一种目标跟踪信号的融合滤波方法与流程

1.本发明属于伺服控制技术领域，具体涉及一种针对低频运动目标的用于改善低带宽、高延时的目标跟踪信号的融合滤波方法，适用于光电跟踪系统的目标跟踪控制。


背景技术：

2.光电跟踪系统多用于目标的探测、跟踪，此类系统通常使用视觉传感器获取目标距离视场中心的偏差量(即脱靶量)来进行闭环控制，从而实现传感器光轴与目标的跟随。
3.但由于输出脱靶量需要针对视觉信息进行大量复杂处理，在硬件性能有限时，脱靶量的输出帧频一般较低且有很大的测量延时。从而对系统的跟踪性能产生严重消极影响。
4.因此，如果能够获取高带宽、低延时的目标跟踪信号，就能够有效提升目标跟踪时的跟踪环路控制器增益，进而提升跟踪环路带宽。


技术实现要素：

5.针对脱靶量闭环跟踪控制方法中跟踪信号存在低带宽、高延时等不足的问题，本发明提出一种用于改善低频率、高延时的目标跟踪信号的融合滤波方法。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种目标跟踪信号的融合滤波方法，基于一个主控单元、一个驱动单元以及具有惯性稳定及视觉提取功能的运动平台构成的跟踪控制系统，所述的主控单元包括融合滤波器和跟踪环控制器，所述的运动平台包括平台轴系、可敏感平台运动的陀螺以及可提取目标距离视场中心的视觉传感系统；包括如下步骤：
7.1)视觉传感系统采集目标与视场中心的偏差，得到测量滞后时间为τ的测量脱靶量em(t-τ)，陀螺采集视觉传感系统光轴在惯性空间中的角速度ωg，角速度ωg进行积分可以得到视觉传感系统光轴在惯性系下相对于初始位置θ
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的相对角位移θg；
8.2)将相对角位移θg人工滞后τ时间，与脱靶量em(t-τ)在时域上进行对齐，得到对齐后角位移θg(t-τ)，通过互补滤波器融合脱靶量em(t-τ)与对齐后角位移θg(t-τ)，得到滤波后脱靶量em'(t-τ)，脱靶量em'(t-τ)相对于脱靶量em(t-τ)大幅提升了测量带宽；
9.3)将新的滤波后脱靶量em'(t-τ)和相对角位移θg作为测量信号输入修正补偿滤波器进行延时补偿，得到延时补偿后的脱靶量估计值脱靶量的估计相对于脱靶量em'(t-τ)大幅减小了延时，最终获得带宽、延时均优于原始脱靶量信号的脱靶量估计。
10.所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其脱靶量em(t-τ)的特点是更新频率较低(通常≤60hz)、测量延时较大，由于频率低，其测量带宽也很低。
11.所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其互补滤波器由低通滤波器h1和与低通滤波器h1互补的高通滤波器h2并联构成。
12.所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其步骤3)是修正补偿滤波器以滤波后脱靶量em'(t-τ)和对齐后角位移θg(t-τ)为测量值，建立n阶目标运动模型(n≥1)，并根据运
动模型进行预测估计，同时结合相对角位移θg对光轴运动部分的延时进行修正补偿，最终得到补偿滤波后脱靶量的估计值
13.本发明的有益效果在于：
14.本发明方法将脱靶量与光电系统中其他传感器信号进行互补滤波，滤波信号相较于脱靶量而言能够显著提升信号频率、降低系统延时，进而提升光电系统的跟踪性能。
15.本发明的融合滤波方法融合陀螺数据后大幅提升了脱靶量信号测量带宽，能够有效提升目标跟踪时高频扰动的抗扰能力。
16.本发明的融合滤波方法获取的估计信号大幅减小了测量延时，能够有效提升目标跟踪时的跟踪环路控制器增益，进而提升跟踪环路带宽。
附图说明
17.图1为本发明跟踪控制系统的结构框图；
18.图2为本发明融合滤波器的原理图；
19.图3为本发明互补滤波器的原理图；
20.图4为本发明修正补偿滤波器的原理图。
21.各附图标记为：1—主控单元，11—融合滤波器，111—互补滤波器，112—修正补偿滤波器，12—跟踪环控制器，2—驱动单元，3—运动平台，31—平台轴系，32—陀螺，33—视觉传感系统。
具体实施方式
22.为进一步说明本发明的目的和技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
23.参照图1所示，本发明基于一个主控单元1、一个驱动单元2以及具有惯性稳定及视觉提取功能的运动平台3构成的跟踪控制系统，所述的主控单元1包括融合滤波器11和跟踪环控制器12，所述的运动平台3包括平台轴系31、可敏感平台运动的陀螺32以及可提取目标距离视场中心的视觉传感系统33。
24.本发明实施的一种针对低频运动目标的用于改善低带宽、高延时的目标跟踪信号的融合滤波方法，原理如图2所示。
25.1)视觉传感系统33采集目标与视场中心的偏差，得到测量滞后时间为τ的测量脱靶量em(t-τ)，获取脱靶量em(t-τ)测量延时，陀螺32采集视觉传感系统33光轴在惯性空间中的角速度ωg，角速度ωg进行积分可以得到视觉传感系统33光轴在惯性系下相对于初始位置θ
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的相对角位移θg，即陀螺积分信号。其中脱靶量em(t-τ)的特点是更新频率较低(通常≤60hz)、测量延时较大，由于频率低，其测量带宽也很低，而角速度ωg的特点是测量带宽较高、延时较小，但存在零偏bb及随机游走br等低频误差。
26.2)将相对角位移θg人工滞后τ时间，与脱靶量em(t-τ)时域对齐，一同输入互补滤波器111获得滤波后的脱靶量信号em'(t-τ)，脱靶量em'(t-τ)相对于脱靶量em(t-τ)大幅提升了测量带宽。
27.3)将滤波后脱靶量em'(t-τ)和相对角位移θg作为测量信号输入修正补偿滤波器
112进行延时补偿，得到延时补偿后的脱靶量估计值脱靶量的估计相对于脱靶量em'(t-τ)大幅减小了延时，最终获得估计值带宽、延时均优于原始脱靶量信号的脱靶量。
28.本发明实施的互补滤波器111由低通滤波器h1和与低通滤波器h1互补的高通滤波器h2并联构成。如图3所示，图中h1表示低通滤波器，h2表示与h1互补的高通滤波器。由于脱靶量em(t-τ)中包含的目标运动信息频率较低，因此当低通滤波器h1截止频率大于目标运动频率时，融合滤波结果em'(t-τ)并未损失目标运动信息，同时还融入了陀螺积分信号θg的光轴高频运动信息。
29.本发明实施的修正补偿滤波器112原理如图4所示，以滤波后脱靶量em'(t-τ)和对齐后角位移θg(t-τ)为测量值，建立n阶目标运动模型(n≥1)，并根据运动模型进行预测估计；同时结合相对角位移θg对光轴运动部分的延时进行修正补偿，最终得到补偿滤波后脱靶量估计值
30.本领域的技术人员容易解读，以上所述仅为本发明的较佳使用案例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明保护范围内。


