CN114815867A - 一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法 - Google Patents

一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法 Download PDF

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王先华
张黎明
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    • G05D1/0808—Control of attitude, i.e. control of roll, pitch, or yaw specially adapted for aircraft
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Abstract

本发明提供一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，涉及光学遥感卫星在轨场地定标点光源参照目标领域。该发明基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，包括：建立路径跟踪控制模型；根据离散系统状态空间模型关系，建立系统状态空间模型；结合路径跟踪角速度模型和系统状态空间模型得到点光源转台路径跟踪模型；根据点光源转台路径跟踪模型采用轨迹分段线性化控制，将非线性运动目标轨迹进行线性化处理实现有效的非线性跟踪与控制，设计编码器状态观测反馈值作为反馈状态观测器的控制器，利用天文算法计算期望值，解决现有的跟踪控制方法没有对点源目标路径进行跟踪控制建模导致精度不高的问题。

Description

一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及光学遥感卫星在轨场地定标点光源参照目标技术领域，具体为一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法。
背景技术
随着信息技术的日新月异，我国卫星遥感技术已向地球整体观测和多星组网观测发展，逐步形成立体、多维、高中低分辨率相结合的全球综合观测能力，逐渐深入到国民经济、社会生活与国家安全的各个方面，尤其是高分辨率对地观测系统对于提高我国自主对地观测信息获取能力、保障国家安全、增强综合国力具有重要战略意义。在全球遥感定量化应用日趋发展的形势下，提高卫星数据遥感定量化应用水平越来越迫切，同时也对遥感器辐射定标的精度提出了更高的要求。实时评价遥感器辐射光学特性，及时发现并修正遥感器辐射响应，在遥感器全寿命周期进行辐射定标成为遥感信息定量化过程不可或缺的重要环节。
场地替代定标由于不受空间环境和卫星状态的影响，且考虑了大气传输和环境影响，能够完成在轨遥感器的真实性检验和模型的正确性检验而得到了快速发展。点光源作为高空间分辨率卫星场地替代定标设备中的一种，以轻、小型及优异的光学特性，布设机动灵活，便于移动，同时可以方便改变反射镜的数量实现不同能级梯度的点光源在轨辐射定标和MTF检测而得到了较广泛的应用。而点光源设备布设于辐射定标场地，需要对其几何标校才能提高指向精度应用于辐射定标实验，常规的单点标校方法简单易行，但是标校精度不高直接影响指向精度，只有考虑系统综合误差情况下建立几何模型进行多点标校，才能进一步提高系统指向精度，而标校结果的验证需要高精度跟踪控制作为前提保障。
现有的跟踪控制方法均没有对点源目标路径进行跟踪控制建模，而是采用了传统的跟踪控制方法，精度不高。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，解决现有的跟踪控制方法没有对点源目标路径进行跟踪控制建模导致精度不高的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，包括：
建立路径跟踪控制模型；
根据离散系统状态空间模型关系，建立系统状态空间模型；
结合路径跟踪角速度模型和系统状态空间模型得到点光源转台路径跟踪模型；
根据点光源转台路径跟踪模型采用轨迹分段线性化控制，将非线性运动目标轨迹进行线性化处理实现有效的非线性跟踪与控制，设计编码器状态观测反馈值作为反馈状态观测器的控制器，利用天文算法计算期望值，并采用矩阵的形式对点光源转台路径跟踪模型进行跟踪控制；
利用编码器状态观测反馈值与期望值之差构成的状态误差反馈矩阵，对系统预设输入变量进行补偿修正；
对控制器进行处理设计。
优选的，所述路径跟踪更新角速度模型具体为：
Figure BDA0003613227820000021
其中，
Figure BDA0003613227820000031
ω′θ分别为方位更新角速度、俯仰更新角速度，
Figure BDA0003613227820000032
ωθ分别为方位预设角速度、俯仰预设角速度，
Figure BDA0003613227820000033
Δωθ分别为方位转动角速度误差、俯仰转动角速度误差。
优选的，所述系统状态空间模型具体为：
