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1、 分类号 TP247 学号 05039029 密级 公开 工学博士学位论文 光电搜跟系统模式切换特性及控制研究光电搜跟系统模式切换特性及控制研究 博士生姓名 马东玺 学 科 专 业 机械工程 研 究 方 向 机电系统测控理论与技术 指 导 教 师 范大鹏 教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十月 论文书脊 论文书脊 光电搜跟系统模式切换特性及控制研究 国防科学技术大学研究生院 A Study on Mode Switching Characteristics and Control Methods of Electro-Optical Search
2、and Track System Candidate： Ma Dongxi Supervisor：Prof. Fan Dapeng A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineering in Mechanical Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China October，2011 第
3、 I 页 第 II 页 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 光电搜跟系统模式切换特性及控制研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术
4、大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密学位论文在解密后适用本授权书。 ） 学位论文题目：光电搜跟系统模式切换特性及控制研究 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者指导教师签名： 日期： 年 月 日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 目 录 摘 要 VII Abstract.IX 第一章 绪论 1 1.1 论文研究的背景和意义 1 1.2 光电搜跟系统的发展与现状 1 1.3 光电搜跟系统关键技术分析与研究现状
5、 6 1.3.1 光电搜跟伺服系统的优化设计研究. 6 1.3.2 控制模式切换问题研究. 8 1.3.3 图像跟踪器与伺服的匹配问题研究. 10 1.3.4 跟踪性能评估方法与指标研究. 16 1.4 论文的研究内容及章节安排 16 第二章 光电搜跟伺服系统工作过程分析与仿真研究. 19 2.1 光电搜跟伺服系统的组成与工作原理 19 2.1.1 光电搜跟伺服系统组成. 19 2.1.2 光电搜跟伺服系统的工作原理. 20 2.2 目标运动特性分析 22 2.2.1 目标飞行包线. 23 2.2.2 目标机动模型. 24 2.2.3 目标匀速运动下对转台角速度及角加速度的要求. 25 2.3
6、 光电搜跟系统的数学模型 26 2.3.1 图像跟踪器的数学模型. 26 2.3.2 控制系统的数学模型. 27 2.4 光电搜跟伺服系统的工作过程仿真分析 32 2.4.1 光电搜跟伺服系统的工作模式与设计准则. 32 2.4.2 光电搜跟伺服系统仿真模型. 34 2.4.3 仿真分析. 35 2.5 本章小结 37 第三章 基于 Bode-Step 的光电搜跟伺服系统优化设计. 38 3.1 光电搜跟系统带宽主要约束因素分析 38 3.1.1 系统带宽的定义. 38 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 3.1.2 系统输出传感器测量噪声. 39 3.1.3 执行器输入传感器
7、噪声. 40 3.1.4 非最小相位滞后. 41 3.1.5 对象的不确定性. 42 3.2 基于 Bode-Step 的系统性能评估与优化设计方法 . 42 3.2.1 Bode 积分公式 43 3.2.2 Bode-Step 方法 . 45 3.2.3 应用 PID 控制器对系统设计进行评估与选择. 47 3.2.4 应用 Bode-Step 方法对系统设计进行评估与选择 48 3.3 基于 Bode-Step 的光电搜跟系统控制器设计 . 49 3.3.1 可用带宽的确定. 49 3.3.2 控制器的设计 51 3.3.3 光电搜跟伺服系统的结构化设计方法. 52 本章小结 53 第四章
8、 光电搜跟伺服系统的多模切换控制方法 54 4.1 光电跟踪中的控制模式分析 54 4.2 基于初值补偿的模式切换方法 56 4.2.1 最小耗费函数设计方法. 56 4.2.2 极点-零点对消方法 58 4.2.3 IVC 方法模式切换实例. 60 4.3 基于复合非线性反馈的模式切换 62 4.3.1 复合非线性反馈控制算法. 62 4.3.2 光电搜跟伺服系统的模型. 64 4.3.3 光电搜跟伺服系统 CNF 控制律设计 . 64 4.3.4 CNF 方法仿真实验 65 4.4 基于单参数对称调节的模式切换 66 4.4.1 光电搜跟系统捕获和跟踪过程频响特性分析. 66 4.4.2
9、捕获跟踪的线性组合调节算法. 67 4.4.3 捕获跟踪的单参数对称调节算法. 67 4.4.4 标准形式捕获跟踪调节器的频响特性. 69 4.4.5 单参数对称调节方法试验. 71 4.5 模式切换方法比较 72 4.6 本章小结 72 第五章 跟踪模式下伺服控制与图像跟踪器的匹配问题研究 74 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 5.1 图像跟踪器特性及对伺服控制的影响分析 74 5.1.1 图像跟踪器的帧频对系统的性能影响分析. 74 5.1.2 图像跟踪器的滞后对系统的性能影响分析. 76 5.2 基于两级 Kalman 预测滤波的脱靶量延迟补偿 . 77 5.2.1
