CN112684817B - 一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其技术方案要点是包括以下步骤：S01、确定电视跟踪器当量K；S02、确定电视跟踪器滞后时间τ；S03、将电视跟踪器获取的脱靶量像素值Δθn转换为脱靶量角度值dθn，
Figure DDA0002841372420000011
n＝1，2，…，其中n为正整数；S04、确定光电跟踪系统角度值θo，n平移个数N；
Figure DDA0002841372420000012
其中T1为仪器数据采样间隔；S05、确定目标位置数据θi，n‑N，θi，n‑N＝dθn+θo，n‑N；S06、根据目标位置数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪；确定电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ，根据两个数据对脱靶量数据Δθn进行处理，得到的目标位置信息的精度大大提高，将目标位置信息作为光电跟踪系统的前馈，大大提高了光电跟踪系统的跟踪精度和稳定性。

Description

一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法
技术领域
本发明涉及光电探测跟踪技术领域，更具体的说，它涉及一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法。
背景技术
光电跟踪系统由跟踪机构、伺服控制系统、轴角度测量系统、计算机控制与处理系统、电视跟踪测量系统组成；
在光电跟踪系统当中，反馈控制是一种常见的控制结构，即由电视跟踪器获得的脱靶量信息(目标位置相对于跟踪设备视轴的偏差)驱动伺服系统运动，进而实现对目标的自动跟踪，所以脱靶量信息的获取与处理成为了提高光电跟踪系统跟踪性能的重要一环；在现在的光电跟踪系统当中，由于目标的脱靶量信息时通过对光测图像的处理获得的，而这一处理过程包括目标图像的建立、处理以及信号的传输，因此最终获得的脱靶量信息在时间上存在一定的滞后；为了驱动伺服系统运动，需要利用脱靶量数据与光电跟踪系统角度值合成目标位置数据，由于脱靶量数据存在一定的时间上的滞后，这也就导致了合成的目标位置数据也是滞后的，这一滞后的存在使得跟踪控制系统的相位裕度降低，影响了光电跟踪系统的跟踪精度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其确定电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ，根据两个数据对脱靶量数据Δθn进行处理，得到的目标位置信息的精度大大提高，将目标位置信息作为光电跟踪系统的前馈，大大提高了光电跟踪系统的跟踪精度和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其应用于电视跟踪器、速度内环控制器以及位置外环控制器组成的光电跟踪系统，包括以下步骤：
S01、确定电视跟踪器当量K；
S02、确定电视跟踪器滞后时间τ；
S03、将电视跟踪器获取的脱靶量像素值Δθn转换为脱靶量角度值dθn，
Figure BDA0002841372400000021
其中n为正整数；
S04、确定光电跟踪系统角度值θo,n平移个数N；
Figure BDA0002841372400000022
其中T1为仪器数据采样间隔；
S05、确定目标位置数据θi,n-N，θi，n-N＝dθn+θo，n-N；
S06、根据目标位置数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪。
通过采用上述技术方案，其先对电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ进行确定，然后根据确定滞后的电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ对脱靶量像素值Δθn进行处理，最终计算得到目标位置数据，将目标位置数据作为光电跟踪系统中控制系统的前馈，由于得到的目标位置数据考虑到了K和τ对目标位置数据产生的精度影响，从而大大提高了目标位置数据的精度，从而提高了光电跟踪系统跟踪的精度以及稳定性。
本发明进一步设置为：所述步骤S01包括以下步骤：
S011、确定一个固定的目标；
S012、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S013、多次重复步骤S012，记录一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值；
