一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法技术方案

一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，涉及伺服控制领域。本发明专利技术提供以下方案，首先测量视轴系在惯性空间的角速度ω

【技术实现步骤摘要】
一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及伺服控制

技术背景
[0002]光电转台控制系统是定向能武器的一个关键组成部分，旨在利用多轴转台实现移动载具上光电传感器对远距离目标的跟踪与瞄准，一般由视轴稳定与视轴跟踪两个子系统构成。其中视轴稳定系统通过惯性稳定平台稳定负载空间指向，视轴跟踪系统通过多种目标探测装置如雷达、红外光、可见光等探测目标方位，并使视轴跟踪瞄准目标。
[0003]一般而言，为减小基座运动对目标跟踪的影响，目前常用的动基座光电跟踪系统的视轴稳定方法为基于角速度陀螺仪的视轴稳定方法，该方法直接利用陀螺仪的角速度信息实现视轴稳定，将陀螺仪角速度作为转台轴系速度环的反馈量，使视轴稳定在惯性空间中，但没有结合目标运动信息。
[0004]为减小跟踪运动目标的跟踪误差，目前常用的光电跟踪系统的目标跟踪方法为基于指令顺馈的补偿方法，该方法由轴系位置指令估计出轴系速度指令，作为顺馈量进行补偿，但在只能获取目标脱靶量的情况下效果不佳，并且不适用于基座运动的情况。
[0005]以上两种方法虽然都能减少对目标跟踪效果的不利影响，但不能够相互配合，并且不能同时对基座运动和目标运动进行补偿。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决了视轴稳定系统和目标跟踪系统在减少对目标跟踪效果的不利影响时不能够相互配合，并且不能同时对基座运动和目标运动进行补偿的问题；为解决上述技术问题本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，所述动基座光电转台用于承载光学探测设备，所述视轴稳定及跟踪控制方法包括以下步骤：
[0007]S1、针对待控制的动基座光电转台方位轴和俯仰轴的旋转关系，构建转台基座系到视轴系的旋转矩阵；
[0008]S2、测量视轴系在惯性空间的角速度ω
c
，并计算基座系角速度ω
b
；
[0009]S3、由S2得到的基座系角速度ω
b
进行积分得到基座姿态；
[0010]S4、根据S1和S3得到的旋转关系，计算视轴系到世界系的旋转矩阵：
[0011]S5、当有目标进入光学探测设备的视场时，采集光学探测设备观测到目标相对于视轴的横向脱靶量φ
horz
和纵向脱靶量φ
vert
，同时获得目标相对于转台的距离d，结合S4得到的视轴系到世界系的旋转矩阵，使用扩展卡尔曼滤波估计目标在世界系中的位置、速度、加速度；
[0012]S6、利用S5中得到的扩展卡尔曼滤波估计目标在世界系中的位置、速度、加速度，计算目标在基座系的位置和速度；
[0013]S7、由S6中目标在基座系下的位置和速度，计算视轴完全指向目标时转台的轴系
角速度，即顺馈补偿量和
[0014]S8、将S5中的横向脱靶量和纵向脱靶量分别作为转台方位轴和俯仰轴的位置环偏差，经过位置环控制器计算得到速度环指令，方位轴速度环前需要将位置环控制器输出除以cosθ，将速度环指令加上S7中的顺馈补偿量和再减去轴系角速度反馈值，得到速度环偏差，即实现动基座光电转台的视轴稳定和跟踪控制。
[0015]进一步的，提供一种优选实施方式，所述基座系到视轴系的旋转矩阵为：
[0016][0017]式中，ψ为转台方位角，以OZ
b
轴为正方向，θ为转台俯仰角，以OX
c
轴为正方向。
[0018]进一步的，提供一种优选实施方式，计算所述基座系角速度ω
b
为：
[0019][0020]式中，为转台方位轴角速度，为转台俯仰轴角速度。
[0021]进一步的，提供一种优选实施方式，对S3中所述基座系角速度ω
b
进行积分得到基座姿态的离散表达式为：
[0022][0023]式中，Exp(
·
)表示罗德里格旋转公式，T为采样周期。
[0024]进一步的，提供一种优选实施方式，S4中计算所述视轴系到世界系的旋转矩阵为：
[0025][0026]进一步的，提供一种优选实施方式，S6中计算目标在基座系下的位置和速度为：
[0027][0028][0029]式中，[
·
]×
表示向量的反对称矩阵。
[0030]进一步的，提供一种优选实施方式，S7中顺馈补偿量和为：
[0031][0032]进一步的，提供一种优选实施方式，所述S5中扩展卡尔曼滤波器计算公式为：
[0033][0034][0035][0036][0037]P
