CN108919841B - 一种光电跟踪系统的复合轴控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，包括搜索并接收目标初始方位，控制转台进入目标区域；对搜索获得的信息进行处理，获取粗跟踪信息；根据粗跟踪信息对目标进行追踪，处理目标跟踪结果，控制转台工作，获取精跟踪信息和第一校正值；根据精跟踪信息锁定目标对其进行跟踪，处理目标跟踪结果，驱动快反镜运行，并获取第二校正值；根据第一校正值和第二校正值对大视场范围下运动物体的跟踪信息进行校正。本发明还公开了一种光电跟踪系统的复合轴控制结构和系统。针对现有技术无法实现大视场环境下运动物体精确追踪的问题，通过粗轴定位、细轴追踪的复合轴设置，可以实现运动物体的大范围、快速响应和高精度跟踪。

Description

一种光电跟踪系统的复合轴控制方法及系统

技术领域

本发明属于光电跟踪系统控制领域，具体涉及一种光电跟踪系统的复合轴控制方法。

背景技术

现代的光电跟踪系统不仅用于常规靶场的动态目标测量，还大量用于空间目标的探测与跟踪、激光光束的高精度定向等领域。光电跟踪系统实现运动物体追踪的方式包括：向目标发射光束，由目标的表面漫反射或装在目标上的角反射器反射光信号，经接收系统转换成比例于目标偏离光轴的角位置误差的电信号，送给伺服系统，驱动跟踪架，使跟踪架上光学系统对准目标。光电跟踪系统是连续跟踪并测量运动目标轨迹参数的系统，光电跟踪系统的目标是具有一定速度和加速度运动的车辆、舰船、飞机、导弹和人造卫星等，其可提供运动目标的空间定位、姿态、结构行为和性能，是运动目标的多功能和高精度的跟踪和测量手段。

光电跟踪系统必须具备两个主要特点：一是高精度的角跟踪能力，使其对于细微的角度变化也能及时捕捉到；二是具有快速响应能力，使之对高速目标及其机动变化均能实现快速跟踪性能。在这样的高指标要求下，大气湍流、地基振动等的影响是不可忽略的，是测量过程中必须消除的误差因素。另外，随着发展的需求变化，光电跟踪系统除了要满足反应快、精度高的测量要求外，还需要对大视场范围内运动物体进行追踪，这就要求光电跟踪系统在具有反应快、精度高的能例外，还能够兼容大视场下运动物体追踪的需求。

传统大惯量单轴跟踪架由于结构谐振频率及带宽的限制，搭载单轴跟踪架的光电追踪系统对这些高频噪声业已无能为力，罔论满足大视场下的追踪需求。现有技术中，按经典控制理论采用单轴(单变量)的伺服控制系统也出现了困难，它不仅受到宽视场高分辨率、快速响应探测器的限制，同时也受到单轴跟踪架的机械结构谐振频率的限制，不可能有足够的带宽。而现有的双轴光电追踪系统，CN104615153公开了一种基于 TMX320F28335浮点DSP的二轴光电跟踪系统，该方案解决的是决现有采用DSP进行控制二轴光电跟踪系统存在跟踪精度低，不便于安装、拆卸及维修的问题，无法解决大视场环境下测量精度的需求。在CN107065560中则公开了一种两轴奇异路径光电跟踪控制方法，主要是为了解决传统稳定跟踪平台不适合要求体积小、空间紧凑的系统在应用中存在过顶盲区的问题，也无法有效的解决大视场环境下，运动物体的高精度光电追踪的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光电跟踪系统的复合轴控制方法及系统。本发明技术方案的方法，针对传统光电系统控制轴无法实现大视场下运动物体高精度追踪的情况，通过采用复合轴对其进行控制，粗轴进行运动物体捕捉，细轴进行运动物体精确跟踪，从而实现大视场环境下运动物体的高精度追踪。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，其特征在于，包括