S014、将一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值进行线性拟合，拟合出的线性函数的斜率即为电视跟踪器的当量K。
本发明进一步设置为：所述步骤S02包括以下步骤：
S021、确定一个固定的目标；
S022、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S023、利用步骤S01中确定的电视跟踪器当量K，将电视跟踪器输出的脱靶量像素值转换为脱靶量角度值；
S024、将编码器输出的光电跟踪系统角度值在时间轴上进行不同时间差的平移，平移后的光电跟踪系统角度值与所对应时间处的脱靶量角度值计算得到目标位置，将目标位置合成目标位置曲线，目标位置曲线中与实际目标位置差距最小处的时间差为电视跟踪器的滞后时间。
本发明进一步设置为：所述步骤S023中，脱靶量角度值计算时根据公式Δθ＝Kθ0+b进行计算，其中b为固定常数。
通过采用上述技术方案，所述步骤S06中，根据目标位置数据θi,n-N及滞后时间τ，预测得到目标速度数据
Figure BDA0002841372400000041
根据目标速度数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪。
本发明进一步设置为：将目标的速度数据作为前馈信息，使得控制系统能够更加容易根据前馈信息调整对光电跟踪系统的控制。
本发明进一步设置为：所述步骤S06中，进行目标速度数据预测的时候，采用预测滤波算法进行预测。
综上所述，本发明相比于现有技术具有以下有益效果：本发明先对电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ进行确定，然后根据确定滞后的电视跟踪器的当量K和电视跟踪器滞后时间τ对脱靶量像素值Δθn进行处理，最终计算得到目标位置数据，将目标位置数据作为光电跟踪系统中控制系统的前馈，由于得到的目标位置数据考虑到了K和τ对目标位置数据产生的精度影响，从而大大提高了目标位置数据的精度，从而提高了光电跟踪系统跟踪的精度以及稳定性。
附图说明
图1为实施例一的光电跟踪系统的示意图；
图2为实施例二的方法步骤的示意图；
图3实施例二电视跟踪器当量方位方向拟合结果示意图；
图4为实施例二电视跟踪器当量俯仰方向拟合结果示意图；
图5为实施例二电视跟踪器方位方向滞后时间测定曲线图；
图6为实施例二电视跟踪器俯仰方向滞后时间测定曲线图；
图7为实施例三的光电跟踪系统测试设备的示意图；
图8为目标速度预测0帧时的测试结果对比图；
图9为目标速度预测1帧时的测试结果对比图；
图10为目标速度预测2帧时的测试结果对比图；
图11为目标速度预测3帧时的测试结果对比图。
图中：1、旋转靶标；2、LED灯。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：一种光电跟踪控制系统，参见附图1，其包括速度内环控制器、位置外环控制器、电视跟踪器；图中，G0(s)为控制对象传递函数，Gvc(s)、Gpc(s)和GTV(s)分别为速度内环控制器、位置外环控制器以及电视跟踪器的传递函数，θi、θo和Δθ分别为目标位置、光电跟踪系统角度值以及电视跟踪器获得的脱靶量。目标位置、光电跟踪系统角度值以及电视跟踪器获得的脱靶量之间的关系表示为：
Δθ＝(θi-θo)GTV(s) (1)
GTV(s)＝Re-τs (2)
其中，K为电视跟踪器的当量，τ为滞后时间，其频率特性可以表示为
Figure BDA0002841372400000061
通过频率特性可以分析得出，电视跟踪器影响跟踪控制系统开环频率特性的相频特性，在开环剪切频率ωc处系统的相位裕度减小τωc。由控制理论可知，相位裕度的降低将影响系统的跟踪精度，严重时甚至会导致系统不稳定。
实施例二：一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，参见附图2，包括以下步骤：
S01、确定电视跟踪器当量K；
S02、确定电视跟踪器滞后时间τ；
S03、将电视跟踪器获取的脱靶量像素值Δθn转换为脱靶量角度值dθn，
Figure BDA0002841372400000062
其中n为正整数；
S04、确定光电跟踪系统角度值θo,n平移个数N；
Figure BDA0002841372400000071
其中T1为仪器数据采样间隔；
S05、确定目标位置数据θi,n-N，θi，n-N＝dθn+θo，n-N；
