隨著光電跟蹤系統(tǒng)應用領域的拓展,其逐漸被安裝在運動平臺上,以增強系統(tǒng)的機動性、靈活性,以及通用性。運動載體上的光電跟蹤系統(tǒng)會受到載體擾動的影響,擾動直接傳遞到光路中導致跟蹤精度大大下降。星地間量子通信需要建立高精度上下對準的通信鏈路,其核心問題之一就是如何抑制衛(wèi)星載體的抖動來保證通信光路的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)地基式光電跟蹤系統(tǒng)的基礎上,車載、艦載、機載光電系統(tǒng)快速發(fā)展,除了載體平臺的改變外,與此同時跟蹤系統(tǒng)所面臨的目標種類、特性也在發(fā)生改變。近年來由于低空無人機技術的發(fā)展,其給城市的低空安全帶來了新的挑戰(zhàn)。而采用光電跟蹤系統(tǒng)來探測跟蹤甚至干擾捕獲類似無人機目標具有響應快速、準確、無附帶損傷等優(yōu)勢,被確定為一個全新有效的思路。與傳統(tǒng)高空目標、星體目標相比,低空目標具有速度慢、體積小,但是加速度大、機動靈活的特性,目標特性的改變使傳統(tǒng)跟蹤方法受到較大限制�？傮w從光電系統(tǒng)的當前應用發(fā)展來看,平臺特性的改變和目標特性的改變對系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn),特別是系統(tǒng)的擾動抑制能力和機動目標跟蹤能力。因此,針對以上問題,本課題的研究重點是進一步提高光電捕獲跟蹤瞄準(ATP)系統(tǒng)在運動平臺上的擾動抑制能力和跟蹤能力。本文針對以上問題分開進行了研究,從擾動預測與目標預測兩方面分別提出一系列有效的提升方案。針對擾動隔離控制,本文在傳統(tǒng)多閉環(huán)控制中,引入擾動觀測思想,提出了基于擾動觀測器的多閉環(huán)控制方法,然后又對該方法進行了一系列優(yōu)化處理,提高系統(tǒng)的擾動抑制能力。在跟蹤能力方面,本文從目標預測前饋控制著手,提出基于誤差觀測器的前饋技術;然后,本文提出基于正交最小二乘的目標預測前饋控制方法和傳統(tǒng)反饋控制相結合的復合控制方法提升系統(tǒng)的跟蹤能力,同時解決光電系統(tǒng)針對目標高機動和短時間遮擋問題。通過一系列的仿真和系統(tǒng)實驗,本文對以上方法的有效性進行了驗證,并應用到實際工程中,有效地提升了系統(tǒng)的性能。在擾動抑制方面,本文從擾動加速度預估補償切入,在傳統(tǒng)多閉環(huán)控制中,引入擾動加速度觀測補償思想,通過對控制回路的理論分析來進行補償控制器設計,該方法忽略系統(tǒng)低頻擾動補償,只針對中頻設計,可有效提升系統(tǒng)中頻擾動抑制能力,最高可達15dB。在此基礎之上,本文進一步對擾動觀測方法進行優(yōu)化,提出改進的擾動觀測器控制方法,其本質是前移補償節(jié)點,利用反饋控制器降階前饋補償控制器,在理論上使補償回路更接近完美補償器,進而在保證中頻擾動抑制能力的前提下有效的提升系統(tǒng)的低頻擾動抑制能力。增強的擾動觀測控制的補償控制器呈現(xiàn)微分特性,因此此方法的本質可看作是擾動的加加速度補償前饋控制。但是,以上方法都是通過犧牲系統(tǒng)控制復雜度來獲取的更好的精度,是否能夠在保證系統(tǒng)精度的前提下進一步簡化控制結構需要探索。針對此問題,本文提出基于插件式的加速度擾動反饋控制方法,巧妙的把傳統(tǒng)的加速度反饋改進為基于擾動觀測的反饋,在保證系統(tǒng)性能的前提下簡化系統(tǒng)控制結構,有利于工程實現(xiàn)。通過一系列的仿真和實驗驗證,以上方法可有效的同時提升中低頻擾動抑制能力。在跟蹤方面,光電系統(tǒng)是基于視覺的跟蹤策略,為了進一步提升系統(tǒng)性能,本文針對系統(tǒng)精跟蹤級提出一種誤差觀測前饋技術。該方法本質是利用CCD提供的視覺誤差和位置環(huán)控制器輸出量融合實現(xiàn)一個高增益的觀測器,用以實現(xiàn)對目標位置特性的觀測和估計,然后以此完成對目標位置的前饋控制,減少其CCD跟蹤誤差。由于前饋量只依賴于測量偏差輸入,因此該方法可簡化前饋框架,有利于工程實現(xiàn)。仿真和實驗證明,該方法能有效抑制系統(tǒng)的低頻跟蹤誤差,提升低頻跟蹤性能。在此基礎上,本文進一步對該算法進行優(yōu)化,改變前饋節(jié)點,可有效提升系統(tǒng)中低頻跟蹤能力。針對目標速度慢,加速度大的特性,利用前饋加反饋的復合控制模式提升機架跟蹤性能。本文對前饋的理論進行了分析,提出利用正交最小二乘法進行目標速度預測,相比于傳統(tǒng)Kalman預測算法,該算法把系統(tǒng)時間未對齊誤差納入考慮,通過仿真和實驗驗證該算法獲取得到的預測速度延時小、準確度高,前饋效果更好。另外,由于目標為低空目標,背景特性復雜,會經常在視場中出現(xiàn)電線、電塔、飛鳥等干擾目標,容易導致目標提取錯誤,從而丟失目標。正交最小二乘算法的本質是擬合外推,因此其也可用于位置預測,當系統(tǒng)識別提取到假目標時,該算法可用于位置外推擬合,以解決低空目標高機動和短時間遮擋時的目標丟失問題。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN29
