光电跟踪系统广泛应用于电子对抗、导弹制导等军事领域以及消防、环境监控等民用领域,如何在运动载体上实现对机动目标的快速捕获和高精度跟踪一直是光电跟踪系统研究的重点内容。由于系统中存在着多种影响目标跟踪性能的因素,如轴系间交叉耦合力矩、质量不平衡力矩、摩擦力矩、外部阻力、参数不确定性、未知目标深度信息等,高性能光电跟踪系统的开发是一项极具挑战性的任务。本文围绕运动载体上光电跟踪系统的视轴稳定技术和视觉伺服技术展开研究,首先分别从机械结构、控制结构、电控单元、视觉单元等方面对两轴光电跟踪系统的基本组成和工作原理进行详细介绍,利用牛顿-欧拉理论推导了惯性稳定系统的耦合动力学模型,应用透视投影理论建立了视觉伺服系统的运动学模型。分析了影响视轴稳定精度和目标跟踪精度的不确定因素,结合滑模控制理论、自抗扰控制理论和模型预测控制理论的设计思想,重点从以下三个方向展开研究:(1)为了降低惯性稳定平台中时变多源干扰对视轴稳定精度的影响,提出一种基于高阶扩张状态观测器的滑模解耦控制方法。首先,基于主动抗干扰的设计思想,将惯性稳定平台中受到的质量不平衡力矩、交叉耦合力矩、摩擦力矩、外部阻力等多源干扰等效为集总扰动,实现方位和俯仰通道间输入与输出的近似动态解耦,由此可对所得到的两个相互独立的子系统分别进行控制器的设计。考虑到系统的电流信息未知,同时为了降低滑模控制高频切换引起的抖振影响,提出一种新的高阶扩张状态观测器,实现系统状态与时变扰动的同步在线观测。进而,利用此观测信息构造出一种输出反馈滑模控制器,采用Lyapunov稳定性分析方法证明了角速度跟踪误差可最终收敛至平衡点的一个邻域内,且该邻域的大小可以通过一个比例因子进行调节。最终,通过与传统的PI控制和基于一般扩张状态观测器的滑模控制器进行实验比较,证明了算法的有效性。贡献总结如下:1)所提出的高阶扩张状态观测器可以实现对高阶干扰的有效估计,因此适用于一类含非线性多源时变干扰的应用场合;2)时变扰动的上确界信息无需作为滑模控制设计的先验条件,且切换项增益可根据状态估计误差进行调节,因此抖振的影响将得到显著降低。(2)当运动载体存在姿态变化或不同框体之间存在较为频繁的相对运动时,质量不平衡和交叉耦合力矩的存在将会对视轴稳定性能造成严重影响。为了进一步提高视轴稳定环的控制精度和响应速率,提出一种基于高阶滑模观测器和积分型连续终端滑模的有限时间控制方法。首先,考虑两轴惯性稳定平台质量相对质心分布不均匀的情况,对耦合动态进行精细建模。在构造连续终端滑模控制器时,对于已知的耦合动态模型,直接在控制律设计中进行补偿抵消;对于未知的耦合动态,将其与其他干扰或不确定性一起等效为集总扰动。考虑到仅有惯性角速度信息已知,通过构造一个高阶滑模观测器实现对角加速度和扰动的同步在线观测。基于观测得到的状态和扰动信息,建立积分型终端滑模面,实现了控制系统的二阶滑模动态。采用Lyapunov稳定性分析方法证明了闭环系统的有限时间收敛特性。最后,分别与传统的基于边界层的连续终端滑模控制方法及自抗扰控制方法进行了实验对比。贡献总结如下:1)同时考虑了惯性稳定平台中耦合动态补偿和干扰估计补偿,降低了观测器估计负担;2)构造了连续的终端滑模控制器,消除了传统滑模控制存在的抖振问题,且控制增益无需未知干扰的上确界信息;3)与渐近稳定控制方法相比,实现了惯性角速度跟踪误差的有限时间收敛。(3)相机的未校准内参、惯性角速度的跟踪误差以及目标的未知运动等运动学不确定性的存在,相当于给视觉伺服系统施加了一种时变干扰。为了提高在上述不确定因素影响下的目标跟踪精度,提出一种基于扰动观测器和模型预测的鲁棒视觉伺服控制方法。首先,对视觉伺服的运动学模型利用“分块”的思想进行变换,得到一个仅与方位和俯仰运动相关、与目标特征点深度无关的图像交互矩阵。系统中存在着的运动学不确定性被等效为集总扰动,并通过构建扰动观测器对其进行实时估计,进而得到校正的系统预测模型。利用多步预测、滚动优化的设计原理得到系统的控制序列。通过Lyapunov稳定性分析方法证明了目标跟踪误差可以渐近收敛到平衡点的邻域内,此邻域可以通过控制参数进行调节。最后,通过实验对算法中时域宽度、加权矩阵、观测器增益的调节原则进行了说明,并与传统的PI控制和采用积分的MPC方法进行了实验对比。贡献总结如下:系统中运动学不确定性的影响被动态地估计并嵌入到预测模型之中,所得到的惯性角速度期望值保证了不确定因素影响下目标跟踪的滚动优化性能。