CN113848995B - 一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法。该方法将陀螺信号和电视脱靶量信号进行融合,精确获取跟踪回路的目标跟踪误差及扰动抑制残差。获取的融合信号df即为前馈信号,通过高带宽的反射镜将融合后的扰动进行校正,提高系统的扰动抑制能力。同时目标跟踪误差信号通过前馈校正,提高系统的目标跟踪能力。本发明充分利用速率陀螺信息以及电视脱靶量信息,避免了陀螺低频漂移和电视高频采样不足的问题。不需要添加额外传感器,不需要建立控制对象等效模型,结构简单,工程容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及惯性稳定控制领域,具体涉及一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法。
背景技术
运动平台光电跟踪系统的扰动抑制能力直接影响系统的目标跟踪精度,真实系统所受扰动情况十分复杂,虽然通过传感器反馈闭环的系统具有扰动抑制能力,但由于被控对象的惯性大、存在低频机械谐振等原因,扰动抑制带宽低,所以如何在保证跟踪能力的前提下,获取扰动残差并通过高带宽反射镜进行扰动抑制成为技术关键。针对以上问题,本发明提出一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法,首先该方法充分利用速率陀螺良好的中高频特性和电视良好的低频特性,通过简单的滤波器获取全频段的扰动并实现扰动抑制;其次该方法能够同时提升系统的目标跟踪能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题为:提出一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法,主要通过获取惯性传感器速率陀螺信号和电视脱靶量信号,再将融合信号前馈到反射镜的方法解决光电跟踪系统扰动抑制能力不足的问题,并同时提升系统的目标跟踪能力。
本发明采用的技术方案为:一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法,该方法包括如下步骤:
步骤一、将粗电视安装在光电跟踪系统的机架的镜筒上,电视脱靶量信号用于位置回路闭环;
其中,HCV=Cv(s)G1(s),G1(s)为机架的真实速度特性;Cv(s)为速度回路控制器;G(s)为速度回路闭环特性;
步骤二、将角速率陀螺的测量信号高通滤波后进行积分;
因为目标信号为低频信号,经过高通滤波器后的目标信号约为0,即R(s)Gh(s)≈0,则得到,
其中,Gh(s)为高通滤波器;R(s)为跟踪回路目标信号;
步骤三、对电视脱靶量信号进行低通滤波处理,得到低频的目标信号和扰动信号;所述低通滤波与所述高通滤波互补;
其中,电视脱靶量信号为:
则得到,
步骤四、将步骤二和步骤三中得到的信息进行融合,得到经跟踪回路扰动抑制之后的扰动残差和目标脱靶量误差的融合信号df,即为:
步骤五、将融合信号df作为前馈信号,通过前馈控制器前馈到高带宽的反射镜,整个系统的输出为其中,Y为加入融合信号前馈控制系统的输出;Y1为跟踪回路输出;Y2为前馈通道输出;C1(s)为前馈控制器;M(s)为反射镜特性;
上述技术方案中,无前馈控制系统的扰动抑制能力为:加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力为:/>一般设计C1(s)M(s)带宽大于100Hz,在100Hz内有C1(s)M(s)≈1,则加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力大于无前馈控制系统的扰动抑制能力。其中,YD 1(s)为无前馈控制系统的扰动抑制能力;YD 2(s)为加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力。加入前馈控制后,全系统的目标跟踪传递函数为:/>系统对目标跟踪误差的传递函数为:/>一般目标的运动频率低于0.1Hz,则其中,YR 2(s)为加入融合信号前馈控制后系统目标跟踪的传递函数;ER 2(s)为加入融合信号前馈控制后系统跟踪误差的传递函数。而无前馈控制系统目标跟踪的传递函数为:/>即系统对目标跟踪误差的传递函数为:/>其中,YR 1(s)为无前馈控制系统目标跟踪的传递函数;ER 1(s)为无前馈控制系统的跟踪误差传递函数。则在低通滤波器Gl(s)的带宽内,加入融合信号前馈控制的系统目标跟踪能力大于无前馈控制的系统。
进一步的,步骤四中低通滤波器设计的截止频率,应考虑电视脱靶量信号受延时影响后,在目标运动频段处,滤波器的相位滞后量很小,可提高系统的目标跟踪能力。
进一步的,步骤二和步骤三中,高通与低通滤波器设计为互补滤波器,即保证获得的扰动信号为全频段信号,并且应根据实际角速率陀螺和电视特性进行频率点设计,避免陀螺信号低频漂移和电视信号高频采样不足。
本发明与现有方法相比具有如下优点:
