基于DSP的二维激光扫描器算法研究

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本文的目的在于通过建立算法模型、依靠软件控制的方法来抑制扫描系统中压电陶瓷叠堆存在的迟滞效应,使得单个子镜系统在正常工作时的非线性度可以降低到1%以内,以此来提高激光扫描系统的扫描精度。主要内容是研究对单个子镜系统进行迟滞矫正的算法模型和DSP控制方法,再将两个子镜系统组成一个空间上的二维激光扫描器系统,通过向两个子镜系统分别加载不同频率的三角波驱动电压来实现一定的扫描波形。除了本文重点探讨的压电陶瓷迟滞效应以外,激光光束在子镜上的入射、反射以及出射规律也是研究的一个重要内容。由于本文的绝大部分工作是通过计算机上的MATLAB软件仿真以及DSP上的C语言编程,需要将所有的计算过程程序化,因而引入了反射定律的矩阵形式。与此同时,计算、分析了二维扫描系统中的一些误差,如枕形误差和入射点位置误差等,由于这些误差在我们研制的小角度偏转的二维扫描系统中引起的精度偏差分别在0.03%和0.02%左右,影响微乎其微,因而在后续的仿真和DSP编程中都将其忽略不计,减少了计算的复杂度,提高了系统运算的效率。本文研究的重点是如何抑制二维扫描系统中各个扫描子镜系统的迟滞效应。介绍了一些主流的开环控制算法,着重分析了逆控制模型以及前馈补偿法对于系统的迟滞效应修正效果。其中基于椭圆极坐标的逆控制模型将系统非线性度由6%以上矫正到2%以下,但是仍未能达到系统的精度要求;与此同时,前馈补偿法将系统的非线性度直接降低到1%以内,并具有自学习的特性,即可以对外部环境的变化自动作出相应的调整,故将其作为接下来DSP控制的自动修正部分。最后,对如何控制F2812DSP实现理想三角波驱动电压的输出以及结合前馈补偿法进行迟滞效应的抑制做了探讨,并在两个子镜系统组成的二维扫描系统平台上进行了扫描波形的实测,得到了X子镜与Y子镜分别在扫描频率为3:1和5:1情况下的扫描波形,与仿真部分的结果相一致,线性度得到了极大地改善。
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