一种基于电子稳像的惯性稳定平台增稳方法

1.本发明属于控制科学技术领域，具体涉及一种惯性稳定平台增稳方法。


背景技术：

2.在机载光电吊舱中，惯性稳定平台是一种用于稳定光电设备视轴的装置，它通过陀螺实时感知机体姿态变化和吊舱受到的外部气流扰动等导致的轴向角度变化，根据该角度变化量通过电机，对光电设备载荷平台姿态进行反向调整补偿，隔离角度变化，从而始终保持视轴稳定。但因陀螺所固有的零偏、标度因数非线性、噪声、随机游走等特性，导致陀螺感知与实际偏转产生误差，且这种误差随着时间累积会导致视轴产生较大偏转，从而产生视轴偏移，导致图像画面漂移，无法正常观察。
3.针对这一问题，通常采用陀螺温度补偿，缩小零偏误差；分段标度因数，降低非线性误差等方法，但随机游走、噪声、灵敏度导致的误差却无法消除，随时间累积，这种误差仍然会导致视轴偏移，画面无法正常观察。
4.发明申请专利《一种基于图像视场匹配的光电吊舱陀螺漂移补偿的方法》，发明公开(公告)号：cn112747729a，公开(公告)日：2021.05.04，介绍了一种基于图像视场匹配的光电吊舱陀螺漂移补偿的方法。其核心思想是利用图像像素偏移，计算出视轴的偏移，利用偏移量微分算出角速度偏移量，再使用该偏移量对惯性稳定平台速度环进行直接补偿，以抵消陀螺带的角速度偏移。然而，该方案存在很多问题，主要有以下几点：
5.1、陀螺误差主要体现在积分误差，即由于时间累积产生的角度误差，其单次的速率输出误差是很小的，对陀螺速率误差直接进行补偿，会导致新的更大误差，这种方法很难达到理想效果。
6.2、图像输出帧数一般为60帧/s，远低于陀螺数据刷新率(陀螺数据刷新率一般为250hz以上)，若两者采用各自计算周期，即采用一个低速的图像偏差值补偿高速的陀螺偏差，这将直接导致在一个图像周期内，对陀螺的偏差过补偿，从而导致惯性稳定平台速度环震荡，严重情况速度环会失控；若将速度环进行降速与图像计算周期同步，即采用较低的计算周期对其进行校准，虽然可以解决稳定性问题，但这会导致速度环响应变慢，系统动态性能大幅降低。当光电吊舱出现大幅度颠簸产生姿态变化时，速度环无法快速响应对姿态进行补偿，导致光学设备视轴偏移观察区域，出现画面漂移，无法满足使用需求。
7.3、图像视场匹配需要连续的有效图像输出，当视场被短时遮挡时，会导致图像信息不全，图像视场匹配无法输出有效补偿，即使遮挡消失，此时，由于陀螺误差经时间累积，已产生较大角度偏移，这会使视轴严重偏离，导致视野偏离理想区域。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于电子稳像的惯性稳定平台增稳方法，该方法在光电吊舱处于观测状态下通过电子稳像检测静止参照物像元数变化量，进一步求出视轴偏移量；通过卡尔曼滤波器，根据视轴偏移量结合卡尔曼先验估计补偿量得
出后验估计补偿量，使用该补偿量作为稳定偏移补偿量；通过卡尔曼增益判断稳定偏移补偿量可信度，决定稳定偏移补偿量是否作为补偿量；通过稳定偏移补偿量与惯性稳定系统伺服稳定精度进行比较，判断是否进行位置环补偿的惯性稳定误差补偿方法。通过以上方法，在观测状态下，使视轴保持稳定；即使视场出现短暂遮挡，也能使视轴仍保持相对稳定。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
10.步骤1：光电吊舱上电经自检默认进入观测状态后，电子稳像装置在视场中选取相对于背景静止的m个参照物，设为：ai，i＝1,2,3....m，此时记为t＝0时刻；
11.步骤2：电子稳像装置以t为周期，检测出第t+t时刻参照物ai相对于t时刻方位移动的像元数
△
xi和俯仰移动的像元数
△
yi；
12.步骤3：求出t+t时刻m个参照物方位移动和俯仰移动的像元数平均值分别为：
[0013][0014]
将每个周期方位移动和俯仰移动的像元数平均值进行累加，分别记为：
[0015]st+t
＝s
t
+δx
t+t
，r
t+t
＝r
t
+δy
t+t
，s
t＝0
＝0,r
t＝0
＝0；
[0016]
