光电跟踪

光电跟踪（精选9篇）

光电跟踪 篇1

摘要：根据星载环境的特殊性及跟踪系统设计要求,对星载光电跟踪系统的跟踪精度做了较全面的定性分析和阐述。在理论分析的基础上,对工程实例的跟踪精度做了定量分析且提出了切实可行的提高系统跟踪精度的方法。最后试验证明提出的稳定跟踪技术满足了系统跟踪精度指标的要求。

关键词：星载平台,跟踪精度,跟踪误差,稳定跟踪

跟踪精度作为系统重要性能之一能够最直接地反映系统总体跟踪性能。影响星载光电跟踪系统跟踪精度的主要因素有卫星的振动、摄动及旋转、星载系统工作状态、机械结构及参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等。其中,参照系采取星载坐标系,其误差由实际工作情况决定。轨道预测误差由探测识别系统等星载前续系统给出的数据决定。背景光噪声影响主要来自太阳、悬浮粒子、尘埃及能对光产生反射和散射的星体等[1,2,3]。由于系统的工作状态及自身对跟踪精度都有影响,所以在工程应用中,需要根据实际情况分析影响跟踪精度的主要因素,并有针对性地提出提高系统跟踪精度的方法,满足系统指标的要求。

1 星载光电跟踪系统跟踪精度

1.1 星载光电跟踪系统跟踪误差的主要来源

对星载光电跟踪系统来说,从光电探测器开始敏感外界信号到伺服控制器收到脱靶量信息要有一定的延迟时间,其中包括探测器的积分延迟、信号处理延迟和通讯传输延迟等。在探测系统中,由于图像处理器与主控制器之间,主控制器与伺服控制系统之间均通过总线进行信息传输,这都增加了伺服控制器收到脱靶量的延迟时间。长延迟的存在对跟踪系统的带宽、跟踪精度等造成严重的影响。因此,分析跟踪误差的主要来源,建立星载光电跟踪系统的稳定跟踪技术对于提高系统的跟踪性能有着重要的意义。

图1为普通跟踪系统的主要跟踪误差源,总的跟踪误差包括静态偏置误差和动态随机误差[4]。

根据以上对跟踪误差主要误差源的分析,结合星载光电跟踪系统的组成和工作模式,列举星载光电跟踪系统的跟踪误差的主要来源:

(1)动态跟踪滞后误差;

(2)光电图像传感器误差;

(3)角度位置传感器光电码盘误差;

(4)图像定位算法误差;

(5)卫星平台振动误差;

(6)其他误差。

1.2 影响跟踪精度的因素分析

1.2.1 动态跟踪滞后误差

动态滞后是由于目标运动引起的一项误差,是控制器延时、D/A转换延时、执行机构响应速度等这些原因造成的。在跟瞄伺服系统达到稳定状态时,系统输入与对应的稳态输出之间的差便是动态跟踪滞后误差ε(t):

1.2.2 光电图像传感器误差

光电图像传感器误差是由光电探测器噪声引入误差、光电探测器不均匀性引入误差和空间量化误差所组成。

(1)光电探测器噪声误差是各项误差源中最主要的误差源,它的噪声包括信号和背景的散弹噪声、暗电流、读出噪声等。工程上对这些噪声的综合影响给出一个噪声等效角σNEA:

其中:S为信号,Δt为曝光时间,N为质心窗口半宽,Np为质心窗口像素目,Np=(2N+1)2,RF为单个像素lσ固定噪声,RT为单个像素上的背景信号(包括杂散光和暗电流),则光电探测器器件噪声功率谱密度为:

fs为光电探测器件采样频率,则由光电探测器件噪声引起的跟踪误差为:

(2)光电探测器不均匀性是单个像素的光电响应属性,这是由探测器制作过程中搀杂浓度的不均匀、淀积厚度的差异以及光刻误差等造成的。

(3)空间量化误差是由于有限的探测器像元尺寸造成的,它是光束形状、像元尺寸和光斑质心窗口尺寸的函数。间量化引入的误差通常变化比较慢,其大小由光斑的亚像素位置决定。通常,光斑质心窗口应当取大一些,以减小由于图像截断导致的空间量化误差,但质心窗口尺寸增大同样会接收更多的噪声,导致噪声等效角σNEA增大。因此,在两种误差控制上需要折衷。

1.2.3 角度位置传感器光电码盘误差

光电码盘是一种数字式角度传感器,它能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出,主要用于机械转角位置和旋转速度的检测与控制。影响光电码盘精度的主要因素有:码盘的刻划误差、主轴系的回转精度、码盘的安装偏心、狭缝的刻划误差和狭缝的装配误差。光电码盘角度编码器的量化误差对跟踪精度影响最大。

对于用光电码盘进行转角位置的检测,传统方法是检测码盘输出脉冲数来计算角位移。光电码盘系统总的误差可由下式合成:

其中:σ为光电码盘均方根精度,ε为光电码盘编码器精度,ξ为精密弹性联轴器传动精度,γ为编码器转换电路精度。

1.2.4 图像定位算法误差

图像定位算法一般采用质心定位、形心定位、峰值定位、边缘定位等常用算法。当目标的形状和预测精度一定时,对目标估计精度影响最大的因素就是目标窗口的中心位置。误差对窗口中心位置非常敏感,因为误差的均值直接正比于xt-xc,xt为目标的实际位置,xc为目标窗口的中心坐标。由图像定位算法引起的误差可以写为:

其中,k与背景和目标像素之比即目标误判概率有关。

1.2.5 卫星平台振动误差

卫星轨道产生的不均匀引力、太阳的辐射压力或空间站内部的一些操作都有可能引起卫星平台的振动。在星载光电跟踪系统中,平台的振动造成的角振幅干扰可能显著地影响系统的总跟瞄误差的值,因而需要采取抑制措施。目前的卫星平台一般采用振动隔离或者是设计具有优良扰动抑制能力精跟踪系统来抑制卫星振动,所以在经过抑制卫星振动后产生的卫星平台振动误差几乎可以忽略不计。

1.2.6 其他误差

其他误差如电源波动、温度变化引入的随机噪声,系统调试校准误差等。

由于星载系统自身特点,跟踪精度可以用视轴稳定误差来表示。再根据星载空间环境特殊性,量化的跟踪误差主要由光电传感器NEA、控制系统机械误差及动态滞后误差决定。总跟踪精度为:

其中:σ为总跟踪精度,σ1,σ2,…,σn为各因素引起的误差。

2 计算跟踪精度及提高跟踪精度的方法

实例:某星载光电跟踪系统,跟踪精度要求60″。根据实际情况,列出对本系统影响较大的跟踪误差:

系统采用的光电码盘的精度是16位20″,假设光电码是线性变化的,则运用光电码盘对探测器满程定标的误差大约是σ1=10″;

跟踪相机的帧频为60Hz,则一帧的时间是16 ms。系统伺服响应时间为10 ms,所以系统总响应时间为26 ms。目标的运动速度为1°/s,由于一帧的滞后引起的误差为σ2=26 ms×1°×3 600=93.6″;