S1搜索并接收目标初始方位，控制转台进入目标区域；

S2对搜索获得的信息进行处理，检测目标并识别确认目标，获取粗跟踪信息；

S3根据粗跟踪信息对目标进行追踪，处理目标跟踪结果，获取转台控制信号，控制转台工作，获取精跟踪信息和第一校正值；

S4根据精跟踪信息锁定目标对其进行跟踪，处理目标跟踪结果，获取快反器控制信号，驱动快反镜运行，并获取第二校正值；

S5根据第一校正值和第二校正值对大视场范围下运动物体的跟踪信息进行校正。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S3包括，

S31根据粗跟踪信息对目标进行跟踪，获取初始粗跟踪信息；

S32对初始粗跟踪信息进行转换和/或处理，获取转台控制信号和/或第一校正值；

S33利用转台控制信号控制转台运动，输出第一校正值。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S4包括，

S41根据精跟踪信息都对目标进行跟踪，获取初始精跟踪信息；

S42对初始精跟踪信息进行转换和/或处理，获取快反镜控制信号和/或第二校正值；

S43利用快反镜控制信号控制快反镜的转动，输出第二校正值。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S32中优选采用滤波的方式对初始粗跟踪信息进行校正。

作为本发明技术方案的一个优选，初始粗跟踪信息优选粗跟踪成像传感器视轴与运动目标之间的角偏差；所述初始精跟踪信息优选精跟踪成像传感器视轴与运动目标之间的角偏差。

按照本发明的一个方面，提供了一种光电跟踪系统的复合轴控制结构，其特征在于，包括粗轴和细轴，所述粗轴包括依次连接的粗跟踪成像传感器、第一信号转换器和转台，所述细轴包括依次连接的精跟踪成像传感器、第二信号转换器和快反镜；所述粗跟踪成像传感器和精跟踪成像传感器与外部信号输入端相连接；所述快反镜和转台与复合轴控制结构的输出端相连接；且所述转台的输出端与外部信号输入端相连接；

信号依次经过外部信号输出端、粗跟踪成像传感器、第一信号转换器和转台后输出第一校正值，转台将所述第一校正值反馈至精跟踪成像传感器的输入端，依次经过精跟踪成像传感器、第二信号转换器和快反镜后输出第二校正值，根据所述第一校正值和第二校正值获取大视场范围下运动物体的精确跟踪信息。

作为本发明技术方案的一个优选，粗跟踪成像传感器与第一信号转换器之间优选还设有粗跟踪控制器；所述精跟踪成像传感器与第二信号转换器之间优选还设有精跟踪控制器。

按照本发明的一个方面，提供了一种光电跟踪系统的复合轴控制系统，其特征在于，包括

搜索模块，用于搜索并接收目标初始方位，控制转台进入目标区域；

信息处理模块，用于对搜索获得的信息进行处理，检测目标并识别确认目标，获取粗跟踪信息；

粗跟踪模块，用于根据粗跟踪信息对目标进行追踪，处理目标跟踪结果，获取转台控制信号，控制转台工作，获取精跟踪信息和第一校正值；

精跟踪模块，用于根据精跟踪信息锁定目标对其进行跟踪，处理目标跟踪结果，获取快反器控制信号，驱动快反镜运行，并获取第二校正值；

跟踪值校正模块，用于根据第一校正值和第二校正值对大视场范围下运动物体的跟踪信息进行校正。

作为本发明技术方案的一个优选，粗跟踪控制模块包括，

粗跟踪成像模块，用于根据粗跟踪信息对目标进行跟踪，获取初始粗跟踪信息；

第一信号转换模块，用于对初始粗跟踪信息进行转换和/或处理，获取转台控制信号和/或第一校正值；

粗跟踪控制模块，用于利用转台控制信号控制转台运动，输出第一校正值。

作为本发明技术方案的一个优选，精跟踪控制模块包括，

精跟踪成像模块，用于根据精跟踪信息都对目标进行跟踪，获取初始精跟踪信息；

第二信号转换模块，用于对初始精跟踪信息进行转换和/或处理，获取快反镜控制信号和/或第二校正值；

精跟踪控制模块，用于利用快反镜控制信号控制快反镜的转动，输出第二校正值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案的方法，采用复合轴的方式对光电跟踪系统进行控制，其中粗轴捕获运动物体的踪迹并进行跟踪，细轴根据粗轴跟踪的误差，对运动物体进行精确跟踪校正，这种两级成像传感器和信息处理器获取场景中目标运动信息，控制主轴和子轴协调工作，实现大范围、快速响应和高精度跟踪。

