CN106227241A - 一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统及其方法 - Google Patents

一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括球形外壳、总安装平台、快摆镜组件、大视场相机、小视场相机、第一力矩电机、第二力矩电机和压电驱动器：第一力矩电机传动轴与球形外壳连接；第二力矩电机与球形外壳内壁进行固连，与总安装平台固定连接；快摆镜组件安装在总安装平台中心位置，快摆镜组件在快摆镜安装凸台上由两对压电驱动器驱动；大视场相机安装于快摆镜上方处，并与总安装平台相连；小视场相机与总安装平台上的相机安装凸台连接。本发明还公开了一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法。本发明在大视场力矩电机驱动粗扫描跟踪的基础上采用压电驱动快摆镜实现对远距离目标的小视场快速高精度跟踪。

Description

一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统及其方法
技术领域
本发明属于运动平台指向扫描跟踪系统控制领域，更具体地说，涉及一种双视场双回路扫描跟踪系统及其方法。
背景技术
运动光电平台(机载、车载、船载光电平台等)是实现对目标稳定指向和跟踪的关键组成部分，为了能够快速精确的指向并跟踪远距离移动目标，必须要保证运动光电平台扫描跟踪系统的快速性和精确性指标。
常规扫描跟踪系统的转动伺服机构一般采用电机驱动控制，其能动范围较大，能够实现大范围内的目标探测和跟踪，但是受摩擦力影响，实现高精度控制难度较大，且电机能达到的带宽较小，难以满足系统的快速响应要求。压电驱动器具有较高的带宽，能够实现快速性要求，但其转动角度有限，只能实现小范围内对目标的跟踪。
发明内容
本发明的目的是针对现有扫描跟踪系统中存在的问题做出改进，即本发明为了提高大范围扫描跟踪系统的快速性和精确性，使其能够更加快速精确的指向和跟踪移动目标物体，公开了一种双视场双回路扫描跟踪系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括球形外壳、总安装平台、快摆镜组件、大视场相机、小视场相机、第一力矩电机、第二力矩电机和压电驱动器：
第一力矩电机传动轴与球形外壳连接，力矩电机的转轴中心通过z轴，在该力矩电机的驱动下，系统绕z轴活动转动；
球形外壳前端部分外壳采用玻璃透光外罩；
第二力矩电机与球形外壳内壁进行固连，力矩电机的转轴中心通过y轴，与总安装平台固定连接，在该力矩电机的作用下，总安装平台及其上组件绕y轴俯仰转动；
快摆镜组件通过快摆镜安装凸台安装在总安装平台中心位置，其中心位于坐标原点处，快摆镜组件包括镜片安装平台和快摆镜镜片，快摆镜镜片安装在镜片安装平台上，快摆镜组件与总安装平台呈45°夹角，快摆镜组件在快摆镜安装凸台上由两对压电驱动器驱动，两对压电驱动器呈90°空间排列，每对压电驱动器都以推拉模式支撑快摆镜组件的运动，在这两对压电驱动器的推拉作用下，快摆镜组件实现绕y1、z1轴的转动；
大视场相机安装于快摆镜上方处，并与总安装平台相连，大视场相机的感光面与总安装平台平行；
小视场相机与总安装平台上的相机安装凸台连接，其感光面位于快摆镜组件的光学路径上，与总安装平台垂直。
进一步的，第一力矩电机传动轴与球形外壳通过螺栓连接；第二力矩电机通过螺栓与球形外壳内壁固连。
进一步的，压电驱动器与快摆镜安装凸台之间通过螺栓连接，快摆镜镜片与快摆镜安装平台之间通过胶接方式相连。
进一步的，快摆镜安装凸台设有与快摆镜镜片平行的平面，压电驱动器通过螺栓连接安装在该平面上。
进一步的，大视场相机和小视场相机均为红外CCD相机。
本发明还公开了一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，利用如上所述的运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括如下步骤：
S1大视场相机扫描进行大范围目标扫描；
S2判断是否检测到目标；
