CN117508643A - 含动态约束的高平稳焦平面多阶段多通道切换控制方法 - Google Patents

Abstract

一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，该方法针对动目标跟踪卫星捕获阶段和稳定跟踪阶段的切换平稳性问题，设计了一种基于约束能力和像移终端偏差实时调节的焦平面轨迹规划策略和一种加权遗忘的角速度指令控制算法；针对稳定跟踪阶段多通道切换的平稳性问题，利用切换点焦平面物理位置的一致性，提出了一种统一坐标尺度的焦平面控制方法，并结合基于滑模矢量的视觉反馈控制算法实现高精度高动态跟踪。

Description

含动态约束的高平稳焦平面多阶段多通道切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，属于航天器控制技术领域。

背景技术

对空间目标的快速捕获与高精度跟踪是利用空间、控制空间的前提和基础。为实现对空间目标的发现、跟踪和识别任务，一种设计思路是通过二维转台驱动相机对目标进行高平稳跟踪，整个跟踪过程星体保持零姿态，以确保星上其它载荷的正常运作，上述模型可以等效为一个三连杆的自由飞行机器人系统。与传统的卫星平台姿态控制不同，相机对目标的跟踪过程包含了非合作目标运动学特性及卫星平台、二维转台和相机参数，对象复杂，非线性和不确定性更加突出，对控制系统的设计提出了挑战。

将卫星对非合作目标的跟踪过程分为两个阶段：

(1)捕获阶段，该阶段根据引导信息解算出转台的期望角轨迹，通过角度控制实现对目标的捕获，确保目标进入视场且转台姿态满足相机的成像条件；

(2)稳定跟踪阶段，该阶段不再依赖引导信息，而是以相机的脱靶量作为反馈，实现对非合作目标的稳定跟踪，跟踪过程脱靶量及脱靶量变化率均需要满足指标要求。上述两个阶段的无缝衔接对控制策略提出的挑战主要体现在：

(1)转台在捕获阶段采用角轨迹反馈控制策略，而在稳定跟踪阶段采用脱靶量反馈控制策略，需要确保两种控制策略切换过程的平稳性；

(2)转台在稳定跟踪阶段，由于相机存在多个通道，每个通道的成像参数不同，视场中心也不同，需要确保通道切换过程的平稳性。

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，提出了一种高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，保证动态过程的焦平面跟踪性能和多通道之间的无缝平稳切换。

本发明采用的技术方案为：

一方面，

本发明提出一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，包括：

进行焦平面期望轨迹规划；

进行多通道统一尺度处理：将各个通道的输出投影到统一的焦平面坐标系，保证多通道切换过程的控制平稳性；

基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计。

进一步的，所述焦平面期望轨迹规划以脱靶量变化速率和变化加速度作为设计参数，保证脱靶量期望值由初始捕获脱靶量以期望的脱靶量变化率平滑过度到期望值。

进一步的，所述焦平面期望轨迹规划具体为：

e＝y_r(t)-y_f(t)

其中，y_r(t)为原始期望的脱靶量，y_f(t)为规划后的期望脱靶量，e为误差矢量；引入

其中，系数k＝k₀+k₁exp(-k₂|e|)，k₀、k₁、k₂为可调整的设计参数；a_tmp、为临时变量，/>为期望脱靶量变化率；

根据焦平面位置变化速率和角加速度对规划值进行约束限幅，即

其中，Δt为转台控制周期，为/>的限幅值,具体数值根据相机的成像要求确定；t为时间，/>为脱靶量变化率。

进一步的，建立焦平面统一坐标系，在此基础上建立成像运动学模型；

设像平面上的像元尺寸为D_x，D_y，相机焦距为f，则坐标系O中，点A(x,y,z)成像映射至像平面上，在坐标系O中的像点位置坐标为A’(x’,y’)，其单位为像元；特征点在相机焦平面的位置y_f用在焦平面的统一尺度坐标表示为

z(t)＝m^TC_eo(q)x(t)

