[发明专利]一种光电跟踪系统视觉测量时滞补偿方法

说明书

本发明提供了一种基于广义比例积分观测器的光电跟踪系统视觉测量时滞补偿方法。针对光电跟踪系统中存在的视觉测量时滞，通过基于改进型广义比例积分观测器的反馈控制方法减小测量时滞对系统的影响，同时实现对系统中运动学不确定性的抑制。其核心在于用观测器去估计系统之前时刻的状态、不确定性及其差分，然后利用这些估计值和系统的状态空间模型计算出系统当前时刻的状态和不确定性，最后根据当前时刻系统状态和不确定性的估计值获得系统的控制输入。该方法不仅削弱了视觉测量时滞对系统的不利影响，还提升了系统的不确定性抑制能力，提高了系统的跟踪精度。

技术领域

本发明涉及一种光电跟踪系统视觉测量时滞补偿方法，属于光电跟踪系统高精度控制技术领域。

背景技术

光电跟踪系统是集光学、电气、机械、控制于一体的装置，被广泛地应用在军事和民用领域。当系统处于跟踪模式时，要求搭载的相机的视轴能始终瞄准跟踪目标。

光电跟踪平台具有多源扰动、参数不确定性、跟踪目标机动和视觉测量时滞等控制难点。两轴惯性稳定平台本身会因为载体运动而使得安装在内框上的相机光轴受到干扰，给光电跟踪控制带来了较大的困难。除了载体运动，跟踪目标在空间的机动也产生较大的运动学不确定性，尤其是在跟踪快速机动目标时。由于系统采用相机作为传感器来获取跟踪目标的脱靶量，对图像的处理产生了视觉测量时滞，时滞会降低系统的稳定性和控制精度。为了能达到高精度的跟踪控制效果，需要对系统中视觉测量时滞和运动学不确定性同时考虑，并设计相应的控制方法。

在现有光电跟踪系统视觉测量时滞补偿中，通常采用Smith预估器，但是这种方法对系统所建模型的精度要求很高，在实际应用中难以满足要求。除此之外，许多方法仅仅针对测量时滞做了处理，没有涉及到运动学不确定性，这会降低系统的控制精度。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种光电跟踪系统视觉测量时滞补偿方法，该方法通过构建改进型广义比例积分观测器，并与反馈线性化算法结合，设计一种复合控制器，实现光电跟踪系统的高精度跟踪和系统运动学不确定性的抑制，其具体技术方案如下：

步骤1，在两轴惯性稳定平台的内框上安装相机，并将相机与上位机连接，构成光电跟踪系统。相机实时拍摄跟踪目标，上位机根据相机拍摄的图像提取跟踪目标的脱靶量，两轴惯性稳定平台根据脱靶量产生系统的控制输入。

步骤2，选择跟踪目标的脱靶量作为系统状态，建立考虑视觉测量时滞和运动学不确定性的系统离散时间状态空间模型

其中，X(k)表示系统状态，U(k)表示控系统的控制输入，Δ(k)表示系统的运动学不确定性，Y(k)表示系统的测量输出，d表示视觉测量时滞，B表示控制输入矩阵，k代表第k时刻。

步骤3，定义H(k)＝Δ(k+1)-Δ(k)为系统运动学不确定性的差分，根据步骤2建立的离散时间状态空间模型，构建改进型广义比例积分观测器

其中，Z₁(k)、Z₂(k)和Z₃(k)表示观测器的状态，分别是X(k-d)、Δ(k-d)和H(k-d)的估计值，L₁、L₂和L₃表示观测器增益。

步骤4，根据步骤3中的估计值Z₁(k)、Z₂(k)、Z₃(k)和步骤2中的离散时间状态空间模型，计算出系统当前时刻状态的预测值和运动学不确定性的预测值

步骤5，根据步骤4得到的预测值和基于反馈线性化算法设计复合控制器K表示控制器参数。

步骤2中的离散时间状态空间模型中的X(k)、U(k)、Δ(k)和Y(k)分别表示为：