發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 08:48

　　 光電跟蹤系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在天文觀測(cè)、靶場(chǎng)測(cè)量、監(jiān)控搜索、量子通信等領(lǐng)域,并且隨著應(yīng)用的拓展,越來越多的安裝在諸如衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、汽車等運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。與地基固定平臺(tái)相比,載體運(yùn)動(dòng)引起的視軸晃動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響跟蹤精度,要求系統(tǒng)具備很強(qiáng)的慣性穩(wěn)定能力;隨著裝備和工程技術(shù)的發(fā)展,目標(biāo)的速度和機(jī)動(dòng)性也越高,對(duì)跟蹤能力也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn);除此之外,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的空間相對(duì)狹窄,還限制了很多性能優(yōu)異但體積較大的傳感器的使用。因此,考慮到傳感器性能和控制方法是系統(tǒng)精度提升的關(guān)鍵因素,本文將信息融合技術(shù)與控制方法相結(jié)合,通過從不同信息源提取更準(zhǔn)確信息的同時(shí),改進(jìn)控制結(jié)構(gòu),最大限度的提升系統(tǒng)性能。光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度由慣性穩(wěn)定能力與目標(biāo)跟蹤能力共同決定,由于影響二者的因素有所區(qū)別,本文將分別對(duì)穩(wěn)定和跟蹤進(jìn)行研究。對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的慣性穩(wěn)定,本文提出了兩種方法:(1)基于CCD與MEMS加速度計(jì)時(shí)域融合的慣性穩(wěn)定方法針對(duì)光纖陀螺的體積質(zhì)量相對(duì)較大不適合小型化應(yīng)用,提出用微型廉價(jià)的MEMS加速度計(jì)用于穩(wěn)定。由于MEMS加速度計(jì)低頻易受干擾,基于加速度計(jì)和CCD構(gòu)成的雙閉環(huán)系統(tǒng)的低頻擾動(dòng)抑制能力通常不足。為了提升系統(tǒng)低頻性能,本文提出先采用加速度擾動(dòng)觀測(cè)器改造系統(tǒng)中頻性能,再通過構(gòu)造虛擬速度環(huán)使中頻的擾動(dòng)抑制能力置換成低頻性能的方法。其中,平臺(tái)速度是通過CCD對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)積分后修漂得到(本質(zhì)為時(shí)域融合)。系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力在低頻的最大提升達(dá)到了-20dB,使MEMS加速度計(jì)具備了替換光纖陀螺的能力。(2)改進(jìn)的互補(bǔ)濾波頻域融合慣性穩(wěn)定方法由于直接基于MEMS加速度計(jì)構(gòu)建的擾動(dòng)觀測(cè)器提取的擾動(dòng)在低頻不準(zhǔn),并且時(shí)域融合得到的速度在高頻相位延遲嚴(yán)重,因此系統(tǒng)的穩(wěn)定能力仍有提升空間。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定能力最大化,需要進(jìn)一步獲取更準(zhǔn)確的平臺(tái)信息。結(jié)合CCD擅長(zhǎng)低頻測(cè)量和MEMS加速度計(jì)擅長(zhǎng)高頻測(cè)量的特點(diǎn),本文提出了改進(jìn)的互補(bǔ)濾波頻域融合方法,根據(jù)需要提取傳感器特定頻段信息進(jìn)行融合,不要求濾波器完全互補(bǔ)。通過頻域融合得到的更準(zhǔn)確的加速度和速度信息,分別用于構(gòu)建擾動(dòng)觀測(cè)器和虛擬速度環(huán),與時(shí)域融合相比,平臺(tái)的擾動(dòng)抑制能力在30Hz以下繼續(xù)提升-10dB左右。對(duì)于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的目標(biāo)跟蹤,本文同樣提出了兩種方法:(1)基于脫靶量與模型輸出融合的復(fù)合前饋方法在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,傳統(tǒng)的前饋結(jié)構(gòu)使用的是脫靶量與陀螺積分?jǐn)?shù)據(jù)融合得到的目標(biāo)慣性位置,只能提升跟蹤能力并且對(duì)陀螺的精度要求很高。本文提出的脫靶量與平臺(tái)模型輸出融合得到的是目標(biāo)和視軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng),同時(shí)包含了慣性空間中的目標(biāo)和擾動(dòng)信息,由它構(gòu)成的是一種包含跟蹤前饋和擾動(dòng)前饋的復(fù)合結(jié)構(gòu),理論上對(duì)跟蹤和抗擾都有效果。由于融合模型采用的是平臺(tái)閉環(huán)模型,魯棒性好,并且低頻時(shí)傳遞函數(shù)為1,因此不需要額外辨識(shí),易于操作。實(shí)驗(yàn)證實(shí),提議的方法和傳統(tǒng)的基于脫靶量與陀螺積分融合的前饋方法相比,跟蹤能力相近,但是擾動(dòng)抑制能力在低頻有額外的提升效果。(2)基于脫靶量與模型輸出融合的改進(jìn)Smith預(yù)估器方法針對(duì)第五章復(fù)合前饋方法不能提升跟蹤帶寬并且性能提升只在極低頻率效果明顯的問題,提出了基于脫靶量與模型輸出融合的改進(jìn)Smith預(yù)估器方法。分析了用來提升系統(tǒng)帶寬和精度的Smith預(yù)估器本質(zhì)上是一種誤差量與模型輸出融合提取目標(biāo)和擾動(dòng)信息的結(jié)構(gòu),與第五章提出的復(fù)合前饋結(jié)構(gòu)相比,區(qū)別是Smith預(yù)估器方法是把融合結(jié)構(gòu)由前饋支路變?yōu)榱酥鞲赏�。為了保證系統(tǒng)的魯棒性并且進(jìn)一步提升帶寬和精度,本文提出采用閉環(huán)模型作為模型參考,并且繼續(xù)在主干通路上添加前饋支路以改造傳遞特性。實(shí)驗(yàn)證實(shí),與傳統(tǒng)的Smith預(yù)估器相比,改進(jìn)的Smith預(yù)估器方法使跟蹤誤差抑制帶寬由3Hz上升到5Hz,跟蹤能力和擾動(dòng)抑制能力在低頻整體增強(qiáng)-5dB左右。最后,嘗試將改進(jìn)的Smith預(yù)估器與復(fù)合前饋方法相結(jié)合,使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),進(jìn)一步提升了系統(tǒng)性能。
【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】：2019
【中圖分類】：TP273;TN29
【部分圖文】：

