CN104111662A - 一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，首先采集单杆数据X₀；其次X₀进行死区处理，输出X₁；再对X₁进行归一化处理，输出X₂；对X₂进行一阶低通滤波处理，输出X₃；对X₃进行二次函数运算，输出X₄；对X₄进行限幅处理，输出X₅；将图像处理系统运算后的误差e加上综合补偿数据X₅得到综合误差信号err，并将err加入伺服系统位置环校正环节进行补偿。本发明通过单杆完成对跟踪误差的补偿或者对光轴指向的偏移，从而提高光电跟踪仪的跟踪精度或者指向需要的瞄准点。

Description

一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，主要涉及一种自动跟踪状态下的单杆补偿方法，尤其涉及一种光电跟踪仪在自动跟踪状态下，存在一定跟踪误差需要补偿或者在自动跟踪的状态下需要使光轴指向偏离跟踪点的操作方法。

背景技术

光电跟踪仪是一种借助光电探测器(电视、红外、激光器等)，经信号处理，由伺服系统驱动转台使设备光轴指向被探测目标的光机电一体化设备，大都具有自动跟踪和手动跟踪功能，自动跟踪是指光电跟踪仪伺服系统采用图像处理系统输出的目指偏差闭环驱动光轴指向目标的过程，而手动跟踪是指操纵手利用单杆设备操作转台运动指向目标的过程。所以光电跟踪仪操纵台上具有单杆设备(简称单杆)，给操纵手提供了在手动状态下，进行设备光轴的调整的功能，完成目标的手动搜索、跟踪。该方法单杆调整量的叠加位置为光电跟踪仪伺服系统速度环路的入口，其位置环路在单杆操作时处于无效状态(见附图1)，对相对快速运动的目标无法进行瞄准，如果在自动跟踪状态下使用该方法，受自动跟踪状态下速度环外层位置闭环的作用，该补偿量不仅难以做到1：1补偿，而且该补偿量将被位置环路抵消掉，使补偿失效，除非所加补偿量能跟随目标输入速度，但实际中操纵手在探测器上观察到的是位置偏差，而不是速度变化，该法不可取，且未见相关报道。光电跟踪仪在目标的跟踪过程中，为了提高跟踪精度，会采用II型系统，II型系统对静态目标、匀速目标理论上都是无差跟踪，对匀加速目标会存在相对稳定的滞后误差，对该误差进行补偿可进一步提高系统性能，直观的补偿方法是：偏移图像处理系统的解算中心点，此法理论上是可行的，在实际工程中首先需要增加与图像处理系统的单杆数据接口，同时增加了图像处理系统的运算量；其次目标跟踪过程是一个实时动态过程，执行动作的是伺服系统，图像处理系统对该过程的理解不同于伺服系统，采用该方法将增加实施的复杂度；另外伺服系统的运算周期远高于图像处理系统的运算周期，从实时性角度考虑，该方法不是最优的，且未见公开报道。本发明公布的方法是利用伺服系统基本环路特性，通过单杆补偿光电跟踪仪自动跟踪状态下的跟踪误差或者在自动跟踪状态下偏移光轴指向，该方法充分利用了传统单杆功能的数据接口，并不影响图像处理系统对目标的处理，且能保证实时性最高。

目前，国内外公开的文章、资料、专利对本发明要描述的在自动跟踪状态下的单杆补偿方法未见相关报道。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是，提供一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，以便在光电跟踪仪处于自动跟踪状态下，通过单杆完成对跟踪误差的补偿或者对光轴指向的偏移，从而提高光电跟踪仪的跟踪精度或者指向需要的瞄准点。

本发明的技术方案为：

所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：对光电跟踪仪单杆在方位和俯仰两个通道均采用以下步骤进行补偿：

