专利名称：跟踪系统中基于角度信息的前馈控制方法
技术领域：
本发明属于光电控制领域，具体涉及到一种基于角位置信息的速度、加速度前馈控制方法，可用于目标的高精度跟踪。
背景技术：
在光电跟踪控制系统中，目标的高精度跟踪是非常重要的工作。美国林肯实验室设计的“火池”控制系统，利用角位置信息以及高精度的测距信息实现共轴跟踪，取得好的控制效果。在国内跟踪控制系统中，一般采用了基于角位置信息合成的速度前馈(预测滤波技术在光电经纬仪中的应用仿真，光电工程，Vol (8), 2002)也取得了一定结果。但是该方法只采用了速度前馈，没有对角加速度补偿，其提高精度有限。此外，对控制系统的稳定性也没有详细的阐述。
发明内容
为了解决现有技术没有对角加速度补偿的技术方案，及提高系统精度不显著的技术缺陷，本发明的目的是提供一种跟踪系统中基于角位置信息的前馈控制方法。为实现本发明的目的，本发明提供跟踪系统中基于角位置信息的前馈控制方法的技术解决方案如下步骤所述步骤SI :在控制对象上面安装有编码器和C⑶探测器，C⑶探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息，CCD探测器对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S2 :跟踪控制器接收目标脱靶量e(k)，并将目标脱靶量e(k)生成并输出跟踪控制信号；步骤S3 :第一相加单元对目标脱靶量和编码器角度信息做加处理，提取出目标轨迹信息；步骤S4 =Kalman滤波器接收提取出的目标轨迹信号，并利用Kalman滤波器从提取出的目标轨迹信号中获取目标的速度、加速度信号；步骤S5 :前馈控制器将目标的速度、加速度信号生成并输出前馈控制信号；步骤S6 :第二相加单元接收前馈控制信号和跟踪控制信号，并对前馈控制信号和跟踪控制信号做相加处理，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。本发明相比当前控制方法的优点有仅仅利用CCD探测器、编码器提供的角位置信息，实现速度、加速度前馈控制技术，提高光电跟踪系统的跟踪能力。可以有效地减小速度、加速度滞后误差；)由于只利用了角度信息，不需要距离信息，系统简单；采用了经典的Kalman滤波算法，不需要增加系统负担，稳定可靠。
图I为本发明实现目标跟踪的控制装置示意图。图2为本发明图I的频率域传递函数原理图。图3为采用本发明方法的控制误差曲线。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
说明本发明，本领域的技术人员可根据本说明书揭示的内容了解本发明的功效及优点。图I示出一种实现目标跟踪的控制装置包括跟踪控制器、前馈控制器、滤波器、控制对象；该控制装置组包含了由跟踪控制器形成的反馈环路以及前馈控制器形成的前馈环路。采用所述装置实现前馈(速度、加速度前馈)控制方法的步骤如下 步骤SI :在控制对象上面安装有编码器和CCD探测器，CCD探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息，CCD探测器对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);所述目标脱靶量e(k)是目标轨迹与控制对象同步运动编码器的角度号之差。步骤S2 :跟踪控制器接收目标脱靶量e(k)，并将目标脱靶量e(k)生成并输出跟踪控制信号；步骤S3 :第一相加单元对目标脱靶量和编码器角度信息做加处理，提取出目标轨迹信息；值得注意是，由于当前目标脱靶量一般滞后角位置信息。因此，需要用当前目标脱靶量信息与前面时刻的角度信息相加，获取目标当前的轨迹信息；步骤S4 =Kalman滤波器接收提取出的目标轨迹信号，并利用Kalman滤波器从提取出的目标轨迹信号中获取目标的速度、加速度信号，所述Kalman滤波器是基于一个四阶牛顿运动方程建立的Kalman滤波器；步骤S5 :前馈控制器将目标的速度、加速度信号生成并输出前馈控制信号(包括速度前馈控制信号、加速度前馈控制信号)；步骤S6 :第二相加单元接收前馈控制信号和跟踪控制信号，并对前馈控制信号和跟踪控制信号做相加处理，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。本发明提供基于角位置信息的前馈控制方法的技术解决方案中I、加速度、速度的前馈控制器与跟踪控制器的关系加速度前馈、速度前馈同时加在一点(跟踪控制器的输出)，这就表明这前馈控制器的更新频率和跟踪控制器的频率同步。2、速度、加速度获取利用CXD探测器、编码器提供的角度信息，建立一个四阶运动方程，通过Kalman滤波技术得到运动目标的角速度、角加速度。值得注意的是CCD探测器与编码器的角度信息在时刻上对齐。3、前馈控制器的参数速度、加速度前馈控制器是由Kalman滤波器得到的目标速度、加速度分别乘以系数实现的。前馈控制器是由Kalman滤波器的滤波得到目标的速度、加速度的线性函数，速度前馈的系数取1，加速度前馈的系数稍大于目标脱靶量滞后时间T。