S3检测到目标后，力矩电机与大视场相机结合对目标进行粗跟踪；
S4判断目标是否位于大视场相机CCD图像中心位置；
S5目标位于大视场相机CCD图像中心位置后，启动快摆镜进行精确指向跟踪；
S6判断目标是否位于小视场相机CCD图像中心位置；
S7扫描跟踪过程结束。
进一步的，步骤S1具体为，第一力矩电机与第二力矩电机驱动内部总安装平台分别产生绕z轴的方位角速度和绕y轴的俯仰角速度，使位于总安装平台上的大视场相机在其所能探测到的范围内按预置方案和路径进行匀速扫描。
进一步的，步骤S3具体为，大视场相机在检测到目标信息时即停止扫描，得到大视场相机此时的CCD图像，通过分析目标物体在CCD图像上的位置信息计算得到是目标位于图像中心时大视场相机所需的方位角和俯仰角，得到跟踪的初始条件；在得到跟踪的初始条件后将所需的俯仰角和方位角数据传输给第一力矩电机和第二力矩电机，从而控制相机光轴产生相应的角度从而完成第一阶段的扫描粗跟踪任务。
进一步的，步骤S5具体为，当第一阶段扫描跟踪使得目标物体位于大视场相机CCD图像中心位置时，目标物体必然会出现在小视场相机的CCD图像上，通过分析目标在小视场相机的CCD图像上的位置即可得到快摆镜在其两个转动自由度上所需的角度值；通过压电驱动器驱动快摆镜实现。
进一步的，步骤S6具体为，压电驱动器驱动快摆镜，使目标位于小视场相机CCD图像中心位置，完成第二阶段对目标的快速精确跟踪，从而实现对目标的双视场双回路扫描跟踪。
本发明公开的一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统及其方法，具有以下有益效果：
本发明中采用双视场双回路扫描跟踪控制方法，在大视场力矩电机驱动粗扫描跟踪的基础上采用压电驱动快摆镜实现对远距离目标的小视场快速高精度跟踪。
压电驱动快摆镜带宽大，响应速度快的特点保证了系统响应的快速性，同时快摆镜具有较高的分辨率，其压电驱动的方式不需要传动机构，能够实现零摩擦和零粘力的铰链导向，保证了系统的高精度。
本发明提出的双视场双回路扫描跟踪系统采用结构较为简单的压电驱动式快摆镜，相比于常规系统具有更加紧凑的结构布局形式和更小的结构质量。
附图说明
图1为本发明公开的一种双视场双回路扫描跟踪系统的结构示意图；
图2为本发明公开的一种双视场双回路扫描跟踪系统的结构剖面示意图；
图3为本发明公开的一种双视场双回路扫描跟踪系统内部安装平台示意图；
图4为本发明公开的一种双视场双回路扫描跟踪系统的快摆镜示意图；
图5为本发明公开的一种双视场双回路扫描跟踪系统的控制流程图。
其中：
1-第一力矩电机，2-球形外壳，3-玻璃外罩，4-第二力矩电机，5-总安装平台，6-大视场相机，7-快摆镜组件，71-快摆镜镜片，72-镜片安装平台，8-小视场相机，9-相机安装凸台，10-压电驱动器，11-快摆镜安装凸台
具体实施方式
为了实现对远距离目标的大范围高精度扫描指向和跟踪，本发明专利将综合电机驱动与压电驱动、大视场相机与小视场相机，提出一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统及方法，将电机驱动组件与大视场相机配合使用实现对目标的粗扫描和定位跟踪，在其基础上使用高精度快响应的压电驱动快摆镜和小视场相机实现对目标的精确指向和跟踪。
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。
见图1-图4，一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括球形外壳2、总安装平台5、快摆镜组件7、大视场相机6、小视场相机8、第一力矩电机1、第二力矩电机4和压电驱动器10：
第一力矩电机1底端通过螺栓连接可与安装基座(飞机、船舰等)相连，第一力矩电机1传动轴与球形外壳2连接，力矩电机的转轴中心通过z轴(方位轴)，在该力矩电机的驱动下，系统绕z轴活动转动。
球形外壳2前端部分外壳采用玻璃透光外罩，为内部快摆镜和红外相机提供必要的工作条件。
第二力矩电机4与球形外壳2内壁进行固连，力矩电机的转轴中心通过y轴，与总安装平台5固定连接，在该力矩电机的作用下，总安装平台5及其上组件绕y轴俯仰转动；