由形心算法计算得到的误差为:;

跟踪相机探测器面阵大小为1 024×1 024,光敏元大小为12μm×12μm,所对应的视场大小为2°×2°,由它引起的误差最大为0.5个像元点,即误差为;

这样,跟踪精度为σ=σ12+σ22+σ32+σ42,计算得σ=94.2″。

为保证系统的可靠跟踪和精度测量,可采用以下技术途径来提高系统的跟踪精度:

2.1 改善伺服控制系统的性能

提高伺服响应速度,减小响应时间,提高跟踪系统的带宽,减小系统响应的动态误差。

2.2 提高探测帧频

本系统的相机采用了窗口读出模式,在目标位置初步判定后,可设置一个局部图像窗口,视频读出数据率不变,帧频可提高,脱靶量检测频率也同样可提高。这对伺服控制系统的响应性能有更高的要求。

2.3 采取稳定跟踪技术

星载光电跟踪系统依靠传感器提供运动目标信息,捕获并稳定跟踪目标。由于图像传感器系统在提取目标时需要一定的处理时间,控制系统得到的运动目标的信息都有一定的滞后,在跟踪快速运动目标时,该滞后量必然成为影响控制系统的稳定性和跟踪精度的主要因素。预测滤波算法就是根据在前面的目标信息以及目标信息的滞后量已知的情况下,预推出当前目标信息,克服目标信息的滞后量对控制系统的影响。

常用的数据滤波方法有有限记忆最小平方滤波、α-β-γ滤波、Kalman滤波和综合预测器,这些滤波方法有他们各自的优势和适用场合。

(1)有限记忆最小平方滤波是用靠近现在时刻的N个带有随机噪声的测量数据,估计现在时刻或预测未来时刻目标运动参数,并使估值或预测的均方误差最小。此方法虽然简单,但精度有限,记忆点数多,当目标机动性加强时,滤波器不能及时反应,致使系统误差加大。

(2)α-β-γ滤波即常增益最优递推滤波。滤波效果优于有限记忆滤波,并且不太复杂,但是精度有限,适用中等精度系统和计算速度有限时应用。

(3)Kalman滤波精度高,高精度跟踪采用的滤波算法主要以Kalman滤波器为主要技术。但是Kalman滤波计算量大,实时性差,而且容错能力不够好,对它的适用范围也有了一定的限制。

(4)综合预测器是在某一次预测算法所涉及的范围内,目标的运动可看作直线运动和曲线运动的某种组合,因此可以用多种预测结果的综合作为最终的预测值。

3 结语

根据以上实例可以看出,在星载光电跟踪系统中,对跟踪精度影响最大的是动态滞后误差和伺服系统的响应延时。在对系统的跟踪精度进行分析之后,采用了改善伺服控制系统的性能、提高探测帧频和启用综合滤波器等切合工程实际应用的方法来提高系统的跟踪精度。经过以上的改善,系统的跟踪精度达到了60″,满足了系统跟踪精度指标的要求。

本文在理论分析的基础上,对实际系统的跟踪精度做了定量分析。可以看出,确定并提高系统跟踪性能既要考虑实际系统的工作环境特殊性,又要考虑技术实现的可能性,合理的分析和设计对实现良好的光电跟踪设备总体性能是非常重要的。

参考文献

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光电跟踪 篇2

光电经纬仪人工跟踪训练系统

为解决航空武器试验中人工跟踪难度大、成本高、有一定危险性等问题,设计了一套光电经纬仪人工跟踪训练系统.本文首先对训练系统自身的要求和特点进行了研究,提出了基本设计思想,重点分析了系统的.体系结构,并介绍了使用的关键技术.最后介绍了该系统的硬件组成和软件功能.实际应用表明,该系统能有效地满足训练的要求.

作 者：龚锦龙 邓彬 GONG Jin-long DENG Bin 作者单位：成都电子科技大学电子工程学院,成都,610054刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL年，卷(期)：200613(4)分类号：V24 TH761.1关键词：光电经纬仪 航迹规划 任务 HDLC

无线光电自动跟踪平台研究 篇3

1 系统硬件设计

1.1 系统整体结构

无线光电自动跟踪系统控制平台主要由光纤陀螺仪、光电编码器、A/D采样电路、放大电路、D/A转换电路, DSP控制器和直流力矩电机驱动器等几部分组成。系统总体设计框架如图1所示。

1.2 系统功能架构

系统采用光电编码器作为电机反馈元件构成数字位置外环, 利用陀螺的“空间测速机”功能组成模拟稳定内环的双闭环控制结构。利用陀螺仪把负载平台相对于惯性空间的角速度, 反馈回DSP控制器, 经过适当的PID算法, 形成驱动电机的控制信号, 从而消除转台的扰动, 保持系统的稳定性、快速性。由于转台工作状态主要为低速运行、连续运转, 因此要求精度高、响应快、运动平稳性好, 所以在控制系统中采用直流力矩伺服电动机。

1.2.1 DSP处理器

本系统采用, TI公司推出的2000系列DSP—TMS320F2812。TMS320F2812数字信号处理器是TI公司最新推出的32位定点DSP, 是目前控制领域最先进的处理器之一。它属于最新高端产品, 适合工业控制、机床控制等高精度应用领域。其频率高达150MHz, 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320F28X DSP内核, 并提供浮点数学函数库, 从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。主要特性如下:

(1) 数据处理能力强。

系统时钟频率可达150MHz (时钟周期可达6.67ns) 。另外TMS320F2812采用了先进的改进型哈佛结构, 拥有八级流水线, 专用的指令集和统一的寄存器编程模式;

(2) 存储空间大。

具有32位的数据地址和22位的程序地址, 总地址空间町达4M的数据空间和4M的程序空间。片内存储器包括128Kx 16位的Flash存储器和l28Kx 16位RAM;

(3) 外围设备电路完善。

具有外部存储器接口, 三个32位的定时器, 56个独立可编程GPIO, 串行外接口SPI, 两个标准的串行通信接口SCI, 改进的局域网络ECAN, 多通道缓冲串行接口MCBSP和串行外围接口模式, 另外还有两个事件管理器模块EVA和EVB, 每个包括16位通用定时器:8个16位的脉宽调制 (PWM) 通道。它们能够实现:PWM的对称和非对称波形;可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲;3个捕获单元;16通道A/D转换器。

(4) 中断响应和处理迅速。

有三个外部中断和外部中断扩展模块PIE, PIE可支持96个外部中断。TMS320F2812支持32位的中断向量, CPU取回向量和保存关键参数仅需要9个时钟周期, 因此可以很快地响应和处理中断事件, 并可以在硬件和软件中控制中断的优先级。

