CN106338808B - 一种目标跟踪控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种目标跟踪控制系统，包括跟踪探测与处理单元、快速倾斜镜、跟踪控制单元和倾斜镜致动单元；跟踪探测与处理单元包括光学镜头、相机和图像处理装置，光学镜头用于调节成像焦距，相机用于采集目标图像，图像处理装置用于从目标图像中提取脱靶量信息；快速倾斜镜用于调节光轴角度和反馈角度信息；跟踪控制单元用于接收跟踪探测与处理单元输出的脱靶量信息和快速倾斜镜反馈的角度信息，依据脱靶量和角度信息产生倾斜镜驱动指令；倾斜镜致动单元用于接收跟踪控制单元输出的驱动指令。本发明通过接收目标的脱靶量信息和快速倾斜镜的位置反馈，经过处理后输出给致动器驱动快速倾斜镜摆动，实现对目标稳定高精度实时跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及目标跟踪技术领域，具体涉及一种目标跟踪控制系统。
背景技术
目前，一般的跟踪控制系统自动识别目标的能力弱，提取目标脱靶量信息速度慢，在大负载镜片的情况下，跟踪速度低，对脱靶量信息的响应慢，带宽低，并且跟踪控制系统的核心部件快速倾斜镜的驱动能力弱，偏转范围小，跟踪目标的范围小，这使得整个目标跟踪控制系统的跟踪精度较低，基本只能在几十个微弧度量级，满足不了跟踪需求，也影响了跟踪后的对目标的打击效果。
发明内容
针对现有技术的缺陷和迫切需求，本发明提供了一种目标跟踪系统，通过接收目标的脱靶量信息和快速倾斜镜的位置反馈，经过处理后输出给致动器驱动快速倾斜镜摆动，实现对目标稳定高精度实时跟踪。
为了实现本发明的技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种目标跟踪控制系统，包括跟踪探测与处理单元、快速倾斜镜、跟踪控制单元和倾斜镜致动单元；
跟踪探测与处理单元包括光学镜头、相机和图像处理装置，光学镜头用于调节成像焦距，相机用于采集目标图像，图像处理装置用于从目标图像中提取脱靶量信息；
快速倾斜镜用于调节光轴角度和反馈角度信息；
跟踪控制单元用于接收跟踪探测与处理单元输出的脱靶量信息和快速倾斜镜反馈的角度信息，依据脱靶量和角度信息产生倾斜镜驱动指令；
倾斜镜致动单元用于接收跟踪控制单元输出的驱动指令，以此调节快速倾斜镜的角度，以使得经过快速倾斜镜反射后的光轴始终对准所跟踪的目标。
进一步地，所述图像处理装置包括一个FPGA和两个多核DSP，FPGA用于从目标图像中提取脱靶量，一个DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的横向分量并接收FPGA的反馈，另一个DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的纵向分量并接收FPGA的反馈。
进一步地，所述跟踪控制单元包括操控计算机和控制计算机，操控计算机用于下达包含瞄准点信息的操控指令，控制计算机用于以瞄准点为目标点，根据跟踪探测单元输出的脱靶量和快速倾斜镜反馈的角度信息，运算求解出快反镜的角度指令并输出给倾斜镜致动单元。
进一步地，所述倾斜镜致动器包括四个柔性放大机构、四个压电陶瓷和柔性转接板，四个柔性放大机构通过柔性转接板安装于快速倾斜镜下端；柔性放大机构包括柔性铰链、弹簧、支撑杠杆和基座，柔性铰链和弹簧的两端分别连接支撑杠杆和基座，压电陶瓷位于柔性铰链和弹簧之间且两端分别连接支撑杠杆和基座。向压电陶瓷供电，压电陶瓷形变产生位移；柔性铰链与支撑杠杆的连接点作为固定点，支撑杠杆与弹簧的连接点产生位移，从而将压电陶瓷形变位移放大输出；当停止向压电陶瓷供电，弹簧的回复力使得支撑杠杆回位。
本发明的有益技术效果体现在：
本发明倾斜镜跟踪控制系统通过接收目标的脱靶量信息和快速倾斜镜的位置反馈，经过处理后输出给致动器驱动快速倾斜镜摆动，实现对目标稳定高精度实时跟踪。
进一步地，图像处理装置采用FPGA和两个多核DSP组合方式，具有更高的处理速度，脱靶量的提取时间能够达到毫秒的量级。
进一步地，核心部件快速倾斜镜采用精密的结构设计方法，快速倾斜镜镜片的大小和厚度决定了整个系统对目标的跟踪和打击效果，利用柔性铰链放大机构对压电陶瓷位移的放大特性调节机构之间的位移差输出的角度，突破大负载、高精度、宽摆角的驱动控制关键技术，达到负载不小于400g，系统闭环控制带宽不小于100Hz，最大摆角为±5mrad的控制技术指标，实现动态跟踪误差不大于10μrad的应用。
