基于DSP/步进电机的连续变焦距系统设计

论文摘要

靶场测量中的变焦距系统主要用于弹道轨迹和航天设备运行轨迹的实时跟踪与测量，记录有效的图像及跟踪数据，为了在有效的观测范围内得到稳定、清晰的成像数据，必须对光学系统进行连续的调焦和变焦，由于传统凸轮变焦机构凸轮曲线本身的加工精度、装调精度限制和磨损后不易补偿等缺点制约，限制变焦距系统的拓展，这里就需要我们对原有的凸轮变焦系统进行改造或者升级，结合DSP、步进电机设计新型变焦距系统，使得光机系统整体精度提高且能够实时对焦距信息进行补偿，才能使靶场光测设备发挥其优良性能。随着图像处理技术、数字控制技术及精密加工的日益发展，变焦距镜头在精密跟踪测量领域得到了广泛的应用，国内外专家都致力于设计与研究体积小、控制灵活、精度高的变焦距光学系统。本文从变焦距光学系统的基本原理出发，介绍了光学补偿与机械补偿两种变焦方法，阐述了常见变焦距光学系统的类型、结构和变焦距系统的发展现状，结合DSP步进电机在变焦距光学系统中的最新应用，分析了电机直传技术在靶场光测设备应用的可行性。首先对连续变焦镜头及其控制系统的设计方法进行改进，基于DSP、步进电机的控制技术，设计了包括DSP、步进电机、步进电机驱动器、键盘控制、计算机通信、液晶显示模块为一体的变焦距数字控制系统，对变焦距系统增加了自锁模块，提高了控制系统的安全性与可靠性；其次对变焦距系统采用光路等效原理进行化简，通过分析变焦系统的误差源与物像位置关系，利用齐次坐标转换与矩阵运算合成光学元件总体误差，同时建立等效光学系统误差精度判断准则，从理论上变焦距系统精度；然后对新一代变焦系统光机结构进行设计分析，对镜筒、镜架、滑架等关键零件进行有限元分析和强度校核，使光机系统结构能够满足系统刚度和精度需求。在控制电路设计基础上，搭接控制系统试验平台，实验结果表明，改造后光机系统精度在0.01mm以内。本文突破了传统凸轮变焦镜头的设计思路，省去了中间繁琐的传动环节，提高了连续变焦距镜头的控制精度和集成度，为新一代变焦距镜头设计与开发提供思路和方法。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究目的

1.1.3 课题研究意义

1.2 变焦距系统简介

1.2.1 变焦距镜头的产生与发展

1.2.2 常见变焦距镜头优缺点分析

1.3 变焦距原理与实现形式

1.3.1 变焦距光学系统变焦原理

1.3.2 变焦距光学系统设计方法

1.3.3 变焦距光学系统最新动态

1.4 论文结构安排

第2章误差分配与精度分析

2.1 变焦距系统基本参数

2.2 光学系统误差对成像的影响

2.2.1 透镜沿 x 方向产生位置误差对成像的影响

2.2.2 透镜沿 y 方向产生位置误差对成像的影响

2.2.3 透镜垂直光轴转动误差θ对成像的影响

2.3 变焦距系统误差的分组与合成

2.3.1 变焦系统误差分配树

2.3.2 变焦系统误差合成

2.3.3 变焦望统误差分配

2.4 变焦距系统光学性能

2.5 变焦距系统误差检测

2.6 本章小结

第3章控制系统设计

3.1 控制系统研究与设计

3.1.1 控制系统概述

3.1.2 控制系统总体结构设计

3.1.3 控制系统特点

3.2 统控制系统硬件设计

3.2.1 串口通信设计

3.2.2 控制键盘设计

3.2.3 PWM 波形调制与事件管理器模块设计

3.2.4 显示模块设计

3.2.5 自锁模块设计

3.2.6 步进电机运动控制模块设计

3.2.7 驱动模块

3.2.8 步进电机的选择

3.2.9 控制系统保护电路设计

3.3 变焦系统控制系统软件设计

3.3.1 软件开发平台介绍

3.3.2 软件模块化设计

3.3.3 控制系统主程序设计

3.3.4 电机控制系统及其设计思想

3.4 本章小结

第4章结构设计

4.1 光机系统设计指标

4.2 光机系统总体结构

4.3 导向与传动结构设计分析

4.3.1 光机系统材料的选择

4.3.2 镜架设计

4.3.3 滑架的有限元分析

4.3.4 导轨与丝杠的设计分析

4.4 镜筒设计与分析

4.4.1 镜筒材料的选择

4.4.2 镜筒结构形式的选择

4.4.3 镜筒的有限元分析

4.4.4 镜筒的刚度与加固

4.5 新型变焦距光机结构特点

4.6 本章小结

第5章测试与分析

5.1 调试准备工作

5.2 程序调试

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文总结

6.2 后续工作展望

参考文献

在学期间学术成果情况

指导教师及作者简介

致谢

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