一種基于多階運動信息估計的前饋控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法。CCD探測器接收編碼器的角度信息和目標的軌跡信息做相減處理，提取目標脫靶量；位置修正控制器接收CCD探測器所采集到的目標脫靶量信息，并將目標脫靶量生成并輸出跟蹤控制信號，最終體現(xiàn)在控制對象指向角度的變化；編碼器角度信息和目標脫靶量相加，提取得到反映目標真實運動軌跡的信息；多階目標運動信息估計器接收提取出的目標軌跡信號，并利用該信號獲取目標運動的速度、加速度、加加速度等高階信號；前饋控制器接收目標的上述高階信號生成并輸出前饋控制信號；前饋控制信號和位置修正控制信號相加，生成并輸出驅動控制信號，用于驅動控制對象，實現(xiàn)對目標脫靶量的閉環(huán)校正。
【專利說明】
-種基于多階運動信息估計的前饋控制方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于光電跟蹤控制領域，具體的設及一種基于多階目標運動信息估計的前 饋控制方法，主要用于實現(xiàn)對目標的高精度跟蹤。
【背景技術】
[0002] 在光電控制系統(tǒng)目標跟蹤過程中，實現(xiàn)目標的高精度跟蹤是工作的重點。美國林 肯實驗室研發(fā)的"火池"控制系統(tǒng)利用角位置信息和高精度測距信息實現(xiàn)共軸跟蹤，取得了 很好的控制效果。在國內跟蹤控制系統(tǒng)中，主要利用角位置信息對角速度和角加速度進行 估計，然后依靠估計量進行前饋控制W提高跟蹤精度。
[0003] 前饋能有效提高跟蹤精度是因為前饋能在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，能有效提 高系統(tǒng)的輸入抑制特性，增加前饋的階數(shù)能進一步提高系統(tǒng)跟蹤能力。文獻《預測濾波技術 在光電經締儀中的應用仿真》(光電工程，Vol(S) ,2002)采用了速度前饋方法進行仿真，提 高了跟蹤精度。在此基礎上，公開號為CN 102736636A《跟蹤系統(tǒng)中基于角度信息的前饋控 制方法》的中國專利對預測濾波模型進行了改進，添加了加速度前饋，進一步提高系統(tǒng)跟蹤 精度。
[0004] 然而，高階前饋的階數(shù)越高，其對噪聲越敏感。對于跟蹤系統(tǒng)而言，系統(tǒng)噪聲主要 包含兩部分，一是傳感器所帶來的數(shù)據本身噪聲，二是由于采樣時間間隔不確定而帶來的 采樣噪聲。如上方法在對運動速度、加速度信息的獲取上采用的是基于牛頓運動模型的卡 爾曼濾波器，運種方法能對傳感器本身的數(shù)據噪聲有一定的效果，但是不能處理由采樣時 間間隔不確定而帶來的采樣噪聲，同時該方法為線性濾波，對于角度的預測估計存在較大 的模型誤差，該模型誤差會在擴展狀態(tài)觀測器的高階分量時會被放大;并且卡爾曼濾波器 本身具有計算量大，且依靠先驗，對初始參數(shù)敏感等缺點。因此，此方法在系統(tǒng)前饋控制的 精度和實時性上提升上依舊有限。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對傳統(tǒng)的基于運動模型的卡爾曼預測濾波前饋控制所存在的不足，本發(fā)明從控 制和數(shù)據融合濾波相融合的方向分析，采用多階目標運動信息估計方法，其目的是提供一 種基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法。
[0006] 多階目標運動信息估計方法是從控制角度來看濾波問題，若在設計控制器過程中 綜合考慮濾波特性和各運動分量間關系(位置、速度、加速度之間為逐級微分關系，反之則 為積分環(huán)節(jié)），則可在濾波器中W積分環(huán)節(jié)為基本單元設計，運在控制器設計過程中是比較 容易實現(xiàn)的。
[0007] 本發(fā)明的技術解決方案為:采用多階目標運動信息估計方法對目標軌跡信息逐級 嵌套高階濾波，控制過程中通過積分方式得到目標運動的速度、加速度，甚至更高階的運動 分量，然后通過閉環(huán)回路進行前饋控制。
[000引具體實現(xiàn)步驟如下：
[0009] 步驟（I):在控制對象上面安裝編碼器和CCD探測器，編碼器獲取對象的姿態(tài)角度 信息，CCD探測器接收編碼器的角度信息和目標的軌跡信息做相減處理，提取目標脫祀量e 化)；
[0010] 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測器所采集到的目標脫祀量信息e化），并將 目標脫祀量e化)生成并輸出跟蹤控制信號，最終體現(xiàn)在控制對象指向角度的變化；
[0011] 步驟(3):編碼器角度信息y化)和目標脫祀量e化)相加，提取得到反映目標真實運 動軌跡的信息Hk);
[0012] 步驟(4):多階目標運動信息估計器接收提取出的目標軌跡信號，并利用該信號獲 取目標運動的速度、加速度、加加速度W及更高階信號；
[0013] 步驟(5):前饋控制器接收目標的速度、加速度、加加速度W及更高階信號生成并 輸出前饋控制信號；
[0014] 步驟(6):前饋控制信號和位置修正控制信號相加，生成并輸出驅動控制信號，用 于驅動控制對象，實現(xiàn)對目標脫祀量e化)的閉環(huán)校正。
[001引其中，步驟(4)中從控制角度出發(fā)，在控制器設計過程中考慮外回路主要由比例積 分環(huán)節(jié)構成，且積分環(huán)節(jié)為多個，實現(xiàn)對速度、加速度、加加速度W及更高階信號的估計；
[0016] 其中，步驟(4)中每個積分環(huán)節(jié)形成內回路，加上比例反饋，W此提升控制內部過 程變量的估計精度，運樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：
[0018] (1)相對基于運動模型的卡爾曼預測估計前饋控制方法，該發(fā)明不基于目標的運 動模型，降低了卡爾曼濾波中擴張狀態(tài)觀測器的估計誤差，避開了依靠先驗和對初始參數(shù) 敏感，結合控制降低了計算量，提高了算法實時性；
