目次1設(shè)計依據(jù)12設(shè)計要求121功能要求122技術(shù)指標1221跟蹤方式1222角跟蹤范圍1223跟蹤速度和加速度2224跟蹤精度和過渡過程2225記憶跟蹤223使用要求2231環(huán)境適應(yīng)性2232可靠性指標2233維修性2234電磁兼容性33系統(tǒng)工作原理及組成331綜合控制器工作原理3311太陽角規(guī)避功能5312跟蹤方式切換5313限位保護功能5314自檢功能532綜合控制器硬件組成5321DSP控制卡6323功率級10324電機參數(shù)1033接口設(shè)計114伺服控制參數(shù)設(shè)計1141系統(tǒng)的品質(zhì)要求1242速度回路設(shè)計1243位置回路設(shè)計13431半自動跟蹤13432數(shù)字引導(dǎo)跟蹤14433電視自動跟蹤1544融合跟蹤設(shè)計16441時間同步和量綱對準17442數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)17443狀態(tài)估計1845記憶跟蹤設(shè)計2046目標捕獲設(shè)計215軟件設(shè)計226可靠性設(shè)計2561可靠性模型2562可靠性設(shè)計257維修性設(shè)計261設(shè)計依據(jù)依據(jù)光電跟蹤測量系統(tǒng)綜合控制器子系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)書。2設(shè)計要求21功能要求A具有單桿半自動跟蹤、電視自動跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)跟蹤功能；B跟蹤方式可平滑轉(zhuǎn)換功能；C數(shù)字通訊功能；D記憶跟蹤功能；E保護功能；F太陽角規(guī)避功能。22技術(shù)指標221跟蹤方式A半自動跟蹤具有機下單桿半自動跟蹤功能，單桿歸零后經(jīng)緯儀無爬行；B數(shù)引跟蹤能夠接收主控計算機的引導(dǎo)信息，完成機載GPS引導(dǎo)、雷達引導(dǎo)、定點引導(dǎo)、互引導(dǎo)等跟蹤功能；C自動跟蹤能夠完成兩個可見光電視、兩個紅外系統(tǒng)自動跟蹤功能，跟蹤穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)待機采用凝視狀態(tài)等待目標，一旦目標進入視場，可實現(xiàn)對目標的捕獲。D各種跟蹤方式平穩(wěn)切換跟據(jù)需要手動切換跟蹤方式，或根據(jù)事先約定的優(yōu)先級完成數(shù)引跟蹤、電視自動跟蹤、紅外自動跟蹤等方式的自動切換，并實現(xiàn)各種跟蹤方式下滿足切換條件的平穩(wěn)切換。222角跟蹤范圍高低角5185；方位角無限制。223跟蹤速度和加速度保精度角速度0005/S40/S；最大角速度60/S；保精度角加速度0/S220/S2；最大角加速度100/S2。224跟蹤精度和過渡過程在保精度工作角速度和角加速度條件下，電視/紅外自動、程序引導(dǎo)跟蹤誤差最大值不大于3，電視隨機誤差均方根值不大于20，紅外隨機誤差均方根值不大于30。階躍信號輸入在線性范圍內(nèi)的條件下，跟蹤系統(tǒng)的過渡過程時間不大于1S。225記憶跟蹤系統(tǒng)具有記憶跟蹤功能，保證在丟失目標時間不大于3S時，能繼續(xù)跟蹤。23使用要求231環(huán)境適應(yīng)性A存放溫度30C60C；B工作溫度0C55C；C相對濕度95（25C時）；D設(shè)備應(yīng)具有較好的防塵、防霉、防鹽霧能力。232可靠性指標A平均無故障工作時間MTBF3000H；B連續(xù)工作時間TC12H；233維修性平均故障修復(fù)時間MTTR05H（對于一線可更換部件）。234電磁兼容性設(shè)備應(yīng)具有良好的電磁兼容性，能經(jīng)受實際工作環(huán)境中各種設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射，并對其它設(shè)備不產(chǎn)生干擾。3系統(tǒng)工作原理及組成31綜合控制器工作原理綜合控制器采用PCI總線結(jié)構(gòu)計算機，并配以PCI總線構(gòu)架的串行通訊卡、伺服控制卡和網(wǎng)卡。綜合控制器主要工作任務(wù)是完成數(shù)據(jù)通訊、伺服控制、多傳感器數(shù)據(jù)融合。按照功能結(jié)構(gòu)劃分，綜合控制器可以分為伺服控制模塊和工控機模塊。