適用于光電跟蹤儀的高速目標(biāo)跟蹤控制算法

慕 巍,張寶宜,王新明,朱院院,王 權(quán),王若亮

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.西安飛行自動控制研究所,陜西 西安 710065)

1 引 言

當(dāng)今,車載、艦載光電跟蹤儀,通常采用方位、俯仰兩軸穩(wěn)定體制,將方位、俯仰速率陀螺裝在俯仰框架上,通過方位、俯仰伺服系統(tǒng),實現(xiàn)光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線的指向穩(wěn)定及對目標(biāo)的自動跟蹤[1]。在自動跟蹤目標(biāo)的過程中,光電跟蹤儀始終保持瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)目標(biāo),實現(xiàn)目標(biāo)的高精度跟蹤,輸出目標(biāo)諸元信息,從而保證整個火控系統(tǒng)的射擊精度[2-3]。

傳統(tǒng)的光電跟蹤儀普遍采用二階環(huán)跟蹤方法對目標(biāo)進行跟蹤,該方法原理簡單,易于實現(xiàn),但是,該方法在整個計算過程中沒有涉及運動載體的相關(guān)參數(shù),因而無法補償運動載體帶來的擾動,導(dǎo)致跟蹤精度不高[4]；同時,該方法未引入目標(biāo)距離量,而對遠(yuǎn)、近目標(biāo)均采用同樣的控制算法,由于在實際跟蹤過程中,隨著目標(biāo)距離的變化,光電跟蹤儀在方位、俯仰的跟蹤角速度也是不斷變化的,因此,傳統(tǒng)的二階環(huán)跟蹤方法在目標(biāo)距離較近、運動速度較快的情況下,會產(chǎn)生較大的跟蹤滯后,加之車搖、船搖等外界擾動,其跟蹤精度難以保證,這將影響到整個武器系統(tǒng)的射擊精度[5]。

針對以上問題,本文將以綜合體形式的車載光電跟蹤儀為例,將載體運動參數(shù)、目標(biāo)距離引入控制算法,并結(jié)合二階環(huán)跟蹤方法,提出了一種在外界擾動條件下針對高速來襲目標(biāo)的跟蹤控制算法。

2 基本原理

為了實現(xiàn)光電跟蹤儀對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤,核心是保證光電跟蹤儀的瞄準(zhǔn)線高精度的指向目標(biāo)。本算法的工作原理如圖1所示,根據(jù)目標(biāo)的特性,在自動跟蹤開始但未達到穩(wěn)定跟蹤前,采用數(shù)字二階環(huán)跟蹤算法進行跟蹤；在數(shù)字二階環(huán)跟蹤一定時間并達到穩(wěn)定跟蹤后,采用遞推濾波跟蹤控制算法進行目標(biāo)跟蹤,其中穩(wěn)定跟蹤所需時間由系統(tǒng)試驗確定。遞推濾波跟蹤控制算法利用光電跟蹤儀、火炮、車載慣導(dǎo)系統(tǒng)、視頻跟蹤器和激光測距機輸出的相關(guān)參數(shù),通過一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算出目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量,并將該分量代入大地坐標(biāo)系下的遞推迭代公式,計算出大地坐標(biāo)系下的位置、速度和加速度濾波值；然后通過坐標(biāo)反變換,將大地坐標(biāo)系下的位置、速度和加速度濾波值轉(zhuǎn)換到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系,最終利用這些濾波值計算出目標(biāo)跟蹤時瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位速度環(huán)和俯仰速度環(huán)的跟蹤前饋補償參數(shù),并將這些參數(shù)疊加到伺服控制回路中,參與跟蹤控制[6-7]。