[0019] (2)只依靠 CCD探測器、編碼器提供的角位置信息，不僅僅能實現(xiàn)速度、加速度前饋 控制技術，還能提供更高階的前饋控制技術，進一步提高光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤能力；
[0020] (3)相對目前的狀態(tài)估計方法來說，最主要是與控制具有很好的結合性和擴展性， 降低了估計誤差，實現(xiàn)簡單。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法結構圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明的多階目標運動信息估計的控制器設計結構圖。
【具體實施方式】
[0023] W下結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0024] 如圖1所示是本發(fā)明的基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法結構圖，其中 包括:多階目標運行信息估計器、前饋控制器、位置修正控制器、控制對象;該控制裝置組包 含了由位置修正控制器形成的閉環(huán)反饋回路和由多階目標運動信息估計器、前饋控制器構 成的前饋回路。采用所述裝置實現(xiàn)前饋(速度、加速度、加加速度)控制方法的步驟如下：
[0025] 下面W二階目標運動信息估計為例進行詳細說明：
[0026] 步驟（1):控制對象上安裝編碼器和CCD探測器，編碼器直接獲取控制對象的指向 角度，CCD探測器直接獲取到的脫祀量e(k)實為目標真實位置和被控對象當前所指角度的 偏差；
[0027] 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測器所采集到的目標脫祀量信息e化），并將 目標脫祀量e化)生成并輸出跟蹤控制信號，最終體現(xiàn)在控制對象指向角度的變化，W此實 現(xiàn)主要的位置閉環(huán)回路；
[0028] 步驟(3):編碼器角度信息y化)和目標脫祀量e化)相加，提取得到反映目標真實運 動軌跡的信息Hk),運里由于編碼器獲取角度的頻率一般遠遠大于CCD探測器獲取的目標 脫祀量的頻率，且CCD探測器存在滯后，因此一般會對合成軌跡Hk)進行平滑和外推處理， W獲取更準確的目標真實運動軌跡數(shù)據；
[0029] 步驟(4):多階目標運動信息估計器接收提取出的目標軌跡信號，并利用該信號獲 取目標運動的速度、加速度、加加速度W及更高階信號。
[0030] 具體實現(xiàn)方式如下：
[0031] 如圖2所示，從控制角度出發(fā)，在控制器設計過程中考慮外回路主要由比例積分環(huán) 節(jié)構成，且積分環(huán)節(jié)為多個，實現(xiàn)對位置、速度、加速度、加加速度等高階信息的估計，其控 制輸出表達式如下；
[0032
[00削其中，0為位置輸入，06為濾波后的位置估計輸出，klk2為內環(huán)負反饋比例系數(shù)，k3 為外環(huán)比例系數(shù)，#為速度估計，^為加速度估計，為加加速度估計，W此類推。若需獲 取更高階的估計信息，可繼續(xù)擴展積分環(huán)節(jié)。
[0034] 在設計控制器過程中，需保證控制器的時域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性判據。 從頻域角度分析濾波器的特性，響應帶寬，保證能有效濾波;將過程變量輸出，作為目標運 動信息的高階估計；
[0035] 步驟(5):前饋控制器接收目標的速度、加速度、加加速度W及更高階信號生成并 輸出前饋控制信號；
[0036] 步驟(6):前饋控制信號和位置修正控制信號相加，生成并輸出驅動控制信號，用 于驅動控制對象，實現(xiàn)對目標脫祀量e化)的閉環(huán)校正。
【主權項】
1. 一種基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法，其特征在于:其具體步驟如下： 步驟（1):在控制對象上面安裝編碼器和CCD探測器，編碼器獲取對象的姿態(tài)角度信息， CCD探測器接收編碼器的角度信息和目標的軌跡信息做相減處理，提取目標脫靶量e(k); 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測器所采集到的目標脫靶量e(k)，并將目標脫靶 量e(k)生成并輸出跟蹤控制信號，最終體現(xiàn)在控制對象指向角度的變化； 步驟(3):編碼器角度信息y(k)和目標脫靶量e(k)相加，提取得到反映目標真實運動軌 跡的信息r(k); 步驟(4):多階目標運動信息估計器接收提取出的目標軌跡信號，并利用該信號獲取目 標運動的速度、加速度、加加速度以及更高階信號； 步驟(5):前饋控制器接收目標的速度、加速度、加加速度以及更高階信號生成并輸出 前饋控制信號； 步驟(6):前饋控制信號和位置修正控制信號相加，生成并輸出驅動控制信號，用于驅 動控制對象，實現(xiàn)對目標脫靶量e (k)的閉環(huán)校正。2. 根據權利要求1所述的一種基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法，其特征在 于：步驟(4)中從控制角度出發(fā)，在控制器設計過程中考慮外回路主要由比例積分環(huán)節(jié)構 成，且積分環(huán)節(jié)為多個，實現(xiàn)對速度、加速度、加加速度以及更高階信號的估計。3. 根據權利要求1所述的一種基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法，其特征在 于:步驟(4)中每個積分環(huán)節(jié)形成內回路，加上比例反饋，以此提升控制內部過程變量的估 計精度，這樣可通過反向微分單獨獲得每個控制過程變量。
【文檔編號】G05B13/04GK105955027SQ201610375836
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】鄧超, 田競, 曹政, 劉瓊, 毛耀
【申請人】中國科學院光電技術研究所