其中伺服控制模塊由DSPFPGA結(jié)構(gòu)的伺服控制卡組成，它主要負責(zé)接收按鍵信息、工作狀態(tài)信息、采樣信號、編碼器數(shù)據(jù)、各個圖像處理器數(shù)據(jù)和多特征圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，采集單桿數(shù)據(jù)，同時和工控機進行PCI數(shù)據(jù)通訊，最終利用這些數(shù)據(jù)完成伺服跟蹤控制運算，產(chǎn)生PWM調(diào)寬波驅(qū)動電機實現(xiàn)伺服跟蹤。工控機模塊由內(nèi)插兩塊串口通訊卡和網(wǎng)卡的工控機組成，它主要負責(zé)數(shù)據(jù)通訊和多傳感器數(shù)據(jù)融合。工控機的數(shù)據(jù)通訊功能主要是通過串口卡與主控計算機、各個視頻存儲系統(tǒng)、編碼器、GPS/B碼時統(tǒng)終端、各個圖像處理器、調(diào)光調(diào)焦控制系統(tǒng)、激光器以及光纖通訊模塊進行RS422數(shù)據(jù)通訊，同時與伺服控制卡進行PCI數(shù)據(jù)通訊。而多傳感器數(shù)據(jù)融合功能主要是工控機采集各個圖像處理器脫靶量數(shù)據(jù)、主控計算機引導(dǎo)數(shù)據(jù)以及GPS引導(dǎo)數(shù)據(jù)等目標數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)比單一處理器數(shù)據(jù)跟蹤更穩(wěn)定的目標跟蹤。伺服控制模塊通過控制方位和俯仰力矩電機的運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對空間目標的跟蹤測量，它由方位和俯仰兩套位置隨動系統(tǒng)組成，控制方式采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。執(zhí)行元件為力矩電機，采用H型單極可逆PWM驅(qū)動方式。伺服控制模塊可以實現(xiàn)半自動跟蹤、電視自動跟蹤和數(shù)學(xué)引導(dǎo)跟蹤三種跟蹤方式。半自動跟蹤時，操作手通過監(jiān)視器觀察目標并操縱單桿動作，從而使與單桿相連的方位和俯仰兩套傳感器產(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入控制器。控制器對單桿數(shù)據(jù)按位置調(diào)節(jié)器算法進行運算后作為速度回路給定，再經(jīng)速度調(diào)節(jié)器算法運算后產(chǎn)生控制信號送往功率級驅(qū)動電機，半自動跟蹤控制原理框圖如圖1所示。電視自動跟蹤時，電視系統(tǒng)能將視場中目標與視場中心位置的偏差形成脫靶量傳送給控制器。控制器對接收的脫靶量進行位置調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的運算后產(chǎn)生控制信號送往功率級。此外在電視跟蹤時由于脫靶量的滯后，通常還在速度環(huán)中加入速度滯后補償甚至加速度滯后補償環(huán)節(jié)，以彌補脫靶量的滯后影響，提高跟蹤精度。電視自動跟蹤控制原理框圖如圖2所示。數(shù)字引導(dǎo)跟蹤時，主控計算機系統(tǒng)將目標的位置和速度信息送入控制器，其中速度信息是前饋引入速度回路以構(gòu)成復(fù)合控制，以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。數(shù)引隨動跟蹤控制原理框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)融合跟蹤時，綜合控制器將有效的目標數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，然后通過融合算法算出目標的融合位置，用此融合位置數(shù)據(jù)進行自動跟蹤引導(dǎo)。數(shù)據(jù)融合控制原理框圖如圖4所示。圖3數(shù)引隨動跟蹤控制原理框圖目標速度速度前饋速度回路校正位置回路校正微分測速編碼器電機加負載目標位置圖1半自動跟蹤控制原理框圖單桿編碼器微分測速校正放大速度校正放大電機加負載圖2電視自動跟蹤控制原理框圖速度滯后補償加速度滯后補償目標位置校正放大編碼器速度校正放大電機加負載微分測速脫靶量N編碼器位置數(shù)據(jù)脫靶量1編碼器位置數(shù)據(jù)預(yù)測濾波預(yù)測濾波加權(quán)數(shù)據(jù)融合目標位置量位置校正微分測速速度校正電機加負載編碼器引導(dǎo)數(shù)據(jù)1預(yù)測濾波引導(dǎo)數(shù)據(jù)N預(yù)測濾波圖4數(shù)據(jù)融合控制原理框圖311太陽角規(guī)避功能綜合控制器通過串口卡接收主控計算機傳來的經(jīng)過太陽角規(guī)避處理的目標引導(dǎo)航跡數(shù)據(jù)，綜合控制器按照平滑切換方式根據(jù)狀態(tài)信息將跟蹤功能切換到太陽角規(guī)避上即可。