CN112346358B - 一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法及***，此方法包括步骤：1)测量被控对象运动状态时的运动信息；2)对被控对象进行进行频率响应测试，得到幅频特性数据，构建被控对象传递模型；3)根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：4)将跟踪单元的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制；5)建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到控制器中；6)在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；7)根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。本发明具有成本低、周期短、测试环境局限小、评价精准等优点。

Description

一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法及***

技术领域

本发明主要涉及光电搜索跟踪***技术领域，具体涉及一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法及***。

背景技术

光电搜索跟踪***是集光学、精密机械技术、电子学、控制理论和计算机技术于一体的综合性测量装置。响应速度和跟踪精度是衡量光电跟踪性能的主要技术指标，实现快速高精度跟踪控制，成为许多高精度光电跟踪设备追求和解决的目标。由于新技术的不断发展融合，光电搜索跟踪***被广泛用于国防和国民经济的各个领域。如用于车载平台上的光电搜索跟踪***，主要是捕捉和识别击打目标，提供目标准确的空间位置信息，极大的提高了火控***的打击命中率，提升了军队的战场生存能力。其中安装在车载平台的光电搜索跟踪***，在行进过程中，会受到载体姿态变换、车体振动、崎岖路面带来的颠簸及风阻力矩的影响；安装在船舰上的光电搜索跟踪***面临着比基地光电跟踪***跟困难的挑战，一方面船舰在水中航行会受到各种复杂的干扰作用，安装在船舰甲板上的光电跟踪设备受这些载体耦合干扰的影响，其视轴会偏离被测目标；另一方面，船舰受扰产生的摇摆会使光电跟踪***发生相同的运动，增大了捕获目标的难度。

鉴于光电搜索跟踪***的重要作用和广阔的应用前景，必须建立一个稳定***，保证光电搜索跟踪***能够平稳准确地跟踪目标。而目前现有技术存在以下缺点：

1、传统的物理建模方法需要先建立理论模型，然后对其中参数进行计算、测量和估计，最终得到控制对象的模型，但实际操作中往往存在控制对象参数复杂，难以实际测量，结构体谐振、姿态干扰和轴系摩擦等非线性因素的干扰，最终导致建立的模型和实际***差别较大。

2、单一的稳定环控制器对实际***中的多重复杂误差因素很难做到统筹兼顾，难以取得令人满意的结果。

3、光电搜索跟踪***在室内测试阶段缺乏行进间作战的的真实战场环境，实际外场试验成本又高昂且无法进行重复性的试验，极大的受到人力和物力的限制。

4、传统的实现跟踪控制算法的代码都是由编程人员手工编写，这样的实现过程需要大量代码编写工作且无法方便地进行算法相关模型的更改，导致开发周期过长，成本高昂。

5、光电搜索跟踪***装载在车辆、船舰或飞机上，由于载体的姿态变化、振动和风阻等诸多因素造成视轴指向不稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种成本低、周期短、评价精度高的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法及***。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，包括步骤：

1)测量被控对象运动状态时的运动信息；

2)对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

3)根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

4)将跟踪单元的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制，以此提高跟随精度；

5)建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

6)在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

7)根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

优选地，在步骤1)中，所述运动信息包括角位置信号和角速率信号。

优选地，在步骤2)中，通过dSPACE对被控***进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，将测得的频率响应数据放入MATLAB中的ident工具箱中构建一个近似的、先验的被控对象传递模型。

优选地，所述被控对象传递模型为速度开环传递函数:

优选地，在步骤3)中，将速度开环传递函数导入MATLAB中的sisotool工具箱，根据***设计速度环超前滞后控制器为:

对随动单元的位置跟踪回路进行扫频，设置扫频频率为2KHz，采样周期0.0005s，辨识出速度开环传递函数为：

考虑***稳定条件、控制精度等要求，设计位置控制器为：

优选地，在步骤5)中，通过MATLAB软件的代码自动生成环境RTW生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件。

优选地，在步骤6)中，由六轴摇摆台模拟的行进晃动车体模拟载体环境。

优选地，根据设计的速度环和位置环控制器对光电搜索跟踪***进行动态环境测试，将六轴摇摆台升起，分别按1度1Hz、2度1HZ、3度1Hz和3度0.5Hz幅度摆动，以此模拟在不同路况下的车体晃动，模拟真实的室外环境。

优选地，在步骤7)中，将跟踪数据导入MATLAB编写的性能评价机制文件中，对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

