ES2346154T3 - Sistema y procedimiento de estabilizacion de una linea de mira. - Google Patents
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Abstract
Sistema de estabilización afinada de una línea de mira de un dispositivo optrónico (4), que comprende: - unos medios de medición (41) apropiados para medir una desestabilización (5, 5'') de la línea de mira, conteniendo la desestabilización por lo menos una componente periódica de frecuencia (Ωn) conocida a priori y/o lentamente variable en el tiempo; - un corrector (424) apropiado para generar una señal de compensación en función de la desestabilización medida, comprendiendo el corrector (424): - por lo menos un estimador (45) apropiado para estimar unos parámetros de una función representativa de la desestabilización, - por lo menos un predictor (46) apropiado para tener en cuenta la predicción de un retardo (Δθn) entre la compensación y la medición de la desestabilización, comprendiendo además el sistema: - un accionador de estabilización (43) apropiado para compensar la desestabilización, caracterizado porque el corrector es armónico (424), cada estimador (45) comprende por lo menos un filtro centrado sobre cada frecuencia (Ωn) conocida a priori y/o lentamente variable en el tiempo para: descomponer cada componente periódica en por lo menos una señal sinusoidal (\hat{Sn(ti)), y estimar una amplitud (\hat{An) y una fase (Φn) de cada señal sinusoidal.
Description
Sistema y procedimiento de estabilización de una
línea de mira.
La presente invención se refiere a un sistema de
estabilización de la línea de mira de un dispositivo optrónico.
Comprende unos medios de medición y de generación de una
compensación de la desestabilización de la línea de mira. La señal
de compensación es función de la desestabilización armónica
medida.
La invención se refiere asimismo a un
procedimiento de aplicación del sistema.
La figura 1 representa esquemáticamente una
aeronave 1 conocida, del tipo helicóptero o avión no tripulado por
ejemplo, que comprende un cuerpo 2 sobre el que están en rotación
unas palas 3.
La aeronave 1 comprende un dispositivo optrónico
de mira 4 que orienta y estabiliza una línea de mira 5. El
dispositivo optrónico 4 puede presentar unas líneas de miras
visibles y/o infrarrojas y/o láser. El dispositivo optrónico 4 está
eventualmente conectado a un puesto de tiro 6.
La aeronave 1 está sometida a unas
perturbaciones aleatorias (debidas por ejemplo al viento) y a unas
perturbaciones deterministas (debidas por ejemplo a la rotación de
las palas 3). Por ello, el dispositivo optrónico de mira 4 está
situado en un entorno vibratorio. La desestabilización inducida
sobre la línea de mira se traduce por un desplazamiento angular
\alpha, a la frecuencia de las perturbaciones, entre dos
posiciones 5 y 5' de la línea de mira. Dicha desestabilización
provoca un desenfoque cuando tiene lugar la adquisición de las
imágenes y reduce por tanto las prestaciones del dispositivo
optrónico 4 considerado.
La figura 2 muestra un ejemplo clásico de un
sistema de estabilización de la línea de mira del dispositivo
4.
El sistema comprende unos medios de adquisición
44 para la adquisición de imágenes (cámaras, medidores de
desviación, señaladores o iluminadores LASER) para condicionar en
posición y para estabilizar.
El sistema comprende unos medios de medición 41
apropiados para medir la desestabilización de la línea de mira 5,
5'. En general, los medios de medición 41 comprenden un sensor de
actitud y/o un sensor inercial, anotados 411. Clásicamente, un
medidor de desviación 412 permite además medir el desplazamiento de
un blanco 45 en una imagen.
El sistema comprende asimismo unos correctores
42 apropiados para generar una señal de compensación de la
desestabilización. La señal de compensación es función de la
desestabilización medida. Clásicamente, el corrector principal del
dispositivo 4 es el corrector optomecánico 421 que manda un
accionador optomecánico 431 y permite así realizar un bucle
inercial 4a. Sin embargo es posible que el corrector optomecánico
421 reciba unas consignas de un corrector de la medición de
desviación 422 y realizar así un bucle de vídeo 4b que perseguirá
los movimientos del blanco 45.
Independientemente del corrector de la medición
de desviación 422, es posible tener un corrector de estabilización
fina 423 para corregir en la imagen el error residual del bucle
inercial 4a.
En general, los medios de estabilización son
optomecánicos. El accionador optomecánico 431 y el sensor de
actitud 411 son mecánicamente solidarios, de manera que el
desplazamiento del accionador optomecánico 431 puede ser medido por
el sensor de actitud 411.
Por el contrario, el accionador de
estabilización fina 432 no es mecánicamente solidario del sensor de
actitud 411 y existe por lo menos un grado de libertad entre los
dos. El accionador de estabilización fina 432 comprende unos medios
de desplazamiento preciso de la línea de mira con respecto al sensor
de actitud 411: es la estabilización fina de la línea de mira 4c.
El accionador de estabilización fina 432 se presenta generalmente en
forma de un espejo (o lámina con caras paralelas) situado
físicamente entre una claraboya del sistema y los medios de
adquisición de imágenes 44.