312跟蹤方式切換切換過程中采用一階控制器改善其動態(tài)過程效果，等到切換過程穩(wěn)定或小偏差時轉(zhuǎn)入二階控制器保證其跟蹤精度。同時切換的過程中將前一種跟蹤方式的偏差按照遞減的方式保存下來，并將其加到切換后的跟蹤方式的偏差上，將總偏差送一階控制器。這種切換方式經(jīng)實際工程驗證，效果很好。313限位保護功能經(jīng)緯儀電限位時，綜合控制器會收到電限位開關(guān)發(fā)過來的脈沖狀態(tài)信號，如果收到此信號綜合控制器會發(fā)反向滿碼調(diào)寬波來保護儀器，使經(jīng)緯儀最大程度減小撞擊。314自檢功能檢查各個系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)是否正常。32綜合控制器硬件組成綜合控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用凌華工控機，內(nèi)插PCI總線架構(gòu)的DSP控制卡及串行通訊卡。DSP控制卡接收到編碼器、電視脫靶量后，一方面用于自跟蹤運算，另一方面通過PCI總線送給工控機進行融合處理。工控機將融合處理的結(jié)果通過PCI總線回送DSP控制卡用于跟蹤，同時通過串行通訊卡與一些外部系統(tǒng)實現(xiàn)串行通訊功能。BUS方位、俯仰力矩電機接口DSP800HZ、200HZ中斷PCI主控計算機編碼器機下單桿工控機俯仰0、180度限位俯仰手動/機動方位、俯仰啟動方位、俯仰功率級報警跟蹤狀態(tài)控制按鍵GPS/B碼時統(tǒng)終端調(diào)光調(diào)焦控制系統(tǒng)綜合控制器串行通訊卡1A/D采集I/O口串口PWM捕獲電視圖像處理模塊測量電視圖像處理模塊中波紅外圖像處理模塊編碼器長波紅外圖像處理模塊串行通訊卡2P1P2P3P4P5P6P7P2RXDRXD捕獲電視圖像處理模塊測量電視圖像處理模塊P3P4RXDP1P8RXDP5P6P1P2P5P6P7光纖通訊模塊多特征圖像處理系統(tǒng)P8中波紅外圖像處理模塊激光器長波紅外圖像處理模塊RXDP7P8捕獲電視視頻存儲測量電視視頻存儲中波紅外視頻存儲長波紅外視頻存儲多特征圖像處理系統(tǒng)RXDRS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422RS422圖5伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖321DSP控制卡DSP控制卡主要由DSP芯片、FPGA、串行通訊芯片、A/D芯片、PCI總線接口芯片組成，主要完成功能有位置回路、速度回路的運算；單桿模擬量采集；讀取操控按鍵，并點亮相關(guān)指示燈；采集編碼器和電視脫靶量串行通訊數(shù)據(jù)；與工控機進行PCI總線數(shù)據(jù)交換。DSP采用TI公司的TMS320F2812，它具有運算精度高、速度快、使用靈活以及集成度高等優(yōu)點，主要完成位置回路、速度回路運算及外圍設(shè)備的控制功能。FPGA用于輔助DSP對外圍設(shè)備的邏輯控制，選用CYCLONE系列FPGA中的EP1C12Q240C8，具有12060個邏輯單元LE和173個I/O口，可以內(nèi)嵌4K的RAM。FPGA采用模塊化的設(shè)計思想，內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，主要完成的功能有以下三個部分產(chǎn)生PWM調(diào)寬波信號；實現(xiàn)DSP與串行通訊芯片、A/D芯片的接口邏輯；內(nèi)嵌雙口RAM，實現(xiàn)PCI總線接口芯片的本地仲裁。圖6FPGA設(shè)計框圖串行通訊芯片采用ST16C654，其具有64字節(jié)輸入輸出FIFO，它由四個增強的16C650異步通信單元加驅(qū)動邏輯組成，從而構(gòu)成四個通道的串行通訊，而且相互獨立，每個通道的最高通訊速率可以達到1MBPS。串行通訊芯片主要完成DSP與外部系統(tǒng)進行串行數(shù)據(jù)通訊。