CN112748748B - 基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法 - Google Patents

基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法，当控制杆发出第一控制杆数据和第二控制杆数据时，第一控制杆数据经位置环积分器后，得到第一角度值；第一角度值经位置环控制器处理后，输出第一角速度值；第一角速度值与第二控制杆数据经第一加法器作用后，得到第二角速度值；第二角速度值依次经速度环控制器和光电跟瞄伺服转台速度环控制器处理后，输出视轴速度；其中，第一控制杆数据和第二控制杆数据相同。本发明的目的在于提供一种基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法，使得光电跟瞄操作员可对小视场下低速目标稳定跟瞄的同时，亦可在大视场下对目标进行快速搜索。

Description

基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法
技术领域
本发明涉及光电跟瞄控制技术领域，尤其涉及一种基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法。
背景技术
光电跟瞄系统作为一种实时目标视频图像信息采集、空间位置坐标测量、运动轨迹监控的综合电子信息设备，被广泛地运用于航空测绘、道路交通、警用治安、港口监管、海上通航、边境警戒等商业民用和国防军事领域。在光电跟瞄系统半自动控制模式下，操作员可通过控制杆给定输入光电跟瞄伺服转台方位、高低轴系运动指令，控制视轴(Line ofSight，LOS)在方位、高低两个方向运动，从而实现对目标的搜索、跟踪和瞄准。随着对目标探测距距离、探测范围以及跟瞄精度要求的不断提高，在光电跟瞄系统半自动控制模式下，操作员通过控制杆控制视轴运动时需满足：小视场下跟瞄远距离目标时，视轴低速运动平稳、无爬行抖动现象；大视场目标搜索时，视轴高速运动响应快、超调小。
在光电跟瞄系统中，半自动控制分为速度给定型和位置给定型。速度给定型半自动控制直接将控制杆数据作为光电跟瞄速度环输入速度指令；位置给定型半自动控制将控制杆数据作为角度位置指令输入光电跟瞄系统位置环。速度给定型半自动控制具有响应快、角速度大的优点，但是，其对速度扰动抑制能力较低，低速性能较差，且无位置闭环，当高速运动达位后，位置偏差较大。位置给定型半自动控制克服了速度给定型半自动控制低速性能较差的问题，但是，高速运动动态响应对位置闭环控制器设计要求较高，在保证低速性能时，位置环增益往往选择得比较大，这导致在高速运动达位时超调量增大，限制了角速度的提高。所以，位置给定型半自动控制存在无法同时满足低速平稳、无爬行和高速动态响应快、超调小的矛盾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统及方法，使得光电跟瞄操作员可对小视场下低速目标稳定跟瞄的同时，亦可在大视场下对目标进行快速搜索。
本发明通过下述技术方案实现：
基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，包括控制杆、位置环积分器、位置环控制器、第一加法器、速度环控制器和光电跟瞄伺服转台；
当所述控制杆发出第一控制杆数据和第二控制杆数据时，所述第一控制杆数据经所述位置环积分器后，得到第一角度值；所述第一角度值经所述位置环控制器处理后，输出第一角速度值；所述第一角速度值与所述第二控制杆数据经所述第一加法器作用后，得到第二角速度值；所述第二角速度值依次经所述速度环控制器和所述光电跟瞄伺服转台速度环控制器处理后，输出视轴速度；
其中，所述第一控制杆数据和所述第二控制杆数据相同。
优选地，所述位置环控制器内置位置环传递函数，且所述位置环传递函数为：
Figure BDA0002865054880000021
其中，Φp(s)为光电跟瞄伺服转台位置闭环传递函数；Gvc(s)为速度环控制器，G0(s)为光电跟瞄伺服转台速度环被控对象传递函数；Gpc(s)为位置环控制器；Gvs(s)为速度反馈传感器传递函数。
所述速度环控制器内置速度环传感函数，且所述速度环传感函数为：
Figure BDA0002865054880000022
其中，Φv(s)为光电跟瞄伺服转台速度闭环传递函数。
优选地，还包括位置传感器和第二加法器；
所述位置传感器，用于获取第二角度值；其中，所述第二角度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角度值；
所述第二加法器，用于获取第三角度值，并将所述第三角度值输入至所述位置环控制器；其中，所述第三角度值为所述第一角度值与所述第二角度值的差值。
