CN116661016A - 一种非复合轴光电跟踪机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非复合轴光电跟踪机构及其控制方法，包括快反镜，镜头，相机，光纤准直器，固定光纤准直器装置，固定相机装置以及外壳；快反镜与固定相机装置固定在外壳后板上；镜头与相机通过固定销连接；相机与固定光纤准直装置固安于固定相机装置上；外壳整体为盒体结构，起遮光作用；外壳前板在快反镜的反射镜的正前方处设有筒状结构，方便光线进入；由快反镜、相机以及镜头构成信标接收光路；接收光路经快反镜反射后进入探测器组件最终于焦平面成像。机构有四种工作模式：休眠模式、捕获模式、瞄准模式及事件驱动模式。该机构以更小的体积、质量和更低的能耗实现对光束的精确指向控制，实现对目标的捕获、瞄准和跟踪，适用于微小卫星平台。

Description

一种非复合轴光电跟踪机构及其控制方法

技术领域

本发明属于光束控制领域，具体涉及一种非复合轴光电跟踪机构及其控制方法。

背景技术

两维精密指向机构在光电跟踪测量、高分辨率成像以及激光光通信等领域都得到了广泛应用。随着应用需求的不断提高，要求指向机构的指向精度越来越高。当前，主要是通过二维粗指向机构(U型架/摆镜)融合快速偏转反射镜构成复合轴系统(捕获、瞄准、跟踪系统，简称ATP系统)，以达到大范围、高精度的指向；但是这种系统的结构复杂，体积、质量大。随着无人机、浮空平台、卫星平台的发展，要求ATP系统向lowSWaP(即小体积、轻质量、低功耗)的方向发展，因此，迫切需要研制一种非复合轴光电跟踪机构，即用一个机构代替传统的复合轴系统，在实现大角度偏转的同时，保证高精度指向。

基于此，本发明提出了一种非复合轴光电跟踪机构，该发明将有助于解决传统复合轴系统因体积大、质量大而无法应用于微小卫星的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种非复合轴光电跟踪机构，该机构具有结构紧凑、质量轻、行程范围大、精度高、低功耗等特点。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种非复合轴光电跟踪机构，包括：快反镜，镜头，与镜头相连的相机，光纤准直器，固定光纤准直器装置，固定相机装置以及外壳；所述快反镜固定在外壳后板上，反射镜倾斜设置，镜面与外壳后板呈45°夹角；所述固定相机装置固定在外壳后板上；所述镜头与相机通过固定销连接，且镜头位于快反镜反射镜的正下方；相机固定安装于固定相机装置上；所述固定光纤准直装置通过螺钉固定在固定相机装置上；所述光纤准直器通过螺钉固定在固定光纤准直装置上；所述外壳7整体为盒体结构，主要起遮光作用；所述外壳由顶、底、两个侧面、前、后六个板以及六个安装块构成，六个板通过安装块固定成盒体；底板设置有用于出线的孔；前板在快反镜的反射镜的正前方处设有筒状结构，方便光线进入；由快反镜、相机以及镜头构成信标接收光路；所述接收光路经快反镜反射后进入探测器组件最终于焦平面成像。

进一步地，所述快反镜，包括：挡片，反射镜，镜座，压电步进式作动器，蝶形柔性虎克铰链以及底座；所述挡片具有两个安装孔，通过螺钉与镜座连接；所述挡片呈L形，与反射镜镜面不接触，之间存在间隙，主要起到避免反射镜在工作过程中由于脱胶掉落砸坏下方设备的作用；所述反射镜粘接于镜座上；所述蝶形柔性虎克铰链位于整个结构的正中心，上、下两端都有螺纹孔，通过螺钉分别与镜座和底座连接；所述蝶形柔性虎克铰链，共两个转动自由度，在作为运动副的同时也对反射镜提供支撑力；所述压电步进式作动器共有四个，以蝶形柔性虎克铰链为中心对称均匀分布，通过螺钉，上端与镜座连接，下端与底座固定连接；所述底座的工作面与安装面呈45°夹角，以保证反射镜能够倾斜放置，且镜面与外壳后板呈45°；所述底座的工作面设置有用于出线的孔；两侧设置有用于减重的凹槽；安装面设置有安装孔，通过螺钉将底座固定在外壳的后板上。