單桿模擬數(shù)據(jù)采集接口采用AD7864芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，并用FPGA實現(xiàn)對AD7864芯片的控制以及DSP的邏輯接口功能，AD7864主要特性有4通道單端輸入，12位分辨率；輸入模擬量電壓范圍10V，5V可選；PCI總線仲裁RAMRAM仲裁16C54地址仲裁AD7864地址仲裁16C54讀寫、數(shù)據(jù)總線AD7864讀寫、數(shù)據(jù)總線DSP地址數(shù)據(jù)及控制總線PCI總線調(diào)寬波功率級可達165S轉(zhuǎn)換速度。A/D轉(zhuǎn)換主要完成的功能是采集單桿方位和俯仰傳感器的模擬電壓輸出量，并轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量送給DSP。PCI接口芯片采用PLX公司的PCI9054，其工作于從模式，通過PCI總線與工控機數(shù)據(jù)交換。工控機接收到多個電視脫靶量后，進行融合預(yù)處理，并將預(yù)處理的結(jié)果通過PCI總線送給DSP控制卡進行位置和速度回路校正運算。DSP伺服控制卡3D圖如圖7所示。圖7DSP伺服控制卡3D圖322串行通訊卡串行通訊采用研華公司的PCI1622CU型號PCI接口8路串口卡，該串口卡符合PCI22規(guī)格，速度最高可達9216KBPS，具有8個RS422/485端口和128字節(jié)FIFO標準的16PCI954USRT，I/O地址由PCI即插即用功能自動分配。支持WINDOWS98/ME/2000/XP/XPEMBEDDED,LINUX操作系統(tǒng)。具有提高系統(tǒng)性能的中斷狀態(tài)寄存器、預(yù)留終端電阻空間、自動RS485數(shù)據(jù)流控制、易于使用的強大工具ICOMTOOLS、通用PCI支持33V或5VPCI總線信號、2500VDC浪涌保護和2500VDC隔離保護。PCI1622CU串口卡圖如圖8所示。圖8PCI1622CU串口卡圖串口卡插在綜合控制器的PCI插槽上，通過PCI總線將各系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)傳送到DSP伺服控制器內(nèi)，DSP也可以通過此串卡回送數(shù)據(jù)。綜合控制器按照200HZ的時統(tǒng)數(shù)據(jù)幀頻工作，通訊卡接收一幀時統(tǒng)數(shù)據(jù)后，硬件會產(chǎn)生中斷信號，綜合控制器響應(yīng)該中斷后，對時統(tǒng)數(shù)據(jù)解碼，當判斷出該時統(tǒng)數(shù)據(jù)為10MS的整數(shù)倍時，讀取連接其他系統(tǒng)的串行端口的FIFO數(shù)據(jù)，并一起和時統(tǒng)數(shù)據(jù)打包發(fā)送。當采樣信號到來后，編碼器數(shù)據(jù)要先于時統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，從而可保證時統(tǒng)數(shù)據(jù)和編碼器數(shù)據(jù)同時對齊打包發(fā)送。通訊數(shù)據(jù)內(nèi)容按照通訊協(xié)議要求發(fā)送。串行通訊接口主要完成的功能有A完成與捕獲電視圖像處理器、測量電視圖像處理器、長波紅外圖像處理器、中波紅外圖像處理器和多特征圖像處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，向其發(fā)送角度信息、時間信息、距離信息、控制命令等數(shù)據(jù)；B完成與編碼器系統(tǒng)的通訊，與編碼器進行雙向數(shù)據(jù)通訊，轉(zhuǎn)發(fā)主控計算機控制命令；C完成與主控計算機的通訊，接收控制命令，發(fā)送采集的各系統(tǒng)信息；D完成接收GPS/B碼時統(tǒng)終端的通訊，接收時間信息及自檢狀態(tài)信息；E完成與捕獲電視、測量電視、中波紅外和長波紅外視頻存儲系統(tǒng)的通訊，接收視頻存儲系統(tǒng)的信息，向視頻存儲系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)送角度信息、時間信息、距離信息、控制命令等；F完成與調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)的通訊，接收調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)工作狀態(tài)及自檢信息，向調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)發(fā)送控制命令，距離調(diào)焦信息；G完成與光纖通訊系統(tǒng)的通訊，接收光纖通訊系統(tǒng)的工作狀態(tài)及自檢信息；H完成與激光測距機的通訊；323功率級伺服功率放大器采用6單元IGBTIPM智能模塊為核心功率器件。