一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制器及其跟踪控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制器及其跟踪控制方法，属于跟踪控制技术领域。所述控制方法包括建立机载光电平台模型并对其进行简化，设计方位向和俯仰向线性自抗扰控制器，调试得到线性自抗扰控制器的参数并进行参数调整，建立模型误差补偿模块对控制量进行修正，实现对地面机动目标运动跟踪。本发明在考虑外部多源扰动以及无人机跟踪地面机动目标的过程中，为了解决传统方法不能高精度稳定控制机载光电平台跟踪地面机动目标或者控制方法过于复杂不利于工程实现的问题。

说明书

技术领域

本发明属于跟踪控制技术领域，涉及诸如机载光电平台系统之类的侦察、监视、观测、 跟踪、成像系统，具体地说，是指一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制器 及其跟踪控制方法。

背景技术

光电平台是近十年来发展极为迅速的一种新型图像侦察设备。光电平台是利用光电探测 器件作为敏感元件，利用机电控制保持探测器视线稳定，从而实现对目标的捕获、跟踪、瞄 准和稳定功能的系统。随着新型光学和结构材料等相关技术的发展，研究人员成功实现了缩 小光学系统和结构框架的体积，减轻光电平台总体重量的目标。因此，光电平台使用在飞机 或空间飞行器上，具有多探测器并用、全数字化方式工作等特点，能够实现全天时、全天候 工作；在对目标外形和轮廓的侦察和跟踪的同时，也可获取多种目标信息，并可进行测量、 定位和识别等功能。

目前，无人机作为完成侦察和监视任务的重要载体，它由于机上无人，因此可以在不适 合有人驾驶飞机的环境中使用，如“危险”、“肮脏”、“枯燥”等特殊环境。当利用无人机进行 大范围的搜索侦察，或者逼近甚至飞临侦察目标上空进行盘旋式的连续跟踪侦察时，一般需 要在无人机上装载如机载光电平台等机载设备，从而获取有针对性的、详细的、不间断的信 号情报。作为无人机侦察、监视、目标捕获及识别、目标测距的重要手段，机载光电侦察平 台日益受到重视。其上装载的电视和红外侦察设备获取的图像信息，直观、生动、形象逼真， 而且白天、夜间均可工作，具有很强的互补性，同时也可通过无线电链路传输系统实时地送 往后方地面站，便于地面人员做出迅速而果断的决策，从而实现对地面机动目标的高精度跟 踪。

由于无人机跟踪地面机动目标的过程中，光电平台系统装载在飞机上，载机的姿态变化、 振动和飞行中的风阻力矩会造成视轴指向改变，从而对光电平台中观测设备产生显著影响， 甚至丢失跟踪目标。为了克服这些影响，必须建立光电平台跟踪控制系统，将系统中光学传 感器的视轴与载机的运动、振动，以及外界环境的扰动等相隔离，使视轴能够克服外界扰动， 并按照给定指令按一定规律运动，进而实现对机动目标的跟踪监测。

因此，要在无人机跟踪地面机动目标的过程中实现机载光电平台的跟踪控制，首先要求 跟踪控制系统能够不受载机姿态变化和外界风等因素的扰动，始终控制光电平台的视轴指向 目标；然后在视轴指向目标的基础之上，当所跟踪的目标进行机动运动时，跟踪控制系统能 够控制机载光电平台偏转，使得机动目标始终处于机载光电平台成像的中心位置。

机载光电平台跟踪控制系统是一个多输入、多输出、存在一定耦合和非线性摩擦干扰的 复杂系统。摩擦是一种复杂的、非线性的、具有不确定性的自然现象，对于机械伺服系统而 言，摩擦环节使系统响应出现爬行、振荡或稳态误差，成为提高系统性能的障碍。从控制角 度来讲，为了减轻机械伺服系统中摩擦环节引起的不良影响，应采用适当的控制补偿方法， 对摩擦环节进行补偿。