为了说明本发明的功效，图2示出本发明的图I的原理图，下面从传递函数来分析跟踪系统的闭环性能，其中各个变量的定义如下e_Ts :(XD探测器特性的传递函数；L 延迟因子；Ctt(S):前馈控制器的传递函数；D(s) =Kalman滤波器的传递函数；Gc(s):跟踪控制器的传递函数； Gp(S):控制对象的传递函数；其中，s为拉普拉斯变换变换算子J1为当前时刻编码器信号比理想时刻编码器角度信号延迟时间；Tff为等效带宽常数；f、C、p为上述变量的脚标记且无含义。图2的信号流程为由安装在控制对象上的CCD探测器实现目标的轨迹信号与控制对象上的编码器输出角度信号相减得到目标脱靶量的信号。目标脱靶量信号作为跟踪控制器(其传递函数为GJs))的输入。同时，利用目标脱靶量信号与编码器的角度信号相加得到目标的轨迹信号，该目标的轨迹信号流向Kalman滤波器(其传递函数为D(S))产生目标的速度、加速度信号，将它们作为前馈控制器(其传递函数为Gff(S))的输入。将跟踪控制器的输出以及前馈控制器(其传递函数为Gff (s))的输出相加得到驱动控制信号，并送至给控制对象，实现闭环过程。原理分析从原理图2可以得到该跟踪控制系统的传递函数Gdtjse(S)为
「00411 O 7 (^) =-----^----〈丄 J
。'咖' I+(., (;,"(.、>’ /s +(C '、-e l^Gii(S)D(S)GiXS)跟踪控制系统的误差传递函数Error (s)为
「 n r ,、[1-c^(.v)]Error(s)=-不-r ----KD
l + (；.(.v)(； (.v)e +(e --c(,s.)前馈控制器Gff (s)由下等式给出，系统性能最优G .J (.V) = Gp 1 (.v)c;/|S D 1 (.s.)(])很显然，由公式3可以知道要实现对误差的全补偿，尤其控制对象的补偿是非常困难的。由于目标脱靶量滞后时间T<< 1，于是可以认为
^=i + ^ + ^V+^rV+--i + rs，控制对象的传递函，于是前馈控制传
递函数Gff(S)设计为Gff (s) = s+ (TjTff) S2(4)等式(4)表明了该前馈控制传递函数同时包含了速度、加速度信息。速度前馈系数为1，而加速度前馈系数为(TJTff),实际上就是稍大于目标脱靶量滞后时间T。采用低通滤波器DCv) =描述Kalman滤波器的特性，Tff就是等效带宽常数。由公式(2)可以知道，前馈控制对跟踪控制系统性能的改善如公式(5)描述
权利要求
1.ー种跟踪系统中基于角度信息的前馈控制方法，其特征在于 步骤SI :在控制对象上面安装有编码器和CCD探測器，CCD探測器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息，CCD探測器对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； 步骤S2 :跟踪控制器接收目标脱靶量，并将目标脱靶量生成并输出跟踪控制信号； 步骤S3 :第一相加单元对目标脱靶量和编码器角度信息做加处理，提取出目标轨迹信息； 步骤S4 =Kalman滤波器接收提取出的目标轨迹信号，并利用Kalman滤波器从提取出的目标轨迹信号中获取目标的速度、加速度信号； 步骤S5 :前馈控制器将目标的速度、加速度信号生成并输出前馈控制信号； 步骤S6 :第二相加単元接收前馈控制信号和跟踪控制信号，并对前馈控制信号和跟踪·控制信号做相加处理，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。
2.如权利要求I所述跟踪系统中基于角度信息的前馈控制方法，其特征在于所述Kalman滤波器是基于一个四阶牛顿运动方程建立的Kalman滤波器。
3.如权利要求I所述跟踪系统中基于角度信息的前馈控制方法，其特征在于前馈控制器是由Kalman滤波器的滤波得到目标的速度、加速度的线性函数，速度前馈的系数取1，加速度前馈的系数稍大于目标脱靶量滞后时间。
全文摘要
本发明公开一种跟踪系统中基于角度信息的前馈控制方法，在控制对象上面安装有编码器和CCD探测器，CCD探测器接收编码器的角度信息和目标的轨迹信息并对角度信息和目标的轨迹信息做相减处理，提取目标脱靶量；跟踪控制器接收并将目标脱靶量生成并输出跟踪控制信号；第一相加单元对目标脱靶量和角度信息做加处理，提取出目标的轨迹信息；Kalman滤波器接收并从提取出的目标轨迹信号中获取目标的速度、加速度信号；前馈控制器将目标的速度、加速度信号生成并输出前馈控制信号；第二相加单元接收并对前馈控制信号和跟踪控制信号做相加处理，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。
文档编号G05D3/12GK102736636SQ20121019278
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘儒贞, 包启亮, 吴琼燕, 唐涛, 李志俊 申请人:中国科学院光电技术研究所