压电驱动水下微距调焦机电耦合动态模型及控制方法研究

Underwater macro camera is a key equipment of taking close-up micro object in underwater environment, whose focusing response speed, position accuracy, and stability determine its close-up shooting effect. For the problems of slow response, low position accuracy, and susceptible to environmental interference of traditional macro focusing system those exist in the underwater environment, a piezoelectric driving macro focusing system is proposed to achieve the system with drive and deceleration integration, millisecond response time, nanometer position accuracy, and stable control performance. In this project, the electromechanical coupling dynamic model and control method of the underwater macro focusing system are to be investigated. Firstly, analyze the driving mechanism and static output characteristic of the macro focusing system. Secondly, establish the electromechanical coupling dynamic model of the system, and reveal the effect law of uncertain underwater disturbance on its coupling dynamic performance. Thirdly, propose the control algorithm that combined with the feedforward compensation of nonlinear piezoelectric output displacement and adaptive robust control, and determine the optimal control strategy. Meanwhile, solve the problem of the disturbance on stability of the control system. Lastly, carry out the output characteristic, dynamic performance, and control experiments of the macro focusing system to verify the effectiveness of theoretical findings and feasibility of practical application. The research results will provide theoretical basis and technical support for the use of piezoelectric driving in underwater macro focusing system.

水下微距相机作为海洋探测器在水下环境中极近距离下拍摄细微目标的关键设备，其调焦响应速度、定位精度和稳定性对近距拍摄效果产生重要影响。本项目针对传统微距调焦在水下环境中存在的响应速度慢、定位精度低以及易受环境干扰等问题，提出一种压电驱动微距调焦系统，实现系统的驱动和减速集成化、毫秒级响应速度、纳米级定位精度及控制性能稳定等特性。本课题拟开展该压电驱动水下微距调焦系统的机电耦合动态模型及控制方法研究，分析微距调焦的驱动机理及静态输出特性；建立系统的机电耦合动力学模型，揭示不确定水下扰动对系统耦合动态特性的影响规律；提出压电非线性输出位移前馈补偿与自适应鲁棒控制相结合的控制算法，确定系统最优控制策略，解决扰动对控制系统稳定性的影响问题；通过对水下微距调焦系统开展输出特性、动态特性和控制实验验证理论研究的正确性及实际应用的可行性。研究成果可为压电驱动在水下微距调焦中的应用提供理论依据和技术支持。

微距调焦是用作微小距离下摄影的一种近距调焦方式，主要用于拍摄十分细微的物体。为了对距离极近目标精确对焦，要求相机镜头的调焦系统具有较高的响应速度、定位精度和稳定性。本项目针对传统调焦结构在复杂工况中存在的响应速度慢、定位精度低以及易受环境干扰等问题，提出一种压电驱动微距调焦系统，实现系统的毫秒级响应速度、纳米级定位精度及控制性能稳定等特性。本项目研究内容包括：①压电驱动水下微距调焦系统驱动机理和输出性能分析；②压电驱动水下微距调焦系统机电耦合动态特性研究；③压电驱动水下微距调焦系统自适应控制研究。. 项目实施过程中进行了以下研究：①分析了压电驱动水下微距调焦系统的驱动机理，对系统进行了参数化设计，设计了两种压电调焦机构，建立了压电调焦系统的机电耦合静力学模型，分析了系统参数对输出特性的影响规律，进行了样机的加工制造和装配技术研究，并对样机进行了系统输出特性实验；②建立了压电驱动水下微距调焦系统机电耦合动力学模型，分析了耦合系统的模态特性，研究了压电激励下系统的动力学响应规律，分析了外界扰动作用下压电调焦系统的耦合动态特性，研究了压电调焦系统耦合振动的抑制方法，开展了调焦系统耦合动态特性的实验测试；③建立了镜头运动映射模型，建立了压电驱动水下微距调焦系统的非线性模型，研究了压电非线性输出位移前馈补偿方法，构造了基于逆模型的压电非线性输出位移前馈补偿器，设计了镜头位置控制的自适应PID控制算法，研究了自适应PID控制与压电非线性输出位移GA-BP前馈补偿的结合对系统控制精度的影响，设计了响应速度快、性能稳定和抗干扰性强的微距调焦控制器，分析了扰动对水下微距调焦控制系统稳定性的影响，开展了压电驱动水下微距调焦系统自适应控制实验测试。. 项目执行期间，发表学术论文7篇，授权发明专利6件，培养硕士研究生3名，研究工作为压电驱动在镜头运动和调焦系统的设计优化及控制方面奠定基础。