(5) 低功耗。

核心电压1.8V, I/O口电压3.3 V。I/O输入引脚的电平与TTL兼容, 输出均为3.3V CMOS电平。支持空闲模式、等待模式和挂起模式。

由于TMS320F2812工作频率高, 运算速度快, 对供电电源的质量要求非常高, 因此供电质量的高低将直接影响到系统的稳定性, 所以设计出高效率、高性能的供电系统是非常有必要的。系统采用TPS70351作为DSP处理器的供电电源, 可以为TMS320F2812提供所需的两种电源, 3.3V和1.8V, 并且还提供复位功能。

1.2.2 陀螺仪测控

在整个系统中, 陀螺仪的作用是非常重要的。陀螺稳定无线光电跟踪系统要求具有很高的稳态精度和较好的动态品质, 以及足够大的稳定裕度和抗干扰能力。因此本系统所选用光纤速率陀螺, 是国内广泛运用的VG095M型, 陀螺输出测量信号较弱, 并且在陀螺信号中混杂了各种噪声, 存在零点漂移及调零偏差, 数据采集引入的高频干扰频率往往超出系统正常动态特性的频率范围造成采样值不稳定。同时, 所采用的模数转换 (A/D) 芯片的信号输入范围是±10V, 因此, 在保证精度的条件下必须对陀螺输出信号进行前级放大调理之后, 才能送入A/D转换, 并且要求前级放大电路具有较大的输入阻抗, 高的共模抑制比, 噪音要低, 具有～定的放大倍数。本系统AD620组成陀螺信号前级放大电路来调理陀螺输出的微弱电信号, 陀螺信号前级放大电路如图2所示。

进过前置运放后的陀螺信号, 进入A/D转换芯片, 为了系统的稳定性和高精度, 我们选用16/24位可调的模数转换芯片:AD7734。AD7734有4路模拟输入口, 4路输入口都可以根据需要在寄存器里分别配置各通道的输入范围, 最大值可达±10V, 为传动装置提供足够的驱动能力。

1.2.3 光电编码器探测

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器, 光电编码器与电机相连, 当电机转动时, 带动码盘旋转, 便发出转速或转角信号, 光电编码器是目前伺服系统中应用最多的传感器。根据其刻度方法及信号输出形式, 可分为增量式、绝对式两种。增量式编码器存在零点累计误差, 抗干扰较差, 接收设备的停机需断电记忆, 开机应找零或参考位等问题, 因此本系统选用绝对式编码器, 绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形, 绝对式编码器可有若干编码, 根据读出码盘上的编码, 检测绝对位置, 码道越多, 分辨率就越高。对于一个具有N条码道的编码器, 检测精度为:。系统所采用的是BCE60系列16位绝对式编码器, 通过差动的两根数据线/SD和SD发送和接收数据, 编码器的输出数据线采用RS-485接口, 故需通过一块RS-485驱动芯片SN75176与后续电子设备通信, 通过RE这一使能引脚控制SN75176芯片的工作状态。如图3:

1.2.4 D/A转换控制

由于整个系统是一个闭环系统, DSP通过SPI口对陀螺的模拟量的处理以及通过RS232串口对光电编码器的数字量的处理, 最后经过D/A变换, 反馈控制驱动器, 实时调控系统平台。为了更好的控制平台, 应选择宽范围电压输入的驱动器, 达到-10V～+10V, 因此要注意D/A芯片的选择, 为了使系统更简洁, 在这里使用了AD5546数模转换芯片, 它的精度高达16位, 增加适当的外围配置后, 输出可达±10V。

2 结语

根据以上原理, 本系统使用TMS320F2812实现无线光电自动跟踪控制平台的结构, 大大简化了外围电路, 控制十分方便, 可以实现复杂的控制算法, 适应控制模块的功能扩展和更新。本控制平台经过长期试验, 通信控制效果良好。

摘要：为了实现运动载体上光电跟踪设备的光轴稳定以保持对机动目标的精确瞄准跟踪, 光电自动稳定跟踪平台采用直流力矩伺服电机直接驱动, 以光纤陀螺仪作为惯性速率敏感元件构成光轴稳定内回路, 以光电编码器作为位置反馈和目标偏差检测反馈元件组成外回路, 采用高速DSP运动控制模块为核心建立具有开放式结构、标准模块化的多功能转台串级伺服控制系统。

光电跟踪 篇4

在某姿态测量系统中,伺服系统控制经纬仪在方位和俯仰两个自由度运动对目标进行实时跟踪.测量分站主控计算机首先通过接收外部引导信息快速将目标引入捕获电视视场,当脱靶量信息稳定后切入电视跟踪模式.当目标位置超出捕获电视作用距离后,重新切换到外引导模式,并进行必要的地球曲率修正,保证测量电视系统对目标的`连续成像.实际应用证明,多种引导源可以相互补充,扩展系统的捕获和跟踪能力,提高跟踪精度.

作 者：刘铁军 杨小军 彭伟 LIU Tie-jun YANG Xiao-jun PENG Wei 作者单位：刘铁军,LIU Tie-jun(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710019;中国人民解放军63861部队60-1分队,白城,137001)

杨小军,彭伟,YANG Xiao-jun,PENG Wei(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安,710019)

光电式太阳跟踪系统的研究 篇5

太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,已逐步成为各国竞相开发的绿色能源,并受到各国的重视。但是太阳对地球的照射随纬度、季节等条件的影响,存在着密度不均、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题。如何最大限度的提高太阳能利用率是全球研究的热点问题。传统的固定式安装的太阳能电池板是将电池板固定在某个位置,不随太阳位置的变化而移动,严重影响光电转换效率,据测算如果光伏发电系统与太阳光线角度存在25°偏差,就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降10%左右。如何保证太阳能电池板时刻对太阳光线实施自动跟踪,提高光伏发电效率,是解决这一问题的有效途径之一[1]。

目前,常用的太阳能跟踪控制方法有时空控制方法和匀速控制方法两种。时空控制法是将季节、当地经纬度数据预先输入到微处理器中通过程序列表并进行太阳方位角和高度角的计算,实现时间和空间上的同步,最终得出实际角度以实现精确控制。匀速控制法就是计算出地球的自转速度,再把跟踪装置也设计成和地球自转同步来达到跟踪目的。由于四季中每天早、中、晚太阳光的强弱变化范围很大,所以上述两种控制器很难实现随季节的变化对太阳光进行全天候的跟踪。这样就影响了太阳光对电池板的照度,降低了光子吸收和光电转换的效率,不易达到实用要求,而且太阳跟踪系统的跟踪精度也比较低[2]。

本文的设计目的是:开发一种利用光电技术对太阳光进行实时跟踪的自动阳光跟踪系统,时刻检测太阳光与太阳能电池板法线间的夹角,随时调整太阳能电池板的方位,始终保持太阳光垂直照射太阳能电池板。

1 光电式阳光跟踪系统的结构

本设计的光电式阳光跟踪系统由光电探测器、控制电路和机械传动机构三部分组成,系统结构如图1所示。光电探测器的作用是检测太阳能电池板的法线与太阳光线之间的夹角。当夹角超过特定阈值时,由控制电路将该夹角信号转换为电信号驱动机械传动机构调整太阳能电池板的位置,使太阳能电池板的法线与太阳光线之间的夹角为零,实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