El accionador de estabilización fina 432
recupera la señal de compensación procedente del sensor de actitud
411, a través de los correctores 421 y 423. El accionador de
estabilización fina 432 estabiliza la línea de mira, desplazándose
en oposición de fase con la desestabilización.
Los trazos de puntos del bucle de vídeo 4b
indican que los medios de adquisición de imágenes 44, de medición
de desviación 412 y el corrector de la medición de desviación 422
pueden ser solidarios entre sí, para que el sistema forme un bucle
de vídeo cerrado de estabilización 4b, o estar desolidarizados, para
que el sistema forme un bucle de vídeo abierto.
El sistema según la figura 2 adolece sin embargo
de ciertos inconvenientes.
El bucle inercial 4a posee en particular una
banda pasante limitada (inferior al centenar de hertzios) y no
permite obtener la estabilización muy fina de la línea de mira.
La utilización de la estabilización fina 4c
permite una mejora de las prestaciones, pero sigue siendo muy
sensible al desfase, lo cual requiere en la práctica grandes bandas
pasantes para el accionador de estabilización fina 432. Además, las
deformaciones mecánicas 46, entre el sensor de actitud 411 y el
accionador optomecánico 431 no son compensadas.
El bucle de vídeo 4b permite compensar las
imperfecciones del sensor de actitud 411, pero la banda pasante del
bucle de vídeo 4b está limitada a algunos hertzios por la toma de
imágenes. La misma no permite aumentar el alcance del dispositivo
de mira.
El documento
US-A-5.444.509 da a conocer un
dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 1. El
dispositivo no utiliza el conocimiento a priori de la
frecuencia y/o del comportamiento de la frecuencia en el tiempo,
sino que deriva por lo menos una vez la desestabilización para
generar una señal de compensación, lo cual adolece del
inconveniente de aumentar en particular las vibraciones a altas
frecuencias.
La presente invención propone evitar por lo
menos uno de los inconvenientes de la técnica anterior.
Se propone así según la invención un sistema de
estabilización afinada según la reivindicación 1.
La invención se completa ventajosamente por las
características de las reivindicaciones 2 a 18.
La invención se refiere asimismo a un
procedimiento de estabilización de una línea de mira utilizado en
dicho sistema.
La invención denominada estabilización afinada,
se presenta por ejemplo en la figura 3.
La estabilización afinada es una mejora del
esquema clásico de la figura 2, introduciendo un corrector armónico
424 con el accionador de la estabilización 43 y un eventual medidor
de desviación 412 por ejemplo utilizado para medir el
desplazamiento del fondo de las imágenes.
La estabilización afinada utiliza el hecho de
que para unas aeronaves del tipo helicóptero, avión no tripulado o
avión de hélices, la desestabilización inducida por las vibraciones
de la aeronave es periódica y puede por consiguiente representarse
en forma de un espectro de rayas (de frecuencias \Omega_{n}).
Las componentes espectrales principales en forma de rayas se deben
por ejemplo a la rotación de las palas de un helicóptero a de la
hélice de un turbopropulsor.
Para los helicópteros, la frecuencia de la
vibración fundamental y sus armónicos alcanzan algunas decenas de
hertzios. La frecuencia fundamental sólo depende del tipo de
helicóptero considerado. La misma no depende ni de la velocidad ni
de las condiciones de vuelo, y por tanto se conoce a
priori.
Para los turbopropulsores, estas frecuencias
pueden alcanzar algunos centenares de hertzios. En velocidad de
crucero, la frecuencia fundamental es estable. Esta
desestabilización periódica es determinista. La misma puede ser
estimada en tiempo real por un dispositivo exterior basado en un
bucle de enclavamiento de fase. Es suficiente que las variaciones
de frecuencia sean lentamente variables. El corrector armónico 424
las supondrá conocidas en la continuación.
Las características deterministas de la
desestabilización de la línea de mira se pueden medir por tanto por
medio de una medición de la desestabilización. A la inversa de los
sistemas perturbados aleatoriamente, es posible anticipar cada
componente sinusoidal de la perturbación. Es posible entonces
realizar una compensación optimizada global.
Los conocimientos precisos de la ganancia y del
retardo de los medios de estabilización 431 ó 432, así como el
retardo puro del dispositivo global permiten una utilización
ventajosa de la invención. La ganancia y el retardo son constantes
a la frecuencia de la perturbación \Omega_{n}, y pueden medirse
cuando tiene lugar la integración del sistema.
El conocimiento en tiempo real de tres grandes
magnitudes armónicas de la desestabilización de la línea de mira
así como el conocimiento del sistema considerado, permiten también
una utilización ventajosa de la invención. El corrector armónico
supone ventajosamente que:
- a)
- la frecuencia \Omega_{n}, es conocida a priori o estimada por otro dispositivo,
- b)
- la función de transferencia del sistema de estabilización fina y de medición permite determinar los dobletes (ganancia, retardo),
- c)
- el retardo puro del sistema \Delta\theta_{n}-retardo entre la toma de la medición de desestabilización y el mando del sistema de estabilización fina toma en cuenta las duraciones de transmisión de la información y las duraciones de los diferentes cálculos.
