激光星间通信终端精瞄微定位系统关键技术的研究

论文摘要

微定位系统是当今科学研究和工程应用领域的热点。微定位系统应用领域主要有光学工程、微机械装配、精密检测、纳米科学研究、医疗科学与生物工程、半导体工业、航天航空等领域。激光星间通信是以激光为传输媒介,在卫星之间建立光通信链路,实现数据传输的技术。在激光星间通信系统中,APT技术是最为关键的技术之一,而在APT系统中,精瞄微定位技术是最为关键的技术之一,它直接决定了通信链路能否建立以及通信系统的性能。本课题为国家863计划701主题资助项目的子课题,在全面分析国内外激光通信和精瞄微定位技术发展现状的基础上,对激光星间通信精瞄微定位系统中的关键技术进行了研究,研究内容包括精瞄偏转镜结构设计、柔性环刚度模型的建立、精瞄偏转镜动力学建模与有限元分析、精瞄微定位驱动技术、微位移检测技术和智能控制方法等方面,并建立了精瞄微定位实验系统,进行了相关实验研究。首先在分析APT系统工作原理的基础上,提出采用复合轴控制结构执行激光通信的捕获、瞄准和跟踪任务。分析在捕获、瞄准和跟踪的不同阶段粗瞄准系统和精瞄微定位系统的协作方式,得出精瞄微定位系统的设计准则和技术指标要求。精瞄偏转镜是精瞄微定位系统的核心部件,通过精瞄偏转镜的偏转运动完成光路的调整。精瞄偏转镜采用四支压电陶瓷致动器驱动、铰链传动,通过柔性环的弹性变形实现激光反射镜面的偏转运动。该机构结构紧凑,由一整块合金钢通过电火花线切割工艺加工出铰链和柔性环,提供了传动的零摩擦、零间隙和高精度。通过结构力学分析,建立了精瞄偏转镜柔性环的刚度模型。通过矩阵位移法先得到1/8段柔性环的刚度矩阵,然后将单元刚度矩阵组集成总刚度矩阵。在此基础上,依据拉格朗日方程建立了精瞄偏转镜的动力学模型,分别得到了精瞄偏转镜沿Z轴平动和绕X、Y轴偏转的表达式,求出了精瞄偏转镜的前三阶固有频率。同时进行了精瞄偏转镜的模态分析和固有频率实验测试,通过三种方法得出的同阶固有频率数值误差小于10%,模态分析和实验测试验证了理论模型的正确性,表明精瞄偏转镜的动态性能指标满足设计要求。对精瞄微定位的驱动、检测和控制方法进行了研究,设计了精瞄微定位

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 空间激光通信及其APT 系统研究综述
• 1.2.1 国外空间激光通信及其APT 系统研究现状
• 1.2.2 国内空间激光通信及其APT 系统研究现状
• 1.3 精瞄微定位系统研究综述
• 1.3.1 精瞄微定位机构
• 1.3.2 动力学建模方法
• 1.3.3 微定位驱动及检测技术
• 1.3.4 微定位系统控制方法的研究
• 1.4 课题来源和本文主要研究内容
• 第2章 精瞄偏转镜机构设计及动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 精瞄微定位系统工作分析
• 2.2.1 APT 系统工作原理
• 2.2.2 精瞄微定位系统工作原理
• 2.2.3 设计准则
• 2.2.4 技术指标
• 2.3 精瞄偏转镜结构设计与建模
• 2.3.1 结构设计
• 2.3.2 精瞄偏转镜结构力学模型的建立与分析
• 2.4 精瞄偏转镜动力学建模与分析
• 2.4.1 动力学建模
• 2.4.2 模态分析
• 2.4.3 机构固有频率测试
• 2.5 本章小结
• 第3章 精瞄微定位控制系统电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 系统驱动电路的设计
• 3.2.1 驱动电路设计与分析
• 3.2.2 驱动电路实验研究
• 3.3 系统检测电路的设计
• 3.3.1 检测原理
• 3.3.2 检测电路设计
• 3.3.3 微位移检测模块标定实验
• 3.4 系统控制电路的设计
• 3.4.1 D/A 转换电路设计
• 3.4.2 A/D 转换电路设计
• 3.4.3 EPP 数字接口电路设计
• 3.5 EMC 设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 精瞄微定位控制方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 数字PID 控制方法
• 4.2.1 开环传递函数数学模型
• 4.2.2 数字PID 控制方法
• 4.3 模糊自整定PID 控制方法
• 4.3.1 模糊自整定PID 控制系统结构
• 4.3.2 基于MATLAB 的模糊控制器设计
• 4.3.3 模糊自整定PID 控制系统仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 精瞄微定位系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 精瞄微定位系统静态性能测试实验
• 5.2.1 实验系统组成
• 5.2.2 测试内容与数据分析
• 5.3 精瞄微定位系统动态性能测试实验
• 5.3.1 实验系统组成
• 5.3.2 测试方法
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历