CN106227035B - 一种运动平台小型光电系统跟瞄控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种运动平台小型光电系统高精度跟瞄控制方法。该控制方法利用一个二维转台和一块快速倾斜镜实现高精度跟瞄。该控制方法是利用粗图像探测器信息和陀螺信息同时实现二维转台和快速倾斜镜的控制。具体控制方式为：二维转台由角速率陀螺反馈闭环构成速度回路，由图像探测器脱靶量反馈闭环构成粗跟踪回路；同时，将图像传感器脱靶量和陀螺信号融合，得到二维转台跟踪残差和扰动抑制残差，作为快速倾斜镜的输入，用快速倾斜镜再次校正这两部分误差，获得高精度跟瞄。本发明所述控制方法简化系统组成，快速倾斜镜充分利用粗跟踪图像传感器和陀螺信息，实现高精度的光束控制，具有结构简单、稳定可靠，工程容易实现。

Description

一种运动平台小型光电系统跟瞄控制方法

技术领域

本发明涉及光束控制领域，具体涉及一种运动平台小型光电系统高精度跟瞄控制方法，主要用于运动平台上小型光电系统光轴对目标的高精度瞄准。

背景技术

运动平台上的光电系统，受限于平台载重、空间、功耗等限制，要求光电系统必须小型化，这就限制了系统的硬件组成、机械设计以及光路设计。很多情况下，由于传统的地基光电系复合轴结构比较复杂、庞大，而不能直接用于运动平台上。为了满足小型化的需求，运动平台上光电系统常采用单轴结构，只有一级跟踪成像传感器，用于机架闭环跟踪目标。由于没有精成像光路及精图像探测器，因此不能组成粗、精跟踪的复合轴控制，这就大大降低了系统对目标的跟踪和瞄准精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种运动平台小型光电系统高精度跟瞄控制方法，利用粗跟踪图像探测器脱靶量与陀螺信息融合，得到机架跟踪目标残差和扰动抑制残差，作为发射光路中快速倾斜镜的输入，利用高带宽快速倾斜镜对这两部分误差再次进行抑制，从而提高系统光轴对目标的跟踪、瞄准精度。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种运动平台小型光电系统高精度跟瞄控制方法，该光电系统由一个二维转台、一块快速倾斜镜M1、一块固定反射镜M2、一个图像探测器，角速率陀螺A和角速率陀螺E组成，二维转台包含方位轴和俯仰轴，快速倾斜镜M1安装在发射光路中，发射光束经过快速倾斜镜M1和固定反射镜M2发射到目标上，从目标来的光线不经过快速倾斜镜M1，直接在图像探测器上成像，二维转台由角速率陀螺反馈闭环构成速度回路，由图像探测器脱靶量闭环构成粗跟踪回路；同时，将图探测器脱靶量和陀螺信号滤波融合，得到转台粗跟踪残差和扰动抑制残差，作为快速倾斜镜的输入，用高带宽快速倾斜镜再次校正这两部分误差，提高系统光轴对目标的跟踪、瞄准精度，该方法的瞄准误差为：

其中：

E(s)：瞄准误差；

R(s)：目标位置；

d(s)：扰动；

e^-τs：图像探测器脱靶量延迟；

P₁(s)：二维转台速度特性；

C₁(s)：二维转台速度回路控制器；

C₂(s)：二维转台跟踪回路控制器；

P₂(s)：快反镜特性；

C₃(s)：快反镜位置回路控制器；

C₄(s)：扰动前馈控制器；

G_F1(s)：扰动解耦滤波；

G_F2(s)：目标解耦滤波；

由公式(1)可知，当设计控制器可以实现系统光轴对低频目标的高精度跟踪和对宽频扰动的高精度抑制，从而实现系统光轴对目标的高精度瞄准，控制器C₄(s)中的是为了保证控制器物理可实现和提高对G₂(s)误差的鲁棒性。

更进一步的，对陀螺信号采用高通滤波，但不限于高通滤波解耦，采用高通滤波方法解耦的优点是简单明了，分解低频目标信息和高频扰动信息，同时也能消除陀螺漂移的影响。

更进一步的，快速倾斜镜采用位置传感器反馈闭环，位置回路的带宽一般比较高，在闭环带宽内，闭环传递函数为其中，P₂(s)为快反镜特性，C₃(s)为快反镜位置回路控制器，高带宽位置内回路可以很好的补偿粗跟踪残差和二维转台扰动抑制残差。

本发明相对于现有技术的优点有：

(1)、本发明可以精简系统光机结构和硬件组成，使系统小型化的同时，有效提高系统光轴跟瞄精度；

(2)、本发明机架控制和快速倾斜镜的控制解耦，设计控制器简单便捷；

(3)、本发明控制算法简单，稳定可靠，工程实现容易。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图，其中，M1为快速倾斜镜，M2为固定反射镜；

