CN112946879B - 一种双滚转跟踪去耦控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种双滚转跟踪去耦控制方法，步骤如下：S1计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影；S2计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；S3计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影；S4将该速度作为负反馈，闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动，实现去耦。利用惯组测量的弹体姿态信息进行去耦解算，无需成像系统内部安装惯性测量元件。相对于框架式产品，双滚转结构上不需要安装速率陀螺等测量元件，既减轻了重量，也减小了制造成本，满足现代产品小型化设计需求。

Description

一种双滚转跟踪去耦控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种双滚转跟踪去耦控制方法及系统，属于控制系统技术领域。

背景技术

目前常用的位标器结构主要有双框架结构、滚仰式结构等，光学系统随框架一起运动。这种结构的位标器重量偏大，相应的电机需要较大力矩，尺寸偏大，很难实现小型化设计，不符合未来武器领域小型化、复合型、高性能的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双滚转跟踪去耦控制方法及系统，步骤如下：S1计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影；S2计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；S3计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影；S4将该速度作为负反馈，闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动，实现去耦。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种双滚转跟踪去耦控制方法，用于双滚转控制回路中，双滚转即为组合在一起的两个光楔，包括以下步骤：

计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影；

计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；

利用两个光楔的滚转角，计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影；

将旋转角速度在成像系统系的投影作为速度反馈，闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动，实现去耦。

上述双滚转跟踪去耦控制方法，优选的，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影为：

式中：r为弹上惯组测得的弹体滚转角；

y为弹上惯组测得的弹体偏航角；

p为弹上惯组测得的弹体俯仰角；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影。

上述双滚转跟踪去耦控制方法，优选的，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影为：

式中：

为弹体系相对于惯性空间的转换矩阵；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影。

上述双滚转跟踪去耦控制方法，优选的，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影为：

为弹体系到成像系统系的转换矩阵；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行上述双滚转跟踪去耦控制方法。

一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储计算机程序指令；

其中当所述计算机程序指令由所述处理器加载并运行时，所述处理器执行上述双滚转跟踪去耦控制方法。

一种双滚转跟踪去耦控制系统，其特征在于，在控制系统中引入速度环校正模块，用于计算速度反馈量，速度反馈量用于闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动；

所述速度反馈量采用上述双滚转跟踪去耦控制方法。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)利用惯组测量的弹体姿态信息进行去耦解算，无需成像系统内部安装惯性测量元件。相对于框架式产品，双滚转结构上不需要安装速率陀螺等测量元件，既减轻了重量，也减小了制造成本，满足现代产品小型化设计需求。

(2)双滚转机构位标器没有复杂的光路，不存在光学组件随框架旋转而引起像斑旋转的问题，无需进行复杂的坐标补偿。

(3)本发明中的双滚转跟踪去耦控制方法是在原有的控制器中增加了速度回路，和原有的控制器分开设计，不会相互影响。

附图说明

图1为双光楔光路示意图；

图2为去耦控制原理图；

图3为弹体频率为3°/1Hz，沿Y方向摆动；

图4为弹体频率为3°/1Hz，沿Z方向摆动。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明是基于小型双滚转机构位标器，突破小型复合成像系统技术，开展新一代产品研究，适应未来发展趋势，满足未来复杂环境下小型化强对抗作战需求。双滚转机构位标器，与现有技术相比，具有结构简单，控制规律经典、灵活等优点，且偏转角度足够大，满足产品小型化设计需求的同时，具有足够大的跟踪场。双滚转即为两个光楔组合在一起。光楔为折射角α很小的棱镜，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间形成一个夹角设为δ。双光楔为折射角均为α的两个光楔以不同的角度放置在一起。位标器的每个光楔组件分别由镜筒、轴承组、电机和一个码盘组成。通过控制双光楔的相对运动和同向运动，可实现对空间任意目标的跟踪控制。如图1所示。

去耦能力是产品的一个重要指标，只有隔离了外壳的抖动，才能保证产品光轴的稳定指向。当产品受外力作用发生抖动时，双滚转机构会跟随产品一起摆动，引起光轴晃动，空间指向不稳。为提高产品的去耦能力，采用半捷联方式，即在产品上安装一小型惯组，与壳体固联，实时敏感产品姿态的变化。安装在壳体上的惯组会敏感到产品姿态的变化，利用惯组信息获得产品的速度，经坐标转换等数学运算，将产品姿态的变化转换到成像系统系下，将其引入到成像系统控制回路中，形成速度回路，控制电机转动，带动滚转机构反向运动，消除弹摆对成像系统光轴的影响，实现对目标的稳定跟踪，达到去耦效果。

本发明是对一种双滚转结构位标器采用半捷联的方式实现弹摆去耦的跟踪控制方法，位标器结构简单，满足产品小型化设计需求，去耦控制方法巧妙、应用便捷。

下面详细说明本发明的具体实施方式。

(1)双光楔原理

折射角α很小的棱镜称为光楔，当光线进入光楔时光线发生折射，入射角和出射角之间的偏转角设为δ，则偏转角δ满足下列公式。

δ＝(n-1)α…………………………………(1)

式中：n——光楔的折射率。

双光楔即为偏转角均为δ的两个光楔以不同的角度放置在一起。双光楔结构的入射光线和出射光线之间的夹角由下式获得。

式中：δ——单光楔入射光线和出射光线之间夹角，即偏转角或折射角；

x——两光楔之间的夹角，0≤x＜180°；

y——双光楔出射角，0≤y＜2δ。

当两个光楔平行同向放置时，此时双光楔所产生的偏转角最大为2δ。当其中一个光楔绕中心轴旋转180°时，光线偏转角为0。当两个光楔处于任意位置放置时，所产生的光线偏转角在0～2δ之间。

