CN103226327B - 光电稳瞄系统瞄准线静态漂移的自动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电稳瞄系统瞄准线静态漂移的自动补偿方法，属于自动控制领域。该方法在光电稳瞄系统观瞄具小视场下，将自动跟踪控制回路断开，在一定时间内统计跟踪位移偏差，采用最小二乘曲线拟合算法计算瞄准线的漂移速度，并将该漂移速度转换为对应的控制电压反向加入陀螺稳定回路补偿漂移运动；通过定时器控制伺服控制系统自动反复执行以上操作，直到漂移速度小于指定阈值为止。该方法完全采用软件算法实现，解决了手动漂移补偿慢、补偿精度不高的问题，同时算法简单，可移植性强，适合于现有机载光电稳瞄系统的瞄准线漂移补偿。

Description

光电稳瞄系统瞄准线静态漂移的自动补偿方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，主要涉及一种光电稳瞄系统的瞄准线漂移补偿方法，尤其涉及一种机载光电稳瞄系统瞄准线静态漂移的自动补偿方法。

背景技术

机载光电稳瞄系统是一种安装在武器平台上，用于对目标进行探测、识别和瞄准的光电设备，它一般采用速率陀螺作为角速度敏感元件，通过速度闭环控制，保证瞄准线在惯性空间的稳定。在光电稳瞄系统投入使用过程中，随着时间和温度的变化，系统元器件特性有一定的改变，瞄准线的静态漂移也会随之发生变化。因此，在载机执行飞行任务前，需要对光电稳瞄系统进行地面通电检查，定期对静态漂移进行补偿，否则，这种漂移会影响操控手瞄准目标时的准确性和稳定性。

传统的瞄准线漂移补偿采用手动补偿的方法，即操控手通过载机上的综合显控装置观察瞄准线的漂移方向和速度，然后操作综合显控装置的周边键实施补偿。在综合显控装置上设置有上、下、左、右和存储五个漂移补偿按键，操控手根据瞄准线漂移的方向按压相应的按键向光电稳瞄系统发送补偿指令，后者根据接收的命令生成反向速度补偿信号，并施加于伺服控制系统的速度回路以减缓漂移运动。操控手连续执行以上操作直至人眼基本观察不到瞄准线在方位和俯仰方向的漂移运动为止，最后按压存储按键完成漂移量的存储。由于人眼分辨力的限制，该方法补偿精度不高，且补偿时间长，增加了操控手的负担。北京理工大学申请的中国专利201110008567的专利公开了一种消除瞄准线基线漂移的方法，该方法应用于车载瞄准系统上，其原理为首先将瞄准线系统瞄准一静目标，然后开启载车上配备的CCD摄像机，CCD摄像机对着瞄准系统的监视器。在瞄准线缓慢漂移的过程中，CCD采集监视器的每一帧图像，针对每帧图像提取特征点，并计算各个特征点的坐标值，利用曲线拟合方法提取常值漂移量，并在控制系统中减去该漂移分量，即可消除瞄准线漂移。相对手动补偿漂移而言，该方法采用图像处理的方法提取漂移更为先进，但一方面该发明需要额外配备CCD设备，增加了系统的复杂性，不适用于机载光电稳瞄系统；另一方面，由于其瞄准线相对目标的运动漂移是通过CCD间接采集监视器图像而来，其图像特征点的提取受监视器的帧频、对比度、亮度以及CCD相对监视器的位置等诸多因素影响，因此无法保证补偿精度的稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的问题，提出一种精度更高、时间更短的漂移自动补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的漂移自动补偿方法包含以下步骤：

第一步，接收综合显控装置的自动补偿命令,置补偿状态标志S＝1，置定时器T＝0，置累计漂移补偿命令U_c＝0，从静态存储器中读取已知常量到缓存中；

第二步，判断补偿状态标志S的当前状态，若S＝1，跳转到第三步；若S＝2，跳转到第五步；若S＝3，跳转到第八步；若S＝0，跳转到第十三步；

第三步，读取跟踪器发送来的当前跟踪像素偏差Δe，由以下公式计算位移偏差Δp：

$\mathrm{\Δp}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TV}}}{R}\·\mathrm{\Δe}$