Figure BDA0003613227820000034
其中，xk、xk-1分别为tk时刻系统状态向量、tk-1时刻系统状态向量，wk-1为转动误差向量，ω′k-1为角速度输入向量，zk为tk时刻系统观测向量，H为状态观测转移矩阵，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，vk为编码器检测位置误差向量，k＝1…n，n表示时间序列号。
优选的，所述点光源转台路径跟踪模型具体为：
Figure BDA0003613227820000035
其中，θk为tk时刻系统俯仰转动分量，
Figure BDA0003613227820000036
为tk时刻系统方位转动分量，ωθ,k-1为tk-1时刻系统俯仰转动角速度分量，
Figure BDA0003613227820000037
为tk-1时刻系统方位转动角速度分量，所述ωθ,k-1和所述
Figure BDA0003613227820000038
通过分段时间内的位移变化由软件算法间接计算所得，
Figure BDA0003613227820000039
为tk-1时刻方位转动角速度误差、Δωθ,k-1为tk-1时刻俯仰转动角速度误差，Δwθ、
Figure BDA00036132278200000310
均为系统误差，θm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器测量值，
Figure BDA00036132278200000311
为tk-1时刻方位编码器测量值，Δvθm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器检测误差，
Figure BDA00036132278200000312
为tk-1时刻方位编码器检测误差。
优选的，所述矩阵具体为：
Figure BDA0003613227820000041
Figure BDA0003613227820000042
其中
Figure BDA0003613227820000043
θsk为下一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure BDA0003613227820000044
为下一时刻设备方位位置期望值，θs(k-1)为上一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure BDA0003613227820000045
为上一时刻设备方位位置期望值，
Figure BDA0003613227820000046
为上一时刻俯仰编码器观测反馈值，
Figure BDA0003613227820000047
为上一时刻方位编码器观测反馈值，
Figure BDA0003613227820000048
为观测器输出误差反馈矩阵。
优选的，所述对控制器进行处理设计具体为：
Figure BDA0003613227820000049
其中，θm(n-2)为俯仰编码器上一时刻观测值，
Figure BDA00036132278200000410
为方位编码器上一时刻观测值，n＝2,3,4…。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，解决现有的跟踪控制方法没有对点源目标路径进行跟踪控制建模导致精度不高的问题。
附图说明
图1为本发明装置整体架构示意图；
图2为本发明路径跟踪角速度模型原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-2所示，本发明实施例提供一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，本发明点光源转台路径跟踪控制通过实时检测编码器反馈位置状态与当前时刻利用天文算法计算的目标期望值比较，来获取跟踪偏差，进而改变控制频率，减少控制偏差。在一定时间内减少位置误差，通过更新角速度实现下一状态实际值与目标值的趋近，从而建立如图2所示的路径跟踪控制模型，路径跟踪控制模型可表示为：
Figure BDA0003613227820000051
其中，
Figure BDA0003613227820000052
ω′θ分别为方位更新角速度、俯仰更新角速度，
Figure BDA0003613227820000053
ωθ分别为方位预设角速度、俯仰预设角速度，
Figure BDA0003613227820000054
Δωθ分别为方位转动角速度误差、俯仰转动角速度误差。
根据离散系统状态空间模型关系，建立该系统状态空间模型，系统状态空间模型具体为
Figure BDA0003613227820000055
其中，xk、xk-1分别为tk时刻系统状态向量、tk-1时刻系统状态向量，wk-1为转动误差向量，ω′k-1为角速度输入向量，zk为tk时刻系统观测向量，H为状态观测转移矩阵，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，vk为编码器检测位置误差向量，k＝1…n，n表示时间序列号。