2)本发明技术方案的方法，对粗跟踪成像传感器视轴之间的角偏差、对目标的位置和运动角速度等先进行预测滤波处理，预测下一时刻转台应转动的正确位置，以此来控制伺服系统中转台的转动，从而实现粗轴对运动物体的准确捕获。

3)本发明技术方案的方法，将精跟踪得到成像传感器视轴之间的角偏差转换为快速反射镜伺服的控制信息，控制信息输入到快速反射镜的伺服系统中控制反射镜的转动，以此来实现细轴对运动物体的精确跟踪。

附图说明

图1是本发明技术方案实施例中复合轴控制系统的结构图；

图2是本发明技术方案实施例中等加加速度模型Kalman预测的位置误差曲线图；

图3是本发明技术方案实施例中等加加速度模型Kalman预测的速度误差曲线图；

图4是本发明技术方案实施例中随机加速度模型Kalman预测的位置误差曲线图；

图5是本发明技术方案实施例中随机加速度模型Kalman预测的速度误差曲线图；

图6是本发明技术方案实施例中仿真模拟的飞行轨迹示意图；

图7是本发明技术方案实施例中Kalman预测的角位置曲线图；

图8是本发明技术方案实施例中Kalman预测的角速度曲线图；

图9是本发明技术方案实施例中Kalman预测的角位置误差曲线图；

图10是本发明技术方案实施例中Kalman预测的角速度误差曲线图；

图11是本发明技术方案实施例中加入比例环节的根轨迹图；

图12是本发明技术方案实施例中加入比例微分环节的根轨迹图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本发明技术方案的实施例中，光电跟踪系统的复合轴控制系统结构上包括两部分，即粗轴和细轴。如图1所示，是本实施例中复合轴系统的结构图。其中，精跟踪成像传感器、精跟踪控制器、D/A(信号转换器)以及快反镜共同构成复合轴的细轴部分，用于对运动物体进行准确跟踪；粗跟踪成像传感器、粗跟踪控制器、D/A以及转台控制共同构成复合轴的粗轴部分，用于完成运动目标的捕获与粗跟踪。

下面分别对粗轴(的粗跟踪控制器)和细轴(的精跟踪控制器)的实现和使用进行详细的说明。

a)粗跟踪控制器的实现

由于目标与粗轴的粗跟踪成像传感器视轴之间存在一定的角偏差，粗跟踪成像传感器相对目标成像的时间有一定的滞后，即粗跟踪成像传感器的目标成像时间与真实时间之间是存在一定间隔的。同时，粗轴中还包含系统中存在各种噪声的影响，如转台电机力矩波动引起的随机噪声，CCD分辨率误差、大气抖动、信号处理误差等等。因此不能直接将粗轴的角偏差输出值用于控制转台的运动，而是需要对目标的位置和运动角速度进行预测滤波处理，用预测滤波处理后的输出结果来控制转台。也就是对粗跟踪成像传感器的输出值进行校正，利用校正后的输出值控制转台运动。实际上就是计算出目标实际运动参数，预测下一时刻转台应转动的正确位置。

因此在粗跟踪控制器的实现过程为：粗跟踪控制其处理得到目标与粗跟踪成像传感器视轴之间的角偏差；结合转台提供的转台状态信息，计算得到当前目标的角位置；对粗跟踪成像传感器采集到的序列图像进行目标跟踪处理，得到某段时间序列上的多个目标角位置的测量值；对多个目标角位置的测量值采用预测滤波方法估计出当前时刻目标的角位置、角速度、角加速度等预测估计结果；将预测估计的结果转换为控制信息，然后将控制信息输入到转台的伺服系统中控制转台转动。