(1)本发明通过获取并利用惯性传感器中的高频信息,避免了惯性传感器低频漂移的问题,通过获取并利用电视传感器中的低频信息,避免了电视传感器高频采样能力不足的问题,并通过信号融合获得传感器能够感测到的全频段扰动和目标跟踪误差,在提高系统的扰动抑制能力的同时,提高系统的目标跟踪能力。
(2)本发明结构简单,易于实现。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图;
其中,1为设备机架,2为俯仰轴,3为方位轴,4为速率陀螺A,5为速率陀螺E,6为反射镜,7为粗电视;
图2是本发明的控制结构图;
其中,G1(s)为机架的真实速度特性;Cv(s)为跟踪速度回路控制器;Cp(s)为跟踪位置回路控制器;u(s)为角速率陀螺信号;E(s)为电视脱靶量信号;为粗电视延时环节;Gl(s)为低通滤波器;Gh(s)为高通滤波器;df为融合信号;C1(s)为前馈控制器;M(s)为反射镜特性;R(s)为跟踪回路输入信号;Y(s)为系统的输出;D(s)扰动输入;
图3是本发明的有无融合信号前馈控制系统的扰动抑制伯德图;
图4是本发明的有无融合信号前馈控制系统的目标跟踪误差伯德图;
图5是本发明的有无融合信号前馈控制系统对目标1的跟踪误差对比图;
图6是本发明的有无融合信号前馈控制系统对目标2的跟踪误差对比图;
图7是本发明的单频扰动频率为0.1Hz时有无融合信号前馈控制系统的扰动抑制对比图;
图8是本发明的单频扰动频率为0.5Hz时有无融合信号前馈控制系统的扰动抑制对比图;
图9是本发明的单频扰动频率为23.5Hz时有无融合信号前馈控制系统的扰动抑制对比图;
图10是本发明在运动平台进行目标跟踪时,有无融合信号前馈控制系统的目标跟踪误差与扰动抑制对比仿真图;
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明,本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。
图1为本发明系统结构示意图;在光电跟踪系统的机架的方位轴和俯仰轴上分别安装角速率陀螺A、E,感测系统的角速度,用于速度回路闭环。在机架上安装粗电视,其视轴与机架指向同向,获取目标位置误差,用于位置回路闭环。
图2为本发明的控制结构图,其呈现了本发明所述的一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法的工作原理,该方法包括如下步骤:
步骤一、电视安装在机架镜筒,电视脱靶量信号用于位置回路闭环。角速率陀螺A、E安装在机架设备的方位轴和俯仰轴上,角速率陀螺数据用于速度回路闭环反馈,其回路的闭环特性为:其中,HCV=Cv(s)G1(s),G1(s)为机架的真实速度特性;Cv(s)为速度回路控制器;G(s)为速度回路闭环特性。速度回路对扰动抑制之后的扰动残差为:其中D'(s)为扰动D(s)经速度回路抑制之后的等效残差。
步骤二、角速率陀螺测量的信息为:u(s)=HCPE(s)+D'(s);其中:u(s)为角速率陀螺信号;Cp(s)为位置回路控制器;E(s)为电视脱靶量信号;τ1为电视传感器延迟时间;将陀螺信号高通滤波后进行积分,因为目标信号为低频信号,设计合理的高通滤波器,经过高通滤波器后的目标信号约为0,即R(s)Gh(s)≈0;则:
步骤四、将步骤二和步骤三中的信号进行融合,得到经跟踪回路扰动抑制之后的扰动残差和目标脱靶量误差的融合信号df,即为:
由于电视传感器的延时环节/>在低频段相位滞后小,频率越高相位滞后越大,延时环节的相频特性为:/>其中/>为相位裕量损失,τ为延迟时间,f为频率。合理设计低通滤波器的截止频率,使得延时在低频段的相位滞后很小时,则:
步骤五、将信号df作为前馈信号,通过前馈控制器前馈到高带宽的反射镜,整个系统的输出为其中,Y为加入融合信号前馈控制系统的输出;Y1为跟踪回路输出;Y2为前馈通道输出;C1(s)为前馈控制器;M(s)为反射镜特性;
所述跟踪回路输出Y1为:前馈通道输出信号为:/>无前馈控制系统的扰动抑制能力为:/>加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力为:/>一般设计C1(s)M(s)带宽大于100Hz,在100Hz内有C1(s)M(s)≈1,则加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力大于无前馈控制系统的扰动抑制能力。其中,YD 1(s)为无前馈控制系统的扰动抑制能力;YD 2(s)为加入融合信号前馈控制系统的扰动抑制能力。加入前馈控制后,全系统的目标跟踪传递函数为:
系统对目标跟踪误差的传递函数为:
一般目标的运动频率低于0.1Hz,则,其中,YR 2(s)为加入融合信号前馈控制后系统目标跟踪的传递函数;ER 2(s)为加入融合信号前馈控制后系统跟踪误差的传递函数。而无前馈控制系统目标跟踪的传递函数为:/>即系统对目标跟踪误差的传递函数为:/>其中,YR 1(s)为无前馈控制系统目标跟踪的传递函数;ER 1(s)为无前馈控制系统的跟踪误差传递函数。则在低通滤波器Gl(s)的带宽内,加入融合信号前馈控制的系统目标跟踪能力大于无前馈控制的系统。