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景及意義
    1.2 影響運動平臺跟蹤控制精度的因素分析
    1.3 運動平臺預測跟蹤國內外研究現(xiàn)狀及趨勢
        1.3.1 光電系統(tǒng)主動擾動抑制技術發(fā)展
        1.3.2 高機動目標的跟蹤技術發(fā)展
    1.4 本論文的主要研究內容及難點
    1.5 本章小結
第2章 運動平臺預測跟蹤控制技術原理分析
    2.1 穩(wěn)定和跟蹤的關系
    2.2 慣性穩(wěn)定平臺特性及原理分析
        2.2.1 慣性穩(wěn)定平臺模型分析
        2.2.2 平臺擾動隔離原理
    2.3 高性能擾動隔離控制技術
        2.3.1 基于擾動測量的捷聯(lián)穩(wěn)定控制技術
        2.3.2 基于多數(shù)據(jù)閉環(huán)融合的帶寬擴展技術
        2.3.3 加速度反饋控制技術
        2.3.4 擾動觀測補償控制技術
    2.4 本章小結
第3章 基于擾動觀測器的慣性穩(wěn)定控制技術研究
    3.1 擾動觀測補償基本原理
        3.1.1 幾種常見的構建方式
        3.1.2 傳感器選擇與被控對象的辨識精度
    3.2 基于加速度測量的擾動觀測控制設計
        3.2.1 基于加速度測量的多閉環(huán)反饋控制
        3.2.2 擾動觀測和多閉環(huán)的結合
        3.2.3 擾動觀測與多閉環(huán)性能對比分析
        3.2.4 擾動觀測魯棒性分析
    3.3 系統(tǒng)仿真
        3.3.1 控制器設計
        3.3.2 擾動抑制仿真
    3.4 實驗驗證
    3.5 本章小結
第4章 擾動觀測補償控制算法優(yōu)化研究
    4.1 改進的基于加速度測量的擾動觀測控制算法
        4.1.1 性能對比分析
        4.1.2 系統(tǒng)仿真
        4.1.3 實驗驗證
        4.1.4 關于該方法的拓展討論
    4.2 基于插件式擾動觀測補償?shù)募铀俣确答伩刂圃O計
        4.2.1 性能對比分析
        4.2.2 系統(tǒng)仿真
        4.2.3 實驗驗證
    4.3 本章小結
第5章 基于誤差觀測器的控制方法研究
    5.1 基于CCD跟蹤的誤差觀測控制方法
        5.1.1 控制結構分析
        5.1.2 控制參數(shù)設計
        5.1.3 控制器設計仿真
    5.2 改進的誤差觀測前饋控制方法
        5.2.1 控制結構分析
        5.2.2 控制參數(shù)設計
        5.2.3 控制器設計仿真
    5.3 實驗驗證
    5.4 本章小結
第6章 基于前饋補償?shù)目焖倌繕烁櫩刂萍夹g研究
    6.1 延時對閉環(huán)系統(tǒng)的影響
    6.2 前饋控制原理
    6.3 傳統(tǒng)Kalman預測濾波算法
    6.4 基于正交最小二乘估計的前饋控制方法
        6.4.1 正交最小二乘算法
        6.4.2 控制結構分析
        6.4.3 實驗驗證
    6.5 基于多階目標運動信息估計的前饋控制方法
    6.6 本章小結
第7章 總結和展望
    7.1 論文主要完成的工作
    7.2 論文的特色和創(chuàng)新之處
    7.3 后續(xù)研究工作的建議
參考文獻
致謝
作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 洪義流!(222241),陳榮;多功能運動平臺的設計[J];中國學校體育;2001年04期

