CN106342266B - 光电探测系统跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电探测技术，涉及一种光电转塔探测系统的目标跟踪控制方法。本发明光电探测系统跟踪控制方法的过程如下：图像机输出目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z；光电探测系统输出当前时刻的俯仰观测角θ；对目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z，采用投影算法进行跟踪偏差分解矩阵处理可得外环系下的三维目标跟踪指令；将横滚跟踪指令等效旋转转化为方位轴向跟踪指令与俯仰方向跟踪指令；将对应指令相叠加作为跟踪控制器输入，方位最终跟踪指令Ψ_t+Ψ_r、俯仰最终跟踪指令θ_t+θ_r；最后上述解算得到的跟踪控制量经过延迟修正输入到稳定控制器的指令项。本发明不但可以解决过顶时的目标跟踪问题，并且可以提高俯仰观测角在其他角度时的跟踪性能，而且简单易调，通用性强。

Description

光电探测系统跟踪控制方法

技术领域

本发明属于光电探测技术，涉及一种光电转塔探测系统的目标跟踪控制方法。

背景技术

随着机载观瞄平台越来越多的在各种类型飞机上的使用，各种不同的使用要求也被提出，其中，俯仰角大角度观测就是最常见的一种扩展要求，为此有必要对俯仰角大角度观测时的跟踪性能进行研究。

通常的光电转塔探测系统，俯仰角使用范围为-60°到+30°的区间，所以图像机输出的偏离量可以直接经过PID算法修正去控制相应的轴系转动以达到跟踪的目的。

由于光电转塔探测系统二轴稳定平台结构中第三维自由度的缺失，所以随着俯仰观测角的增大，常规控制跟踪方法会造成目标跟踪性能下降，尤其过顶时(俯仰角为90度左右)还会出现跟踪错误，以致于目标跟踪丢失。也因此常规的跟踪解算方法，难以满足大角度范围观测的要求。

发明内容

本发明的目的是：提供一种可实现俯仰角大角度观测跟踪，且跟踪精度高的光电探测系统跟踪控制方法。

本发明的技术方案是：一种光电探测系统跟踪控制方法，其包括如下步骤：

步骤1：图像机输出目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z；

步骤2：光电探测系统的俯仰测角码盘输出当前时刻的俯仰观测角θ；

步骤3：对目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z，采用投影算法进行跟踪偏差分解矩阵处理可得外环系下的三维目标跟踪指令，[θ_t，γ_t，ψ_t]^T＝[θ_x，-θ_zsinθ，θ_zcosθ]^T；

步骤4：将外环系下的横滚跟踪指令等效旋转转化为方位轴向跟踪指令与俯仰方向跟踪指令，

等效方位旋转指令ψ_γ＝arctg(tgθ·sinγ_t)、等效俯仰旋转指令

步骤5：将步骤3、4中对应指令相叠加作为跟踪控制器输入，方位最终跟踪指令ψ_t+ψ_γ、俯仰最终跟踪指令θ_t+θ_γ；

步骤6：上述解算得到的跟踪控制量经过跟踪控制器的延迟修正，再输入到稳定控制器的指令项。

采用的二环二轴稳定平台，其中，陀螺安装于平台上，俯仰陀螺方向为x轴、横滚陀螺方向为y轴、方位陀螺方向为z轴；椭圆表示平台台体；方位轴和俯仰轴交叉面为稳定面；垂直于稳定面的轴为横滚轴。

所述光电探测系统包括图像处理机以及光电转塔，其中，光电转塔固联安装于载机之上与载机有个固定安装偏角，构成的坐标系为转塔坐标系；转塔坐标系绕转塔方位轴正向旋转方位角ψ，得到的坐标系为外环坐标系；外环坐标系绕俯仰轴正向旋转俯仰角θ，得到的坐标系为平台坐标系。

本发明的技术效果是：本发明对图像机给出的目标跟踪角位置偏差，采用了精确的跟踪指令解算方法，利用俯仰角度值将该跟踪指令做投影解算。把第三维缺失自由度轴向的跟踪运动指令做分解，使之转化为另外两维的跟踪运动指令，以此达成跟踪运动指令精确执行的目的。不但可以解决过顶时的目标跟踪问题并且可以使俯仰观测角在其他角度时候的跟踪性能得到提高，算法简单易调，通用性强。

