一種基于多階運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法。CCD探測(cè)器接收編碼器的角度信息和目標(biāo)的軌跡信息做相減處理，提取目標(biāo)脫靶量；位置修正控制器接收CCD探測(cè)器所采集到的目標(biāo)脫靶量信息，并將目標(biāo)脫靶量生成并輸出跟蹤控制信號(hào)，最終體現(xiàn)在控制對(duì)象指向角度的變化；編碼器角度信息和目標(biāo)脫靶量相加，提取得到反映目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的信息；多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)器接收提取出的目標(biāo)軌跡信號(hào)，并利用該信號(hào)獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加加速度等高階信號(hào)；前饋控制器接收目標(biāo)的上述高階信號(hào)生成并輸出前饋控制信號(hào)；前饋控制信號(hào)和位置修正控制信號(hào)相加，生成并輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)脫靶量的閉環(huán)校正。
【專利說(shuō)明】
-種基于多階運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于光電跟蹤控制領(lǐng)域，具體的設(shè)及一種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前 饋控制方法，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度跟蹤。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光電控制系統(tǒng)目標(biāo)跟蹤過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高精度跟蹤是工作的重點(diǎn)。美國(guó)林 肯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的"火池"控制系統(tǒng)利用角位置信息和高精度測(cè)距信息實(shí)現(xiàn)共軸跟蹤，取得了 很好的控制效果。在國(guó)內(nèi)跟蹤控制系統(tǒng)中，主要利用角位置信息對(duì)角速度和角加速度進(jìn)行 估計(jì)，然后依靠估計(jì)量進(jìn)行前饋控制W提高跟蹤精度。
[0003] 前饋能有效提高跟蹤精度是因?yàn)榍梆伳茉诓挥绊懴到y(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，能有效提 高系統(tǒng)的輸入抑制特性，增加前饋的階數(shù)能進(jìn)一步提高系統(tǒng)跟蹤能力。文獻(xiàn)《預(yù)測(cè)濾波技術(shù) 在光電經(jīng)締儀中的應(yīng)用仿真》(光電工程，Vol(S) ,2002)采用了速度前饋方法進(jìn)行仿真，提 高了跟蹤精度。在此基礎(chǔ)上，公開(kāi)號(hào)為CN 102736636A《跟蹤系統(tǒng)中基于角度信息的前饋控 制方法》的中國(guó)專利對(duì)預(yù)測(cè)濾波模型進(jìn)行了改進(jìn)，添加了加速度前饋，進(jìn)一步提高系統(tǒng)跟蹤 精度。
[0004] 然而，高階前饋的階數(shù)越高，其對(duì)噪聲越敏感。對(duì)于跟蹤系統(tǒng)而言，系統(tǒng)噪聲主要 包含兩部分，一是傳感器所帶來(lái)的數(shù)據(jù)本身噪聲，二是由于采樣時(shí)間間隔不確定而帶來(lái)的 采樣噪聲。如上方法在對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、加速度信息的獲取上采用的是基于牛頓運(yùn)動(dòng)模型的卡 爾曼濾波器，運(yùn)種方法能對(duì)傳感器本身的數(shù)據(jù)噪聲有一定的效果，但是不能處理由采樣時(shí) 間間隔不確定而帶來(lái)的采樣噪聲，同時(shí)該方法為線性濾波，對(duì)于角度的預(yù)測(cè)估計(jì)存在較大 的模型誤差，該模型誤差會(huì)在擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器的高階分量時(shí)會(huì)被放大;并且卡爾曼濾波器 本身具有計(jì)算量大，且依靠先驗(yàn)，對(duì)初始參數(shù)敏感等缺點(diǎn)。因此，此方法在系統(tǒng)前饋控制的 精度和實(shí)時(shí)性上提升上依舊有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)模型的卡爾曼預(yù)測(cè)濾波前饋控制所存在的不足，本發(fā)明從控 制和數(shù)據(jù)融合濾波相融合的方向分析，采用多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)方法，其目的是提供一 種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法。
[0006] 多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)方法是從控制角度來(lái)看濾波問(wèn)題，若在設(shè)計(jì)控制器過(guò)程中 綜合考慮濾波特性和各運(yùn)動(dòng)分量間關(guān)系(位置、速度、加速度之間為逐級(jí)微分關(guān)系，反之則 為積分環(huán)節(jié)），則可在濾波器中W積分環(huán)節(jié)為基本單元設(shè)計(jì)，運(yùn)在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中是比較 容易實(shí)現(xiàn)的。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:采用多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)方法對(duì)目標(biāo)軌跡信息逐級(jí) 嵌套高階濾波，控制過(guò)程中通過(guò)積分方式得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度，甚至更高階的運(yùn)動(dòng) 分量，然后通過(guò)閉環(huán)回路進(jìn)行前饋控制。
