CN201600500U - 基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，包括镜架组件、驱动机构以及控制机构，所述镜架组件通过分辨率倍增柔顺机构与驱动机构相连，所述分辨率倍增柔顺机构包括底座以及固定于底座上的柔性铰链，所述镜架组件固定于柔性铰链的顶部，所述驱动机构包括两个固定于底座上用来推动柔性铰链的驱动电机，所述两个驱动电机对称布置于柔性铰链下方的两侧。本实用新型具有结构紧凑、加工方便、装配简单、无摩擦损耗、无运动间隙、无需润滑、定位精度高、可网络控制、使用简便、可靠性高、适应性强、应用范围广的优点。

Description

基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置

技术领域

本实用新型涉及激光通信领域，具体涉及一种基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置。

背景技术

无线光通信系统也称为“自由空间光学”通信系统，利用光束(例如激光)作为光学通信信号，不需在终端之间布设传输电缆或光缆，数据或信息被编码调制到一束散角很小的窄光束上，然后通过自由空间从发射器传输到接收器，再由接收器对接收到的光束进行调解获得原始数据或信息。无线光通信系统的工作原理本身保证了系统具有较高的数据安全性和保密性，但是要求窄光束的发射器和接收器之间必须互相对准，发射器与接受器的机械抖动以及大气扰动引起的光束方向角变化都将影响通信信道传输质量。而光束精密指向装置作为无线光通信系统的关键部件，其功能为保证发射器和接收器之间互相对准、补偿以上各类扰动引起的光束抖动，保证系统通信信道的稳定。

传统的光束精密指向装置又称为快速反射镜，基于直流伺服电机驱动的二维转台，转动惯量大，轴承摩擦与间隙难以消除，使得系统的带宽与精度难以提高，而且转台上的轴承需要润滑，润滑剂容易污染镜片，这种结构很难适应低温、真空、强辐射等恶劣条件下的使用要求；

美国专利US2003/0197910A1中公布了一种光束精密指向装置设计。其各部分的特点为：采用内外环组成的万向节支撑平面反射镜，音圈电机驱动，设计了基于光电池的光电位置传感器。该实用新型改善了传统设计驱动器与传感器的性能，使得系统带宽大幅提高，但是万向节的内外框架都会增加系统转动惯量，同时轴承的摩擦与润滑问题均没有解决，限制了其带宽、精度与可靠性；

中国专利200810197662.7中公布的快速反射镜提出了一种新颖的弹性支撑设计，从根本上消除了传统设计中内外环设计的附加转动惯量。弹性支撑构成的运动副没有相对滑动，没有摩擦和间隙，无需润滑，达到了较高的精度和闭环控制带宽。但是，它并没有对音圈电机驱动系统运动噪声以及分辨率进行处理，因此并没有降低音圈电机驱动系统运动噪声、提高音圈电机的位移分辨率，因此其定位精度直接要受到音圈电机驱动系统运动噪声以及分辨率的限制，且零位稳定性和温度稳定性较差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种结构紧凑、加工方便、装配简单、无摩擦损耗、无运动间隙、无需润滑、定位精度高、可网络控制、使用简便、可靠性高、适应性强、应用范围广基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，包括镜架组件、驱动机构以及控制机构，其特征在于：所述镜架组件通过分辨率倍增柔顺机构与驱动机构相连，所述分辨率倍增柔顺机构包括底座以及固定于底座上的柔性铰链，所述镜架组件固定于柔性铰链的顶部，所述驱动机构包括两个固定于底座上用来推动柔性铰链的驱动电机，所述两个驱动电机对称布置于柔性铰链下方的两侧。

作为本实用新型的进一步改进：

所述驱动电机的输出端通过分辨率倍增杠杆与柔性铰链相连，所述分辨率倍增杠杆包括杠杆横梁、位移输入端铰链、支点铰链和位移输出级铰链，所述杠杆横梁的一端通过位移输入端铰链与驱动电机的输出端相连，所述杠杆横梁的中段通过支点铰链支承于底座上，所述杠杆横梁的另一端通过位移输出级铰链与柔性铰链的底面相连，所述杠杆横梁上支点铰链到位移输入端铰链的距离大于支点铰链到位移输出级铰链的距离。