步骤1：采集单杆数据X₀；

步骤2：对步骤1采集的单杆数据X₀进行死区处理，输出X₁；

步骤3：对X₁进行归一化处理，输出X₂；

步骤4：判断设备是否处于自动跟踪状态，如“是”则执行步骤5，如“否”则执行其他操纵；

步骤5：对X₂进行一阶低通滤波处理，输出X₃；

步骤6：对X₃进行二次函数运算，输出X₄；

步骤7：对X₄进行限幅处理，输出X₅；

步骤8：将图像处理系统运算后的误差e加上步骤7处理后的综合补偿数据X₅得到综合误差信号err，并将err加入伺服系统位置环校正环节进行补偿；

步骤9：等待下一个采样时刻，如果采样时刻到，则返回步骤1，否则继续等待。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤2中死区处理过程为：判断采样单杆数据X₀的绝对值是否小于ξ，若小于ξ，则输出单杆数据X₁为0，若大于ξ，则判断采样单杆数据X₀是正数还是负数，若为正数，则输出单杆数据X₁为X₀减ξ，若为负数，则输出单杆数据X₁为X₀加ξ；ξ为单杆死区门限值。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：单杆死区门限值取不对单杆进行操纵的状态下，单杆数据X₀绝对值的最大值。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤3中归一化处理过程为将X₁乘以归一化系数k得到X₂；归一化系数k为X_0max为将单杆向通道补偿方向推至最大位置后，所采集的单杆数据的绝对值的最大值。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤5中一阶低通滤波带宽为2Hz。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤6中二次函数运算为：如果X₁为正，则X₄＝X₃ ²，如果X₁为负，则X₄＝-X₃ ²。

进一步的优选方案，所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤7中限幅处理过程为：取X₅＝λ×X₄；其中λ为跟踪通道补偿限位值，取 $\mathrm{\λ}=\min \left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\θ}}{2}& \mathrm{\κ}\end{array}\right),$ θ为在图像处理系统稳定捕获目标条件下，其能够承受的光电跟踪仪位置最大阶跃幅值，κ为系统稳定跟踪目标后的最大滞后误差。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

1、本发明可通过单杆补偿光电跟踪仪自动跟踪状态下的跟踪误差，并可用于光电瞄准指向设备在自动跟踪状态下调整瞄准点；

2、本发明利用了传统设备已具备的单杆数据接口，不增加设备硬件的复杂性，同时不影响图像处理系统对目标的运算处理；

3、本发明光轴移动的实际表现效果如同改变了图像处理系统的解算基准点，但由于该过程是由伺服系统来完成的，伺服系统的运算周期远高于图像处理系统，相应在补偿方法中实时性最优；

4、本发明依据伺服跟踪时的动态特性设计了滤波器，既保证了跟踪过程中补偿加入后系统的稳定性，同时滤掉了操纵手手指颤动及单杆本身的噪声；

5、本发明根据跟踪探测器视场及实际跟踪中滞后误差，对补偿量进行了限幅处理，使补偿过程不惧怕误操作，降低了操纵手的心理压力，使操纵手在执行任务时可以大胆使用。

附图说明

图1传统单杆补偿原理图。

图2死区处理流程图。

图3二次函数运算流程图。

图4本发明单杆补偿原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例是在光电跟踪仪处于自动跟踪状态下，通过单杆完成对跟踪误差的补偿或者对光轴指向的偏移，从而提高光电跟踪仪的跟踪精度或者指向需要的瞄准点。光电跟踪仪单杆补偿具有方位、俯仰两个通道，由于本发明针对光电跟踪仪单杆在方位、俯仰方向上的处理方法完全一致，所以本实施例仅以方位通道为例结合附图作进一步的详述。

本实施例实施的实现形式为软件，软件运行平台为基于DSP的伺服控制板，单杆为数字量输出，实现的前提条件是光电跟踪仪的伺服系统已设计可用，同时，DSP的flash存储器中存有补偿方法所需的已知参量，这些已知参量包括：单杆死区门限值ξ，归一化系数k，电视大、小视场跟踪通道补偿限位值λ₁、λ₂，红外大、小视场跟踪通道补偿限位值λ₃、λ₄。