附图说明
图1为本发明的目标跟踪系统原理图；
图2为本发明的系统结构组成图；
图3为本发明的高帧频跟踪处理原理图；
图4为本发明的基于滤波补偿的模糊自整定PID原理图；
图5为本发明的快速倾斜镜致动器外形图及结构示意图，其中，图5(a)为外形图，图5(b)为具体结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明的目标跟踪系统原理图。本发明倾斜镜跟踪控制系统通过接收目标的脱靶量信息和快速倾斜镜的位置反馈，经过算法处理后输出给致动器驱动快速倾斜镜摆动，实现对目标稳定高精度实时跟踪。
图2为本发明的系统结构组成图。本发明跟踪系统包括跟踪探测与处理单元、跟踪控制器、倾斜镜致动器。
所述的跟踪探测与处理单元包括光学镜头、相机和图像处理装置(取差器)；光学镜头用于调节成像焦距，相机用于目标成像；图像处理装置完成相机帧频、开窗大小、曝光时间和模拟增益设置，高帧频的图像数据通过CameraLink接口传输，从目标图像中提取脱靶量信息。
图3给出图像处理装置的一种较佳硬件实现方式，包括一个FPGA和两个多核DSP，FPGA用于从目标图像中提取脱靶量，一个DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的横向分量并接收FPGA的反馈，另一个DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的纵向分量并接收FPGA的反馈。如此的硬件设计具有更高的处理速度，脱靶量的提取时间能够达到毫秒的量级。
在本发明跟踪探测与处理单元的一个较佳实施例中，主要参数如下：
探测距离15km以上，帧频不低于1000fps，延迟为1帧，精度为1～2pixel。
分辨率：1280×1024；
像元尺寸：13.7μm×13.7μm；
感光面积：17.5×11.8mm2；
灵敏度：10000ISO；
动态范围：60dB；
满分辨率帧频：1～1000fps可调；
输出数据宽度：8bit；
曝光时间：2us～1/frame；
传输接口：Mini Dual CameraLink；
图像处理装置采用两个TI TMS320C6678高性能多核DSP进行并行处理，每个DSP采用8个1.25GHz DSP内核构建而成，并在单个器件上完美集成了320GMAC与160GFLOP定点及浮点性能，两个DSP之间通过HyperLink互联，实现数据快速传输，数据传输速率达50Gbps。这一切为高帧频视频跟踪处理提供了有力保障。每个DSP与FPGA直接通过RapidIOX4，I2c，SPI，Uart互联，通过RapidIOX4接口，DSP与FPGA之间的数据传输速率达20Gbps，而TMS320C64XX系列DSP通过EMIF口(32bit时)数据传输速率只有3.2Gbps，因此RapidIO为进行高帧频数字摄像机视频信号的处理创造了坚实的基础，同时也克服了TMS320C64XX系列DSP中EMIF口数据传输速率的瓶颈效应。采用采集处理DDR2SDRAM和采集显示DDR2SDRAM工作模式，使采集处理和采集显示完全分开，确保系统的实时性。通过网络接口、串行通信接口和外部其他系统进行数据、状态的交换。采用高性能的Virtex-6FPGA，提高系统的集成度及稳定性，同时为系统的进一步开发、升级奠定基础。
所述的跟踪控制单元通过串口接收跟踪探测发来的脱靶量和快速倾斜镜反馈的倾斜角度，通过预定算法处理后输出给驱动器驱动快速倾斜镜的摆动。硬件实现上，跟踪控制单元采用两台嵌入式计算机，操控计算机和控制计算机。操控计算机用于下达包含瞄准点信息的操控指令；控制计算机以瞄准点为目标点，根据跟踪探测器的脱靶量和快反镜反馈的倾斜角度，通过运算求解出倾斜镜的角度指令，输出给致动器完成倾斜镜的角度调节，以使得经过快速倾斜镜反射后的光轴始终对准所跟踪的目标。在本发明跟踪控制单元的一个较佳实施例中，硬件主要配置如下：
CPU：PC104总线的主流配置，支持VxWorks 5.5；
DA卡：16位数据精度，2路0～10V输出；
AD卡：16位数据精度，2路0～10V输入；
串口：1个RS485接口，1路RS422接口；
以太网接口：1个10/100M网口；
工作温度：-20℃～+55℃；
