隨動(dòng)式車載光電搜跟系統(tǒng)研究　

作者 李釗 孫健 上海航天控制技術(shù)研究所(上海 201109)

李釗(1986-)，男，博士生，工程師，研究方向：機(jī)電一體化; 孫健，男，碩士生，工程師，研究方向：仿真轉(zhuǎn)臺(tái)控制器研究。

摘要：為滿足武器系統(tǒng)外場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)目標(biāo)、背景及干擾的數(shù)據(jù)采集及其它制導(dǎo)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了一種隨動(dòng)式車載光電搜跟系統(tǒng)。利用光學(xué)跟蹤平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的搜索和跟蹤，同時(shí)控制車載轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)，車載轉(zhuǎn)臺(tái)可搭載導(dǎo)引頭等其它光學(xué)探測(cè)設(shè)備，提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力。針對(duì)系統(tǒng)延時(shí)帶來(lái)的跟蹤誤差，采用卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入預(yù)測(cè)算法后，跟蹤平臺(tái)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，跟蹤精度得到提高。針對(duì)設(shè)備間由于坐標(biāo)不一致及安裝精度和零位偏差帶來(lái)隨動(dòng)誤差，通過(guò)位置補(bǔ)償對(duì)隨動(dòng)控制指令進(jìn)行修正，改善了隨動(dòng)觀測(cè)精度。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠性高，可用于武器系統(tǒng)的外場(chǎng)試驗(yàn)。

引言

　　光電搜跟系統(tǒng)作為一種現(xiàn)代化探測(cè)和偵查手段，廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、偵察車、船舶等軍事和民用領(lǐng)域^[1-3]。利用紅外、微光、可見(jiàn)光、激光等光學(xué)探測(cè)設(shè)備，光電跟蹤系統(tǒng)可對(duì)空中及地面目標(biāo)進(jìn)行搜索和捕獲，同時(shí)通過(guò)計(jì)算脫靶量控制伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤。為了方便攜帶、增加搭載設(shè)備的有效載荷及隱蔽偵查等方面的需要，光電搜跟系統(tǒng)逐步向著小型化和輕量化方向發(fā)展^[4-5]。為了提高搜跟精度和機(jī)動(dòng)性能，光電搜跟系統(tǒng)的搭載能力受到了一定的制約，通常僅能搭載有限的光學(xué)設(shè)備。

　　武器系統(tǒng)外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)引頭等精密制導(dǎo)設(shè)備由于視場(chǎng)較小而難于發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)，其它探測(cè)設(shè)備，如紅外熱像儀、紫外成像儀等由于設(shè)備較重，通常需要放置在云臺(tái)上由人工手動(dòng)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)觀測(cè)，因而對(duì)于機(jī)動(dòng)性較大的目標(biāo)觀測(cè)極為不便。本文提出一種隨動(dòng)式車載光電搜跟系統(tǒng)，滿足對(duì)目標(biāo)搜索和跟蹤的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力。系統(tǒng)跟蹤精度高，性能穩(wěn)定。此外，系統(tǒng)集成在測(cè)試車上，可方便外場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)目標(biāo)、背景及干擾彈的各波段輻射能量進(jìn)行采集，并完成相應(yīng)的試驗(yàn)任務(wù)。

1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)由光電跟蹤平臺(tái)、車載轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和控制采集系統(tǒng)三大部分組成。光電跟蹤平臺(tái)包含紅外探測(cè)器、激光測(cè)距機(jī)和伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，平臺(tái)升出車廂頂部，實(shí)現(xiàn)360°對(duì)空搜索?？纱钶d導(dǎo)引頭及其它光學(xué)探測(cè)設(shè)備(長(zhǎng)波紅外熱像儀、紅外成像光譜儀、光譜輻射計(jì)等)，并在跟蹤模式下隨光學(xué)跟蹤平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)搭載設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的觀測(cè)，車載轉(zhuǎn)臺(tái)負(fù)載能力大于50kg。

