隨著光電跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,其逐漸被安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,以增強(qiáng)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性,以及通用性。運(yùn)動(dòng)載體上的光電跟蹤系統(tǒng)會(huì)受到載體擾動(dòng)的影響,擾動(dòng)直接傳遞到光路中導(dǎo)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(duì)準(zhǔn)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(dòng)來(lái)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(chǔ)上,車載、艦載、機(jī)載光電系統(tǒng)快速發(fā)展,除了載體平臺(tái)的改變外,與此同時(shí)跟蹤系統(tǒng)所面臨的目標(biāo)種類、特性也在發(fā)生改變。近年來(lái)由于低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展,其給城市的低空安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。而采用光電跟蹤系統(tǒng)來(lái)探測(cè)跟蹤甚至干擾捕獲類似無(wú)人機(jī)目標(biāo)具有響應(yīng)快速、準(zhǔn)確、無(wú)附帶損傷等優(yōu)勢(shì),被確定為一個(gè)全新有效的思路。與傳統(tǒng)高空目標(biāo)、星體目標(biāo)相比,低空目標(biāo)具有速度慢、體積小,但是加速度大、機(jī)動(dòng)靈活的特性,目標(biāo)特性的改變使傳統(tǒng)跟蹤方法受到較大限制。總體從光電系統(tǒng)的當(dāng)前應(yīng)用發(fā)展來(lái)看,平臺(tái)特性的改變和目標(biāo)特性的改變對(duì)系統(tǒng)提出了更高的要求和挑戰(zhàn),特別是系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力和機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤能力。因此,針對(duì)以上問題,本課題的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高光電捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的擾動(dòng)抑制能力和跟蹤能力。本文針對(duì)以上問題分開進(jìn)行了研究,從擾動(dòng)預(yù)測(cè)與目標(biāo)預(yù)測(cè)兩方面分別提出一系列有效的提升方案。針對(duì)擾動(dòng)隔離控制,本文在傳統(tǒng)多閉環(huán)控制中,引入擾動(dòng)觀測(cè)思想,提出了基于擾動(dòng)觀測(cè)器的多閉環(huán)控制方法,然后又對(duì)該方法進(jìn)行了一系列優(yōu)化處理,提高系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力。在跟蹤能力方面,本文從目標(biāo)預(yù)測(cè)前饋控制著手,提出基于誤差觀測(cè)器的前饋技術(shù);然后,本文提出基于正交最小二乘的目標(biāo)預(yù)測(cè)前饋控制方法和傳統(tǒng)反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法提升系統(tǒng)的跟蹤能力,同時(shí)解決光電系統(tǒng)針對(duì)目標(biāo)高機(jī)動(dòng)和短時(shí)間遮擋問題。通過(guò)一系列的仿真和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),本文對(duì)以上方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,并應(yīng)用到實(shí)際工程中,有效地提升了系統(tǒng)的性能。在擾動(dòng)抑制方面,本文從擾動(dòng)加速度預(yù)估補(bǔ)償切入,在傳統(tǒng)多閉環(huán)控制中,引入擾動(dòng)加速度觀測(cè)補(bǔ)償思想,通過(guò)對(duì)控制回路的理論分析來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì),該方法忽略系統(tǒng)低頻擾動(dòng)補(bǔ)償,只針對(duì)中頻設(shè)計(jì),可有效提升系統(tǒng)中頻擾動(dòng)抑制能力,最高可達(dá)15dB。在此基礎(chǔ)之上,本文進(jìn)一步對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化,提出改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)器控制方法,其本質(zhì)是前移補(bǔ)償節(jié)點(diǎn),利用反饋控制器降階前饋補(bǔ)償控制器,在理論上使補(bǔ)償回路更接近完美補(bǔ)償器,進(jìn)而在保證中頻擾動(dòng)抑制能力的前提下有效的提升系統(tǒng)的低頻擾動(dòng)抑制能力。增強(qiáng)的擾動(dòng)觀測(cè)控制的補(bǔ)償控制器呈現(xiàn)微分特性,因此此方法的本質(zhì)可看作是擾動(dòng)的加加速度補(bǔ)償前饋控制。但是,以上方法都是通過(guò)犧牲系統(tǒng)控制復(fù)雜度來(lái)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(jìn)一步簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)需要探索。針對(duì)此問題,本文提出基于插件式的加速度擾動(dòng)反饋控制方法,巧妙的把傳統(tǒng)的加速度反饋改進(jìn)為基于擾動(dòng)觀測(cè)的反饋,在保證系統(tǒng)性能的前提下簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu),有利于工程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)一系列的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以上方法可有效的同時(shí)提升中低頻擾動(dòng)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(jìn)一步提升系統(tǒng)性能,本文針對(duì)系統(tǒng)精跟蹤級(jí)提出一種誤差觀測(cè)前饋技術(shù)。該方法本質(zhì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)高增益的觀測(cè)器,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置特性的觀測(cè)和估計(jì),然后以此完成對(duì)目標(biāo)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(cè)量偏差輸入,因此該方法可簡(jiǎn)化前饋框架,有利于工程實(shí)現(xiàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上,本文進(jìn)一步對(duì)該算法進(jìn)行優(yōu)化,改變前饋節(jié)點(diǎn),可有效提升系統(tǒng)中低頻跟蹤能力。