[000引具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0009] 步驟（I):在控制對(duì)象上面安裝編碼器和CCD探測(cè)器，編碼器獲取對(duì)象的姿態(tài)角度 信息，CCD探測(cè)器接收編碼器的角度信息和目標(biāo)的軌跡信息做相減處理，提取目標(biāo)脫祀量e 化)；
[0010] 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測(cè)器所采集到的目標(biāo)脫祀量信息e化），并將 目標(biāo)脫祀量e化)生成并輸出跟蹤控制信號(hào)，最終體現(xiàn)在控制對(duì)象指向角度的變化；
[0011] 步驟(3):編碼器角度信息y化)和目標(biāo)脫祀量e化)相加，提取得到反映目標(biāo)真實(shí)運(yùn) 動(dòng)軌跡的信息Hk);
[0012] 步驟(4):多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)器接收提取出的目標(biāo)軌跡信號(hào)，并利用該信號(hào)獲 取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加加速度W及更高階信號(hào)；
[0013] 步驟(5):前饋控制器接收目標(biāo)的速度、加速度、加加速度W及更高階信號(hào)生成并 輸出前饋控制信號(hào)；
[0014] 步驟(6):前饋控制信號(hào)和位置修正控制信號(hào)相加，生成并輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用 于驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)脫祀量e化)的閉環(huán)校正。
[001引其中，步驟(4)中從控制角度出發(fā)，在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮外回路主要由比例積 分環(huán)節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為多個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、加速度、加加速度W及更高階信號(hào)的估計(jì)；
[0016] 其中，步驟(4)中每個(gè)積分環(huán)節(jié)形成內(nèi)回路，加上比例反饋，W此提升控制內(nèi)部過(guò) 程變量的估計(jì)精度，運(yùn)樣可通過(guò)反向微分單獨(dú)獲得每個(gè)控制過(guò)程變量。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] (1)相對(duì)基于運(yùn)動(dòng)模型的卡爾曼預(yù)測(cè)估計(jì)前饋控制方法，該發(fā)明不基于目標(biāo)的運(yùn) 動(dòng)模型，降低了卡爾曼濾波中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的估計(jì)誤差，避開(kāi)了依靠先驗(yàn)和對(duì)初始參數(shù) 敏感，結(jié)合控制降低了計(jì)算量，提高了算法實(shí)時(shí)性；
[0019] (2)只依靠 CCD探測(cè)器、編碼器提供的角位置信息，不僅僅能實(shí)現(xiàn)速度、加速度前饋 控制技術(shù)，還能提供更高階的前饋控制技術(shù)，進(jìn)一步提高光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤能力；
[0020] (3)相對(duì)目前的狀態(tài)估計(jì)方法來(lái)說(shuō)，最主要是與控制具有很好的結(jié)合性和擴(kuò)展性， 降低了估計(jì)誤差，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明的多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說(shuō)明。
[0024] 如圖1所示是本發(fā)明的基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法結(jié)構(gòu)圖，其中 包括:多階目標(biāo)運(yùn)行信息估計(jì)器、前饋控制器、位置修正控制器、控制對(duì)象;該控制裝置組包 含了由位置修正控制器形成的閉環(huán)反饋回路和由多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)器、前饋控制器構(gòu) 成的前饋回路。采用所述裝置實(shí)現(xiàn)前饋(速度、加速度、加加速度)控制方法的步驟如下：
[0025] 下面W二階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0026] 步驟（1):控制對(duì)象上安裝編碼器和CCD探測(cè)器，編碼器直接獲取控制對(duì)象的指向 角度，CCD探測(cè)器直接獲取到的脫祀量e(k)實(shí)為目標(biāo)真實(shí)位置和被控對(duì)象當(dāng)前所指角度的 偏差；
[0027] 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測(cè)器所采集到的目標(biāo)脫祀量信息e化），并將 目標(biāo)脫祀量e化)生成并輸出跟蹤控制信號(hào)，最終體現(xiàn)在控制對(duì)象指向角度的變化，W此實(shí) 現(xiàn)主要的位置閉環(huán)回路；
