基于伺服控制系统的光电跟踪仪发展现状及应用

光电跟踪仪中的伺服控制系统是光电跟踪设备的重要组成部分，其跟踪精度是衡量光电跟踪设备的主要指标，实现高精度跟踪控制，成为许多高精度光电跟踪设备必须解决的难题之一。因此要获得高精度的光电跟踪仪，必须深入了解其伺服控制系统。本文从光电跟踪仪伺服控制系统的基本原理、关键技术及其国内外发展现状与发展趋势三方面对其进行了介绍，为伺服控制系统的设计及研究提供了参考。

前言

光电跟踪伺服控制系统是一个包括光电探测、信号处理、控制系统及精密机械等几部分组成的复杂设备。它的主要功能是根据光电传感器送来的目标位置偏差信号的大小及方向控制伺服电机驱动跟踪轴，减小偏差，实现对目标的光电闭环自动跟踪，其具有实时性、精度高的特点，在靶场测量、武器控制、航空等各种军用与民用领域有着广泛的应用。

随着现代技术的发展、目标机动性能的增强，对光电跟踪仪的伺服控制系统要求越来越高，要求其响应更快、稳定和跟踪精度更高。某些系统甚至要求跟踪精度达到1μrad。多年来，国内外的科技工作者在提高光电跟踪仪伺服控制系统跟踪精度方面进行了深入的伺服控制策略方面的研究。

1、光电跟踪仪伺服控制系统的原理

该系统一般由计算机控制单元、环路控制单元、电源及控保单元、功率驱动单元及转台、驱动电机组成。其基本原理是：计算机控制单元接受光电传感器送来的目标位置偏差信号（引导信号），并采集各端口的控制状态，根据当前的工作模式，经过一定的算法运算对信号进行处理后，送至环路控制单元，环路控制单元通过控制伺服转台电机驱动转台带动光电传感器，使光电传感器的光轴指向目标，达到自动跟踪的目的。

1.1计算机控制单元

计算机控制单元主要完成接收转台测角数据、接收激光距离数据、接收电视差值数据、完成系统自检、采集各种工作状态和通道切换等功能。系统具有手动、自动和引导等工作模式。

1.2环路控制单元

为保证系统具有良好的控制特性，环路控制模块通常采用位置环、速度环、电流环三环控制技术。

其中，电流环是系统内环，可以看作速度环的一个环节，具有控制电机电流、防止电机电流超过额定值、拓宽系统带宽、抵抗负载力矩扰动和改善电机动态性能等功能。为使电机电流超调量小，电流环设计成典型Ⅰ型系统。速度环设计成Ⅱ型系统。位置环保证系统按一定的精度完成自动跟踪，为保证系统跟踪精度，位置环设计成Ⅱ型结构。Ⅱ型结构与Ⅰ型结构相比，具有抗干扰能力强，速度响应无静差的优点，缺点是超调量大。

2、光电跟踪仪国内外发展现状及趋势

2.1国内外发展现状

在电视跟踪领域，目前国内外主要的控制方法是以经典控制方法为主，各种改进方法都是在此基础上针对系统中影响较大的因素加以补偿。国内的大型光测仪器，也是多采用速度滞后补偿、加速度滞后补偿等控制方法构成近似复合控制。国外许多光测设备也采用了经典的PID控制技术。

在“双模控制”技术方面，美国多反射镜望远镜MMT设计了一个准最优控制定值时积分器不工作，而是用位置误差平方根控制速度回路的系统，它将产生一个具有恒定加速度的抛物线轨迹，使位置误差和速度误差同时到达0。MMT的过渡过程十分平稳，跟踪精度达到1.5''，为地面设备最高水平。

在自适应光学性能方面，目前国内外已经开展自适应光学与精密跟踪系统相结合的研究，虽然很多理论与技术问题需要解决，但采用自适应光学的跟踪系统仍是极有前途的跟踪系统。

在高精度轴角测量技术方面，美国法兰德感应同步器分辨率为47nrad，相当于26位。据报道，美国分辨率最高的编码器为27位，但测角精度约仅达到1''(5μrad)。

2.2发展趋势

光电跟踪系统结构复杂，许多参数难以精确确定，在建立系统的数学模型时，具有严重的非线性；由于经典控制方法多用于线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，它不适合控制对象参数变化、非线性程度大等场合。

而机动目标跟踪的基本问题是目标模型的动力学方程与目标的实际运动存在着不匹配。跟踪过程就是估计目标当前时刻(滤波)和未来时刻(预测)的状态，包括各种运动参数。通常，估计是在两种不确定性情况下进行的，即由于目标的高度机动所产生的目标模型的不确定性，以及由于干扰、噪声导致的量测的不确定性，这就导致量测与现有航迹互联时产生误差。正因为如此，数十年来，机动目标跟踪已成为估计领域很重要的研究方向。