10、 两级扩展 Kalman 滤波的结构 78 5.2.2 目标机动检测. 78 5.2.3 两级扩展卡尔曼滤波算法. 79 5.3 应用直接多率反馈实现多采样率控制 81 5.3.1 多率系统分析. 82 5.3.2 多率系统的基本运算. 82 5.3.3 闭环多率系统. 83 5.3.4 多率控制器的设计. 83 5.3.5 实验验证. 85 5.4 基于多率预测的伺服控制与跟踪器的匹配方法 90 5.4.1 多率预测控制方法 90 5.4.2 多率预测控制的效果 91 本章小结 93 第六章 伺服跟踪性能的评估方法与指标. 94 6.1 图像跟踪器的随机特性分析 94 6.2 随机灵敏度函数
11、及其特性 96 6.2.1 灵敏度函数. 97 6.2.2 带限参考信号. 97 6.2.3 随机灵敏度函数. 98 6.3 基于随机灵敏度函数的跟踪性能评估指标 101 6.4 跟踪性能评估指标在光电搜跟伺服系统中的应用 104 本章小结 105 第七章 某光电搜跟系统的设计与实现 106 7.1 某光电搜索跟踪系统总体构成 106 7.1.1 系统组成及各组件功能简述. 106 7.2 系统结构设计与电机选型 107 7.2.1 系统结构设计遵循的原则和要求. 107 7.2.2 系统载荷分析与电机选型. 108 7.2.3 系统精度分析及位置传感器选型111 7.3 光电跟踪数字伺服系统
12、的硬件设计与实现.112 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 IV 页 7.3.1 伺服控制板113 7.3.2 伺服驱动板115 7.3.3 电源管理板117 7.4 光电搜跟伺服系统软件实现.118 7.4.1 软件功能的层次分配118 7.4.2 控制软件实现.119 7.5 基于 dSPACE 的控制系统设计与调试方法 120 7.5.1 半实物仿真 120 7.5.2 基于 dSPACE 的快速控制原型设计. 121 7.6 光电搜跟系统的性能测试与试验 122 7.6.1 室内测试. 123 7.6.2 外场试验. 126 本章小结 128 第八章 结论与展望. 130 8.
13、1 全文总结 130 8.2 研究展望 131 致 谢 132 参考文献. 133 作者在学期间取得的学术成果. 145 1 发表论文. 145 2 其他成果及奖项. 145 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 I 页 表 目 录 表 7.1：各载荷综合情况.111 表 7.2：合计总力矩.111 表 7.3 4Km 航路数据. 127 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 II 页 图 目 录 图 1.1 宝石虫和宝石虫的红外传感器. 2 图 1.2 眼镜蛇的颊窝能探测红外线. 2 图 1.3 美国海军的 MINILIR 便携式自动跟踪系统 3 图 1.4 Pilkington 光
14、学研发的防空预警装置 . 4 图 1.5 THALES 公司研发 MARGOT 5000 集成侦察系统. 5 图 1.6 洛克希德马丁公司的 Gyrocam 车载光学侦察系统. 5 图 1.7 论文的结构图 17 图 2.1 方位/俯仰型光电搜跟伺服机构的组成示意图 20 图 2.2 光电搜跟系统原理. 20 图 2.3 图像跟踪器视场. 21 图 2.4 光电搜跟伺服控制框图. 22 图 2.5 目标飞行包线. 23 图 2.6 目标水平直线飞行. 25 图 2.7 目标水平飞行时方位角运动参数变化曲线（ 0 aV X=）. 26 图 2.8 光电搜跟伺服控制系统的数学模型示意图(以方位轴为
15、例) 27 图 2.9 电流控制回路模型图. 28 图 2.10 速度控制回路模型图. 29 图 2.11 稳定控制回路模型图. 30 图 2.12 位置控制回路模型图. 31 图 2.13 跟踪控制回路模型图. 31 图 2.14 周扫搜索与堆叠式搜索. 33 图 2.15 光电搜跟伺服系统的工作原理示意图. 34 图 2.16 光电搜跟系统的仿真架构. 34 图 2.17 光电搜跟系统的 Simulink 闭环仿真模型 35 图 2.18 搜索捕获跟踪全过程中转台的速度变化 35 图 2.19 搜索捕获跟踪全过程中目标轴与光轴的偏差量变化. 36 图 2.20 捕获到跟踪过程中脱靶量变化.
16、 36 图 3.1 系统带宽定义. 38 图 3.2 系统输出传感器噪声的影响. 39 图 3.3 小斜率增益曲线. 40 图 3.4 大斜率增益特性曲线. 40 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第 III 页 图 3.5 系统输入噪声. 40 图 3.6 输入具有饱和限制时的噪声影响. 41 图 3.7 Bode 积分第一公式 43 图 3.8 Nyquist 平面下稳定裕度 . 44 图 3.9 Bode 积分第二公式 44 图 3.10 Bode-Step: (a)L-plane (b)开环增益曲线 46 图 3.11 基于 PID 的控制系统评估流程图. 47 图 3.12 基于 Bode-Step 的系统评估方法 48 图 3.13 系统渐进 Bode 图 50 图 3.14
