CN114115229B - 一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法，属于光电探测领域；当外俯仰框未达到过顶位置时，外方位框能够正常跟随内方位框，外俯仰框能够正常跟随内俯仰框；当外俯仰框转到过顶位置时，外俯仰框保持正常跟踪内俯仰框；外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，内方位框在‑6度至+6度范围内对目标持续跟踪；当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框。本发明解决了两轴四框架光电吊舱在俯仰轴转到89度至91度之间“过顶”位置时，吊舱外方位框架不能够补偿内方位框架角度差，从而导致无法正常跟踪的问题。

Description

一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，具体涉及一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法。

背景技术

两轴四框架光电吊舱由外方位框、外俯仰框、内方位框、内俯仰框4个框架组成，其中外方位框、内方位框可绕方位轴转动，外俯仰框、内俯仰框可绕俯仰轴转动。两轴四框架光电吊舱结构剖面图如图1所示，四个框架的转动方向如图2所示：

外方位框：整个球体相对于安装盘绕Y轴旋转。

外俯仰框：整个球体相对于安装盘绕X轴旋转。

内方位框：稳定平台相对于球体绕Y轴旋转，转动范围-6度至+6度。

内俯仰框：稳定平台相对于球体绕X轴旋转，转动范围-6度至+6度。

外方位框和内方位框之间的相对角度由方位码盘测量，外俯仰框和内俯仰框之间的相对角度由俯仰码盘测量。方位码盘和俯仰码盘的左右电限位对称，并设计在机械限位以内，当内框转动到左右机械限位中间位置时，码盘反馈值为零度。

由于内方位框和内俯仰框的转动只有-6度至+6度范围，为了实现光电吊舱的大范围转动，伺服控制策略是外方位框跟随内方位框，外俯仰框跟随内俯仰框，使稳定平台始终保持在内方位框和内俯仰框运动范围的中心位置(0度位置)，控制策略原理图如图3所示。

过顶位置是指光电吊舱外俯仰框转到89度至91度位置处，此时镜头指向正下方。内方位框的转动方向由稳定平台相对于球体绕Y轴旋转变成了绕Z轴旋转，此时内方位框的转动方向和外方位框的转动方向正交，外方位框无法跟随内方位框转动，导致在过顶位置时光电吊舱无法在方位方向保持对目标的持续观察和跟踪。

两轴四框架光电吊舱正常跟踪状态如下：内方位框和内俯仰框根据图像处理板的偏差反馈，实时跟踪目标。外框根据内框的码盘反馈角度偏差，实时跟随内框，并保持内框码盘角度为零，从而实现了系统的跟踪功能。

当外俯仰框架转动到过顶位置时，内方位框的转动方向和外方位框的转动方向正交，外方位框无法跟随内方位框转动，从而使光电吊舱无法在过顶位置持续对目标进行观察和跟踪。

现有解决光电吊舱过顶跟踪的方法一般如下：

1、限制俯仰轴的转动范围，当目标运动到光电吊舱正下方时，俯仰只转动到89度位置，不再继续往过顶位置(89度至91度)转动，此时短暂解除对目标的跟踪，将方位轴调转180度，在另一侧重新捕获目标，恢复对目标的跟踪。此方法的缺点是存在2度范围的跟踪盲区，限制了光电吊舱的持续跟踪侦察范围。且如果在方位轴调转180度的过程中，目标往回折返运动，光电吊舱将无法重新捕获目标。

2、光电吊舱设计成三轴架构，增加一个绕X轴转动的横滚框。在过顶位置使用横滚框去跟随内方位框，能够消除跟踪盲区，实现对目标的持续跟踪。此方法的缺点是会增加一个稳定轴，系统的结构、电气、成本、复杂度和重量都将大大增加。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法，当目标进入过顶位置后(俯仰角在89度至91度之间)，外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框。内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪,解决了两轴四框架光电吊舱的过顶跟踪盲区问题.

本发明的技术方案是：一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法,其特征在于具体步骤如下：

步骤一：当外俯仰框未达到过顶位置时，即俯仰角小于89度，外方位框能够正常跟随内方位框，外俯仰框能够正常跟随内俯仰框；

步骤二：当外俯仰框转到过顶位置时，即俯仰角在89度至91度之间，外俯仰框保持正常跟踪内俯仰框；外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪；