优选地，性能评价过程如下：

将采集回来的位置和速度跟踪数据取均值：

对跟踪数据去趋势项处理，消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响，从数据中删除趋势项可以将分析集中在数据趋势本身的波动上；

对跟踪数据计算3δ值，以此评价动态环境下的跟踪精度:

绘制稳定精度曲线图和残余速度曲线图，以方便直观看到光电搜索跟踪***的稳定情况。

本发明还公开了一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价***，包括：

第一模块，用于测量被控对象运动状态时的运动信息；

第二模块，用于对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

第三模块，用于根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

第四模块，用于将跟踪单元的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制，以此提高跟随精度；

第五模块，用于建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

第六模块，用于在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

第七模块，用于根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、通过频域建模技术从频率域直观的表示控制对象的动态特性，通过控制对象的频率响应，间接获得对象的传递函数，受非线性环节及测试***不可测噪声影响较小，辨识结果与实际特性逼近程度高，能够完成伺服***频率特性测试与模型辨识。

2、利用由六个自由度构成的液压式摇摆台构建动态载体环境，模拟车载武器站在行进间作战时的真实环境，包括不同级别的车体摇晃，最大程度的还原真实的作战状况，减少室外调试成本，降低测试费用。

3、利用MATLAB中simulink工具箱与嵌入式联合的方法，由建立的跟踪控制算法模型直接生成标准C语言代码文件，减少编程人员编写大量代码这一繁杂过程，节约了开发成本。

4、利用MATLAB构建一套性能评价机制，对光电搜索跟踪***的跟踪数据进行性能评价，快速计算出动态环境下光电搜索跟踪***的3δ值，得出***的稳定精度。

附图说明

图1是本发明中光电搜索跟踪***的控制流程图。

图2是本发明中光电搜索跟踪***的控制方框图。

图3是本发明中摇摆台1度1Hz摇摆下的性能评价图。

图4是本发明中摇摆台2度1Hz摇摆下的性能评价图。

图5是本发明中摇摆台3度1Hz摇摆下的性能评价图。

图6是本发明中摇摆台3度0.5Hz摇摆下的性能评价图。

图7是本发明在实施例的方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明对车载光电搜索跟踪***的稳定精度和位置精度展开研究和设计，模拟车辆行进间的运动状态，使用dSPACE半实物仿真***进行了多环路开环特性的模型辨识和并利用MATLAB的sisotool工具箱进行了控制器的设计，对传统控制器可能遇到的精度不足的问题介绍了相应的速度前馈补偿校正方法，在此基础上，还完善了光电搜索跟踪***的性能评价机制。

如图7所示，本实施例的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，包括步骤：

1)测量被控对象运动状态时的运动信息；

2)对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

3)根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

4)将跟踪单元的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制，以此提高跟随精度；

5)建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

6)在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

7)根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

本实施例中，在步骤1)中，所述运动信息包括角位置信号和角速率信号。

本实施例中，在步骤2)中，通过dSPACE对被控***进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，将测得的频率响应数据放入MATLAB中的ident工具箱中构建一个近似的、先验的被控对象传递模型。

本实施例中，所述被控对象传递模型为速度开环传递函数:

本实施例中，在步骤3)中，将速度开环传递函数导入MATLAB中的sisotool工具箱，根据***设计速度环超前滞后控制器为:

对随动单元的位置跟踪回路进行扫频，设置扫频频率为2KHz，采样周期0.0005s，辨识出速度开环传递函数为：

考虑***稳定条件、控制精度等要求，设计位置控制器为：

本实施例中，在步骤5)中，通过MATLAB软件的代码自动生成环境RTW生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件。

本实施例中，在步骤6)中，由六轴摇摆台模拟的行进晃动车体模拟载体环境。具体地，根据设计的速度环和位置环控制器对光电搜索跟踪***进行动态环境测试，将六轴摇摆台升起，分别按1度1Hz、2度1HZ、3度1Hz和3度0.5Hz幅度摆动，以此模拟在不同路况下的车体晃动，模拟真实的室外环境。

本实施例中，在步骤7)中，将跟踪数据导入MATLAB编写的性能评价机制文件中，对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。具体地，性能评价过程如下：

将采集回来的位置和速度跟踪数据取均值：

对跟踪数据去趋势项处理，消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响，从数据中删除趋势项可以将分析集中在数据趋势本身的波动上；

对跟踪数据计算3δ值，以此评价动态环境下的跟踪精度:

