一类微镜系统的干扰自适应抑制与非线性补偿研究

An essential micro-mirror system including driving circuits, micro-mirror, and positioning sensors, which is a class of micro-opto-electro-mechanical system. By adjusting the deflection angle of micro-mirror, the optical path can be tuned. Note that the nonlinearity existing in the positioning sensors for measuring the deflection of micro-mirror has significant influence on the measurement accuracy of positioning angle. Moreover, various random noises may lead to variation in the performance of micro-mirror and have effect on the accuracy of measurement. On the other hand, the features of highly under-damping, pulled-in instability and hysteresis in micro-mirror will affect the performance of fast and stable response and precision positioning. This proposal will investigate the invertible transformation between micro-scale space and macro-scale space. On the basis of this transformation, the characteristic of micro-mirror system and nonlinear feature of positioning sensors will be analyzed. Then, the compensation of nonlinear feature of the positioning sensors will be studied. In order to suppress the influence of random noise, the micro-scale adaptive non-smooth dynamic filtering method will be developed. Subsequently, a micro-scale non-smooth adaptive compensation for pulled-in hysteresis and highly under-damping of micro-mirror will be studied to realize fast and stable-tuning of deflection and accurate positioning of deflection angle. Finally, the obtained schemes by the proposal will be applied to static-electro driving micro-mirror and electromagnetic driving micro-mirror systems for test and validation.

基本微镜系统包括驱动电路、微镜、位置传感器，是一类微光机电系统, 可通过调节微镜的转角角度对光路进行调节。注意到在测量微镜转角的位置传感器中存在的非线性对于微镜转角的定位精度有重要影响.而各种随机噪声也会引起微镜特性变化，并对测量的准确性产生不利影响.另一方面，微镜本身具有欠阻尼、吸合-不稳定性和迟滞等现象，也影响到微镜的快速、稳定响应与精确定位。本课题将研究微尺度空间与宏尺度空间的可逆转换方法，在此基础上，对微镜系统、以及位置传感器的非线性进行分析，研究位置传感器的非线性补偿方法。为消除随机噪声影响，将研究微尺度-自适应非光滑动态滤波方法。此外，将进一步研究存在随机噪声干扰时，开展对微镜器件所具有的欠阻尼与吸合-迟滞进行补偿的微尺度-非光滑自适应方法，以实现对微镜转角的快速、稳定调节与精确定位。最后，将所研究方法分别在静电驱动微镜系统和电磁驱动微镜系统上进行验证与应用。

扫描微镜是一种集成了驱动装置、光学机械偏转机构和偏转角度位置传感器的微光机电系统芯片，可作为光路调节控制的执行器用于光机电仪器、装置和系统中。然而扫描微镜芯片存在着非线性、欠阻尼动态特性和随机噪声干扰等复杂因素，对微镜响应性能带来不利影响。. 本课题分别对静态驱动和电磁驱动扫描微镜系统进行了分析，发现并验证了存在迟滞和欠阻尼复杂特性以及微镜存在多个谐振模态。提出了基于张量分解的迟滞数据特征提取与聚类方法，进行迟滞数据特征的提取。为消除随机噪声干扰，研究了光滑动态滤波器以消除微镜受到随机噪声干扰。另一方面，根据对扫描微镜结构和特性研究，得到用含迟滞的Hammerstein模型描述微镜特性的建模方法，提出了基于鞅收敛定理的在随机噪声环境下辨识微镜非光滑系统模型的方法，为了克服电磁驱动微镜的电磁转矩等中间变量无法直接测量的困难，提出了一种预测辨识方法。. 在微镜的非线性振荡补偿研究上，提出了一种基于逆欠阻尼振荡补偿的方法以消除微镜偏转机构呈现的欠阻尼振荡现象。针对迟滞逆模型难以获得的挑战，提出了一种伪前馈迟滞补偿的方法，对微镜存在的迟滞现象进行有效补偿。. 在微镜的偏转角度控制方面，提出了基于模型的非线性鲁棒控制方案，取得了令人满意的效果。为了避免建立复杂微镜模型挑战，减少对复杂微镜模型的依赖，提出基于简化模型和模型误差补偿器的在线寻优控制方案以及不依赖模型的模型独立控制方案，这些研究成果，为在微光机电仪器设备制造业的大规模应用扫描微镜芯片，提供了便利的条件。