基于MEMS加速度計(jì)的快速反射鏡復(fù)合控制

桂瀟怡 李偉鵬 鄭新濤 黃 海

北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院, 北京100191

快速反射鏡是光學(xué)成像系統(tǒng)、光通信系統(tǒng)中改變光束傳播方向與相位的關(guān)鍵器件，被廣泛用于天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)和激光發(fā)射系統(tǒng)[1]?？焖俜瓷溏R需要足夠高的帶寬精確跟蹤目標(biāo)并補(bǔ)償大氣湍流[2].在能量匯聚、相干光通信中需要保證足夠的面型精度[3-4]?？焖俜瓷溏R需要足夠大的角度以便于寬視場(chǎng)、高空間分辨率的紅外成像進(jìn)行像移補(bǔ)償[5]。

音圈電機(jī)與柔性鉸鏈組合結(jié)構(gòu)是大角度運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)方案。邱志成[6]指出傳感器與驅(qū)動(dòng)器的最佳尺寸和位置優(yōu)化配置是航天器撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制的主要問(wèn)題之一。音圈電機(jī)行程大，非接觸驅(qū)動(dòng)的方式更適合工作于振動(dòng)環(huán)境。柔性鉸鏈消除了運(yùn)動(dòng)過(guò)程的機(jī)械摩擦和部分非線性(如空程、遲滯、靜態(tài)阻力等)，從而可以獲得更高的位移分辨率[7]。此外，柔性鉸鏈無(wú)磨損、不需要潤(rùn)滑且工作溫度范圍廣，可靠性高于普通機(jī)械結(jié)構(gòu)[8]的優(yōu)點(diǎn)。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力一定情況下，所需反射鏡轉(zhuǎn)角越大，柔性鉸鏈工作方向剛度就要越小。

由于加工裝配的誤差，運(yùn)動(dòng)部分中心慣量軸與設(shè)計(jì)的實(shí)際轉(zhuǎn)軸難于完全重合。在實(shí)際應(yīng)用中，如機(jī)載車載、彈載等比較惡劣的振動(dòng)環(huán)境下[9]，擾源對(duì)反射鏡產(chǎn)生干擾力矩。干擾力矩對(duì)柔性鉸鏈剛度小的快速反射鏡造成的角振動(dòng)干擾更嚴(yán)重。Skormin等[10]采用自校正前饋控制法，用加速度計(jì)測(cè)量基座振動(dòng)進(jìn)行光抖動(dòng)補(bǔ)償，仿真結(jié)果顯示該方案提高了系統(tǒng)性能；Lee S等[11]用3個(gè)放在基座上的QA3000 加速度計(jì)輔助CCD閉環(huán)系統(tǒng)，研究表明慣性傳感器可有效補(bǔ)償振動(dòng)。Orzechowski等的研究表明[12],采用自適應(yīng)控制方法，引入加速度前饋可以有效提高快速反射鏡在線振動(dòng)環(huán)境下的控制精度和穩(wěn)定度。

然而上述方案在實(shí)際工程的運(yùn)用并不多見(jiàn)，主要原因之一是普通慣性器件計(jì)體積大、輔助電路復(fù)雜。MEMS(Micro-electro Mechanical Systems)加速度計(jì)是采用微機(jī)械加工技術(shù)制作的微型傳感器，具有體積小、重量輕、易于集成和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，在振動(dòng)測(cè)量中的應(yīng)用逐步增多，如集成在鏡體上等應(yīng)用[15]。音圈電機(jī)與柔性鉸鏈組合結(jié)構(gòu)的快速反射鏡對(duì)高頻干擾不敏感，重點(diǎn)考慮運(yùn)用MEMS 加速度計(jì)進(jìn)行低頻段補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)了一個(gè)橢圓鏡面的快速反射鏡樣機(jī)，如圖1所示。結(jié)合加速度前饋的振動(dòng)控制研究，首先描述了高帶寬和高精度、高集成度和振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性的快速反射鏡硬件設(shè)計(jì)。然后分析了振動(dòng)對(duì)大角度快速反射鏡的干擾特性，基于此提出通過(guò)2個(gè)加速度計(jì)前饋進(jìn)行光學(xué)抖動(dòng)抑制的方法，并描述了工程實(shí)用的采用自適應(yīng)方法調(diào)節(jié)MEMS加速度計(jì)前饋系數(shù)的控制策略。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的有效性與工程實(shí)用性。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 快速反射鏡簡(jiǎn)圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 高動(dòng)態(tài)特性的運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