（a）視軸穩(wěn)定實(shí)例 圖 1.6 伺Figure 1.6 The serv在光電跟蹤技術(shù)出現(xiàn)之前，慣性穩(wěn)定上，因?yàn)轱L(fēng)浪造成船體顛簸嚴(yán)重，像雷工作，早期的穩(wěn)定方法是在設(shè)備底部安不搖擺的環(huán)境，但通常只適合于一些小平臺(tái)視軸的慣性穩(wěn)定而言，這樣的穩(wěn)定伺服穩(wěn)定方案，基本控制框圖如圖 1.6 所器敏感光軸在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成反基于伺服控制的慣性穩(wěn)定技術(shù)初衷是

基于信息融合的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)光電跟蹤控制技術(shù)研究 k | k k k | k1P I K H k P ...(5.28)基于上面的預(yù)測(cè)和更新方程，可以根據(jù)需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行平滑、濾波或者預(yù)測(cè)，而本論文主要是借助它的預(yù)測(cè)功能來減小延時(shí)的影響。但是，不管選擇哪一種預(yù)測(cè)算法，本身的處理過程也需要時(shí)間，并且并不能直接在全頻段都起到預(yù)測(cè)作用，一般而言，預(yù)測(cè)算法更像是一種在低頻有效的超前校正環(huán)節(jié)，只具備很低的帶寬，后面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)體現(xiàn)出來。5.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
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