三軸光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤策略和控制研究.pdf

1、光電跟蹤系統(tǒng)是一個由光電探測、信號處理、控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及精密機(jī)架等多個部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)。它以高于微波頻率的光波為信息的載體，具有極高的時域、空域、頻域分辨率，特強(qiáng)的抗電磁干擾能力，獨有的夜間觀察功能和良好的戰(zhàn)場適應(yīng)性。因此，光電跟蹤系統(tǒng)是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中獲取信息的重要手段，在低可觀測性目標(biāo)探測、高分辨率目標(biāo)識別、精確制導(dǎo)、火控瞄準(zhǔn)、飛行輔助和信息對抗等軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。除軍事應(yīng)用領(lǐng)域，光電跟蹤系統(tǒng)目前在激光通信、天文觀

2、測、航空攝影、靶場測試等民用領(lǐng)域也都取得了日益廣泛的應(yīng)用。
　　因此，光電跟蹤系統(tǒng)的研制受到世界各國的普遍關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，光電跟蹤系統(tǒng)無論是在軍事領(lǐng)域還是在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域都具有更加廣泛的發(fā)展前景。同時，現(xiàn)代社會的發(fā)展也對光電跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和研制提出了更高的要求，如高精度、高速度、強(qiáng)適應(yīng)性等。特別是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代化武器的不斷發(fā)展，以高分辨率和抗電子干擾為突出特點的軍用光電跟蹤系統(tǒng)已成為當(dāng)今世界高技術(shù)軍事裝

3、備研究的重點之一。如何最大限度地發(fā)揮出光電跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)對全空間高速運動目標(biāo)的快速捕獲和高精度的穩(wěn)定跟蹤瞄準(zhǔn)，是目前光電跟蹤系統(tǒng)研究的重點和難點。
　　為實現(xiàn)以上研究目標(biāo)，在光電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計中，除了要有高性能的光電傳感元件之外，跟蹤快速性好、跟蹤性能優(yōu)越的跟蹤策略，以及快速靈活、控制精度高的伺服系統(tǒng)也是不可或缺的關(guān)鍵。所以，對光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略和控制方法的研究已成為必然。
　　本文以三軸光電跟蹤系統(tǒng)為研究對象，基于

4、系統(tǒng)的精確性和準(zhǔn)確性，設(shè)計了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略，并在此基礎(chǔ)上研究運動平臺光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略；同時建立了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的機(jī)電動力學(xué)方程，設(shè)計了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法；最后，實現(xiàn)了三軸光電跟蹤系統(tǒng)實驗裝置的三軸聯(lián)動全空間連續(xù)跟蹤運動。主要內(nèi)容如下：
　　1.基于剛體定軸轉(zhuǎn)動的四元數(shù)描述方法，在詳細(xì)分析光電跟蹤系統(tǒng)運動學(xué)特性的基礎(chǔ)上，分別建立了兩軸和三軸光電跟蹤系統(tǒng)的運動學(xué)模型。分析了兩軸光電跟蹤系統(tǒng)跟蹤盲區(qū)產(chǎn)生的

5、原因。同時，研究了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的運動位置和速度之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，證明了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的無盲區(qū)全空間跟蹤特性。最后，分析了光電跟蹤系統(tǒng)偏距的產(chǎn)生對系統(tǒng)性能的影響。
　　2.以三軸光電跟蹤系統(tǒng)為研究對象，以實現(xiàn)系統(tǒng)的跟蹤快速性為研究目標(biāo)，基于摩爾-彭諾斯廣義逆矩陣的特性，應(yīng)用極小范數(shù)最小二乘解理論，設(shè)計了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略，實現(xiàn)了光電跟蹤系統(tǒng)的全空間無盲區(qū)跟蹤和三軸聯(lián)動連續(xù)跟蹤，提高了光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤快速性和跟

6、蹤性能。然后通過與現(xiàn)有的兩軸跟蹤策略以及三軸切換跟蹤策略的跟蹤結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了所設(shè)計跟蹤策略的有效性。
　　3.以三軸光電跟蹤系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計了一種基于智能優(yōu)化的三軸跟蹤策略。通過分析系統(tǒng)中三軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，將求解三軸角增量的三維函數(shù)優(yōu)化問題簡化為求解一維函數(shù)最優(yōu)值問題。同時，設(shè)計了一種自適應(yīng)差分進(jìn)化算法，并將此算法應(yīng)用于三軸光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略中，基于系統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確性要求和應(yīng)用適應(yīng)性要求，實現(xiàn)了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的全空

7、間無誤差跟蹤運動。然后通過與現(xiàn)有的兩軸跟蹤策略以及三軸切換跟蹤策略的跟蹤結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了所設(shè)計跟蹤策略的有效性。
　　4.研究了運動平臺三軸光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略，重點研究了車載和機(jī)載三軸光電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤策略。將所設(shè)計的兩種三軸跟蹤策略應(yīng)用于系統(tǒng)對運動目標(biāo)的跟蹤過程中，研究了兩種跟蹤策略的不同應(yīng)用條件，并與現(xiàn)有的跟蹤策略相比較，分析所設(shè)計的三軸跟蹤策略的跟蹤性能。
　　5.應(yīng)用拉格朗日-麥克斯韋方程，在考慮系統(tǒng)的傳動齒

8、隙和摩擦的基礎(chǔ)上，建立了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的機(jī)電動力學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)，研究了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法。將模糊控制與PID控制相結(jié)合，并引入了自適應(yīng)控制理論和參考模型控制理論，設(shè)計了三軸光電跟蹤系統(tǒng)的基于參考模型的自適應(yīng)模糊PID控制器，并通過仿真與PID控制器和模糊PID控制器相比較，以驗證所設(shè)計的控制器的控制性能。
　　6.分析了三軸光電跟蹤系統(tǒng)實驗裝置的設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)組成、功能實現(xiàn)和專用軟件介紹。在此基礎(chǔ)上，將本文所設(shè)