技术特征：
1.一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其特征在于，基于一个主控单元(1)、一个驱动单元(2)以及运动平台(3)构成的跟踪控制系统，所述的主控单元(1)包括融合滤波器(11)和跟踪环控制器(12)，所述的运动平台(3)包括平台轴系(31)、可敏感平台运动的陀螺(32)以及可提取目标距离视场中心的视觉传感系统(33)；包括如下步骤：1)视觉传感系统(33)采集目标与视场中心的偏差，得到测量滞后时间为τ的测量脱靶量e
m
(t-τ)，陀螺(32)采集视觉传感系统(33)光轴在惯性空间中的角速度ω
g
，角速度ω
g
进行积分得到视觉传感系统(33)光轴在惯性系下相对于初始位置θ
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的相对角位移θ
g
；2)将相对角位移θ
g
人工滞后τ时间，与脱靶量e
m
(t-τ)在时域上进行对齐，得到对齐后角位移θ
g
(t-τ)，通过互补滤波器(111)融合脱靶量e
m
(t-t)与对齐后角位移θ
g
(t-τ)，得到滤波后脱靶量e
m
′
(t-τ)；3)将滤波后脱靶量e
m
′
(t-τ)和相对角位移θ
g
作为测量信号输入修正补偿滤波器(112)进行延时补偿，得到脱靶量估计值最终获得带宽、延时均优于原始脱靶量信号的脱靶量估计。2.根据权利要求1所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其特征在于，所述的脱靶量e
m
(t-τ)更新频率≤60hz。3.根据权利要求1或2所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其特征在于，所述的互补滤波器(111)由低通滤波器h1和与低通滤波器h1互补的高通滤波器h2并联构成。4.根据权利要求3所述的一种目标跟踪信号的融合滤波方法，其特征在于，所述的步骤3)是修正补偿滤波器(112)以滤波后脱靶量e
m
′
(t-τ)和对齐后角位移θ
g
(t-τ)为测量值，建立n阶目标运动模型(n≥1)，并根据运动模型进行预测估计，同时结合相对角位移θ
g
对光轴运动部分的延时进行修正补偿，最终得到补偿滤波后脱靶量的估计值

技术总结
本发明公开了一种目标跟踪信号的融合滤波方法，基于主控单元、驱动单元以及运动平台构成的跟踪控制系统，主控单元包括融合滤波器和跟踪环控制器，运动平台包括平台轴系、陀螺以及视觉传感系统；本发明方法将脱靶量与光电系统中其他传感器信号进行互补滤波，滤波信号相较于脱靶量而言能够显著提升信号频率、降低系统延时，进而提升光电系统的跟踪性能。进而提升光电系统的跟踪性能。进而提升光电系统的跟踪性能。


技术研发人员：吴海涛 方昉 欧阳胡坡
受保护的技术使用者：武汉华中天经通视科技有限公司
技术研发日：2022.10.31
技术公布日：2023/1/23