式中，θ_TV是光电稳瞄系统电视观瞄具小视场的视场角且为已知常量，R是光电稳瞄系统视频图像的分辨率且为已知常量；

第四步，判断|Δp|＜P_d,，若为真，置补偿状态标志S＝2，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，以位移偏差Δp为输入量采用控制算法计算闭环控制状态下的闭环回拉命令U_s并令U＝U_s，之后跳转到第十二步，P_d是稳定跟踪阈值且为已知常量，U为陀螺稳定回路的速度控制命令；

第五步，根据下式计算当前伺服控制周期下的四个最小二乘系数：

$\left\{\begin{array}{c}A=A+T^2\\ B=B+T\\ C=C+T\·\mathrm{\Δp}\\ D=D+\mathrm{\Δp}\end{array}\right.$

式中A、B、C、D分别是最小二乘曲线拟合算法的四个系数；

第六步，定时器T累加一个伺服控制周期T_s，即令T＝T+T_s；

第七步，判断T≥T_d，若为真，置定时器T＝0，置补偿状态标志S＝3，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步，T_d是开环漂移时间且为已知常量；

第八步，根据计算当前漂移速度v；

第九步，判断|v|≤V_d，若为真，置补偿状态标志S＝0，置定时器T＝0；若为假，置补偿状态标志S＝1，V_d是最小漂移速度阈值且为已知常量；

第十步，根据下式计算当前补偿命令u_i；

u_i＝-K_g·v

式中，K_g是速度-电压比例系数且为已知常量；

第十一步，根据U_c＝U_c+u_i计算累计漂移补偿命令U_c，并令U＝U_c；

第十二步，将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，并返回执行第二步；

第十三步，令U＝U_cmd+U_c，并将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，然后退出漂移自动补偿模块，U_cmd是伺服系统正常工作时的系统命令。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明提供的瞄准线漂移自动补偿方法采用内置于伺服控制软件的自动补偿模块实现，操控手只需操控一次综合显控装置的自动补偿按键向光电稳瞄系统发送开始补偿命令，自动补偿模块将自动运行，并在15秒内快速完成漂移速度的估计、补偿和保存。本发明弥补了手动补偿时间长的缺点，并且将综合显控装置的漂移补偿按键由5个减少为1个，大大减轻了操控手的负担。

(二)本发明充分利用了光电稳瞄系统中电视观瞄具/热像观瞄具在小视场下对漂移的分辨力强的特点，以自动跟踪模式下的跟踪偏差作为输入计算漂移速度，相对采用CCD间接采集监视器图像，本发明无需额外辅助设备，避免了间接采集图像的不准确性，具有更高的精度，适合于机载光电稳瞄系统的瞄准线漂移补偿。

(三)本发明采用软件实现，算法简单，移植性高，适合于各种具有跟踪功能的光电稳瞄系统。

附图说明

图1是本发明瞄准线漂移自动补偿方法的流程图。

图2是瞄准线漂移自动补偿过程中四个状态的时序图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明优选实施例是现有机载两轴四框架光电稳瞄系统，瞄准线漂移的自动补偿方法由内置于伺服控制计算机中的漂移自动补偿模块实现。伺服控制计算机的静态存储器中存储了用于漂移自动补偿的已知常量。

当需要对光电稳瞄系统进行漂移补偿时，操控手先将系统上电，操控光电稳瞄系统将瞄准线对准一静止目标，切换电视观瞄具到小视场，并进入自动跟踪模式，此时跟踪波门套住该目标，瞄准线十字保持在跟踪波门中心；操控手按压综合显控装置的自动补偿按键，此时，漂移自动补偿模块将按图1所示的工作流程完成以下操作：