IPM模塊的驅(qū)動電路內(nèi)置，具有軟開關(guān)功能，能防止誤導(dǎo)通。IPM內(nèi)含多種保護電路過流保護、負載短路保護、控制電壓欠壓保護及過熱保護，并內(nèi)含報警輸出功能。當IPM出現(xiàn)保護動作時，有報警信號輸出，該信號可使控制計算機停止輸出驅(qū)動信號，并有指示燈顯示報警。324電機參數(shù)A方位力矩電機峰值堵轉(zhuǎn)電壓70V7V峰值堵轉(zhuǎn)電流25A峰值堵轉(zhuǎn)力矩不小于600NM70V時空載轉(zhuǎn)速25R/MIN連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩不小于350NM連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓40V4V連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流145A轉(zhuǎn)動慣量36KGM2力矩波動系數(shù)不大于1重量97KGB俯仰力矩電機峰值堵轉(zhuǎn)電壓60V6V峰值堵轉(zhuǎn)電流63A峰值堵轉(zhuǎn)力矩不小于64NM60V時空載轉(zhuǎn)速50R/MIN連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩不小于40NM連續(xù)堵轉(zhuǎn)電壓38V38V連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流4A轉(zhuǎn)動慣量0105KGM2力矩波動系數(shù)不大于2重量135KG根據(jù)以往類似設(shè)備檢測數(shù)據(jù)，選用該型號力矩電機可滿足最大速度和最大加速度的任務(wù)要求。33接口設(shè)計A串行通訊接口除與編碼器系統(tǒng)通訊頻率為800HZ、捕獲電視系統(tǒng)通訊頻率為50HZ外，其他系統(tǒng)的通訊頻率為100HZ。除與多特征圖像處理子系統(tǒng)的波特率為1152KB/S外，其他系統(tǒng)波特率為2304KB/S；接口電平為RS422；BPCI總線接口工控機和伺服控制模塊之間采用PCI總線方式進行數(shù)據(jù)交換；CI/O接口采集俯仰0、180限位狀態(tài)，方位、俯仰啟動狀態(tài)，長波紅外、中波紅外測量電視、捕獲電視、數(shù)學(xué)引導(dǎo)、融合跟蹤、單桿跟蹤的跟蹤狀態(tài)，方位俯仰功率級故障報警，并輸出跟蹤狀態(tài)供顯示；D同步信號接收接口接收時統(tǒng)送來的800HZ，200HZ采樣信號，RS422接口，負脈沖，脈寬3S10S；EPWM輸出接口輸出方位4路PWM調(diào)寬信號，俯仰4路PWM調(diào)寬信號。4伺服控制參數(shù)設(shè)計伺服系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)，采用速度和位置雙閉環(huán)的串級控制結(jié)構(gòu)。設(shè)計方法上，采用連續(xù)系統(tǒng)頻率特性法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后用雙線性變換方法進行離散化處理，以實現(xiàn)計算機控制。由于設(shè)計方位、俯仰控制結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器方法相同，因此僅以方位系統(tǒng)為例進行設(shè)計。方位控制對象傳遞函數(shù)為（1）02681GSS41系統(tǒng)的品質(zhì)要求根據(jù)技術(shù)指標要求，在保精度工作范圍內(nèi)，為保證跟蹤精度，系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)要求為在最大保精度速度40/S和最大保精度加速度20/S2情況下，要求系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)達到（2）MAX4036“80VK（3）AX2436“42速度回路設(shè)計綜合考慮速度回路校正參數(shù)取為（6）426091053VCSSGS校正以后的速度開環(huán)傳遞函數(shù)是（7）1018VOSS速度回路開環(huán)頻率特性如圖9所示，剪切頻率CV832RAD/S，相位裕度PM697，系統(tǒng)滿足穩(wěn)定條件。