另外，机载光电平台跟踪控制系统在跟踪地面机动目标的过程中，始终受到载机飞行带 来的扰动影响。无人机在方位、俯仰和滚转方向上的角运动或振动通过轴承摩擦耦合到光电 跟踪平台上造成平台的振动，从而使光电成像传感器视轴指向发生变化。无人机在侦察、监 视、跟踪地面目标的不同阶段，往往需要不同飞行控制律的切换，并且存在较大的机动，这 些特点使得其对光电平台的扰动影响更加严重。

同时，光电成像跟踪器延迟所造成的系统相位滞后限制了系统位置带宽的提高，影响控 制系统的跟踪精度，使系统动态响应变差，甚至丢失目标。

无人机在跟踪地面机动目标的过程中，机载光电平台跟踪控制系统存在的上述特点使得 其很难获得满意的跟踪精度。

传统的方法一般是基于简化的机载光电平台系统数学模型设计控制器，当考虑多源外部 扰动因素时，其控制精度较低，无法满足高精度跟踪控制的需求。同时，直接根据精确的机 载光电平台系统数学模型设计控制器，现有的方法往往造成控制器阶数较高或结构复杂，导 致工程上无法应用或计算量较大对机载计算机的要求较高，不利于工程实现。

发明内容

本发明在考虑外部多源扰动(如紊流、常值风、突风，飞机角运动扰动等)以及无人机 跟踪地面机动目标的过程中，为了解决传统方法不能高精度稳定控制机载光电平台跟踪地面 机动目标或者控制方法过于复杂不利于工程实现的问题，提出了一种基于模型误差补偿的机 载光电平台高精度跟踪控制设计方法。

本发明提供的跟踪控制设计方法，可以根据载机角运动、外界风扰动以及地面机动目标 的运动情况，调整光电平台方位向和俯仰向的偏转角度，在无人机利用机载光电平台跟踪和 监视地面机动目标的过程中，使得机载光电平台的视轴始终高精度稳定地指向所需跟踪的地 面机动目标，即机动目标始终处于光电平台成像的中心位置，从而改善跟踪地面机动目标的 精确性、稳定性和持续性。

本发明提供的一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制设计方法，包括以 下几个步骤：

步骤一：建立机载光电平台对象模型，包括机载光电平台对象在方位向和俯仰向模型， 具体是：

方位向电机及负载的开环传递函数G_oa(s)为：

$G_{oa}\left(s\right)=\frac{K_{ao}}{(T_{am}s+1)(T_{ae}s+1)s}$

其中，T_am，T_ae，K_ao分别代表方位环的机电时间常数、电磁时间常数以及开环增益，s 为利用拉普拉斯变换求解传递函数的复变量。

俯仰向电机及负载的开环传递函数G_of(s)为：

$G_{of}\left(s\right)=\frac{K_{fo}}{(T_{fm}s+1)(T_{fe}s+1)s}$

其中，T_fm，T_fe，K_fo分别代表俯仰环的机电时间常数、电磁时间常数以及开环增益。

步骤二：将步骤一所建立的机载光电平台方位向和俯仰向模型分别简化，得到简化机载 光电平台模型为：

$G_{oa}\left(s\right)=\frac{K_{ao}}{(T_{am}s+1)s}$

$G_{of}\left(s\right)=\frac{K_{fo}}{(T_{fm}s+1)s}$

步骤三：设计方位向和俯仰向线性自抗扰控制器，调试得到线性自抗扰控制器的参数。

步骤四：建立模型误差补偿模块。

所述的模型误差补偿模块为：

方位向：$G_{c\_a}\left(s\right)={\left(\frac{K_{ao}}{T_{ae}s+1}\right)}^{-1}$

俯仰向：$G_{c\_f}\left(s\right)={\left(\frac{K_{fo}}{T_{fe}s+1}\right)}^{-1}$

步骤五：对无人机角运动对机载光电平台的扰动进行建模。

两轴光电平台方位向和俯仰向的扰动量分别为：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{\theta }}_{ad}=({\omega }_{x}cos{\theta }_{a}sin{\theta }_f+{\omega }_{z}sin{\theta }_{a}sin{\theta }_f-{\omega }_{y}cos{\theta }_f)\sec {\theta }_f\\ {\stackrel{·}{\theta }}_{fd}=-{\omega }_x{\mathrm{sin\theta }}_a+{\omega }_z{\mathrm{cos\theta }}_a\end{array}\right)$

