[发明专利]一种基于视觉跟踪的误差观测前馈控制方法

说明书

技术领域

本发明属于光电系统跟踪控制领域，具体的涉及一种基于视觉跟踪的误差观测前馈控制方法，用于提高跟瞄系统误差抑制带宽，使系统能适应更高机动的目标。

背景技术

光电跟踪控制系统主要是根据图像视觉对目标进行指向跟踪，利用CCD获取目标在当前姿态的视轴指向误差，然后进行闭环跟踪，完成指向跟随。快反镜作为系统中高精度跟踪子系统的主要组成部分，其控制回路用于实现目标的高精度锁定，其跟踪精度决定着系统的最终整体性能。传统的快反镜控制主要是利用电涡流位置传感器和CCD的视觉误差传感器实现双闭环反馈控制。但是由于CCD传感器的帧频较低且延时大，从而导致系统的跟踪带宽受限，最终体现在跟踪误差量较大，降低了系统的跟踪性能。为进一步优化系统跟踪能力，前馈方法被引入到反馈控制中，实现复合跟踪控制。传统的前馈控制需要对目标的运动信息进行估计，其估计精度直接决定前馈效果。但是，由于无法直接获取目标当前位置、速度等信息，所能得到的目标信息存在很大的噪声和延时，容易导致系统不稳，无法直接使用。针对此问题，申请号为CN201710137779.5的中国专利《一种基于误差观测器的快反镜前馈控制方法》利用误差和控制器输出融合目标位置进行前馈，有力的提高了系统的低频误差抑制能力。但是，该方法的估计位置依旧存在较大延时，从而导致其误差抑制能力带宽较低，无法适应较高机动的目标。

发明内容

针对当前快反镜前馈存在的误差抑制带宽不足问题，本发明的目的是提供一种基于视觉跟踪误差的观测前馈控制方法，主要是用于提升系统误差抑制带宽，让系统能适应较高机动目标的跟踪。本方法的核心思想是改变估计位置的获取路径和前馈节点，利用CCD提供的视觉误差和位置控制器的直接输出融合得到一个观测位置，然后把该位置量通过前馈控制器，进而直接前馈到驱动输出量，以进一步抑制跟踪误差。由于此方法的外部输入数据为CCD传感器，因此本发明不受外部其他传感器的延时和噪声的影响。同时，正是由于该方法依靠视觉误差作为输入，从而该方法不仅针对目标跟踪有效，同时也对基于CCD的快反镜扰动抑制有效，使用范围较广。从理论上看，此方法可以理解为在系统的反馈控制器中加入了一个等效的超前滞后校正器，从而提高了系统在穿越频率以下的开环增益，在保证系统稳定裕度的前提下提供了一个高增益控制器。从实验结果来看，该方法能有效的提高系统的误差抑制能力，和理论推导相符。

为实现本发明的目的，本发明提供一种基于视觉跟踪的误差观测前馈控制方法，其具体实施步骤如下：

步骤(1)：在快反镜跟踪控制系统中安装电涡流位置传感器和CCD传感器，用以测量快反镜的偏转角位置量。电涡流传感器的采样频率一般较高，主要是用以实现一个高带宽线性内环，为外环提供一个线性被控对象；

步骤(2)：利用一个激光器产生一个点光源，通过快反镜使光源进入CCD系统，直接正弦驱动快反镜来测试获取CCD图像处理系统的延时参数T₀；

步骤(3)：通过频率响应测试仪对平台的电涡流位置频率对象特性进行测试，输入为控制器输出值，输出为电涡流采样值。高采样率可获得较高精度的电涡流对象模型G(s)，用于实现高带宽内环；

步骤(4)：设计内环位置控制器C_p(s)实现高带宽位置反馈闭环，然后再测试位置内环闭环后的对象模型，输入为给定位置，输出为CCD量，此对象模型为外环被控对象模型，称为G_p(s)，然后可设计CCD环控制器C(s)，这样就实现了传统的双闭环控制；

步骤(5)：通过频响仪测试传统双闭环控制的闭环特性，其闭环数学模型可看作为一个惯性环节1/(T_ms+1)，拟合系统模型获取数学模型参数T_m；

步骤(6)：添加误差观测前馈，首先把CCD所传回的跟踪误差量通过模型补偿器又因为此处内环带宽高，外环带宽低，在外环带宽有效范围内，可得G_m(s)＝1，也就是CCD误差量在此处可直接使用；然后把当前的内环给定进行延时T₁后与CCD误差量相加，如此可得到当前目标位置估计量，其中T₁≈T₀；

步骤(7)：根据CCD延时特性和双闭环特性T_m设计前馈控制器Q(s)的具体参数，然后把目标位置估计量直接作为前馈控制器的输入，计算得到真实前馈量，最后把该前馈量直接加在CCD环位置控制器C(s)的输出，此时的输出量则是作为内环的给定量输入，如此完成前馈操作，实现误差抑制。