圖9速度回路開環(huán)頻率特性圖43位置回路設(shè)計位置回路設(shè)計的目的是實現(xiàn)伺服系統(tǒng)所要求的在一定速度、加速度條件下穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標。影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能主要因素是傳感器采樣頻率和滯后時間、位置回路的帶寬、開環(huán)增益和無差度型別等。應(yīng)根據(jù)不同的跟蹤方式，設(shè)計不同的校正控制器。431半自動跟蹤半自動跟蹤時位置回路人工閉環(huán)，輸入值即為經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的單桿電壓。另外位置回路是采用帶有死區(qū)的拋物線函數(shù)對單桿進行非線性校正，以滿足系統(tǒng)低速和高速的要求，并保證單桿歸零不爬行，實際使用效果明顯。其特性曲線如圖10所示，輸入輸出特性函數(shù)可表示為（8）20KXAXYA其中K與A可以根據(jù)實際情況進行修改。432數(shù)字引導(dǎo)跟蹤引導(dǎo)跟蹤由于具有速度前饋，系統(tǒng)精度很容易達到，以穩(wěn)定性作為重點考慮。位置回路校正環(huán)節(jié)取為（9）30416PCSGS此時位置回路的開環(huán)頻率特性如圖11所示，系統(tǒng)開環(huán)剪切頻率為C216RAD/S，相位裕度PM707。計算出這時系統(tǒng)的速度品質(zhì)因數(shù)，30VK加速度品質(zhì)因數(shù)，不能滿足系統(tǒng)精度要求。為提高系統(tǒng)精度，引入速53AK度前饋構(gòu)成復(fù)合控制，取速度補償系數(shù)K097，可計算出此時系統(tǒng)速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，遠遠滿足系統(tǒng)精度要求。968VK168AK根據(jù)系統(tǒng)跟蹤性能要求，對于保精度角速度40/S和角加速度20/S2，輸入正弦信號，仿真結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)跟蹤誤差最大值80SIN5TTYX圖10單桿非線性校正特性曲線圖11數(shù)引跟蹤位置回路開環(huán)頻率特性圖28，滿足技術(shù)指標要求。另外考慮到實際情況下有時引導(dǎo)信息不準確，距目標的實際位置有一定偏差，此時可將單桿數(shù)據(jù)疊加到引導(dǎo)位置值上，通過操作單桿來修正引導(dǎo)信息的位置偏差，以滿足實際工作需要。圖12數(shù)字引導(dǎo)正弦跟蹤誤差曲線433電視自動跟蹤由于捕獲電視采樣頻率25HZ，而其他電視的采樣頻率為100HZ，因此捕獲電視脫靶量的滯后時間大于其他電視系統(tǒng)。為方便電視跟蹤方式切換及融合設(shè)計，這里只針對25HZ捕獲電視跟蹤設(shè)計位置回路參數(shù)，而其他電視跟蹤采用相同參數(shù)時也必滿足跟蹤精度要求。25HZ電視采樣頻率下位置回路校正函數(shù)為（10）21045PCSGS這時系統(tǒng)的速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，無法滿足VK135AK系統(tǒng)加速度品質(zhì)因數(shù)的要求。對此加入速度滯后補償函數(shù)（11）0341VDS可計算出此時速度品質(zhì)因數(shù)，加速度品質(zhì)因數(shù)，滿足系57VK490AK統(tǒng)精度要求，圖13為采用速度滯后補償?shù)奈恢没芈烽_環(huán)頻率特性圖,此時開環(huán)剪切頻率RAD/S，相位裕度，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定條件。用等效正弦12C0624MP作仿真輸入，系統(tǒng)跟蹤誤差最大值小于3，仿真結(jié)果如圖80SIN5TT14所示。圖1325HZ帶速度滯后補償位置回路開環(huán)頻率特性圖圖14速度40/S和加速度20/S2電視跟蹤誤差曲線44融合跟蹤設(shè)計融合跟蹤是利用經(jīng)緯儀上多傳感器數(shù)據(jù)源及外引導(dǎo)數(shù)據(jù)源的信息進行融合處理，以實現(xiàn)對目標軌跡的精確預(yù)測，從而保證在數(shù)據(jù)源遇到干擾的情況下依然能對目標進行穩(wěn)定跟蹤。當電視自動跟蹤目標后，融合跟蹤算法自動啟動，以保證電視自動跟蹤的穩(wěn)定性，融合跟蹤也可手動解除，以便在某些情況下實現(xiàn)對多目標跟蹤及切換功能。融合處理過程主要有時間同步和量綱對準、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及狀態(tài)估計。