El estimador 45 proporcionará:
- d)
- la amplitud estimada de cada raya,
- e)
- el valor instantáneo estimado de cada raya (o la fase).
Estas hipótesis son suficientes para permitir la
compensación casi exacta de las leyes perturbadoras por el
predictor 46.
El corrector armónico 424 se descompone
preferentemente en tres subconjuntos.
Las características de las componentes
espectrales de la desestabilización determinista, deben ser
estimadas a partir de la medición procedente de los medios de
medición 41. La amplitud y el valor instantáneo (o la fase)
asociados a cada raya \Omega_{n}, son dadas por el estimador
45.
La medición se efectúa generalmente por un
sensor de actitud 411. La misma puede ser efectuada asimismo por
detección del desplazamiento del fondo de la imagen, por un medidor
de desviación 412. La utilización del flujo de vídeo, de los medios
44 de adquisición de imágenes, permite una mejor representatividad
de la desestabilización de la línea de mira.
Un sistema que comprende una medición por
medición de desviación 412 funciona en bucle de vídeo cerrado 4b.
Es por tanto más tolerante que un sistema en bucle de vídeo abierto
(sin 4b). La utilización de un medidor de desviación hace robustas
las prestaciones de la estabilización afinada a las
incertidumbres/errores de estimación de la desestabilización a
compensar.
Es posible anticipar los retardos, por medio de
un predictor 46, para cada componente sinusoidal de la perturbación
para realizar su compensación optimizada a cada frecuencia.
Unos amplificadores de ganancias 47 permiten
ventajosamente generar una señal de compensación global, como la
suma ponderada de las señales de compensación para cada frecuencia.
Las ganancias permiten compensar las atenuaciones del sistema de
estabilización o amplificar la medición en el caso de un bucle de
vídeo cerrado.
La invención presenta numerosas ventajas.
La misma permite en particular la compensación
del retardo del sistema para las frecuencias de las
perturbaciones.
Permite la compensación de la atenuación del
sistema para las frecuencias de las perturbaciones.
Ofrece una mayor banda pasante que el sistema de
la técnica anterior descrito anteriormente.
Es simple de realizar, estable, fiable y
eficaz.
Permite por último aumentar el alcance del
dispositivo de mira.
Otras características, objetivos y ventajas de
la invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la
descripción siguiente, puramente ilustrativa y no limitativa, y que
debe ser leída con respecto a los planos adjuntos, en los que:
- La figura 1, ya comentada, representa
esquemáticamente una aeronave conocida;
- La figura 2, ya comentada también, muestra
esquemáticamente un ejemplo de un sistema conocido de estabilización
de la línea de mira de un dispositivo optrónico;
- La figura 3 representa unos ejemplos de
mejoras de la invención con respecto al esquema clásico de la figura
2;
- Las figuras 4a, 4b, 4c muestran
esquemáticamente tres ejemplos de modos de realización de una
estabilización afinada según la invención;
- La figura 5 muestra de forma esquemática, en
condicionado el ejemplo de la figura 4a;
- La figura 6 muestra una aproximación lineal de
un módulo presente en el modo de realización de la figura 5;
- La figura 7 representa esquemáticamente la
evolución de la función de transferencia del sistema, en dB en
función de la frecuencia; y
- La figura 8 representa esquemáticamente la
modelización de la desestabilización en forma de un "vector
giratorio".
En el conjunto de las figuras, los elementos
similares están designados por referencias numéricas idénticas.
Se utilizarán en la exposición las anotaciones
siguientes:
Variables temporales
- -
- t: tiempo corriente.
- -
- t_{i}: el instante de la i^{esima} medición de desestabilización (i cualquiera).
Variables espectrales
- -
- s: variable de Laplace.
- -
- z: variable de la transformada en z.
- -
- \Omega_{n}: n^{esima} frecuencia del espectro de la desestabilización.
Retardos
- -
- \varepsilon: retardo constante del sistema de bucle.
- -
- \Deltat_{n}: retardo (desfase) inducido por la estabilización fina 432 a la frecuencia \Omega_{n}.
- -
- \Delta\theta_{n}: retardo global del bucle asociado a la frecuencia \Omega_{n}.
- -
- la función de transferencia de un retardo se escribe: exp(-\Deltat.s)
- -
- la función de transferencia de una anticipación se escribe: exp(\Deltat.s).
Desestabilización
- -
- D*(t): desestabilización de la línea de mira antes de la compensación por la estabilización fina.
- -
- V*(t): residual de desestabilización después de la corrección del accionador de estabilización fina 432.
- -
- V(t_{i}): medición de la desestabilización de la línea de mira después de los medios de medición 41 en el instante t_{i}.
- -
- S*(t): componente periódica de la desestabilización de la línea de mira V*(t).