正是由于目标机动时经典控制方法不能很好的反映系统的实际，近些年来一些新型的控制方法不断应用到跟踪伺服控制系统中来，提高了目标跟踪的稳定性。这些新型的控制方法包括多模控制、自适应控制、变结构控制、模糊控制、鲁棒控制、神经网络控制以及它们之间相互渗透形成的混合控制。美国的MMT多反射镜系统和JCMT系统均采用了双模控制技术，大大提高了系统的响应速度，增强了捕获能力。

3、光电跟踪仪伺服控制系统的关键技术

3.1复合控制技术

在一般的闭环控制中，通过提高开环增益或者增加积分环节以提高无差度来提高跟踪精度，但同时给系统的稳定性造成了影响。复合控制就是在闭环控制系统中再增加一开环控制支路，用以提供输人信号的一次微分或二次微分。该系统被称为复合控制或前馈控制系统。利用复合控制可以较好地解决一般闭环伺服系统普遍存在的跟踪精度与稳定性之间的矛盾，很容易将跟踪精度提高几倍乃至几十倍，但又不影响原闭环系统的稳定性。

3.2瞄准线稳定技术

在光电跟踪伺服系统中，由于载体的姿态变化，扰动力矩都会使瞄准线指向发生变化，为了能对被观测目标进行跟踪观测，要求光电平台指向能按照给定指令按一定规律运动。跟踪伺服系统会受到周期性的扰动，造成跟踪精度下降，甚至丢失目标。为准确跟踪目标，减小载体运动给跟踪瞄准带来的扰动误差，须建立稳定分系统将天线视轴与基座扰动隔离，达到输出视轴“稳定”在惯性空间方向。

目前，工程上常用的两轴稳定一般有两种方法：一种是解算稳定技术，另一种是陀螺稳定技术。解算稳定技术是利用载体上的导航系统提供的偏航、横摇、纵摇等姿态信息，通过计算机进行实时坐标变换，将载体的姿态运动信息转换到瞄准线的方位角和俯仰角的等效运动，利用天线伺服系统控制天线向相反方向运动，实现瞄准线的稳定。其缺点稳定精度与载体提供的姿态信息精度和实时性关系密切。

陀螺稳定技术主要原理是在天线方位和俯仰轴上安装两个敏感轴相互垂直的速率陀螺，分别敏感出天线在方位和俯仰上相对于稳定坐标系的运动，并将此信号作为速度反馈，以此实现回路稳定。由于稳定是二维的，而扰动时三维的，载体绕第三轴的运动无法被陀螺所敏感而造成牵连运动。它造成了无线电轴随载体的摆动，使其偏离了跟踪目标，稳定系统无法消除这种扰动。为此，载体摆动引起的电轴偏离跟踪目标所产生的误差，由计算机补偿来完成。

采用速度陀螺的自稳回路是目前通用的一种自稳定技术。其充分将载体本身提供的姿态数据引入到系统中，增加一个控制环路可以很好地提高系统对载体摇摆和低频振动基座的隔离度。

3.3等效复合控制与预测滤波技术

在激光、红外和电视等光电跟踪系统中，传感器只能提供目标与传感器视轴之间的偏差，即跟踪误差，无法给定目标的空间坐标位置，因此也无法给出目标的速度与加速度，所以直接应用复合控制是无法实现的。

解决的办法一种是等效复合控制，即采用速度滞后补偿的办法。因目标位置为瞄准线位置和传感器的跟踪误差之和，即

通过上述运算就可近似得到目标速度，进而构成复合控制。显然传感器系统测得的跟踪误差具有滞后性，所以可以通过滞后补偿技术或者预测滤波技术进一步提高跟踪精度。也就是第二种方法即采用滤波预测技术，用滤波预测技术可在跟踪中预测目标位置和速度等运动参数。常用的预测滤波有几种。即有限记忆最小平方滤波、常增益最优递推滤波、自适应滤波和卡尔曼滤波。

3.4复合轴控制技术

对于大加速度目标，实现高精度跟踪，按经典控制理论采用单轴的伺服控制系统是困难的，它不仅受到宽视场高分辨率，快速响应的探测器的限制，同时也受到光机跟踪架的机械结构谐振频率的限制。理论和实践表明，复合轴伺服控制技术是解决上述矛盾，实现武器精密跟瞄的一种行之有效的途径，目前已取得角秒级或更高的跟踪精度。