操控计算机还可完成快反镜和跟踪探测的数据显示、数据记录和状态显示，运行模式切换，主要配置如下：
CPU：PC104总线的主流配置，支持Windows XP Embedded；
串口：1个RS485接口，3路RS422接口；
VGA图像采集卡：采集分辨率不低于1024×768；
以太网接口：1个千兆网口；
显示器屏幕分辨率：不低于1024×768；
USB接口：2路
硬盘：不低于80G；
工作温度：-20℃～+55℃；
机箱结构：层叠；
在控制器算法设计上，在获取控制对象模型后，PID控制算法具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，考虑到压电陶瓷的迟滞、非线性等因素和跟踪探测器的处理和输出的延迟，控制器调整后采用基于滤波补偿的模糊自整定PID算法(但不局限于此)，原理图见图4。
所述的倾斜镜致动器(见图5)包括四个柔性放大机构和四个压电陶瓷和柔性转接板，四个柔性放大机构通过柔性转接板安装于快速倾斜镜下端。柔性放大机构包括柔性铰链、弹簧、支撑杠杆和基座，柔性铰链和弹簧的两端分别连接支撑杠杆和基座，压电陶瓷位于柔性铰链和弹簧之间且两端分别连接支撑杠杆和基座。向压电陶瓷供电，压电陶瓷形变产生位移；柔性铰链与支撑杠杆的连接点作为固定点，支撑杠杆与弹簧的连接点产生位移，从而将压电陶瓷形变位移放大输出；当停止向压电陶瓷供电，弹簧的回复力使得支撑杠杆回位。可通过调整压电陶瓷的电源高低和方位两个电压，使得压电陶瓷产生不同的伸缩变化，这种变化通过柔性铰链放大后产生二维角度的偏移。随着目标的移动，倾斜镜始终对着目标的视轴。在本发明的一个较佳实施例中，致动器主要参数如下：
转轴数量：2；
快反镜口径：200mm×140mm；
偏摆范围：绕长轴±4.5mrad；绕短轴±3.2mrad；
闭环精度：6μrad；
闭环动态特性：100Hz；
全行程线性度：<0.1％；
镜片材料：微晶；
镜片质量：不小于400g。
倾斜镜致动器在结构上最重要的是其柔性支撑，对于FSM这种高精度的支撑，同时带有运动功能的结构来说，柔性支撑的要求是：在工作方向上要有较低的刚度；在非工作方向上要有较强的刚度；要有稳定的转动中心；有较小的机械滞后特性；热膨胀系数与反射镜体相匹配。
试验证明，本发明装置达到了负载不小于400g，系统闭环控制带宽不小于100Hz，最大摆角为±5mrad的控制技术指标，实现动态跟踪误差不大于10μrad的应用。
Claims (3)
1.一种目标跟踪控制系统，其特征在于，包括跟踪探测与处理单元、快速倾斜镜、跟踪控制单元和倾斜镜致动单元；
跟踪探测与处理单元包括光学镜头、相机和图像处理装置，光学镜头用于调节成像焦距，相机用于采集目标图像，图像处理装置用于从目标图像中提取脱靶量信息；
快速倾斜镜用于调节光轴角度和反馈角度信息；
跟踪控制单元包括操控计算机和控制计算机，操控计算机用于下达包含瞄准点信息的操控指令，控制计算机用于以瞄准点为目标点，根据跟踪探测单元输出的脱靶量和快速倾斜镜反馈的角度信息，运算求解出快速倾斜镜的角度指令并输出给倾斜镜致动单元；
倾斜镜致动单元用于接收跟踪控制单元输出的驱动指令，以此调节快速倾斜镜的角度，以使得经过快速倾斜镜反射后的光轴始终对准所跟踪的目标。
2.根据权利要求1所述的目标跟踪控制系统，其特征在于，所述图像处理装置包括一个FPGA和两个多核DSP，FPGA用于从目标图像中提取脱靶量，一个多核DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的横向分量并接收FPGA的反馈，另一个多核DSP用于向FPGA下达指令要求其提取脱靶量的纵向分量并接收FPGA的反馈。
3.根据权利要求1所述的目标跟踪控制系统，其特征在于，所述倾斜镜致动器包括四个柔性放大机构、四个压电陶瓷和一块柔性转接板，四个柔性放大机构通过柔性转接板安装于快速倾斜镜下端；柔性放大机构包括柔性铰链、弹簧、支撑杠杆和基座，柔性铰链和弹簧的两端分别连接支撑杠杆和基座，压电陶瓷位于柔性铰链和弹簧之间且两端分别连接支撑杠杆和基座；向压电陶瓷供电，压电陶瓷形变产生位移；柔性铰链与支撑杠杆的连接点作为固定点，支撑杠杆与弹簧的连接点产生位移，从而将压电陶瓷形变位移放大输出；当停止向压电陶瓷供电，弹簧的回复力使得支撑杠杆回位。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |