一種提高光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及，一種提高搭載于光電穩(wěn)定平臺(tái)的 跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)有技術(shù)中，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十走研究所的專利"一種光電跟蹤系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤精度校準(zhǔn)裝置"和"一種光電跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤精度校準(zhǔn)裝置及方法"，通過由 固體激光器、擴(kuò)束器、快速傾斜鏡和反射鏡組成的信標(biāo)光分系統(tǒng)產(chǎn)生信光標(biāo)到祀板，而且信 標(biāo)光分系統(tǒng)可W通過光斑模擬多種運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)速度的目標(biāo)，該樣對(duì)設(shè)備的精度測(cè)試， 通過高速采集系統(tǒng)對(duì)光斑進(jìn)行采集，采用高速數(shù)字圖像處理技術(shù)得到較高的測(cè)量精度，實(shí) 現(xiàn)對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)快速、準(zhǔn)確的校正。
[0003] 然而，問題在于，在實(shí)際應(yīng)用中，光電跟蹤系統(tǒng)往往安裝在光電穩(wěn)定平臺(tái)上，整個(gè) 跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)與理論上的設(shè)計(jì)有所差異，各零部件的尺寸誤差、形狀誤差、位置誤差 等因素導(dǎo)致基于理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制方法性能下降，跟蹤精度降低。如何通過數(shù)據(jù)處理和 系統(tǒng)模型辨識(shí)等方式減小誤差，提高整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，該方面研究很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出的提高光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的方法是基于正弦掃頻法、譜分析法和 自適應(yīng)的遺傳算法完成對(duì)系統(tǒng)模型的辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)提高光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，具體 分W下幾步：
[0005] 步驟一；采集輸出信號(hào)
[0006] 本發(fā)明采用FIFO技術(shù)對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)輸入激勵(lì)信號(hào)x(t)進(jìn)行采樣，采集輸出信 號(hào)，x(t)為幅度可調(diào)的正弦掃頻信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，對(duì)于采樣過程要注意如下原則：
[0007]a、最低頻率應(yīng)該選擇為光電跟蹤系統(tǒng)的第一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率的1/2或者更低；
[000引 b、為了使用后面提到的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，要求每個(gè)頻率點(diǎn)的采集時(shí)間必須為激 勵(lì)信號(hào)周期的整數(shù)倍；
[0009]C、信號(hào)的采樣頻率要大于光電跟蹤系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)最高諧振頻率的兩倍，W滿足奈 奎斯特采樣定理。
[0010] 步驟二：數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0011] 對(duì)步驟一中采集的輸出信號(hào)，剔除高于5VI|JC(0|的采樣值。為保證信 號(hào)的連續(xù)性，被剔除點(diǎn)的數(shù)據(jù)可W用插值的方式來填補(bǔ)，插值的方法為：y(i)=y(i-l) + (y(i-l)-y(i-2))，式中i表示當(dāng)前采樣點(diǎn)。
[0012] 步驟H;幅度比和相位差計(jì)算
[0013] 本發(fā)明采用譜分析的方法計(jì)算幅度和相位差。
[0014] 步驟一中輸入的激勵(lì)信號(hào)為x(t)，t表示時(shí)間信號(hào)，光電跟蹤系統(tǒng)的脈沖反應(yīng)函 數(shù)為g(t)，則對(duì)象的輸出量y(t)如下式所示：
[0015]
[0016] 激勵(lì)信號(hào)x(t)的自相關(guān)函數(shù)Rx( T )和互相關(guān)函數(shù)Rxy( T )分別為：
[0017]
式中X為積分變量；
[0018]
式中A為積分變量，下角標(biāo)xy表示不同激勵(lì)信號(hào)；
[0019] 對(duì)上式兩邊都取傅里葉變換，可得：
[0020]
[0021] 令新的積分變量U = X - A，則得：
[0022]
[0023] 右式前后兩項(xiàng)分別是脈沖反應(yīng)函數(shù)的頻率特性和輸入信號(hào)的自功率譜密度，因此 可得：
[0024]
[00幼式中，Sx (jw)為馬（T )的傅里葉變換。
[002引則輸出信號(hào)的幅頻特性、相頻特性分別為：
[0027] H = I G (jw)
[0028] =ZG{jw)
[0029] 步驟四：遺傳算法進(jìn)行模型辨識(shí)
[0030] 采用自適應(yīng)的遺傳算法進(jìn)行光電跟蹤系統(tǒng)模型的辨識(shí)，選取的系統(tǒng)模型采用拉氏 變換法，n階系統(tǒng)模型形式如下所示，
[0031]
[0032] 根據(jù)上一步中得到的頻域響應(yīng)，采用自適應(yīng)的遺傳算法求取k和ai(i= 1，2,… n)，從而確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。
[0033] 所述的自適應(yīng)的遺傳算法，指的是在遺傳算法中采用基于復(fù)對(duì)數(shù)頻率響應(yīng)的適應(yīng) 度函數(shù)，交叉概率和變異概率采取自適應(yīng)策略。
[0034] 所述的基于復(fù)對(duì)數(shù)頻率響應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)，是在擬合頻域數(shù)據(jù)時(shí)，構(gòu)造適應(yīng)度函 數(shù)如下：
