针对三自由度直升机系统, 研究了基于自适应观测器的故障估计问题。首先, 建立了三自由度直升机的非线性模型, 研究了基于比例型自适应观测器的故障估计方法;进一步, 为了提高三自由度直升机系统故障估计的动态性能, 构造了比例-微分型自适应观测器;通过引入H∞性能保证了所提出的故障估计方法的鲁棒性, 并且利用线性矩阵不等式计算观测器增益;最后, 通过三自由度直升机仿真系统对所设计的故障观测器进行仿真验证。结果表明, 与比例型自适应观测器相比, 比例-微分型自适应观测器具有更好的故障估计精度和速度。

该文提出了一种基于多模态复合型压电振子驱动的球形超声电机。利用单个振子的一阶弯振模态、一阶纵振模态和弯-弯振动组合模态实现驱动足的二自由度驱动, 通过两个空间垂直布置的压电振子的合成驱动实现球转子的三自由度转动。利用Ansys Workbench有限元软件对振子进行模态分析和谐响应分析, 并优化设计其结构参数。加工制作了原型样机, 并测试了不同预压力下的频率转速特性。结果表明, 当预压力为10 N时, x、y轴最大空载转速可达130 r/min, 采用异步并联驱动方式的z轴最大空载转速可达155 r/min。

综合考虑三自由度直升机系统中各自由度之间的关系,将直升机系统分解为驱动子系统和无驱动子系统,建立了相应的三自由度直升机数学模型,模型对可能存在的外部扰动和无驱动子系统传感器故障进行了描述。设计了非线性扩张干扰观测器消除外部扰动和传感器故障带来的不利影响,设计相应的高阶滑模控制器实现对驱动子系统的跟踪控制,并基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后通过实验验证了控制方案对存在传感器故障的三自由度直升机具有良好的控制效果。

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。

为满足振动频率在一定范围内变动, 且在空间有限的环境下无线传感器系统的自供能需求, 设计了一种具有3个自由度的回折梁振动压电能量采集器。基于系统结构和工作原理, 进行了理论分析及建立了回折梁结构有限元模型, 并对该模型进行了有限元分析和模态仿真。制作回折梁压电能量采集器的原理样机, 搭建试验平台, 在振动台上进行试验。试验结果表明, 理论分析、有限元模拟结果与实验结果吻合, 在3.5~8.5 Hz低频振动下能产生大于5 V的电压, 最高输出电压约为17.5 V, 是传统单梁结构的1.4倍, 且具有3个输出电压峰, 工作带宽为传统单梁结构的4.5倍, 实现了宽频效果。所提出的回折梁结构压电能量采集器在低频、振动频率变化的环境中有效且自适应。

针对工作台运动误差, 提出了一种基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法。通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光, 利用两束无衍射光干涉生成莫尔条纹。设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路, 建立了三自由度运动误差数学模型, 并用几何分析法将三种运动误差 (偏摆角、滚转角和俯仰角 )进行分离。利用旋转台模拟不同大小的三自由度运动误差, 带有误差信息的无衍射光和莫尔条纹图案分别由 CCD1和 CCD2接收。实验结果表明, 通过光斑中心偏移量计算出的实际运动误差值接近理论值, 测量误差不超过 0.0104°, 验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。

为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统, 设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器, 并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区, 并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后, 采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置, 进一步设计了整个气路系统, 并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后, 采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程, 联合Simulink和Adams, 搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示, 模拟器能够承载800 kg以上的重量, 单方向上能够达到8 N的力, 整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果, 能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。

相位调制器是相干合成孔径望远镜中光束合成机构的关键部件,精确测量相位调制器的运动信息是相位调制器控制的核心技术之一。提出了基于平面法线向量的三自由度(俯仰角、方位角和轴向位移)测量方法,基于法线向量的变化解算角度和位移信息,并对所提方法进行详细描述,分析了影响测量精度的因素。实验结果表明:旋转角α和γ的转动范围分别为0~0.44 mrad和0~0.28 mrad,位移移动范围为0~3 μm;在测量范围内,角度误差小于3.3 μrad,位移误差小于50 nm。所提方法具有结构简单、测量精度高等优势,可广泛应用于相位调制器等的三自由度测量中。

舰载光电跟踪设备在跟踪百公里以上的目标时, 由于受到障碍物干扰,目标有时可能从视场中丢失, 需采用记忆跟踪算法对目标的未来时刻位置进行预测, 重新找回目标。常规的CA、CV模型预测目标时忽略了残差, 记忆跟踪时间短, 从而造成预测目标不够精确。针对以上问题, 提出了Kalman目标预测模型, 延长记忆跟踪时间。首先, 由船地坐标转换公式推导了甲板坐标系下船摇速度, 前馈到伺服控制系统速度回路中, 保证视轴自稳定, 同时提高跟踪精度; 其次, 概述了CA、CV、Kalman目标预测模型; 最后, 重点论述了3种目标预测模型记忆跟踪和实时雷达引导二维位置信息之间的关系。试验结果表明, 本文由于引入了Kalman目标预测模型, 使得记忆跟踪时间比传统的CA、CV模型的预测目标时间提高了一个数量级。解决了工程中舰载光电跟踪设备受船摇影响时跟踪精度低和记忆跟踪时间短的问题。