所述驱动电机输出端的一侧设有平行导向柔顺机构，所述平行导向柔顺机构包括一组相互平行的装设于驱动电机输出端与底座所围成空腔内的簧片。

所述镜架组件上装设有用来采集镜架组件转角信号的转角传感器，所述转角传感器与控制机构相连。

所述转角传感器为差动电感式转角传感器，所述转角传感器包括保持不动的线圈单元和随镜架组件转动的衔铁，所述衔铁固定于镜架组件上。

所述控制机构包括信号调理单元、A/D转换单元、DSP控制器、D/A转换单元、功率放大单元和电源变换单元，所述转角传感器采集到的两个磁路的差分变化信号经信号调理单元后转换为模拟的电压信号，模拟的电压信号经过A/D转换单元转换为代表实际位置值的数字量后输入给DSP控制器，经DSP控制器处理后生成的执行信号依次通过D/A转换单元、功率放大单元输送到驱动电机的输入端。

所述DSP控制器通过网络适配器与上位机相连。

所述镜架组件装设于上壳体内，所述驱动机构、控制机构以及分辨率倍增柔顺机构均装设于下壳体内，所述上壳体和下壳体分别固定于基座上，所述基座上开设有条形槽，所述柔性铰链的顶部穿过条型槽与镜架组件相连。

所述柔性铰链为正圆形柔性铰链。

所述驱动电机为音圈电机。

与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：

1、本实用新型通过分辨率倍增柔顺机构将反射镜支撑机构、导向机构、位移变换传动机构融为一体，结构紧凑，无摩擦损耗，无运动间隙，无需润滑，相同成本下定位精度明显提高；

2、本实用新型通过在音圈电机与输出级之间通过带有柔性铰链的分辨率倍增杠杆来传递直线位移，且输出端与分辨率倍增杠杆连接点到反射镜支承柔性铰链轴线的距离比音圈电机的轴线到反射镜支承柔性铰链轴线的距离大，因此通过两重的位移衰减，提高了音圈电机驱动组件的运动分辨率，与现有音圈电机驱动的快速反射镜装置相比角度分辨率大幅提高，可明显减弱驱动电路噪声引起的音圈电机高频抖动；

3、本实用新型在驱动电机的输出端侧面设有平行导向柔顺机构，保证输出的位移不发生偏转和窜动，可以有效提高音圈电机输出位移的稳定性。平行导向柔顺机构和分辨率倍增杠杆的柔性铰链均为薄簧片结构的大柔度柔性铰链，且薄簧片的两端的连接部均设有过渡倒角，可以防止薄簧片应力集中，可以有效提高大柔度柔性铰链的性能，提高位移传递的精度。

4、本实用新型中转角传感器采用差动电感式转角传感器，较之反射式或遮光式光电传感器，具有较高的零位稳定性和温度稳定性；与电容传感器相比，具有较高的温度稳定性和紧凑简捷的后续处理电路；较之常用的电涡流传感器，则具有结构紧凑、测量稳定性高的优势，因此可以有效提高对镜架组件的精确定位。此外，本实用新型的分辨率倍增柔顺机构为线切割加工而成的整体件，因此具有加工方便，装配简单的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的爆炸结构示意图；

图3为本实用新型实施例的分辨率倍增柔顺机构组装结构示意图；

图4为本实用新型实施例的分辨率倍增柔顺机构工作原理示意图；

图5为本实用新型实施例的转角传感器的工作原理示意图；

图6为本实用新型实施例的控制单元的系统框架示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实用新型基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，包括镜架组件12、驱动机构以及控制机构6，镜架组件12通过分辨率倍增柔顺机构3与驱动机构相连，分辨率倍增柔顺机构3包括底座35以及固定于底座35上的柔性铰链33，镜架组件12固定于柔性铰链33的顶部，驱动机构包括两个固定于底座35上用来推动柔性铰链33的驱动电机4，两个驱动电机4对称布置于柔性铰链33下方的两侧。