其中，ω_x,ω_y,ω_z为在机体坐标系中无人机绕机体轴的旋转角速度，θ_a,θ_f为在框架坐标系 中光电平台视轴在方位向和俯仰向上的偏转角度。

步骤六：建立地面机动目标运动的数学模型，具体为：

地面机动目标运动的数学模型为：

$\stackrel{·}{q}=\left(\begin{array}{cc}0,& V_{T0}=0\\ \frac{{\mathrm{gn}}_T}{V_{T0}},& V_{T0}\ne 0\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{X}_T=X_{T_0}+V_{T0}cos(-q)t\\ Y_T=Y_{T_0}+V_{T0}sin(-q)t\end{array}\right)$

其中X_T，Y_T分别为地面机动目标在地面坐标系X轴和Y轴方向的坐标值，q为地面机 动目标速度方向，为速度方向的变化率，nT为地面机动目标的过载值，t为时间变量，V_T0为 地面机动目标的速度初始值，X_T0，Y_T0为地面机动目标在地面坐标系X轴和Y轴方向的初 始位置坐标值。

步骤七：线性自抗扰控制器参数调整。

利用未简化机载光电平台模型对模型误差补偿模块进行仿真验证，并根据给定精度要求 对方位向或俯仰向线性自抗扰控制器的参数ω_c，ω_o进行调整。具体为：

设方位向和俯仰向的给定仿真精度要求分别为e_{ss_a}和e_{ss_f}，调整的控制器参数为ω_c，ω_o； 设ω_{ac_tuning}，ω_{ao_tuning}，ω_{fc_tuning}，ω_{fo_tuning}分别为方位向和俯仰向的带宽调整阈值，在步骤三 调试得到的控制器参数基础上每次将控制器带宽增加一个带宽调整阈值，然后计算控制器的 稳态精度是否小于等于仿真精度的要求e_{ss_a}和e_{ss_f}，若小于等于则停止调整带宽，当前控制 器即满足设计要求，否则继续将控制器带宽增加一个带宽微调阈值，直到当前控制器的稳态 精度达到仿真精度要求。

本发明的基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制设计方法的优点和有益效果 在于：

(1)本方法适用于无人机在考虑紊流、常值风、突风、机体振动等多源外部扰动的情况 下，利用机载光电平台高精度跟踪地面机动目标的情况。本方法设计的跟踪控制器，能够在 复杂情形下保证机载光电平台的视轴始终指向地面机动目标。

(2)考虑到机载光电平台方位向和俯仰向综合模型的特点，以及现有传统方法往往简单 地省略小系数分母项从而导致控制精度降低的问题，本方法设计了模型误差补偿模块，在不 增加计算量的情况下，提高了系统的控制精度，不仅更好的满足了机载光电平台的高精度控 制需求，而且具有较好的鲁棒性，也有利于工程实现。

(3)考虑到在多源内部和外部扰动的基础上，调整控制器的参数使得所建立的控制器达 到仿真精度要求并不容易，因此本方法提出在简化模型情况下所设计的控制器参数的基础上， 通过设置方位向和俯仰向的带宽微调阈值来对控制器的参数进行往复微调，最终使得控制器 精度达到给定精度要求。该调参方法逐步进行，为设计人员提供了参数调整的方向。