当两光楔相对位置固定后，两光楔同时同向或反向绕中心轴旋转时，将形成一个固定偏转角的空间光轴角。

(2)坐标系定义

a.惯性坐标系OX_IY_IZ_I

惯性坐标系定义为北天东，即X_I朝北，Y_I朝天，Z_I朝东。

b.弹体坐标系OX_BY_BZ_B

弹体坐标系定义：OX_B为沿弹体纵轴，指向弹头为正。OY_B在弹体对称平面内，垂直OX_B轴，向上为正。OZ_B和OX_B轴与OY_B轴符合右手定则。

c.成像系统坐标系OX_DY_DZ_D

成像系统坐标系定义：OX_D为成像系统光轴，OY_D为成像系统俯仰轴，OZ_D为成像系统偏航轴。

d.位标器坐标系OX_SY_SZ_S：

位标器坐标系定义：当两个光楔同时同向运动时，可实现成像系统光轴在空间的圆锥运动，当两个光楔同时反向运动时，可实现成像系统光轴的不同张角的运动。两个光楔的相对运动等效于光轴的俯仰运动，两个光楔的同向运动等效于光轴的滚转运动。

因此，定义OX_S为与双滚转机构的滚转轴固连，OZ_S轴和等效的光轴俯仰轴固连，方向沿径向向外。OY_S轴和OX_S轴与OZ_S轴符合右手定则。

(3)去耦控制方法

安装在弹体上的惯组敏感到弹体相对于惯性空间的角速度在惯性空间的投影，而去耦控制要求的是弹体相对于惯性空间的角速度在成像系统系下的投影。得到该速度后，将其引入到成像系统控制回路中，形成速度回路，参与成像系统的闭环控制，消除弹摆对成像系统光轴的影响，实现对目标的稳定跟踪。

a.弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影

假设惯组的敏感轴与弹体坐标系的三个轴重合，则惯组的输出弹体相对于惯性空间的旋转角速度。弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影即为：

式中：r——惯组测得的弹体滚转角；

y——惯组测得的弹体偏航角；

p——惯组测得的弹体俯仰角；

——弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影。

b.弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影

由惯组测得的弹体在惯性空间的姿态信息等，获得弹体系相对于惯性空间的转换矩阵，取逆变换后得到惯性空间到弹体系的转换矩阵，进而得到弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影。

式中：

——弹体系相对于惯性空间的转换矩阵；

——弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；

ω_x、ω_y、ω_z——弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系投影的三个分量。

c.弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影

通过两个光楔的同向运动和相对滚转，形成光轴的等效俯仰角和滚转角。以弹体坐标系为基准，以角速度

绕OX_D轴旋转γ_s角，再以角速度

绕中间轴旋转θs角，获得成像系统坐标系。则弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影为：

式中：γ1、γ2——两个光楔的滚转角；

——为弹体系到成像系统系的转换矩阵；

——弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影；

——单光楔入射光线和出射光线之间夹角，即偏转角或折射角。

d.将该速度作为速度反馈，闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动，实现去耦。详细过程如附图2。

探测器测得目标在探测平面的位置后输出到指令解算模块，与滚转、俯仰框架角经指令解算模块，输出滚转和俯仰指令，该指令经位置环校正后，与弹体扰动引起的速度经数学平台解算后合成，进入速度校正环节，经功放后带动电机旋转，框架偏转，形成闭环回路，最终消除产品的光轴误差。

(4)测试结果

对弹体摆动解耦算法在五轴台上进行测试，测试时弹体以固定速度摆动，即控制转台使弹体以3°/1Hz的频率分别沿Y方向和Z方向摆动，测试结果如图3弹体频率为3°/1Hz沿Y方向摆动(其中3a为视线角速度Y，3b为视线角速度Z)；图4弹体频率为3°/1Hz沿Z方向摆动(其中4a为视线角速度Y，4b为视线角速度Z)。

由实测的曲线可看出，当弹体分别沿Y方向、Z方向以3°/1Hz的速度摆动时，产品输出视线角速度的幅值在±0.3°/s之间，去耦系数为2.1％。测试结果表明，采用半捷联解耦算法能够有效去除弹体摆动对光轴的影响，保证在扰动的作用下保持对目标的稳定跟踪，为半捷联产品控制系统的设计提供参考。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种双滚转跟踪去耦控制方法，其特征在于，用于双滚转控制回路中，双滚转即为组合在一起的两个光楔，包括以下步骤：

计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影；

计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；

利用两个光楔的滚转角，计算弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影；

将旋转角速度在成像系统系的投影作为速度反馈，闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动，实现去耦。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影为：

式中：r为弹上惯组测得的弹体滚转角；

y为弹上惯组测得的弹体偏航角；

p为弹上惯组测得的弹体俯仰角；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影为：

式中：

为弹体系相对于惯性空间的转换矩阵；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在弹体系的投影；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在惯性系的投影。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影为：

为弹体系到成像系统系的转换矩阵；

为弹体相对于惯性空间的旋转角速度在成像系统系的投影。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在由处理器加载并运行时，使所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。

6.一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，用于存储计算机程序指令；

其中当所述计算机程序指令由所述处理器加载并运行时，所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述的方法。

7.一种双滚转跟踪去耦控制系统，其特征在于，在控制系统中引入速度环校正模块，用于计算速度反馈量，速度反馈量用于闭环到双滚转控制回路中，抵消弹体摆动引起的光轴晃动；

所述速度反馈量采用如权利要求1至4中任一项所述的方法。

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