随着光电跟踪系统应用场景的多样化，光电设备越来越多的搭载于运动平台，系统需要具备的参数指标和综合性能也越来越严苛。载体的运动和环境等因素都会影响系统视轴的稳定，光电跟踪系统的扰动抑制技术显得尤为重要。本文针对运动平台复合轴光电跟踪系统在跟踪及扰动抑制所面临的问题，分别提出了基于惯性传感器和图像精探测器的扰动融合前馈方法和基于误差融合的双阶精稳定控制算法，并通过理论与实验分析论证了算法对系统性能的提升效果。

本文首先介绍了光电跟踪系统在不同应用场景下的扰动分布情况，调研了国内外稳定跟踪平台和稳定控制技术的发展现状。针对运动平台光电跟踪系统跟踪与稳定控制的问题，分析了光电跟踪系统复合轴工作原理，系统在惯性空间稳定是进行目标跟踪的重要前提，分析了复合轴系统限制扰动抑制能力提升的因素。介绍了惯性传感器稳定快反镜的两种方式，指出惯性传感器测量信号包含扰动信息和跟随目标运动的信息，复合轴系统进行精稳定控制的关键是将惯性传感器测量信号中扰动和目标运动信息相分离。

介绍了扰动前馈控制理论与多传感器数据融合的带宽扩展技术，提出了一种基于惯性传感器和图像精探测器的扰动融合前馈技术，利用高通滤波器滤除惯性角速率传感器信号的低频目标信号，并通过互补低通滤波器从图像精探测器获取需要补充的低频扰动。两信号融合后，通过前馈的方式使用高带宽快反镜实现对扰动的补偿。其中，结合低频信号延迟的影响和高通滤波器对目标频率的抑制效果进行互补滤波器的设计。通过仿真与传统复合轴相比，系统的扰动抑制带宽从13Hz有效提高到75Hz，显著提高系统中高频扰动抑制能力。

针对图像精探测器解耦低频扰动残差量小，导致系统在低频段的扰动抑制效果提升不明显的问题，提出了一种基于误差融合的双阶精稳定控制算法，该算法舍弃传统复合轴系统中图像精探测器，利用高通滤波器获取惯性角速率信号的高频扰动，利用低通滤波器从图像粗探测器获得低频的扰动和目标残差信息，进而利用精稳定控制器通过快反镜进行扰动和目标残差补偿。同时分析了图像探测器延时对系统的影响，粗图像探测器的纯延时环节会导致信号相位滞后，通过不同的延时时间对比分析了延时越小，算法对系统的扰动抑制能力提升越明显。与机架回路相比，系统的扰动抑制带宽从26.5Hz提升到112Hz，目标跟踪带宽由0.36Hz提高到1Hz，目标频率处跟踪能力提高了20dB。

最后，通过机架加扰和摇摆台模拟扰动加扰的方式进行了实验，验证了算法的有效性。

第1章 绪 论... 1

1.1 研究背景及意义... 1

1.2 国内外研究现状... 2

1.2.1 国内外光电跟踪设备发展概况... 3

1.2.2 国内外控制策略在扰动抑制方面的发展... 6

1.3 本课题研究难点... 9

1.4 本文的内容安排... 9

第2章 运动平台复合轴光电跟踪系统稳定跟踪原理... 11

2.1 复合轴系统模型的建立... 12

2.1.1 物理关系建模法... 12

2.1.2 系统模型辨识建模法... 15

2.2 光电跟踪系统跟踪与稳定关系... 16

2.3 快反镜稳定... 18

2.4 本章小结... 22

第3章 基于惯性传感器和图像精探测器的扰动解耦前馈技术... 23

3.1 复合轴控制技术... 23

3.2 前馈控制技术... 25

3.3 基于多传感器数据融合的带宽扩展技术... 26

3.4 基于惯性传感器和图像精探测器的扰动融合前馈技术... 27

3.4.1 扰动抑制分析... 29

3.4.2 目标跟踪分析... 32

3.5 仿真分析... 33

3.5.1 机架与快反镜模型建立与控制器设计... 33

3.5.2 解耦滤波器与前馈控制器设计... 36

3.5.3 Simulink仿真... 37

3.6 本章小结... 40

第4章 基于误差融合的双阶精稳定控制技术... 41

4.1 基于误差融合的双阶精稳定控制... 41

4.2 鲁棒稳定性分析... 45

4.3 图像传感器延时对系统的影响... 46

4.4 仿真分析... 48

4.4.1 仿真模型的建立... 48

4.4.2 仿真结果分析... 48

4.5 本章小结... 50

第5章 实验验证... 53

5.1 基于惯性传感器和图像精探测器的扰动解耦前馈实验... 55

5.2 基于误差融合的双阶精稳定控制实验... 59

5.3 本章小结... 64

第6章 总结与展望... 65

6.1 论文主要工作与结论... 65

6.2 论文主要创新点... 68

6.3 进一步工作及展望... 68

参考文献... 69

致  谢... 75

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果    77