其中，x(t)与卫星的相对轨迹在轨道系的投影，y∈R²表示特征点在相机焦平面的投影位置，C_eo为卫星轨道系相对于末端相机坐标系的转换矩阵，P∈R^2×3、m∈R^3×1均为相机投影参数，/>q_s∈R^3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，q_z∈R^2×1为转台方位、俯仰角，z(t)为相机深度信息。

进一步的，所述基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计，具体为：

转入稳定跟踪模式时，控制律将进行切换，将控制律优化为：

其中，为转台的实时角速度指令，/>为转稳定跟踪模式前的转台角速度指令，/>为根据脱靶量反馈获取的当前时刻转台角速度指令，r为可调参数，t为进稳定跟踪模式的时间。

另一方面，

本发明还提出一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，包括：

轨迹规划模块：进行焦平面期望轨迹规划；

多通道统一尺度处理模块：将各个通道的输出投影到统一的焦平面坐标系，保证多通道切换过程的控制平稳性；

控制律设计模块：基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明针对存在焦平面像移速度输出约束的非合作目标视觉跟踪多通道切换问题提出了一种新型的控制方法，通过基于约束能力和像移终端偏差的实时期望脱靶量规划，保证动态过程的焦平面跟踪性能；针对稳定跟踪阶段多通道切换的平稳性问题，利用切换点焦平面物理位置的一致性，提出了一种统一坐标尺度的焦平面控制方法，保证了多通道之间的无缝平稳切换；针对捕获阶段与稳定跟踪阶段控制律切换可能引起的跳变问题，设计切换逻辑，通过模式时间参数对两种控制进行融合遗忘，保证了控制模式切换时的平稳性。

(2)本发明在传统的卫星控制及传统的视觉伺服控制基础上进行了有效地改进，通过引入脱靶量轨迹规划、控制律加权遗忘以及焦平面统一尺度策略，解决了多阶段、多通道切换下含动态像移速度约束的非合作目标焦平面跟踪控制问题。利用改进后的控制策略，可以有效地满足整个切换过程的快稳指标要求。整个算法设计简单，参数调试工作量小。

(3)本发明针对具有视觉伺服跟踪需求的动目标跟踪问题提出了一种新的解决方案，无需增加额外数据输入，计算简单，该算法可适应于一大类具有非合作动目标跟踪需求的军用和民用卫星系统，具有很强的工程实用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明相机成像模式示意图；

图3为本发明目标与卫星相对轨迹在卫星轨道系的投影示意图；

图4为本发明相机通道及控制模式切换示意图；

图5为本发明目标在焦平面脱靶量的变化率示意图；

图6为本发明脱靶量跟踪误差示意图。

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，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明针对捕获阶段和稳定跟踪阶段的切换平稳性问题，设计了一种基于约束能力和像移终端偏差实时调节的焦平面轨迹规划策略和一种加权遗忘的角速度指令控制算法；针对稳定跟踪阶段多通道切换的平稳性问题，利用切换点焦平面物理位置的一致性，提出了一种统一坐标尺度的焦平面控制方法；针对捕获与跟踪过程的平稳切换问题，提出了一种基于加权遗忘的脱靶量平稳切换控制律，在切换点目标角速度较大时可保证相机的成像要求。本发明提出的控制算法简单有效，具有很强的工程应用价值。

具体的，如图1所示，本发明提出的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，包括如下步骤：

步骤一、焦平面期望轨迹规划；

卫星通过机动捕获使得目标进入相机视场，识别目标后，卫星系统将自主转入稳定跟踪模式，通过焦平面位置反馈进行转台指向控制。在相机初始捕获目标时，控制律将由角轨迹反馈切换到脱靶量位置反馈，切换过程需要满足捕获-随动跟踪长期稳定度(初始捕获后移动到靶心的速度)指标，即目标不能太快移动至靶心，否则相机将无法成像。

所述步骤一的具体过程为：

为保证动态过程的脱靶量稳定度指标，设计了焦平面期望轨迹规划策略，该策略以脱靶量变化速率和变化加速度作为设计参数，保证脱靶量期望值由初始捕获脱靶量以期望的脱靶量变化率平滑过度到期望值。具体规划算法为：

e＝y_r(t)-y_f(t)

