CN117873123A - 一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，该方法通过构建目标轨迹估计算法对非合作目标投影轨迹进行实时预估，基于观测轨迹结合星体‑转台‑相机动力学设计非线性视觉反馈控制算法，并通过焦平面轨迹规划保证速度约束，满足了相机对非合作动目标的高精、高稳和快稳成像需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，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。天基预警系统结合了天基平台和光学传感器两者的优势，具有不受国界限制、覆盖范围广、测量精度高、隐蔽性强等优点，越来越受各国的高度重视。
为实现对弹道导弹主动段与中段等的发现、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。
此外，为满足相机的高精度像元提取，不仅要求控制过程的脱靶量尽量跟踪靶心，也对动态和稳态过程的脱靶量移动速度提出了约束。
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，提出一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，方法简单有效，具有很强的工程应用价值。
本发明技术方案是：一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，包括：
对焦平面任务空间运动学模型进行特征分析，利用模型复合矩阵与任意矢量乘积为零特性建立目标轨迹观测器；
利用所述目标轨迹观测器在线估计动目标轨迹；
考虑星体的姿态耦合及像空间的非线性运动学关系,根据估计的动目标轨迹以及焦平面轨迹规划值设计视觉反馈控制律，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪。
优选的，目标轨迹观测器为：
其中， 为目标相对轨迹，Kx>0为可调增益，为目标相对轨迹的估计值，B(q,y)＝(P-ymT)Ceo为模型复合矩阵，B+＝BT(BBT)-1为广义逆矩阵，/>qs∈R3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，qz∈R2×1为转台方位、俯仰角，y为目标在焦平面的位置，Ceo为末端相机坐标系相对卫星于轨道系的转换矩阵，P∈R2×3为相机投影参数、m∈R3×1为深度投影参数。
优选的，所述视觉反馈控制律为：
其中， Ceb为相机坐标系相对于卫星本体系的转换矩阵，Cbo为卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵，/>表示Ceb对qz取偏导数，SumI为像移偏差的积分，yr∈R2为焦平面移动轨迹的规划值，y表示特征点在相机焦平面的投影位置，yd为期望的焦平面位置，yr为规划的焦平面位置，KI为积分参数，Ky为比例参数，/>为深度信息估计值。
优选的，焦平面移动轨迹的规划值的表达式为
其中，y0为初始时刻目标的焦平面位置，y0(1)与y0(2)分别代表焦平面的行和列，vmax为规划限幅值。
优选的，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪为：
控制律输出转台角速度指令该指令作为转台单机的输入，驱动转台进行伺服控制，通过转台带动相机运动实现对目标的指向跟踪；相机一旦对目标捕获之后，通过保证目标点在焦平面的中心来实现相机对目标的跟踪。
优选的，以目标点的焦平面位置y作为输入，控制焦平面位置y收敛至规划值yr，保证目标点在焦平面的中心来实现相机对目标的跟踪。
一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制系统，包括：
动目标轨迹估计模块，对焦平面任务空间运动学模型进行特征分析，利用模型复合矩阵与任意矢量乘积为零特性建立目标轨迹观测器；利用所述目标轨迹观测器在线估计动目标轨迹；
跟踪控制模块，考虑星体的姿态耦合及像空间的非线性运动学关系,根据估计的动目标轨迹以及焦平面轨迹规划值设计视觉反馈控制律，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪。
优选的，目标轨迹观测器为：
其中， 为目标相对轨迹，Kx>0为可调增益，为目标相对轨迹的估计值，B(q,y)＝(P-ymT)Ceo为模型复合矩阵，B+＝BT(BBT)-1为广义逆矩阵，/>qs∈R3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，qz∈R2×1为转台方位、俯仰角，y为目标在焦平面的位置，Ceo为末端相机坐标系相对卫星于轨道系的转换矩阵，P∈R2×3为相机投影参数、m∈R3×1为深度投影参数。
优选的，所述视觉反馈控制律为：