反射鏡設(shè)計(jì)需要考慮獲得足夠的剛度與較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在使光學(xué)信號(hào)產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角的反射式光學(xué)系統(tǒng)中(常見(jiàn)45°)，反射鏡有效通光的區(qū)域是一個(gè)橢圓。本文將反射鏡設(shè)計(jì)為79mm×60mm的橢圓，使光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)折45°情況下保證50mm的有效通光口徑，同時(shí)留有一定余量。選取了比剛度大、加工性能優(yōu)良的6061鋁合金制作一體化的鏡面與鏡架。文獻(xiàn)[16-17]指出，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不平衡質(zhì)量將會(huì)引起轉(zhuǎn)子較大幅度的徑向振動(dòng)。因此理想情況是將橢圓反射鏡設(shè)計(jì)為兩軸等慣量。本文通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化獲得鏡架加強(qiáng)筋的位置與形狀，使驅(qū)動(dòng)力合理分布在鏡面上，保證鏡面較高的面型精度。拓?fù)鋬?yōu)化同時(shí)減小了橢圓反射鏡兩軸慣量的差距，使動(dòng)態(tài)特性與圓形反射鏡相近。

分布在長(zhǎng)軸的2個(gè)電機(jī)一推一拉共同驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部分繞短軸的運(yùn)動(dòng)，短軸同理。柔性軸系固連在短軸的動(dòng)子法蘭盤上，通過(guò)法蘭盤承擔(dān)鉸鏈的反作用力，以減少對(duì)反射鏡面型精度的影響。

采用4個(gè)電渦流傳感器測(cè)量鏡面轉(zhuǎn)角作為反饋，電渦流傳感器需要一定磁場(chǎng)空間，如圖2所示。將動(dòng)子與測(cè)量平面設(shè)計(jì)為不同高度以避免動(dòng)子對(duì)傳感器探測(cè)空間的電磁干涉。

圖3 柔性軸系機(jī)械結(jié)構(gòu)

快速反射鏡樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分中心慣量主軸距離設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸1.5mm，長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.44×10-5kg·m2，短軸慣量4.12×10-5kg·m2，兩軸慣量比0.928，質(zhì)量149克。按照?qǐng)D1中定義直角坐標(biāo)系：長(zhǎng)軸-短軸-Z軸。其中Z軸垂直鏡面，原點(diǎn)在橢圓中心，依據(jù)橢圓建立長(zhǎng)短軸方向。

1.2 基于MEMS加速度計(jì)的抗干擾設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將4個(gè)MEMS加速度計(jì)固連在底座上，長(zhǎng)軸、短軸各2個(gè)，如圖2。長(zhǎng)軸的2個(gè)MEMS 加速度計(jì)在高度Z軸上有一定間距(短軸同理)。此方案可同時(shí)測(cè)得平動(dòng)加速度與角加速度的干擾。

所需的4個(gè)加速度計(jì)由2個(gè)MEMS模塊提供，每個(gè)模塊體積15.3×15.3×2mm, 重0.7g。每個(gè)模塊中的MPU6050 芯片有三軸量程±16G的加速度計(jì)。有2%的軸間耦合與0.5%的非線性。模塊內(nèi)部的16位ADC以1000Hz頻率采樣MPU6050信號(hào)，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波器后輸出數(shù)字信號(hào)(200Hz輸出)。

以高精壓電加速度計(jì)CA-YD-103(GST)作為標(biāo)準(zhǔn)， MEMS 加速度計(jì)約13ms的延遲，輸出幅值在50Hz處-3dB衰減。CA-YD-103(GST)加速度計(jì)雖然性能優(yōu)異，但重14g，且需要相應(yīng)的采樣、濾波電路，因此在快速反射鏡系統(tǒng)中工程實(shí)用性低。

1.3 柔性軸系設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)采用Cross-Spring Flexural Pivot(CSFP)為基礎(chǔ)[18]構(gòu)造柔性軸系。CSFP是一個(gè)圓柱分為2段，2段圓柱間可以相對(duì)扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸就是圓柱的軸線。CSFP柔性鉸鏈運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角大，且在旋轉(zhuǎn)時(shí)軸心非常穩(wěn)定[19]。

柔性軸系采用4個(gè)C-Flex Bearing A-30 CSFP通過(guò)中心的鋁制連接塊組合起來(lái)。在同一軸線上的2個(gè)CSFP構(gòu)成一組，承擔(dān)這個(gè)軸線方向的扭轉(zhuǎn)。CSFP一組與鏡體相連，另一組與基座固定，這樣就實(shí)現(xiàn)了鏡體相對(duì)于2個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)柔性軸系可以滿足兩軸±3.7°范圍的轉(zhuǎn)角。

經(jīng)過(guò)有限元分析，6個(gè)方向的剛度如表1所示。非工作方向的扭轉(zhuǎn)剛度是工作方向扭轉(zhuǎn)剛度100倍以上。柔性軸系第一階局部模態(tài)頻率9442Hz，滿足高頻控制要求。

表1 柔性軸系剛度表

2 運(yùn)動(dòng)部分的動(dòng)態(tài)特性

2.1 有限元分析

本研究使用Patran&Nastran軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)部分有限元分析。表2列出前8階模態(tài)，從分析結(jié)果可知，快速反射鏡運(yùn)動(dòng)部分所有零部件的局部模態(tài)大于5kHz，可滿足高頻控制要求。

2.2 系統(tǒng)模型與辨識(shí)

設(shè)計(jì)高帶寬控制的快速反射鏡需要考慮音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與輸出力的耦合關(guān)系效應(yīng)：

(1)

式中，L為參數(shù)電感；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；l為電機(jī)線圈長(zhǎng)度。

實(shí)際運(yùn)用中將其作為慣性環(huán)節(jié)，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)獲得參數(shù)。使用柔性鉸鏈的快速反射鏡是典型的“mass-spring”二階系統(tǒng)[20]。因此，整個(gè)系統(tǒng)可以用式(2)表示：

(2)

式中，k是比例系數(shù)，表示控制系統(tǒng)數(shù)字量與實(shí)際轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

對(duì)圖1的樣機(jī)采用白噪聲系統(tǒng)辨識(shí)方法獲得上述傳遞函數(shù)的系數(shù)。運(yùn)用Matlab系統(tǒng)辨識(shí)工具包求得兩軸傳遞函數(shù)：

(3)

(4)

圖4 系統(tǒng)辨識(shí)短軸幅頻與相頻特性

短軸的幅頻特性與相頻特性如圖4所示。出現(xiàn)峰值的頻率與有限元結(jié)果相符，第3～6階模態(tài)并沒(méi)有影響兩軸動(dòng)態(tài)特性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 振動(dòng)環(huán)境中轉(zhuǎn)軸位置對(duì)穩(wěn)定性的影響

