CN106802672B - 一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法,该方法通过解耦算法解决了脱靶量、目标位置、棱镜旋转角度之间的非线性、强耦合关系。利用探测器反馈的脱靶量实时控制棱镜旋转,使目标成像始终在探测器视场中心。该方法可克服棱镜***的参数误差,跟踪精度更高;并且通过解耦算法,使棱镜的转动方式更加优化,不需要反复转动,跟踪过程更加平滑、迅速。
Description
技术领域
本发明属于光电跟踪领域,涉及一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法。
背景技术
光电捕获跟踪与瞄准***以光波为信息载体,具有极高的时域、空域、频域分辨率和极强的抗电磁干扰能力,在目标探测、激光通信、靶场测量、天文观测、精确制导、火控瞄准等领域都有日益广泛的应用。
目前光电捕获跟踪与瞄准***普遍采用万向架、反射镜等传统机械扫描装置。万向架可以进行大角度的旋转,但体积大、动态响应能力差;反射镜响应速度快、精度高,但偏转角度较小,对机械误差较为敏感。
基于旋转双棱镜(Risley棱镜)的光束控制机构,通过两个棱镜同轴独立旋转,可实现光束的大角度偏转。具有结构紧凑、刚度高、响应迅速的特点。非常适合机载、星载等对体积、重量要求较高的场合,并且因为响应迅速,对快速运动目标跟踪时也具有很大的优势。
在先技术(参见云茂金、祖继峰等的专利:CN1256609C与专利:CN2655268)中提出采用该结构进行光束扫描,对基于旋转双棱镜的扫描装置和扫描算法进行了研究,但所提供的装置和方法不适用于目标跟踪。李锦英等在专利CN103631276A提出了一种旋转双棱镜用于目标跟踪的技术方法,对棱镜***参数的精度要求较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,通过脱靶量解耦后控制旋转双棱镜对目标实时闭环跟踪。可以克服棱镜***参数误差,提高跟踪精度;并优化棱镜旋转方式,避免跟踪过程中反复旋转,提高响应速度。
本发明的技术解决方案包括:一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法,首先组成目标跟踪装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。其中,两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装。第一棱镜1和第二棱镜2具有相同的顶角和折射率。第一电机3和第二电机4均为环形力矩电机,二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连,省却了中间传动环节,具有响应快、刚度高的特点;第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ1,并将θ1送到控制器8;第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ2,并将θ2送到控制器8;探测器7可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ0和俯仰角Φ0。控制器8接收第一棱镜的位置θ1、第二棱镜的位置θ2、探测器7上所成像点的方位角Θ0和俯仰角Φ0,以及外部给定的目标引导数据方位角Θ1和俯仰角Φ1;输出电压信号V1至第一电机3,输出电压信号V2至第二电机4,通过探测器闭环,使目标成像始终位于探测器视场中心附近,该实时闭环跟踪方法的过程如下:
1)外部给定目标引导位置,以方位角Θ1和俯仰角Φ1表示。引导误差需小于探测器7的二分之一视场。
2)根据Θ1和Φ1控制第一棱镜1和第二棱镜2,使其指向目标位置。此时,由探测器7测量得到目标在探测器上像点的方位角Θ0、俯仰角Φ0。
3)像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系表示在坐标系Oxy中,如图2所示,其中O点表示探测器中心点,A(Θ0,Φ0)表示像点,B(Θ1,Φ1)表示目标引导位置,C(Θ2,Φ2)表示由A点和B点合成的目标位置(Θ2表示方位角,Φ2表示俯仰角)。根据图2中关系,有:
其中,△Θ表示目标的方位角误差,△Φ表示目标的俯仰角误差。
解耦算法如公式(3)所示:
其中,θ1,θ2为第一棱镜1和第二棱镜2的当前位置;θ1 *,θ2 *为第一棱镜1和第二棱镜2的需要调整的位置;f(△Θ)表示方位角误差△Θ对应的棱镜旋转量;f(△Φ)表示俯仰角误差△Φ对应的棱镜旋转量。
f(△Θ)和f(△Φ)具体表示如公式(4)和公式(5)所示:
其中,GΘ(s)和GΦ(s)表示设计的控制算法,由Gc(s)、KΘ和KΦ构成。Gc(s)可按传统控制器设计方法进行设计;KΘ表示方位增益,KΦ表示俯仰增益。
4)通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动,使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ1 *、θ2 *,目标将被锁定在探测器7的视场中心。
进一步的,通过方位角误差和俯仰角误差的解耦算法,解决脱靶量与棱镜旋转位置之间的强耦合关系,确定两个棱镜需要旋转到的新位置θ1 *、θ2 *,从而实现对目标的闭环跟踪。
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明通过探测器脱靶量对目标进行闭环跟踪,克服了棱镜***的参数误差,跟踪精度更高;并且通过解耦算法,使棱镜的转动方式更加优化,不需要反复转动,跟踪过程更加平滑、迅速。
附图说明
图1为本发明的装置结构图;
图2为像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系;
图3为探测器上的成像曲线;
图4为跟踪误差收敛曲线;
图5为棱镜位置修正曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