第一步，接收综合显控装置的自动补偿命令，置补偿状态标志S＝1，置定时器T＝0，置累计漂移补偿命令U_c＝0，从静态存储器中读取已知常量到缓存中。

第二步，根据补偿状态标志S判断当前所处的补偿状态。若S＝1，跳转到第三步；若S＝2，跳转到第五步；若S＝3，跳转到第八步；若S＝0，跳转到第十三步。

补偿状态标志S用于控制自动补偿过程的状态转换，如图2所示。S＝1是闭环控制状态，在该状态下瞄准线在伺服控制系统的驱动下逐渐向跟踪波门靠近，并最终与后者重合；S＝2是开环漂移状态，在该状态下光电稳瞄系统的陀螺稳定回路输入速度控制命令为0，瞄准线处于自由漂移状态；S＝3是开环补偿状态，在该状态下漂移自动补偿模块计算并补偿漂移速度，瞄准线的漂移运动将减慢；S＝0是补偿完成状态，在该状态下瞄准线的漂移速度满足系统指标要求，将退出自动漂移补偿模块。

第三步，读取跟踪器发送来的当前跟踪像素偏差Δe，根据以下公式计算位移偏差Δp；

$\mathrm{\Δp}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{TV}}}{R}\·\mathrm{\Δe}$

式中，θ_TV是光电稳瞄系统电视观瞄具小视场的视场角且为已知常量，R是光电稳瞄系统视频图像的分辨率且为已知常量，R由光电稳瞄系统视频跟踪板的输出图像特性决定，在本实施例中θ_TV＝0.8°，R＝720。

第四步，判断|Δp|＜P_d，若为真，表示瞄准线十字与跟踪波门基本重合，则置补偿状态标志S＝2，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，表示瞄准线偏离跟踪波门较远，以位移偏差Δp为输入量采用伺服控制算法计算生成闭环回拉命令U_s并令U＝U_s，之后跳转到第十二步。

P_d是稳定跟踪阈值，用于判断闭环控制状态下瞄准线十字与跟踪波门是否基本重合，可选取1-3个像素偏差所对应的位移偏差作为跟踪阈值；闭环回拉命令U_s可采用PID控制、模糊控制等伺服控制算法计算获得，在本实施例中采用以下分段PI控制算法计算闭环回拉命令U_s：

$U_s=\left\{\begin{array}{cc}{U}_0& \left|\mathrm{\&Delta;p}\right|\&GreaterEqual;P_f\\ k_P\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;p}+k_I\&CenterDot;\mathrm{\&Sigma;\&Delta;p}& \left|\mathrm{\&Delta;p}\right|<P_f\end{array}\right.$

式中：U₀是常值速度控制命令，k_P是非线性PI控制算法的比例增益系数，k_I是非线性PI控制算法的积分增益系数，P_f是分段位移偏差阈值，P_d、U₀、k_P、k_I和P_f均为已知常量，本实施例中，P_d＝0.0015°，U₀＝0.005V，k_P＝0.05，k_I＝0.002，P_f＝0.015°。

第五步，根据直线最小二乘曲线拟合算法计算当前伺服控制周期下的四个最小二乘系数；

$\left\{\begin{array}{c}A=A+T^2\\ B=B+T\\ C=C+T\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;p}\\ D=D+\mathrm{\&Delta;p}\end{array}\right.$

式中A、B、C、D分别是最小二乘曲线拟合算法的四个系数。

第六步，定时器T累加一个伺服控制周期T_s，即令T＝T+T_s，本实施例中T_s＝0.02s；

第七步，判断定时器T是否大于等于T_d，若为真，置定时器T＝0，置补偿状态标志S＝3，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；

T_d是开环漂移时间且为已知常量，用于控制开环漂移状态下瞄准线自由漂移的距离，T_d选取太小则漂移过程中获取的位移偏差数据量少，由最小二乘曲线拟合算法计算的漂移速度不够准确，T_d选取太大则漂移距离较长，可能导致被跟踪目标出视场，因此，一般选取T_d＝2～5s，本实施例中选取T_d＝3s。

