Predictive Control of Optoelectronic Tracking System

Aim To solve the time delay problem in the optoelectronic tracking system, improving the tracking accuracy. Methods The discount least square algorithm was applied to forecast the tracking error caused by the 40?ms delay, and the predicting algorithm was improved by the adaptive discount method.Results The tracking errors of the two methods were compared, and an optimal controller with the improved adaptive discount predicting algorithm was adopted for simulation. Conclusion The predicting algorithms, especially the adaptive discount predicting algorithm, can decrease the tracking error greatly, and the desired tracking prediction can be achieved both in the transient state and in the steady state.

基于激光雷达与机载光电成像融合的高速轨道形变检测系统设计

高速轨道形变是指高速铁路轨道在运营过程中由于列车荷载、温度变化、地基沉降等因素而发生的变形现象,极大影响了高速铁路车辆的行驶安全性,为此,设计了基于激光雷达与机载光电成像融合的高速轨道形变检测系统;通过激光发射器、激光信号接收器的结构设计与组装,实现激光雷达成像模块的设计,从无人机、光电摄像机、云台等方面,完成对机载光电成像模块的设计,实现图像数据的融合处理;在硬件优化系统的支持下,生成高速轨道的激光雷达与机载光电图像,经过去噪、畸变校正、去雾等操作,完成对初始图像的预处理;采用加权融合的方式,得到激光雷达与机载光电融合图像,并提取融合图像的边缘特征,计算高速轨道位置坐标,通过坐标计算结果与轨道初始结构数据的比对,输出高速轨道形变的检测结果;实验结果表明:所设计系统的平均状态误检率为2.3%,形变量检测误差平均值为0.15 mm,具有良好的检测能力。

基于双液晶偏振光栅的机载光电跟瞄平台技术研究

为实现新型机载光电跟踪平台轻量化、小型化与高精度化设计,提出一种应用于机载平台下的基于双液晶偏振光栅光束偏转机构的光电跟瞄方法。建立了基于视轴解耦的双液晶偏振光栅光束跟瞄反向公式模型,该模型只需输入跟踪点方位与俯仰角度坐标即可计算出两共轴光栅旋转位置,通过两共轴光栅的旋转来进行光束偏转;相比传统双棱镜光束偏转模型反向公式,该模型具有模型简单、运算快速、精度较高等优点;将基于视轴解耦的双液晶偏振光栅光束偏转反向公式模型与线性二次型调节器控制算法相结合嵌入控制板以实现跟踪功能。通过试验检测了系统跟踪性能结果表明:该双液晶偏振光栅跟踪模型在载体扰动的情况下可以实现目标跟瞄,在动态跟瞄实验中,采用视轴解耦与线性二次型调节器相结合的控制策略使得系统跟瞄精度得到明显提升,相比比例积分微分控制器系统方位与俯仰轴实时跟踪残差峰峰值均下降40%以上,在2°@0.5 Hz与5°@0.2 Hz载体扰动情况下双轴脱靶量均方根值综合统计数值分别达到328μrad与289μrad,验证了所提跟瞄模型的有效性。

基于卡尔曼滤波算法的目标跟踪预测

文章主要对光电跟踪系统中的目标预测问题进行了研究。首先,介绍了目标跟踪的概念及其重要性;其次,对光电目标跟踪系统中采用的卡尔曼滤波理论及其工程应用进行了调研;再次,介绍了基本的滤波预测方法,重点阐述了卡尔曼滤波方法,并与其他常见滤波方法进行了比较;最后,阐述了机动目标跟踪的基本原理及建立了机动目标模型,并完成了相关算法的仿真实验。

无人机激光光电目标跟踪指示技术研究

无人机技术近年来发展迅速,军事应用日益广泛。传统机载激光目标指示器重量与体积较大,很难集成于无人机来实现军事应用。主要介绍了一种国际主流的激光制导武器系统技术方案及作战应用流程,并研究了一种轻小型化的三光合一的无人机激光光电目标跟踪指示载荷。有别于传统激光指示照射,该无人机激光光电载荷通过与无人机的紧耦合完成小型化集成,并实现了远近距离一体化探测功能:远距离可对打击目标进行定位引导(大地坐标位置信息),近距离可对打击目标进行激光照射指示引导。同时,本文的指示方法利用低成本小型无人机突击作战,避免了人员暴露及伤亡风险,提高了无人化作战效率。

