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随着光电跟踪系统跟踪性能指标的不断提高,对设计工作提出了更大地挑战。本文在此背景下提出进行集成建模与仿真技术的研究,从Zernike多项式光机接口入手,搭建了光机系统的静态仿真框架,探讨了光机系统静态性能的评估方法。通过研究系统动态集成模型的建立方法,搭建了光机系统的动态仿真框架及光电跟踪系统的集成仿真平台。该平台的建立实现了光电跟踪系统工作过程的实时仿真。仿真结果的评估是进行系统优化设计的重要依据。因此本文最后探讨了系统灵敏度的分析并进行了系统性能优化方法的研究,为系统的优化设计提供了指导。主要研究内容如下:
(1)分析了光机系统结构三种变形数据的处理算法:基于矢高的数据处理算法(1)、基于矢高的数据处理算法(2)和基于表面法向的数据处理算法。基于给出的这些算法,讨论了变形数据的格式转换方法,通过对比几种方法指出:Zernike多项式拟合方法是比较适宜的一种解决光机接口问题的有效方法。探讨了几种Zernike多项式的拟合算法,如最小二乘法、Householer法和Gram-Schimdt正交化法等,其中,Gram-Schimdt正交化法优势明显,文中给出了Gram-Schimdt正交化的一般计算方法,比文献中给出的方法更容易进行算法软件的开发。
(2)为了有效地利用有限元软件的分析成果,将有限元软件的结构分析变形结果数据转换为集成仿真平台Matlab/Simulink所支持的状态空间模型数据形式,研究了在不同软件中的动态结构模型的建立方法和软件间模型的转换方法。针对大阶模型仿真中出现的速度问题,提出进行模型简化的研究,在分析一阶降阶方法的基础上研究了二阶降阶方法。后者在低频和高频段都保持了高的简化精度,其中某简化模型在100Hz时的简化误差仅为0.37％。同时二阶降阶方法还使简化系统保持了原系统更多的物理特性。这些都是一阶降阶方法所不具有的。在这些方法的支撑下开发了结构一控制接口工具。该工具解决了系统集成结构动态模型的建立问题。
(3)通过研究DDE技术,实现了Matlab和光学设计软件Zemax的动态数据交换,结合结构-控制接口工具,实现了光机系统的集成仿真与分析。但随着仿真数据量的增大,DDE技术本身的缺陷便显现,使仿真速度明显变慢,甚至造成内存溢出,使仿真中断。为了解决这一问题,研究了线性光线扰动理论,推导了线性光学灵敏度矩阵。在此基础上开发了集成光学建模工具,通过实例分析实现了光机系统的集成仿真,验证了该工具的有效性。此外还利用该工具分析了系统内通道的空气扰动对系统光学性能的影响,给出了一些有意义的结论。
(4)从光电跟踪系统的跟踪光学原理、跟踪控制原理进行剖析,分析了系统的结构及运动特性。在研究虚拟现实技术的基础上,结合系统的各领域工作原理,搭建了光电跟踪系统集成仿真平台,将各领域模块有机地联系在一起。通过实例分析验证了集成仿真的真实性,以此为出发点便可进行系统的性能评估。
(5)从系统灵敏度的理论推导出发,分别介绍了模态参数灵敏度和物理参数灵敏度。通过对单自由度和两自由度系统的灵敏度实例分析折射出灵敏度分析在工程应用中的广阔前景。采用最速下降法进行了系统优化的性能增强。实践证明最优性能对应的设计参数不唯一,搜寻这些等效性能参数点是需要解决的实际问题。为此研究了前向跟踪法和样条插值法,后者比前者算法复杂,但效率要远远高于前者。基于这些方法开发了系统灵敏度分析与性能优化分析工具。该工具能将集成仿真中得到的结果进行综合分析,评判初始设计是否满足要求,指导设计参数如何优化,大大地提高了系统设计的效率。
通过上述研究工作,完成了光电跟踪系统的模型建立、模型集成,系统集成仿真及性能分析与评估,形成了一套有效的系统设计方法,有力地支撑了光电跟踪系统在今后的发展。