优选地，还包括速度传感器，所述速度传感器用于获取第三角速度值，并将所述第三角速度值输入至所述第一加法器；其中，所述第三角速度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角速度值。
使用如上所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统的方法，包括以下步骤：
S1：获取光电跟瞄系统的控制杆数据，并将所述控制杆数据输入光电跟瞄系统位置环和光电跟瞄系统速度环；
S2：所述光电跟瞄系统位置环中的所述控制杆数据依次经位置环积分器和位置环控制器处理后，得到第一角速度值；
S3：获取第二角速度值，并将所述第二角速度值输入至所述光电跟瞄系统速度环，所述第二角速度值依次经速度环控制器和光电跟瞄伺服转台处理后，输出视轴角度；
其中，所述第二角速度值为所述第一角速度值与所述光电跟瞄系统速度环中的所述控制杆数据之和。
优选地，所述位置环积分器按下式对所述控制杆数据积分：
θ(k)＝θ(k-1)+ωk·Δt；
其中，ωk为第k次控制杆数据，Δt为积分步长，θ(k)为k次积分后的角度值，θ(k-1)为k-1次积分后的角度值。
优选地，所述位置环控制器内置位置环传递函数，第一角度值经所述位置环传递函数后，得到所述第一角速度值；
其中，所述第一角度值为所述位置环积分器的输出值，所述位置环传递函数为：
Figure BDA0002865054880000031
其中，Φp(s)为光电跟瞄伺服转台位置闭环传递函数；Gvc(s)为速度环控制器，G0(s)为光电跟瞄伺服转台速度环被控对象传递函数；Gpc(s)为位置环控制器；Gvs(s)为速度反馈传感器传递函数。
优选地，所述速度环控制器内置速度环传感函数，所述第二角速度值经所述速度环传递函数后，得到第三角速度值，所述第三角速度值用于输入至所述光电跟瞄伺服转台；
其中，所述速度环传感函数为：
Figure BDA0002865054880000032
其中，Φv(s)为光电跟瞄伺服转台速度闭环传递函数。
优选地，还包括第一反馈步骤，所述第一反馈步骤包括：
获取第二角度值；其中，所述第二角度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角度数据；
获取第三角度值，并将所述第三角度值传输至所述位置环控制器；其中，所述第三角度值为所述第一角度值与所述第二角度值之差。
优选地，还包括第二反馈步骤，所述第二反馈步骤包括：
获取第四角速度值，其中，所述第四角速度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角速度数据；
获取第五角速度值，并将所述第五角速度值传输至所述速度环控制器；其中，所述第五角速度值为所述第二角速度值与所述第四角速度值之差。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、能同时满足光电跟瞄半自动控制低速平稳、无爬行以及高速动态响应快、超调小的要求；
2、控制杆数据既作为速度指令，又通过积分处理后作为位置指令，无须在额外增加传感器；
3、控制杆数据作为速度指令，对其积分后得到的位置角度数据噪声比位置角度差分得到的前馈速度信号噪声小，无需额外的滤波处理。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统示意图；
图2为本发明光电跟瞄半自动控制速度环闭环控制结构图；
图3为本发明光电跟瞄半自动控制位置环闭环控制结构图；
图4为本发明基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，如图1-图4所示，包括控制杆、位置环积分器、位置环控制器、第一加法器、速度环控制器和光电跟瞄伺服转台；其中，位置环控制器中内置有位置环传递函数：
Figure BDA0002865054880000041
速度环控制器内置速度环传感函数：
Figure BDA0002865054880000042
其中，Φp(s)为光电跟瞄伺服转台位置闭环传递函数；Gvc(s)为速度环控制器，G0(s)为光电跟瞄伺服转台速度环被控对象传递函数；Gpc(s)为位置环控制器；Gvs(s)为速度反馈传感器传递函数；Φv(s)为光电跟瞄伺服转台速度闭环传递函数。
系统工作时，控制杆发出控制杆数据，本实例所说的控制杆数据为控制杆速度指令，为便于下文描述，传递至光电跟瞄系统位置环的控制杆数据称为第一控制杆数据，传递至光电跟瞄系统速度环的控制杆数据称为第二控制杆数据。第一控制杆数据经位置环积分器积分后，得到第一角度值；第一角度值经位置环控制器处理后，输出第一角速度值；第一角速度值与第二控制杆数据经第一加法器相加后，得到第二角速度值；第二角速度值经速度环控制器作用后，输出一个角度值，该角度值传输至光电跟瞄伺服转台，从而输出视轴角度；