附图说明

图1是本发明光电探测系统跟踪控制方法一较佳实施方式的原理图；

图2是本发明光电探测系统跟踪控制方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1，其是本发明光电探测系统跟踪控制方法一较佳实施方式的原理图。本实施方式中，采用的二环二轴稳定平台，其中，陀螺安装于平台上，俯仰陀螺方向为x轴、横滚陀螺方向为y轴、方位陀螺方向为z轴；椭圆表示平台台体；方位轴和俯仰轴交叉面为稳定面；垂直于稳定面的轴为横滚轴。

所述光电探测系统包括图像处理机以及光电转塔，其中光电转塔包含控制计算机，光学探测器，控制电机等。光电转塔中的光学探测器采集的视频信号通过复合差分视频传输给图象处理机；在目标跟踪时，图像机处理视频信号得到图象跟踪控制指令，通过串行通讯方式传输给光电转塔控制计算机；控制计算机经过一系列解算后得到具体的执行指令信号经过PWM功放后由控制电机执行。

本发明光电探测系统跟踪控制方法的原理如下：

转塔坐标系：转塔固联安装于载机之上与载机有个固定安装偏角，这个坐标系为转塔坐标系；

外环坐标系：转塔坐标系绕转塔方位轴正向旋转方位角ψ，得到的坐标系即为外环坐标系；

平台坐标系：外环坐标系绕俯仰轴正向旋转俯仰角θ，得到的坐标系即为平台坐标系(也是内环坐标系)。

图像机输出的目标跟踪偏差量是平台坐标系下目标的x轴旋转量和z轴旋转量，显然可以通过坐标投影将其转化为外环系下的三个维度的旋转量，公式推导如下：

设图象偏差量为矢量r^内＝[θ_x，0，θ_z]^T，此时平台俯仰角为θ。

显然内环坐标系绕俯仰轴旋转-θ就得到外环坐标系，其坐标转换矩阵为

显然，在外环系下，俯仰旋转分量θ_t以及方位旋转分量ψ_t均可以按照常规的控制方法进行处理。但对于横滚分量γ_t，二轴转塔没有相应的自由转动轴，无法由横滚方向的直接转动完成跟踪，因此根据矢量旋转的等效转动理论，利用方位与俯仰旋转两次转动来将转塔瞄准线轴(内平台y轴)达到相应的位置，具体运动分解如下推导：

在外环系中设OA为光轴，显然OA位于ZOY平面内，这里只研究横滚跟踪分量γ_t，∠BIA＝γ_t，光轴跟踪目的地为OB。

俯仰角θ＝∠AOI

要想使转塔先进行方位旋转再进行俯仰旋转完成跟踪，由图可看出，方位转动角为∠IOE，俯仰转动角为(∠AOI-∠BOE)

显然图示为一个圆锥体，设OA＝OB＝c，IA＝IB＝b，OI＝a

在RTΔBEI中，∠BEI＝∠BIA＝γ_t，因此：

IE＝IB×sinγ_t＝bsinγ_t

EB＝IB×cosγ_t＝bcosγ_t

$tg(\∠IOE)=\frac{IE}{OI}=\frac{{\mathrm{bsin\γ}}_t}{a}=tg\mathrm{\θ}\·{\mathrm{sin\γ}}_t$

在RTΔEIO中，

$\tan (\∠BOE)=\frac{EB}{OE}=\frac{{\mathrm{bcos\γ}}_t}{\sqrt{b^2{\sin }^2{\mathrm{\γ}}_t+a^2}}=\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{tg}}^2{\mathrm{\γ}}_t+{\mathrm{ctg}}^2\mathrm{\θ}/{\cos }^2{\mathrm{\γ}}_t}}$

显然γ_t很小(一般不超过1mrad)，因此tan(∠BOE)＝tgθ·cosγ_t

$tg(\∠AOI-\∠BOE)=tg(\mathrm{\θ}-\∠BOE)=\frac{tg\mathrm{\θ}-tg\mathrm{\θ}\·{\mathrm{cos\γ}}_t}{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}\·{\mathrm{cos\γ}}_t}=tg\mathrm{\θ}\·\frac{1-{\mathrm{cos\γ}}_t}{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}\·{\mathrm{cos\γ}}_t}$

由上可得：横滚跟踪角偏差γ_t由方位与俯仰转动共同完成，两个等效旋转角分别为：

等效方位旋转角ψ_γ＝arctg(tgθ·sinγ_t) (公式2)