最佳設(shè)計(jì)是使轉(zhuǎn)軸與中心慣量主軸重合。其優(yōu)點(diǎn)是：

1)兩軸運(yùn)動(dòng)不會(huì)耦合。Loney G C[21]詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)軸與中心慣量主軸位置關(guān)系對(duì)于系統(tǒng)特性的影響。影響兩軸運(yùn)動(dòng)耦合的因素有2點(diǎn)：轉(zhuǎn)軸與中心慣量主軸位置、兩軸模態(tài)頻率。轉(zhuǎn)軸與中心慣量主軸距離越小，耦合越?。粌奢S模態(tài)頻率相差越大，耦合越小。為了方便設(shè)計(jì)與控制，希望兩軸模態(tài)頻率一樣或相近——這樣的話鏡體是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，控制算法簡(jiǎn)單；

2)轉(zhuǎn)軸與中心慣量主軸重合時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，動(dòng)態(tài)性能最好。用Jp表示中心慣量主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，那么其它轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

Jm=Jp+md2

(5)

其中，m是運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量，d是轉(zhuǎn)軸距離中心慣量主軸的距離。

由于加工裝配的誤差，運(yùn)動(dòng)部分的中心慣量主軸會(huì)稍微偏離柔性軸系的實(shí)際轉(zhuǎn)軸。在振動(dòng)環(huán)境下，基座所受到的干擾加速度將對(duì)運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生干擾力矩，降低工作精度?；羌铀俣犬a(chǎn)生的干擾力矩正比于角加速度大小，平動(dòng)加速度產(chǎn)生的干擾力矩正比于平動(dòng)加速度與轉(zhuǎn)軸偏心距的乘積。d越大，平動(dòng)加速度所產(chǎn)生的干擾力矩越大。為了使快速反射鏡實(shí)現(xiàn)大角度，受驅(qū)動(dòng)器功率的限制，需要柔性鉸鏈的剛度低，這導(dǎo)致干擾力矩產(chǎn)生的角擾動(dòng)更大。在反饋式控制系統(tǒng)中，雖然電渦流傳感器測(cè)量到振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)角的干擾后會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償，但這個(gè)方法有滯后性，補(bǔ)償效果有限。

研究表明[22-23]，引入加速度反饋可以有效提高指向穩(wěn)定性與精度。理論上對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行2次微分可獲得角加速度，但在實(shí)際上受到硬件限制而得不到足夠的精度[23]。因此需要使用慣性傳感器如陀螺儀、加速度計(jì)等直接測(cè)量擾動(dòng)，進(jìn)行前饋補(bǔ)償?！耙羧﹄姍C(jī)-柔性鉸鏈”的快速反射鏡結(jié)構(gòu)對(duì)高頻干擾不敏感，在高頻段以-60dB/dec的速度衰減，本研究針對(duì)低頻的環(huán)境振動(dòng)干擾進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 基座擾動(dòng)抑制原理

本文所述的振動(dòng)環(huán)境下工作穩(wěn)定是指鏡面相對(duì)基座的轉(zhuǎn)角不變，因此將MEMS加速度計(jì)固連在基座上測(cè)量其擾動(dòng)。參照?qǐng)D2干擾源使基座產(chǎn)生繞未知軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度α。

由于中心慣量主軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸有d的距離，因此基座在機(jī)械轉(zhuǎn)軸處具有b平動(dòng)加速度與β角加速度。整體的角加速度相等，即

β=α

(6)

對(duì)于干擾角加速度α，其等效干擾力矩為：

M1=Jmβ

(7)

其中，Jm是鏡體相對(duì)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

對(duì)于平動(dòng)加速度b，對(duì)于質(zhì)量m的鏡體而言，鏡體在與機(jī)械轉(zhuǎn)軸連接處受到水平的力F，同時(shí)在鏡體質(zhì)心產(chǎn)生水平加速度b1與角加速度β1，其中，

(8)

其中，Jp是鏡體相對(duì)中心慣量主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。等效干擾力矩為：

(9)

通過(guò)電機(jī)補(bǔ)償光學(xué)抖動(dòng)的扭矩M：

(10)