S06、根据目标位置数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪。
先行确定光电跟踪系统当中电视跟踪器当量K和电视跟踪器滞后时间τ，然后在后续步骤确定目标位置数据的时候，通过公式的计算，将电视跟踪器当量K和电视跟踪器滞后时间τ对于目标位置数据精度的影响去除，从而提高了最终计算所得到目标位置数据的精度，然后将目标位置数据作为光电跟踪系统的控制系统进行前馈，控制系统根据目标位置数据来调节光电跟踪系统指向目标，提高了光电跟踪系统跟踪的精度。
具体的，本实施例中，所述步骤S01包括以下步骤：
S011、确定一个固定的目标；
S012、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S013、多次重复步骤S012，记录一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值；
S014、将一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值进行线性拟合，拟合出的线性函数的斜率即为电视跟踪器的当量K。
通过对实施例一中的公式(1)、(2)和(3)的分析得出，当目标的位置不动仅仅对光电跟踪系统进行转动的情况下，电视跟踪器输出的脱靶量象素值的变化量dΔθ应与编码器输出的光电跟踪系统角度值的变化量dθ0成正比，比例系数即是电视跟踪器的当量K，也就是：dΔθ＝Kdθ0 (4)
因此，因此电视跟踪器输出的脱靶量象素值Δθ应与编码器输出的光电跟踪系统角度值θo成线性关系，即
Δθ＝Kθ0+b (5)
也就是说，如果能够在目标位置保持不变的情况下，测定一系列的脱靶量数据以及光电跟踪系统位置数据，然后将得到的数据进行线性拟合，拟合形成的线性函数的斜率就为电视跟踪器的当量K。所以步骤S01，在目标固定的情况下，通过手动转动光电跟踪系统，然后记录一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值，对得到的数据进行线性拟合并且计算拟合后的线性函数的斜率就能够得到电视跟踪器的当量K。
图3为采用本方法中步骤S01获得的某一电视跟踪器当量方位方向拟合结果，图4为采用本方法中步骤S01获得的某一电视跟踪器当量俯仰方位拟合结果；图中的圆圈表示实验中测定的离散数据(横坐标为编码器输出的光电跟踪系统角度值，纵坐标为电视跟踪器输出的脱靶量像素值)；实现则是表示了对所获得的离散数据进行线性拟合之后得到的线性函数；从拟合结果当中可以得到从拟合结果可得方位方向的电视跟踪器当量为17.38，俯仰方向的电视跟踪器当量为23.92；并且根据图示也能够看出，电视跟踪器输出的脱靶量像素值与编码器输出的光电跟踪系统角度值之间具有良好的线性关系。
所述步骤S02包括以下步骤：
S021、确定一个固定的目标；
S022、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S023、利用步骤S01中确定的电视跟踪器当量K，将电视跟踪器输出的脱靶量像素值转换为脱靶量角度值；
S024、将编码器输出的光电跟踪系统角度值在时间轴上进行不同时间差的平移，平移后的光电跟踪系统角度值与所对应时间处的脱靶量角度值计算得到目标位置，将目标位置合成目标位置曲线，目标位置曲线中与实际目标位置差距最小处的时间差为电视跟踪器的滞后时间。
具体的，本实施例中，所述步骤S023中，脱靶量角度值计算时根据公式Δθ＝Kθ0+b进行计算，其中b为固定常数。
具体的，本实施例中，所述步骤S024中，对目标位置数据进行计算时，目标位置数据等于脱靶量角度值与光电跟踪系统角度值之和。
电视跟踪器的滞后时间τ采用静止目标位置不变法进行辨识。所谓静止目标位置不变法是指在保持目标不动而连续来回转动光电跟踪设备的情况下，由于目标位置不变，因此没有滞后时电视跟踪器输出的脱靶量角度值与编码器输出的光电跟踪系统角度值之和应为常值。将编码器输出的光电跟踪系统角度值在时间轴上分别进行不同时间差的平移，并与电视跟踪器输出的脱靶量角度值进行合成。由于目标位置不变，因此在合成的各个目标位置曲线中与实际目标位置差距最小处的时间差为电视跟踪器的滞后时间。
图5为采用本方法当中的步骤S02获得的某一电视跟踪器方位方向滞后时间测定曲线，图6为采用本方法当中的步骤S02获得的某一电视跟踪器俯仰方向滞后时间测定曲线；在图中，以合成目标位置曲线的方差作为评价标准，图中给出合成目标位置曲线方差随滞后时间的变化情况，从图中能够看出，合成位置目标曲线的方差在滞后时间为120个编码器采样周期时达到最小值，因此辨识出的电视跟踪器的之后时间为120个编码器采用周期。
