李 沖，梁 康，孫立寧

(1.江蘇科技大學(xué) 機械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.蘇州大學(xué) 機器人與微系統(tǒng)研究中心, 江蘇 蘇州 215021)

0 引 言

海洋工程裝備是《中國制造2025》重點發(fā)展領(lǐng)域之一，是衡量一個國家制造業(yè)水平和核心競爭力的重要標(biāo)志，是實現(xiàn)國家海洋戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向。水下微距相機作為海洋探測器在水下環(huán)境中近距拍攝細(xì)微目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，在海洋探測中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著海洋探測環(huán)境的復(fù)雜化和作業(yè)任務(wù)的精細(xì)化，為了保證相機具有較高的定位精度和圖像采集效果，要求微距調(diào)焦系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、高精度定位及不受環(huán)境干擾等性能。

微距調(diào)焦是用作微小距離下攝影的一種近距調(diào)焦方式，主要用于拍攝十分細(xì)微的物體，如海洋生物及海底不明物等。為了對距離極近目標(biāo)精確對焦，微距鏡頭要能夠拉伸得更長，以使光學(xué)中心盡可能遠離感光元件。同時，在極近距離下，微距調(diào)焦還會受到不確定水下擾動的干擾，加深了聚焦時系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使得微距相機的對焦更加困難，故而對調(diào)焦系統(tǒng)響應(yīng)速度和定位精度提出了更高要求。

目前相機微距調(diào)焦最常用的驅(qū)動方式仍是采用電磁電機驅(qū)動，而電磁電機相對較低的響應(yīng)特性是影響快速微距聚焦的關(guān)鍵因素之一。此外，海洋環(huán)境中不僅存在天然磁場而且還具有由于海水及探測器在地磁場中運動產(chǎn)生的不同程度的感應(yīng)電磁場[1-2]，雖然海洋磁場對電磁電機的正常運行影響很小，但在特定環(huán)境下其對微距調(diào)焦系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性仍會產(chǎn)生微弱干擾。因此，可通過改變微距調(diào)焦驅(qū)動方式來應(yīng)對瞬息萬變的水下微距攝像環(huán)境。可選驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、壓電驅(qū)動等，其中壓電驅(qū)動兼具響應(yīng)速度快(響應(yīng)時間<1ms)、定位精度高(納米級)、能量密度高、輸出效率高及環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，在光學(xué)鏡頭驅(qū)動中應(yīng)用越來越廣泛[3-4]，而日本佳能公司則是最早將壓電驅(qū)動應(yīng)用于相機調(diào)焦系統(tǒng)的典型案例。

鑒于上述背景，本文將對壓電驅(qū)動在相機調(diào)焦中的應(yīng)用進行分析、研究和總結(jié)，提出了一種用于水下細(xì)微目標(biāo)聚焦的壓電驅(qū)動微距調(diào)焦系統(tǒng)，并為壓電驅(qū)動在水下微距調(diào)焦中的應(yīng)用提出建議。

1 壓電驅(qū)動在調(diào)焦應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

壓電陶瓷作為一種智能材料，因具有遠高于傳統(tǒng)電磁電機的毫秒級響應(yīng)速度和納米級定位精度，而在微型機器人、精密定位系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)工程及航空航天等精密驅(qū)動領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[5-8]。

1.1 國外壓電調(diào)焦研究現(xiàn)狀

相機調(diào)焦系統(tǒng)的驅(qū)動是壓電驅(qū)動在精密定位領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，在水下環(huán)境中，萬物均處于實時動態(tài)變化中，水下相機采集近距細(xì)微目標(biāo)圖像的效果取決于微距調(diào)焦系統(tǒng)的響應(yīng)速度及定位精度。國內(nèi)外研究機構(gòu)和學(xué)者在調(diào)焦系統(tǒng)壓電驅(qū)動方面取得眾多有價值的研究成果。日本佳能公司早在1987年就將自主研發(fā)的環(huán)狀壓電超聲電機應(yīng)用于EOS相機調(diào)焦系統(tǒng)，如圖1所示，壓電驅(qū)動的應(yīng)用不僅使相機能夠快速聚焦，同時實現(xiàn)了相機結(jié)構(gòu)簡化和重量減輕，目前佳能已在30多種型號的相機中安裝了壓電電機[9]。