附图说明

图1是基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制器结构示意图。

图2是基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制方法示意图。

图3是实施例中给出的无人机跟踪地面机动目标的轨迹曲线。

图4是实施例中给定的无人机角运动对两轴光电平台方位向和俯仰向的扰动量曲线。

图5是实施例中得到的机载光电平台的跟踪误差曲线。

图6是图5中机载光电平台跟踪误差曲线局部放大后的曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本发明中涉及到的坐标系的定义为：

(1)地面坐标系O_gX_gY_gZ_g：

在地面上选一点O_g，使X_g轴在水平面内指向某一方向，Z_g轴垂直于地面并指向地 心，Y_g轴也在水平面内并垂直于X_g，其指向按照右手定则确定。

(2)机体坐标系O_bX_bY_bZ_b：

原点O_b选在飞机质心处，机体坐标系与飞机固连，X_b轴在飞机对称平面内并平行于飞 机的设计轴线指向机头，Y_b轴垂直于飞机对称平面指向机身右侧，O_bZ_b在飞机对称平面 内，与O_bX_bY_bZ_b坐标系构成右手直角坐标系。

(3)框架坐标系O_rX_rY_rZ_r：

框架坐标系的原点规定为平台框架支承中心O_r，光电传感器的视轴方向为O_rX_r轴正方 向，Y_rO_rZ_r平面与O_rX_r垂直。框架坐标系相对于机体坐标系的旋转角度变换关系用欧拉角 θ_a,θ_f表示，两个欧拉角是载体坐标系进行两次旋转变换的。旋转变换的次序依次为：

本发明首先提供一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪控制器，如图1所示， 所述的跟踪控制器包括方位向或俯仰向线性自抗扰控制器、模型误差补偿模块和机载光电平 台模型建立模块。根据给定的光电平台方位向或俯仰向控制指令，方位向或俯仰向线性自抗 扰控制器输出控制量到模型误差补偿模块；所述的模型误差补偿模块对所述的控制量进行误 差补偿后，输出修正后的控制量给机载光电平台模型建立模块，在所述的机载光电平台模型 建立模块，结合多源外部扰动，输出光电平台视轴在方位向或俯仰向上的偏转角和偏转角速 度。所述的控制指令是指光电平台视轴在方位向的偏转角度θ_a或俯仰向的偏转角度θ_f。

所述的方位向或俯仰向线性自抗扰控制器包括线性配置函数模块和三阶扩张状态观测 器，具体处理过程为：首先接收到光电平台方位向或俯仰向控制指令，然后对方位向或俯仰 向偏转角度进行微分计算，求出偏转角速度；并计算出偏转角误差和偏转角速度误差；接着， 利用线性配置函数，根据偏转角误差、偏转角速度误差和系统扰动估计值，得到方位向或俯 仰向线性自抗扰控制器的控制量。所述的多源外部扰动包括摩擦扰动、外部风扰动和载机姿 态变化扰动等。所述的偏转角误差是控制指令给定的方位向或俯仰向偏转角减去机载光电平 台方位向或俯仰向模型输出的偏转角，所述的偏转角速度误差是利用控制指令给定的方位向 或俯仰向偏转角求出的偏转角速度减去机载光电平台方位向或俯仰向模型输出的偏转角速 度。

基于所述的跟踪控制器，本发明提供一种基于模型误差补偿的机载光电平台高精度跟踪 控制方法，如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤一：建立机载光电平台模型。所述的机载光电平台模型包括方位向模型和俯仰向模 型。

具体为：根据机载光电平台系统中电机及负载、摩擦干扰力矩、PWM功率放大电路、速 率陀螺、电视跟踪器等模块的数学模型，以及各模块之间的关系，分别建立机载光电平台方 位向模型和俯仰向模型，所述的机载光电平台方位向模型考虑到了载体姿态变化方位向扰动 摩擦干扰力矩和光电平台视轴在方位向上的偏转角度，所述的机载光电平台俯仰向模型 考虑到了载体姿态变化俯仰向扰动摩擦干扰力矩和光电平台视轴在俯仰向上的偏转角 度，具体是：

