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《中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)》 2020年
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舰载激光通信视轴稳定控制技术研究

张建强  
【摘要】:视轴稳定控制技术是激光通信系统的关键技术,该控制技术目标实现激光通信端机之间建立收发链路并在长时间内高精度对准,是实现激光通信的前提条件。但是,在复杂海况环境下,舰载激光通信系统受海浪摇摆、船体运动导致的六自由度姿态扰动及系统内部非线性扰动的影响,激光视轴不能稳定于目标终端探测器靶面,导致激光通信技术不能成功实现。对于克服复杂海况环境和保证高精度视轴对准指标的双重要求,传统的控制策略已经不能满足激光通信视轴对准精度的设计需要,因此必须研究有效的现代控制方法建立激光通信视轴稳定控制系统实现视轴高精度控制。本文从以下四个方面进行研究分析以提高激光视轴的对准精度:其一,研究高精度伺服转台控制技术,该技术是实现视轴高精度跟踪控制的基础和保证。转台伺服控制器采用现代控制的设计思想,将力矩不均、摩擦力、系统参数摄动等非线性扰动统一归结为非线性因素进行理论研究,通过设计鲁棒性强的滑模控制算法实现对非线性扰动的整体抑制,进而保证对伺服转台的高精度控制。其二,研究海浪及舰船运动姿态扰动前馈补偿技术,该技术为姿态扰动一级隔离技术。本文分别分析海浪导致的船体艏摇、横摇、纵摇以及舰船前进、横漂、起伏运动对视轴稳定性的影响,采用欧拉角解算方法建立姿态转移矩阵并数据解耦推算出六自由度姿态扰动视轴模型,最后通过前馈速度补偿控制实现视轴初级稳定。其三,研究高精度视轴稳定控制技术,该技术属于姿态扰动二级隔离技术,也是激光通信控制系统粗跟踪控制技术。该技术本质上为位置环控制技术,即将图像脱靶量及转台位置融合数据作为信息源,通过设计高精度控制器控制目标光斑始终处于探测器靶面中心,实现激光视轴高精度对准。其四,研究脱靶量数据滞后补偿技术,由于探测器光电转换时间,脱靶量滞后编码器数据,该问题会导致控制系统精度降低,视轴稳定性变差。为此,本文基于目标光斑运动模型及自适应卡尔曼预测滤波算法建立了共轴跟踪控制系统,该系统能有效估计脱靶量滞后数据,进一步提高了视轴对准精度和系统的稳定性。本文在研究中分别开展了高精度转台伺服控制实验、等效海况视轴初级稳定实验、高精度视轴稳定控制实验,实验结果证明本文控制策略能有效隔离海浪姿态扰动及系统内部非线性扰动对视轴精度的影响,充分满足激光通信视轴对准精度指标要求,为后续激光通信技术的研究与实践提供有力支撑。并且,实验结论进一步验证了本文提出的新型无抖振滑模控制算法、新型快速滑模控制算法、视轴姿态扰动模型、自适应卡尔曼滤波算法的有效性。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2020
【分类号】:TN929.1;U675.75

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