本發(fā)明屬于光電設(shè)備圖像跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電設(shè)備跟蹤脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償控制方法。

背景技術(shù)：

光電設(shè)備可應(yīng)用于城市安全監(jiān)控、警用稽查、邊防管控制、林場(chǎng)盜伐監(jiān)控、火情預(yù)警等場(chǎng)合，可安裝于固定基座建筑或搭載于飛行器上。民用光電設(shè)備跟蹤回路中，光電傳感器和跟蹤器可以看作控制系統(tǒng)的“角度誤差測(cè)角器”，該“測(cè)角器”的時(shí)間滯后一般超過(guò)100ms，對(duì)外輸出的脫靶量更新周期一般為50ms，該“測(cè)角器”帶寬在目前的光電設(shè)備產(chǎn)品中約5Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)帶寬和控制器件帶寬。該“測(cè)角器”帶寬在光電設(shè)備跟蹤回路中，表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的延遲，才將測(cè)量到的信息通知光電設(shè)備，即脫靶量時(shí)滯，帶來(lái)的是控制效果的明顯滯后，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)或擾動(dòng)殘余的響應(yīng)較慢，不能很好進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟隨和擾動(dòng)抑制。跟蹤回路設(shè)計(jì)決定光電設(shè)備的跟蹤響應(yīng)速度和跟蹤精度，直接影響跟蹤觀測(cè)效果。

為實(shí)現(xiàn)光電設(shè)備對(duì)動(dòng)目標(biāo)的精確打擊，光學(xué)穩(wěn)瞄方式成為較優(yōu)的選擇，而制約光電設(shè)備動(dòng)態(tài)跟蹤精度的瓶頸，目前主要受限于光電成像、圖像處理、跟蹤處理和數(shù)據(jù)交換共同造成的脫靶量延時(shí)，以及脫靶量信息以階躍形式進(jìn)入跟蹤回路，傳統(tǒng)的控制方法帶來(lái)的是控制效果的明顯滯后，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)或擾動(dòng)殘余的響應(yīng)較慢，不能很好進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟隨和擾動(dòng)抑制。針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的上述問(wèn)題，提出一種控制器在實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償同時(shí)，為控制系統(tǒng)速率穩(wěn)定回路提供平滑脫靶量信號(hào)，以降低實(shí)際光電設(shè)備跟蹤時(shí)，由于時(shí)滯和脫靶量的突變?cè)斐傻囊曒S極限環(huán)振蕩和動(dòng)態(tài)過(guò)程超調(diào)現(xiàn)象，以提高跟蹤回路的動(dòng)態(tài)跟蹤精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光電設(shè)備跟蹤脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償控制方法，以提高光電設(shè)備控制回路的跟蹤帶寬，進(jìn)而提高光電設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的響應(yīng)性能和跟蹤精度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種光電設(shè)備跟蹤脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償控制方法，包括以下步驟：

步驟一、獲取光電設(shè)備探測(cè)器輸出的光電探測(cè)器目標(biāo)與光電設(shè)備傳感器視軸之間的靶面像素坐標(biāo)或偏差，即脫靶量信號(hào)u(k),k 表示時(shí)刻；

步驟二、通過(guò)f 函數(shù)對(duì)步驟一獲取的脫靶量信號(hào)u(k)進(jìn)行最速平滑規(guī)劃，即將u(k)輸入式（1）、（2）中求出k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)和k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)的變化率；

（1）

（2）

其中，為k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)，為k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)的變化率，r 為加速度因子，h 為濾波因子，T 為積分步長(zhǎng)，其它參數(shù)均為中間變量；

步驟三、對(duì)平滑后脫靶量信號(hào)時(shí)間進(jìn)行滯后補(bǔ)償，具體方法為：根據(jù)步驟二得到的平滑脫靶量信號(hào)和該信號(hào)的變化率通過(guò)式（3）計(jì)算時(shí)間前的預(yù)測(cè)脫靶量以彌補(bǔ)脫靶量的滯后時(shí)間；