机载光电跟踪系统的自抗扰与快速非奇异终端滑模组合控制方法

机载目标跟踪系统由于受到外部干扰、内部参数摄动和未建模动态等扰动的影响,使跟踪控制分系统设计面临巨大的挑战。以两轴四框架的光电稳定平台为对象研究抗扰动控制方法,针对自抗扰控制的扰动补偿一般留有扰动残差和滑模控制会引入较大抖振的问题,设计一种自抗扰与快速非奇异终端滑模组合控制的方法。利用线性扩张状态观测器来估计总扰动量并在控制端进行补偿,从而允许设计滑模控制的控制率时采用较小的滑模切换增益,并通过设计快速非奇异终端滑模面得到控制率,加快系统收敛的同时避免非奇异现象。数值仿真结果表明,该组合控制方法在外部扰动和模型不确定性的影响下,可以实现快速收敛与高跟踪精度的同时引入较小的抖振,并且实现了机载目标跟踪系统需求的快速响应性能,验证了这个组合控制方法的有效性。

基于线性自抗扰的吊舱力矩电机控制

由于光电吊舱的特殊工作环境在干扰状况下难以实现精确的位置跟踪,针对该问题提出了一种基于线性自抗扰的抗扰控制策略。根据电机运行过程中的状态方程,设计了线性自抗扰的控制算法,在控制器中引入了跟踪微分器安排过渡过程和提取微分信号以解决PID中存在快速性与超调的矛盾问题,并通过MATLAB/Simulink平台建立控制模型和搭建控制器实物实验平台的方法,验证了研究控制策略的有效性和优越性。结果表明:基于仿真平台下在速度控制模式,实现了无超调并且响应时间缩短了5倍;在位置控制模式,位置峰值波动降低了4倍;在时变负载扰动下跟踪精度可达到97.66%;并通过实验验证了线性自抗扰控制策略在实际应用中抗扰性能,其性能指标均优于PI控制器。

光束指向装置高分辨率传动机构

为满足某型光束指向装置高分辨率、空间紧凑和低成本的需求,结合其负载小、转速低的实际应用特点,设计了一种偏置型扭轮摩擦传动机构。该机构的变传动比特性通过改变主动轮与从动轮的扭角实现,为优选扭角设计区间,研究了扭角对机构位移特性的影响。在分析偏置型扭轮摩擦传动机构运动学特性及扭轮接触区受力、变形情况的基础上,建立了偏置型扭轮摩擦传动的刚柔耦合动力学模型,通过物理样机试验和多体动力学仿真分析,开展了扭角对输出角速度稳定性和角位移分辨率的影响。结果表明:扭角越大,机构输出角速度的波动范围也较大,传动越不平稳。设计的传动机构在扭角不大于80°时能实现平稳传动,且在大扭角条件下,机构能实现0.005°(18″)的低速微步进运动,输出分辨率优于单级圆柱齿轮传动。上述分析为偏置型扭轮摩擦传动机构在光束指向装置传动系统中的应用提供了一种新的思路。

相控阵雷达和光电设备数据融合目标跟踪算法

相控阵雷达拥有全天时、全方位观测目标的突出优势,但对于低空小目标跟踪时,由于低空场景复杂以及多径效应等,跟踪精度不高;光电设备采用光进行目标的参数探测,抗干扰能力强,对于低空小目标测角精度高,但探测范围有限,且无法测距。本文提出一种融合跟踪处理方法,首先通过雷达抓取目标后,引导光电设备进行小范围捕捉跟踪;然后同时把两个通道的数据进行时空匹配,再进行基于数据融合的卡尔曼滤波处理。该方法充分利用两种传感器的互补优势进行基于数据融合的目标跟踪,仿真结果表明可达到更高精度的跟踪效果。