粗跟踪控制器实现过程中关键是利用预测滤波算法实现对目标的运动参数的估计。由于图像信息处理器输出的脱靶量是二维角度的测量，在没有距离信息时，本实施例中优选采用极坐标系下的预测滤波方法。

在极坐标系下，选取目标角位置θ、角速度

及角加速度

及角加加速度

作为状态变量，即：

假设机动目标在t+t₀时刻的位置为x(t+t₀)，进行泰勒展开为：

式中x⁽ⁿ⁾(t₀)是不为零的最高阶导数。

当t₀＝0时，令

当n＝3时，可得

X(k)＝ΦX(k-1)+ГW(k-1) (4)

式中

其中，T为采样周期，Φ为状态转移矩阵，Г为系统噪声转移矩阵，W(k)是方差为 Q的白噪声序列。本实施例中，优选认为此时认为目标在做等加加速度运动。

由于只有目标的角位置数据可观测，在极坐标下卡尔曼滤波器的观测方程为：

Z(k)＝HX(k)+V(k) (5)

式中H_k＝[1 0 0 0]，V(k)是方差为R的白噪声。

在此基础上，优选采用Kalman滤波算法对目标位置进行预测，利用Kalman算法进行滤波的步骤如下：

P(k,k-1)＝ΦP(k-1,k-1)Φ^T+ГQГ^T； (8)

P(k,k)＝[I-K(k)H]P(k,k-1)； (9)

K(k)＝P(k,k-1)H^T·[HP(k,k-1)H^T+R]^-1； (10)

本实施例的仿真实验中设测量噪声均方差优选设为1.6″，系统噪声均方差优选设为 0.6′/s⁴。仿真初值优选：

P(0,0)＝10I₄。在此基础上，本实施例针对输入θ_i＝90°sin(0.333t)的等效正弦目标分别采用等加加速度模型和随机加速度模型进行了仿真，仿真结果参见图2～图5。

从图2～图5中可知，等加加速度模型的kalman滤波的最大速度误差为0.34°/s,随机加速度模型的kalman滤波的最大速度误差为0.8°/s，使用等加加速度模型的kalman 滤波可以减小系统误差。

进一步地，假设目标相对跟瞄系统做水平匀速飞行，飞行轨迹如图6所示。

其中θ为方位角，x₀为目标与跟踪系统的最短距离，V为目标的速度，t为跟瞄时间，目标方位角表达式为

角加速度为

仿真实验中取x₀＝2500m， V＝680m/s，假设目标匀速从左边81.63°飞到右边81.63°，Kalman预测的角位置和角速度和误差如图7～图10所示。

b)精跟踪控制器的实现

在复合轴控制系统中，快反镜是精跟踪控制平台，由于精跟踪成像传感器帧频高，处理速度较快，目标跟踪处理的滞后时间相对较短，而且快速反射镜的响应也比较快，考虑采用PID控制实现精跟踪控制器。其中，精跟踪对于本领域技术人员来说是现有技术手段，PID控制技术为本领域的公知常识，是控制领域常用技术手段，在此不予赘述。

因此精跟踪控制器的实现过程为：精跟踪处理得到成像传感器视轴之间的角偏差；角偏差经过坐标变换、转换和控制器，转换为快速反射镜(即为快反镜)伺服的控制信息；控制信息输入到快速反射镜的伺服系统中控制反射镜的转动。

本实施例中，快反镜的传递函数优选设计为：

G(s)＝4.5/(0.37s+1)(0.00087s+1) (11)

采用根轨迹方法对控制器参数进行设计，具体可见图11～图12。

附加零点使系统响应加快，上升时间减小，超调量增大。相当于2阶系统的阻尼系数变小。使系统中出现一对非常靠近的零、极点，使该极点的对应留数很小，其在系统动态响应中的作用近似相互抵消。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，其特征在于，包括

