CN109597092A - 一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统 - Google Patents

Abstract

一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统，包括：二维转动平台和光电设备，二维转动平台包括固定支架、方位驱动组件、方位转动支架、俯仰驱动组件、俯仰转动支架和控制器；固定支架下方安装有方位驱动组件，固定支架上方安装有方位转动支架，方位转动支架上方安装有俯仰转动支架，俯仰转动支架上安装有俯仰驱动组件；光电设备安装于俯仰转动支架上；控制器复合控制方位驱动组件和俯仰驱动组件，使俯仰转动支架圆周运动和俯仰运动。控制器复合控制二维转动平台实现方位和俯仰转动，在二维转动平台受传动间隙、传动刚度、负载偏心、扰动力矩、电缆扭力矩、空间环境等影响因素下，仍能达到光电设备对运动目标的搜索、跟踪及高精度指向。

Description

一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统

技术领域

本发明涉及光电跟瞄技术领域，具体涉及一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统。

背景技术

光电跟瞄系统以高于微波频率的光波为信息的载体，在目标探测领域是常规雷达的重要补充手段，在高分辨率成像、高精度跟踪和制导等方面都有重要应用。除武器以外，光电跟瞄系统在激光通信、天文观测、航空摄影等方面也有日益广泛的应用。

光电跟瞄系统一般由高分辨率相机、红外探测器、激光测距仪、机电伺服系统、监控单元和光电平台等组成。其中多自由度的机电伺服系统的运动控制性能对整个光电系统的搜索、跟踪和指向能力起到决定性的作用。

由于机电伺服系统的运动控制性能受传动间隙、传动刚度、负载偏心、扰动力矩、电缆扭力矩、空间环境等影响，因此需要开发一种相对通用的高精度光电跟瞄系统控制方案，通过传感器、电机、驱动电路、控制算法的合理设计，达到运动性能指标。

发明内容

本申请提供一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统，包括二维转动平台和光电设备，二维转动平台包括固定支架、方位驱动组件、方位转动支架、俯仰驱动组件、俯仰转动支架和控制器；

固定支架下方安装有方位驱动组件，固定支架上方安装有方位转动支架，方位转动支架上安装有俯仰转动支架，俯仰转动支架上安装有俯仰驱动组件；

光电设备安装于俯仰转动支架上；

控制器分别与方位驱动组件和俯仰驱动组件信号连接，控制器复合控制方位驱动组件驱动方位转动支架圆周转动，及控制俯仰驱动组件驱动俯仰转动支架俯仰运动。

一种实施例中，光电设备包括激光测距仪、宽视场相机和窄视场相机，激光测距仪、宽视场相机和窄视场相机实时测量目标并得到二维转动平台与被跟踪目标的指向偏差，具体方式为：

利用宽视场相机在方位驱动组件和俯仰组件的工作下，对天巡视寻找目标，直至将目标锁定在图像正中心；

利用激光测距仪测量二维转动平台与目标的相对距离；

根据相对距离对窄视场相机进行焦距调整，由调整焦距后的窄视场相机对目标进行观测并跟踪目标运动。

一种实施例中，方位驱动组件和俯仰驱动组件上分别安装有角度编码器，角度编码器用于实时测量方位转动支架和俯仰转动支架的当前转动角度。

一种实施例中，复合控制包括三环串级控制、速度前馈控制和干扰补偿控制。

一种实施例中，三环串级控制包括电流环、速度环和位置环。

依据上述实施例的空间高精度光电跟瞄系统，由于控制器结合三环串级、速度前馈和干扰补偿复合控制二维转动平台实现方位和俯仰转动，在二维转动平台受传动间隙、传动刚度、负载偏心、扰动力矩、电缆扭力矩、空间环境等影响因素下，仍能达到光电设备对运动目标的搜索、跟踪及高精度指向。

附图说明

图1为空间高精度光电跟瞄系统结构图；

图2为复合控制原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本例提供一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统，其结构图如图1所示，包括二维转动平台和光电设备，其中，二维转动平台包括固定支架1、方位驱动组件2、方位转动支架3、俯仰驱动组件4、俯仰转动支架5和控制器6，光电设备包括激光测距仪7、宽视场相机8和窄视场相机9。

具体的连接关系及安装方式是：固定支架1下方安装有方位驱动组件2，固定支架1上方安装有方位转动支架3，方位转动支架3上方安装有俯仰转动支架5，俯仰转动支架5上安装有俯仰驱动组件4；激光测距仪7、宽视场相机8和窄视场相机9分别安装于俯仰转动支架5上；控制器6安装于方位转动支架3上，且控制器6分别与方位驱动组件2和俯仰驱动组件4信号连接，控制器6复合控制方位驱动组件2驱动方位转动支架3圆周转动，及控制俯仰驱动组件4驱动俯仰转动支架5俯仰运动。