- -
- A_{n}: amplitud de la n^{esima} componente sinusoidal de S*(t).
- -
- S*_{n}(t) = A_{n}.sen (2\pi.\Omega_{n}t+\Phi_{n}): valor instantáneo de la n^{esima} componente sinusoidal de S*(t), y \Phi_{n} el desfase.
- -
- B*(t): parte aleatoria de la desestabilización de la línea de mira V*(t).
Ganancias y funciones de
transferencia
- -
- G(s): función de transferencia del accionador de estabilización fina 432.
- -
- G_{n}=|G (2\pi.\Omega_{n})|: ganancia de la estabilización fina a la frecuencia \Omega_{n}.
- -
- G'(s): función de transferencia del accionador de estabilización fina más el retardo de vídeo y de medición de desviación.
- -
- H(s): función de transferencia entre la estabilización de la línea de mira antes y después de la estabilización fina en el caso de un bucle cerrado sobre el vídeo.
- -
- H_{n}(s): función de transferencia H(s) en el caso de una compensación de la frecuencia \Omega_{n}.
- -
- M(s): función de transferencia de deformación mecánica entre 411 y 431.
- -
- F_{0}(s), F_{0}(z): función de transferencia de los filtros paso bajo para estimación de la amplitud \hat{A}^{2}_{n} del estimador 45.
- -
- F_{n}(s), F_{n}(z): función de transferencia del pasabanda centrado sobre la frecuencia \Omega_{n} del estimador 45-n. F_{n}(s) servirá en la aproximación lineal de 45-n.
Estimaciones y predicciones
- -
- \hat{X}: estimador de la variable aleatoria X.
- -
- S'_{n}(t) = \hat{S}_{n} (t_{i} + \Delta\theta_{n}): predicción del valor instantáneo de la enésima componente espectral, a la salida del predictor 46-n.
- -
- S'(t): señal de corrección a la salida del amplificador 47.
- -
- \alpha_{n}: ganancia del módulo 47-n.
- -
- K_{n}(s): función lineal equivalente de 45-n+46-n+47-n.
- -
- K(s): función lineal equivalente de 45+46+47.
Las figuras 4a, 4b y 4c muestran
esquemáticamente tres ejemplos de modos de realización según la
invención de un sistema de estabilización afinada de un dispositivo
optrónico.
En estos tres modos de realización, el sistema
de estabilización comprende unos medios de medición 41 y un
accionador 43 de compensación de la desestabilización.
El sistema comprende además un corrector
armónico 424, como se describe más adelante, situado entre los
medios de medición 41 y el accionador de estabilización 43.
La desestabilización de la línea de mira es un
fenómeno determinista. La misma puede descomponerse sobre una base
de senos. La desestabilización residual es entonces la suma de una
componente periódica S*(t), y de una componente
aleatoria B*(t) (viento, rozamientos, resonancias
mecánicas de banda ancha, etc), no compensable por este método:
La componente periódica S*(t) se
descompone sobre una base de senos de la forma siguiente:
siendo N
cualquiera.
Por otra parte, los medios de medición 41 pueden
comprender un sensor de actitud 411 o un medidor de desviación
412.
Dicho sensor de actitud 411 puede presentarse en
forma de un girómetro, de un giróscopo, de una combinación de
acelerómetros y/o de una central de inercia por ejemplo.
El medidor de desviación 412 podrá detectar el
desplazamiento de la escena por correlación de imágenes por
ejemplo.
La medición de la estabilización proporciona la
medida de la estabilización de la línea de mira pero retardada en
un número de trama y en un retardo de cálculo fijo:
La estabilización armónica supone un cierto
número de conocimientos a priori. Las frecuencias
\Omega_{n} de la descomposición de la desestabilización
periódica, el retardo vídeo \varepsilon, el retardo
\Deltat_{n} debido al desfase
y las atenuaciones
G_{n}
del sistema de estabilización fina
se suponen
conocidos.
El corrector armónico 424 comprende
preferentemente tres tipos de sub módulos:
I) unos estimadores 45,
II) unos predictores 46,
III) unos amplificadores de ganancias 47.
\vskip1.000000\baselineskip
El estimador 45 es apropiado para tener en
cuenta por lo menos una frecuencia, \Omega_{n}, de la
desestabilización. El predictor 46 toma en cuenta un retardo
\Delta\theta_{n}. El amplificador de ganancia 47 toma en
cuenta la atenuación G_{n} entre la compensación y la
medición de la desestabilización.
I) El estimador 45 comprende preferentemente por
lo menos un filtro pasabanda centrado sobre una frecuencia
\Omega_{n}, de manera que la medición de desestabilización
V(t_{i}) puede ser descompuesta en por lo menos una señal
sinusoidal. Preferentemente, el estimador 45 comprende N filtros
pasabanda. El centrado sobre la frecuencia puede efectuarse con una
pequeña tolerancia, es decir con un intervalo alrededor de la
frecuencia \Omega_{n}, por ejemplo del orden de
\pm10%.\Omega_{n}.