单杆死区门限值ξ的获得方法：在操纵手不对单杆进行操纵的状态下，采集单杆输出数据X₀，取其绝对值的最大值，记为ξ，在本实施例中ξ＝2。

归一化系数k的获取方法：操纵手把单杆向方位补偿方向推至最大位置，采集单杆输出数据，并取其绝对值的最大值记为X_0max，则在本实施例中 $k=\frac{1}{X_{0\max }}=\frac{1}{22}=0.0455.$

跟踪通道补偿限位值λ₁、λ₂、λ₃、λ₄取值方法为： $\min \left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\θ}}{2}& \mathrm{\κ}\end{array}\right),$ min()表示对括号中数据取最小值，θ为在图像处理系统稳定捕获目标条件下，其能够承受的光电跟踪仪位置最大阶跃幅值，θ由提前试验测试得到，经测试该值在小于1°的条件下不大于跟踪视场的1/2.5；κ为系统稳定跟踪目标后的最大滞后误差，该值由伺服系统通过跟踪模拟目标运动曲线获得，在本实施例中方位通道κ为0.115°，俯仰通道为0.085°，在本优选实施例中方位跟踪通道最小视场为0.8°，由 $\min \begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\θ}}{2}& \mathrm{\κ}\end{array}\right)=\min \left(\begin{array}{cc}\frac{0.8/2.5}{2}& 0.115\end{array}\right)$ 得：λ＝λ₁＝λ₂＝λ₃＝λ₄＝0.115°。

以上参数确定之后作为固定参数存在DSP中flash中，便于后续步骤调用，在具备上述前提条件并且参数确定后，整个测量过程包括以下操作步骤：

第一步，采集单杆数据X₀，本优选实施例中单杆设备是通过标准RS-232串口输出操纵数据，对该数据的采集方法是按照通用的串口通讯协议进行的，在此不作描述。

第二步，对单杆数据X₀进行死区处理，输出X₁。由于单杆外置于人工操纵台上，是压力传感，会受外界振动、摇摆等干扰，另外操作手起始操作时手指的颤动也会导致误操作，为了排除这些干扰，本发明对单杆数据X₀按照图2所示的流程对该数字信号进行死区判断和相应的处理：将单杆数据的绝对值与单杆死区门限值ξ进行比较，本实施例的死区范围定为±2，ξ为±2的绝对值即2；若单杆数据X₀的绝对值小于ξ，说明输入信号在死区范围内，可以认为操纵手并未操纵单杆，此时令X₁为零；若单杆数据X₀的绝对值大于ξ，再判断单杆数据是正数还是负数，若为正数，X₁为该正数减ξ，若为负数，则X₁为该负数加ξ。

第三步，对X₁进行归一化处理，输出X₂。归一化处理的目的是为了后续数据处理的单位一致，便于计算，该步骤操作方式为：对经步骤二处理后的单杆数据乘以归一化系数k。

第四步，判断设备是否处于自动跟踪状态，如“是”则执行步骤五，如“否”则执行其他操纵。

第五步，对X₂进行一阶低通滤波处理，输出X₃。该步骤的目的是为了去除动态补偿过程中操纵手手指颤动的干扰，同时具有减小误操作的概率和增加补偿稳定性的作用。由于该补偿是建立在自动跟踪的基础上，需要补偿的滞后误差变化并不剧烈，带宽较低，同时考虑到跟踪环路的带宽特性，在本实施例中，取滤波器为2Hz的一阶低通滤波器，其形式如下：

$\frac{X_3}{X_2}=\frac{1}{1+s/2\mathrm{\πf}},$ 离散方程式为 $\frac{X_3}{X_2}=\frac{b_0+b_1{Z}^{-1}}{1+a_1{Z}^{-1}},$

其中： $a_1=\frac{1-\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\×\frac{2}{T}}{1+\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\×\frac{2}{T}};b_0=b_1=\frac{1}{1+\frac{1}{2\mathrm{\πf}}\×\frac{2}{T}}.$

上式中，f为滤波器带宽f＝2Hz，T为采样周期T＝0.001s，a₁、b₀、b₁均为一阶低通滤波器离散方程式系数，经计算a₁＝0.987511929907314，b₀＝b₁＝0.006244035046343。