图2为本发明控制结构图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。

如图1所示，在二维转台俯仰轴上安装粗电视，用于目标探测；在二维转台方位轴、俯仰轴上分别安装角速率陀螺A和陀螺E，用于敏感转台方位轴、俯仰轴在惯性空间的角速率；在发射光路中，安装一块快速倾斜镜M1，发射光束经过快速倾斜镜M1和固定反射镜M2发射到目标上，通过对快速倾斜镜M1的控制，实现光束对目标的精确瞄准。

建立控制系统，如图2所示。二维转台方位轴、俯仰轴分别用陀螺A、陀螺E反馈信号闭环形成粗稳定回路，对载体扰动进行抑制；二维转台跟踪回路采用粗电视脱靶量反馈闭环，对目标进行跟踪。快速倾斜镜M1用位置传感器反馈闭环，形成高带宽位置回路，在带宽范围内，机架速度反馈回路、电视反馈回路、快反镜位置回路控制器设计都比较成熟，设计C₁(s)、C₂(s)、C₃(s)为PI型控制器。通过机架控制获得视轴瞄准误差为：

其中，

对粗电视脱靶量进行低通滤波，目的是从电视脱靶量信息中获得机架对目标的跟踪误差，如图2中e_target(s)所示。低通滤波器带宽选择原则为：刚好通过目标信息，而滤除掉带宽之外的所有扰动信息。陀螺传感器信号里包含目标运动信息和扰动信息，对陀螺A、E进行高通滤波，得到图2所示的e_disturbance(s)就代表二维转台稳定之后剩余的扰动量。高通滤波器带宽的选择原则为：只通过扰动信息，而完全滤除目标运动信息。

如图2所示，e₂(s)＝e_target(s)-e_disturbance(s)，将e₂(s)作为快速倾斜镜M1的输入，由于快速倾斜镜M1位置回路带宽较高，一般达200赫兹，得到Y₂(s)≈e₂(s)。即利用高带宽快速倾斜镜对机架控制误差进行补偿，从而提高系统光轴瞄准精度。本发明系统光轴最终瞄准误差为：

设计前馈控制器则误差公式里的1-G_F1(s)*C₄(s)*G₂(s)≈0，控制器是为了保证控制器物理可实现和提高对G₂(s)误差的鲁棒性。相比单纯机架控制，本发明提高了对目标的跟踪能力和对扰动的抑制能力，从而提高了系统光轴瞄准精度。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种运动平台小型光电系统跟瞄控制方法，其特征在于：该跟瞄系统由一个二维转台、一块快速倾斜镜M1、一块固定反射镜M2、一个图像探测器，角速率陀螺A和角速率陀螺E组成，二维转台包含方位轴和俯仰轴，快速倾斜镜M1安装在发射光路中，发射光束经过快速倾斜镜M1和固定反射镜M2发射到目标上，从目标来的光线不经过快速倾斜镜M1，直接在图像探测器上成像，二维转台由角速率陀螺反馈闭环构成速度回路，由图像探测器脱靶量闭环构成粗跟踪回路；同时，将图探测器脱靶量和陀螺信号滤波融合，得到转台粗跟踪残差和扰动抑制残差，作为快速倾斜镜的输入，用高带宽快速倾斜镜再次校正这两部分误差，该方法的瞄准误差为：

其中：

E(s)：瞄准误差；

R(s)：目标位置；

d(s)：扰动；

e^-τs：图像探测器脱靶量延迟；

P₁(s)：二维转台速度特性；

C₁(s)：二维转台速度回路控制器；

C₂(s)：二维转台跟踪回路控制器；

P₂(s)：快反镜特性；

C₃(s)：快反镜位置回路控制器；

C₄(s)：扰动前馈控制器；

G_F1(s)：扰动解耦滤波；

G_F2(s)：目标解耦滤波；

由公式(1)可知，当设计控制器可以实现系统光轴对低频目标的高精度跟踪和对宽频扰动的高精度抑制，控制器C₄(s)中的是为了保证控制器物理可实现和提高对G₂(s)误差的鲁棒性；

对陀螺信号采用高通滤波，但不限于高通滤波解耦，分解低频目标信息和高频扰动信息，同时也能消除陀螺漂移的影响；

快速倾斜镜采用位置传感器反馈闭环，位置回路的带宽一般比较高，在闭环带宽内，闭环传递函数为其中，P₂(s)：快反镜特性，C₃(s)：快反镜位置回路控制器，高带宽位置内回路可以补偿粗跟踪残差和二维转台扰动抑制残差。