其中,步骤二中低通滤波器设计的截止频率,应考虑电视脱靶量信号受延时影响后,在目标运动频段处,滤波器的相位滞后量很小,可提高系统的目标跟踪能力。
其中,步骤二和步骤三中,高通与低通滤波器设计为互补滤波器,即保证获得的扰动信号为全频段信号,并且应根据实际角速率陀螺和电视特性进行频率点设计,避免陀螺信号低频漂移和电视信号高频采样不足。
下面进一步说明本发明所述方法的具体实施例。
(1)系统特性由频响仪测得,通过拟合,设机架速度特性传递函数为:
(2)设计互补的高通与低通滤波器,电视延迟时间3/50s时,延时相频特性为:而目标的运动频率在零点零几赫兹,根据延时对低通滤波器相位的影响,以及高通滤波器对低频信号的抑制效果,即高通滤波器的截止频率越低,对运动目标信号的抑制越不明显,设计互补滤波器的截止频率约为2Hz。高通与低通滤波器的标准形式为:其中的G0为滤波器的通带增益或零频增益,ωn为二阶滤波器的自然角频率,ξ为2阶滤波器的阻尼系数,由此设计高通滤波器为:设计低通滤波器为:/>此时在目标运动频率0.05Hz处,低通滤波器相位滞后1度,1Hz处相位滞后21.6度。由于经过低通滤波器的扰动信号为负,所以陀螺信号经过高通滤波器,再经积分器后需要与其相减进行融合。融合后的信号经过前馈控制器即为前馈信号。
通过本发明中的方法获取陀螺信号与电视信号后融合扰动信息,后利用快反镜进行扰动抑制的结果如图3所示。由图3可知,无前馈控制系统的扰动抑制带宽只有26.5Hz,加入融合信号前馈控制后的系统的扰动抑制带宽为114Hz,在扰动抑制带宽内扰动抑制能里均有提高,低频段提高大于40dB,并且在23.5Hz频率处的扰动抑制能力提高了46.6dB。有无前馈控制系统目标跟随误差伯德图如图4,由于低通滤波器带宽的影响,在小于1.5Hz处,系统的目标跟踪能力均有所提高,目标跟踪带宽由原来的0.36Hz提高到1.45Hz。在0.05Hz处提高了21dB。一般情况下,目标运动等效正弦的频率并不高,一般小于0.1Hz。图5为系统无扰动时,对目标1速度为30°/s,加速度为10°/s2的等效正弦运动频率为0.05Hz的跟踪误差对比,目标跟踪能力提升了11.4倍。图6为系统无扰动时,对目标2线速度为100m/s,航捷距离为400m时的跟踪误差对比,无前馈控制系统跟踪误差峰值为10.28分,本发明方法的跟踪误差为0.9分,目标跟踪能力提升了11.4倍。图7-图9为系统不进行目标跟踪时,加入扰动频率分别为0.1Hz、0.5Hz和23.5Hz时系统的扰动抑制对比,系统的扰动抑制能力分别提高了75倍、14倍和140倍。运动平台加入扰动信号后的系统的目标跟踪仿真图如图10所示,跟踪误差信号的RMS由原来的98.6微弧度降低到20.8微弧度。扰动抑制效果和目标跟随效果说明了本发明的有效性。
尽管本说明书已经图示和描述了具体的实施实例,但本领域技术人员应该理解,在不背离本发明的范围的情况下,各种替换或等同实现都可以替代所示和所描述的这些具体实施实例。本发明旨在覆盖任何改变和本发明所讨论的各种具体实施实例。因此本发明仅由权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法,应用于光电跟踪系统,其特征在于:该方法包括如下步骤:
步骤一、将粗电视安装在光电跟踪系统机架的镜筒上,粗电视脱靶量信号用于位置回路闭环;
其中,HCV=Cv(s)G1(s),G1(s)为机架的真实速度特性;Cv(s)为速度回路控制器;G(s)为速度回路闭环特性;
其中,D'(s)为扰动D(s)经速度回路抑制之后的等效残差,s为拉普拉斯算子;
步骤二、将角速率陀螺的测量信号高通滤波后进行积分;
所述角速率陀螺的测量信号为:u(s)=HCPE(s)+D'(s);
因为目标信号为低频信号,经过高通滤波器后的目标信号约为0,即R(s)Gh(s)≈0,则得到,
其中,Gh(s)为高通滤波器;R(s)为跟踪回路目标信号;
步骤三、对粗电视脱靶量信号进行低通滤波处理,得到低频的目标信号和扰动信号;所述低通滤波与所述高通滤波互补;
其中,粗电视脱靶量信号为:
则得到,
步骤四、将步骤二和步骤三中得到的信息进行融合,得到经跟踪回路扰动抑制之后的扰动残差和目标脱靶量误差的融合信号df,即为:
步骤五、将所述融合信号df作为前馈信号,通过前馈控制器前馈到高带宽的反射镜,整个系统的输出为其中,Y为加入融合信号前馈控制系统的输出;Y1为跟踪回路输出;Y2为前馈通道输出;C1(s)为前馈控制器;M(s)为反射镜特性;
所述跟踪回路输出Y1为:
所述前馈通道输出Y2为:
3.根据权利要求1所述的一种基于信息融合的运动平台高精度扰动抑制和目标跟踪方法,其特征在于:
步骤二和步骤三中,高通与低通滤波器为互补滤波器,并且根据实际角速率陀螺和粗电视特性进行频率点设计。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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