光學(xué)工程、微機(jī)械裝配、精密檢測、納米科學(xué)研究、醫(yī)療科學(xué)與生物工程、半導(dǎo)體工業(yè)、航天航空等領(lǐng)域。
　　激光星間通信是以激光為傳輸媒介，在衛(wèi)星之間建立光通信鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。在激光星間通信系統(tǒng)中，APT技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，而在APT系統(tǒng)中，精瞄微定位技術(shù)是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，它直接決定了通信鏈路能否建立以及通信系統(tǒng)的性能。
　　本課題為國家863

2、計劃701主題資助項目的子課題，在全面分析國內(nèi)外激光通信和精瞄微定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對激光星間通信精瞄微定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研究內(nèi)容包括精瞄偏轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計、柔性環(huán)剛度模型的建立、精瞄偏轉(zhuǎn)鏡動力學(xué)建模與有限元分析、精瞄微定位驅(qū)動技術(shù)、微位移檢測技術(shù)和智能控制方法等方面，并建立了精瞄微定位實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)實驗研究。
　　首先在分析APT系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出采用復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)執(zhí)行激光通信的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤任務(wù)

3、。分析在捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤的不同階段粗瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和精瞄微定位系統(tǒng)的協(xié)作方式，得出精瞄微定位系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則和技術(shù)指標(biāo)要求。精瞄偏轉(zhuǎn)鏡是精瞄微定位系統(tǒng)的核心部件，通過精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動完成光路的調(diào)整。精瞄偏轉(zhuǎn)鏡采用四支壓電陶瓷致動器驅(qū)動、鉸鏈傳動，通過柔性環(huán)的彈性變形實現(xiàn)激光反射鏡面的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，由一整塊合金鋼通過電火花線切割工藝加工出鉸鏈和柔性環(huán)，提供了傳動的零摩擦、零間隙和高精度。
　　通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，建立了精瞄偏轉(zhuǎn)

4、鏡柔性環(huán)的剛度模型。通過矩陣位移法先得到1/8段柔性環(huán)的剛度矩陣，然后將單元剛度矩陣組集成總剛度矩陣。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)拉格朗日方程建立了精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的動力學(xué)模型，分別得到了精瞄偏轉(zhuǎn)鏡沿Z軸平動和繞X、Y軸偏轉(zhuǎn)的表達(dá)式，求出了精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的前三階固有頻率。同時進(jìn)行了精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的模態(tài)分析和固有頻率實驗測試，通過三種方法得出的同階固有頻率數(shù)值誤差小于10％，模態(tài)分析和實驗測試驗證了理論模型的正確性，表明精瞄偏轉(zhuǎn)鏡的動態(tài)性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

5、>　　對精瞄微定位的驅(qū)動、檢測和控制方法進(jìn)行了研究，設(shè)計了精瞄微定位控制系統(tǒng)的驅(qū)動、檢測和控制電路，并針對驅(qū)動電路的動、靜態(tài)性能進(jìn)行了測試研究，對檢測電路進(jìn)行了標(biāo)定實驗。
　　進(jìn)行了精瞄微定位控制方法研究。推導(dǎo)出壓電陶瓷致動器從電壓輸入到驅(qū)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生位移的開環(huán)傳遞函數(shù)；搭建了精瞄微定位系統(tǒng)，分別采用數(shù)字PID控制方法和模糊自整定PID控制方法進(jìn)行研究，通過SIMULINK仿真證明本課題設(shè)計的模糊自整定PID控制器具有較小的超調(diào)量和