其中，积分器按下式对第一控制杆数据进行处理：
θ(k)＝θ(k-1)+ωk·Δt；
其中，ωk为第k次控制杆数据，Δt为积分步长，θ(k)为k次积分后的角度值，θ(k-1)为k-1次积分后的角度值。
值得说明的是，光电跟瞄伺服转台根据该角度输出视轴角度为现有技术，不属于本方案的改进点，因此不对这一具体的处理过程进行追溯。本方案的改进点在于将控制杆速度指令既作为速度指令又作为位置指令，同时输入光电跟瞄系统位置环和光电跟瞄系统速度环。相比于现有技术中，将控制杆数据作为速度指令输入光电跟瞄速度，将控制杆数据作为角度位置指令输入光电跟瞄系统位置环，可以解决光电跟瞄半自动控制低速平稳性和高速动态响应性之间的矛盾。
进一步地，为了使得光电跟瞄系统视轴以匹配目标运动的速度对目标进行跟瞄，在本方案中，还设置有位置传感器、第二加法器和速度传感器；其中，位置传感器用于获取当前光电跟瞄伺服转台的角度值；第二加法器用于对第一角度值进行修订，速度传感器用于获取当前光电跟瞄伺服转台的角速度值，并根据获取的角速度值对第一角速度值进行修订。
具体的，当位置传感器获取到当前光电跟瞄伺服转台的角度值时，将该角度值传输至第二加法器，第二加法器获取第一角度值和该角度值的差值，以对第一角度值进行修订，从而使得光电跟瞄系统可以低速稳定启动并对目标跟瞄。修订后的第一角度值经位置环控制器处理后，得到修订后的第一角度值；第二加法器用于根据修订后的第一角度值、第二控制数据以及速度传感器获取的当前光电跟瞄伺服转台的角速度值，对原有的第一角度值进行修订，从而克服外界环境带来的扰动，保证低速下视轴运动平稳、无爬行。以下对本方案的工作原理做进一步说明：
当操作人员操控控制杆对目标进行跟瞄时，启动瞬间位置误差较大，控制偏差量增加，此时，控制杆速度数据进入速度环，可补偿启动瞬间控制偏差大的不足，使得可低速稳定启动对目标跟瞄；
在跟瞄的过程中，当目标速度较低，操作员需控制光电跟瞄系统视轴以匹配目标运动的速度对目标进行跟瞄，控制杆直接输入速度环的速度指令很小，扰动对低速平稳性影响较大，此时，由于将控制杆数据进行积分引入位置环，该前向通道增加了一个积分环节，系统无差度进一步提升，从而克服扰动保证了低速下视轴运动平稳、无爬行。
同理，对目标大范围快速搜索时可提高动态响应性能。当快速搜索目标视轴达位时，操作员对控制杆归零操作，此时，速度输入量为零，则积分角度位置停止积分而保持为固定角度值，位置环调节进入稳态，可实现快速、准确达位。
值得说明的是，本申请的技术方案不仅限于光电跟瞄系统，其他需要操作员利用控制杆进行半自动调转的单轴或者多轴伺服平台也可适用，均在本申请的保护范围之内。
使用如上所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统的方法，包括以下步骤：
S1：获取光电跟瞄系统的控制杆数据，并将控制杆数据输入光电跟瞄系统位置环和光电跟瞄系统速度环；
S2：光电跟瞄系统位置环中的控制杆数据依次经位置环积分器和位置环控制器处理后，得到第一角速度值；
S3：获取第二角速度值，并将第二角速度值输入至光电跟瞄系统速度环，第二角速度值依次经速度环控制器和光电跟瞄伺服转台处理后，输出视轴角度；
其中，第二角速度值为第一角速度值与光电跟瞄系统速度环中的控制杆数据之和。
进一步地，在本实施例中，位置环积分器按下式对控制杆数据积分：
θ(k)＝θ(k-1)+ωk·Δt；
其中，ωk为第k次控制杆数据，Δt为积分步长，θ(k)为k次积分后的角度值，θ(k-1)为k-1次积分后的角度值。
位置环控制器内置位置环传递函数，第一角度值经位置环传递函数后，得到第一角速度值；
其中，第一角度值为位置环积分器的输出值，且位置环传递函数为：
Figure BDA0002865054880000061
其中，Φp(s)为光电跟瞄伺服转台位置闭环传递函数；Gvc(s)为速度环控制器，G0(s)为光电跟瞄伺服转台速度环被控对象传递函数；Gpc(s)为位置环控制器；Gvs(s)为速度反馈传感器传递函数。
速度环控制器内置速度环传感函数，第二角速度值经速度环传递函数后，得到第三角速度值，第三角速度值用于输入至光电跟瞄伺服转台；
其中，速度环传感函数为：
Figure BDA0002865054880000071
其中，Φv(s)为光电跟瞄伺服转台速度闭环传递函数。
进一步地，为了使得光电跟瞄系统视轴以匹配目标运动的速度对目标进行跟瞄，在本实施例中，还包括第一反馈步骤和第二反馈步骤，其中，第一反馈步骤包括：
获取第二角度值；其中，第二角度值为当前光电跟瞄伺服转台的角度数据；
获取第三角度值，并将第三角度值传输至位置环控制器；其中，第三角度值为第一角度值与第二角度值之差。
第二反馈步骤包括：
获取第四角速度值，其中，第四角速度值为当前光电跟瞄伺服转台的角速度数据；