复合轴控制系统有两个嵌套型的伺服控制回路组成：一个主伺服回路和一个子伺服回路。主伺服控制回路起粗跟踪瞄准作用，其跟踪的视场大，频带较窄，跟踪精度差，但动态范围宽，可完成目标的捕获与粗跟踪。子伺服控制回路以主伺服控制回路的误差信号作输人信号，对该误差信号通过反馈进一步实现校正，其跟踪的视场小、频带宽、响应快和跟踪精度高，能在主伺服粗跟踪的基础上完成精跟踪。因此，子伺服回路起精密校准作用，进一步减小了主回路的跟踪瞄准误差，其特点为：

（1）复合轴系统的快速性与子轴的一致，由于复合轴系统的无差度等于主、子系统无差度之和。因此，系统具有很高的跟踪精度。

（2）子、主系统稳定是复合轴系统稳定的前提，在实际系统中，要达到一定的稳定裕度，还必须提高子、主系统的带宽比。

（3）子轴克服主轴误差高频分量的能力反映了其克服主轴误差的能力。这种能力越强，系统动态跟踪的均方误差越小。提高这种能力的关键在于提高子、主系统的带宽比。

当前复合轴跟踪控制技术已广泛应用于光电跟踪系统上，获得了角秒级或更高的跟踪精度。

3.5共轴跟踪技术

为了抑制目标回波起伏和接收机噪声必须把伺服系统的带宽限制在很窄的范围内，在现代雷达伺服控制系统中，更多的是采用数据处理技术对数据加以滤波修正，从而达到减小系统总误差的目的。共轴跟踪技术就是把滤波与伺服两者分离即把目标数据输出与天线指向分离开来，采用数字处理技术提供精确的雷达数据输出，而伺服系统只保证天线的跟踪指向，从而解决了雷达输出数据的精度受伺服系统质量束缚的限制。

采用共轴跟踪技术构成的光电跟踪仪伺服控制系统有两部分组成，一是目标位置合成、滤波、预测；二是后面的数字随动系统，这两部分基本是相互独立的。第一部分可以采用滤波预测技术，对数据进行最佳滤波，滤波器频带与后面伺服系统关系不大，主要与目标特性及探测器有关。这样滤波器可以按尽量滤除探测器噪声设计，而数字随动系统部分可以按照尽量减小动态滞后误差设计，还可以用目标运动参数引导数字随动系统，构成典型的复合控制，可以按减小动态滞后误差作最佳设计。

由于采用的是复合控制，滤波器还可以对其它的系统误差作补偿校正，系统跟踪精度可以很高。这样就可以像引导工作一样，构成复合控制。速度前馈信号通过对合成目标位置、速度预测滤波得到。由得到的合成目标位置数据对设备进行引导，引导期间不再使用电视脱靶量、红外脱靶量，而只用编码器位置数据与目标位置数据之差调节跟踪系统，同时将合成目标的速度信息送入控制系统。

3.6其它高精度控制技术

对时间最优控制要求跟踪系统在跟踪过程中，快速过渡无超调，即系统从一个状态转移到另一个状态，目标函数为最小。最优控制几乎都是用计算机实现。

工程上通常采用“双模控制”方式，即调节对象按线性和开关2种控制方式工作。当误差超出一定区域时系统以开关方式工作，以便迅速减小误差；当系统进入转换区域后转入线性控制，使误差迅速接近0。

具有自适应光学的高精度跟踪瞄准系统可以克服大气扰动影响。其波前探测器可检测出波前失真，然后由控制系统产生信号驱动变形反射镜以补偿波前失真。校正后的波束入射到跟踪探测器上可获得高分辨率的目标像，提高了探测精度，亦即可以提高跟踪精度。

柔性控制可以保持原结构的柔性，用一个多输人多输出的数字控制系统来控制视轴而不是机架，美国已在某大型跟踪系统上作了尝试。柔性控制要求在结构分析和控制系统分析之间建立一套严格的数学关系，显然应用此项技术难度很大。如果能成功地应用柔性控制，就可以建立一个小而轻的跟踪架结构。

计算机控制和信息处理是跟踪系统的关键技术之一。由于高精度跟踪瞄准系统要处理的信息量大、采样频率又高，所以提高运算速度至关重要。除采用尽可能高速度的计算机外，主要应将功能分散，采用多机并行系统，提高软件功能，软件硬化及研制专用机等。由于超大规模集成电路的发展，集成度越来越高，速度也越来越快，这些都为计算机在高精度跟踪瞄准系统中的应用带来了充分的条件，也使计算机控制性能越来越好。

4、结论

随着自动控制理论的不断发展，光电跟踪中伺服控制系统新的控制方法也随之涌现，特别是自适应滤波和预测方法、数据融合技术的逐渐引入，提高了目标发生机动时的跟踪的稳定性。而且计算机的离线应用，实现了对控制系统的分析、设计和建模等的数字仿真，缩短了设计周期，提高了设计质量。