所述一种粗精一体的两维精密指向机构，其工作模式为：

工作模式一(休眠模式)：此时所述机构断电自锁，不进入开机状态；

工作模式二(捕获模式)：根据星历信息，结合自身姿态角获取与目标在方位/俯仰方向的角度差，通过给四个步进式压电作动器的各个压电堆输入指定的信号，从而使作动器以蠕动的方式，进行运动累积(即大行程步进模式)，直到目标进入到视场内；

工作模式三(瞄准模式)：当目标在视场内，但不在视场中心时，通过给四个步进式压电作动器的各个压电堆输入指定的信号，使快反镜进行小范围快速高精度偏转(即线性工作模式)，直到目标移至视场中央；

工作模式四(事件驱动模式)：由于整个运动过程中，两维指向机构和目标都在不断抖动，当目标移动到视场事件驱动域的边缘(即事件驱动阈值)时，快反镜触发步进模式，向着目标方向步进一步，使目标进入视场域内，随后，机构进入线性工作模式，直到目标移至视场中央；

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明提出的一种非复合轴光电跟踪机构，具有结构紧凑、质量轻、行程范围大、精度高、低功耗等特点，适用于微小卫星平台。

2、本发明提出的一种非复合轴光电跟踪机构，可取代传统的复杂的复合轴系统，以更小的体积、质量和更低的能耗实现对光束的精确指向控制，在相应信号引导下，实现对目标的捕获、瞄准和跟踪。

3、本发明提出的一种非复合轴光电跟踪机构，采用了大量柔性铰链作为连接运动部件，具有无摩擦无间隙等优点，增加了结构柔性一定程度上降低了外界环境振动对反射镜的影响。

附图说明

图1为本发明的一种非复合轴光电跟踪机构的整体结构示意图；

图2为本发明的快反镜结构示意图；

图3为本发明的压电步进式作动器结构示意图；

图4为工作模式二原理及该模式下某一步进式压电作动器伸长一个周期的通电时序图，图4中(a)工作模式二原理示意图，图4中(b)为该模式下某一步进式压电作动器伸长一个周期的通电时序图；

图5为工作模式三原理及该模式下某一步进式压电作动器伸长的通电时序图，图5中(a)为工作模式三原理示意图，图5中(b)为该模式下某一步进式压电作动器伸长的通电时序图；

图6为工作模式四原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种非复合轴光电跟踪机构，包括：快反镜1，镜头2，与镜头2相连的相机3，光纤准直器4，固定光纤准直器装置5，固定相机装置6以及外壳7；所述快反镜1固定在外壳7后板上，反射镜1-2倾斜设置，镜面与外壳7后板呈45°夹角；所述固定相机装置6固定在外壳7后板上；所述镜头2与相机3通过固定销连接，且镜头2位于快反镜1反射镜1-2的正下方；相机3固定安装于固定相机装置6上；所述固定光纤准直装置5通过螺钉固定在固定相机装置6上；所述光纤准直器4通过螺钉固定在固定光纤准直装置5上；所述外壳7整体为盒体结构，主要起遮光作用；所述外壳7由顶、底、两个侧面、前、后六个板以及六个安装块构成，六个板通过安装块固定成盒体；底板设置有用于出线的孔；前板在快反镜1的反射镜1-2的正前方处设有筒状结构，方便光线进入；由快反镜1、相机3以及镜头2构成信标接收光路，所述信标接收光路经快反镜1反射后进入探测器组件最终于焦平面成像。

如图2所示，所述快反镜1，包括：挡片1-1，反射镜1-2，镜座1-3，压电步进式作动器1-4，蝶形柔性虎克铰链1-5以及底座1-6；所述挡片1-1具有两个安装孔，通过螺钉与镜座1-3连接；所述挡片1-1呈L形，与反射镜1-2镜面不接触，之间存在间隙，主要起到避免反射镜1-2在工作过程中由于脱胶掉落砸坏下方设备的作用；所述反射镜1-2粘接于镜座1-3上；所述蝶形柔性虎克铰链1-5位于整个结构的正中心，上、下两端都有螺纹孔，通过螺钉分别与镜座1-3和底座1-6连接；所述蝶形柔性虎克铰链1-5，共两个转动自由度，在作为运动副的同时也对反射镜1-2提供支撑力；所述压电步进式作动器1-4共有四个，以蝶形柔性虎克铰链1-5为中心对称均匀分布，通过螺钉，上端与镜座1-3连接，下端与底座1-6固定连接；所述底座1-6的工作面与安装面呈45°夹角，以保证反射镜1-2能够倾斜放置，且镜面与外壳7后板呈45°夹角；所述底座1-6的工作面设置有用于出线的孔；两侧设置有用于减重的凹槽；安装面设置有安装孔，通过螺钉将底座1-6固定在外壳7的后板上。

