基于纵向-弯曲-弯曲压电驱动器的二维跨尺度轻量化云台及其在自由空间光通信中的应用研究

本文创新性地提出了一种采用纵向-弯曲-弯曲压电驱动器（LBB-PEA）的二维轻量化云台，兼具跨尺度运动（187 nrad~±436 mrad）和断电自锁功能。该云台通过单一驱动器整合宏观/微观运动，突破传统串联式双级作动器的局限，耦合率低于4.5%，负载能力达700 g，重量仅3.0 kg。研究建立了融合梁变形理论与摩擦学的动力学模型，并通过激光扫描追踪实验验证了其在捕获-跟踪-瞄准（ATP）系统中的实用价值，为自由空间光通信（FSO）设备提供了高分辨率、快响应的轻量化解决方案。

　　

亮点

这项研究提出了一种创新的纵向-弯曲-弯曲压电驱动器（LBB-PEA）驱动的二维云台，巧妙地将大角度运动（±436毫弧度）与超高分辨率（176纳弧度）集成于单一紧凑结构中。其断电自锁功能通过驱动器的纵向单元实现，而弯曲单元则基于粘滑-直接驱动混合原理实现跨尺度运动——就像用同一把钥匙既打开保险箱又调整显微镜般精妙。

动态模型

研究团队建立了融合蒂莫申科梁理论和伪刚体法的多尺度动力学模型，这个模型就像给云台装上了"数字孪生大脑"，能精准预测不同驱动频率（0.1-1000 Hz）下的动态响应。特别值得注意的是，模型揭示了接触面摩擦系数与步进效率的非线性关系——当摩擦系数从0.1增至0.3时，步长会像坐过山车般先攀升后回落。

实验验证

在激光笔追踪实验中，这个仅重3公斤的"小个子"展现出令人惊艳的灵活性：它能以0.02°的步距角追踪移动目标，就像猫捉老鼠般敏捷。更神奇的是，在突然断电时，其自锁机制能在20毫秒内牢牢"冻结"平台位置，角度漂移小于5微弧度——相当于把晃动的摄像头瞬间变成三角架。

结论

这项研究为自由空间光通信（FSO）中的捕获-跟踪-瞄准（ATP）系统提供了革命性的轻量化解决方案。就像瑞士军刀般多功能的设计，既满足大范围粗调又实现纳米级精调，其性能参数（耦合率<4.5%，负载>700g）让传统电磁驱动云台相形见绌。未来在无人机光通信等重量敏感场景中，这种压电云台或将大放异彩。