加速度滞后补偿提高光电跟踪系统跟踪精度的方法

在速度滞后补偿的基础上,提出了一种加速度滞后补偿提高光电跟踪系统跟踪快速运动目标精度的方法,并将其应用于提高电视跟踪稳态精度中。结合电视跟踪器补偿技术,在保证最大跟踪误差不大于3′的条件下,将目前光电经纬仪电视跟踪系统跟踪最大角速度30°/s和最大角加速度12°/s2能力,提高到跟踪最大角速度50°/s、最大角加速度30°/s2。仿真和实验结果表明,该方法简单实用,可以在速度滞后补偿提高跟踪精度的基础上,大大提高系统跟踪快速运动目标跟踪精度的能力。在实际工程应用中,所述方法取得显著效果。

激光跟踪仪的光电瞄准与定位系统

考虑激光跟踪仪的光电瞄准与定位直接影响仪器的整体测量精度和使用性能,讨论了激光跟踪仪的光电瞄准和跟踪定位控制技术并提出了光电探测瞄准、信号调理采集、数字处理及智能跟踪伺服的系统整体技术方案。对系统关键部件进行选型,利用角锥棱镜和位敏探测器(PSD)作为光电探测核心,设计了探测光路和信号处理电路。研制了系统样机,搭建了目标位移量标准测试平台,对样机光电瞄准系统探测信号进行了测试。测试结果显示:采用该设计方案设计的激光跟踪仪样机的静态定位测量精度达到6μm,随机动态跟踪测量速度大于1m/s。结果表明:提出的方法可解决激光跟踪仪定位精度低、动态跟踪效果差等常见问题,可为研制高精度、大范围、大尺寸测量仪器提供技术参考。

Mean-shift跟踪算法及其在光电跟踪系统中的应用

针对光电跟踪系统中实时提取运动目标脱靶量的应用需求,设计了一种基于灰度直方图的Mean-shift图像跟踪算法,对算法中目标模型与候选模型的建立进行了改进,抑制了背景像素对目标跟踪产生的影响。算法在系统上位机Visual C++6.0平台上实现,当光电跟踪系统捕获到运动目标后,利用Mean-shift图像跟踪算法跟踪运动目标,并实时将运动目标脱靶量作为伺服控制系统的输入信号,驱动跟踪器跟踪目标。实验结果表明:设计的算法可以实时、准确、有效地跟踪运动目标,使稳定后的脱靶量换算得到的角偏差量控制在30″之内。

基于舰载光电跟踪装备的光电助降系统技术分析

在分析国外舰载机传统光学助降系统和雷达全自动盲降系统发展现状的基础上,给出基于舰载光电跟踪技术装备的光电助降系统的组成、配置、技术原理、技术指标,对光电助降系统中光电测量坐标系到甲板坐标系进行转换,对光电助降系统的测量误差和定位误差进行建模,在舰船无摇摆以及纵摇2°周期20s,横摇10°周期15s条件下,结合我国现有技术基础,分析摇摆姿态角误差、距离误差、跟踪测角误差对光电助降系统定位精度的影响并进行仿真实验,给出舰载机距着舰点距离大于1km和小于1km时光电助降系统的定位误差。

机载光电跟踪测量设备的目标定位误差分析

光电跟踪和测量设备用于测量飞行器在空中的飞行轨迹,作为飞行器飞行性能的评价。随着现代技术的发展,对飞行器性能提出愈来愈高的要求,从而也对跟踪和测量飞行器飞行轨迹的光电跟踪和测量设备提出了相应的技术进步要求,特别是对其测量精度指标。如何做好和完善误差分析、误差分配和误差综合,成为研制更高性能的光电跟踪测量设备总体设计中的一个重要问题,贯穿从可行性论证、方案论证、方案设计、设计、制造、装调、直到试验等整个研制过程。就这一类设备中最为复杂的机载光电跟踪测量设备的目标定位误差(即3轴上的测量误差),通过建立从被测目标到地面中心测量站9 个坐标系,进行31次线性变换,构造35个变量的统一测量方程;进行测量误差因素的分析和分配,以及用蒙特卡洛法来分析和计算系统的目标定位误差。

光电跟踪系统噪声分析及其抑制

噪声是光电跟踪系统的一个关键问题。分析了影响光电跟踪系统跟踪性能的两种主要噪声-脱靶量噪声和力矩波动引起的噪声,及其与闭环带宽的关系。从抑制噪声的角度综合给出了速度回路和位置回路带宽的设计策略。分析表明,高的速度回路和位置回路带宽有利于抑制力矩波动引起的随机噪声,而对脱靶量噪声而言,低位置回路有利于对该噪声的抑制。进一步分析表明,力矩波动主要对速度回路的影响较大,也主要靠速度回路来抑制。力矩波动引起的随机跟踪误差比脱靶量噪声引起的随机跟踪误差小一个数量级,约为后者的1/6-1/10。因此在设计位置回路带宽时,可以不考虑力矩波动的影响。