El estimador 45 es así apropiado para determinar
tres informaciones:
1) el valor instantáneo de la componente
sinusoidal \hat{S}_{n}(t_{i}) véase (Ec- 1) más
abajo,
2) la amplitud \hat{A}_{n}, véase
(Ec-2) más abajo,
3) eventualmente la fase \hat{\Phi}_{n},
de cada componente sinusoidal
\vskip1.000000\baselineskip
II) Además, el corrector armónico 424 comprende
un predictor 46 que toma en cuenta la predicción de cada componente
sinusoidal para compensar el retardo \Delta\theta_{n} del
sistema (entre la compensación y la medición de la
desestabilización). Para cada frecuencia, se genera una señal
de compensación, véase
(Ec-3) más
abajo.
III) Ventajosamente, un amplificador 47 permite
generar una señal de compensación, S'(t), como una combinación de
las señales de compensación para cada frecuencia S'_{n}(t)
y de ganancias \alpha_{n}, (véase Ec-4) más
abajo), lo cual permite compensar eventualmente las atenuaciones
G_{n}, del sistema de estabilización.
Los módulos I y II del corrector armónico pueden
ser ventajosamente reemplazados por el estimador y el predictor de
un filtro de Kalman. En este caso, por lo menos un filtro de Kalman
agrupa por pares un estimador y un predictor.
Ventajosamente, en el caso de la utilización de
un filtro de Kalman, se modeliza la desestabilización en forma de
un "vector giratorio", como muestra la figura 8.
\newpage
Una desestabilización sinusoidal a la frecuencia
\Omega_{n}, muestreada con el periodo T_{e} = 1/2000 s, puede
en efecto ser modelizada por la proyección sobre el eje de las
abscisas de un vector giratorio a velocidad constante. Se
plantea:
el vector giratorio con un desfase
inicial \varphi,
y
su proyección sobre el eje de las
abscisas.
La transición del estado del vector giratorio
entre el instante k y el instante k+1 (desestabilización) se
escribe en forma de un producto de matriz de rotación:
La colocación de un filtro de Kalman es conocida
por el experto en la materia y no se considera de nuevo en detalle
en la presente memoria, pero se precisa en este caso que dicha
anotación de la desestabilización permite una simplificación de la
colocación del filtro de Kalman.
El conocimiento a priori de las
frecuencias de la componente periódica de la desestabilización evita
en particular un repliegue del espectro más allá de 50 Hz, lo cual
es ventajoso puesto que, en general, las frecuencias \Omega_{n}
a compensar son 22 Hz, 44 Hz, 66 Hz y 88 Hz.
El sistema de las figuras 4a y 4b comprende
además un accionador de estabilización fina 432. El accionador 432
desplaza la línea de mira durante la adquisición de una imagen, en
función de la señal S'(t) recibida del corrector
armónico 424.
El accionador de estabilización fina 432 puede
comprender unos medios de estabilización fina electrónicos, como
por ejemplo unos medios de barrido electrónicos apropiados para
modificar la posición de la línea de mira con respecto a los medios
de adquisición 44.
Preferentemente, el accionador de estabilización
fina 432 comprende unos medios de estabilización fina
optomecánicos.
Ventajosamente, los medios de estabilización
fina optomecánicos 432 comprenden unos medios de desplazamiento de
una placa de estabilización fina de la línea de mira, estando la
placa situada entre los correctores 42 y los medios de adquisición
44.
La placa se presenta así en forma de por lo
menos una lámina de un material de alto índice óptico y/o de por lo
menos un espejo y/o de un prisma por ejemplo, montados en rotación
de manera que puedan efectuar una estabilización fina de la línea
de mira.
La desestabilización de la línea de mira
obtenida por el corrector optomecánico D*(t), por
medio del accionador optomecánico 431, se puede mejorar por el
accionador de estabilización fina 432, lo cual se escribe:
siendo G (s) su función de
transferencia:
La figura 4a muestra que ventajosamente, cuando
los medios de medición 41 comprenden un medidor de desviación 412,
el efecto del accionador del estabilización fina 432 es observado
por el medidor de desviación. El sistema forma entonces un bucle de
vídeo cerrado 4b. En el caso del bucle de vídeo cerrado, el
corrector 424 armónico no creará forzosamente una señal de
compensación de la misma amplitud y en oposición de fase. Una alta
ganancia puede ser aplicada, a fin de encontrar de nuevo las
ventajas del bucle cerrado.
La figura 4b muestra que cuando el sensor de
actitud 411 y el accionador de estabilización 432 están
desolidarizados, el sistema forma un bucle abierto. No se produce
bucle de vídeo. En el caso del bucle de vídeo abierto, los
conocimientos de las frecuencias de desestabilización
\Omega_{n}, de los retardos \Delta\theta_{n} y de las
atenuaciones G_{n}, permiten que el corrector armónico 424 genere
a priori una señal analógica S'(t) en
oposición de fase con la desestabilización S*(t). Esta
señal es enviada a la entrada del accionador de estabilización
432.