[00巧]
[0036] 式中
[0037]n-擬合的頻域點(diǎn)數(shù)
[0038] ? 第i個(gè)頻率點(diǎn)的角頻率 [003引H-輸出信號(hào)的幅頻
[0040]
[0041] 式中，fm"是種群中適應(yīng)度值的最大值；fwg是每代種群適應(yīng)度值的平均值；f'是 要進(jìn)行交叉的兩個(gè)個(gè)體中適應(yīng)度值較大的；f是當(dāng)前個(gè)體的適應(yīng)度值；該里取Pel= 0. 9,Pc2 =0. 6。
[0042] 設(shè)定自適應(yīng)變異概率如下：
[004引 Pm=Pmi-PmiXn/N
[0044] 式中，n為進(jìn)化代數(shù)；N為進(jìn)化的總代數(shù)；Pmi取0. 1。
[0045] 步驟五；替換系統(tǒng)模型
[0046] 通過第四步對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)模型的辨識(shí)，得到實(shí)際的光電跟蹤系統(tǒng)模型，在跟蹤 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，用戶將得到的實(shí)際系統(tǒng)模型替換原來的系統(tǒng)模型，可W提高光電 跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度。
[0047] 本發(fā)明最終產(chǎn)生的效果是；設(shè)計(jì)了一種提高光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的方法，采用 正弦掃頻法和自適應(yīng)的遺傳算法；進(jìn)行掃頻采樣時(shí)，采用了FIFO技術(shù)，可W在windows系統(tǒng) 下實(shí)時(shí)采集，保證了數(shù)據(jù)的完整性；用遺傳算法進(jìn)行系統(tǒng)模型辨識(shí)時(shí)，采用自適應(yīng)的方式， 早期不會(huì)陷入局部最優(yōu)，后期不會(huì)收斂過慢，搜索緩慢時(shí)加大變異概率，變?yōu)殡S機(jī)搜索，從 而實(shí)現(xiàn)了遺傳算法的快速收斂，保證了全局最優(yōu)。采用頻域的方法完成了對(duì)光電跟蹤系統(tǒng) 模型的辨化得到了真實(shí)的系統(tǒng)模型，解決了光電穩(wěn)定平臺(tái)對(duì)光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度的影 響的問題，提局了光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度。
[0048] 本發(fā)明的各個(gè)方面將通過下文中的具體實(shí)施例的說明而更加清晰。
【附圖說明】
[0049] 圖1是本發(fā)明的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0050] 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0051] 圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)模型的辨識(shí)結(jié)果幅頻特性圖；
[0052] 圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)模型的辨識(shí)結(jié)果相頻特性圖；
[0053] 圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)模型的負(fù)反饋機(jī)制圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054] 圖1示出了本實(shí)例采用的測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成圖。
[0055] 圖2示出了本實(shí)例采用正弦掃頻法、譜分析法和自適應(yīng)的遺傳算法，完成對(duì)光電 跟蹤系統(tǒng)模型的辨識(shí)的過程，具體分W下幾個(gè)步驟：
[0056] 步驟一；采集輸出信號(hào)
[0057] 選擇頻率0.mz到1曲Z、幅度可調(diào)的正弦波信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，旋變解算寫時(shí)鐘 最高可設(shè)置為10曲Z，是最高頻率的10倍，滿足數(shù)據(jù)采集的完備性要求。采用掃頻法獲得光 電跟蹤系統(tǒng)的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。
[0058] 所述的正弦掃頻法是將正弦波作為穩(wěn)定平臺(tái)的控制輸入，并且采集對(duì)應(yīng)的輸出信 息，獲取序列輸入的輸出序列信息，作為系統(tǒng)辨識(shí)的輸出依據(jù)。根據(jù)輸出結(jié)果，繪制頻率響 應(yīng)的幅頻特性曲線和計(jì)算系統(tǒng)帶寬，識(shí)別被測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)、極點(diǎn)，根據(jù)零極點(diǎn)個(gè)數(shù)建立系 統(tǒng)模型，通過數(shù)據(jù)擬合，計(jì)算系統(tǒng)模型的未知參數(shù)，最終完成系統(tǒng)模型的辨識(shí)。
[0059] 步驟二：數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0060] 數(shù)據(jù)預(yù)處理主要的功能是剔除粗大誤差和穩(wěn)態(tài)截取。由于不可避免的系統(tǒng)干擾的 存化測(cè)量結(jié)果中的某些點(diǎn)的實(shí)際值嚴(yán)重偏離實(shí)際值，所W將口限設(shè)置為5V%的I，剔除高 于5V^|x(〇|的采樣值。為保證信號(hào)的連續(xù)性，被剔除點(diǎn)的數(shù)據(jù)可W用插值的方式來填補(bǔ)。 插值的方法為；y(i) =y(i-l) + (y(i-l)-y(i-2))。
[0061] 步驟H;幅度比和相位差計(jì)算
[0062] 本實(shí)例采用譜估計(jì)方法進(jìn)行擬合，所述的譜估計(jì)法用于對(duì)正弦掃頻法獲取的數(shù)據(jù) 計(jì)算幅度和相位差。使用頻域法測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)，關(guān)鍵要獲得3個(gè)重要信息；輸入信號(hào)與 輸出信號(hào)的頻率、幅度和相位差，該是繪制頻率響應(yīng)特性曲線W及辨識(shí)模型的基礎(chǔ)。
[0063] 對(duì)步驟一中輸入的激勵(lì)信號(hào)為x(t)，光電跟