步骤4：根据电子稳像装置的光学设备焦距f和图像探测器像元边长l，计算出视轴的方位角偏移量俯仰角偏移量
[0017]
步骤5：将α和β作为卡尔曼滤波器输入，结合方位角偏移量和俯仰角偏移量的先验状态估计值α
″
、β
″
，得到方位角偏移量和俯仰角偏移量的后验状态估计值α
′
、β
′
和新的方位角偏移量和俯仰角偏移量的先验状态估计值α
″
、β
″
，将α
″
、β
″
作为下一周期卡尔曼滤波器的先验状态估计值进行迭代；
[0018]
步骤6：将方位角偏移量和俯仰角偏移量的后验状态估计值α
′
、β
′
作为稳定偏移补偿量分别与惯性稳定平台中伺服控制系统稳定控制精度γ进行比较：
[0019]
当|α
′
|≥γ时，惯性稳定平台位置环方位轴角度补偿量为：θ＝-t
·
γ，t为α
′
/γ的整数部分，当|α
′
|《γ时,不做补偿；
[0020]
当|β
′
|≥γ时，惯性稳定平台位置环俯仰轴角度补偿量为：φ＝-h
·
γ，h为β
′
/γ的整数部分，当|β
′
|《γ时，不做补偿；
[0021]
步骤7：当卡尔曼滤波器增益k满足：φ《k《1时，φ值为常数，取值区间为[0.4,0.6]；t加1，转到步骤2重新开始进行迭代，持续进行惯性稳定平台增稳；
[0022]
当卡尔曼滤波器增益k≤φ时，视轴已偏离视场，转到步骤1重新开始进行迭代，持续进行惯性稳定平台增稳。
[0023]
本发明的有益效果如下：
[0024]
本发明通过电子稳像装置中多参照物像元数变化量求均值，降低干扰对电子稳像装置校准输出量影响；通过对惯性稳定平台位置环进行补偿，消除陀螺误差累积，使视轴保持稳定；当电子稳像装置输出无效时，通过卡尔曼滤波器预测的视轴偏转角度值对惯性稳定平台位置环进行补偿，使视场避免因短时遮挡而产生偏离理想区域，保持视轴的相对稳定。
附图说明
[0025]
图1为本发明基于电子稳像装置的惯性稳定平台增稳方法的流程图。
[0026]
图2为本发明电子稳像装置视轴偏移量计算示意图。
[0027]
图3为本发明卡尔曼滤波器输出模型图。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0029]
为解决上述问题，本发明提出一种基于电子稳像的惯性稳定平台增稳方法，通过电子稳像检测静止参照物像元数变化量，进一步求出视轴偏移量，偏移量经卡尔曼滤波器后输出稳定偏移补偿量，对惯性稳定平台位置环进行补偿，使视轴保持稳定。当所在视场被快速遮挡时，通过对卡尔曼滤波器可输出一定时间稳定偏移补偿量，使视轴仍保持相对稳定。
[0030]
一种基于电子稳像的惯性稳定平台增稳方法，包括如下步骤：
[0031]
步骤1：光电吊舱上电经自检默认进入观测状态后，电子稳像装置在视场中选取相对于背景静止的m个参照物，设为：ai，i＝1,2,3....m，此时记为t＝0时刻；
[0032]
步骤2：电子稳像装置以t为周期，检测出第t+t时刻参照物ai相对于t时刻方位移动的像元数
△
xi和俯仰移动的像元数
△
yi；
[0033]
步骤3：求出t+t时刻m个参照物方位移动和俯仰移动的像元数平均值分别为：
[0034][0035]
将每个周期方位移动和俯仰移动的像元数平均值进行累加，分别记为：
[0036]st+t
＝s
t
+δx
t+t
，r
t+t
＝r
t
+δy
t+t
，s
t＝0
＝0,r
t＝0
＝0；
[0037]
步骤4：根据电子稳像装置的光学设备焦距f和图像探测器像元边长l，计算出视轴的方位角偏移量俯仰角偏移量
[0038]
步骤5：将α和β作为卡尔曼滤波器输入，结合方位角偏移量和俯仰角偏移量的先验状态估计值α
″
、β
″
，得到方位角偏移量和俯仰角偏移量的后验状态估计值α
′
、β
′
和新的方位角偏移量和俯仰角偏移量的先验状态估计值α
″
、β
″
，将α
″
、β
″
作为下一周期卡尔曼滤波器的先验状态估计值进行迭代；
[0039]
步骤6：将方位角偏移量和俯仰角偏移量的后验状态估计值α
′
、β
′
作为稳定偏移补偿量分别与惯性稳定平台中伺服控制系统稳定控制精度γ进行比较：