3 高速目標(biāo)跟蹤控制算法設(shè)計

3.1 坐標(biāo)系定義及參數(shù)規(guī)定

本文設(shè)計的跟蹤控制算法是以綜合體形式的車載光電跟蹤儀為例,涉及的坐標(biāo)系共有五個,分別為大地坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系、火炮炮塔坐標(biāo)系、光電跟蹤儀光電坐標(biāo)系以及光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系?；鹋谂谒鴺?biāo)系與車體坐標(biāo)系、光電跟蹤儀光電坐標(biāo)系、車體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系、光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系的定義如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2中,θ為車體坐標(biāo)系下的火炮方位角;車體坐標(biāo)系的原點Oc為車體的搖擺中心;Yc軸平行于炮塔安裝基面且指向車體前進方向；Xc軸平行于炮塔安裝基面且垂直于Yc軸,沿車體前進方向指向右側(cè)；Zc軸垂直于平面OcXcYc且鉛垂向上。

圖1 跟蹤控制算法的工作原理Fig.1 Working principle of tracking control algorithm

圖2 火炮炮塔坐標(biāo)系與車體坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate systems of gun turret and vehicle body

圖3 光電跟蹤儀光電坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system of electro-optical tracker

圖4 車體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系Fig.4 Coordinate systems of vehicle body and geodetic

圖5 光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系Fig.5 Aiming line coordinate system of electro-optical tracker

圖3中,β、ε分別為光電坐標(biāo)系下光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線指向的方位角和俯仰角,光電坐標(biāo)系的原點Og為方位旋轉(zhuǎn)軸與俯仰旋轉(zhuǎn)軸的交點;Yg軸為光電跟蹤儀瞄準(zhǔn)線零位時的指向,其平行于光電跟蹤儀的安裝基面,Xg軸平行于光電跟蹤儀的安裝基面且垂直于Yg軸,沿瞄準(zhǔn)線零位方向指向右側(cè),Zg軸垂直于平面OgXgYg,鉛垂向上；方位角β按左手定則定義即方位機構(gòu)繞Zg軸順時針旋轉(zhuǎn)為正,俯仰角ε以O(shè)gXgYg平面為零位,向上抬起為正。D為目標(biāo)相對于原點Og的距離。

圖4中,H、P、R分別為大地坐標(biāo)系下車體的偏航角、縱搖角和橫滾角,大地坐標(biāo)系按照“東-北-天”坐標(biāo)系定義,原點Od與車體坐標(biāo)系的原點Oc重合,Yd軸為車體的指北線,其平行于水平面指向正北,Xd軸平行于水平面指向為正東,Zd軸垂直于平面OdXdYd,鉛垂向上,其中偏航角是“東-北”平面上的指北線與車體航向線之間的夾角,順時針為正；縱搖角是鉛垂平面上車體縱軸與“東-北”平面的夾角,車頭抬起為正；橫搖角是車體繞Yd軸旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)角,Xd軸平行于“東-北”平面時為0,左側(cè)抬起為正。

圖5中,δβ、δε分別為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下光電跟蹤儀方位角和俯仰角的跟蹤偏差量,瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系的原點Om與光電坐標(biāo)系的原點Og重合,為光電跟蹤儀方位旋轉(zhuǎn)軸與俯仰旋轉(zhuǎn)軸的交點,Ym軸為光電跟蹤儀的跟蹤瞄準(zhǔn)線,指向目標(biāo)方向,Xm軸為光電跟蹤儀的俯仰軸,平行于光電跟蹤儀的安裝基面且垂直于Ym軸,沿Ym軸方向指向右側(cè),Zm軸垂直于平面OmXmYm,鉛垂向上；方位角跟蹤偏差量δβ按右手定則定義即方位機構(gòu)繞Zm軸順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù),俯仰角跟蹤偏差量δε以O(shè)mXmYm平面為零位,向上抬起為負(fù)。由于光電跟蹤儀在實際目標(biāo)跟蹤過程中存在跟蹤誤差,因此瞄準(zhǔn)線通常不通過目標(biāo)。D為目標(biāo)相對于光電坐標(biāo)系原點的距離[8]。

3.2 算法流程設(shè)計

本文提出的高速目標(biāo)跟蹤控制算法是通過存儲有跟蹤控制軟件包的伺服計算機實現(xiàn)的,當(dāng)伺服計算機上電后,跟蹤控制軟件包按以下流程執(zhí)行:

