光电平台自动跟踪控制技术论文

光电平台自动跟踪控制技术

摘要：光电平台跟踪精度是其一项重要技术指标，影响跟踪精度因素较多，从基本控制理论出发，探讨了前馈控制，速度、加速度滞后补偿，共轴跟踪，新型控制策略等提高跟踪精度的方法。

关键词：光电平台自动跟踪控制技术延迟补偿

光电平台是一个集光、机、电、算等技术于一体的复杂系统，广泛应用于侦察、安保、消防、监控、打击效果评估等众多领域。在较先进的光电平台中，要求平台各框架能自动跟随感兴趣目标运动，使光电探测设备的光轴始终精确指向目标，以便容易完成对目标的判断、识别、测量等。因此，自动跟踪控制精度是光电平台中一项重要技术指标。影响光电平台跟踪控制精度的因素较多，主要因素有以下几个方面：①光电传感器静态误差：光电传感器主要由光电探测器、信号处理系统、光学系统等部分组成。探测器产生静态误差主要有灵敏度、分辨率、线性度、信噪比等；信号处理系统主要有漂移、量化误差等；光学系统主要有通光口径、焦距、装调误差等。②光电传感器动态误差：主要有光轴的动态晃动，光电探测器的响应延迟，信号处理系统的处理延迟等。③内环控制指标：指内环带宽、稳定性、控制精度等。④目标机动特性：指目标运动的速度、加速度、甚至加加速度等指标。

在闭环控制系统中，为了提高控制精度，一般采取提高增益，增加积分环节提高无静差度等措施。提高增益会增大系统带宽，受到系统机械谐振频率、传感器采样频率、信号处理频率等的限制，

带宽不能随意增大。增加积分环节将使系统稳定性变差，加大超调，甚至造成系统不稳定。因此，必须探求提高光电平台跟踪精度的新方法。

前馈控制或称复合控制是在闭环控制系统中增加一开环控制支路，用来提供输入信号的一阶、二阶甚至更高阶导数，提高系统的无静差度，较好地解决了控制精度与稳定性之间的矛盾。在光电平台的跟踪系统中，光电探测器只能测量目标相对光轴中心的相对偏差，不能直接测量出目标运动的角度、角速度等。采用平台台体测量的绝对位置和光电探测器测量的相对偏差两者合成出目标位置，采用滤波预测技术估算出目标角速度，前馈于跟踪控制系统构成复合控制。由于绝度位置和相对偏差测量时采样频率不同、采用时间不同步，经微分运算后将产生更大的干扰，该方法在实际使用中效果没有真实的复合控制效果好。

将平台台体测量的平台速度，采用低通滤波后的结果作为目标运动的速度正反馈于系统，构成一种等效的复合控制（通常称为速度滞后补偿法）。该方法实现简单、易用，已在光电平台中广泛采用。对跟踪机动性较强的目标，在速度滞后补偿的基础上，还可以采用加速度滞后补偿（将速度低通滤波后的结果微分得到加速度，将加速度再经过低通滤波后的结果正反馈于系统）。速度滞后补偿、加速度滞后补偿影响了系统的动态性能，不能用于捕获阶段。而是在系统进入稳态跟踪以后再缓慢地将滞后补偿加入。这样保证了系统的动态性能，又提高了系统的稳态跟踪精度，在实践中获得了明

显效果。

共轴跟踪是计算机技术与复合控制技术相结合产生的一种新思想。它分两部分：一部分是由计算机根据目标特征建立机动目标的模型，并对测量数据进行滤波预测处理，提供目标准确的角位置、角速度、角加速度等信息；另一部分实现伺服控制任务，两部分各自独立，互不影响。将第一部分处理后的角位置作为跟踪环的输入，将处理后的角速度以及更高阶导数作为前馈信号，构成复合控制。计算机对测量数据的处理带宽可以设计很窄，以最大限度抑制噪声和干扰，减小随机误差。伺服控制带宽可以设计较宽，显著地降低系统误差，保证跟踪的快速性和准确性。共轴跟踪实现的关键是滤波预测技术，常用的滤波预测技术有多种，如有限记忆最小平方滤波、自适应滤波、常增益递推滤波、卡尔曼滤波等。对跟踪机动性较强的目标，卡尔曼滤波效果最好。但是，卡尔曼滤波需要目标的运动统计模型，并且需要目标的距离信息。

增加积分环节可以提高系统的无静差度，但同时将影响甚至破坏系统的稳定性。充分利用计算机控制容易实现控制结构变换的优点，可以根据系统状态情况实现系统稳定和提高控制精度两者之间的平衡。例如在车载自保护武器系统中，使用了三个比例积分校正环节和一个非最小相位超前环节组成了跟踪环的串联补偿器。其中积分环节用于提高跟踪精度，超前环节用于增加相位裕度，以补偿相位损失。动态高型控制方法需要对积分环节的引入与脱离条件进行研究和判断，针对不同对象采用不同对策。

基于传统频域的校正算法，其校正环节结构和参数在设备工作过程中一般保持不变，在对象模型不精确或对象参数变化以及外界扰动情况下，控制效果并不十分理想。相对传统频域校正法，新型控制策略已被广泛研究。比如变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制以及各种控制之间的相互渗透、相互结合形成的混合控制等。根据控制过程，将整个控制任务分解成多个子任务，分时、分阶段完成，经过简单控制规律的组合可以实现高精度的跟踪控制。例如在tng望远镜控制系统中，尝试了变结构、自适应变结构、神经网络变结构等控制方法，在捕获和跟踪两个阶段分别采用不同的控制算法，取得了较为理想的效果。利用模糊控制具有逼近任何非线性函数的特点，将其与遗传算法相结合，获得了其跟踪精度优于传统控制算法，而且其对被控对象模型参数变化不敏感，具有更好的鲁棒性。总的来说，新型控制策略研究、探讨较多，普遍适用性较少。

除研究各种跟踪控制算法提高跟踪精度外，对平台中延迟较大环节进行有效补偿也能在一定程度上提高跟踪精度。从目标在光电探测器上成像到相对偏差输出，中间需要经过光电转换、数据采集存储、图像预处理、多种跟踪算法运算、数据传输等多个环节，使得相对偏差输出滞后于目标成像时间。利用已获得的前几帧相对偏差数据，采用拉格朗日插值外推公式克服滞后，取得了较好效果。对零阶保持器造成的相位滞后，对其表达式进行线性简化，使用双线性变换离散化可得到相位滞后补偿公式，补偿相位滞后影响，也

获得较好效果。

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基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（2006年）（11513077）