一种光电设备跟踪脱靶量时滞补偿控制方法与流程

本发明属于光电设备图像跟踪控制技术领域，具体涉及一种光电设备跟踪脱靶量时滞补偿控制方法。

背景技术：

光电设备可应用于城市安全监控、警用稽查、边防管控制、林场盗伐监控、火情预警等场合，可安装于固定基座建筑或搭载于飞行器上。民用光电设备跟踪回路中，光电传感器和跟踪器可以看作控制系统的“角度误差测角器”，该“测角器”的时间滞后一般超过100ms，对外输出的脱靶量更新周期一般为50ms，该“测角器”带宽在目前的光电设备产品中约5Hz，远远低于结构带宽和控制器件带宽。该“测角器”带宽在光电设备跟踪回路中，表现为经过了一段时间的延迟，才将测量到的信息通知光电设备，即脱靶量时滞，带来的是控制效果的明显滞后，对动态目标或扰动残余的响应较慢，不能很好进行动态目标跟随和扰动抑制。跟踪回路设计决定光电设备的跟踪响应速度和跟踪精度，直接影响跟踪观测效果。

为实现光电设备对动目标的精确打击，光学稳瞄方式成为较优的选择，而制约光电设备动态跟踪精度的瓶颈，目前主要受限于光电成像、图像处理、跟踪处理和数据交换共同造成的脱靶量延时，以及脱靶量信息以阶跃形式进入跟踪回路，传统的控制方法带来的是控制效果的明显滞后，对动态目标或扰动残余的响应较慢，不能很好进行动态目标跟随和扰动抑制。针对传统方法存在的上述问题，提出一种控制器在实现对跟踪脱靶量时滞补偿同时，为控制系统速率稳定回路提供平滑脱靶量信号，以降低实际光电设备跟踪时，由于时滞和脱靶量的突变造成的视轴极限环振荡和动态过程超调现象，以提高跟踪回路的动态跟踪精度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种光电设备跟踪脱靶量时滞补偿控制方法，以提高光电设备控制回路的跟踪带宽，进而提高光电设备对动态目标的响应性能和跟踪精度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种光电设备跟踪脱靶量时滞补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取光电设备探测器输出的光电探测器目标与光电设备传感器视轴之间的靶面像素坐标或偏差，即脱靶量信号u(k),k 表示时刻；

步骤二、通过f 函数对步骤一获取的脱靶量信号u(k)进行最速平滑规划，即将u(k)输入式（1）、（2）中求出k 时刻平滑后的脱靶量信号和k 时刻平滑后的脱靶量信号的变化率；

（1）

（2）

其中，为k 时刻平滑后的脱靶量信号，为k 时刻平滑后的脱靶量信号的变化率，r 为加速度因子，h 为滤波因子，T 为积分步长，其它参数均为中间变量；

步骤三、对平滑后脱靶量信号时间进行滞后补偿，具体方法为：根据步骤二得到的平滑脱靶量信号和该信号的变化率通过式（3）计算时间前的预测脱靶量以弥补脱靶量的滞后时间；

（3）

步骤四、通过式（4）和（5）对步骤三得到的时间滞后补偿过的脱靶量信号中的误差项进行非线性误差处理：

（4）

（5）

其中，表示误差信号，为线性段的区间长度，，U_c为非线性误差处理后的控制量，K_if为积分增益，K_pf为比例增益，K_df为微分增益，其它参数均为中间变量；

步骤五、将步骤四得到的U_c信号传送至功率驱动器件以控制光电设备传感器视轴跟踪目标。

本发明所述的光电设备探测器包括电视摄像机、点和耦合器件、图像处理模块和图像跟踪模块。

本发明所述步骤一中获取的是光电设备探测器输出的光电探测器目标与光电设备传感器视轴水平方向或者垂直方向之间的靶面像素坐标或偏差。

本发明的有益效果是：传统的光电设备跟踪回路为线性PI控制器，采用本发明的跟踪回路脱靶量时滞补偿控制方法可以使跟踪回路动态响应速度大幅提升，并实现零超调；提升跟踪回路对残余扰动的抑制能力方面，相同动态靶标条件下跟踪回路脱靶量时滞补偿非线性控制方法相对传统控制方法跟踪精度更优；本发明采用非线性误差反馈可以获得比线性反馈更小的稳态误差和更快的扰动响应；采用在原点附近具有线性段的连续幂次函数，形成非线性误差反馈避免了由于符号函数造成的高频颤振现象的出现。