第一步,初始化伺服計算機各通訊端口、各變量寄存器。

第二步,以T為采樣周期,實時采集當(dāng)前時刻火炮方位旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的參數(shù)θ,光電跟蹤儀方位、俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的參數(shù)(β,ε)、車載慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的參數(shù)(H,P,R)、視頻跟蹤器輸出的參數(shù)(δβ,δε)、激光測距機輸出的參數(shù)D。

第三步,利用參數(shù)D、δβ、δε,計算目標(biāo)A在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm軸方向的直角坐標(biāo)分量分別為Mx=D·cos(δε)·sin(δβ),My=D·cos(δε)·cos(δβ)、Mz=D·sin(δε)(參見圖5)。

第四步,將目標(biāo)A在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系。

1)將目標(biāo)A在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)換到光電坐標(biāo)系,計算公式為:

(1)

公式(1)中,Gx、Gy、Gz分別為目標(biāo)在光電坐標(biāo)系下Xg、Yg、Zg軸方向的直角坐標(biāo)分量；N為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系到光電坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,其值為:

2)將目標(biāo)A在光電坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)換到炮塔坐標(biāo)系,計算公式如下:

[PxPyPz]T=[GxGyGz]T+[ExEyEz]T

(2)

公式(2)中,Ex、Ey、Ez是光電跟蹤儀在炮塔上安裝的基線固定偏差,為光電坐標(biāo)系向炮塔坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時Xp、Yp、Zp三方向的轉(zhuǎn)換參數(shù)；Px、Py、Pz分別為目標(biāo)在炮塔坐標(biāo)系下Xp、Yp、Zp軸方向的直角坐標(biāo)分量。

3)將目標(biāo)A在炮塔坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)換到車體坐標(biāo)系,計算公式如下:

(3)

公式(3)中,Cx、Cy、Cz分別為目標(biāo)在車體坐標(biāo)系下Xc、Yc、Zc軸方向的直角坐標(biāo)分量；Q為炮塔坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,其值為：

4)將目標(biāo)A在車體坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)分量轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系,計算公式如下:

(4)

公式(4)中,Dx、Dy、Dz分別為目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下Xd、Yd、Zd軸方向的直角坐標(biāo)分量；X為車體坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,其值為:

第五步,判斷穩(wěn)定跟蹤時間是否大于設(shè)定的穩(wěn)定時間,如果為“否”,則跳轉(zhuǎn)至第六步；如果為“是”,則跳轉(zhuǎn)至第七步。

第六步,進入數(shù)字二階環(huán)跟蹤模式,同時利用暫態(tài)系數(shù)(K1,K2,K3)計算大地坐標(biāo)系下Xd、Yd、Zd三方向的位置、速度以及加速度濾波值,直到大于設(shè)定的穩(wěn)定時間。

1)采用數(shù)字二階環(huán)跟蹤算法計算方位、俯仰速度環(huán)的前饋補償量,并疊加到跟蹤控制回路。

由于大地坐標(biāo)系下Xd、Yd、Zd三方向的位置、速度和加速度濾波值采用遞推迭代法計算,因此需要有一定的收斂時間,即穩(wěn)定跟蹤時間,因此在光電跟蹤儀剛進入跟蹤狀態(tài)且未達到穩(wěn)定跟蹤時,由于迭代計算的濾波參數(shù)沒有收斂,因此該時間段內(nèi)采用數(shù)字二階環(huán)算法計算跟蹤控制量。

2)利用暫態(tài)系數(shù)(K1,K2,K3),并采用遞推濾波跟蹤控制方法計算大地坐標(biāo)系下Xd、Yd、Zd三方向的位置、速度以及加速度濾波值。

暫態(tài)系數(shù)(K1,K2,K3)是根據(jù)α-β-γ濾波算法以及試驗修正確定的,其取值范圍如下:0.02≤K1≤0.05,0.3≤K2≤0.6,1.0≤K3≤3.0。該組系數(shù)經(jīng)過多型產(chǎn)品的試驗驗證,適用于兩軸光電跟蹤儀,可在其他兩軸系統(tǒng)中直接使用,也可根據(jù)實際情況在取值范圍內(nèi)進行修正。