第八步，根据当前最小二乘曲线拟合算法的四个系数A、B、C和D，由下式计算当前漂移速度v：

$v=\frac{C\&CenterDot;T-B\&CenterDot;D}{A\&CenterDot;T-B\&CenterDot;B}$

第九步，判断当前漂移速度v的幅值是否小于等于V_d，若为真，置补偿状态标志S＝0，置定时器T＝0；若为假，置补偿状态标志S＝1；

V_d是最小漂移速度阈值且为已知常量，它由系统指标确定，在本实施例中系统指标要求瞄准线在5分钟内的漂移小于0.4°，则选取

第十步，由下式计算当前补偿命令u_i；

u_i＝-K_g·v

式中，K_g是速度-电压比例系数且为已知常量，它反应了漂移速度和电压的线性关系，瞄准线的漂移速度由光电稳瞄系统中的速率陀螺测量，因此该系数和速率陀螺的标度因数有关。在本实施例中K_g＝0.16667V/°/s。

第十一步，根据U_c＝U_c+u_i计算累计漂移补偿命令U_c，并将该命令赋给速度控制命令U。

第十二步，将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，并返回执行第二步；

第十三步，令U＝U_c+U_cmd，并将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，然后退出漂移自动补偿模块。

Claims (1)

1.一种机载光电稳瞄系统静态漂移的自动补偿方法，其特征在于,该方法是通过内置于伺服控制计算机中的漂移自动补偿模块执行以下操作步骤实现的：

第一步，接收综合显控装置的自动补偿命令,置补偿状态标志S＝1，置定时器T＝0，置累计漂移补偿命令U_c＝0，从静态存储器中读取已知常量到缓存中；

第二步，判断补偿状态标志S的当前状态，若S＝1，跳转到第三步；若S＝2，跳转到第五步；若S＝3，跳转到第八步；若S＝0，跳转到第十三步；

第三步，读取跟踪器发送来的当前跟踪像素偏差Δe，由以下公式计算位移偏差Δp：

$\mathrm{\&Delta;p}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{TV}}}{R}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;e}$

式中，θ_TV是光电稳瞄系统电视观瞄具小视场的视场角且为已知常量，R是光电稳瞄系统视频图像的分辨率且为已知常量；

第四步，判断|Δp|＜P_d,，若为真，置补偿状态标志S＝2，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，以位移偏差Δp为输入量采用控制算法计算闭环控制状态下的闭环回拉命令U_s并令U＝U_s，之后跳转到第十二步，P_d是稳定跟踪阈值且为已知常量，U为陀螺稳定回路的速度控制命令；

第五步，根据下式计算当前伺服控制周期下的四个最小二乘系数：

$\left\{\begin{array}{c}A=A+T^2\\ B=B+T\\ C=C+T\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;p}\\ D=D+\mathrm{\&Delta;p}\end{array}\right.$

式中A、B、C、D分别是最小二乘曲线拟合算法的四个系数；

第六步，定时器T累加一个伺服控制周期T_s，即令T＝T+T_s；

第七步，判断T≥T_d，若为真，置定时器T＝0，置补偿状态标志S＝3，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步；若为假，置速度控制命令U＝0，并跳转到第十二步，T_d是开环漂移时间且为已知常量；

第八步，根据计算当前漂移速度v；

第九步，判断|v|≤V_d，若为真，置补偿状态标志S＝0，置定时器T＝0；若为假，置补偿状态标志S＝1，V_d是最小漂移速度阈值且为已知常量；

第十步，根据下式计算当前补偿命令u_i；

u_i＝-K_g·v

式中，K_g是速度-电压比例系数且为已知常量；

第十一步，根据U_c＝U_c+u_i计算累计漂移补偿命令U_c，并令U＝U_c；

第十二步，将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，并返回执行第二步；

第十三步，令U＝U_cmd+U_c，并将速度控制命令U施加到陀螺稳定回路的输入端，然后退出漂移自动补偿模块，U_cmd是伺服系统正常工作时的系统命令。