如图3所示，所述压电步进式作动器1-4，包括：基座1-4-1、箝位机构1-4-2、驱动机构1-4-6、箝位压电堆Ⅰ1-4-5、箝位压电堆Ⅱ1-4-3以及驱动压电堆1-4-4；所述基座1-4-1通过螺钉下端与快反镜底座1-6固定连接，上端与箝位机构1-4-2的一侧固定连接；所述箝位机构1-4-2由箝位机构Ⅰ、箝位机构Ⅱ及固连两个箝位机构的机架一体化加工而成；所述箝位机构Ⅰ和箝位机构Ⅱ内各安装一个箝位压电堆箝位压电堆Ⅰ1-4-5和箝位压电堆Ⅱ1-4-3，原始状态下，两个箝位机构紧紧压在驱动机构1-4-6的两端上方，使驱动机构1-4-6无法移动，箝位压电堆Ⅰ1-4-5、箝位压电堆Ⅱ1-4-3通电后伸长，往上顶开箝位机构Ⅰ、Ⅱ，解除箝位状态，此时驱动压电堆2-4通电伸长(或缩短)，输出位移；所述驱动机构1-4-6两端各有一个空心长方体结构，两个箝位压电堆Ⅰ、Ⅱ垂直放置其中，中间为桥式柔性结构，桥式柔性结构中间安装驱动压电堆1-4-4；所述驱动机构1-4-6上端为虎克铰链；所述驱动机构1-4-6上端有两个安装孔，通过螺钉与快反镜镜座1-3固定连接。

如图4-6所示，所述一种非复合轴光电跟踪机构，其工作模式为：

工作模式一(休眠模式)：此时所述机构断电自锁，不进入开机状态；

工作模式二(捕获模式)：根据星历信息，结合自身姿态角获取与目标在方位/俯仰方向的角度差，通过给四个步进式压电作动器1-4的各个压电堆输入指定的信号，从而使作动器1-4以蠕动的方式，进行运动累积(即大行程步进模式)，直到目标进入到视场内；以其中一个向上运动的作动器为例，该模式下，作动器工作方式为：第一步,箝位机构Ⅰ通电，箝位压电堆Ⅰ1-4-5逐渐伸长，柔性箝位部分受力变形，往上运动，离开驱动机构1-4-6，解除箝位状态；第二步，驱动机构1-4-6通电，驱动压电堆1-4-4伸长，朝箝位机构Ⅰ方向进给了一个位移；第三步，箝位机构Ⅰ断电，箝位压电堆Ⅰ1-4-5缩短，恢复箝位状态；第四步，箝位机构Ⅱ通电，箝位压电堆Ⅱ1-4-3伸长，柔性箝位部分受力变形，往上运动，离开驱动机构1-4-6解除箱位状态；第五步，驱动机构1-4-6断电，驱动压电堆1-4-4缩短，恢复成原始状态；第六步，箝位机构Ⅱ断电，箝位压电堆Ⅱ1-4-3缩短，恢复箝位状态，三个压电堆恢复原始状态，压电作动机构完成一次进给运动，输出位移S；通过重复以上步骤，压电步进式作动器可通过连续进给实现大行程位移输出(作动器向下运动时，其工作方式同理)；

工作模式三(瞄准模式)：当目标在视场内，但不在视场中心时，通过给四个步进式压电作动器1-4的各个压电堆输入指定的信号，使快反镜1进行小范围快速高精度偏转(即线性工作模式)，直到目标移至视场中央；以其中一个向上运动的作动器为例，该模式下，作动器工作方式为：第一步,箝位机构Ⅰ通电，箝位压电堆Ⅰ1-4-5伸长，柔性箝位部分受力变形，往上运动，离开驱动机构，解除箝位状态；第二步，驱动机构1-4-6通电，施加一个线性驱动信号，驱动压电堆1-4-4进行微调，直至将目标移至视场中心；第三步，箝位机构Ⅰ断电，箝位压电堆Ⅰ缩短，恢复箝位状态；

工作模式四(事件驱动模式)：由于整个运动过程中，两维指向机构和目标都在不断抖动，当目标移动到视场事件驱动域的边缘(即事件驱动阈值)时，快反镜1触发步进模式，向着目标方向步进一步，使目标进入视场域内，随后，机构进入线性工作模式，直到目标移至视场中央，其作动器的工作方式可参考工作模式二和工作模式三。