非线性滤波在光电跟踪中的应用及仿真研究

针对光电跟踪机动目标精度较差的问题,设计了光电跟踪目标的强跟踪滤波算法。该算法通过引入强跟踪滤波器的渐消因子,实时调节滤波器增益,增强了系统对突发机动目标的跟踪能力,仿真结果表明,该算法对机动目标具有较好的跟踪精度和适中的计算复杂度,是一种较好的光电跟踪算法。

惯导平台下舰载光电搜索跟踪系统的控制

针对雷达引导偏差过大影响舰载光电设备迅速跟踪来袭目标,导致光电对抗能力减弱的问题,在惯导平台下提出了一种半自动搜索与电视跟踪技术相结合的控制算法,并应用于光电搜索跟踪系统中。该控制设计主要分为两步:雷达引导下,判断数引偏差是否超过当前视场,随即将人工干预转为自动搜索;当目标在搜索视场内对比度满足图像提取阈值要求时,利用CA模型将最小二乘法求出的惯导速度数据前馈到速度回路,并结合电视脱靶量信息完成电视跟踪的闭环控制。实验显示,该算法对于大引导偏差下的目标稳定捕获距离为16.4km,比传统方法捕获距离提高了11km,在半自动目标搜索、稳定捕获跟踪的同时,缩短了雷达引导偏差过大情况下的目标稳定捕获时间,提高了光电对抗能力。

空间光电跟踪系统动量平衡设计与试验

研制了空间光电跟踪系统的输出力矩(角动量)和动量自补偿的平衡轮,用于降低光电跟踪系统运动对卫星平台姿态的影响。根据光电跟踪系统对目标捕获和跟踪成像的指标要求,针对其频繁启动、速度和加速度变化范围大、速度频繁过零等区别于卫星姿态控制用平衡轮的特点,基于角动量平衡原理设计了一种平衡轮。通过有限元法完成了平衡轮的模态分析和结构优化,建立了包含平衡轮的光电跟踪系统的机电动力学数学模型,利用Matlab/Simulink对光电跟踪系统的方位轴系进行了模型的仿真计算。为验证其可行性,研制了一套平衡轮原理样机,提出了基于单轴气浮平台的平衡轮性能测试方法,并完成了模拟方位轴系的残余角动量检测。仿真和试验结果显示,平衡轮的使用将光电跟踪系统对平台的残余角动量输出减小了96%,表明所设计的平衡轮结构和控制系统合理可行,能够满足空间应用的需求。

激光跟踪仪光电跟踪伺服控制系统设计

针对激光跟踪仪光电跟踪伺服控制系统高精度、快速、实时等使用性能要求,分析了光电跟踪伺服系统的结构方案与功能组成,提出了电流、速度和位置"三环反馈+模糊校正"的控制结构,设计了模糊PID控制算法,进行了电机、伺服器、圆光栅、DSP等关键部件选型设计。经过实际样机跟踪性能测试,随机动态跟踪性能良好,系统测试最大角加速度超过200°/s2,跟踪角速度达到40°/s,跟踪仪速度闭环带宽≥23 Hz。测试结果表明,系统动态跟踪性能达到设计指标要求。

改进TLD算法在光电跟踪中的应用

为满足光电跟踪系统图像跟踪抗遮挡、实时性的要求,提出了一种改进检测器和目标模型更新策略的TLD算法。首先,通过帧差法获得差分图像序列,其次,利用动态Otsu阈值对差分图像进行二值化处理,滤除背景差分像素,获取移动物体边界框,最后,产生局部滑动窗口,进行随机厥分类和最近邻分类;并且优化了目标模型更新策略。实验表明,对于分辨率为320×240的视频,改进算法较原算法跟踪速度提升比平均为1.50,满足系统的实时性要求;改进算法抗遮挡性能及在低对比度环境中的跟踪性能优于Mean-Shift算法,满足系统的抗遮挡要求。