[0028] 步驟(3):編碼器角度信息y化)和目標(biāo)脫祀量e化)相加，提取得到反映目標(biāo)真實(shí)運(yùn) 動(dòng)軌跡的信息Hk),運(yùn)里由于編碼器獲取角度的頻率一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CCD探測(cè)器獲取的目標(biāo) 脫祀量的頻率，且CCD探測(cè)器存在滯后，因此一般會(huì)對(duì)合成軌跡Hk)進(jìn)行平滑和外推處理， W獲取更準(zhǔn)確的目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)；
[0029] 步驟(4):多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)器接收提取出的目標(biāo)軌跡信號(hào)，并利用該信號(hào)獲 取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加加速度W及更高階信號(hào)。
[0030] 具體實(shí)現(xiàn)方式如下：
[0031] 如圖2所示，從控制角度出發(fā)，在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮外回路主要由比例積分環(huán) 節(jié)構(gòu)成，且積分環(huán)節(jié)為多個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、速度、加速度、加加速度等高階信息的估計(jì)，其控 制輸出表達(dá)式如下；
[0032
[00削其中，0為位置輸入，06為濾波后的位置估計(jì)輸出，klk2為內(nèi)環(huán)負(fù)反饋比例系數(shù)，k3 為外環(huán)比例系數(shù)，#為速度估計(jì)，^為加速度估計(jì)，為加加速度估計(jì)，W此類推。若需獲 取更高階的估計(jì)信息，可繼續(xù)擴(kuò)展積分環(huán)節(jié)。
[0034] 在設(shè)計(jì)控制器過(guò)程中，需保證控制器的時(shí)域穩(wěn)定性，滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)。 從頻域角度分析濾波器的特性，響應(yīng)帶寬，保證能有效濾波;將過(guò)程變量輸出，作為目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)信息的高階估計(jì)；
[0035] 步驟(5):前饋控制器接收目標(biāo)的速度、加速度、加加速度W及更高階信號(hào)生成并 輸出前饋控制信號(hào)；
[0036] 步驟(6):前饋控制信號(hào)和位置修正控制信號(hào)相加，生成并輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用 于驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)脫祀量e化)的閉環(huán)校正。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法，其特征在于:其具體步驟如下： 步驟（1):在控制對(duì)象上面安裝編碼器和CCD探測(cè)器，編碼器獲取對(duì)象的姿態(tài)角度信息， CCD探測(cè)器接收編碼器的角度信息和目標(biāo)的軌跡信息做相減處理，提取目標(biāo)脫靶量e(k); 步驟(2):位置修正控制器接收CCD探測(cè)器所采集到的目標(biāo)脫靶量e(k)，并將目標(biāo)脫靶 量e(k)生成并輸出跟蹤控制信號(hào)，最終體現(xiàn)在控制對(duì)象指向角度的變化； 步驟(3):編碼器角度信息y(k)和目標(biāo)脫靶量e(k)相加，提取得到反映目標(biāo)真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌 跡的信息r(k); 步驟(4):多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)器接收提取出的目標(biāo)軌跡信號(hào)，并利用該信號(hào)獲取目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加加速度以及更高階信號(hào)； 步驟(5):前饋控制器接收目標(biāo)的速度、加速度、加加速度以及更高階信號(hào)生成并輸出 前饋控制信號(hào)； 步驟(6):前饋控制信號(hào)和位置修正控制信號(hào)相加，生成并輸出驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，用于驅(qū) 動(dòng)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)脫靶量e (k)的閉環(huán)校正。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法，其特征在 于：步驟(4)中從控制角度出發(fā)，在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮外回路主要由比例積分環(huán)節(jié)構(gòu) 成，且積分環(huán)節(jié)為多個(gè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、加速度、加加速度以及更高階信號(hào)的估計(jì)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多階目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息估計(jì)的前饋控制方法，其特征在 于:步驟(4)中每個(gè)積分環(huán)節(jié)形成內(nèi)回路，加上比例反饋，以此提升控制內(nèi)部過(guò)程變量的估 計(jì)精度，這樣可通過(guò)反向微分單獨(dú)獲得每個(gè)控制過(guò)程變量。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK105955027SQ201610375836
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】鄧超, 田競(jìng), 曹政, 劉瓊, 毛耀
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所