圖1 佳能相機鏡頭

2002年，賓夕法尼亞州立大學(xué)學(xué)者Burhanettin Koc等[10]研制出一種采用金屬柱體彎曲振動模態(tài)的單相驅(qū)動微型壓電超聲電機，被韓國三星公司成功應(yīng)用于手機相機的調(diào)焦系統(tǒng)中。隨后，Sigma、Nikon、Pantex等公司也采用壓電驅(qū)動實現(xiàn)相機調(diào)焦。近年來，學(xué)者對于應(yīng)用壓電驅(qū)動各種光學(xué)鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)的研究熱度逐漸增加，日本學(xué)者Masahiko Hoshina等[11]應(yīng)用一種球狀壓電超聲電機進行管內(nèi)檢查相機的定位和驅(qū)動，實現(xiàn)相機能夠沿管子進行360°轉(zhuǎn)動，如圖2所示。澳大利亞A. Michael等[12]利用8只長800 μm、厚1.5 μm的壓電薄膜設(shè)計了一種用于面外微鏡頭移動的作動器，如圖3所示，該作動器通過壓電薄膜的彎曲彈性變形驅(qū)動微型鏡頭運動，能夠?qū)崿F(xiàn)24 μm的靜態(tài)面外位移，與其他鏡頭驅(qū)動機構(gòu)相比，該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的響應(yīng)頻率，適合快速作動。

圖2 球形相機定位系統(tǒng)

圖3 微型鏡頭移動機構(gòu)

基于壓電驅(qū)動，美國Nazmul Hasan等[13]設(shè)計了一種可調(diào)聚焦自適應(yīng)眼鏡，該眼鏡對于改善目前人們的視力退化具有重要的實用價值，如圖4所示。根據(jù)手機相機拍照所需的高可控性和自動聚焦特點，韓國Hyun-Phill Ko等[14]研制出一種用于手機相機自動調(diào)焦的壓電作動器，如圖5所示，在聚焦時，壓電作動器響應(yīng)時間僅為自動聚焦時間的1%，且僅僅當(dāng)其工作時才消耗能量，平均瞬時功率僅為65 mW，在能量轉(zhuǎn)化效率方面遠高于傳統(tǒng)電磁機構(gòu)。

圖4 可調(diào)焦眼鏡鏡片

圖5 手機自動調(diào)焦鏡頭

1.2 國內(nèi)壓電調(diào)焦研究現(xiàn)狀

雖然國外在相機調(diào)焦壓電驅(qū)動領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但近年來國內(nèi)研究機構(gòu)及學(xué)者在壓電調(diào)焦方面亦獲得迅猛發(fā)展，典型代表有中科院長春光機所、南京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等。由于在激光直接寫入設(shè)備中需要有高分辨力的調(diào)焦機構(gòu)對光刻物鏡進行調(diào)焦，中科院長春光機所劉偉等[15]基于壓電驅(qū)動研制了一種用于激光直接寫入設(shè)備的調(diào)焦伺服機構(gòu)，該機構(gòu)的分辨力為10 nm，行程為10 μm，導(dǎo)向精度1.37″，是適合納米定位的理想調(diào)焦機構(gòu)。針對膠囊內(nèi)置鏡頭的運動控制的要求，南京航空航天大學(xué)王皆宸等[16]設(shè)計了一種基于螺紋型壓電超聲電機驅(qū)動膠囊內(nèi)窺鏡調(diào)焦機構(gòu)，該機構(gòu)的直線前進速度和后退速度分別為137.3 μm/s和164.5 μm/s，直線行程超過5 mm，且該調(diào)焦機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、有良好的精密定位能力，又因采用壓電驅(qū)動，該醫(yī)療設(shè)備可與核磁共振成像MRI相兼容。