遞推濾波跟蹤控制方法的計算公式如下:

(5)

公式(5)中,Lbx、Lby、Lbz為濾波中間變量,值為:

Lbx=(Lx+LxV·T+LxA·T2LxV+LxA·TLxA)T

Lby=(Ly+LyV·T+LyA·T2LyV+LyA·TLyA)T

Lbz=(Lz+LzV·T+LzA·T2LzV+LzA·TLzA)T

公式(5)中,Lx、LxV、LxA分別為大地坐標(biāo)系下Xd方向的位置、速度、加速度的濾波值；Ly、LyV、LyA分別為大地坐標(biāo)系下Yd方向的位置、速度、加速度的濾波值；Lz、LzV、LzA分別為大地坐標(biāo)系下Zd方向的位置、速度、加速度的濾波值。

3)判斷穩(wěn)定跟蹤時間是否大于設(shè)定的穩(wěn)定時間,如果為“否”,則重復(fù)執(zhí)行第二步至第六步2)步的操作；如果為“是”,則跳轉(zhuǎn)至第七步。

第七步,利用穩(wěn)態(tài)系數(shù)(K4,K5,K6),并采用遞推濾波跟蹤控制方法計算穩(wěn)態(tài)跟蹤時,大地坐標(biāo)系下Xd、Yd、Zd三方向的位置、速度以及加速度濾波值。

穩(wěn)態(tài)系數(shù)(K4,K5,K6)與暫態(tài)系數(shù)(K1,K2,K3)一樣,也是根據(jù)α-β-γ濾波算法以及試驗修正確定的,其取值范圍如下:0.003≤K4≤0.008,0.01≤K5≤0.03,0.005≤K6≤0.009。

此時,遞推濾波跟蹤控制方法的計算公式與第六步2)步的計算公式形式上完全一樣,只需要把第六步2)步公式中的暫態(tài)系數(shù)(K1,K2,K3)對應(yīng)的更換為穩(wěn)態(tài)系數(shù)(K4,K5,K6)即可。

第八步,計算瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm三方向的位置濾波值。

1)將大地坐標(biāo)系下的位置濾波值轉(zhuǎn)換到車體坐標(biāo)系,計算公式如下:

[ClxClyClz]T=XT*[LxLyLz]T

(6)

公式(6)中,XT為大地坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；Clx、Cly、Clz分別為車體坐標(biāo)系下Xc、Yc、Zc軸方向的位置濾波值。

2)將車體坐標(biāo)系下的位置濾波值轉(zhuǎn)換到炮塔坐標(biāo)系,計算公式如下:

[PlxPlyPlz]T=QT*[ClxClyClz]T

(7)

公式(7)中,QT為車體坐標(biāo)系到炮塔坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；Plx、Ply、Plz分別為炮塔坐標(biāo)系下XP、YP、ZP軸方向的位置濾波值。

3)將炮塔坐標(biāo)系下位置濾波值轉(zhuǎn)換到光電坐標(biāo)系,計算公式如下:

[GlxGlyGlz]T=[PlxPlyPlz]T-[ExEyEz]T

(8)

公式(8)中,Ex、Ey、Ez分別為光電坐標(biāo)系與炮塔坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在Xp、Yp、Zp三方向的固定偏差；Glx、Gly、Glz分別為光電坐標(biāo)系下Xg、Yg、Zg軸方向的位置濾波值。

4)將光電坐標(biāo)系下的位置濾波值轉(zhuǎn)換到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系,計算公式如下:

[MlxMlyMlz]T=NT*[GlxGlyGlz]T

(9)

公式(9)中,NT為光電坐標(biāo)系到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；Mlx、Mly、Mlz分別為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm軸方向的位置濾波值。

第九步,計算瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm三方向的速度濾波值。

1)將大地坐標(biāo)系下的速度濾波值轉(zhuǎn)換到車體坐標(biāo)系,計算公式如下:

[ClVxClVyClVz]T=XT*[LxVLyVLzV]T

(10)