其中，控制器6内集成有驱动控制电路和软件算法，以实现控制器6控制方位驱动组件2和俯仰驱动组件4；具体的，方位驱动组件2和俯仰驱动组件4上分别安装有高精度的角度编码器，角度编码器用于实时测量方位转动支架和俯仰转动支架的当前转动角度；另外，激光测距仪7、宽视场相机8和窄视场相机9组成的光电设备也可以通过图像处理，实时测量得到二维转动平台与被跟踪目标的指向偏差；该当前转动角度和指向偏差作为控制器6内控制算法的反馈输入，控制器6根据该反馈输入对二维转动平台进行精确控制。

其中，激光测距仪7、宽视场相机8和窄视场相机9在测量目标时，有先后顺序的任务分工，具体工作方式如下：

利用宽视场相机8在方位驱动组件2和俯仰组件4的工作下，对天巡视寻找目标，直至将目标锁定在图像正中心；

利用激光测距仪7测量二维转动平台与目标的相对距离；

根据相对距离对窄视场相机9进行焦距调整，由调整焦距后的窄视场相机9对目标进行观测并跟踪目标运动，最终获得二维转动平台与被跟踪目标的指向偏差。

控制器6控制二维转动平台进行运动目标的搜索、跟踪及高精度指向的过程中，为确保控制精度在受传动间隙、传动刚度、负载偏习、扰动力矩、电缆扭力矩、空间环境等影响因素下，仍然能达到控制性能，本例的控制器6采用了“三环串级+速度前馈+干扰补偿”的复合控制方案，复合控制的原理框图如图2所示。

其中，三环串级控制具体指电流环、速度环和位置环的层层嵌套，由于三环串级控制对阶跃信号的响应能力较好，对速度信号的响应会存在静差，考虑到运动目标具有一定的飞行速度，因此，在三环串级控制的基础上，对速度环进行前馈控制。

在三环串级控制的基础上进行速度前馈控制，可以消除三环串级控制的静差，由于二维转动平台的输入指令是实时脱靶量(即二维转动平台与被跟踪目标实际位置的指向偏差)，因此，在测量得到的脱靶量基础上，还需要对跟踪目标进行速度估计，作为速度前馈的控制指令，使得，在控制系统中增加速度前馈控制，对输入控制指令具有良好的跟随性。

由于在空间复杂交变环境下，二维转动平台的高精度伺服控制还需要对各种系统误差进行补偿，由于在空间环境中二维转动平台运动的最大干扰载荷是电缆摆动力矩，而电缆摆动力矩可以通过地面扭力试验初步测量电缆扭转力矩与转动角度和环境温度的关系，建立参数化模型，从而，在三环串级+速度前馈控制的基础上，对干扰载荷进行前馈补偿，可以有效提高系统在扰动载荷下的动态性能。由于凡是被反馈环包围的加在控制系统前向通道上的扰动作用对被控制量的影响都会受到反馈控制的抑制，因此允许对各种干扰载荷的测量存在一定的测量误差。但复合控制仍然需要尽可能较为准确地对干扰载荷进行估计。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (5)

1.一种采用复合控制的空间高精度光电跟瞄系统，其特征在于，包括：二维转动平台和光电设备，所述二维转动平台包括固定支架、方位驱动组件、方位转动支架、俯仰驱动组件、俯仰转动支架和控制器；

所述固定支架下方安装有所述方位驱动组件，所述固定支架上方安装有所述方位转动支架，所述方位转动支架上方安装有所述俯仰转动支架，所述俯仰转动支架上安装有所述俯仰驱动组件；

所述光电设备安装于所述俯仰转动支架上；

所述控制器分别与所述方位驱动组件和俯仰驱动组件信号连接，所述控制器复合控制所述方位驱动组件驱动所述方位转动支架圆周转动，及控制所述俯仰驱动组件驱动所述俯仰转动支架俯仰运动。

2.如权利要求1所述的空间高精度光电跟瞄系统，其特征在于，所述光电设备包括激光测距仪、宽视场相机和窄视场相机，所述激光测距仪、宽视场相机和窄视场相机实时测量目标并得到所述二维转动平台与被跟踪目标的指向偏差，具体方式为：

利用所述宽视场相机在所述方位驱动组件和俯仰组件的工作下，对天巡视寻找目标，直至将目标锁定在图像正中心；

利用所述激光测距仪测量所述二维转动平台与目标的相对距离；

根据所述相对距离对所述窄视场相机进行焦距调整，由调整焦距后的窄视场相机对目标进行观测并跟踪目标运动。

3.如权利要求2所述的空间高精度光电跟瞄系统，其特征在于，所述方位驱动组件和俯仰驱动组件上分别安装有角度编码器，所述角度编码器用于实时测量所述方位转动支架和俯仰转动支架的当前转动角度。

4.如权利要求3所述的空间高精度光电跟瞄系统，其特征在于，所述复合控制包括三环串级控制、速度前馈控制和干扰补偿控制。

5.如权利要求4所述的空间高精度光电跟瞄系统，其特征在于，所述三环串级控制包括电流环、速度环和位置环。