具体的，本实施例中，所述步骤S06中，根据目标位置数据θi,n-N及滞后时间τ，预测得到目标速度数据
Figure BDA0002841372400000101
根据目标速度数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪；具体的，进行目标速度数据预测的时候，采用预测滤波算法进行预测。
实施例三，一种光电跟踪系统测试设备，参见附图7，包括旋转靶标1，旋转靶标1在竖直平面内旋转，旋转靶标1上设置有一作为被跟踪目标的LED灯2，LDE灯被固定在旋转靶标1的边缘处；采用传统的反馈控制对LED灯2进行跟踪，采用实施例二的方法，将目标速度数据作为前馈来对LED灯2进行跟踪，图8-11分别对应目标速度预测0帧、1帧、2帧和3帧的情况，每一幅图中，上图为采用传统的反馈控制时和将目标速度数据作为前馈时的跟踪误差的对比曲线，下图为经过预测滤波得到的前馈速度曲线；在上图当中，虚线为采用的传统的反馈控制时的跟踪误差曲线，实线为将目标速度数据作为前馈时的跟踪误差曲线。需要进行说明的是，由于预测滤波算法需要一定的收敛时间，因此目标速度数据前馈是在第100步附近加入，在此前控制系统采用反馈控制；从图中能够明显看出，通过目标速度数据的前馈，使得系统的跟踪精度得到明显的改善，峰值误差由反馈控制时的40个像素提高到了20个像素，提高了50％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：其应用于电视跟踪器、速度内环控制器以及位置外环控制器组成的光电跟踪系统，包括以下步骤：
S01、确定电视跟踪器当量K；
S02、确定电视跟踪器滞后时间τ；
S03、将电视跟踪器获取的脱靶量像素值Δθn转换为脱靶量角度值dθn，
Figure FDA0003937827300000011
其中n为正整数；
S04、确定光电跟踪系统角度值θo，n平移个数N；
Figure FDA0003937827300000012
其中T1为仪器数据采样间隔；
S05、确定目标位置数据θi，n-N，θi，n-N＝dθn+θo，n-N；
S06、根据目标位置数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：所述步骤S01包括以下步骤：
S011、确定一个固定的目标；
S012、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S013、多次重复步骤S012，记录一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值；
S014、将一系列的脱靶量像素值以及光电跟踪系统角度值进行线性拟合，拟合出的线性函数的斜率即为电视跟踪器的当量K。
3.根据权利要求2所述的一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：所述步骤S02包括以下步骤：
S021、确定一个固定的目标；
S022、手动连续来回转动光电跟踪系统，同时保证目标在电视跟踪器视场内，连续记录电视跟踪器输出的脱靶量像素值以及编码器输出的光电跟踪系统角度值；
S023、利用步骤S01中确定的电视跟踪器当量K，将电视跟踪器输出的脱靶量像素值转换为脱靶量角度值；
S024、将编码器输出的光电跟踪系统角度值在时间轴上进行不同时间差的平移，平移后的光电跟踪系统角度值与所对应时间处的脱靶量角度值计算得到目标位置，将目标位置合成目标位置曲线，目标位置曲线中与实际目标位置差距最小处的时间差为电视跟踪器的滞后时间。
4.根据权利要求3所述的一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：所述步骤S023中，脱靶量角度值计算时根据公式Δθ＝Kθ0+b进行计算，其中b为固定常数，Δθ为电视跟踪器输出的脱靶量像素值，θo为编码器输出的光电跟踪系统角度值。
5.根据权利要求1所述的一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：所述步骤S06中，根据目标位置数据θi,n-N及滞后时间τ，预测得到目标速度数据
Figure FDA0003937827300000021
根据目标速度数据控制光电跟踪系统对目标进行跟踪。
6.根据权利要求5所述的一种提高光电跟踪系统跟踪精度的方法，其特征在于：所述步骤S06中，进行目标速度数据预测的时候，采用预测滤波算法进行预测。
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