一种基于多阶运动信息估计的前馈控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法。CCD探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息做相减处理，提取目标脱靶量；位置修正控制器接收CCD探测器所采集到的目标脱靶量信息，并将目标脱靶量生成并输出跟踪控制信号，最终体现在控制对象指向角度的变化；编码器角度信息和目标脱靶量相加，提取得到反映目标真实运动轨迹的信息；多阶目标运动信息估计器接收提取出的目标轨迹信号，并利用该信号获取目标运动的速度、加速度、加加速度等高阶信号；前馈控制器接收目标的上述高阶信号生成并输出前馈控制信号；前馈控制信号和位置修正控制信号相加，生成并输出驱动控制信号，用于驱动控制对象，实现对目标脱靶量的闭环校正。
【专利说明】
-种基于多阶运动信息估计的前馈控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于光电跟踪控制领域，具体的设及一种基于多阶目标运动信息估计的前 馈控制方法，主要用于实现对目标的高精度跟踪。
【背景技术】
[0002] 在光电控制系统目标跟踪过程中，实现目标的高精度跟踪是工作的重点。美国林 肯实验室研发的"火池"控制系统利用角位置信息和高精度测距信息实现共轴跟踪，取得了 很好的控制效果。在国内跟踪控制系统中，主要利用角位置信息对角速度和角加速度进行 估计，然后依靠估计量进行前馈控制W提高跟踪精度。
[0003] 前馈能有效提高跟踪精度是因为前馈能在不影响系统稳定性的前提下，能有效提 高系统的输入抑制特性，增加前馈的阶数能进一步提高系统跟踪能力。文献《预测滤波技术 在光电经缔仪中的应用仿真》(光电工程，Vol(S) ,2002)采用了速度前馈方法进行仿真，提 高了跟踪精度。在此基础上，公开号为CN 102736636A《跟踪系统中基于角度信息的前馈控 制方法》的中国专利对预测滤波模型进行了改进，添加了加速度前馈，进一步提高系统跟踪 精度。
[0004] 然而，高阶前馈的阶数越高，其对噪声越敏感。对于跟踪系统而言，系统噪声主要 包含两部分，一是传感器所带来的数据本身噪声，二是由于采样时间间隔不确定而带来的 采样噪声。如上方法在对运动速度、加速度信息的获取上采用的是基于牛顿运动模型的卡 尔曼滤波器，运种方法能对传感器本身的数据噪声有一定的效果，但是不能处理由采样时 间间隔不确定而带来的采样噪声，同时该方法为线性滤波，对于角度的预测估计存在较大 的模型误差，该模型误差会在扩展状态观测器的高阶分量时会被放大;并且卡尔曼滤波器 本身具有计算量大，且依靠先验，对初始参数敏感等缺点。因此，此方法在系统前馈控制的 精度和实时性上提升上依旧有限。
【发明内容】
[0005] 针对传统的基于运动模型的卡尔曼预测滤波前馈控制所存在的不足，本发明从控 制和数据融合滤波相融合的方向分析，采用多阶目标运动信息估计方法，其目的是提供一 种基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法。
[0006] 多阶目标运动信息估计方法是从控制角度来看滤波问题，若在设计控制器过程中 综合考虑滤波特性和各运动分量间关系(位置、速度、加速度之间为逐级微分关系，反之则 为积分环节），则可在滤波器中W积分环节为基本单元设计，运在控制器设计过程中是比较 容易实现的。
[0007] 本发明的技术解决方案为:采用多阶目标运动信息估计方法对目标轨迹信息逐级 嵌套高阶滤波，控制过程中通过积分方式得到目标运动的速度、加速度，甚至更高阶的运动 分量，然后通过闭环回路进行前馈控制。
[000引具体实现步骤如下：
[0009] 步骤（I):在控制对象上面安装编码器和CCD探测器，编码器获取对象的姿态角度 信息，CCD探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息做相减处理，提取目标脱祀量e 化)；
[0010] 步骤(2):位置修正控制器接收CCD探测器所采集到的目标脱祀量信息e化），并将 目标脱祀量e化)生成并输出跟踪控制信号，最终体现在控制对象指向角度的变化；
[0011] 步骤(3):编码器角度信息y化)和目标脱祀量e化)相加，提取得到反映目标真实运 动轨迹的信息Hk);
[0012] 步骤(4):多阶目标运动信息估计器接收提取出的目标轨迹信号，并利用该信号获 取目标运动的速度、加速度、加加速度W及更高阶信号；
[0013] 步骤(5):前馈控制器接收目标的速度、加速度、加加速度W及更高阶信号生成并 输出前馈控制信号；
[0014] 步骤(6):前馈控制信号和位置修正控制信号相加，生成并输出驱动控制信号，用 于驱动控制对象，实现对目标脱祀量e化)的闭环校正。
[001引其中，步骤(4)中从控制角度出发，在控制器设计过程中考虑外回路主要由比例积 分环节构成，且积分环节为多个，实现对速度、加速度、加加速度W及更高阶信号的估计；
[0016] 其中，步骤(4)中每个积分环节形成内回路，加上比例反馈，W此提升控制内部过 程变量的估计精度，运样可通过反向微分单独获得每个控制过程变量。
[0017] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0018] (1)相对基于运动模型的卡尔曼预测估计前馈控制方法，该发明不基于目标的运 动模型，降低了卡尔曼滤波中扩张状态观测器的估计误差，避开了依靠先验和对初始参数 敏感，结合控制降低了计算量，提高了算法实时性；