（3）

步驟四、通過(guò)式（4）和（5）對(duì)步驟三得到的時(shí)間滯后補(bǔ)償過(guò)的脫靶量信號(hào)中的誤差項(xiàng)進(jìn)行非線性誤差處理：

（4）

（5）

其中，表示誤差信號(hào)，為線性段的區(qū)間長(zhǎng)度，，U_c為非線性誤差處理后的控制量，K_if為積分增益，K_pf為比例增益，K_df為微分增益，其它參數(shù)均為中間變量；

步驟五、將步驟四得到的U_c信號(hào)傳送至功率驅(qū)動(dòng)器件以控制光電設(shè)備傳感器視軸跟蹤目標(biāo)。

本發(fā)明所述的光電設(shè)備探測(cè)器包括電視攝像機(jī)、點(diǎn)和耦合器件、圖像處理模塊和圖像跟蹤模塊。

本發(fā)明所述步驟一中獲取的是光電設(shè)備探測(cè)器輸出的光電探測(cè)器目標(biāo)與光電設(shè)備傳感器視軸水平方向或者垂直方向之間的靶面像素坐標(biāo)或偏差。

本發(fā)明的有益效果是：傳統(tǒng)的光電設(shè)備跟蹤回路為線性PI控制器，采用本發(fā)明的跟蹤回路脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償控制方法可以使跟蹤回路動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度大幅提升，并實(shí)現(xiàn)零超調(diào)；提升跟蹤回路對(duì)殘余擾動(dòng)的抑制能力方面，相同動(dòng)態(tài)靶標(biāo)條件下跟蹤回路脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制方法相對(duì)傳統(tǒng)控制方法跟蹤精度更優(yōu)；本發(fā)明采用非線性誤差反饋可以獲得比線性反饋更小的穩(wěn)態(tài)誤差和更快的擾動(dòng)響應(yīng)；采用在原點(diǎn)附近具有線性段的連續(xù)冪次函數(shù)，形成非線性誤差反饋避免了由于符號(hào)函數(shù)造成的高頻顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明控制方法與傳統(tǒng)控制方法跟蹤回路0.8°階躍響應(yīng)仿真對(duì)比圖；

圖2為本發(fā)明捕獲和跟蹤過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖所示，一種光電設(shè)備跟蹤脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償控制方法，包括以下步驟：

步驟一、獲取光電設(shè)備探測(cè)器輸出的光電探測(cè)器目標(biāo)與光電設(shè)備傳感器視軸之間的靶面像素坐標(biāo)或偏差，即脫靶量信號(hào)u(k),k 表示時(shí)刻；

步驟二、通過(guò)f 函數(shù)對(duì)步驟一獲取的脫靶量信號(hào)u(k)進(jìn)行最速平滑規(guī)劃，即將u(k)輸入式（1）、（2）中求出k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)和k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)的變化率；

（1）

（2）

其中，為k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)，為k 時(shí)刻平滑后的脫靶量信號(hào)的變化率，r 為加速度因子，h 為濾波因子，T 為積分步長(zhǎng)，其它參數(shù)均為中間變量；

步驟三、對(duì)平滑后脫靶量信號(hào)時(shí)間進(jìn)行滯后補(bǔ)償，具體方法為：根據(jù)步驟二得到的平滑脫靶量信號(hào)和該信號(hào)的變化率通過(guò)式（3）計(jì)算時(shí)間前的預(yù)測(cè)脫靶量以彌補(bǔ)脫靶量的滯后時(shí)間；

（3）

步驟四、通過(guò)式（4）和（5）對(duì)步驟三得到的時(shí)間滯后補(bǔ)償過(guò)的脫靶量信號(hào)中的誤差項(xiàng)進(jìn)行非線性誤差處理：

（4）

（5）

其中，表示誤差信號(hào)，為線性段的區(qū)間長(zhǎng)度，，U_c為非線性誤差處理后的控制量，K_if為積分增益，K_pf為比例增益，K_df為微分增益，其它參數(shù)均為中間變量；