某型无人机上采用的光电平台方位向电机及负载的开环传递函数为：

$G_{oa}\left(s\right)=\frac{K_{ao}}{(T_{am}s+1)(T_{ae}s+1)s}=\frac{2.6}{(3.4s+1)(0.00337s+1)s}$

俯仰向电机及负载的开环传递函数为：

$G_{of}\left(s\right)=\frac{K_{fo}}{(T_{fm}s+1)(T_{fe}s+1)s}=\frac{0.52}{(0.57s+1)(0.00725s+1)s}$

其中，s为利用拉普拉斯变换求解传递函数的复变量。

步骤二：考虑到步骤一所建立的方位向和俯仰向的光电平台模型中，其电磁时间常数远 远小于机电时间常数，即0.00337＜＜3.4，0.00725＜＜0.57，因此可以忽略电磁时间常数的影响， 将步骤一所建的光电平台模型分别简化为：

$G_{oa}\left(s\right)=\frac{2.6}{(3.4s+1)s}$

$G_{of}\left(s\right)=\frac{0.52}{(0.57s+1)s}$

步骤三：针对步骤二中所述的简化光电平台模型，利用线性自抗扰控制方法，分别设计 方位向和俯仰向线性自抗扰控制器，如图2所示，具体包括：利用三阶扩张状态观测器计算 总扰动的估计值；利用线性配置函数以及总扰动的估计值计算线性自抗扰控制器的控制量大 小；

所述的线性配置函数为：

所述的三阶扩张状态观测器为：

其中，u₁(t)，u₂(t)，u₃(t)分别为所述跟踪控制器的三个控制量；e₁(t)为方位向或俯仰向 的偏转角度信号与估计值之间的误差值；为偏转角度信号估计值的导数值；为 角速度信号估计值的导数值；为机载光电平台总扰动估计值的导数值；x₁(t)为 方位向或俯仰向的偏转角度信号；为偏转角度信号x₁(t)的估计值；x₂(t)为方位向或俯仰 向的角速度信号；为角速度信号x₂(t)的估计值；为机载光电平台总扰动的估计值。 a₁，ω_c，b，ω_o均为方位向和俯仰向线性自抗扰控制器的设计参数。其中a₁，b根据所述的 简化的机载光电平台模型取值：方位环：a₁＝T_am，俯仰环：a₁＝T_fm，ω_c， ω_o通过调试得到。

根据步骤二中所述的简化的光电平台模型，通过调试得到线性自抗扰控制器的参数为：

方位环：a₁＝3.4，ω_c＝40，ω_o＝80；

俯仰环：a₁＝0.57，ω_c＝40，ω_o＝90。

步骤四：由于步骤三设计的方位向或俯仰向线性自抗扰控制器是基于步骤二所建立的简 化的光电平台模型，因此当步骤三所述控制器实际应用时，由于模型误差导致其控制精度不 高。为进一步提高跟踪控制精度，在步骤三设计的控制器中，增加模型误差补偿策略，以减 少建模误差对控制精度的影响。具体为：在控制量输入机载光电平台方位向或俯仰向数学模 型之前，增加模型误差补偿模块，对步骤三所述控制器输出的控制量进行修正计算，得到修 正后的控制量，所述的模型误差补偿模块为：

方位向：$G_{c\_a}\left(s\right)={\left(\frac{K_{ao}}{T_{ae}s+1}\right)}^{-1}={\left(\frac{2.6}{0.00337s+1}\right)}^{-1}$

俯仰向：$G_{c\_f}\left(s\right)={\left(\frac{K_{fo}}{T_{fe}s+1}\right)}^{-1}={\left(\frac{0.52}{0.00725s+1}\right)}^{-1}$