步骤三：当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框。

本发明的进一步技术方案是：整个跟踪过程中，俯仰轴系都保持正常跟踪；

内俯仰框的驱动量为：

外俯仰框的驱动量为：

其中T_y为俯仰方向跟踪偏差，θ_y为内俯仰框和外俯仰框之间的角度差，K_p、T_i、T_d为PID参数。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，当目标进入过顶位置前，即俯仰角小于89度，外方位框跟随内方位框，外俯仰框跟随内俯仰框时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中T_x为方位方向跟踪偏差，θ_x为内方位框和外方位框之间的角度差。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，当目标进入过顶位置后，即俯仰角在89度至91度之间，外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框；内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中θ_x′为外方位框相对于安装盘的角度，θ₀为目标进入过顶位置时外方位框相对于安装盘的角度。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明在不增加结构、电气复杂度的情况下，设计了一种伺服控制算法，通过调整内外方位框的状态，解决了两轴四框架光电吊舱在俯仰轴转到89度至91度之间“过顶”位置时，吊舱外方位框架不能够补偿内方位框架角度差，从而导致无法正常跟踪的问题。能够对运动到光电吊舱正下方的目标进行持续观察和跟踪，保证了光电吊舱的探测范围。

由于载机飞行高度较高，对地观测时-6度至+6度转动范围下对地覆盖区域可达几公里，由于载机飞行速度远超地面目标运动速度，载机和目标的相对位置关系能确保目标很快离开过顶区域，本发明设计的过顶盲区跟踪算法能满足记载光电吊舱对地面目标的观测要求。

附图说明

图1两轴四框架光电吊舱示意图；

图2光电吊舱角度反馈坐标系设置图；

图3外框架跟随内框架原理图；

图4两轴四框架光电吊舱过顶跟踪流程图；

图5外框方位锁定在过顶角度原理图；

附图标记说明：1.内方位码盘固定部分，2.内框左机械限位，3.内方位码盘转动部分，4.内框右机械限位，5.内俯仰码盘固定部分，6.内俯仰码盘转动部分，7.安装盘。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-4所示，本发明一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法为：

(1)外俯仰框未达到过顶位置时，外方位框能够正常跟随内方位框，外俯仰框能够正常跟随内俯仰框；

(2)外俯仰框转到过顶位置时，外俯仰框能够正常跟踪内俯仰框，外方位框无法跟随内方位框；

(3)过顶后，外方位框锁定在当前位置，不再跟随内方位框，原理图参见图5所示；

(4)过顶后，内方位框在正负6度的运动范围内，保持稳定平台对目标的持续观察和跟踪；

(5)当目标持续运动到过顶位置之外，外方位框恢复正常跟随内方位框。

针对一个运动轨迹覆盖光电吊舱前方、正下方、后方的典型目标，本发明设计的伺服控制算法为：

1、整个跟踪过程中，俯仰轴系都保持正常跟踪；

内俯仰框的驱动量为：

外俯仰框的驱动量为：

其中T_y为俯仰方向跟踪偏差，θ_y为内俯仰框和外俯仰框之间的角度差，K_p、T_i、T_d为PID参数。

2、当目标进入过顶位置前(俯仰角小于89度)，外方位框跟随内方位框，外俯仰框跟随内俯仰框。

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中T_x为方位方向跟踪偏差，θ_x为内方位框和外方位框之间的角度差。

3、当目标进入过顶位置后(俯仰角在89度至91度之间)，外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框。内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪。

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中θ_x′为外方位框相对于安装盘的角度，θ₀为目标进入过顶位置时外方位框相对于安装盘的角度。

4、当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框。

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法,其特征在于具体步骤如下：

步骤一：当外俯仰框未达到过顶位置时，即俯仰角小于89度，外方位框能够正常跟随内方位框，外俯仰框能够正常跟随内俯仰框；

步骤二：当外俯仰框转到过顶位置时，即俯仰角在89度至91度之间，外俯仰框保持正常跟踪内俯仰框；外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪；具体方法如下：

当目标进入过顶位置后，即俯仰角在89度至91度之间，外方位框锁定在当前角度，不再跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框；内方位框在-6度至+6度范围内对目标持续跟踪时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中θ_x'为外方位框相对于安装盘的角度，θ₀为目标进入过顶位置时外方位框相对于安装盘的角度；

步骤三：当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框；具体方法如下：

当目标继续向前运动到俯仰角大于91度位置后，或目标往回折返运动到俯仰角小于89度位置后，外方位框恢复跟随内方位框，外俯仰框保持跟随内俯仰框时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

2.根据权利要求1所述两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法,其特征在于：整个跟踪过程中，俯仰轴系都保持正常跟踪；

内俯仰框的驱动量为：

外俯仰框的驱动量为：

其中T_y为俯仰方向跟踪偏差，θ_y为内俯仰框和外俯仰框之间的角度差，K_p、T_i、T_d为PID参数。

3.根据权利要求1所述两轴四框架光电吊舱过顶跟踪盲区的方法,其特征在于：所述步骤一中，当目标进入过顶位置前，即俯仰角小于89度，外方位框跟随内方位框，外俯仰框跟随内俯仰框时：

内方位框的驱动量为：

外方位框的驱动量为：

其中T_x为方位方向跟踪偏差，θ_x为内方位框和外方位框之间的角度差。