附图说明

图1为本发明控制方法与传统控制方法跟踪回路0.8°阶跃响应仿真对比图；

图2为本发明捕获和跟踪过程示意图。

具体实施方式

如图所示，一种光电设备跟踪脱靶量时滞补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤一、获取光电设备探测器输出的光电探测器目标与光电设备传感器视轴之间的靶面像素坐标或偏差，即脱靶量信号u(k),k 表示时刻；

步骤二、通过f 函数对步骤一获取的脱靶量信号u(k)进行最速平滑规划，即将u(k)输入式（1）、（2）中求出k 时刻平滑后的脱靶量信号和k 时刻平滑后的脱靶量信号的变化率；

（1）

（2）

其中，为k 时刻平滑后的脱靶量信号，为k 时刻平滑后的脱靶量信号的变化率，r 为加速度因子，h 为滤波因子，T 为积分步长，其它参数均为中间变量；

步骤三、对平滑后脱靶量信号时间进行滞后补偿，具体方法为：根据步骤二得到的平滑脱靶量信号和该信号的变化率通过式（3）计算时间前的预测脱靶量以弥补脱靶量的滞后时间；

（3）

步骤四、通过式（4）和（5）对步骤三得到的时间滞后补偿过的脱靶量信号中的误差项进行非线性误差处理：

（4）

（5）

其中，表示误差信号，为线性段的区间长度，，U_c为非线性误差处理后的控制量，K_if为积分增益，K_pf为比例增益，K_df为微分增益，其它参数均为中间变量；

步骤五、将步骤四得到的U_c信号传送至功率驱动器件以控制光电设备传感器视轴跟踪目标。

进一步，所述的光电设备探测器包括电视摄像机、点和耦合器件、图像处理模块和图像跟踪模块。

进一步，所述步骤一中获取的是光电设备探测器输出的光电探测器目标与光电设备传感器视轴水平方向或者垂直方向之间的靶面像素坐标或偏差。

实施例

某型号光电设备仿真测试条件如下：

可见光传感器处于最小视场2.7°×1.7°，先跟踪任意选定目标1，在稳定平台跟踪搜索状态下选定目标2与目标1间水平方向的脱靶量为0.8°或垂直方向的脱靶量为0.8°，对目标2进行跟踪的过程，即为突然加入0.8°阶跃响应的过程，该阶跃响应的性能为捕获跟踪阶段的动态性能。

完成光电设备测试环境搭建，依据上述五个步骤控制器编写、参数调试。在传统PI控制方法和脱靶量时滞补偿非线性控制方法下，分别对光电设备跟踪回路的脱靶量信息进行记录，表1为经典PI算法与本发明方法时域指标对比表，表2为经典PI算法与本发明方法跟踪脱靶量幅值对比表。

表1　经典PI算法与本发明放法时域指标对比

脱靶量时滞补偿非线性控制器的过渡过程时间下降为PI控制方法的40%，而且相比PI控制方法40%的超调量，脱靶量时滞补偿非线性控制方法基本实现了零超调，同时由于采用了非线性控制带来的增益增加，稳态精度数值提升了30%。

采用旋转靶标的等效正弦运动，模拟待跟踪目标的运动过程：在距离稳定平台上可见光传感器12m处放置旋转靶标，可见光传感器处于最小视场2.7°×1.7°下，稳定平台预先跟踪旋转靶标，靶标以10°/s、20°/s、30°/s、40°/s、50°/s、60°/s、70°/s连续旋转，记录两种控制器不同靶标转速下的脱靶量数值。

表2　经典PI算法与本发明方法跟踪脱靶量幅值对比表

由表2可见，随着靶标角速度和角加速度的增加，PI控制算法的跟踪精度下降较快；脱靶量时滞补偿非线性控制方法在靶标0～20°/s情况下，动态跟踪精度（幅值）优于0.17mrad；在靶标30°/s旋转条件下，PI控制算法动态跟踪精度（幅值）为3.5mrad；而靶标65°/s旋转条件下，PI控制算法跟踪误差较大，非常容易出现跟踪丢失现象；脱靶量时滞补偿非线性控制方法即使在85°/s旋转靶标条件下，动态跟踪精度（幅值）在3.32mrad范围内。