La figura 4c muestra que el sensor de actitud
411 y el accionador optomecánico 431 son mecánicamente solidarios.
El sistema forma un bucle de inercia cerrado de estabilización, que
sin embargo no puede compensar las deformaciones mecánicas M
(s) entre el sensor inercial y óptico.
\vskip1.000000\baselineskip
Los desarrollos siguientes se leen
ventajosamente haciendo referencia a la figura 5, que muestra de
forma esquemática la estabilización afinada en el ejemplo del bucle
de vídeo cerrado, de la figura 4a.
Se describe a continuación un ejemplo de un
sistema de estabilización, así como su funcionamiento, para una
frecuencia de desestabilización \Omega_{n} y una cadencia de
vídeo de los medios de adquisición 44 de 100 Hz. Sólo se considera
una frecuencia de desestabilización, pero el tratamiento es
evidentemente el mismo cualquiera que sea el número de frecuencias
que se consideran.
Los medios de adquisición 44 adquieren unas
imágenes en forma de tramas de vídeo. Esta adquisición es perturbada
por la desestabilización. Los medios de adquisición de imagen 44 y
el tratamiento del medidor de desviación 412 inducen un retardo de
vídeo así como un bloqueo de trama y un retardo de cálculo que es
preciso añadir al retardo introducido por el accionador de
estabilización fina 432.
El medidor de desviación 412 comprende un
correlacionador 4121, apropiado para medir la desviación relativa
de línea de mira de una trama inicial a una trama siguiente.
a) La desviación relativa se mide por ejemplo
por correlación de un motivo 7x7, procediendo el motivo de la trama
inicial, en una zona 10 x 10 ó 11 x 11 en la trama siguiente. Los
índices del máximo de la función de intercorrelación se obtienen
por medición de centro de contraste. Estos índices constituyen el
desplazamiento de la línea de mira entre dos tramas. La fiabilidad
de la medición depende en gran manera del contraste del motivo de
correlación.
Se realiza esta estimación sobre varias zonas en
la imagen, ponderando los resultados por la varianza de los
motivos.
Las zonas están próximas al eje de mira del
dispositivo, para evitar que el balanceo de la aeronave falsee la
medición. Es preciso además observar que en el caso en que la
semifrecuencia de muestreo es próxima a \Omega_{n}, la
determinación de la amplitud de la componente \Omega_{n} es un
poco más larga de realizar (del orden de algunos segundos) que
cuando la semifrecuencia de muestreo está alejada de
\Omega_{n}.
b) Otro procedimiento para medir la desviación
relativa consiste en realizar una intercorrelación sobre una
porción de línea obtenida mediante varias líneas adyacentes, o sobre
la base de su varianza.
Unos medios de integración 4212 comprendidos en
el medidor de desviación 421 permiten una integración de la
medición de desviación relativa.
La medición se modeliza para la aproximación
lineal por un simple retardo:
El párrafo siguiente proporcionará las
ecuaciones no lineales de un corrector armónico 424.
Preferentemente, el estimador 45 comprende un
filtro pasabanda que filtra la medición temporal de
desestabilización entre \Omega_{n}-2Hz y
\Omega_{n}+2Hz. El sistema no está limitado por la frecuencia de
muestreo puesto que siendo las frecuencias \Omega_{n} conocidas
a priori, sus valores plegados lo son también.
\newpage
Gracias al filtro F_{n}(z),
centrado sobre \Omega_{n}, la estimación de la componente
sinusoidal de V(t_{i}) a la frecuencia
\Omega_{n} se escribe:
El estimador 45 proporciona también la amplitud
estimada, guardando sólo la componente continua del cuadrado de la
perturbación sinusoidal por la relación:
Resulta entonces:
\hat{A}_{n}(z) se supone constante o
ligeramente variable ante el periodo trama:
\hat{A}_{n}(z)= \hat{A}_{n}.
Se describirá ahora el funcionamiento del
predictor 46 a la salida del estimador 45.
Se explica en primer lugar el cálculo del
desfase. Sea \Delta\theta_{n}, el retardo entre la
adquisición de la trama de vídeo i y el efecto de la compensación
de la desestabilización por el accionador de estabilización 43. Se
plantea:
La componente \Omega_{n} de la residual de
estabilización S*(t) se supone conocida y se escribe
en el instante t_{i}:
Asimismo, en el instante t, según el signo de
A^{2}_{n} - S^{2}_{n}:
El predictor 46 está concebido reemplazando los
valores teóricos por sus estimaciones:
El predictor 46 dará:
La relación (Ec-3) muestra que
S'_{n}(t) está perfectamente determinado si
\Omega_{n}, \hat{S}_{n}(t_{i}), \hat{A}_{n},
\Delta\theta_{n} son conocidos. Está claro también que la
pertinencia de la señal S'_{n}(t) depende de la
precisión de la medición de \Delta\theta_{n} y de la calidad
de las estimaciones \hat{S}_{n}(t_{i}),
\hat{A}_{n}.