在本实施例中，镜架组件12由平面反射镜1和镜架2组成，其中镜架2的主体为中空圆环，圆环中心为十字形加强筋，圆环上表面的内圈加工出与平面反射镜1相匹配的凹槽，平面反射镜1置于凹槽内，由凹槽外圆周均布3只弹性手爪夹紧定心，点胶加固，镜架2通过其加强筋，采用螺钉连接、定位销定位的方式固定于输出级31的上表面。镜架组件12装设于上壳体71内，驱动机构、控制机构6以及分辨率倍增柔顺机构3均装设于下壳体72内，上壳体71和下壳体72分别固定于基座7上，基座7上开设有条形槽701，柔性铰链33的顶部穿过条型槽701与镜架组件12相连。

如图3和图4所示，分辨率倍增柔顺机构3由一整块金属材料线切割加工而成，且以柔性铰链33为中心左右对称，柔性铰链33支承于底座35上，驱动电机4采用音圈电机，音圈电机的定子41分别通过螺栓固定于底座35中，音圈电机的动子分别与柔性铰链33的底面粘结。分辨率倍增柔顺机构3的功能为：

1、支撑镜架组件12，构成弹性回转运动副；

2、比例缩小音圈电机输出的直线位移，衰减音圈电机运动噪声提高运动分辨率；

3、将音圈电机直线运动其转换为绕柔性铰链33上的原点O的回转运动；

4、支撑导向音圈电机动子，避免其发生转动。

柔性铰链33为以原点O为中心，可向两侧音圈电机方向偏转的正圆形柔性铰链，它在X方向具有较大厚度，在Y、Z轴上具有足够的拉压刚度、剪切刚度以及弯曲刚度，可以限制Y、Z轴的平动、转动自由度；在X轴上有足够的拉压刚度、剪切刚度和很小的弯曲刚度，可以限制X轴的平动而保留绕X轴的偏转自由度，柔性铰链33的正圆形柔性铰链与传统意义上的正圆形柔性铰链相比具有相当大的圆弧半径，使其动力学行为与新型的圆角嵌条型柔性铰链相近，具有较大的柔性，可以达到较大的偏转范围。

在本实用新型中，为了实现对音圈电机输出的直线运动进行缩放，音圈电机的动子分别通过分辨率倍增杠杆34与柔性铰链33的底面相连，分辨率倍增杠杆34支承于底座35上，分辨率倍增杠杆34包括杠杆横梁341、位移输入端铰链342、支点铰链343和位移输出级铰链344，所述杠杆横梁341的一端通过位移输入端铰链342与驱动电机的输出端相连，所述杠杆横梁341的中段通过支点铰链343支承于底座35上，所述杠杆横梁341的另一端通过位移输出级铰链344与柔性铰链33的底面相连，所述杠杆横梁341上支点铰链343到位移输入端铰链342的距离大于支点铰链343到位移输出级铰链344的距离。分辨率倍增杠杆34其实质上为位移缩小机构，它通过将来自力臂较长的一端产生较大的位移从力臂较短一侧转变为较小的位移后进行输出，将输入的位移缩小，从而可以提高运动分辨率、抑制高频振动噪声的目的。位移输入端铰链342、支点铰链343和位移输出级铰链344均采用大柔度柔性铰链实现，其主体为薄簧片，在薄簧片的两端的连接部设有过渡圆角，其截面形状为圆角嵌条型，中部为薄簧片结构，两端连结处导圆角，圆角嵌条因此得名。位移输入端铰链342、支点铰链343和位移输出级铰链344依靠中部薄簧片弯曲实现被连结结构的相对偏转，与传统正圆型以及椭圆形柔性铰链相比，柔性显著增强，可以实现大角度偏转，两端导圆角可降低加工中的应力集中。分辨率倍增杠杆34上与柔性铰链33相连的一端的力臂L1比与音圈电机输出端相连的一端的力臂L2要长，因此位移增益L2/L1，在本实施例中，L1＝3L2，因此音圈电机输出的位移经过分辨率倍增杠杆34转换以后，其位移衰减为原来位移的1/3。音圈电机的输出端与分辨率倍增杠杆34连接点到柔性铰链33轴线的距离M比音圈电机的轴线到柔性铰链33轴线的距离N大。由于音圈电机动子直径尺寸的限制，音圈电机的轴线的等效位移作用点只能作用在输出端的端部到柔性铰链33轴线的中线位置，而当音圈电机与分辨率倍增杠杆34相连时，其等效位移作用点转移到了输出级两侧的端部。当音圈电机输入相同的等效直线位移Δl时，平面反射镜1绕X轴偏转角度分别以θ_A、θ_B表示，则以上两种情况下分别有如下关系：θ_A＝Δl/N  ，θ_B＝Δl/M，结合式可得：θ_B/θ_A＝M/N≈1/2，因此通过等效位移作用点的外移，可获得2倍左右的位移衰减。因此，本实施例中，分辨率倍增柔顺机构3通过上述两次唯一衰减以后可以将音圈电机输入的位移衰减为原来的1/6后输出至镜架组件12。