441時間同步和量綱對準伺服系統(tǒng)接收電視處理器等多傳感器數(shù)據(jù)源和引導(dǎo)信息源，但各傳感器的工作頻率及處理時間不同，觀測的數(shù)據(jù)存在時間差，因此在融合前必須進行時間對齊?？紤]到編碼器的采樣頻率最高，忽略數(shù)據(jù)傳輸延遲，以接收編碼器數(shù)據(jù)時刻為伺服系統(tǒng)工作時間基準，其它傳感器的觀測數(shù)據(jù)同步到該時間基準上來，同步方法采用卡爾曼濾波器的預(yù)測方程和誤差協(xié)方差矩陣。假定在時刻得到第個電視傳感器在時刻的脫靶量，則可將時刻ITKJTJKJT的編碼器值與脫靶量相加后得到帶有觀測誤差的目標位置值，利用卡爾曼JXT濾波方程求得該時刻目標狀態(tài)的濾波估計后，則目標狀態(tài)估計的同步|KJXT方程（12）|KIJKIJTTT協(xié)方差的同步方程（13）|TTKIJKIJKIKJJKJPTTPTTQT根據(jù)上述兩式得到和后，即可根據(jù)加權(quán)航跡融合算法，|IJX|IJ忽略各傳感器之間的互協(xié)方差，得到目標的融合軌跡（14）112NXPXPX（15）1量綱對準就是把各傳感器的數(shù)據(jù)進行量綱統(tǒng)一，量綱統(tǒng)一基準為編碼器值。442數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)就是把來自多個傳感器的觀測點跡按最大概率歸類到幾個不同的事件集合中。由于經(jīng)緯儀上的多個傳感器通常是對同一個目標進行跟蹤，因此只有一個事件集合也就是目標點跡形成的航跡，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)問題也就變得十分簡單，實質(zhì)上就是判斷觀測點跡是航跡上的真點跡還是噪聲造成的假點跡，如果是真點跡則更新目標的航跡，如果是假點跡則予以剔除。同樣假定電視傳感器時刻得到的點跡為真點跡，則根據(jù)卡爾曼濾波JTJXT方程可得到時刻的目標濾波點跡，經(jīng)過一個電視采樣周期后,電視JT|JTT傳感器得到時刻的目標點跡，這時就需要判斷該時刻點跡是否為JTTJXTT真點跡。具體做法是利用卡爾曼預(yù)測方程得到時刻的目標預(yù)測點跡JT，然后以該預(yù)測點跡為中心，設(shè)置一關(guān)聯(lián)門，目標點跡落在關(guān)聯(lián)門|JJXT內(nèi)，則認為是真點跡，否則認為是假點跡。為簡單起見，通常選取矩形關(guān)聯(lián)門，此時判定準則為（16）|JJJRXTTTK（17）2RP式中測量的標準差，卡爾曼濾波器預(yù)測標準差，P門限系數(shù)。K443狀態(tài)估計狀態(tài)估計就是利用數(shù)學(xué)方法來尋求與觀測數(shù)據(jù)最佳擬合的狀態(tài)向量，它是融合跟蹤算法中重要的一個過程，上述兩步驟都需要利用狀態(tài)估計知識。目前最普遍使用的狀態(tài)估計方法是卡爾曼濾波器，它采用狀態(tài)方程來描述目標的運動方程，并以遞歸形式求解目標狀態(tài)的最優(yōu)估計。假定目標運動狀態(tài)方程形式（18）|11KKKXW觀測方程（19）KKZHV這時目標狀態(tài)的最優(yōu)估計為（20）|1|1KKKXKX其中，表示在時刻預(yù)測時刻的狀態(tài)值，即卡爾曼一步|1|1KKX預(yù)測方程。增益的求解是遞歸進行，需要事先掌握目標的運動特性以及系統(tǒng)K噪聲、測量噪聲的統(tǒng)計特性。KWKV在實際目標跟蹤過程中，考慮到經(jīng)緯儀通常只能觀測到目標的方位、俯仰角信息，因此只能通過這些觀測數(shù)據(jù)來估計目標的方位、俯仰角運動軌跡。盡管這時目標的運動軌跡是條復(fù)雜的非線性軌跡，但是考慮到傳感器的采樣頻率高，可以假設(shè)在短時間內(nèi)目標作勻速直線運動，這時就可利用卡爾曼濾波方法來對目標進行狀態(tài)估計。當然這種簡化的結(jié)果將造成對目標的狀態(tài)是次優(yōu)估計，然而卻可大大降低運算復(fù)雜程度，如果同時假定系統(tǒng)噪聲、測量噪聲的統(tǒng)KWKV計特性是平穩(wěn)隨機過程，這時卡爾曼濾波方程也是穩(wěn)定的，這在工程上非常具有應(yīng)用價值。為驗證算法的有效性，以某彈道數(shù)據(jù)作為目標實際運動軌跡進行仿真，為簡化仿真過程，假定兩個電視傳感器測量頻率和測量特征點均相同，不考慮系統(tǒng)誤差影響，融合數(shù)據(jù)源為兩個。圖15是數(shù)據(jù)源不受任何干擾情況下跟蹤誤差曲線。