1.1 光电探测器

将太阳在天空位置的改变归结到两个相互垂直的方向,即沿东西方向的变化(从日出到日落的变化)和沿南北方向的变化,用方位角和高度角来描述。用一对光电传感器检测方位角的变化,另一对光电传感器检测高度角的变化。当一对光电传感器的光照度一样时,说明太阳光与太阳能电池板法线间的夹角为零,太阳光是垂直入射到太阳能电池板上;当一对光电传感器的光照度不一样时,说明太阳光与太阳能电池板法线间的夹角不为零,太阳光偏离了垂直入射方向,则需要调整太阳能电池板的方位。为了排除环境光的干扰,结合几何光学成像原理,将两对光敏电阻,封装在一个带有平凸透镜的圆筒暗盒底部相互垂直的两个直径上,距圆心距离相等,如图2(a)所示。为减轻太阳能设备的自重,降低能耗,圆筒材料选用铝合金,内部喷涂吸光材料。当太阳光与平凸透镜的主光轴平行时,太阳光经过聚光透镜后在圆筒底聚焦为一个光斑,4个光敏电阻围着光斑,每个光敏电阻的受到的光照是一样的,如图2(b)所示;当太阳光偏离平凸透镜的主光轴时,在圆筒底聚焦为一个光斑会发生偏移,导致在一条直径上2个光敏电阻受到的光照不同,光敏电阻因受光的照度不一样,阻值出现偏差,当这个偏差达到一个阀值时,则输出信号[3]。

1.2 控制电路

本设计的控制电路由信号采集、信号比较、电机控制、自动复位控制四部分构成,电路图如图3所示。

采集电路由平凸透镜、圆筒、电阻R1~R4及光敏电阻RL1、RL2组成。信号比较电路由运算放大器IC1A、IC1B、可调电阻R11、电阻R5、R 6组成。电机控制电路由D 1、D 2、D 3、D 4、LED1、LED2、R7、R8、R9、R10、Q1、Q2及继电器J1、J2构成。手动控制电路由开关S1、S2、LED1、LED2、R7、R8、R9、R10、Q1、Q2及继电器J1、J2构成。

本电路的特点是每组由两只光敏电阻组成,一组检测左右方向的光强,另一组检测上下方向的光强。光敏电阻将光强转换为相应的电信号送至比较器输入端,输出相应的控制信号,控制驱动电机工作,及时调整太阳能电池板的朝向,使太阳能电池板四季全天候跟踪太阳,从而提高能量转化效率。所以,本文所设计的控制电路能够根据太阳所处的具体位置对太阳光进行实时跟踪,而且调试简单,成本低廉。

为了达到全方位跟踪太阳的目的,我们分别使用两块控制电路来驱动两个电机,使太阳能电池板能够左右和上下转动,实现方位角和高度角的跟踪。

另外,本文还设置了复位功能。每天早晨,控制电路根据传感器的检测信号向机械执行机构发出相应信号驱动太阳能电池板复位。

1.3 机械传动机构

本文提出了在地平坐标系中的双轴跟踪机械传动部分的设计思想,双轴自动跟踪机械传动部分的主视图和左视图分别如图4(a)、(b)所示。机械传动部分由太阳能电池板、立柱、上底座、下底座、地平轴、太阳能电池板的支撑架、齿轮、高度转轴、推力球轴承、电机等组成。立柱与下底座连在一起,下底座结实牢固可移动。电池板的支撑架固定在推力球轴承上,大齿轮固定套在推力球轴承上,再固定在上底座。电机2固定在上底座上,与地平轴用齿轮链接,使太阳能电池板绕地平轴旋转,实现对太阳光的方位角的跟踪。电机1安装在太阳能太阳能电池板上面,通过齿轮与丝杠相连接,丝杠的另一端通过万向螺母连接在上底座上,通过旋进、旋出改变丝杠的长短,使电池板绕水平轴转动,以改变太阳能电池板的高度角。齿轮1固定套在电机2的转轴上,齿轮2固定套在立柱上,整个太阳能发电设备围绕竖直轴转动依靠齿轮1与齿轮2的啮合[4]。

本设计结构简单,刚性较好,成本低廉,可在各种环境下使用,克服了其他阳光跟踪系统中的机械传动部分结构复杂笨重的问题。在驱动装置上使用了功率较小的直流减速电机,降低了驱动部分的能源损耗。利用齿轮传动,增大了传递动力,提高了精度。传动装置连接在转动架下(太阳能电池板之下),受到较好的保护,提高了传动装置的寿命。在转角控制方面,高度角变化范围可达90°,周角变化范围可达200°,拓宽了在其他方面的应用。采用蜗杆和齿轮传动机构跟踪,具有传动平稳及精度高等优势[5],能够在降低太阳能发电成本方面产生积极的作用。

2 实验结果及分析

将光电探测器、控制电路、机械传动机构三部分进行整合后调试,实验室测量结果完全符合预期效果。本系统可以同时对高度角和方位角上的阳光进行检测,输出信号,驱动机械传动机构,使得太阳能电池板能始终面对太阳,跟踪精度可以达到1度,而且运行可靠,结构简单,没有累计误差,成本低廉,不需要人工进行定期的调节。

3 结论

本文开发了一种由光电探测器、控制电路和机械传动机构三部分组成的光电式太阳跟踪系统。实验和运行的结果表明,在太阳光辐射总量一定的情况下,可增加太阳能电池板发电总量,提高发电效率。本系统设备简易,操作方便,太阳能利用率高,能长期自动运行在免维护的状态下,因此具有广阔的应用前景。

摘要：本文设计了一种由光电探测器、控制电路、机械传动机构三部分组成的光电式太阳跟踪系统。通过光电技术现实了太阳光角度数据的实时采集,太阳能电池板转动由控制电路驱动,确保其能够全天候跟踪太阳。通过实验室测试,达到预期设计目标。由于制造运行成本较低,跟踪精度较高,该系统具有广阔的应用前景。

关键词：控制电路,光电探测器,自动跟踪

参考文献

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光电跟踪 篇6

多个文献论述了多光轴不平行性的室内测量方法[1,2,3]。高文静等研究了大口径平行光管在光轴平行性测量的应用[4]。史学舜等提出了一种光电跟踪仪光轴一致性测量装置[5]。在野外环境下,李建超等设计了激光可见光两光轴检测装置[6]。文中设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的空间分辨角度、光轴一致性和最大作用距离等参数的外场标校进行了研究。

1 集成化光电靶标的组成和原理

集成化光电靶标包括电视无源标、电视有源标、红外有源标、激光无源标和激光有源标等,主要用于远场对准和标校,精度和稳定度较高,可以对电视、红外、激光等光电设备进行标校。