公式(10)中,XT為大地坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；ClVx、ClVy、ClVz分別為車體坐標(biāo)系下Xc、Yc、Zc軸方向的速度濾波值。

2)將車體坐標(biāo)系下的速度濾波值轉(zhuǎn)換到炮塔坐標(biāo)系,計算公式如下:

[PlVxPlVyPlVz]T=QT*[ClVxClVyClVz]T

(11)

公式(11)中,QT為車體坐標(biāo)系到炮塔坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；PlVx、PlVy、PlVz分別為炮塔坐標(biāo)系下Xp、Yp、Zp軸方向的速度濾波值。

3)將炮塔坐標(biāo)系下的速度濾波值轉(zhuǎn)換到光電坐標(biāo)系,計算公式如下:

[GlVxGlVyGlVz]T=[PlVxPlVyPlVz]T-[ExEyEz]T

(12)

公式(12)中,Ex、Ey、Ez分別為光電坐標(biāo)系與炮塔坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在Xp、Yp、Zp三方向的固定偏差；GlVx、GlVy、GlVz分別為光電坐標(biāo)系下Xg、Yg、Zg軸方向的速度濾波值。

4)將光電坐標(biāo)系下的速度濾波值轉(zhuǎn)換到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系,計算公式如下:

{[MlVxMlVyMlVz]T=NT*[GlVxGlVyGlVz]T

(13)

公式(13)中,NT為光電坐標(biāo)系到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣；MlVx、MlVy、MlVz分別為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm軸方向的速度濾波值。

第十步,計算瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位速度環(huán)、俯仰速度環(huán)不含加速度分量的速度補償量,計算公式如下:

(14)

式中:

公式(14)中,Est_FwjV為光電跟蹤儀在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下不含加速度分量的方位速度補償量,Est_FyjV為光電跟蹤儀在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下不含加速度分量的俯仰速度補償量。

第十一步,計算瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm三方向的加速度濾波值。

1)將大地坐標(biāo)系下的加速度濾波值轉(zhuǎn)換到車體坐標(biāo)系,計算公式如下:

[ClAxClAyClAz]T=XT*[LxALyALzA]T

(15)

公式(15)中,XT為大地坐標(biāo)系到車體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,ClAx、ClAy、ClAz分別為車體坐標(biāo)系下Xc、Yc、Zc軸方向的加速度濾波值。

2)將車體坐標(biāo)系下的加速度濾波值轉(zhuǎn)換到炮塔坐標(biāo)系,計算公式如下:

[PlAxPlAyPlAz]T=QT*[ClAxClAyClAz]T

(16)

公式(16)中,QT為車體坐標(biāo)系到炮塔坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,PlAx、PlAy、PlAz分別為炮塔坐標(biāo)系下Xp、Yp、Zp軸方向的加速度濾波值。

3)將炮塔坐標(biāo)系下的加速度濾波值轉(zhuǎn)換到光電坐標(biāo)系,計算公式如下:

[GlAxGlAyGlAz]T=[PlAxPlAyPlAz]T-[ExEyEz]T

(17)

公式(17)中,Ex、Ey、Ez分別為光電坐標(biāo)系與炮塔坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點在Xp、Yp、Zp三方向的固定偏差,GlAx、GlAy、GlAz分別為光電坐標(biāo)系下Xg、Yg、Zg軸方向的加速度濾波值。

4)將光電坐標(biāo)系下的加速度濾波值轉(zhuǎn)換到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系,計算公式如下:

[MlAxMlAyMlAz]T=NT*[GlAxGlAyGlAz]T

(18)

公式(18)中,NT為光電坐標(biāo)系到瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣,MlAx、MlAy、MlAz分別為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下Xm、Ym、Zm軸方向的加速度濾波值。

第十二步,計算瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位、俯仰速度補償量中的加速度分量,計算公式如下:

(19)

式中:

Var3=-MlVy/Var2,

Var4=MlVx/Var2,

Var5=Var2·MlVx/Var1。

公式(19)中,Est_FwjVA為光電跟蹤儀在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位速度補償量中的加速度分量,Est_FyjVA為光電跟蹤儀在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下俯仰速度補償量中的加速度分量。