為了測(cè)得平動(dòng)加速度b與角加速度β。在基座上布置2個(gè)間距為L(zhǎng)2的MEMS加速度計(jì)，測(cè)量水平方向的平動(dòng)加速度，其測(cè)量值分別為aMEMS1與aMEMS2，那么

(11)

(12)

將式(11)和(12)得到的b與β帶入(10)式, 補(bǔ)償扭矩可表示為：

M=K1aMEMS1+K2aMEMS2

(13)

因此，補(bǔ)償力矩實(shí)際是2個(gè)加速度計(jì)信號(hào)的線性組合。由于上式所需參數(shù)并不能準(zhǔn)確得到，本研究采用自適應(yīng)法來(lái)調(diào)節(jié)K1與K2。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5是短軸的控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖(長(zhǎng)軸類似，僅參數(shù)上存在微小差別，下文所述的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是短軸的)?？刂葡到y(tǒng)有2個(gè)回路：PID反饋回路、自適應(yīng)前饋回路。其中PID的反饋信號(hào)通過(guò)電渦流傳感器獲得，自適應(yīng)前饋信號(hào)通過(guò)MEMS加速度計(jì)獲得。圖中灰色區(qū)域是自適應(yīng)前饋回路。

3.3.1 PID 控制器

快速反射鏡要求快速無(wú)超調(diào)的跟蹤目標(biāo)。反饋回路可以選取多種不同的控制器，如自抗擾控制器、模糊控制器等。為了驗(yàn)證本文描述的加速度自適應(yīng)前饋方法的普適性，這里使用能夠滿足跟蹤性能要求，參數(shù)整定簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性和魯棒性易于分析及保證的傳統(tǒng)PID控制器為基礎(chǔ)閉環(huán)，其參數(shù)為：

P=4.0,I=16.8,D=0.022。

這一組PID參數(shù)在快速反射鏡精確指向與掃描模式下性能優(yōu)異。參數(shù)選取按照吳瓊雁[20]描述的方法，選取與反射鏡中的二階振蕩環(huán)節(jié)相消的參數(shù)作為初值。然后結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，并參考PID閉環(huán)后的系統(tǒng)頻域特性，按照式(2)的三階系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)得到。

3.3.2 自適應(yīng)前饋回路

當(dāng)基座受到振動(dòng)干擾時(shí)，基座受到的加速度經(jīng)過(guò)柔性軸系對(duì)反射鏡產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力。MEMS加速度計(jì)測(cè)量基座受到的加速度，乘以系數(shù)K后，經(jīng)過(guò)音圈電機(jī)產(chǎn)生補(bǔ)償力矩抵消振動(dòng)產(chǎn)生的干擾力矩。

系數(shù)K采用 LMS (Least Mean Square)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該算法迭代公式為：

u(n)=KT(n)aMEMS(n)

(14)

K(n+1)=K(n)+μaMEMS(n)e(n)

(15)

μ是調(diào)節(jié)步長(zhǎng)；e(n)是期望信號(hào)與實(shí)際輸出信號(hào)的誤差。

為了得到e(n)，引入?yún)⒖寄Ｐ?。參考模型包括?shí)際系統(tǒng)的PID控制器、VCA模型、快速反射鏡模型與反饋，不包括振動(dòng)干擾部分，即參考模型輸出不受干擾時(shí)的期望信號(hào)。

圖5 控制系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

4 控制仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

實(shí)驗(yàn)如圖1，將快速反射鏡樣機(jī)放在激振平臺(tái)上。高精度壓電式加速度計(jì)CA-YD-103(GST) 放置在平臺(tái)上作為加速度基準(zhǔn)。通過(guò)JZK50激振器使平臺(tái)產(chǎn)生1.5G(15m/s2)的正弦平動(dòng)加速度與20 rad/s2角加速度：

(16)