根据系统状态空间模型(1)与路径跟踪更新角速度模型(2)可得点光源转台路径跟踪模型为
Figure BDA0003613227820000061
其中，θk为tk时刻系统俯仰转动分量，
Figure BDA0003613227820000062
为tk时刻系统方位转动分量，ωθ,k-1为tk-1时刻系统俯仰转动角速度分量，
Figure BDA0003613227820000063
为tk-1时刻系统方位转动角速度分量，所述ωθ,k-1和所述
Figure BDA0003613227820000064
通过分段时间内的位移变化由软件算法间接计算所得，
Figure BDA0003613227820000065
为tk-1时刻方位转动角速度误差、Δωθ,k-1为tk-1时刻俯仰转动角速度误差，Δwθ、
Figure BDA0003613227820000066
均为系统误差，θm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器测量值，
Figure BDA0003613227820000067
为tk-1时刻方位编码器测量值，Δvθm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器检测误差，
Figure BDA0003613227820000068
为tk-1时刻方位编码器检测误差。
根据上述模型采用轨迹分段线性化控制方式，将非线性运动目标轨迹进行线性化处理实现有效的非线性跟踪与控制，进而设计以系统观测量即编码器反馈值作为反馈状态观测器的控制器，采用矩阵的形式(5)路径跟踪控制模型进行跟踪控制.
Figure BDA0003613227820000069
Figure BDA00036132278200000610
式中，
Figure BDA0003613227820000071
Figure BDA0003613227820000072
其中，θsk为下一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure BDA0003613227820000073
为下一时刻设备方位位置期望值，θs(k-1)为上一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure BDA0003613227820000074
为上一时刻设备方位位置期望值，
Figure BDA0003613227820000075
为上一时刻俯仰编码器观测反馈值，
Figure BDA0003613227820000076
为上一时刻方位编码器观测反馈值，
Figure BDA0003613227820000077
为观测器输出误差反馈矩阵。
利用编码器状态观测反馈值与期望目标值之差构成的状态误差反馈矩阵，对系统预设输入变量进行补偿修正使控制系统的稳定性得以保证，从而保证了系统运动控制精度。
为了克服系统在运行过程中存在内部结构扰动、系统参数不确定和外界干扰等不确定因素的影响导致其控制器在实际运行过程中决策失误、控制性能下降的问题，对其控制器进行优化处理设计，本发明基于编码器观测反馈作为非线性干扰观测器估计，对外界干扰进行干扰补偿控制，以抵消外界干扰对系统的影响，进而保障了系统跟踪控制精度。
具体优化处理算法为在控制器的设计中加入抗扰动处理，若外界干扰有较大扰动影响，编码器反馈值计算角速度
Figure BDA0003613227820000078
ωθ方位、俯仰预设角速度，则认为
Figure BDA0003613227820000079
或
Figure BDA00036132278200000710
为扰动异常值，则将式(6)带入式(5)更新转动误差补偿项，进而优化控制器，抑制外界干扰对控制器影响。
Figure BDA00036132278200000711
其中，θm(n-2)、
Figure BDA00036132278200000712
为俯仰、方位编码器上一时刻观测值，n>2且n为整数。
本发明的改进点在于基于卡尔曼滤波算法思想，提出了改进型的点源目标路径跟踪控制模型，采用位置与速度模式相结合的运动控制方式，分段线性化控制来补偿系统控制误差，采用位置控制模式的方式是按照位置参数来分段；采用速度模式的方式是按照分段后的速度参数进行控制，根据路径跟踪控制模型，对分段的位置进行更新，采用更新后的位置进一步更新下一个分段内的速度，进行速度修正，从而驱动俯仰、方位电机到达规定位置，使控制系统的状态输出逼近目标期望值，进而实现了无速度传感器的双闭环控制模式达到有效补偿系统误差的目的。
本发明对跟踪控制做了进一步研究，基于卡尔曼滤波理论，提出了改进型的点源目标路径跟踪控制模型，提高了跟踪控制精度，能够保障标校结果的高精度验证，为实现点光源大规模网络化无人值守远程标校控制做铺垫，进而可以高频次、高效率开展标校工作，进一步提高点源参照目标系统指向精度，最终为高分辨率卫星高精度、高频次、业务化、全动态范围在轨辐射定标和MTF检测奠定基础。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (6)