图1为集成化光电靶标的组成及原理图[7]。其中,红外有源标相当于一个可以精确调节温度的黑体。激光无源标相当于角反射体,电视有源标一般由带定向反射镜的可见光源构成,激光有源标发射激光引导信号,对被测设备进行引导,使其对准靶标。以红外有源标为基准,其光轴作为系统光轴,几个分靶标之间光轴平行。各靶标固定级联在伺服转台上,可以实现不同角度的调节。

2 利用光电靶标对光电跟踪设备的标校

集成光电靶标按照严格的标准进行安装,其水平度、光轴一致性等指标要求严格。一般这种靶标是为了远场光电设备的校准设立,通常建在海拔高、视野开阔、可视性好的位置。

2.1 最小可分辨温差MRTD

针对红外热像仪的最小可分辨温差检测,通常采用标准的周期测试图案,4杆,每杆纵横比7:1。图2为周期测试靶示意图。

红外靶标的研究比较成熟[8,9]。采用一种可进行温度调节的标准黑体靶板,形状为正方形,温度调节精度为1o。采用在辐射面覆盖周期测试板的方法测量,距离选择为500 m。周期测试板采用杆镂空的绝缘不透明材料,调节红外靶标温度,使其与周期测试板温差由负到正逐渐变化。光电跟踪设备红外热像仪对准周期测试板,用小视场测量,使测试板在红外热像仪上成比较大的像,红外图像处理后能分辨出测试杆时,这个温差即为最小可分辨温差。

2.2 空间分辨角

测量空间分辨率在近场一般采用如图3所示的逐次加宽的方形杆,采用百分比分辨率表示空间分辨特性。百分比分辨率的定义:R=Ab/A,Ab为对某一特定尺寸的杆,仪器测出它与背景板之间的峰-峰值;A为环境板和目标源之间仪器测出的峰-峰值。改变被测系统与靶板之间的距离,就可以得到百分比分辨率和瞬时视场之间的关系,θ=S/L,S为靶标尺寸。

在外场测试中,近距离测量,选择空间分辨率板,材质选择不透明的绝缘材料,其中的方形杆用镂空孔替代。镂空分辨率板固定在红外有源标的前面,方形杆和周围形成温度差。光电跟踪设备对准靶标,对获得图像进行处理,得到最小可分辨间隔S,并以高度仪记录设备布站高度,以激光测距测出与靶标距离L,就可以得到最小可分辨率θ=S/L。改变与靶标之间的距离,可以得到不同的θ。理论上,最小分辨率不随距离变化,但是由于测量误差等原因,在较远距离测得的最小分辨率准确度高。空间分辨率测试布站示意图如图4所示。

2.3 光轴一致性标校

设红外视场中心与系统轴重合。以红外热像仪的视场中心作为基准,采用质心方式,图像中心对准红外有源标并稳定跟踪;记录红外图像,同时记录电视图像,以电视通道测量红外有源标和电视标之间的角度;测量系统对激光无源标可以稳定测距,靶标激光探测器可准确探测测距信号,则认为激光轴与红外轴平行。布站方式与分辨率测试相同。

以最小视场为例,容易计算得红外有源标与电视标都在视场内,于是两个标在各视场都能成像。如图5所示。

当d=0.3 m,R=3 km,α=0.005 7o=0.1mard,β也是这个量级。电视最小视场为1°,582个像素,所以红外和电视通道光轴平行时测量目标位置相差

l=11d,即β=10α时,红外和电视标垂直距离为36个像素,此时两光轴平行。如图6所示。

不同距离测得数据如表1所示。

从以上理论计算可知,在较近距离,电视和红外通道对同一目标的位置测量差别明显,距离越远,这种差别越小。

2.4 最大作用距离

对于光电跟踪设备,其通过红外成像或电视跟踪目标,其作用距离取决于目标的辐射能量和目标的大小,分为探测距离和识别距离。

目标对红外系统光学入瞳中心的张角小于系统的瞬时视场角时,可视为点源,对于热成像系统,只要目标像占据探测器的一个像元,并且信号足够大就可予以探测。无背景辐射下的作用距离为[10]

均匀背景下的作用距离表示为

其中,Lt为目标辐射亮度;At为目标的有效辐射面积;A0为红外光学系统有效接收面积;Ad为探测器光敏面积;D*为探测器探测率;D*max为探测器最大探测率;Δf为探测器电路带宽;Us为信号幅度;Un为均方根噪声幅度;k为红外系统对实际辐射体辐射功率的利用系数,正比于大气透过率;Lb为背景辐射亮度;kb为背景辐射功率的利用系数;(噪声等效功率)。到达最大作用距离探测时,信号幅度达到一个最小值。式中的变量仅仅是R和Ltk-Lbkb,可以得到

背景辐射在目标面和探测器面可以看作是相等的,即Lbkb为不变量。目标辐射在探测器上的能量可以用本身的能量辐射与大气透过率的乘积来表示

对固定探测器,目标成像灰度H与辐射量Ltk-Lbkb的关系确定。

实际测量时,首先确定透过率与距离的关系。固定红外有源靶标的温度,结合图所示,探测距离由小到大,每隔一个距离测量一个灰度,直至目标与背景不能分辨。红外有源标在图像上随距离成像灰度不同,每个距离上的接收能量即可得到,可以根据接收能量与距离关系,进行曲线拟合得到透过率与距离的关系。

固定测试距离,改变红外有源靶的温度,根据探测到的辐射量的变化可以确定背景辐射Lbkb

不同的目标有不同的辐射特性,其红外表征由温度决定。调节红外有源标的温度,在每个温度上,按照距离由小到大进行探测,直到目标和背景不能分辨,得到每个温度辐射下的作用距离。测试红外热像仪在不同目标辐射下的作用距离。

作用距离包括探测距离和识别距离。探测距离是指在某一个像元上能够有能量响应时的距离,识别距离则是在多个像元上有响应时的距离,响应的像元能够表达出某型目标红外特征[11]。

3 结论

文中利用集成光电靶标,在外场条件下,对光电跟踪设备的多种指标的标校方法进行了研究。对于实际测量误差做了修正。测量采用了像素分析的方法,光轴平行度测量精度优于0.2 mrad。

摘要：为了提高光电跟踪设备测量精度,设计利用集成化光电靶标,对光电跟踪设备的多个参数的外场标校方法进行研究。标校涉及电视、红外、激光测距等多个部分,采用像素分析的方法,可以较精确地对光电跟踪设备的多个指标进行标校和误差修正,并给出了某些参数的修正结果。其多光轴平行性优于0.2 mrad。外场标校贴近实际,具有较高置信度。

关键词：光电靶标,光电跟踪设备,标校方法,误差修正,光轴一致性

参考文献

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[6]李建超,高明,苏俊宏.外场激光可见光光轴检测装置[J].激光与红外,2011,41(3):293-297.

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光电跟踪 篇7

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素[1].速度稳定回路是跟踪系统的关键环节, 其性能对系统的跟踪精度有较大的影响, 因此建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 取得了被控对象较为精确的数学模型.