清華大學(xué)周鐵英團隊[17]設(shè)計和制造了一種螺母型超聲電機驅(qū)動的集成透鏡調(diào)焦系統(tǒng)，如圖6所示，該系統(tǒng)以光學(xué)鏡頭作為轉(zhuǎn)子，粘有壓電元件的多面體銅管作為定子，成像傳感器安放在定子軸的底部，驅(qū)動芯片控制電機運行，轉(zhuǎn)子的外螺紋與定子的內(nèi)螺紋相互嚙合，該系統(tǒng)工作時功耗小于0.25 W，靜止時功耗為0，調(diào)焦精度小于10 μm，響應(yīng)時間小于10 ms。北京大學(xué)董蜀湘團隊[18]研制一種螺旋傳動壓電微電機用于微型相機自動聚焦和變焦，如圖7所示，該系統(tǒng)由中空壓電定子作為螺母定子，中空轉(zhuǎn)子和鏡頭相連作為螺柱，沿軸向產(chǎn)生螺旋運動，實現(xiàn)透鏡自動調(diào)焦。

圖6 清華大學(xué)研制壓電調(diào)焦系統(tǒng)

圖7 北京大學(xué)研制壓電調(diào)焦系統(tǒng)

2 壓電調(diào)焦機構(gòu)耦合動態(tài)特性研究現(xiàn)狀

壓電調(diào)焦機構(gòu)/驅(qū)動系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)或工作環(huán)境間的耦合，會對其動態(tài)輸出特性產(chǎn)生重要影響，造成系統(tǒng)定位精度降低和穩(wěn)定性減弱，針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究，取得眾多創(chuàng)新性成果。新加坡國立大學(xué)Zou Yongchao等[19]對基于壓電驅(qū)動可調(diào)焦內(nèi)窺鏡進行了動態(tài)調(diào)焦特性分析，同時對可調(diào)焦鏡頭的動態(tài)響應(yīng)速度進行了測試?？紤]梯度彈性、壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)，突尼斯Baroudi等[20]利用哈密頓原理建立了壓電撓曲電納米梁的多場耦合動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，通過伽遼金假設(shè)模態(tài)法推導(dǎo)了耦合系統(tǒng)的機電耦合方程及邊界條件。法國學(xué)者Cardoso-Ribeiro等[21]對壓電激勵下的流-固耦合系統(tǒng)進行了建模與分析，通過簡化問題分析求解、數(shù)值近似方法和系統(tǒng)識別技術(shù)三種方法獲得了系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，結(jié)果顯示理論求解與實驗結(jié)果一致。

此外，為了提高激光直寫調(diào)焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，浙江大學(xué)閆瑋等[23]從彈性力學(xué)角度出發(fā)，對壓電調(diào)焦機構(gòu)進行了動態(tài)特性建模，并全面分析了其動態(tài)響應(yīng)特性，緩解了系統(tǒng)相位滯后的問題，從而使系統(tǒng)獲得了較好的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。清華大學(xué)陳柱子和陳宇[24]對一種可用于鏡頭調(diào)焦和變焦的面內(nèi)彎曲行波壓電超聲電機進行了模態(tài)特性分析，求解了不同模態(tài)下的響應(yīng)相位，分析了壓電行波驅(qū)動機理。