在具体的实施例中，所述压电步进式作动器1-4共四个，对称分布为两组，分别控制快反镜绕X轴和绕Y轴的转动自由度，实现快反镜的大行程、高精度偏转运动。

Claims (3)

1.一种非复合轴光电跟踪机构，其特征在于：包括：快反镜(1)，镜头(2)，与镜头(2)相连的相机(3)，光纤准直器(4)，固定光纤准直器装置(5)，固定相机装置(6)以及外壳(7)；所述快反镜(1)固定在外壳(7)后板上，反射镜(1-2)倾斜设置，镜面与外壳(7)后板呈45°夹角；所述固定相机装置(6)固定在外壳(7)后板上；所述镜头(2)与相机(3)通过固定销连接，且所述镜头(2)位于快反镜(1)反射镜(1-2)的正下方；所述相机(3)固定安装于固定相机装置(6)上；所述固定光纤准直装置(5)通过螺钉固定在固定相机装置(6)上；所述光纤准直器(4)通过螺钉固定在固定光纤准直装置(5)上；所述外壳(7)整体为盒体结构，主要起遮光作用；所述外壳(7)由顶、底、两个侧面、前、后六个板以及六个安装块构成，六个板通过安装块固定成盒体；底板设置有用于出线的孔；前板在快反镜(1)的反射镜(1-2)的正前方处设有筒状结构，方便光线进入；由快反镜(1)、相机(3)以及镜头(2)构成信标接收光路；所述接收光路经快反镜(1)反射后进入探测器组件最终于焦平面成像。

2.根据权利要求1所述的一种非复合轴光电跟踪机构，其特征在于：所述快反镜(1)，包括：挡片(1-1)，反射镜(1-2)，镜座(1-3)，压电步进式作动器(1-4)，蝶形柔性虎克铰链(1-5)以及底座(1-6)；所述挡片(1-1)具有两个安装孔，通过螺钉与镜座(1-3)连接；所述挡片(1)呈L形，与反射镜(1-2)镜面不接触，之间存在间隙，主要起到避免反射镜(1-2)在工作过程中由于脱胶掉落砸坏下方设备的作用；所述反射镜(1-2)粘接于镜座(1-3)上；所述蝶形柔性虎克铰链(1-5)位于整个结构的正中心，上、下两端都有螺纹孔，通过螺钉分别与镜座(1-3)和底座(1-6)连接；所述蝶形柔性虎克铰链(1-5)，共两个转动自由度，其在作为运动副的同时也对反射镜(1-2)提供支撑力；所述压电步进式作动器(1-4)共有四个，以蝶形柔性虎克铰链(1-5)为中心对称均匀分布，通过螺钉，上端与镜座(1-3)连接，下端与底座(1-6)固定连接；所述底座(1-6)的工作面与安装面呈45°夹角，以保证反射镜(1-2)能够倾斜放置，且镜面与外壳(7)后板呈45°夹角；所述底座(1-6)的工作面设置有用于出线的孔；两侧设置有用于减重的凹槽；安装面设置有安装孔，通过螺钉将底座(1-6)固定在外壳(7)的后板上。

3.一种非复合轴光电跟踪机构的控制方法，基于权利要求1所述的一种非复合轴光电跟踪机构，其特征在于，该机构采用混合驱动方式，具体如下四种工作模式：

工作模式一：休眠模式,此时所述机构断电自锁，不进入开机状态；

工作模式二：捕获模式,根据星历信息，结合自身姿态角获取与目标在方位/俯仰方向的角度差，通过给四个步进式压电作动器(1-4)的各个压电堆输入指定的信号，从而使作动器(1-4)以蠕动的方式，进行运动累积即大行程步进模式，直到目标进入到视场内；

工作模式三：瞄准模式,当目标在视场内，但不在视场中心时，通过给四个步进式压电作动器(1-4)的各个压电堆输入指定的信号，使快反镜(1)进行小范围快速高精度偏转即线性工作模式，直到目标移至视场中央；

工作模式四：事件驱动模式,由于整个运动过程中，机构和目标都在不断抖动，当目标移动到视场事件驱动域的边缘即事件驱动阈值时，快反镜(1)触发步进模式，向着目标方向步进一步，使目标进入视场域内，随后，机构进入线性工作模式，直到目标移至视场中央。