1.一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于，包括：
建立路径跟踪控制模型；
根据离散系统状态空间模型关系，建立系统状态空间模型；
结合路径跟踪角速度模型和系统状态空间模型得到点光源转台路径跟踪模型；
根据点光源转台路径跟踪模型采用轨迹分段线性化控制，将非线性运动目标轨迹进行线性化处理实现有效的非线性跟踪与控制，设计编码器状态观测反馈值作为反馈状态观测器的控制器，利用天文算法计算期望值，并采用矩阵的形式对点光源转台路径跟踪模型进行跟踪控制；
利用编码器状态观测反馈值与期望值之差构成的状态误差反馈矩阵，对系统预设输入变量进行补偿修正；
对控制器进行处理设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于：所述路径跟踪更新角速度模型具体为：
Figure FDA0003613227810000011
其中，
Figure FDA0003613227810000016
ωθ分别为方位更新角速度、俯仰更新角速度，
Figure FDA0003613227810000013
ωθ分别为方位预设角速度、俯仰预设角速度，
Figure FDA0003613227810000014
Δωθ分别为方位转动角速度误差、俯仰转动角速度误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于：所述系统状态空间模型具体为：
Figure FDA0003613227810000015
其中，xk、xk-1分别为tk时刻系统状态向量、tk-1时刻系统状态向量，wk-1为转动误差向量，ω′k-1为角速度输入向量，zk为tk时刻系统观测向量，H为状态观测转移矩阵，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，vk为编码器检测位置误差向量，k＝1…n，n表示时间序列号。
4.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于：所述点光源转台路径跟踪模型具体为：
Figure FDA0003613227810000021
其中，θk为tk时刻系统俯仰转动分量，
Figure FDA0003613227810000022
为tk时刻系统方位转动分量，ωθ,k-1为tk-1时刻系统俯仰转动角速度分量，
Figure FDA0003613227810000023
为tk-1时刻系统方位转动角速度分量，所述ωθ,k-1和所述
Figure FDA0003613227810000024
通过分段时间内的位移变化由软件算法间接计算所得，
Figure FDA0003613227810000025
为tk-1时刻方位转动角速度误差、Δωθ,k-1为tk-1时刻俯仰转动角速度误差，Δwθ、
Figure FDA0003613227810000026
均为系统误差，θm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器测量值，
Figure FDA0003613227810000027
为tk-1时刻方位编码器测量值，Δvθm,k-1为tk-1时刻俯仰编码器检测误差，
Figure FDA0003613227810000028
为tk-1时刻方位编码器检测误差。
5.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于：所述矩阵具体为：
Figure FDA0003613227810000029
Figure FDA00036132278100000210
Figure FDA0003613227810000031
其中
Figure FDA0003613227810000032
θsk为下一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure FDA0003613227810000033
为下一时刻设备方位位置期望值，θs(k-1)为上一时刻设备俯仰位置期望值，
Figure FDA0003613227810000034
为上一时刻设备方位位置期望值，
Figure FDA0003613227810000035
为上一时刻俯仰编码器观测反馈值，
Figure FDA0003613227810000036
为上一时刻方位编码器观测反馈值，
Figure FDA0003613227810000037
为观测器输出误差反馈矩阵。
6.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼的改进型路径跟踪控制方法，其特征在于：所述对控制器进行处理设计具体为：
Figure FDA0003613227810000038
其中，θm(n-2)为俯仰编码器上一时刻观测值，
Figure FDA0003613227810000039
为方位编码器上一时刻观测值，n＝2,3,4…。
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CN117908386A (zh) * 2024-03-20 2024-04-19 山东科技大学 一种基于改进型干扰观测器的快速反射镜扰动抑制方法

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