k|k
＝(I
‑
K
k
H
k
)P
k|k
‑1；
[0038]卡尔曼滤波使用CA模型，将目标在世界系下的位置、速度、加速度作为状态变量：
[0039][0040]系统状态转移矩阵为：
[0041]其中
[0042]系统的过程噪声协方差为：
[0043]其中
[0044]系统测量方程为：
[0045][0046]其中，测量噪声协方差矩阵为和分别是脱靶量和距离的噪声方差；
[0047]对测量方程取一阶泰勒近似：
[0048][0049][0050]式中H1和H2分别为脱靶量和距离对目标在世界系下位置的雅可比矩阵。
[0051]进一步的，提供一种优选实施方式，S8中方位轴位置环控制器输出补偿方案为：
[0052]将视轴系下的角速度指令转换为转台轴系角速度指令，视轴系角速度ω
c
的表达式为：
[0053][0054]在上式中，把基座系角速度ω
b
作为扰动，轴系角速度在转台方位轴上的分量为：
[0055][0056]方位轴速度环前将位置环控制器输出除以cosθ，得到其在方位轴系下的分量。
[0057]本专利技术的有益之处在于：
[0058]本专利技术提出一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，结合目标探测信息和陀螺仪角速度信息，通过陀螺仪角速度积分计算基座相对姿态，再对目标状态进行估计，使得光电伺服转台在动基座情况下，补偿由目标运动和基座运动带来的跟踪误差，实现高精度的视轴稳定及跟踪控制。
[0059]本专利技术还适用于动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法工作过程中。
附图说明
[0060]图1为实施方式一所述的一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法的动基座光电转台的结构示意图。
[0061]图2为实施方式一所述的一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法的控制结构图。
[0062]图3和图4为实施方式七所述的一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法的加入顺馈补偿前后的对比问题，其中，图3为横向脱靶量对比图，图4为纵向脱靶量对比图。
[0063]其中，1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，所述动基座光电转台用于承载光学探测设备，其特征在于，所述视轴稳定及跟踪控制方法包括以下步骤：S1、针对待控制的动基座光电转台方位轴和俯仰轴的旋转关系，构建转台基座系到视轴系的旋转矩阵；S2、测量视轴系在惯性空间的角速度ω
c
，并计算基座系角速度ω
b
；S3、由S2得到的基座系角速度ω
b
进行积分得到基座姿态；S4、根据S1和S3得到的旋转关系，计算视轴系到世界系的旋转矩阵：S5、当有目标进入光学探测设备的视场时，采集所述目标相对于视轴的横向脱靶量φ
horz
和纵向脱靶量φ
vert
，同时获得目标相对于转台的距离d，结合S4得到的视轴系到世界系的旋转矩阵，使用扩展卡尔曼滤波估计目标在世界系中的位置、速度、加速度；S6、利用S5中得到的扩展卡尔曼滤波估计目标在世界系中的位置、速度、加速度，计算目标在基座系的位置和速度；S7、由S6中目标在基座系下的位置和速度，计算视轴完全指向目标时转台的轴系角速度，即顺馈补偿量和S8、将S5中的横向脱靶量和纵向脱靶量分别作为转台方位轴和俯仰轴的位置环偏差，经过位置环控制器计算得到速度环指令，方位轴速度环前需要将位置环控制器输出除以cosθ，将速度环指令加上S7中的顺馈补偿量和再减去轴系角速度反馈值，得到速度环偏差，即实现动基座光电转台的视轴稳定和跟踪控制。2.根据权利要求1所述的动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，其特征在于，所述基座系到视轴系的旋转矩阵为：式中，ψ为转台方位角，以OZ
b
轴为正方向，θ为转台俯仰角，以OX
c
轴为正方向。3.根据权利要求1所述的动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，其特征在于，计算所述基座系角速度ω
b
为：式中，为转台方位轴角速度，为转台俯仰轴角速度。4.根据权利要求1所述的动基座光电转台控制系统的视轴稳定及跟踪控制方法，其特征在于，对S3中所述基座系角速度ω
b<...

【专利技术属性】
技术研发人员：武博涵，邢宝祥，马尧，王博，陈松林，
申请(专利权)人：哈尔滨工大航博科技有限公司，
类型：发明
国别省市：