为了保证所述分辨率倍增杠杆34的直线运动传递效果、使位移输出是严格Y方向直线传递，驱动电机4输出端的一侧设有平行导向柔顺机构321，平行导向柔顺机构321包括一组相互平行的装设于驱动电机4输出端与底座35所围成空腔内的簧片。平行导向柔顺机构321由两片相互平行的薄簧片组成，两片薄簧片一端与底座35相连，另一端与驱动电机4输出端的侧面相连，且薄簧片两端的连接部也设有用于防止应力集中的过渡倒角。

如图5所示，转角传感器5为差动电感式转角传感器，转角传感器5由线圈单元52和衔铁51构成，衔铁51固定于镜架2上，可以跟随镜架2一起转动，线圈单元52则固定于基座7上。线圈单元52的两端分别设有两组线圈，分别为第一线圈组521和第二线圈组522，两组线圈分别和衔铁51之间形成气隙A和气隙B，两组线圈分别和气隙A和气隙B、衔铁51构成两个磁路。当衔铁51与镜架2一起转动时，气隙A和气隙B分别变大或变小，从而导致两组线圈所在的两个磁路分别发生变化，产生两个磁路的差动电感信号，控制机构6则根据转角传感器5输入的两个磁路的差动电感信号，获取平面反射镜1实际偏转角度。

如图6所示，控制机构6由信号调理单元61、A/D转换单元62、DSP控制器63、D/A转换单元64、功率放大单元65和电源变换单元67构成。转角传感器5输入的两个磁路的差分变化信号后，首先信号调理单元61将信号转换为模拟的电压信号，模拟的电压信号经过A/D转换单元62转换为代表实际位置值的数字量后输入给DSP控制器63。在本实施例中，控制机构6被设计为网络上的一个节点，控制机构6通过网络来获取目标位置指令，因此控制机构6还包含网络适配器66，本实施例中网络适配器66为CAN总线接口。DSP控制器63在通过网络适配器66获取目标位置指令以后，通过转角传感器5获取平面反射镜1偏转角度，然后将实际位置与目标位置进行比较，得到控制偏差量，然后DSP控制器63根据比较的偏差量输出控制信号至D/A转换单元64，D/A转换单元64将控制信号转换为模拟电压信号以后输出至功率放大单元65，然后通过功率放大单元65同步串联驱动两个音圈电机，两个音圈电机一推一拉，输出一个作用于输出级31两端的力偶，该力偶经分辨率倍增柔顺机构3放大后，推动镜架组件12转动、从而将平面反射镜1转动到目标位置。电源变换单元67为宽电压型DC-DC变换电路，可适应18～36V直流电源输入，对输入电源进行滤波与隔离后，变换为控制电路需要的各种直、交流二次电源为控制电路供电，该电源变换单元电磁兼容性能好，设计的电源滤波器可以有效吸收快速反射镜工作时产生的交流噪声，将其对电源母线产生的影响降至最小。本实施例中，DSP控制器63使用美国TI公司的TMS320F2000系列，具有面向控制优化的外设配置，主频100MHz；网络适配器66选用美国TI公司的3.3V CAN总线收发器芯片SN65HVD230，通讯速率1Mbps；A/D转换单元62采用美国TI公司分辨率12位，四通道、串行数据输出AD转换芯片TLC2574；D/A转换单元64采用美国BB公司分辨率12位，四通道、串行数据输出AD转换芯片DAC7614；功率放大单元65选用APEX公司的PWM功率放大器SA56，上述详细电路图可以参照有关芯片的说明书，在此不再详述。