步骤五：由于无人机角速率的变化对光电平台产生扰动影响，因此，对无人机角运动对 机载光电平台的扰动进行建模，得到扰动量。

根据无人机跟踪地面机动目标纵向和横侧向控制律，结合空气中的常值风扰动、突发风 扰动、紊流等气流扰动，以及地面机动目标的运动，建立无人机六自由度非线性模型，输出 机体坐标系中无人机绕机体轴的旋转角速度，得到无人机对光电平台的扰动关系，同时输出 方位向或俯仰向控制指令给方位向或俯仰向线性自抗扰控制器。

所述的两轴光电平台方位向和俯仰向的扰动量分别为：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{\theta }}_{ad}=({\omega }_{x}cos{\theta }_{a}sin{\theta }_f+{\omega }_{z}sin{\theta }_{a}sin{\theta }_f-{\omega }_{y}cos{\theta }_f)\sec {\theta }_f\\ {\stackrel{·}{\theta }}_{fd}=-{\omega }_x{\mathrm{sin\theta }}_a+{\omega }_z{\mathrm{cos\theta }}_a\end{array}\right)$

其中，ω_x,ω_y,ω_z为在机体坐标系中无人机绕机体轴的旋转角速度，θ_a,θ_f为在框架坐标系 中光电平台视轴在方位向和俯仰向上的偏转角度。

如图4所示为无人机角运动两轴光电平台方位向和俯仰向的扰动量曲线。

步骤六：建立地面机动目标的数学模型，具体为：

地面机动目标运动的数学模型为：

$\stackrel{·}{q}=\left(\begin{array}{cc}0,& V_{T0}=0\\ \frac{{\mathrm{gn}}_T}{V_{T0}},& V_{T0}\ne 0\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{c}{X}_T=X_{T_0}+V_{T0}cos(-q)t\\ Y_T=Y_{T_0}+V_{T0}sin(-q)t\end{array}\right)$

其中q为地面机动目标速度方向值，取值为-45°，n_T为0， 为地面机动目标速度方向的变化率，取值为0。如图3给出无人机跟踪地面机动目标的轨迹 曲线。

步骤七：线性自抗扰控制器参数调整。

利用步骤一所述的未简化机载光电平台模型和模型误差补偿模块，给定控制量精度要求， 对方位向或俯仰向线性自抗扰控制器的参数ω_c，ω_o进行调整。具体为：

设方位向和俯仰向的给定精度要求分别为e_{ss_a}＝1*10^-6rad和e_{ss_f}＝1*10^-6rad，根据步骤三 所述的各线性自抗扰控制器参数的意义可知，需要调整的控制器参数为ω_c，ω_o；设ω_{ac_tuning}＝5， ω_{ao_tuning}＝5，ω_{fc_tuning}＝5，ω_{fo_tuning}＝5分别为方位向和俯仰向的带宽调整阈值，在步骤三的调试 得到的控制器参数基础上每次将控制器带宽增加一个带宽调整阈值，然后计算控制器的稳态 精度是否小于等于仿真精度的要求e_{ss_a}和e_{ss_f}，若小于等于则停止调整带宽，当前控制器即 满足设计要求，否则继续将控制器带宽增加一个带宽调整阈值，直到当前控制器的稳态精度 达到仿真精度要求。在上述的机载光电平台模型和控制器参数下，经过两次控制器带宽的调 整，方位向和俯仰向线性自抗扰控制器带宽参数最终调整为：

方位环：ω_c＝50，ω_o＝90；

俯仰环：ω_c＝50，ω_o＝100。

利用本发明提供的控制器带宽参数的最终调整结果如图5所示，并根据本发明提供的跟 踪控制方法进行仿真所获得的机载光电平台跟踪误差曲线，方位向和俯仰向的误差大小均在 0附近；为进一步清晰的观察机载光电平台跟踪误差曲线，将图5放大后，得到图6为机载 光电平台跟踪误差局部放大后的曲线，由图6可知，稳定后的方位向和俯仰向的跟踪误差均 在±1*10^-6rad之内，即实施例的仿真结果满足方位向和俯仰向的给定精度要求，实现了高精度 的跟踪控制。