获取第五角速度值，并将第五角速度值传输至速度环控制器；其中，第五角速度值为第二角速度值与第四角速度值之差。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，其特征在于，包括控制杆、位置环积分器、位置环控制器、第一加法器、速度环控制器和光电跟瞄伺服转台；
所述位置环积分器按下式对所述控制杆数据积分：
θ(k)＝θ(k-1)+ωk·Vt；
其中，ωk为第k次控制杆数据，Vt为积分步长，θ(k)为k次积分后的角度值，θ(k-1)为k-1次积分后的角度值；
所述位置环控制器内置位置环传递函数，且所述位置环传递函数为：
Figure FDA0003874746950000011
其中，Φp(s)为光电跟瞄伺服转台位置闭环传递函数；Gvc(s)为速度环控制器，G0(s)为光电跟瞄伺服转台速度环被控对象传递函数；Gpc(s)为位置环控制器；Gvs(s)为速度反馈传感器传递函数；Gps(s)为位置反馈传感器传递函数；
所述速度环控制器内置速度环传感函数，且所述速度环传感函数为：
Figure FDA0003874746950000012
其中，Φv(s)为光电跟瞄伺服转台速度闭环传递函数；
当所述控制杆发出第一控制杆数据和第二控制杆数据时，所述第一控制杆数据经所述位置环积分器后，得到第一角度值；所述第一角度值经所述位置环控制器处理后，输出第一角速度值；所述第一角速度值与所述第二控制杆数据经所述第一加法器作用后，得到第二角速度值；所述第二角速度值依次经所述速度环控制器和所述光电跟瞄伺服转台速度环控制器处理后，输出视轴速度；
所述第二角速度值经所述速度环传感函数后，得到第三角速度值，所述第三角速度值用于输入至所述光电跟瞄伺服转台；
其中，所述第一控制杆数据和所述第二控制杆数据相同。
2.根据权利要求1所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，其特征在于，还包括位置传感器和第二加法器；
所述位置传感器，用于获取第二角度值；其中，所述第二角度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角度值；
所述第二加法器，用于获取第三角度值，并将所述第三角度值输入至所述位置环控制器；其中，所述第三角度值为所述第一角度值与所述第二角度值的差值。
3.根据权利要求2所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，其特征在于，还包括速度传感器，所述速度传感器用于获取所述第三角速度值，并将所述第三角速度值输入至所述第一加法器；其中，所述第三角速度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角速度值。
4.基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制方法，使用如权利要求1-3中任意一项所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取光电跟瞄系统的控制杆数据，并将所述控制杆数据输入光电跟瞄系统位置环和光电跟瞄系统速度环；
S2：所述光电跟瞄系统位置环中的所述控制杆数据依次经位置环积分器和位置环控制器处理后，得到第一角速度值；
S3：获取第二角速度值，并将所述第二角速度值输入至所述光电跟瞄系统速度环，所述第二角速度值依次经速度环控制器和光电跟瞄伺服转台处理后，输出视轴角度；
其中，所述第二角速度值为所述第一角速度值与所述光电跟瞄系统速度环中的所述控制杆数据之和。
5.根据权利要求4所述的基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制方法，其特征在于，第一角度值经所述位置环传递函数后，得到所述第一角速度值；其中，所述第一角度值为所述位置环积分器的输出值。
6.根据权利要求4所述基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制方法，其特征在于，还包括第一反馈步骤，所述第一反馈步骤包括：
获取第二角度值；其中，所述第二角度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角度数据；
获取第三角度值，并将所述第三角度值传输至所述位置环控制器；其中，所述第三角度值为所述第一角度值与所述第二角度值之差。
7.根据权利要求4所述基于控制杆数据的光电跟瞄半自动复合控制方法，其特征在于，还包括第二反馈步骤，所述第二反馈步骤包括：
获取第四角速度值，其中，所述第四角速度值为当前所述光电跟瞄伺服转台的角速度数据；
获取第五角速度值，并将所述第五角速度值传输至所述速度环控制器；其中，所述第五角速度值为所述第二角速度值与所述第四角速度值之差。
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