运动平台预测跟踪技术研究

发布时间：2020-10-16 01:08

　　 随着光电跟踪系统应用领域的拓展,其逐渐被安装在运动平台上,以增强系统的机动性、灵活性,以及通用性。运动载体上的光电跟踪系统会受到载体扰动的影响,扰动直接传递到光路中导致跟踪精度大大下降。星地间量子通信需要建立高精度上下对准的通信链路,其核心问题之一就是如何抑制卫星载体的抖动来保证通信光路的稳定性。在传统地基式光电跟踪系统的基础上,车载、舰载、机载光电系统快速发展,除了载体平台的改变外,与此同时跟踪系统所面临的目标种类、特性也在发生改变。近年来由于低空无人机技术的发展,其给城市的低空安全带来了新的挑战。而采用光电跟踪系统来探测跟踪甚至干扰捕获类似无人机目标具有响应快速、准确、无附带损伤等优势,被确定为一个全新有效的思路。与传统高空目标、星体目标相比,低空目标具有速度慢、体积小,但是加速度大、机动灵活的特性,目标特性的改变使传统跟踪方法受到较大限制。总体从光电系统的当前应用发展来看,平台特性的改变和目标特性的改变对系统提出了更高的要求和挑战,特别是系统的扰动抑制能力和机动目标跟踪能力。因此,针对以上问题,本课题的研究重点是进一步提高光电捕获跟踪瞄准(ATP)系统在运动平台上的扰动抑制能力和跟踪能力。本文针对以上问题分开进行了研究,从扰动预测与目标预测两方面分别提出一系列有效的提升方案。针对扰动隔离控制,本文在传统多闭环控制中,引入扰动观测思想,提出了基于扰动观测器的多闭环控制方法,然后又对该方法进行了一系列优化处理,提高系统的扰动抑制能力。在跟踪能力方面,本文从目标预测前馈控制着手,提出基于误差观测器的前馈技术;然后,本文提出基于正交最小二乘的目标预测前馈控制方法和传统反馈控制相结合的复合控制方法提升系统的跟踪能力,同时解决光电系统针对目标高机动和短时间遮挡问题。通过一系列的仿真和系统实验,本文对以上方法的有效性进行了验证,并应用到实际工程中,有效地提升了系统的性能。在扰动抑制方面,本文从扰动加速度预估补偿切入,在传统多闭环控制中,引入扰动加速度观测补偿思想,通过对控制回路的理论分析来进行补偿控制器设计,该方法忽略系统低频扰动补偿,只针对中频设计,可有效提升系统中频扰动抑制能力,最高可达15dB。在此基础之上,本文进一步对扰动观测方法进行优化,提出改进的扰动观测器控制方法,其本质是前移补偿节点,利用反馈控制器降阶前馈补偿控制器,在理论上使补偿回路更接近完美补偿器,进而在保证中频扰动抑制能力的前提下有效的提升系统的低频扰动抑制能力。增强的扰动观测控制的补偿控制器呈现微分特性,因此此方法的本质可看作是扰动的加加速度补偿前馈控制。但是,以上方法都是通过牺牲系统控制复杂度来获取的更好的精度,是否能够在保证系统精度的前提下进一步简化控制结构需要探索。针对此问题,本文提出基于插件式的加速度扰动反馈控制方法,巧妙的把传统的加速度反馈改进为基于扰动观测的反馈,在保证系统性能的前提下简化系统控制结构,有利于工程实现。通过一系列的仿真和实验验证,以上方法可有效的同时提升中低频扰动抑制能力。在跟踪方面,光电系统是基于视觉的跟踪策略,为了进一步提升系统性能,本文针对系统精跟踪级提出一种误差观测前馈技术。该方法本质是利用CCD提供的视觉误差和位置环控制器输出量融合实现一个高增益的观测器,用以实现对目标位置特性的观测和估计,然后以此完成对目标位置的前馈控制,减少其CCD跟踪误差。由于前馈量只依赖于测量偏差输入,因此该方法可简化前馈框架,有利于工程实现。仿真和实验证明,该方法能有效抑制系统的低频跟踪误差,提升低频跟踪性能。在此基础上,本文进一步对该算法进行优化,改变前馈节点,可有效提升系统中低频跟踪能力。针对目标速度慢,加速度大的特性,利用前馈加反馈的复合控制模式提升机架跟踪性能。本文对前馈的理论进行了分析,提出利用正交最小二乘法进行目标速度预测,相比于传统Kalman预测算法,该算法把系统时间未对齐误差纳入考虑,通过仿真和实验验证该算法获取得到的预测速度延时小、准确度高,前馈效果更好。另外,由于目标为低空目标,背景特性复杂,会经常在视场中出现电线、电塔、飞鸟等干扰目标,容易导致目标提取错误,从而丢失目标。正交最小二乘算法的本质是拟合外推,因此其也可用于位置预测,当系统识别提取到假目标时,该算法可用于位置外推拟合,以解决低空目标高机动和短时间遮挡时的目标丢失问题。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN29