以上所述仅是本实用新型的一种实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，包括镜架组件(12)、驱动机构以及控制机构(6)，其特征在于：所述镜架组件(12)通过分辨率倍增柔顺机构(3)与驱动机构相连，所述分辨率倍增柔顺机构(3)包括底座(35)以及固定于底座(35)上的柔性铰链(33)，所述镜架组件(12)固定于柔性铰链(33)的顶部，所述驱动机构包括两个固定于底座(35)上用来推动柔性铰链(33)的驱动电机(4)，所述两个驱动电机(4)对称布置于柔性铰链(33)下方的两侧。

2.根据权利要求1所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述驱动电机的输出端通过分辨率倍增杠杆(34)与柔性铰链(33)相连，所述分辨率倍增杠杆(34)包括杠杆横梁(341)、位移输入端铰链(342)、支点铰链(343)和位移输出级铰链(344)，所述杠杆横梁(341)的一端通过位移输入端铰链(342)与驱动电机(4)的输出端相连，所述杠杆横梁(341)的中段通过支点铰链(343)支承于底座(35)上，所述杠杆横梁(341)的另一端通过位移输出级铰链(344)与柔性铰链(33)的底面相连，所述杠杆横梁(341)上支点铰链(343)到位移输入端铰链(342)的距离大于支点铰链(343)到位移输出级铰链(344)的距离。

3.据权利要求2所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述驱动电机(4)输出端的一侧设有平行导向柔顺机构(321)，所述平行导向柔顺机构(321)包括一组相互平行的装设于驱动电机(4)输出端与底座(35)所围成空腔内的簧片。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述镜架组件(12)上装设有用来采集镜架组件(12)转角信号的转角传感器(5)，所述转角传感器(5)与控制机构(6)相连。

5.根据权利要求4所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述转角传感器(5)为差动电感式转角传感器，所述转角传感器(5)包括保持不动的线圈单元(52)和随镜架组件(12)转动的衔铁(51)，所述衔铁(51)固定于镜架组件(12)上。

6.根据权利要求5所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述控制机构(6)包括信号调理单元(61)、A/D转换单元(62)、DSP控制器(63)、D/A转换单元(64)、功率放大单元(65)和电源变换单元(67)，所述转角传感器(5)采集到的两个磁路的差分变化信号经信号调理单元(61)后转换为模拟的电压信号，模拟的电压信号经过A/D转换单元(62)转换为代表实际位置值的数字量后输入给DSP控制器(63)，经DSP控制器(63)处理后生成的执行信号依次通过D/A转换单元(64)、功率放大单元(65)输送到驱动电机(4)的输入端。

7.根据权利要求6所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述DSP控制器(63)通过网络适配器(66)与上位机相连。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述镜架组件(12)装设于上壳体(71)内，所述驱动机构、控制机构(6)以及分辨率倍增柔顺机构(3)均装设于下壳体(72)内，所述上壳体(71)和下壳体(72)分别固定于基座(7)上，所述基座(7)上开设有条形槽(701)，所述柔性铰链(33)的顶部穿过条型槽(701)与镜架组件(12)相连。

9.根据权利要求1或2或3所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述柔性铰链(33)为正圆形柔性铰链。

10.根据权利要求1或2或3所述的基于分辨率倍增柔顺机构的光束精密指向装置，其特征在于：所述驱动电机(4)为音圈电机。

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