La gestión del signo de la raíz cuadrada de la
ecuación (Ec-3) puede ser ventajosamente reemplazada
por la derivación de la señal. El corrector resulta una combinación
lineal de un término proporcional y de un término derivado:
La combinación lineal de las ganancias de los
amplificadores 47 aplicadas a las señales de predicción proporciona
la señal de corrección a la salida del corrector armónico:
La estimación de la amplitud, \hat{A}_{n},
hace el condicionado según la figura 5 no lineal. Las ecuaciones
(Ec-1) (Ec-2) (Ec-3)
y (Ec-4) en la aproximación lineal del corrector
armónico, serán anotadas por la función de transferencia:
El filtro analógico equivalente del pasabanda
del estimador 45-n será por ejemplo del tipo.
siendo \omega = 2\pi.
\Omega_{n}
rad/s.
La función de transferencia del accionador de
estabilización fina 432 puede simplificarse en la proximidad de la
frecuencia \Omega_{n}:
La estabilización fina puede modelizarse por una
simple diferencia, asegurando así la contrarreacción.
La figura 6 muestra una aproximación lineal del
esquema de la figura 5. Considerando la aproximación lineal y en
tiempo continuo, el medidor de desviación 412 así como el estimador
45, el predictor 46 serán considerados como perfectos.
En bucle cerrado, la acción del corrector
armónico y de la medición de desviación influirá sobre la medición
de desestabilización según las relaciones (BF-1)
(BF-2):
\newpage
siendo la relación
(BF-4) de la estabilización
fina:
La función transferencia global de la
estabilización afinada es entonces:
siendo
La función de transferencia G'(s).K(s) en
la proximidad de \Omega_{n}, gracias a (BF-2) y
(BF-3), resulta:
En la proximidad de la frecuencia elegida, la
función de transferencia se simplifica:
El estudio frecuencial (AL-2)
puede ser simplificado si se considera el comportamiento
asintótico.
La figura 7 representa esquemáticamente la
evolución de la función de transferencia H(s) en dB en
función de la frecuencia. La función de transferencia
H(s) se comporta como un cortabanda a la frecuencia
\Omega_{n} y de atenuación \frac{1}{G_{n}.\alpha _{n}}. La
anchura del cortabanda depende de la banda pasante del pasabanda
pero también de la ganancia G_{n}.\alpha_{n}.
Claims (27)
1. Sistema de estabilización afinada de una
línea de mira de un dispositivo optrónico (4), que comprende:
- unos medios de medición (41) apropiados para
medir una desestabilización (5, 5') de la línea de mira, conteniendo
la desestabilización por lo menos una componente periódica de
frecuencia (\Omega_{n}) conocida a priori y/o lentamente
variable en el tiempo;
- un corrector (424) apropiado para generar una
señal de compensación en función de la desestabilización medida,
comprendiendo el corrector (424):
- -
- por lo menos un estimador (45) apropiado para estimar unos parámetros de una función representativa de la desestabilización,
- -
- por lo menos un predictor (46) apropiado para tener en cuenta la predicción de un retardo (\Delta\theta_{n}) entre la compensación y la medición de la desestabilización,
comprendiendo además el sistema:
- -
- un accionador de estabilización (43) apropiado para compensar la desestabilización,
caracterizado porque
el corrector es armónico (424),
cada estimador (45) comprende por lo menos un
filtro centrado sobre cada frecuencia (\Omega_{n}) conocida
a priori y/o lentamente variable en el tiempo para:
descomponer cada componente periódica en por lo
menos una señal sinusoidal (\hat{S}_{n}(t_{i})), y
estimar una amplitud (\hat{A}_{n}) y una
fase (\Phi_{n}) de cada señal sinusoidal.
2. Sistema según la reivindicación anterior, en
el que el corrector armónico (424) comprende por lo menos un
amplificador (47) apropiado para generar una ganancia de corrección
a la salida de por lo menos un predictor (46).
3. Sistema según la reivindicación anterior, que
comprende además unos medios apropiados para efectuar una
combinación de predicciones de los predictores (46) y de ganancias a
la salida de los amplificadores (47).
4. Sistema según una de las reivindicaciones 2 a
3, en el que los amplificadores (47) son apropiados para tener en
cuenta una atenuación entre la compensación y la medición de la
desestabilización.
5. Sistema según una de las reivindicaciones 2 a
3, en el que los amplificadores (47) están situados en un bucle de
condicionado.
6. Sistema según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que cada predictor (46) es apropiado para calcular
(n) señales de corrección (S'_{n}(t)), lo cual
permite corregir un retardo global (\Delta\theta_{n}) del
dispositivo.
7. Sistema según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que por lo menos un filtro de Kalman agrupa por
pares un estimador y un predictor.
8. Sistema según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que el corrector armónico (424) es apropiado para
generar una señal de compensación en oposición de fase con la señal
de desestabilización.