绘制稳定精度曲线图和残余速度曲线图，以方便直观看到光电搜索跟踪***的稳定情况。

下面将上述内容放在一具体实施例中进行完整说明：

步骤1：在被控光电搜索跟踪***中安装光纤陀螺传感器、编码器，用于测量***运动状态的角位置信号和角速率信号；

步骤2：通过dSPACE对被控***进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，将测得的频率响应数据放入MATLAB中的ident工具箱中构建一个近似的、先验的被控对象传递模型；

步骤3：根据得到的位置、速度数据对被控对象设计多环路环控制器，光电搜索跟踪***采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将光电编码器的位置发送到跟随的火力单元作为位置环的输入，以此让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

步骤4：将光电编码器计算的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制，以此提高跟随精度；

步骤5：将以上跟踪控制算法建立simulink模型，并通过MATLAB软件的代码自动生成环境RTW生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

步骤6：在模拟的载体环境中，即由六轴摇摆台模拟的行进车体晃动的情况下，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到仿真跟踪过程的跟踪数据；

步骤7：将测得的跟踪数据导入MATLAB编写的性能评价机制文件中，对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

通过上述设计，使得本发明具有以下优点：

1、通过频域建模技术从频率域直观的表示控制对象的动态特性，通过控制对象的频率响应，间接获得对象的传递函数，受非线性环节及测试***不可测噪声影响较小，辨识结果与实际特性逼近程度高，能够完成伺服***频率特性测试与模型辨识。

2、利用由六个自由度构成的液压式摇摆台构建动态载体环境，模拟车载武器站在行进间作战时的真实环境，包括不同级别的车体摇晃，最大程度的还原真实的作战状况，减少室外调试成本，降低测试费用。

3、利用MATLAB中simulink工具箱与嵌入式联合的方法，由建立的跟踪控制算法模型直接生成标准C语言代码文件，减少编程人员编写大量代码这一繁杂过程，节约了开发成本。

4、利用MATLAB构建一套性能评价机制，对光电搜索跟踪***的跟踪数据进行性能评价，快速计算出动态环境下光电搜索跟踪***的3δ值，得出***的稳定精度。

本发明还公开了一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价***，包括：

第一模块，用于测量被控对象运动状态时的运动信息；

第二模块，用于对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

第三模块，用于根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

第四模块，用于将跟踪单元的速度经过PD控制后，发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制，以此提高跟随精度；

第五模块，用于建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

第六模块，用于在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

第七模块，用于根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。

下面结合一完整的具体实施例对本发明的方法做进一步说明：

其中光电搜索跟踪***是一个多环路的位置跟踪***，其控制流程参照图1，光电轴***内环是电流环闭环，采用力矩模式，由光电内部的驱动器完成该环的控制,外环采用双轴光纤陀螺速度闭环。跟随的武器火力单元采用三环控制器方法，电流环和速度环在驱动器内部完成，外环采用位置闭环。通过将光电轴上编码器的位置发送给火力单元，火力单元跟随光电进行稳定跟踪。同时将光电编码器计算的速度经过PD控制后，发送至火力单元(如机枪轴)的速度环输入，作为前馈控制，提高跟踪精度。在dSPACE半实物仿真平台上实现陀螺稳定回路模型的建立，并基于该模型设计了控制器，仿真结果和半实物平台实验结果接近。其中，辨识数据是在稳瞄***实际工况中扫频获得，包含了摩擦和线扰等非线性因素，这样的建模方法更接近实际。最终获得的稳定回路模型可以直接作为位置回路的控制对象，为位置随动控制器提供了设计依据。本发明设计的控制器可以直接移植到嵌入式处理器进行实时控制而无需人工编写大量代码，极大地提高了开发效率，节约开发成本。

如图2所示是本发明的控制结构方框图，其中U(s)是瞄准线指令信号输入，w(s)和θ(s)分别是输出角速度和角位移，w_b(s)是姿态干扰，F_p(s)是前馈校正器，G_p(s)是位置环控制器，H_p(s)表示位置环反馈，G_v(s)是速度环控制器，H_v(s)表示速度环反馈，G_o(s)表示电机速度开环传递函数。根据图2控制方框图设计控制器过程如下：

运用dSPACE对光电搜索跟踪***进行频率测试，得到***开环频率特性数据，设置的扫频频率为2KHz,采样周期0.0005s,得到***的开环频率特性数据。

将测试数据导入MATLAB的ident工具箱，辨识出光电搜索跟踪***的模型，即速度开环传递函数为:

将开环传递函数导入MATLAB中的sisotool工具箱，根据***设计速度环超前滞后控制器为:

对随动单元的位置跟踪回路进行扫频，设置扫频频率为2KHz，采样周期0.0005s，辨识出速度开环传递函数为：

考虑***稳定条件、控制精度等要求，设计位置控制器为：

根据设计的速度环和位置环控制器对光电搜索跟踪***进行动态环境测试，将摇摆台升起，分别按1度1Hz、2度1HZ、3度1Hz和3度0.5Hz幅度摆动，以此模拟在不同路况下的车体晃动，模拟真实的室外环境。

将在摇摆台晃动情况下的跟踪数据导入编写好的MATLAB文件，进行性能评价，评价过程如下：

将采集回来的位置和速度跟踪数据取均值：

对跟踪数据去趋势项处理，消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响，从数据中删除趋势项可以将分析集中在数据趋势本身的波动上。

对跟踪数据计算3δ值，以此评价动态环境下的跟踪精度:

绘制稳定精度曲线图和残余速度曲线图，方便直观看到光电搜索跟踪***的稳定情况。不同晃动幅度下的稳定测试结果如图3至图6所示；根据3δ值算出密位值，对应关系为1mrad＝0.06°。其中光电搜索跟踪装置的稳定精度性能评价结果如下表所示：

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，包括步骤：

1)测量被控对象运动状态时的运动信息；

2)对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

3)根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成，外环采用位置闭环，通过将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

4)将跟踪单元的速度发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制；

5)建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

6)在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

7)根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价；

在步骤2)中，通过dSPACE对被控***进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，将测得的频率响应数据放入MATLAB中的ident工具箱中构建一个近似的、先验的被控对象传递模型；

其中辨识数据是在稳瞄***实际工况中扫频获得，包含摩擦和线扰非线性因素，最终获得的稳定回路模型直接作为位置回路的控制对象，为位置随动控制器提供设计依据；

在步骤6)中，由六轴摇摆台模拟的行进晃动车体模拟载体环境，具体根据设计的速度环和位置环控制器对光电搜索跟踪***进行动态环境测试，将六轴摇摆台升起，分别按1度1Hz、2度1HZ、3度1Hz和3度0.5Hz幅度摆动，以此模拟在不同路况下的车体晃动，模拟真实的室外环境；

在步骤7)中，将跟踪数据导入MATLAB编写的性能评价机制文件中，对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价；性能评价过程如下：

将采集回来的位置和速度跟踪数据取均值：

对跟踪数据去趋势项处理，消除传感器在获取数据时产生的偏移对后期计算产生的影响，从数据中删除趋势项以将分析集中在数据趋势本身的波动上；

对跟踪数据计算3δ值，以此评价动态环境下的跟踪精度:

绘制稳定精度曲线图和残余速度曲线图，以直观看到光电搜索跟踪***的稳定情况。

2.根据权利要求1所述的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，在步骤1)中，所述运动信息包括角位置信号和角速率信号。

3.根据权利要求2所述的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，所述被控对象传递模型为速度开环传递函数:

4.根据权利要求3所述的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，在步骤3)中，将速度开环传递函数导入MATLAB中的sisotool工具箱，根据***设计速度环超前滞后控制器为:

对随动单元的位置跟踪回路进行扫频，设置扫频频率为2KHz，采样周期0.0005s，辨识出速度开环传递函数为：

考虑***稳定条件、控制精度等要求，设计位置控制器为：

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，在步骤5)中，通过MATLAB软件的代码自动生成环境RTW生成实现跟踪控制算法的标准C语言代码文件。

6.一种光电搜索跟踪***的半实物性能评价***，用于执行如权利要求1-5中任意一项所述的光电搜索跟踪***的半实物性能评价方法，其特征在于，包括：

第一模块，用于测量被控对象运动状态时的运动信息；

第二模块，用于对被控对象进行进行频率响应测试，得到***的幅频特性数据，构建被控对象传递模型；

第三模块，用于根据运动信息对被控对象设计多环路控制器：其中跟踪单元采用陀螺速度闭环模式，跟随的火力单元采用位置闭环模式，电流环和速度环在自带的驱动器内部完成；将跟踪单元的位置发送到跟随的火力单元作为其位置环的输入，让火力单元跟随光电进行稳定跟踪；

第四模块，用于将跟踪单元的速度发送至火力单元的速度环输入，作为前馈控制；

第五模块，用于建立simulink模型，生成实现跟踪控制的标准代码文件，并将代码文件下载到光电搜索跟踪***的控制器中；

第六模块，用于在模拟的载体环境中，测试光电搜索跟踪***的跟踪过程，得到跟踪数据；

第七模块，用于根据跟踪数据对光电搜索跟踪***进行动态环境下稳定精度的性能评价。