3 壓電調(diào)焦機構(gòu)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

對于壓電驅(qū)動調(diào)焦系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的性能是影響其響應(yīng)速度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，因此，國內(nèi)外學(xué)者對于提高調(diào)焦系統(tǒng)的控制性能方面進行了大量研究。澳大利亞Yik R. Teo等[25]基于積分力反饋構(gòu)建了一種PI跟蹤控制器，通過壓電物鏡定位器驗證了該種控制器的控制效果，結(jié)果顯示其頻率跟蹤帶寬可達255 Hz。此外，Michael等[26]利用由光學(xué)位移傳感器、帶有反饋增益的90°移相器和正向通路作動器構(gòu)成的反饋系統(tǒng)對快速壓電微鏡頭作動器進行了驅(qū)動控制，在驅(qū)動頻率為750 Hz時，驅(qū)動器最小開關(guān)時間僅為2.5 ms。美國Xu Jiawen等[27]對基于壓電超材料梯度指數(shù)的聚焦聲波可調(diào)鏡頭進行自適應(yīng)控制，通過調(diào)整RL電路的感性負(fù)載實現(xiàn)橫波自適應(yīng)聚焦。

國內(nèi)中科院上海光機所、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位對壓電驅(qū)動鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)進行了控制策略研究。為了提高共焦差動并行激光直寫中光束刻寫質(zhì)量，中科院上海光機所周常河團隊[28]設(shè)計了調(diào)平聚焦伺服控制系統(tǒng)，利用差動像散檢測方法和比例積分微分(PID)反饋算法減少光源和外部干擾的誤差，獲得高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性的探測曲線，通過動態(tài)聚焦壓電陶瓷伸長量可保證在焦深范圍內(nèi)焦點位置辨別精度可達納米級，調(diào)焦平臺的傾斜角和俯仰角在1×10-5rad左右。南京航空航天大學(xué)潘松等[29]采用傳統(tǒng)比例-積分-微分控制(PID)和模糊控制提出了超聲電機直驅(qū)的電動物鏡并行切換控制策略，將兩者結(jié)合建立了宏微相融合的預(yù)測控制方法，實現(xiàn)了物鏡轉(zhuǎn)換器的高精度、快速切換控制，電動物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位誤差小于0.015°。上海交通大學(xué)程昊、胡潔[30]使用壓電陶瓷作為對焦運動機構(gòu)，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制相結(jié)合的方式來控制數(shù)字化顯微系統(tǒng)對焦運動，新型對焦技術(shù)和運動機構(gòu)的使用大幅提高了對焦速度。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)戴一帆團隊[31]針對橫向壓電驅(qū)動變形鏡的遲滯特性，設(shè)計了靜態(tài)的PID閉環(huán)校正系統(tǒng)，并進行了校正實驗，閉環(huán)校正后線性度得到明顯提升，遲滯率可降低至1.8%。針對數(shù)字共焦顯微技術(shù)中壓電陶瓷物鏡驅(qū)動系統(tǒng)，廣西大學(xué)陳華等[32]分析了模糊PID控制器的控制性能，提出了離線優(yōu)化思想，經(jīng)優(yōu)化的初始參數(shù)配置于模糊PID控制中，對系統(tǒng)進行在線實時反饋調(diào)整，控制系統(tǒng)進行步進定位驅(qū)動，采用該種方法提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

4 目前存在的問題與不足

從已有的成果可知，雖然國內(nèi)外研究機構(gòu)及學(xué)者在壓電驅(qū)動調(diào)焦領(lǐng)域已取得眾多有價值的成果，但在水下微距調(diào)焦應(yīng)用方面仍存在如下問題與不足：

(1)壓電驅(qū)動在調(diào)焦機構(gòu)中的成熟應(yīng)用大多集中在民用相機調(diào)焦、顯微鏡物鏡調(diào)焦、手機相機調(diào)焦等領(lǐng)域，而在水下環(huán)境微距調(diào)焦應(yīng)用中仍存在不確定擾動引起的聚焦困難以及調(diào)焦系統(tǒng)耦合振動造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。