其中， Ceb为相机坐标系相对于卫星本体系的转换矩阵，Cbo为卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵，/>表示Ceb对qz取偏导数，SumI为像移偏差的积分，yr∈R2为焦平面移动轨迹的规划值，y表示特征点在相机焦平面的投影位置，yd为期望的焦平面位置，yr为规划的焦平面位置，KI为积分参数，Ky为比例参数，/>为深度信息估计值。
优选的，焦平面移动轨迹的规划值的表达式为
其中，y0为初始时刻目标的焦平面位置，y0(1)与y0(2)分别代表焦平面的行和列，vmax为规划限幅值。
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问题提出了一种新型的控制方法，该方法充分挖掘焦平面运动学模型特征，设计基于观测轨迹结合星体-转台-相机动力学设计非线性视觉反馈控制律，突破了相机的高精、高稳和快稳成像需求对脱靶量速度约束的局限。
(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，通过引入动目标轨迹预测及焦平面轨迹规划，解决了含动态像移速度约束的非合作目标焦平面跟踪控制问题。利用估计动目标轨迹以及焦平面轨迹规划，可以有效地满足系统的快稳指标要求。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为本发明控制框图。
图2为相机成像模式示意图。
图3为目标与卫星相对轨迹在卫星轨道系的投影。
图4为目标在焦平面的脱靶量。
图5为目标在焦平面脱靶量的变化率。
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。
目标在焦平面的位置投影不仅与星体/转台运动学有关，也与动目标的轨迹有关。由于被跟踪目标模型未知，本发明基于目标在像空间的投影运动学关系建立了动目标轨迹预测器(该预测器为与星体-转台运动学耦合的非线性观测器)，并基于预测轨迹设计了基于像空间位置反馈的转台指向控制律，该算法考虑了星体的姿态耦合及像空间的非线性运动学关系，可实现焦平面的位置/速度跟踪。
如图1所示，本发明涉及一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，包括如下步骤：
步骤一、对焦平面任务空间运动学模型进行分析
相机的成像模型简化处理如图2所示。此处忽略了几何畸变、光学系统球差等成像误差。
特征点在相机焦平面的投影位置y∈R2可表示为
z(t)＝mTCeo(q)x(t)
其中，Ceo为卫星轨道系相对于末端相机坐标系的转换矩阵，qs∈R3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，qz∈R2×1为转台方位、俯仰角，z(t)为相机深度信息，y为目标在焦平面的位置，Ceo为末端相机坐标系相对卫星于轨道系的转换矩阵，P∈R2×3为相机投影参数、m∈R3×1为深度投影参数；。进一步可得
其中， 表示偏导数，模型复合矩阵B＝(P-ymT)Ceo。
对上述模型进行特性分析，发现Bη＝0，η为任意3*1矢量。
步骤二、基于焦平面运行学模型，进行动目标轨迹在线估计；
基于焦平面运动学，设计目标轨迹观测器如下
其中， x为目标相对轨迹，Kx>0为可调增益，为目标相对轨迹的估计值，B(q,y)＝(P-ymT)Ceo为模型复合矩阵，B+＝BT(BBT)-1为广义逆矩阵；
步骤三、视觉反馈控制律设计。
在步骤二变量计算的基础上，设计焦平面跟踪控制器如下
其中， Ceb为相机坐标系相对于卫星本体系的转换矩阵，Cbo为卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵，/>表示Ceb对qz取偏导数，SumI为像移偏差的积分，yr∈R2为焦平面移动轨迹的规划值，y表示特征点在相机焦平面的投影位置，yd为期望的焦平面位置，yr为规划的焦平面位置，KI为积分参数，Ky为比例参数，/>为深度信息估计值。
为满足整个跟踪过程的脱靶量速度约束，进一步提出了一种基于像移终端偏差的焦平面轨迹规划策略，有效提高了系统的跟踪性能。焦平面移动轨迹的规划值表达式为
其中，y0为初始时刻目标的焦平面位置，y0(1)与y0(2)分别代表焦平面的行和列，vmax为规划限幅值，由焦平面变化率约束决定。
相机一旦对目标捕获之后，将以目标点的像平面位置作为输入，通过保证目标点在像空间的中心来实现相机对目标的跟踪。上述控制律输出转台角速度指令该指令作为转台单机的输入，驱动转台进行伺服控制，通过转角变化实现对目标的指向跟踪，该控制结果在焦平面的体现形式即为焦平面位置y收敛至规划值yr，整个控制回路实现框图如图1。
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本申报专利提出的方法进行仿真验证，目标与卫星的相对位置在卫星轨道系的投影如图3所示。
