无人机激光引导与通信系统是一种利用激光测量与传输无人机引导信息的新型光电系统。它主要涉及无人机激光引导技术、空间激光通信技术和它们的系统融合技术,将分立的无人机激光引导系统和空间激光通信系统进行融合能够避免无人机引导信息使用射频传输产生的危害,节约对安装平台的资源需求,充分发挥激光在测量和通信上的双重优势。从公开的资料来看目前对无人机激光引导技术和空间激光通信技术的研究都是单独进行的,没有研究团队对二者的融合展开研究,也没有相应的研究成果面世。在某预研项目的支持下,本文独创性地设计和实现了一套无人机激光引导与通信演示系统,该系统是将无人机激光引导技术与空间激光通信技术相融合的首次创新尝试。针对这一系统涉及的三项关键技术:快速捕获技术、粗/精跟踪控制技术和接收端无跟瞄(跟踪-瞄准)机构的激光通信技术进行了深入研究和探讨。论文的主要研究内容总结如下:1.考虑实验室在空间激光通信领域的已有基础,在演示系统的设计中以空间激光通信系统的典型结构为参考,将实现无人机回收引导的相关功能组件嵌入其中。演示系统总体上包括光学分系统、通信分系统、PAT(对准、捕获、跟踪)分系统和引导分系统四部分。为实现两种技术的融合,在通信分系统中的增加引导专用通信子系统,在总体结构上增加引导分系统。2.为在无人机不能发射信标指示光的约束下实现快速捕获,设计了一种基于二维高速振镜的无源合作目标捕获方法。首先结合项目背景设计对无源合作目标的快速捕获与扫描方式,给出捕获工作流程示意图;其次推导静止目标的捕获时间数学表达式,指出在捕获不确定区域、激光发散角、信噪比等条件一定时,捕获单元的扫描步进性能是影响捕获时间快慢的唯一因素;然后设计一种以二维高速振镜为主要扫描机构的捕获单元,其扫描步进性能远远高于传统的粗跟踪转台,在理论上极大减小捕获时间;最后为满足无人机期望捕获距离,设计了对无源合作目标的捕获链路。实验结果表明该方法的动态捕获时间非常短,捕获性能相比传统的捕获方法有很大提升。3.为进一步提高粗跟踪单元的扰动抑制能力,提出一种基于改进的线性扩张状态观测器的控制方法。首先介绍粗跟踪的组成和控制结构,推导粗跟踪的控制模型,确定基本位置控制器为PID形式,根据相关技术指标计算PID的参数,取得满意的扰动被动抑制效果;其次指出PID控制器的不足,介绍基于“主动抗扰”原理的自抗扰控制理论及其在实际应用中所暴露出的问题;然后对自抗扰理论中最核心部分——线性扩张状态观测器的观测原理进行详细推导与论证,在理论上指出其不足,提出一种改进的线性扩张状态观测器;最后将改进的线性扩张状态观测器和基本位置PID控制器结合,构成改进的自抗扰控制器,成功应用于粗跟踪平台。实验结果表明:针对幅度1°、频率在0.25Hz-1.25Hz间的外部位置扰动,传统的自抗扰控制器随着扰动频率的增加,扰动隔离度下降非常明显,1Hz时的提升程度仅为0.25Hz处的3.9%。而采用本文提出的改进后的自抗扰控制器使扰动隔离度至少提高了 4.26dB,且随着扰动频率的增加,扰动隔离度的提升非常稳定,1Hz时的提升程度与0.25Hz处几乎一致。此外,改进后的自抗扰控制器有较好的鲁棒性,允许被控对象参数在15%的范围内变化。4.为进一步提高精跟踪单元的扰动抑制能力,提出一种基于扰动观测器的精跟踪控制方法。首先确定最优的精跟踪控制结构,介绍基于电机位置环和电机电流环的两种精跟踪控制结构,推导它们的开环、闭环和扰动传递函数,在相同前向通道设计指标情况下计算它们的基本位置PD控制器参数,比较它们对扰动的抑制性能,指出基于电机电流环的控制结构远优于基于电机位置环的控制结构,在后续的研究中仅以基于电机电流环的精跟踪为研究对象;其次分析精跟踪对扰动的基本抑制原理和扰动抑制能力理论上限;然后介绍基于“主动抗扰”原理的扰动观测器理论;最后提出一种基于扰动观测器的精跟踪控制方法,该方法使用扰动观测器从电机位置传感器和光斑位置传感器中观测外部扰动,然后将扰动等效补偿量加入到电流环前的综合点,与前向通道PD控制器配合实现了精跟踪的扰动前馈补偿。实验结果表明:相比常规的PD控制器,加入扰动观测器使扰动隔离度在几乎所有频率处都得到了提升,最优情况已达到11.6dB;同时,该方法具有很强的鲁棒性,允许被控对象参数在15%的范围内变化。5.为在无人机上无法安装跟瞄机构的条件下实现引导信息接收,设计了一种基于大视场接收和激光副载波调制的无人机引导信息接收方法。首先指出机上无跟瞄机构时必须要采取大视场的接收方式才能避免激光对准偏差导致的链路中断,计算了背景光对大视场接收的影响,指出如果不加特殊处理,OOK(开关键控)信号将淹没在背景光中,提出激光副载波调制的解决方法;其次说明该方法的物理层实现;然后为提高通信可靠性和可用性,设计了引导专用通信协议;最后给出了详细的引导通信链路。实验结果表明相比OOK方法,该方法能够有效抑制背景光干扰,实现无人机上的激光通信数据接收。