1 系统组成及控制原理

系统为安装于移动载体上的光电跟踪系统, 为克服载体运动及空气扰动力矩[2], 系统采用整体稳定的双轴陀螺稳定平台结构.系统由光电探测器、转塔、图像处理计算机、中心控制计算机和信号解调与功放电路5部分组成.光电探测器和陀螺安装在转塔的俯仰环架上, 图像处理计算机主要负责图像采集、目标识别和目标提取, 并将目标的偏差信息发送给中心控制计算机, 经中心控制计算机解算后, 完成对转塔的伺服跟踪控制.系统结构原理示意图如图1所示.

系统可工作在扫描、随动、半自动跟踪、自动跟踪等多种模式下, 不同的工作模式, 控制系统回路结构也不完全相同.在跟踪模式下, 控制回路原理框图如图2所示. 由速度稳定回路组成系统控制内环, 由跟踪回路构成系统控制外环, 组成双闭环控制系统.

2 速度稳定回路模型的建立

根据系统原理框图, 虚线框部分为系统的速度稳定回路, 由校正环节、PWM功放环节、电机及负载、陀螺4个部分组成.在跟踪状态下, 速度稳定环和跟踪环对载体角运动均具有隔离作用, 但跟踪环的采样频率较低, 且跟踪传感器存在延迟环节, 因此, 跟踪回路带宽较窄, 对载体角运动的隔离作用较弱, 系统中主要起隔离作用的是速率稳定环[3].速度稳定回路各环节的模型如下:

(1) 速度稳定回路校正放大环节GTVC (s) , 其结构和参数在速度稳定回路设计时确定.

(2) PWM功放环节GPWM (s) 由两部分组成, 一部分是比例环节, 另一部分是延迟环节

GH (s) =Ke-TPWMs (1)

(3) 被控对象是由电机及负载组成的跟踪环架, 其传递函数为

$G{}_{{\rm O}BJ}(s)=\frac{1/{\rm K}{}_e}{({\rm T}{}_{m}s+1)({\rm T}{}_{e}S+1)}(2)$

(4) 速率陀螺的输出为与速度信号成正比的电压信号, 比例因子为

Klf=146.02 (mv/°/s)

传递函数为

Ggyro (s) =Klf (3)

3 跟踪环架频率特性的工程测试

频率特性法是控制系统设计常用的方法, 在分析跟踪环架频率特性的基础上, 建立跟踪环架的数学模型, 依据控制系统性能指标, 绘制期望的频率特性, 设计出校正环节, 使系统达到良好的动态特性和稳态性能. 光电跟踪架的开环频率特性测试原理框图如图3所示.

(1) 由信号发生器产生频率可调、幅值相位固定的正弦信号, 一路经AD转换后送给伺服控制器, 另一路送给示波器;

(2) 伺服控制器根据所采集的正弦信号的符号和数值分别产生控制转轴转动的控制信号, 使转塔框架作正弦摆动, 所摆频率与正弦激励信号相同, 转塔框架摆动的速度由陀螺测量得到, 即将陀螺的输出信号送与示波器显示;

(3) 记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压幅值和输出电压幅值, 经计算可得被测系统的对数幅频特性曲线;记录在不同频率下 (ω1、ω2…) 测得输入电压和输出电压的相位差, 经计算可得被测系统的对数相频特性曲线.

按照以上步骤, 对方位跟踪环架进行了测试, 绘出相应的频率特性曲线如图4所示.

4 数据分析与结果仿真

利用MATLAB中的多项式拟合命令[a, s]=polyfit (x, y, n) , 对测试数据进行拟合, 由于多项式的拟合目标是形如y (s) =f (a, x) =a1xn+a2xn-1+…+anx+an+1的n阶多项式模型, 不能

直接用于对频率特性的幅频特性进行拟合, 通过函数变化, 变为可以简单有效处理的线性最小二乘问题[4].被控对象的传递函数为

$G(s)=\frac{ke{}^{-{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}s}}{\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}s+1\right)\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}s+1\right)}(4)$

两边取幅值, 则有

$\begin{array}{l}|G(j\omega )|=\frac{|ke{}^{-i{\rm T}{}_{{\rm P}W{\rm M}}\omega }|}{\left|\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega +1\right)\left(j\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega +1\right)\right|}=\\ \frac{|{\rm K}|}{\sqrt{(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1}\omega \right){}^2+1\left(\left(\frac{1}{{\rm T}{}_2}\omega \right){}^2+1\right)}}(5)\end{array}$

变换后为

$\begin{array}{l}\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}=\frac{1+\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2}{{\rm K}}=\\ \frac{1}{{\rm K}}+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)\omega {}^2+\frac{1}{{\rm K}}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}(\omega {}^2){}^2(6)\end{array}$

令$x=\omega {}^2‚y=\frac{1}{|G(j\omega )|{}^2}$, 则式 (6) 变为

$y=\frac{1}{k}\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}x{}^2+\frac{1}{{\rm K}}\left(\frac{1}{{\rm T}{}_1^2}+\frac{1}{{\rm T}{}_2^2}\right)x+\frac{1}{{\rm K}}(7)$

这样就可直接用二阶多项式进行拟合, 经拟合并计算得

$\{\begin{array}{l}{\rm K}\approx 18\\ {\rm T}{}_1\approx 5.6\\ {\rm T}{}_2\approx 280\end{array}$

得到被测对象对应的最小相角系统为

$G{}_1(s)=\frac{18}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(8)$

延迟环节参数TPWM的确定, ∠G (s) 和∠G1 (s) 的相位差为∠G1 (s) -∠G (s) =TPWMω, 根据相位差的对应关系, 可以求出TPWM=0.005s.

则求得速度稳定回路控制对象的传递函数为

$G(s)=\frac{18e{}^{-0.0055s}}{\left(\frac{1}{5.6}s+1\right)\left(\frac{1}{280}s+1\right)}(9)$

比较试验曲线和拟合传递函数的曲线如图5所 示. 拟合曲线和试验曲线误差分布图如图6所示. 从中可以看出, 经最小二乘法拟合的理论曲线, 在较宽的频率范围内与试验真值保持了良好的一致性.

5 结 束 语

光电跟踪系统是集光、机、电于一体, 由多个分系统组成的光电设备.跟踪精度和响应速度是光电跟踪系统的2个关键指标, 也是系统方案选择的决定因素.建立被控对象的精确数学模型, 对控制系统的设计有重要意义.针对跟踪环架速度稳定回路的各个环节进行建模, 并对跟踪环架进行了频率特性测试, 运用了最小二乘法拟合测试数据, 得到被控对象较为精确的数学模型, 通过仿真可看出试验曲线和拟合曲线在较宽的频率范围内一致.通过建立的控制对象数学模型, 可以更好地根据方位轴系的稳定性能和动态性能要求, 精确的设计校正环节, 从而提高系统的跟踪控制精度.运用该方法也可以对俯仰跟踪环架进行建模, 设计校正环节.此方法还可以对各个闭环跟踪控制回路进行分析, 测试闭环跟踪控制系统的性能指标, 在工程上具有较好的实用性.