9. Sistema según una de las reivindicaciones
anteriores, en el que el accionador de estabilización (43) es
apropiado para estabilizar la línea de mira (5) durante una
adquisición de una imagen por unos medios de adquisición (44) del
sistema.
10. Sistema según la reivindicación 9, en el que
el accionador (43) comprende un accionador optomecánico (431).
11. Sistema según una de las reivindicaciones 9
a 10, en el que los medios (41) de medición comprenden un sensor de
actitud.
12. Sistema según las reivindicaciones 10 a 11,
en el que el accionador optomecánico (431) es solidario del sensor
de actitud (411), de manera que el sistema forma un bucle inercial
cerrado.
\newpage
13. Sistema según la reivindicación 9, en el que
el accionador (43) comprende un accionador de estabilización fina
(432).
14. Sistema según la reivindicación 13, en el
que el accionador de estabilización fina (432) comprende unos
medios optomecánicos de desplazamiento de la línea de mira (5, 5')
con por lo menos un grado de libertad con respecto al sensor de
actitud (411).
15. Sistema según la reivindicación 14, en el
que los medios optomecánicos de desplazamiento de la línea de mira
(5, 5') comprenden unos medios de desplazamiento de una lámina, de
un espejo o de un prisma de estabilización fina de la línea de mira
(5, 5'), estando la lámina, el espejo o el prisma situados entre el
corrector armónico (424) y unos medios de adquisición (44).
16. Sistema según la reivindicación 14, en el
que el accionador de estabilización fina (432) comprende unos
medios de estabilización electrónica fina.
17. Sistema según una de las reivindicaciones 9
a 10, en el que los medios (41) de medición comprenden un medidor
de desviación (412) unido a uno de los medios de adquisición de
imagen (44).
18. Sistema según la reivindicación anterior, en
el que el medidor de desviación (412) es apropiado para medir el
desplazamiento de una escena, de manera que el sistema forma un
bucle de vídeo cerrado.
19. Procedimiento de estabilización afinada de
una línea de mira (5) de un dispositivo optrónico (4), que
comprende unas etapas de:
- medición de una desestabilización (5, 5') de
la línea de mira por unos medios de mediación (41), conteniendo la
desestabilización por lo menos una componente periódica de
frecuencia (\Omega_{n}) conocida a priori y/o lentamente
variable en el tiempo;
- generación de una señal de compensación en
función de la desestabilización medida por un corrector (424),
comprendiendo la generación de la señal de
compensación las etapas:
- de estimación, por lo menos por un estimador
(45) comprendido en el corrector (424), de los parámetros de una
función representativa de la desestabilización,
- de toma en cuenta de la predicción de un
retardo (\Delta\theta_{n}) entre la compensación y la
medición de la desestabilización, por lo menos por un predictor (46)
comprendido en el corrector,
- comprendiendo el procedimiento además una
compensación de la desestabilización por un accionador de
estabilización (43),
caracterizado porque comprende unas
etapas de:
- filtrado de la desestabilización por lo menos
por un filtro, comprendido en el estimador (45) y centrado sobre
cada frecuencia (\Omega_{n}) conocida a priori y/o
lentamente variable en el tiempo;
- descomposición, por el estimador, de cada
componente periódica en por lo menos una señal sinusoidal
(\hat{S}_{n}(t_{i})), y
- de estimación, por el estimador, de una
amplitud (\hat{A}_{n}) y de una fase (\Phi_{n}) de cada
señal sinusoidal.
20. Procedimiento según la reivindicación
anterior, que comprende una etapa de generación de una ganancia de
corrección a la salida de por lo menos un predictor (46) gracias a
por lo menos un amplificador (47) comprendido en el corrector.
21. Procedimiento según la reivindicación
anterior, que comprende además una etapa de combinación de
predicciones de los predictores (46) y de ganancias a la salida de
los amplificadores (47).
22. Procedimiento según una de las tres
reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de cálculo de
n señales de corrección (S'_{n}(t')) por cada
predictor (46).
23. Procedimiento según una de las cuatro
reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de agrupación
por pares de un estimador y de predictor en por lo menos un filtro
de Kalman.
24. Procedimiento según una de las cinco
reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de generación
de una señal de compensación en oposición de fase con la señal de
desestabilización por el corrector armónico (424).
\newpage
25. Procedimiento según una de las seis
reivindicaciones anteriores, que comprende las etapas de:
- medición de una desestabilización de la línea
de mira (5, 5') por un medidor de desviación (412);
- generación de una señal de compensación por un
corrector armónico (424);
- modificación de la posición de la línea de
mira y/o de una imagen adquirida por unos medios de adquisición
(44) por un accionador de estabilización fina (432).
26. Procedimiento según una de las siete
reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de estimación
de la frecuencia con un bucle con enclavamiento de fase lenta con
respecto a esta frecuencia.
27. Procedimiento según una de las ocho
reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de
estabilización, por el accionador de estabilización (43), de la
línea de mira (5) en función de la señal recibida del corrector
armónico (424) que es una combinación lineal de las señales
procedentes de los predictores.
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