[0019] (2)只依靠 CCD探测器、编码器提供的角位置信息，不仅仅能实现速度、加速度前馈 控制技术，还能提供更高阶的前馈控制技术，进一步提高光电跟踪系统的跟踪能力；
[0020] (3)相对目前的状态估计方法来说，最主要是与控制具有很好的结合性和扩展性， 降低了估计误差，实现简单。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法结构图。
[0022] 图2是本发明的多阶目标运动信息估计的控制器设计结构图。
【具体实施方式】
[0023] W下结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0024] 如图1所示是本发明的基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法结构图，其中 包括:多阶目标运行信息估计器、前馈控制器、位置修正控制器、控制对象;该控制装置组包 含了由位置修正控制器形成的闭环反馈回路和由多阶目标运动信息估计器、前馈控制器构 成的前馈回路。采用所述装置实现前馈(速度、加速度、加加速度)控制方法的步骤如下：
[0025] 下面W二阶目标运动信息估计为例进行详细说明：
[0026] 步骤（1):控制对象上安装编码器和CCD探测器，编码器直接获取控制对象的指向 角度，CCD探测器直接获取到的脱祀量e(k)实为目标真实位置和被控对象当前所指角度的 偏差；
[0027] 步骤(2):位置修正控制器接收CCD探测器所采集到的目标脱祀量信息e化），并将 目标脱祀量e化)生成并输出跟踪控制信号，最终体现在控制对象指向角度的变化，W此实 现主要的位置闭环回路；
[0028] 步骤(3):编码器角度信息y化)和目标脱祀量e化)相加，提取得到反映目标真实运 动轨迹的信息Hk),运里由于编码器获取角度的频率一般远远大于CCD探测器获取的目标 脱祀量的频率，且CCD探测器存在滞后，因此一般会对合成轨迹Hk)进行平滑和外推处理， W获取更准确的目标真实运动轨迹数据；
[0029] 步骤(4):多阶目标运动信息估计器接收提取出的目标轨迹信号，并利用该信号获 取目标运动的速度、加速度、加加速度W及更高阶信号。
[0030] 具体实现方式如下：
[0031] 如图2所示，从控制角度出发，在控制器设计过程中考虑外回路主要由比例积分环 节构成，且积分环节为多个，实现对位置、速度、加速度、加加速度等高阶信息的估计，其控 制输出表达式如下；
[0032
[00削其中，0为位置输入，06为滤波后的位置估计输出，klk2为内环负反馈比例系数，k3 为外环比例系数，#为速度估计，^为加速度估计，为加加速度估计，W此类推。若需获 取更高阶的估计信息，可继续扩展积分环节。
[0034] 在设计控制器过程中，需保证控制器的时域稳定性，满足李雅普诺夫稳定性判据。 从频域角度分析滤波器的特性，响应带宽，保证能有效滤波;将过程变量输出，作为目标运 动信息的高阶估计；
[0035] 步骤(5):前馈控制器接收目标的速度、加速度、加加速度W及更高阶信号生成并 输出前馈控制信号；
[0036] 步骤(6):前馈控制信号和位置修正控制信号相加，生成并输出驱动控制信号，用 于驱动控制对象，实现对目标脱祀量e化)的闭环校正。
【主权项】
1. 一种基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法，其特征在于:其具体步骤如下： 步骤（1):在控制对象上面安装编码器和CCD探测器，编码器获取对象的姿态角度信息， CCD探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息做相减处理，提取目标脱靶量e(k); 步骤(2):位置修正控制器接收CCD探测器所采集到的目标脱靶量e(k)，并将目标脱靶 量e(k)生成并输出跟踪控制信号，最终体现在控制对象指向角度的变化； 步骤(3):编码器角度信息y(k)和目标脱靶量e(k)相加，提取得到反映目标真实运动轨 迹的信息r(k); 步骤(4):多阶目标运动信息估计器接收提取出的目标轨迹信号，并利用该信号获取目 标运动的速度、加速度、加加速度以及更高阶信号； 步骤(5):前馈控制器接收目标的速度、加速度、加加速度以及更高阶信号生成并输出 前馈控制信号； 步骤(6):前馈控制信号和位置修正控制信号相加，生成并输出驱动控制信号，用于驱 动控制对象，实现对目标脱靶量e (k)的闭环校正。2. 根据权利要求1所述的一种基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法，其特征在 于：步骤(4)中从控制角度出发，在控制器设计过程中考虑外回路主要由比例积分环节构 成，且积分环节为多个，实现对速度、加速度、加加速度以及更高阶信号的估计。3. 根据权利要求1所述的一种基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法，其特征在 于:步骤(4)中每个积分环节形成内回路，加上比例反馈，以此提升控制内部过程变量的估 计精度，这样可通过反向微分单独获得每个控制过程变量。
【文档编号】G05B13/04GK105955027SQ201610375836
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】邓超, 田竞, 曹政, 刘琼, 毛耀
【申请人】中国科学院光电技术研究所