快摆镜组件7通过快摆镜安装凸台11安装在总安装平台5中心位置，其中心位于坐标原点处，快摆镜组件7包括镜片安装平台72和快摆镜镜片71，快摆镜镜片71通过螺栓安装在镜片安装平台72上，快摆镜组件7与总安装平台5呈45°夹角，快摆镜组件7在快摆镜安装凸台11上由两对压电驱动器10驱动，两对压电驱动器10呈90°空间排列，每对压电驱动器10都以推拉模式支撑快摆镜组件7的运动，在这两对压电驱动器10的推拉作用下，快摆镜组件7实现绕y1、z1轴的转动；
大视场相机6安装于快摆镜上方处，并与总安装平台5相连，大视场相机6的感光面与总安装平台5平行，具有较大的视场，但其精度低，主要用于目标物体的大视场扫描和粗跟踪。
小视场相机8与总安装平台5上的相机安装凸台9连接，其感光面位于快摆镜组件7的光学路径上，与总安装平台5垂直，其视场小，精度高，主要用于目标物体的小视场精确指向和跟踪。
作为一种具体实施例，第一力矩电机1传动轴与球形外壳2通过螺栓连接；第二力矩电机4通过螺栓与球形外壳2内壁固连。
作为一种具体实施例，压电驱动器10与快摆镜安装凸台11之间通过螺栓连接，快摆镜镜片71与快摆镜安装平台72之间通过胶接方式相连。
作为一种具体实施例，快摆镜安装凸台11设有与快摆镜镜片71平行的平面，压电驱动器10通过螺栓连接安装在该平面上。
作为一种具体实施例，大视场相机6和小视场相机8均为红外CCD相机。
见图5，本发明还公开了一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，利用如上所述的运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括如下步骤：
S1大视场相机6扫描进行大范围目标扫描；
S2判断是否检测到目标；
S3检测到目标后，力矩电机与大视场相机6结合对目标进行粗跟踪；
S4判断目标是否位于大视场相机CCD图像中心位置；
S5目标位于大视场相机CCD图像中心位置后，启动快摆镜进行精确指向跟踪；
S6判断目标是否位于小视场相机CCD图像中心位置；
S7扫描跟踪过程结束。
作为一种具体实施例，步骤S1具体为，第一力矩电机1与第二力矩电机4驱动内部总安装平台分别产生绕z轴的方位角速度和绕y轴的俯仰角速度，使位于总安装平台5上的大视场相机6在其所能探测到的范围内按预置方案和路径进行匀速扫描。
作为一种具体实施例，步骤S3具体为，大视场相机6在检测到目标信息时即停止扫描，得到大视场相机此时的CCD图像，通过分析目标物体在CCD图像上的位置信息计算得到是目标位于图像中心时大视场相机6所需的方位角和俯仰角，得到跟踪的初始条件；由于运动光电平台的扫描跟踪目标一般为远距离物体，大视场相机与快摆镜之间的距离可近似忽略，大视场相机的入射光路径可看作与快摆镜的入射光路径重合，即与x轴相重合，因此大视场相机所需的方位角和俯仰角可直接分别通过系统绕z轴和y轴转动相等的角度得到。在得到跟踪的初始条件后将所需的俯仰角和方位角数据传输给第一力矩电机1和第二力矩电机4，从而控制相机光轴产生相应的角度从而完成第一阶段的扫描粗跟踪任务。
作为一种具体实施例，步骤S5具体为，小视场相机8的视场一般为大视场相机6精度的5-10倍，当第一阶段扫描跟踪使得目标物体位于大视场相机CCD图像中心位置时，目标物体必然会出现在小视场相机的CCD图像上，通过分析目标在小视场相机的CCD图像上的位置即可得到快摆镜在其两个转动自由度上所需的角度值；通过压电驱动器10驱动快摆镜实现。
作为一种具体实施例，步骤S6具体为，压电驱动器10驱动快摆镜，使目标位于小视场相机CCD图像中心位置，完成第二阶段对目标的快速精确跟踪，从而实现对目标的双视场双回路扫描跟踪。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，其特征在于，包括球形外壳、总安装平台、快摆镜组件、大视场相机、小视场相机、第一力矩电机、第二力矩电机和压电驱动器：
第一力矩电机传动轴与球形外壳连接，力矩电机的转轴中心通过z轴，在该力矩电机的驱动下，系统绕z轴活动转动；
球形外壳前端部分外壳采用玻璃透光外罩；
第二力矩电机与球形外壳内壁进行固连，力矩电机的转轴中心通过y轴，与总安装平台固定连接，在该力矩电机的作用下，总安装平台及其上组件绕y轴俯仰转动；
