动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法

本发明属于光电跟踪控制与测试仿真，具体涉及动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法。

背景技术：

1、高精度光电跟踪系统通常采用“粗跟踪+精跟踪”的复合轴控制体制，粗跟踪机构用于完成大范围目标捕获，精跟踪机构用于抑制高频扰动并实现精密稳瞄。然而，现有研发测试手段仍存在明显不足：基于matlab/simulink的纯数字仿真难以真实反映嵌入式控制器的计算时延、量化误差及通信接口特性；传统硬件在环仿真往往依赖高动态转台与真实光学载荷，设备造价昂贵且缺乏对摩擦、间隙、迟滞等复杂非线性工况的灵活模拟；同时，多数半物理仿真平台仅实现传感器数据闭环，缺乏图像级视景反馈，难以验证图像处理算法与伺服控制之间的动态耦合效应。因此，亟需一种结合宽视角视频输入与高保真动力学模型的半物理仿真方案，在保留真实控制器的基础上实现低成本、高可信度的全链路闭环验证。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，用于解决现有纯数字仿真难以反映真实嵌入式控制器的计算时延、量化误差和物理通信特性，传统硬件在环平台成本高且难以灵活复现摩擦、间隙和迟滞等非线性工况，以及现有半物理仿真缺少图像级视景反馈、难以验证图像处理与伺服控制动态耦合的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，该方法包括：构建虚实融合的半物理仿真闭环平台，包括仿真主机、宽视角视频场景输入模块、图像处理与目标解算模块、粗精复合虚拟受控对象模块、硬件通信接口模块以及真实嵌入式控制器；在所述仿真主机中建立粗精复合非线性动力学模型，并在粗精复合非线性动力学模型中注入广义环境扰动向量，其中，所述粗精复合非线性动力学模型包括粗跟踪子系统和精跟踪子系统；在离散时刻，图像处理与目标解算模块接收宽视角视频流，执行图像目标检测逻辑，对图像数据进行特征分析与背景抑制处理，提取感兴趣区域并计算目标中心在图像像素坐标系下的像素坐标，结合当前仿真解算的虚拟视轴中心坐标，计算脱靶量误差；将所述脱靶量误差发送至所述真实嵌入式控制器，所述真实嵌入式控制器在真实计算时序约束下执行多维协同控制逻辑，解算输出组合驱动指令，并将所述组合驱动指令反馈至所述仿真主机；所述仿真主机根据所述组合驱动指令驱动所述粗精复合非线性动力学模型进行离散状态更新；依据光路耦合原理，将精跟踪快反镜的机械偏转角映射为光束偏转量，并根据光束偏转量、粗轴合成角位移和叠加的基座扰动分量得到系统总视轴角变化量；基于小孔成像模型，将所述系统总视轴角变化量映射为像素偏移量；根据所述像素偏移量更新裁切窗口坐标，对所述宽视角视频流进行动态裁切，生成等效小视场闭环图像；基于等效小视场闭环图像，进行图像级闭环半物理仿真验证。

3、本发明提供了主要应用于机载、舰载或地基光电探测系统的控制算法验证与性能评估，本发明的有益效果如下：

4、（1）通过引入皮带死区、stribeck（斯特里贝克）摩擦及bouc-wen迟滞等微观非线性算子，真实复现了物理系统的关键非线性特性，能够在实验室仿真阶段暴露控制器低速换向时的"爬行"振荡、静摩擦突变时的“粘滞”现象及压电迟滞引起的定位误差，大幅提升了仿真验证的置信度；

5、（2）通过视轴驱动的动态裁切技术实现图像流闭环，能够直观模拟视轴抖动对成像质量的影响，支持验证图像处理算法与伺服控制算法的动态耦合效应，这是传统半物理仿真平台无法实现的；

6、（3）通过构建模型涵盖伺服电机、音圈电机和压电快反镜三级执行机构，完整支持粗精复合及伺服电机三级复合控制架构验证，为跨尺度、跨频段的控制分配策略研究提供了理想的测试平台；

7、（4）以软件算法替代昂贵的高动态转台和光学载荷，在保留真实嵌入式控制器硬件在环的前提下大幅降低实验成本，且可通过软件参数灵活配置风载湍流、基座振动等极端工况，工程适用性强。

1.一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述图像目标检测逻辑包括如下处理流程：

3.根据权利要求2所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述粗跟踪子系统的动力学模型包括惯量项、阻尼项及摩擦项，并包含皮带传动模型，所述粗跟踪子系统的连续动力学关系包括伺服皮带轴方程。

4.根据权利要求3所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，伺服皮带轴方程中的皮带传递力矩采用死区-刚度模型进行描述，其中，根据电机转角、负载视轴转角、皮带传动模型的半齿隙宽度来确定皮带传递力矩。

5.根据权利要求4所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，伺服皮带轴方程中的皮带传递力矩采用死区-刚度模型描述如下：

6.根据权利要求5所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述摩擦项为非线性摩擦力矩，采用stribeck非线性摩擦模型，根据与速度相关的库仑—静摩擦分量与粘性摩擦分量建立。

7.根据权利要求6所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述粗跟踪子系统的动力学关系由电压平衡方程与力矩平衡方程构成。

8.根据权利要求7所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述精跟踪子系统采用二阶柔性模态模型结合压电迟滞算子描述；精跟踪子系统的动力学模型根据精跟踪快反镜的机械偏转角、机械角速度、机械角加速度、非线性迟滞算子、阻尼比、固有频率、增益系数和精跟踪通道的外部扰动建立。

9.根据权利要求8所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述广义环境扰动向量的生成方式包括：采用混合信号发生器生成扰动信号，所述扰动信号由确定性分量与随机性分量叠加构成；所述确定性分量包括多频正弦信号、阶跃信号、脉冲信号、锯齿波信号中的至少一种；所述随机性分量包括高斯白噪声、有色噪声、宽频随机振动信号中的至少一种；通过配置确定性分量和随机性分量的幅值和频率参数，用于模拟外场扰动环境。

10.根据权利要求9所述的一种动力学驱动的光电跟踪系统半物理仿真以及闭环测试方法，其特征在于，所述组合驱动指令根据预先标定的通信与计算总时延获取相应时刻的误差状态或预测值，以形成时延补偿后的组合驱动指令。