S1搜索并接收目标初始方位，控制转台进入目标区域；

S2对搜索获得的信息进行处理，检测目标并识别确认目标，获取粗跟踪信息；

S3根据粗跟踪信息对目标进行追踪，处理目标跟踪结果，获取转台控制信号，控制转台工作，获取精跟踪信息和第一校正值；

S4根据精跟踪信息锁定目标对其进行跟踪，处理目标跟踪结果，获取快反镜控制信号，驱动快反镜运行，并获取第二校正值；

S5根据第一校正值和第二校正值对大视场范围下运动物体的跟踪信息进行校正；

所述步骤S4包括，

S41根据精跟踪信息都对目标进行跟踪，获取初始精跟踪信息；

S42对初始精跟踪信息进行转换和/或处理，获取快反镜控制信号和/或第二校正值；

S43利用快反镜控制信号控制快反镜的转动，输出第二校正值。

2.根据权利要求1所述的一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，其中，所述步骤S3包括，

S31根据粗跟踪信息对目标进行跟踪，获取初始粗跟踪信息；

S32对初始粗跟踪信息进行转换和/或处理，获取转台控制信号和/或第一校正值；

S33利用转台控制信号控制转台运动，输出第一校正值。

3.根据权利要求2所述的一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，其中，所述步骤S32中采用滤波的方式对初始粗跟踪信息进行校正。

4.根据权利要求2所述的一种光电跟踪系统的复合轴控制方法，其中，所述初始粗跟踪信息选用粗跟踪成像传感器视轴与运动目标之间的角偏差。

5.一种光电跟踪系统的复合轴控制结构，其特征在于，包括粗轴和细轴，所述粗轴包括依次连接的粗跟踪成像传感器、第一信号转换器和转台，所述细轴包括依次连接的精跟踪成像传感器、第二信号转换器和快反镜；所述粗跟踪成像传感器和精跟踪成像传感器与外部信号输入端相连接；所述快反镜和转台与复合轴控制结构的输出端相连接；且所述转台的输出端与外部信号输入端相连接；

信号依次经过外部信号输出端、粗跟踪成像传感器、第一信号转换器和转台后输出第一校正值，转台将所述第一校正值反馈至精跟踪成像传感器的输入端，依次经过精跟踪成像传感器、第二信号转换器和快反镜后输出第二校正值，根据所述第一校正值和第二校正值获取大视场范围下运动物体的精确跟踪信息。

6.根据权利要求5所述的一种光电跟踪系统的复合轴控制结构，其中，所述粗跟踪成像传感器与第一信号转换器之间还设有粗跟踪控制器；所述精跟踪成像传感器与第二信号转换器之间还设有精跟踪控制器。

7.一种光电跟踪系统的复合轴控制系统，其特征在于，包括

搜索模块，用于搜索并接收目标初始方位，控制转台进入目标区域；

信息处理模块，用于对搜索获得的信息进行处理，检测目标并识别确认目标，获取粗跟踪信息；

粗跟踪模块，用于根据粗跟踪信息对目标进行追踪，处理目标跟踪结果，获取转台控制信号，控制转台工作，获取精跟踪信息和第一校正值；

精跟踪模块，用于根据精跟踪信息锁定目标对其进行跟踪，处理目标跟踪结果，获取快反镜控制信号，驱动快反镜运行，并获取第二校正值；

跟踪值校正模块，用于根据第一校正值和第二校正值对大视场范围下运动物体的跟踪信息进行校正；

其中，所述精跟踪模块包括，

精跟踪成像模块，用于根据精跟踪信息都对目标进行跟踪，获取初始精跟踪信息；

第二信号转换模块，用于对初始精跟踪信息进行转换和/或处理，获取快反镜控制信号和/或第二校正值；

精跟踪控制模块，用于利用快反镜控制信号控制快反镜的转动，输出第二校正值。

8.根据权利要求7所述的一种光电跟踪系统的复合轴控制系统，其中，所述粗跟踪模块包括，

粗跟踪成像模块，用于根据粗跟踪信息对目标进行跟踪，获取初始粗跟踪信息；

第一信号转换模块，用于对初始粗跟踪信息进行转换和/或处理，获取转台控制信号和/或第一校正值；

粗跟踪控制模块，用于利用转台控制信号控制转台运动，输出第一校正值。

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