快摆镜组件通过快摆镜安装凸台安装在总安装平台中心位置，其中心位于坐标原点处，快摆镜组件包括镜片安装平台和快摆镜镜片，快摆镜镜片安装在镜片安装平台上，快摆镜组件与总安装平台呈45°夹角，快摆镜组件在快摆镜安装凸台上由两对压电驱动器驱动，两对压电驱动器呈90°空间排列，每对压电驱动器都以推拉模式支撑快摆镜组件的运动，在这两对压电驱动器的推拉作用下，快摆镜组件实现绕y1、z1轴的转动；
大视场相机安装于快摆镜上方处，并与总安装平台相连，大视场相机的感光面与总安装平台平行；
小视场相机与总安装平台上的相机安装凸台连接，其感光面位于快摆镜组件的光学路径上，与总安装平台垂直。
2.根据权利要求1所述的一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，其特征在于，第一力矩电机传动轴与球形外壳通过螺栓连接；第二力矩电机通过螺栓与球形外壳内壁固连。
3.根据权利要求1所述的一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，其特征在于，压电驱动器与快摆镜安装凸台之间通过螺栓连接，快摆镜镜片与快摆镜安装平台之间通过胶接方式相连。
4.根据权利要求1所述的一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，其特征在于，快摆镜安装凸台设有与快摆镜镜片平行的平面，压电驱动器通过螺栓连接安装在该平面上。
5.根据权利要求1所述的一种运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，其特征在于，大视场相机和小视场相机均为红外CCD相机。
6.一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，其特征在于，利用如上所述的运动平台双视场双回路扫描跟踪系统，包括如下步骤：
S1大视场相机扫描进行大范围目标扫描；
S2判断是否检测到目标；
S3检测到目标后，力矩电机与大视场相机结合对目标进行粗跟踪；
S4判断目标是否位于大视场相机CCD图像中心位置；
S5目标位于大视场相机CCD图像中心位置后，启动快摆镜进行精确指向跟踪；
S6判断目标是否位于小视场相机CCD图像中心位置；
S7扫描跟踪过程结束。
7.根据权利要求6所述的一种一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，其特征在于，步骤S1具体为，第一力矩电机与第二力矩电机驱动内部总安装平台分别产生绕z轴的方位角速度和绕y轴的俯仰角速度，使位于总安装平台上的大视场相机在其所能探测到的范围内按预置方案和路径进行匀速扫描。
8.根据权利要求6所述的一种一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，其特征在于，步骤S3具体为，大视场相机在检测到目标信息时即停止扫描，得到大视场相机此时的CCD图像，通过分析目标物体在CCD图像上的位置信息计算得到是目标位于图像中心时大视场相机所需的方位角和俯仰角，得到跟踪的初始条件；在得到跟踪的初始条件后将所需的俯仰角和方位角数据传输给第一力矩电机和第二力矩电机，从而控制相机光轴产生相应的角度从而完成第一阶段的扫描粗跟踪任务。
9.根据权利要求6所述的一种一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，其特征在于，步骤S5具体为，当第一阶段扫描跟踪使得目标物体位于大视场相机CCD图像中心位置时，目标物体必然会出现在小视场相机的CCD图像上，通过分析目标在小视场相机的CCD图像上的位置即可得到快摆镜在其两个转动自由度上所需的角度值；通过压电驱动器驱动快摆镜实现。
10.根据权利要求6所述的一种一种运动平台双视场双回路扫描跟踪方法，其特征在于，步骤S6具体为，压电驱动器驱动快摆镜，使目标位于小视场相机CCD图像中心位置，完成第二阶段对目标的快速精确跟踪，从而实现对目标的双视场双回路扫描跟踪。
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