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，期望焦平面位置yd＝[-362,-298]像元，指标要求焦平面过度过程的像移速度不能超过65像元/s，稳态过程不能超过13像元/s，焦平面稳态跟踪偏差不能超过5个像元(机动角速度不超过0.1°/s)，具体输出结果如图4-图5，从中可以看出，本方法提出的控制方法能够满足上述指标要求。
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 (10)
1.一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制方法，其特征在于包括：
对焦平面任务空间运动学模型进行特征分析，利用模型复合矩阵与任意矢量乘积为零特性建立目标轨迹观测器；
利用所述目标轨迹观测器在线估计动目标轨迹；
考虑星体的姿态耦合及像空间的非线性运动学关系,根据估计的动目标轨迹以及焦平面轨迹规划值设计视觉反馈控制律，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪。
2.根据权利要求1所述的视觉跟踪控制方法，其特征在于，目标轨迹观测器为：
其中，x为目标相对轨迹，/>为目标相对轨迹的估计值，Kx>0为可调增益，B(q,y)＝(P-ymT)Ceo为模型复合矩阵，B+＝BT(BBT)-1为广义逆矩阵，/>qs∈R3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，qz∈R2×1为转台方位、俯仰角，y为目标在焦平面的位置，Ceo为末端相机坐标系相对卫星于轨道系的转换矩阵，P∈R2×3为相机投影参数、m∈R3×1为深度投影参数。
3.根据权利要求2所述的视觉跟踪控制方法，其特征在于，所述视觉反馈控制律为：
其中，Ceb为相机坐标系相对于卫星本体系的转换矩阵，Cbo为卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵，/>表示Ceb对qz取偏导数，SumI为像移偏差的积分，yr∈R2为焦平面移动轨迹的规划值，y表示特征点在相机焦平面的投影位置，yd为期望的焦平面位置，yr为规划的焦平面位置，KI为积分参数，Ky为比例参数，为深度信息估计值。
4.根据权利要求3所述的视觉跟踪控制方法，其特征在于，焦平面移动轨迹的规划值的表达式为
其中，y0为初始时刻目标的焦平面位置，y0(1)与y0(2)分别代表焦平面的行和列，vmax为规划限幅值。
5.根据权利要求1所述的视觉跟踪控制方法，其特征在于，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪为：
控制律输出转台角速度指令qSTC，该指令作为转台单机的输入，驱动转台进行伺服控制，通过转台带动相机运动实现对目标的指向跟踪；相机一旦对目标捕获之后，通过保证目标点在焦平面的中心来实现相机对目标的跟踪。
6.根据权利要求5所述的视觉跟踪控制方法，其特征在于，以目标点的焦平面位置y作为输入，控制焦平面位置y收敛至规划值yr，保证目标点在焦平面的中心来实现相机对目标的跟踪。
7.一种含速度约束的非合作目标视觉跟踪控制系统，其特征在于包括：
动目标轨迹估计模块，对焦平面任务空间运动学模型进行特征分析，利用模型复合矩阵与任意矢量乘积为零特性建立目标轨迹观测器；利用所述目标轨迹观测器在线估计动目标轨迹；
跟踪控制模块，考虑星体的姿态耦合及像空间的非线性运动学关系,根据估计的动目标轨迹以及焦平面轨迹规划值设计视觉反馈控制律，利用所述控制律实现焦平面位置/速度的跟踪。
8.根据权利要求1所述的视觉跟踪控制系统，其特征在于，目标轨迹观测器为：
其中，x为目标相对轨迹，/>为目标相对轨迹的估计值，Kx>0为可调增益，B(q,y)＝(P-ymT)Ceo为模型复合矩阵，B+＝BT(BBT)-1为广义逆矩阵，/>qs∈R3×1为卫星相对于轨道系的三轴姿态角，qz∈R2×1为转台方位、俯仰角，y为目标在焦平面的位置，Ceo为末端相机坐标系相对卫星于轨道系的转换矩阵，P∈R2×3为相机投影参数、m∈R3×1为深度投影参数。
9.根据权利要求8所述的视觉跟踪控制系统，其特征在于，所述视觉反馈控制律为：
其中，Ceb为相机坐标系相对于卫星本体系的转换矩阵，Cbo为卫星本体系相对于轨道系的转换矩阵，/>表示Ceb对qz取偏导数，SumI为像移偏差的积分，yr∈R2为焦平面移动轨迹的规划值，y表示特征点在相机焦平面的投影位置，yd为期望的焦平面位置，yr为规划的焦平面位置，KI为积分参数，Ky为比例参数，为深度信息估计值。
10.根据权利要求9所述的视觉跟踪控制系统，其特征在于，焦平面移动轨迹的规划值的表达式为
其中，y0为初始时刻目标的焦平面位置，y0(1)与y0(2)分别代表焦平面的行和列，vmax为规划限幅值。/>
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