整個(gè)系統(tǒng)以15kHz的速率運(yùn)行。使用線性插值將MEMS 加速度計(jì)200Hz數(shù)字信號(hào)接入系統(tǒng)。以理論估值初始化K(0)=[-0.0033,0.0030]T開(kāi)始進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖5中的控制模型沒(méi)有給出MEMS加速度計(jì)的延遲與線性插值模塊，也沒(méi)有給出限制電機(jī)最大輸出力、單位轉(zhuǎn)換等模塊。這些模塊在仿真模型中是存在的。此外，由于MEMS加速度計(jì)存在靜態(tài)噪聲，當(dāng)外擾加速度小于0.1G和1 rad/s2時(shí)，自適應(yīng)前饋回路并不工作。

4.2 性能測(cè)試

圖6與7展示了仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。使反射鏡保持固定轉(zhuǎn)角，置于上述振動(dòng)環(huán)境，前0.3s僅僅使用PID控制，從0.3s后自適應(yīng)前饋回路開(kāi)始工作。在仿真中，僅有PID工作時(shí)，干擾使反射鏡產(chǎn)生了峰-峰±0.0180°的抖動(dòng)。當(dāng)PID與自適應(yīng)前饋同時(shí)工作時(shí)，抖動(dòng)減小為±0.0114°。在實(shí)驗(yàn)中，僅有PID工作時(shí)，干擾使反射鏡產(chǎn)生了峰-峰±0.0175°的抖動(dòng)。當(dāng)PID與自適應(yīng)前饋同時(shí)工作時(shí)，抖動(dòng)減小為±0.0109°。在不加控情況下，振動(dòng)會(huì)使得反射鏡產(chǎn)生峰-峰±2.47°的抖動(dòng)，也就是說(shuō)，PID反饋回路對(duì)鏡面抖動(dòng)的抑制達(dá)-42.8dB，增加自適應(yīng)前饋補(bǔ)償后，對(duì)鏡面抖動(dòng)的抑制達(dá)-47.0dB。

對(duì)于其他工況，仿真結(jié)果顯示該方案可以有效減小2～15Hz的干擾。此外，降低MEMS加速度計(jì)的延遲、提高采樣率可以有效提高抖動(dòng)抑制效果并提高抗擾帶寬。因此，隨著MEMS加速度計(jì)性能提升，這個(gè)方案的抖動(dòng)抑制效果有提高的空間。

圖6 仿真結(jié)果

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 階躍響應(yīng)

對(duì)樣機(jī)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，快速反射鏡兩軸可達(dá)±3.2°機(jī)械轉(zhuǎn)角，分辨率優(yōu)于1”。從0°至1°的階躍響應(yīng)特性如圖8所示，經(jīng)過(guò)約26ms時(shí)間后角度誤差小于±0.2% ，且140ms 后達(dá)到穩(wěn)態(tài)誤差小于 ±0.0005°。此外，樣機(jī)存在0.4%的最大非線性誤差與最大1.2%的兩軸耦合。

5 結(jié)論

闡述了具有工程實(shí)用意義的大角度、 高動(dòng)態(tài)特性及抗振動(dòng)干擾的快速反射鏡關(guān)鍵技術(shù)研究。結(jié)構(gòu)上，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)與 Cross-Spring Flexural Pivot型柔性鉸鏈?zhǔn)侵谱鞔蠼嵌瓤焖俜瓷溏R的優(yōu)選方案。為了獲得高動(dòng)態(tài)特性，本文通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化減小鏡體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且使橢圓形反射鏡的兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量差小于10%，同時(shí)保證了面型精度。

分析了大角度快速反射鏡在振動(dòng)環(huán)境中工作精度低的原因。基于此提出了通過(guò)MEMS加速度計(jì)測(cè)量基座振動(dòng)，從控制上進(jìn)行自適應(yīng)前饋補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā７抡婧蛯?shí)驗(yàn)證明，該方法可以有效提高大角度快速反射鏡在振動(dòng)環(huán)境中的工作穩(wěn)定性。

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