其中，y_r(t)为原始期望的脱靶量，y_f(t)为规划后的期望脱靶量，e为脱靶量误差。接下来，引入

其中，k＝k₀+k₁exp(-k₂|e|)，k₀、k₁、k₂为可调整的设计参数，a_tmp、为临时变量，为期望脱靶量变化率。

根据焦平面位置变化速率和角加速度对规划值进行约束限幅，即

其中，Δt为转台控制周期，t为时间，为脱靶量变化率，/>为/>的限幅值,具体数值根据相机的成像要求确定。

步骤二、多通道统一尺度处理；

在稳定跟踪阶段，由于相机每个通道对应的相机参数不同，如果直接基于图像坐标系进行控制律设计，在不同通道切换时控制律将存在跳变，导致切换过程控制性能变差。为保证多通道切换过程的控制平稳性，将各个通道的输出投影到统一的焦平面坐标系，并基于投影后的焦平面位置运动学进行控制律的设计，有效避免了通道切换引入的控制跳变。

所述步骤二中，建立焦平面统一坐标系，在此基础上建立成像运动学模型。

如图2所示，设像平面上的像元尺寸为D_x，D_y，相机焦距为f，则坐标系O中，点A(x,y,z)成像映射至像平面上，在坐标系O中的像点位置坐标为A’(x’,y’)，其单位为像元。特征点在相机焦平面的位置y_f可用在焦平面的统一尺度坐标表示为

z(t)＝m^TC_eo(q)x(t)

其中，此处忽略了几何畸变、光学系统球差等成像误差，y∈R²表示特征点在相机焦平面的投影位置，C_eo为卫星轨道系相对于末端相机坐标系的转换矩阵，P∈R^2×3、m∈R^3×1均为相机投影参数，/>q_s∈R^3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，q_z∈R^2×1为转台方位、俯仰角，z(t)为相机深度信息。

步骤三、高平稳捕获/跟踪全流程切换控制逻辑设计。

在机动捕获模式的到位稳定阶段，转台的指向角速度基本和期望的角轨迹速度吻合，一旦转入稳定跟踪模式时，控制律将进行切换，为保证切换过程的平稳性及切换过程的捕获-跟踪稳定度指标，将控制律优化为：

其中，为转稳定跟踪模式前的转台角速度指令，/>为根据脱靶量反馈获取的当前时刻转台角速度指令，r为可调参数，t为进稳定跟踪模式的时间。该策略可以有效避免在大期望角速度情况下转控制律引起的控制跳变，实现平稳过渡。

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

以某卫星为例，采用一组典型弹道对多通道切换控制策略进行仿真验证，仿真过程考虑了各敏感器和执行机构的时延，焦平面的信息处理时延为400ms。其中，图3为目标与卫星的相对轨迹在卫星轨道系投影，图4中Channel表示相机通道，该应用中相机含两个通道，期望脱靶量分别为[-362，-298]^T和[0 0]^T像元，ControlMode表示控制模式字，1为角轨迹控制模式，2为脱靶量控制模式。图5为脱靶量变化率曲线，图6为脱靶量跟踪误差示意图，在通道多次切换过程，脱靶量变化率优于65像元/s的约束，满足相机的动态成像要求。

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 (10)

1.一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，其特征在于，包括：

进行焦平面期望轨迹规划；

进行多通道统一尺度处理：将各个通道的输出投影到统一的焦平面坐标系，保证多通道切换过程的控制平稳性；

基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计。

2.根据权利要求1所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，其特征在于：所述焦平面期望轨迹规划以脱靶量变化速率和变化加速度作为设计参数，保证脱靶量期望值由初始捕获脱靶量以期望的脱靶量变化率平滑过度到期望值。

3.根据权利要求2所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，其特征在于：所述焦平面期望轨迹规划具体为：

e＝y_r(t)-y_f(t)