该滤波器是以T为运算周期的DSP系统中递推实现的，具体递推算法如下：

X₃＝a₁×X_3last+b₁×X_last+b₀×X₂

X_3last＝X₃；

X_2last＝X₂；

式中X_2last、X_3last为上一个采样周期一阶低通滤波器输入和一阶低通滤波器输出。

第六步，对X₃进行二次函数运算，输出X₄。此环节是为了保证在小输入时具有较好的控制精度，同时保证大输入时的快速性，该特性有二次函数特性保证，具体操作按照图3流程进行，首先计算X₃ ²，如果X₁为正，则X₄＝X₃ ²，如果X₁为负，则X₄＝-X₃ ²。

第七步，对X₄进行限幅处理，输出X₅。为了防止过补偿，同时保证补偿的稳定性及安全性，对最大补偿量进行了限制，由于在数据进行了归一化处理，该步骤的实现方式为对经步骤六处理后的数据根据不同的跟踪通道乘以相应限幅值，在本实施例中各跟踪通道限幅值相同，记为λ，具体操作为对步骤六处理后的数据乘以λ，即X₅＝λ×X₄。

第八步，X₅加入伺服系统，在自动跟踪过程中伺服系统接受图像处理系统运算后的的误差e。由图4所示位置加入伺服系统，通过进一步分解知，补偿量加入产生的效果实际上等于偏移了图像处理系统的解算基准点。记经步骤七处理后的综合补偿数据为X₅，记经补偿的综合误差信号为err，计算err＝e+X₅，把err加入伺服系统位置环校正环节即可。

第九步，等待采样时刻，如果采样时刻到，则返回步骤1，否则继续等待。

Claims (7)

1.一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：对光电跟踪仪单杆在方位和俯仰两个通道均采用以下步骤进行补偿：

步骤1：采集单杆数据X₀；

步骤2：对步骤1采集的单杆数据X₀进行死区处理，输出X₁；

步骤3：对X₁进行归一化处理，输出X₂；

步骤4：判断设备是否处于自动跟踪状态，如“是”则执行步骤5，如“否”则执行其他操纵；

步骤5：对X₂进行一阶低通滤波处理，输出X₃；

步骤6：对X₃进行二次函数运算，输出X₄；

步骤7：对X₄进行限幅处理，输出X₅；

步骤8：将图像处理系统运算后的误差e加上步骤7处理后的综合补偿数据X₅得到综合误差信号err，并将err加入伺服系统位置环校正环节进行补偿；

步骤9：等待下一个采样时刻，如果采样时刻到，则返回步骤1，否则继续等待。

2.根据权利要求1所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤2中死区处理过程为：判断采样单杆数据X₀的绝对值是否小于ξ，若小于ξ，则输出单杆数据X₁为0，若大于ξ，则判断采样单杆数据X₀是正数还是负数，若为正数，则输出单杆数据X₁为X₀减ξ，若为负数，则输出单杆数据X₁为X₀加ξ；ξ为单杆死区门限值。

3.根据权利要求2所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：单杆死区门限值取不对单杆进行操纵的状态下，单杆数据X₀绝对值的最大值。

4.根据权利要求1所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤3中归一化处理过程为将X₁乘以归一化系数k得到X₂；归一化系数k为X_0max为将单杆向通道补偿方向推至最大位置后，所采集的单杆数据的绝对值的最大值。

5.根据权利要求1所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤5中一阶低通滤波带宽为2Hz。

6.根据权利要求1所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤6中二次函数运算为：如果X₁为正，则X₄＝X₃ ²，如果X₁为负，则X₄＝-X₃ ²。

7.根据权利要求1所述一种光电跟踪仪自动跟踪状态下的单杆补偿方法，其特征在于：步骤7中限幅处理过程为：取X₅＝λ×X₄；其中λ为跟踪通道补偿限位值，取 $\mathrm{\λ}=\min \left(\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\θ}}{2}& \mathrm{\κ}\end{array}\right),$ θ为在图像处理系统稳定捕获目标条件下，其能够承受的光电跟踪仪位置最大阶跃幅值，κ为系统稳定跟踪目标后的最大滞后误差。