参考文献

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[3]王连明.机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2002:29-42.

光电跟踪 篇8

随着航空光电平台的广泛应用, 利用航空光电平台对机动目标进行实时侦察跟踪定位, 获取目标位置及目标运动信息得到了各行业极大的关注。目前, 在军事领域利用航空光电平台进行目标探测、目标指示等, 在民用领域进行海面监控、海面搜救等方面。但是由于实飞过程中航空光电平台和机动目标均处于运动状态, 且平台运动速度远远大于机动目标的运动速度, 对目标的跟踪定位与航空光电平台的姿态和动目标的运动状态均有关, 目标系统几何校正精度存在一定的误差, 上述原因导致目标位置呈离散分布现象, 无法正常解算目标的航向航速, 所以在复杂的运动环境下实现对机动目标的跟踪, 提高目标定位及目标航向航速的精度就显得尤为重要。为解决该问题, 在计算目标航向航速前, 利用卡尔曼滤波算法对目标位置进行滤波, 提高对动目标的测量定位精度, 均衡定位误差, 解决目标定位发散问题。并通过滑动加权方法进行目标航向解算, 通过滑动平均方法进行目标航速解算, 提高目标航向航速的精准度。最后通过实验验证本方法的可行性[1,2]。

1 目标位置滤波

卡尔曼滤波是以最小均方误差作为估计的最佳准则, 来寻求一套递推估计的算法。其基本思想是:采用信号与噪声的状态空间模型, 利用k时刻的估计值和k+1时刻的观测值来更新对状态变量的估计, 求出k+1时刻的估计值[3,5]

1.1 系统建模

①系统矩阵

以机动目标的航迹点位置为例, 系统矩阵可建立为四维矩阵, 即经度、经度方向上的速度、纬度和纬度方向上的速度, 它们分别用Lon、、Lat和La·t表示, 经度方向上的加速度和纬度方向上的加速度分别用ulon (k) 和ulat (k) 表示。

状态方程为:

则系统方程为:

用标准符号x1、x2、x3和x4分别表示Lon和、Lat和。上式中, A为系统矩阵, W (k) 为噪声项, T为对目标的采样周期。

②观测矩阵

观测值只有经度和纬度, 即Lon和Lat, 分别用z1和z2来表示。它们是由状态值和测量噪声组成的, 且测量噪声是相互独立的零均值的白噪声。

测量方程为:

则观测方程为:

其中, x1 (k) =r (k) , x3 (k) =θ (k) 。

③系统噪声协方差矩阵

假定机动目标从k时刻到k+1时刻做匀速运动, 但由于大气湍流等因素的影响, 目标产生随机加速度, 在经度和纬度上都存在随机扰动, 于是有:

且

得输入扰动的协方差矩阵:

④观测噪声协方差矩阵

在计算滤波器增益时, 需要知道观测噪声的协方差矩阵。由于只有两个参数, 因此:

用了经度和纬度观测噪声相互独立的条件, 故左下角和右上角项为零。

⑤滤波器的初始值

在运算之前, 必须对滤波器进行初始化。首先利用一种比较简单的方法确定状态估计值, 可利用时刻1和时刻2两点的经度和纬度测量值, 即z1 (1) 、z1 (2) 、z2 (1) 和z2 (2) , 建立, 而忽略随机加速度。

⑥均方误差矩阵

由滤波器初值, 有误差矢量:

从而,

初始误差的协方差矩阵:

由于u和v相互独立, 且各噪声采样之间也独立, 则:

式中,

这样, 所需要的参数均已具备, 可以进行迭代运算了。

1.2 卡尔曼滤波方程组

卡尔曼滤波器增益:

卡尔曼滤波算法采用递推算法, 计算步骤如下:

其中, 第③步和第④步计算顺序可交换。

1.3 模型改进

该模型对于状态值为连续的属性项, 滤波效果比较稳定。但是对于那些状态值不连续的属性项, 比如机动目标航向角, 当从360° (0°) 连续变换到1°时, 虽然对于目标的实际运动状态来说是连续的, 但对于滤波数据来说存在跳变, 造成滤波效果不理想[6,7]。

为了解决该问题, 将角度值进行了三角变换。记机动目标的航向角为θ, 在直角坐标系中取单位圆上的点, 则该点的横坐标和纵坐标分别为x=rcosθ=cosθ, y=rsinθ=sinθ, x和y均为在[-1, 1]区间连续变换的值。因此, 对航向角θ的滤波计算转换为对x和y的滤波计算。当计算出x和y的估计值后, 利用, 可求得航向角的估计值。当然, 该的范围为[-90, 90], 若要变换到[0, 360], 可根据值和值的正负性, 确定所在直角坐标系的象限, 若为第一象限, 则;若为第二或第三象限, 则;若为第四象限, 则。

2 航向航速平滑解算

利用目标的大地位置坐标解算目标航向航速, 目标的航向C和航速V的计算方法下面详述[8,9]。

2.1 航向计算

通过上述计算方法获取滤波后的目标坐标, 由目标相邻两点坐标的连线方向确定目标航向, 但由离散点坐标计算的目标航向呈不规则变化, 跳动较大, 不能真实地反映目标的航向, 必须经过平滑处理才能进行分析计算。采用滑动加权方法进行航向平滑, 取得较好的平滑效果。

滑动加权的具体方法是对于要计算的第n点的航向Cn, 首先通过已知的第n点和第n-1点的位置坐标计算Cn'[10],

设定滑窗值为l, 且已知n点前的l-1个点航向Ci+1, (i=0......l-2) , 滑窗内l个点对第n点的加权值分别为:, 那么第n点的航向为:

2.2 航速计算

对于机动目标, 一般来说其运动速度比航空光电平台的运动速度小, 为使目标航速逼近真实航速值, 采用滑动平均的方法进行计算。具体方法是:假设目标在tk时刻的大地坐标为xk和yk, 在tk+1时刻的大地坐标为xk+1和yk+1, 设定滑窗值为l, 对落入窗体内的l个动目标航迹点, 从第1个开始, 依次计算第k个与第k+1个值之间的距离, 将窗体内的l-1个Vk值求和得, 那么第n点的航速

3 定位精度分析

为了验证本文滤波算法对目标定位精度的影响, 以及验证计算出的航向航速与真值的偏差, 实验在快艇上放置一套高精度GPS定位仪, 用于记录快艇的运动航迹及航向航速, 通过航空光电平台的遥测数据计算出的快艇位置及航向航速, 将其与GPS获取的位置及航向航速真值进行比对[5]。

目标定位误差均方根值为, 根据真实试验数据计算得出Re为317.86 m, 比对结果如图1所示。

其中:目标计算位置点坐标 (x2, y2) , GPS位置点坐标 (x1, y1) , 按照经度方向1 s距离约30 m, 纬度方向1 s距离约27 m进行计算, Δdi为测量值与真值间的偏差:

4 结束语

介绍了航空光电平台动目标的跟踪定位算法及在工程中的应用, 以及动目标位置滤波算法及动目标航向滑动加权和航速滑动平均算法。在试验中所用数据为光电平台实时拍摄的视频流及相应的平台数据, 机动目标搭载GPS定位数据, 结果显示目标位置更新频率达到2次/s, 滤波后目标定位误差精度达到317.86 m (均方根误差) , 验证了动目标位置滤波算法及动目标运动航向航速算法的可行性。

参考文献

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光电跟踪 篇9

光电测量设备常采用地平式 (方位-俯仰) 跟踪架[1]结构, 具有结构简单, 重量轻, 精度高的优点;但由于方位轴速度不能无穷大, 导致目标在光电测量设备正上方 (俯仰轴90°附近区域) 时, 跟踪设备丢失目标, 形成跟踪“盲区”[2]。解决目标过顶问题通常采用机械倾斜过顶跟踪方法[3], 机械倾斜过顶跟踪是在目标过顶前将俯仰轴倾斜一个角度, 使测量设备的视轴偏离跟踪盲区, 从而降低对方位轴最大速度的要求, 实现在该区域有效跟踪, 但如何选取合适的倾斜角又变成技术难点;另一种方法是采用x-y双轴式光电跟踪系统[4,5], 它可以解决地平式跟踪系统的过顶跟踪问题, 但跟踪范围有限, 不能满足工程需求。

机载光学侦察测量系统中, 为了保持视轴稳定, 隔离飞机姿态变化、风阻等因素对视轴稳定的影响, 把镜头安装在三轴稳定平台[6], 可以构成精密稳定的控制系统, 较好地弥补飞机姿态变化对视轴稳定的影响。

本文根据三轴稳定平台的特点, 即基于三轴平台的光电测量设备, 如果只利用方位、俯仰轴跟踪就是传统的地平式跟踪模式, 而只利用俯仰、滚转轴跟踪则是双轴式跟踪模式。如果把这两种跟踪模式有机结合起来, 在保证跟踪范围的基础上, 能够有效实现过顶跟踪, 则可满足系统的跟踪使用需求。

1 过顶跟踪盲区成因

地平式光电测量设备跟踪目标示意图如图1所示, 设O为观测点, x轴为飞行方向, z轴指向天顶。Sc为空中目标点, S为目标在t时间内运动到的位置, 目标飞行速度为Vs;c, d分别为Sc, S在地面垂直的投影点;h为目标高度;AZ为方位角, EL为俯仰角。

根据图1的直角ΔOcd得:

在直角ΔOcSc中:

把式 (2) 代入式 (1) 得:

两边对t求导, 得目标的方位速度为:

在式 (4) 中, 目标飞过观测点天顶一定区域时, 跟踪系统方位角速度以及角加速度变化激烈, 当EL→90°时, AMAX→∞, 也就是说, 由于结构等因素的影响, 其方位轴速度不能无限大, 因此对于A-E地平式跟踪架产生了过顶跟踪的“盲区”, 这是过顶跟踪的起因。

2 探讨基于三轴平台的过顶跟踪方法

基于三轴平台的跟踪方法如下:当俯仰轴角度非盲区范围内 (盲区范围-15°～15°, 俯仰轴垂直向下为0°) , 滚转轴稳定在零位 (与俯仰轴垂直的位置) , 利用方位轴、俯仰轴完成对目标的跟踪 (地平式跟踪模式) ;当跟踪目标进入俯仰轴盲区范围内, 方位轴稳定在当前时刻位置, 利用俯仰、滚转轴组成双轴式跟踪模式, 实现对目标的过顶跟踪;当目标离开俯仰轴盲区范围后, 启动方位、俯仰轴进行跟踪, 且滚转轴快速回归零位, 这样实现目标的过顶跟踪。

当从双轴跟踪模式转地平跟踪模式时, 为了保证跟踪精度以及方便数据处理, 需要滚转轴快速回归零位, 滚转轴归零产生的脱靶量[7]由方位轴、俯仰轴补偿, 实现对目标的跟踪, 如图2所示。

图2中, O是电视靶面中心;Δx, Δy是目标脱靶量[8]。分析表明, 滚转轴归零x轴方向产生脱靶量Δx1, 该脱靶量只由方位轴跟踪的话, 在俯仰轴方向产生脱靶量Δy1, 如图2中曲线1所示。曲线2表明, 滚转轴归零产生的偏差, 由方位、俯仰一同跟踪的结果。

在地平跟踪模式时, Δx, Δy经过式 (5) 变换后作为方位轴、俯仰轴电视跟踪的初始位置, 控制电机运动, 实现跟踪;在双轴跟踪模式时, Δx, Δy经过式 (6) 变换后作为滚转轴、俯仰轴电视跟踪的初始位置, 控制电机运动实现跟踪。

3 实现跟踪的硬件电路组成

试验选用的电路硬件组成如图3所示。

图3中, CPLD进行信号的逻辑处理, 采样频率800 Hz, AD7865用来采集三个轴的陀螺值, 存储器采用IDT7132, 用于存储编码器角度和电视脱靶量。控制算法运算由DSP编程实现, DSP选用TI公司的TMS320F2812, 它是150 MHz、32位中央处理器, 片内有8K×16 b的FLASH存储器、14K×16 b单口随机存储器, 两个时间管理器可产生12路PWM, 还有56个独立可编程、多用途通用输入、输出引脚, 非常适用于电机实时控制系统。其中, AD7865、存储器片选分别连接在DSP的XZCS0, XZCS2, AD7865对应的地址为0X2000H, 存储器对应地址为0X800000H～0X80800H。

4 实验结果

在某机载光电测量系统中, 设三个轴的运动速度为20 (°) /s, 加速度为30 (°) /s2, 焦距90 mm, 要求跟踪精度为3′ (均方根) 。试验方法如下:把跟踪系统固定在两轴摇摆台上, 摇摆台按照振幅13.3°, 周期4.12 s规律作等效正弦摇摆, 模拟载机姿态变化;在摇摆台下方放置一平行光管按照8 s周期旋转模拟地面目标。在上述测试条件下, 对跟踪系统进行测试, 俯仰轴方向脱靶量的测试结果如图4所示, 经过计算, 可得跟踪精度2.2′, 满足指标要求。

在图4中, 纵坐标是脱靶量值 (单位: (°) ) , 横坐标是采样点数, 图上c点误差较大, 是由于地平式、双轴式两种跟踪模式的切换形成的, 若在模式转换过程中, 采用滑模变结构控制算法[9], 可以解决模式切换过程中误差偏大的问题。

5 结 语

本文对基于三轴转台的机载光电测量设备的过顶跟踪方法进行了论述, 该方法应用于某型号光电侦察设备, 并在载机上进行了跟踪试验飞行。试验表明, 在目标过顶时测量设备能够进行有效的跟踪, 经过事后数据处理, 跟踪精度满足技术指标要求。

参考文献

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