其中，y_r(t)为原始期望的脱靶量，y_f(t)为规划后的期望脱靶量，e为误差矢量；引入

其中，系数k＝k₀+k₁exp(-k₂|e|)，k₀、k₁、k₂为可调整的设计参数；a_tmp、为临时变量，为期望脱靶量变化率；

根据焦平面位置变化速率和角加速度对规划值进行约束限幅，即

其中，Δt为转台控制周期，为/>的限幅值,具体数值根据相机的成像要求确定；t为时间，/>为脱靶量变化率。

4.根据权利要求3所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，其特征在于：建立焦平面统一坐标系，在此基础上建立成像运动学模型；

设像平面上的像元尺寸为D_x，D_y，相机焦距为f，则坐标系O中，点A(x,y,z)成像映射至像平面上，在坐标系O中的像点位置坐标为A’(x’,y’)，其单位为像元；特征点在相机焦平面的位置y_f用在焦平面的统一尺度坐标表示为

z(t)＝m^TC_eo(q)x(t)

其中，x(t)与卫星的相对轨迹在轨道系的投影，y∈R²表示特征点在相机焦平面的投影位置，C_eo为卫星轨道系相对于末端相机坐标系的转换矩阵，P∈R^2×3、m∈R^3×1均为相机投影参数，/>q_s∈R^3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，q_z∈R^2×1为转台方位、俯仰角，z(t)为相机深度信息。

5.根据权利要求4所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制方法，其特征在于：所述基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计，具体为：

转入稳定跟踪模式时，控制律将进行切换，将控制律优化为：

其中，为转台的实时角速度指令，/>为转稳定跟踪模式前的转台角速度指令，为根据脱靶量反馈获取的当前时刻转台角速度指令，r为可调参数，t为进稳定跟踪模式的时间。

6.一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，其特征在于，包括：

轨迹规划模块：进行焦平面期望轨迹规划；

多通道统一尺度处理模块：将各个通道的输出投影到统一的焦平面坐标系，保证多通道切换过程的控制平稳性；

控制律设计模块：基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计。

7.根据权利要求6所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，其特征在于：所述焦平面期望轨迹规划以脱靶量变化速率和变化加速度作为设计参数，保证脱靶量期望值由初始捕获脱靶量以期望的脱靶量变化率平滑过度到期望值。

8.根据权利要求6所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，其特征在于：所述焦平面期望轨迹规划具体为：

e＝y_r(t)-y_f(t)

其中，y_r(t)为原始期望的脱靶量，y_f(t)为规划后的期望脱靶量，e为误差矢量；引入

其中，系数k＝k₀+k₁exp(-k₂|e|)，k₀、k₁、k₂为可调整的设计参数；a_tmp、为临时变量，为期望脱靶量变化率；

根据焦平面位置变化速率和角加速度对规划值进行约束限幅，即

其中，Δt为转台控制周期，为/>的限幅值,具体数值根据相机的成像要求确定；t为时间，/>为脱靶量变化率。

9.根据权利要求8所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，其特征在于：建立焦平面统一坐标系，在此基础上建立成像运动学模型；

设像平面上的像元尺寸为D_x，D_y，相机焦距为f，则坐标系O中，点A(x,y,z)成像映射至像平面上，在坐标系O中的像点位置坐标为A’(x’,y’)，其单位为像元；特征点在相机焦平面的位置y_f用在焦平面的统一尺度坐标表示为

z(t)＝m^TC_eo(q)x(t)

其中，x(t)与卫星的相对轨迹在轨道系的投影，y∈R²表示特征点在相机焦平面的投影位置，C_eo为卫星轨道系相对于末端相机坐标系的转换矩阵，P∈R^2×3、m∈R^{3 ×1}均为相机投影参数，/>q_s∈R^3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，q_z∈R^2×1为转台方位、俯仰角，z(t)为相机深度信息。

10.根据权利要求9所述的一种含动态约束的高平稳焦平面多阶段/多通道切换控制系统，其特征在于：所述基于投影后的焦平面位置运动学进行高平稳捕获/跟踪全流程切换控制律设计，具体为：

转入稳定跟踪模式时，控制律将进行切换，将控制律优化为：

其中，为转台的实时角速度指令，/>为转稳定跟踪模式前的转台角速度指令，为根据脱靶量反馈获取的当前时刻转台角速度指令，r为可调参数，t为进稳定跟踪模式的时间。