圖16為對一電視數(shù)據(jù)源加入脈沖干擾信號源，得到圖17的跟蹤誤差曲線。如果在識別出該干擾信號后，采用卡爾曼直線外推處理，得到圖18的跟蹤誤差曲線，而采用融合處理后，可以得到圖19的跟蹤誤差曲線。比較圖17、18和19，可以看出在受到干擾的情況下融合處理后的誤差最小，可以有效保證跟蹤過程的穩(wěn)定性。圖15無干擾情況下跟蹤誤差曲線圖16脈沖干擾信號圖17有干擾情況下跟蹤誤差曲線圖18有干擾情況下卡爾曼直線外推處理后跟蹤誤差曲線圖19有干擾情況下融合處理后跟蹤誤差曲線45記憶跟蹤設(shè)計記憶跟蹤主要用于目標在短時間內(nèi)被遮擋致使多個電視傳感器都無法觀測到目標，盡管此時可能還存在引導(dǎo)信息，但大多數(shù)情況下引導(dǎo)信息的位置偏差較大，因此為保證能再次快速搜索到目標，有必要采用記憶跟蹤算法。通常對目標融合運算結(jié)果將形成一條目標融合航跡，在記憶跟蹤時，可以在該航跡的基礎(chǔ)上根據(jù)目標的運動模型進行預(yù)測外推得到模型預(yù)測軌跡，然而外推時間越長，預(yù)測誤差也就越大，記憶跟蹤效果也就越差。如果在融合跟蹤時先將目標的引導(dǎo)軌跡與融合航跡進行比較得到航跡差，然后在記憶跟蹤時利用該航跡差修正目標的引導(dǎo)軌跡，則可以得到更為準確的目標引導(dǎo)修正軌跡，之后利用該修正軌跡與目標模型預(yù)測軌跡進行加權(quán)組合后作為目標的預(yù)測位置去引導(dǎo)經(jīng)緯儀，則可以得到更佳的記憶跟蹤效果。圖20是利用某型號光電經(jīng)緯儀對模型彈跟蹤數(shù)據(jù)和理論彈道數(shù)據(jù)作為實驗源數(shù)據(jù)來仿真驗證記憶跟蹤效果，其中跟蹤數(shù)據(jù)作為目標實際運動軌跡，理論彈道數(shù)據(jù)作為目標引導(dǎo)軌跡，從圖中可看出相比單純的模型預(yù)測算法或數(shù)字外引導(dǎo)，融合預(yù)測后的軌跡精度更高，記憶跟蹤效果更好。46目標捕獲設(shè)計在目標捕獲階段，當目標從視場中穿越時，經(jīng)緯儀能迅速捕獲目標并順利轉(zhuǎn)入對目標的跟蹤。由于捕獲初始時刻目標和經(jīng)緯儀的相對運動（相對位置、相對速度）很大，如果不迅速減小它們之間的相對運動，目標則非常容易穿出視場。為此目標捕獲時采用類似引導(dǎo)跟蹤方式的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，在雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入速度前饋環(huán)節(jié)。通常在捕獲階段的短時刻內(nèi)目標在方位和俯仰角方向是勻速直線運動，當目標在視場中出現(xiàn)后，由目標脫靶量與對應(yīng)的編碼器值合成出目標在方位和俯仰角方向的位置，其速度則在勻速直線運動的假0102030200240280320360合合/S合合/DEGT0T1合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合合圖20對比實驗結(jié)果曲線設(shè)前提下通過狀態(tài)估計的辦法估計出來，將該速度前饋到速度回路使經(jīng)緯儀的運動速度快速接近目標的運動速度，從而迅速減少經(jīng)緯儀和目標之間的相對運動速度。同時在減少相對位置時采用多?？刂萍夹g(shù)，事先確定一組性能各不相同的位置調(diào)節(jié)器，然后按照一定的策略在該組中選擇所需的調(diào)節(jié)器，在目標“迎頭”或脫靶量大時選擇動態(tài)性能好的調(diào)節(jié)器，在目標“尾追”和脫靶量小時選擇穩(wěn)態(tài)精度高的調(diào)節(jié)器，以保證捕獲的穩(wěn)定性。圖21是某型號光電經(jīng)緯儀對某型號彈紅外捕獲時脫靶量變化曲線，A點位置是彈在視場中出現(xiàn)，B點是經(jīng)緯儀對彈已經(jīng)成功捕獲，脫靶量不再增加，BC段開始向紅外自動跟蹤平穩(wěn)過渡，C點以后經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)為自動跟蹤方式。圖21目標捕獲脫靶量變化曲線5軟件設(shè)計伺服軟件設(shè)計主要包括兩部分工控機應(yīng)用程序、DSP程序。工控機應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境采用VISUALC，C語言編程。應(yīng)用程序通過PCI總線接收伺服控制卡發(fā)送的脫靶量和編碼器數(shù)據(jù)，完成融合處理和記憶跟蹤等算法。應(yīng)用程序軟件流程如圖22所示。DSP控制卡