将上述两个转化后的旋转角分别与对应的跟踪旋转分量叠加即为最终的跟踪信号，即方位方向跟踪信号为ψ_t+ψ_γ、俯仰方向跟踪信号为θ_t+θ_γ。

上述跟踪控制信号经过跟踪控制器(常规的PID算法)处理之后，即可作为稳定控制指令加入稳定环中由电机执行。

请参阅图2，其是本发明光电探测系统跟踪控制方法的流程图。本发明光电探测系统跟踪控制方法跟踪控制方法，其具体实施过程如下：

步骤1：图像机输出目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z(图像机本帧与上一帧目标位置像素偏差)；

步骤2：光电探测系统的俯仰测角码盘输出当前时刻的俯仰观测角θ；

步骤3：对目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z，采用投影算法进行跟踪偏差分解矩阵处理可得外环系下的三维目标跟踪指令，[θ_t，γ_t，ψ_t]^T＝[θ_x，-θ_zsinθ，θ_zcosθ]^T；

步骤4：对外环系下的横滚跟踪指令等效旋转转化为方位轴向跟踪指令与俯仰方向跟踪指令，等效方位旋转指令ψ_γ＝arctg(tgθ·sinγ_t)、等效俯仰旋转指令

步骤5：将步骤3、4中对应指令相叠加作为跟踪控制器输入，方位最终跟踪指令ψ_t+ψ_γ、俯仰最终跟踪指令θ_t+θ_γ；

步骤6：上述解算得到的跟踪控制量经过跟踪控制器(常规pid算法)的延迟修正，再输入到稳定控制器的指令项。

利用本发明光电探测系统跟踪控制方法，可在二环二轴平台过顶跟踪时(俯仰角很大)，其横滚跟踪指令项耦合量达到接近90度，按上述算法进行转化控制，即可实现对目标的准确跟踪。不但可以解决过顶时的目标跟踪问题并且可以使俯仰观测角在其他角度时候的跟踪性能得到提高，算法简单易调，通用性强。另外，本发明光电探测系统跟踪控制方法在四环二轴系统中也具有通用性，也能实现对目标的准确跟踪。

同时，光电探测系统跟踪控制方法进行普通角度跟踪探测时，利用本发明的指令分解转化控制能够提高跟踪指令信号精度，实现绝对的指令严格对应，从而可以有效提高跟踪性能。

Claims (3)

1.一种光电探测系统跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：图像机输出目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z；

步骤2：光电探测系统的俯仰测角码盘输出当前时刻的俯仰观测角θ；

步骤3：对目标跟踪的角位置偏差θ_x、θ_z，采用投影算法进行跟踪偏差分解矩阵处理可得外环坐标系下的三维目标跟踪指令，[θ_t，γ_t，ψ_t]^T＝[θ_x，-θ_zsinθ，θ_zcosθ]^T；

步骤4：将外环系下的横滚跟踪指令等效旋转转化为方位轴向跟踪指令与俯仰方向跟踪指令，

等效方位旋转指令ψ_γ＝arctg(tgθ·sinγ_t)、等效俯仰旋转指令

步骤5：将步骤3、4中对应指令相叠加作为跟踪控制器输入，方位最终跟踪指令ψ_t+ψ_γ、俯仰最终跟踪指令θ_t+θ_γ；

步骤6：上述解算得到的跟踪控制量经过跟踪控制器的延迟修正，再输入到稳定控制器的指令项。

2.根据权利要求1所述的光电探测系统跟踪控制方法，其特征在于：采用的二环二轴稳定平台，其中，陀螺安装于平台上，俯仰陀螺方向为x轴、横滚陀螺方向为y轴、方位陀螺方向为z轴；椭圆表示平台台体；方位轴和俯仰轴交叉面为稳定面；垂直于稳定面的轴为横滚轴。

3.根据权利要求2所述的光电探测系统跟踪控制方法，其特征在于：所述光电探测系统包括图像处理机以及光电转塔，其中，光电转塔固联安装于载机之上与载机有个固定安装偏角，构成的坐标系为转塔坐标系；转塔坐标系绕转塔方位轴正向旋转方位角ψ，得到的坐标系为外环坐标系；外环坐标系绕俯仰轴正向旋转俯仰角θ，得到的坐标系为平台坐标系。