[0040]
当|α
′
|≥γ时，惯性稳定平台位置环方位轴角度补偿量为：θ＝-t
·
γ，t为α
′
/γ的整数部分，当|α
′
|《γ时,不做补偿；
[0041]
当|β
′
|≥γ时，惯性稳定平台位置环俯仰轴角度补偿量为：φ＝-h
·
γ，h为β
′
/γ的整数部分，当|β
′
|《γ时，不做补偿；
[0042]
步骤7：当卡尔曼滤波器增益k满足：φ《k《1时，φ值为常数，取值区间为[0.4,0.6]；t加1，转到步骤2重新开始进行迭代，持续进行惯性稳定平台增稳；
[0043]
当卡尔曼滤波器增益k≤φ时，视轴已偏离视场，转到步骤1重新开始进行迭代，持
续进行惯性稳定平台增稳。
[0044]
具体实施例：
[0045]
s01、光电吊舱上电经自检默认进入观测状态后，电子稳像装置在视场中选取相对背景静止的3个适当参照物，如图2所示,分别标记为：a1、a2、a3共3个，此时记为t＝0时刻。
[0046]
s02、电子稳像装置以一定周期检测出相邻两帧图像中同一参照物相对于时图像中方位移动的像元数和俯仰移动的像元数,记当前为t＝1时刻，如图2所示，3个参照物新位置分别标记为：a1、a2、a3，以t＝0时刻为参考点，其对应的方位角偏移量α1、α2、α3，因3个参照物是相对视野静止的，因此理论上他们之间相对位置始终保持一致，视轴产生的方位角偏移量也一致，即α1＝α2＝α3；但考虑到参照物有运动的可能性，若只选取一个参照物，则当参照物发生运动时，视轴会跟其随动，进而导致视轴偏转，视场发生偏移。选取多个参照物，可以降低因某个参照物运动导致的视轴偏移幅度，点数越多这种偏移幅度越小，视场越稳定。
[0047]
s03、参照物方位和俯仰方移动的像元数平均值为：
[0048][0049]
将每个周期方位和俯仰方移动的像元数平均值进行累加，分别记为：s1＝s0+
△
x，r1＝r0+
△
y(s0＝0,r0＝0)。s0＝0,r0＝0为t＝0时刻状态值。
[0050]
s04、根据光学设备焦距f和图像探测器像元边长l，计算出t＝1视轴的方位角偏移量为：俯仰角偏移量
[0051]
s05、将α，β作为卡尔曼滤波器输入，卡尔曼内部结合先验状态估计值，可得到后验状态估计值α',β'和新的先验状态估计值，该先验状态估计值作为下一计算周期滤波器先验状态估计值进行迭代。如图3所示，为卡尔曼滤波器输入、输出处理流程图，当视场无遮挡时，电子稳像装置输出的角度偏移量作为卡尔曼滤波器的观测输入值，保持稳定，一段时间后，卡尔曼滤波器稳定输出后验估计α',β',此时卡尔曼增益表明观测值可信度优于先验估计值；当视场遮挡时，卡尔曼增益k下降，但不会跳变，短时间内，滤波器后验输出虽有较大误差，但仍可以作为补偿输出量，当视场重新恢复时，卡尔曼增益k上升，观测值可信度重新升高，后验输出可以继续正常输出补偿量，当卡尔曼滤波器增益时,则视轴已严重偏离所需视场，此时再输出对惯性稳定平台位置环补偿，则会产生更大误差，应停止补偿，使视轴方位、俯仰角像元数累加量s＝0,r＝0，等待电子稳像装置在视场中重新选取相对背景静止的多个适当参照物，正常输出方位和俯仰角偏移量时，的情况下，再进行位置环补偿。所述值根据电子稳像装置实际系统确定，一般取值区间为[0.4,0.6]；
[0052]
这也表明采用卡尔曼滤波器对电子稳像装置输出进行滤波，具有一定的抗干扰性，可增强电子稳像装置对惯性稳定平台补偿的稳定性。
[0053]
s06、将后验状态估计值α',β'作为稳定偏移补偿量分别与惯性稳定平台中伺服控制系统稳定控制精度γ进行比较，当惯性稳定平台固定时，其中伺服控制精度γ即确定，因此可视为已知常量。当|α'|》＝γ时，惯性稳定平台位置环方位轴角度补偿量为：θ＝-k
·
γ(k＝α'/γ的整数部分)，当|α'|《γ时,不做补偿；同理当|β'|》＝γ时，俯仰轴角度补偿量
为：(h＝β'/γ的整数部分),当|β'|《γ时，不做补偿。
[0054]
完成补偿后，当t＝2时，以t＝1时刻点为参考，计算
△
x、
△
y；令s0＝s1，r0＝r1进入s02进行下次迭代。