【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，特别涉及一种多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法。
技术介绍
1、激光设备在雷达测速测距，激光加工，激光除锈，激光剥漆，激光通信等领域有着广泛应用。但当前市面存在着的激光器设备，大多采用振镜为基础器件，振镜器件在扫描、跟踪等工作状态下，不仅存在扫描盲区，且其扫描速度相对较慢。而多边形转镜具有扫描速度快，结构紧凑，控制精度高，扫描范围大等优点。
2、但多边形转镜控制算法，既要保证其能够按照指令进行旋转，同时希望控制多边形转镜的电机在启动、制动等速度调节的过程中，其动态性能满足实际任务的性能指标，即能够实现在额定时间内完成最优的控制效果，最后，还要保证整个控制系统具有足够的鲁棒性与抗干扰性能，具备误差校正功能。
3、目前，由于国内对于转镜激光器的研究起步较晚，现有的转镜激光器在如何控制转镜根据所给坐标，进行快速姿态调整，使得激光可以快速精准地照射在目标位置上的研究大多仍然处于实验研究阶段，但国外目前已取得一些突破性进展，因此，国内亟需一种更具产品效应，控制精度更高，加工，通信等更为高效的转镜激光控制算法。
技术实现思路
1、本专利技术公开了一种多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，它可以根据任务需求设计出符合要求的激光转镜及控制器。
2、它通过这样的技术方案实现的，所述激光雷达通过多边形墨镜的旋转形成xy轴上的扇面扫描，通过激光雷达竖起方向的转动形成空间内的圆锥扫描，具体设计方法如下：
3、设计转镜尺寸参数；>
4、根据转镜尺寸参数，设计转镜动力学方程；
5、结合转镜动力学方程设计滑模控制器；
6、优化滑模控制器的控制参数。
7、该实施例的优点在于，转镜物理尺寸的设计步骤可保证设计出的转镜符合实际任务的需求，针对不同的任务目标均可按照该步骤完成针对性的设计；通过一系列数学推导，求得的动力学方程可适用于不同物理尺寸转镜的精确控制；滑模控制器可动态弥合测量值和观测值之间的误差，保证转镜在转动时符合任务需求；滑模控制器的控制参数设计较为复杂且不容易找到最佳控制参数，通过优化算法可显著提高滑模控制器控制精度。
8、进一步地，设计转镜尺寸，具体方法如下：
9、激光反射在平面内扫描扇形光幕，扇形光幕的角度为βg＝2α；
10、根据扫描任务分辨率需求，选取满足扫描任务分辨率的转镜镜面数；
11、计算漫反射约束条件；
12、根据漫反射约束条件以及转镜镜面数，计算转镜外接圆直径。
13、该实施例的优点在于，根据实际任务的分析，可获取转镜扫描范围及分辨率要求，根据以上两个任务目标，可算得转镜镜面数，再根据不同的漫反射约束条件，可算得转镜外接圆直径，最终完成转镜的物理尺寸设计，该尺寸设计步骤具有通用性，针对不同的实际任务均可适用。
14、进一步地，设计转镜动力学方程，具体公式如下：
15、
16、其中，θ表示多边形转镜转台的旋转角度，表示转镜转台的角速度，表示转镜转台的角加速度，τ表示转镜电机输出的驱动转矩，m表示转镜的质量，g为重力加速度，l为转镜外切圆柱体的半径，i表示惯性矩，d表示粘性摩擦系数，δ表示弹性摩擦系数。
17、该实施例的优点在于，通过若干转镜控制试验分析得到影响转镜控制的若干影响因素，通过数据分析及数学公式推导，最终得到了转镜动力学方程，该转镜动力学方程表述准确控制效果进步显著。
18、进一步地，设计滑模控制器，具体方法如下：
19、所述滑模控制器的滑模面为：
20、其中，e＝r-θ,r为转镜所需的实际姿态；
21、开关增益因子为：
22、其中f表示系统的不确定性外部扰动，是f的观测估计值；
23、干扰项观测器设计为：
24、
25、滑模控制器设计为：
26、
27、其中，a为滑模控制器中滑模面的比例系数，b为角速度补偿项的权重，c为角速度误差项的权重，为角速度误差项，k1为滑模面符号函数项的权重，sgn(s)为滑模面符号函数项。
28、该实施例的优点在于，转镜的整个转动控制采用了滑模控制器，滑模控制器可消除测量值与观察值之间的误差，滑模控制中的滑动表面是一个用来描述系统状态的函数，它通常被设计成一个滑动的函数，也就是说它能够随着时间的推移而逐渐趋近于零，从而使得控制器能够在一定程度上快速地跟踪所期望的输出。
29、进一步地，采用灰狼算法优化滑模控制器的控制参数，灰狼算法具体步骤如下：
30、每一个灰狼种群代表一组滑模控制器参数值；
31、根据系统响应情况，计算每组参数的控制误差，以判断参数组的优劣程度；
32、根据控制误差将控制误差最小的一组控制参数确定为灰狼群中领导者；
33、根据新的控制参数，重新计算控制误差，更新灰狼群的领导者。
34、该实施例的优点在于，灰狼优化算法优化后的滑模控制器可在不同任及不同环境下，对滑模控制器进行快速调整，大量节省了滑模控制器复杂的参数调设时间，而且效果更佳。
35、进一步地，所述灰狼算法优化参数包括：滑模控制器中滑模面的比例系数、角速度补偿项的权重、角速度误差项的权重和滑模面符号函数项的权重。
36、该实施例的优点在于，通过若干算法调试，确定了滑模控制器结合转镜控制需要优化的具体参数类型，使方案更容易实用落地。
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1.一种多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，所述激光雷达通过多边形墨镜的旋转形成XY轴上的扇面扫描，通过激光雷达竖起方向的转动形成空间内的圆锥扫描，具体设计方法如下：
2.如权利要求1所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，设计转镜尺寸，具体方法如下：
3.如权利要求1所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，设计转镜动力学方程，具体公式如下：
4.如权利要求1所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，设计滑模控制器，具体方法如下：
5.如权利要求4所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，采用灰狼算法优化滑模控制器的控制参数，灰狼算法具体步骤如下：
6.如权利要求5所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，所述灰狼算法优化参数包括：滑模控制器中滑模面的比例系数、角速度补偿项的权重、角速度误差项的权重和滑模面符号函数项的权重。
【技术特征摘要】
1.一种多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，所述激光雷达通过多边形墨镜的旋转形成xy轴上的扇面扫描，通过激光雷达竖起方向的转动形成空间内的圆锥扫描，具体设计方法如下：
2.如权利要求1所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，设计转镜尺寸，具体方法如下：
3.如权利要求1所述的多边形转镜激光器姿态精确定位控制方法，其特征在于，设计转镜动力学方程，具体公式如下：
4.如权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：张可，柴毅，李海锋，蒲华翔，魏士杰，康如明，张雅丽，张鑫宇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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