步驟五、將步驟四得到的U_c信號(hào)傳送至功率驅(qū)動(dòng)器件以控制光電設(shè)備傳感器視軸跟蹤目標(biāo)。

進(jìn)一步，所述的光電設(shè)備探測(cè)器包括電視攝像機(jī)、點(diǎn)和耦合器件、圖像處理模塊和圖像跟蹤模塊。

進(jìn)一步，所述步驟一中獲取的是光電設(shè)備探測(cè)器輸出的光電探測(cè)器目標(biāo)與光電設(shè)備傳感器視軸水平方向或者垂直方向之間的靶面像素坐標(biāo)或偏差。

實(shí)施例

某型號(hào)光電設(shè)備仿真測(cè)試條件如下：

可見(jiàn)光傳感器處于最小視場(chǎng)2.7°×1.7°，先跟蹤任意選定目標(biāo)1，在穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤搜索狀態(tài)下選定目標(biāo)2與目標(biāo)1間水平方向的脫靶量為0.8°或垂直方向的脫靶量為0.8°，對(duì)目標(biāo)2進(jìn)行跟蹤的過(guò)程，即為突然加入0.8°階躍響應(yīng)的過(guò)程，該階躍響應(yīng)的性能為捕獲跟蹤階段的動(dòng)態(tài)性能。

完成光電設(shè)備測(cè)試環(huán)境搭建，依據(jù)上述五個(gè)步驟控制器編寫、參數(shù)調(diào)試。在傳統(tǒng)PI控制方法和脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制方法下，分別對(duì)光電設(shè)備跟蹤回路的脫靶量信息進(jìn)行記錄，表1為經(jīng)典PI算法與本發(fā)明方法時(shí)域指標(biāo)對(duì)比表，表2為經(jīng)典PI算法與本發(fā)明方法跟蹤脫靶量幅值對(duì)比表。

表1　經(jīng)典PI算法與本發(fā)明放法時(shí)域指標(biāo)對(duì)比

脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制器的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間下降為PI控制方法的40%，而且相比PI控制方法40%的超調(diào)量，脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制方法基本實(shí)現(xiàn)了零超調(diào)，同時(shí)由于采用了非線性控制帶來(lái)的增益增加，穩(wěn)態(tài)精度數(shù)值提升了30%。

采用旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)的等效正弦運(yùn)動(dòng)，模擬待跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：在距離穩(wěn)定平臺(tái)上可見(jiàn)光傳感器12m處放置旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)，可見(jiàn)光傳感器處于最小視場(chǎng)2.7°×1.7°下，穩(wěn)定平臺(tái)預(yù)先跟蹤旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)，靶標(biāo)以10°/s、20°/s、30°/s、40°/s、50°/s、60°/s、70°/s連續(xù)旋轉(zhuǎn)，記錄兩種控制器不同靶標(biāo)轉(zhuǎn)速下的脫靶量數(shù)值。

表2　經(jīng)典PI算法與本發(fā)明方法跟蹤脫靶量幅值對(duì)比表

由表2可見(jiàn)，隨著靶標(biāo)角速度和角加速度的增加，PI控制算法的跟蹤精度下降較快；脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制方法在靶標(biāo)0～20°/s情況下，動(dòng)態(tài)跟蹤精度（幅值）優(yōu)于0.17mrad；在靶標(biāo)30°/s旋轉(zhuǎn)條件下，PI控制算法動(dòng)態(tài)跟蹤精度（幅值）為3.5mrad；而靶標(biāo)65°/s旋轉(zhuǎn)條件下，PI控制算法跟蹤誤差較大，非常容易出現(xiàn)跟蹤丟失現(xiàn)象；脫靶量時(shí)滯補(bǔ)償非線性控制方法即使在85°/s旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)條件下，動(dòng)態(tài)跟蹤精度（幅值）在3.32mrad范圍內(nèi)。