(2)目前調(diào)焦系統(tǒng)動態(tài)特性的研究大多只考慮系統(tǒng)自身的動力學(xué)特性以及結(jié)構(gòu)與壓電之間的耦合特性，而基于不確定水下擾動載荷作用下微距調(diào)焦系統(tǒng)的機電耦合動態(tài)特性問題需要進行深入研究。

(3)調(diào)焦系統(tǒng)的運動控制目前采用PID控制或者PID控制與模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的形式，PID控制器是一種有源校正裝置，其控制的質(zhì)量對受控對象的變化不太敏感，受到外界擾動尤其是外界負(fù)荷發(fā)生變化時，受控對象特性會發(fā)生很大變化，由于水下環(huán)境中存在眾多不確定擾動，PID控制無法根據(jù)微距調(diào)焦系統(tǒng)受到的不穩(wěn)定載荷做出調(diào)整。

5 未來發(fā)展趨勢

根據(jù)壓電驅(qū)動在水下微距調(diào)焦應(yīng)用中存在的問題和不足，可總結(jié)出其未來發(fā)展趨勢：

(1)各種適合水下環(huán)境中應(yīng)用的壓電調(diào)焦機構(gòu)需求越來越廣泛，由特定使用環(huán)境帶來的微距調(diào)焦機構(gòu)的密封、抗干擾性等問題在未來會越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注。

(2)擾動載荷激勵下微距調(diào)焦系統(tǒng)壓電與結(jié)構(gòu)間的相互耦合作用以及系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)間耦合度的弱化問題是影響壓電驅(qū)動水下微距調(diào)焦機構(gòu)動態(tài)特性的關(guān)鍵因素，是壓電驅(qū)動在水下環(huán)境應(yīng)用中不可避免的問題，也是未來研究的重點方向之一。

(3)不確定水下擾動對微距調(diào)焦控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是實現(xiàn)壓電驅(qū)動水下微距調(diào)焦系統(tǒng)高精度穩(wěn)定控制的難度，同時也是學(xué)者在未來需要著重研究的重點。

為了實現(xiàn)水下微距調(diào)焦機構(gòu)的快速響應(yīng)、高精度定位和大位移調(diào)焦，本文提出了一種基于壓電驅(qū)動的微距調(diào)焦機構(gòu)，工作原理如圖8所示，該系統(tǒng)集壓電驅(qū)動、諧波傳動、精密活齒傳動、螺旋傳動于一體，壓電微距調(diào)焦系統(tǒng)由四路相位依次相差π/2的正弦信號驅(qū)動，通過柔性鉸鏈位移放大作用后，形成連續(xù)諧波，驅(qū)動微型活齒傳動機構(gòu)輸出旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過螺旋傳動，鏡頭獲得直線運動。

圖8 壓電驅(qū)動水下微距調(diào)焦機構(gòu)

與其他壓電調(diào)焦機構(gòu)相比，本文提出的壓電微距調(diào)焦系統(tǒng)具有鏡頭移動位移大、移動速度可調(diào)、驅(qū)動力大、驅(qū)動及減速集成化、驅(qū)動系統(tǒng)定轉(zhuǎn)子間以及鏡頭連接支架與導(dǎo)軌之間滾動接觸、使用壽命長等優(yōu)點，適合水下細(xì)微目標(biāo)拍攝的微距調(diào)焦。

6 結(jié) 語

隨著科技的發(fā)展，海洋探測越來越受到國家的重視，水下微距相機作為在水下環(huán)境中近距海洋探測的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對探測的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。為了保證相機具有較高的定位精度和圖像采集效果，具有快速響應(yīng)、高精度定位及不受環(huán)境干擾等性能的微距調(diào)焦機構(gòu)迫切需要研制出來，壓電驅(qū)動因其自身優(yōu)點而成為高精度調(diào)焦機構(gòu)驅(qū)動的首選。壓電與水下環(huán)境的耦合問題以及擾動對控制系統(tǒng)控制精度的影響是未來研究的重點。