　　控制采集系統(tǒng)由存儲(chǔ)顯示計(jì)算機(jī)和控制采集計(jì)算機(jī)組成。存儲(chǔ)顯示計(jì)算機(jī)用于進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)回放分析;控制采集計(jì)算機(jī)用于采集試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，如導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)、光學(xué)設(shè)備探測(cè)數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)和GPS等數(shù)據(jù)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲(chǔ)顯示計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和存儲(chǔ)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的高精度搜索和跟蹤，減少數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理帶來(lái)的系統(tǒng)延時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能和實(shí)時(shí)性提出了較高的要求。

　　系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各分系統(tǒng)采用上下位機(jī)模式，實(shí)現(xiàn)控制與讀顯操作分離。上位機(jī)主要用于人機(jī)交互，硬件平臺(tái)基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)架構(gòu)，軟件平臺(tái)基于windows平臺(tái)，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，具備用戶管理、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)監(jiān)控、錯(cuò)誤處理等功能。下位機(jī)主要用于各分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、圖像處理、目標(biāo)解算、伺服控制等，要求實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，本系統(tǒng)中各分系統(tǒng)控制周期統(tǒng)一為1ms，各下位機(jī)之間采用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。光電搜跟平臺(tái)下位機(jī)采用DSP設(shè)計(jì)，芯片選用TMS320F28335，主要用于光電搜跟平臺(tái)伺服控制、跟蹤預(yù)測(cè)及位置信息發(fā)送;采集控制系統(tǒng)下位機(jī)采用PXI架構(gòu)，軟件編寫基于LabVIEW RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)光電跟蹤平臺(tái)位置信號(hào)采集、目標(biāo)位置預(yù)測(cè)和補(bǔ)償、車載轉(zhuǎn)臺(tái)控制指令解算和發(fā)送、其它分系統(tǒng)信號(hào)和系統(tǒng)狀態(tài)采集等;車載轉(zhuǎn)臺(tái)下位機(jī)采用PCI架構(gòu)，軟件編寫基于Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)車載轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)控制，控制指令接收及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋。

　　光電搜跟平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)：俯仰跟蹤范圍為﹣15°~﹢75°，方位跟蹤范圍為﹣135°~﹢135°，最大跟蹤角速度不小于60°/s，軸線誤差不大于0.2°，標(biāo)準(zhǔn)能見(jiàn)度下，紅外熱像儀探測(cè)距離大于15km，激光測(cè)距大于10km。

3 系統(tǒng)精度分析

3.1 跟蹤預(yù)測(cè)

　　為保證隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤精度，要求光電跟蹤平臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且對(duì)大機(jī)動(dòng)目標(biāo)能夠快速響應(yīng)、精確跟蹤。然而由于測(cè)量噪聲及系統(tǒng)滯后等因素的影響，系統(tǒng)跟蹤能力受到了一定的制約。本系統(tǒng)中紅外圖像跟蹤器主頻是25Hz，從而由圖像處理帶來(lái)40ms的系統(tǒng)延時(shí)，當(dāng)目標(biāo)機(jī)動(dòng)性較大時(shí)，該延時(shí)足以使目標(biāo)脫離視場(chǎng)范圍，造成目標(biāo)丟失。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)跟蹤過(guò)程中激光中靶率不足80%，目標(biāo)機(jī)動(dòng)性大時(shí)跟蹤能力不足，伺服平臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線不夠平滑，目標(biāo)丟失現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

　　為消除系統(tǒng)滯后，提高跟蹤精度，需要對(duì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。常用的預(yù)測(cè)算法包括最小二乘濾波[6]、維納濾波[7]、卡爾曼濾波[8]等，本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.1.1 卡爾曼濾波[9]

　　離散系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程由運(yùn)動(dòng)方程(1)和觀測(cè)方程(2)構(gòu)成，具體表述如下：

　　根據(jù)系統(tǒng)方程，可由卡爾曼濾波器對(duì)脫靶量即目標(biāo)位置信息進(jìn)行預(yù)測(cè)

3.1.2 試驗(yàn)分析

　　對(duì)某民航飛機(jī)進(jìn)行觀測(cè)，光電跟蹤平臺(tái)跟蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)圖像如圖3所示，目標(biāo)飛機(jī)位于跟蹤框內(nèi)，圖像上方顯示目標(biāo)的距離、高度，以及伺服機(jī)構(gòu)的位置信息。