2 楊百會;;點點運動:云狐的大數(shù)據(jù)運動平臺[J];企業(yè)觀察家;2015年09期

3 鄧瑞君;秦現(xiàn)生;張順琦;尤向榮;;運動平臺應用研究新進展[J];航空制造技術;2010年02期

4 代小林;叢大成;韓俊偉;李洪人;;基于凱恩方程的并聯(lián)運動平臺多剛體動力學建模[J];液壓氣動與密封;2008年04期

5 李華豐;朱振宇;蘭一兵;李強;王霽;;可調姿態(tài)一維運動平臺[J];計測技術;2015年03期

6 陳增賢;成榮;姜偉;;基于靈敏度分析與優(yōu)化的精密運動平臺模型修正[J];機械制造與自動化;2013年06期

7 羅欣;馬波琪;劉珊珊;;精密氣浮運動平臺動態(tài)誤差建模與分析[J];華中科技大學學報(自然科學版);2012年03期

8 徐聰;段吉安;唐皓;李帥;;亞微米級運動平臺結構優(yōu)化及實現(xiàn)[J];中南大學學報(自然科學版);2018年01期

9 斯迎軍;高峰;;打孔機精密運動平臺動力學建模與優(yōu)化[J];山西電子技術;2018年03期

10 李雪麗;張璐凡;張素香;曹憲周;;基于大功率LED倒裝機運動平臺的多工況動力學特性研究[J];制造技術與機床;2018年10期

相關博士學位論文 前10條

1 鄧超;運動平臺預測跟蹤技術研究[D];中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所);2018年

2 張攬宇;高速大行程宏微復合運動平臺的振動抑制與精密定位方法研究[D];廣東工業(yè)大學;2018年

3 鄭巖;運動平臺上跟蹤系統(tǒng)研究[D];吉林大學;2010年

4 董澤光;精密氣浮運動平臺的建模、分析與控制[D];上海交通大學;2014年

5 張剛;直驅精密平面并聯(lián)運動平臺的動力學建模與輪廓控制[D];上海交通大學;2014年

6 吳博;基于定量反饋理論的飛行模擬器運動平臺控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

7 秦海辰;壓電陶瓷驅動的運動平臺建模與控制研究[D];華中科技大學;2014年

8 張大興;三軸ATP運動平臺若干關鍵問題研究[D];西安電子科技大學;2008年

9 吳瀅躍;水面運動平臺下高精度紅外成像跟蹤關鍵技術研究[D];中國科學院研究生院(上海技術物理研究所);2015年

10 葉燚璽;超精密運動平臺中氣浮支承振動特性的研究[D];華中科技大學;2010年

相關碩士學位論文 前10條

1 張柯爾;基于振動電機離心力效應驅動的微型運動平臺研究[D];華東理工大學;2018年

2 胡永珊;晶圓級倒裝裝備運動平臺的魯棒控制與模糊細調[D];廣東工業(yè)大學;2018年

3 張亞偉;少自由度飛行模擬運動平臺結構設計與誤差分析[D];中國民航大學;2017年

4 楊勇;一種少自由度飛行模擬運動平臺的尺度綜合方法研究[D];中國民航大學;2017年

5 張世豪;精密運動平臺控制策略設計與仿真軟件模塊開發(fā)[D];華中科技大學;2016年

6 祝自豪;基于滑�？刂频母咚俅髴T性電液位置伺服系統(tǒng)研究[D];華中科技大學;2016年

7 任嵐暉;面向精密運動平臺結構設計的多領域建模軟件研究與開發(fā)[D];華中科技大學;2015年

8 沈飛;硅片檢測運動平臺動力學建模與分析[D];華中科技大學;2015年

9 劉武龍;高加速精密運動平臺建模及控制關鍵技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

10 王勇;基于力傳感器的飛行模擬器運動平臺控制研究[D];南京航空航天大學;2012年

本文編號：2842513