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 影响运动平台跟踪控制精度的因素分析
    1.3 运动平台预测跟踪国内外研究现状及趋势
        1.3.1 光电系统主动扰动抑制技术发展
        1.3.2 高机动目标的跟踪技术发展
    1.4 本论文的主要研究内容及难点
    1.5 本章小结
第2章 运动平台预测跟踪控制技术原理分析
    2.1 稳定和跟踪的关系
    2.2 惯性稳定平台特性及原理分析
        2.2.1 惯性稳定平台模型分析
        2.2.2 平台扰动隔离原理
    2.3 高性能扰动隔离控制技术
        2.3.1 基于扰动测量的捷联稳定控制技术
        2.3.2 基于多数据闭环融合的带宽扩展技术
        2.3.3 加速度反馈控制技术
        2.3.4 扰动观测补偿控制技术
    2.4 本章小结
第3章 基于扰动观测器的惯性稳定控制技术研究
    3.1 扰动观测补偿基本原理
        3.1.1 几种常见的构建方式
        3.1.2 传感器选择与被控对象的辨识精度
    3.2 基于加速度测量的扰动观测控制设计
        3.2.1 基于加速度测量的多闭环反馈控制
        3.2.2 扰动观测和多闭环的结合
        3.2.3 扰动观测与多闭环性能对比分析
        3.2.4 扰动观测鲁棒性分析
    3.3 系统仿真
        3.3.1 控制器设计
        3.3.2 扰动抑制仿真
    3.4 实验验证
    3.5 本章小结
第4章 扰动观测补偿控制算法优化研究
    4.1 改进的基于加速度测量的扰动观测控制算法
        4.1.1 性能对比分析
        4.1.2 系统仿真
        4.1.3 实验验证
        4.1.4 关于该方法的拓展讨论
    4.2 基于插件式扰动观测补偿的加速度反馈控制设计
        4.2.1 性能对比分析
        4.2.2 系统仿真
        4.2.3 实验验证
    4.3 本章小结
第5章 基于误差观测器的控制方法研究
    5.1 基于CCD跟踪的误差观测控制方法
        5.1.1 控制结构分析
        5.1.2 控制参数设计
        5.1.3 控制器设计仿真
    5.2 改进的误差观测前馈控制方法
        5.2.1 控制结构分析
        5.2.2 控制参数设计
        5.2.3 控制器设计仿真
    5.3 实验验证
    5.4 本章小结
第6章 基于前馈补偿的快速目标跟踪控制技术研究
    6.1 延时对闭环系统的影响
    6.2 前馈控制原理
    6.3 传统Kalman预测滤波算法
    6.4 基于正交最小二乘估计的前馈控制方法
        6.4.1 正交最小二乘算法
        6.4.2 控制结构分析
        6.4.3 实验验证
    6.5 基于多阶目标运动信息估计的前馈控制方法
    6.6 本章小结
第7章 总结和展望
    7.1 论文主要完成的工作
    7.2 论文的特色和创新之处
    7.3 后续研究工作的建议
参考文献
致谢
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

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本文编号：2842513