首先结合图1介绍基于旋转双棱镜的跟踪装置。组成目标跟踪装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。
其中第一棱镜1和第二棱镜2的顶角为7.5°,折射率为1.5;
第一电机3和第二电机4均为环形力矩电机,二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连,省却了中间传动环节,具有响应快、刚度高的特点;
第一位置传感器5、第二位置传感器6为圆光栅,具有精度高、重量轻的优点;第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ1,并将θ1送到控制器8;第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ2,并将θ2送到控制器8;
探测器7的本身视场设为0.5°,可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ和俯仰角Φ;
控制器8接收第一棱镜的位置θ1、第二棱镜的位置θ2、探测器7上所成像点的方位角Θ0和俯仰角Φ0,以及外部给定的目标引导数据方位角Θ1和俯仰角Φ1;输出电压信号V1至第一电机3,输出电压信号V2至第二电机4。
完成目标跟踪的过程如下:
1)外部给定目标引导位置,方位角Θ1=127.93°和俯仰角Φ1=1.27°表示。
2)根据Θ1和Φ1控制第一棱镜1和第二棱镜2,使其指向目标位置。此时,由探测器7测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ0、俯仰角Φ0。
3)像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系表示在坐标系Oxy中,如图2所示,其中O点表示探测器中心点,A(Θ0,Φ0)表示像点,B(Θ1,Φ1)表示目标引导位置,C(Θ2,Φ2)表示由A点和B点合成的目标位置(Θ2表示方位角,Φ2表示俯仰角)。根据图2中关系,有:
其中,△Θ表示目标的方位角误差,△Φ表示目标的俯仰角误差。
解耦算法如公式(3)所示:
其中,θ1,θ2为第一棱镜1和第二棱镜2的当前位置;θ1 *,θ2 *为第一棱镜1和第二棱镜2的需要调整的位置;f(△Θ)表示方位角误差△Θ对应的棱镜旋转量;f(△Φ)表示俯仰角误差△Φ对应的棱镜旋转量。
f(△Θ)和f(△Φ)具体表示如公式(4)和公式(5)所示:
其中,GΘ(s)和GΦ(s)表示设计的控制算法,由Gc(s)、KΘ和KΦ构成。Gc(s)设计为PI控制器,KΘ=2,KΦ=50。
4)通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动,使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ1 *、θ2 *,目标将被锁定在探测器7的视场中心。
闭环过程如图3-图5所示。图3为探测器上的成像曲线;图4为跟踪误差收敛曲线;图5为棱镜位置修正曲线。可以看出,初始跟踪误差为15.36″,闭环之后,跟踪误差减小为0.26″。第一棱镜1和第二棱镜2的位置修正量分别修正了0.2°和0.1°。
以上所述,仅为本发明中的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内,可理解想到的变换或替换,都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (1)
1.一种基于旋转双棱镜的实时闭环跟踪方法,该方法利用的基于旋转双棱镜的光电跟踪装置,包括第一棱镜、第二棱镜、第一电机、第二电机、第一位置传感器、第二位置传感器、探测器和控制器,其中,两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装,第一棱镜和第二棱镜具有相同的顶角和折射率,第一电机和第二电机均为环形力矩电机,二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连;第一位置传感器测量第一棱镜绕转轴的旋转角度θ1,并将θ1送到控制器;第二位置传感器测量第二棱镜绕转轴的旋转角度θ2,并将θ2送到控制器;探测器可以测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ0和俯仰角Φ0,并将其送到控制器,控制器接收第一棱镜的位置θ1、第二棱镜的位置θ2、探测器上所成像点的方位角Θ0和俯仰角Φ0,以及外部给定的目标引导数据方位角Θ1和俯仰角Φ1,输出电压信号V1至第一电机,输出电压信号V2至第二电机,通过探测器闭环,使目标成像始终位于探测器视场中心附近,其特征在于:该实时闭环跟踪方法包括以下步骤:
1)外部给定目标引导位置,以方位角Θ1和俯仰角Φ1表示,引导误差需小于探测器的二分之一视场;
2)根据Θ1和Φ1控制第一棱镜和第二棱镜,使其指向目标位置,此时,由探测器测量得到目标在探测器上像点的方位角Θ0、俯仰角Φ0;
3)像点、目标引导位置以及合成的目标实际位置的投影关系表示在坐标系Oxy中,O点表示探测器中心点,A(Θ0,Φ0)表示像点,B(Θ1,Φ1)表示目标引导位置,C(Θ2,Φ2)表示由A点和B点合成的目标位置,Θ2表示方位角,Φ2表示俯仰角,有以下关系:
其中,ΔΘ表示目标的方位角误差,ΔΦ表示目标的俯仰角误差;
解耦算法如公式(3)所示:
其中,θ1,θ2为第一棱镜和第二棱镜的当前位置;θ1 *,θ2 *为第一棱镜和第二棱镜需要调整的位置;f(ΔΘ)表示方位角误差ΔΘ对应的棱镜旋转量;f(ΔΦ)表示俯仰角误差ΔΦ对应的棱镜旋转量;
f(ΔΘ)和f(ΔΦ)具体表示如公式(4)和公式(5)所示:
其中,GΘ(s)和GΦ(s)表示设计的控制算法,由Gc(s)、KΘ和KΦ构成,Gc(s)设计为PI控制器;KΘ表示方位增益,KΦ表示俯仰增益;
4)通过控制器控制第一电机和第二电机运动,使其带动第一棱镜和第二棱镜旋转到位置θ1 *、θ2 *,目标将被锁定在探测器的视场中心。
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