針對(duì)目標(biāo)速度慢,加速度大的特性,利用前饋加反饋的復(fù)合控制模式提升機(jī)架跟蹤性能。本文對(duì)前饋的理論進(jìn)行了分析,提出利用正交最小二乘法進(jìn)行目標(biāo)速度預(yù)測(cè),相比于傳統(tǒng)Kalman預(yù)測(cè)算法,該算法把系統(tǒng)時(shí)間未對(duì)齊誤差納入考慮,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法獲取得到的預(yù)測(cè)速度延時(shí)小、準(zhǔn)確度高,前饋效果更好。另外,由于目標(biāo)為低空目標(biāo),背景特性復(fù)雜,會(huì)經(jīng)常在視場(chǎng)中出現(xiàn)電線、電塔、飛鳥等干擾目標(biāo),容易導(dǎo)致目標(biāo)提取錯(cuò)誤,從而丟失目標(biāo)。正交最小二乘算法的本質(zhì)是擬合外推,因此其也可用于位置預(yù)測(cè),當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別提取到假目標(biāo)時(shí),該算法可用于位置外推擬合,以解決低空目標(biāo)高機(jī)動(dòng)和短時(shí)間遮擋時(shí)的目標(biāo)丟失問題。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)跟蹤控制精度的因素分析
    1.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)預(yù)測(cè)跟蹤國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
        1.3.1 光電系統(tǒng)主動(dòng)擾動(dòng)抑制技術(shù)發(fā)展
        1.3.2 高機(jī)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤技術(shù)發(fā)展
    1.4 本論文的主要研究?jī)?nèi)容及難點(diǎn)
    1.5 本章小結(jié)
第2章 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)預(yù)測(cè)跟蹤控制技術(shù)原理分析
    2.1 穩(wěn)定和跟蹤的關(guān)系
    2.2 慣性穩(wěn)定平臺(tái)特性及原理分析
        2.2.1 慣性穩(wěn)定平臺(tái)模型分析
        2.2.2 平臺(tái)擾動(dòng)隔離原理
    2.3 高性能擾動(dòng)隔離控制技術(shù)
        2.3.1 基于擾動(dòng)測(cè)量的捷聯(lián)穩(wěn)定控制技術(shù)
        2.3.2 基于多數(shù)據(jù)閉環(huán)融合的帶寬擴(kuò)展技術(shù)
        2.3.3 加速度反饋控制技術(shù)
        2.3.4 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償控制技術(shù)
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于擾動(dòng)觀測(cè)器的慣性穩(wěn)定控制技術(shù)研究
    3.1 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償基本原理
        3.1.1 幾種常見的構(gòu)建方式
        3.1.2 傳感器選擇與被控對(duì)象的辨識(shí)精度
    3.2 基于加速度測(cè)量的擾動(dòng)觀測(cè)控制設(shè)計(jì)
        3.2.1 基于加速度測(cè)量的多閉環(huán)反饋控制
        3.2.2 擾動(dòng)觀測(cè)和多閉環(huán)的結(jié)合
        3.2.3 擾動(dòng)觀測(cè)與多閉環(huán)性能對(duì)比分析
        3.2.4 擾動(dòng)觀測(cè)魯棒性分析
    3.3 系統(tǒng)仿真
        3.3.1 控制器設(shè)計(jì)
        3.3.2 擾動(dòng)抑制仿真
    3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    3.5 本章小結(jié)
第4章 擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償控制算法優(yōu)化研究
    4.1 改進(jìn)的基于加速度測(cè)量的擾動(dòng)觀測(cè)控制算法
        4.1.1 性能對(duì)比分析
        4.1.2 系統(tǒng)仿真
        4.1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
        4.1.4 關(guān)于該方法的拓展討論
    4.2 基于插件式擾動(dòng)觀測(cè)補(bǔ)償?shù)募铀俣确答伩刂圃O(shè)計(jì)
        4.2.1 性能對(duì)比分析
        4.2.2 系統(tǒng)仿真
        4.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    4.3 本章小結(jié)
第5章 基于誤差觀測(cè)器的控制方法研究
    5.1 基于CCD跟蹤的誤差觀測(cè)控制方法
        5.1.1 控制結(jié)構(gòu)分析
        5.1.2 控制參數(shù)設(shè)計(jì)
        5.1.3 控制器設(shè)計(jì)仿真
    5.2 改進(jìn)的誤差觀測(cè)前饋控制方法
        5.2.1 控制結(jié)構(gòu)分析
        5.2.2 控制參數(shù)設(shè)計(jì)
        5.2.3 控制器設(shè)計(jì)仿真
    5.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    5.4 本章小結(jié)
第6章 基于前饋補(bǔ)償?shù)目焖倌繕?biāo)跟蹤控制技術(shù)研究
    6.1 延時(shí)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響
    6.2 前饋控制原理
    6.3 傳統(tǒng)Kalman預(yù)測(cè)濾波算法
    6.4 基于正交最小二乘估計(jì)的前饋控制方法
        6.4.1 正交最小二乘算法
        6.4.2 控制結(jié)構(gòu)分析
        6.4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    6.5 基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法
    6.6 本章小結(jié)
第7章 總結(jié)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(xiàn)
致謝
作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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