第十三步,利用光電跟蹤儀在瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下不含加速度分量的方位、俯仰速度補償量Est_FwjV、Est_FyjV和方位、俯仰速度補償量中的加速度分量Est_FwjA、Est_FyjA,計算目標(biāo)跟蹤時,瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位速度環(huán)和俯仰速度環(huán)的最終跟蹤前饋補償參數(shù),計算公式如下:

FwCon=(Est_FwjV+K7·Est_FwjA)/cos(ε)

FyCon=Est_FyjV+K8·Est_FyjA

(20)

公式(20)中,FwCon為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下方位速度環(huán)的跟蹤前饋補償參數(shù),FyCon為瞄準(zhǔn)線坐標(biāo)系下俯仰速度環(huán)的跟蹤前饋補償參數(shù)。這兩個參數(shù)分別作為方位、俯仰速度環(huán)的前饋量疊加到跟蹤控制回路中,對跟蹤過程中,方位、俯仰的速度環(huán)參數(shù)進行修正和補償。

公式(20)中有兩個修正系數(shù)K7和K8,其取值范圍如下:0

第十四步,重復(fù)執(zhí)行第二步到第十三步,實時計算光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)時方位、俯仰速度環(huán)的前饋補償量及跟蹤參數(shù),實現(xiàn)對高速運動目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

4 算法驗證

為了驗證上述算法,利用某型車載光電跟蹤儀,對本文提出的跟蹤控制算法進行多條典型航路測試,跟蹤航路參數(shù)選擇范圍為航路高度小于300 m,航路捷徑小于500 m,目標(biāo)速度大于850 m。圖6為采用本文提出的高速目標(biāo)跟蹤控制算法,對其中一條典型航路的跟蹤誤差曲線,對跟蹤誤差進行全航路統(tǒng)計,其中系統(tǒng)誤差:方位為0.12 mrad,俯仰為0.10 mrad,隨機誤差:方位為0.14 mrad,俯仰0.13 mard；對于同一條典型航路,圖7為采用傳統(tǒng)二階環(huán)跟蹤方式的跟蹤誤差曲線,對跟蹤誤差進行全航路統(tǒng)計,其中系統(tǒng)誤差:方位為0.23 mrad,俯仰為0.22 mrad,隨機誤差:方位為0.29 mrad,俯仰0.26 mard。測試結(jié)果表明,采用本文提出的跟蹤控制算法,對提高光電跟蹤儀對于高速運動目標(biāo)的跟蹤精度具有非常顯著的效果。

圖6 高速目標(biāo)跟蹤控制算法航路跟蹤誤差曲線Fig.6 Tracking error curve of high speed target tracking control algorithm

圖7 二階環(huán)跟蹤算法航路跟蹤誤差曲線Fig.7 Tracking error curve of second-order loop tracking control algorithm

5 結(jié) 論

采用本文提出的跟蹤控制算法,計算出的前饋補償參數(shù)含有位置、速度和加速度濾波分量以及目標(biāo)相對于光電跟蹤儀的距離量,這些量都是目標(biāo)跟蹤過程中體現(xiàn)目標(biāo)運動特性的關(guān)鍵參數(shù),將這些參數(shù)處理后作為目標(biāo)跟蹤時的前饋補償參數(shù)疊加到跟蹤控制回路中,不僅提高了光電跟蹤儀對高速運動目標(biāo)的響應(yīng)速度和跟蹤能力,而且解決了傳統(tǒng)跟蹤方式對于高速來襲目標(biāo)跟蹤動態(tài)滯后較大的缺陷；同時,本算法在計算跟蹤前饋補償參數(shù)時,采用了運動載體和火炮的相關(guān)參數(shù),對光電跟蹤儀跟蹤目標(biāo)過程中運動載體和火炮帶來的擾動進行了補償,有效減小了外界擾動對光電跟蹤儀跟蹤穩(wěn)定性和精度的影響,增加了系統(tǒng)的抗外界擾動能力,提高了系統(tǒng)的魯棒性。