Способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройство для его осуществления
METHOD FOR ITERATIVE MEASUREMENT OF MISMATCH IN TWO-DIMENSIONAL TRACKING SYSTEMS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам, аналогичным радиолокационным следящим системам, в которых тип волн несущественен, в частности, к способу итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройству для его осуществления и может быть использовано в автоматических двумерных телевизионных следящих системах, измеряющих рассогласование по двум координатам, а именно к телевизионным визирам, например, в робототехнических системах сельского хозяйства.
Уровень техники
Известен оптический коррелятор реального времени Вен дер Люгта на фоторефрактивном кристалле арсенида галлия GaAs, в котором для повышения надежности распознавания обрабатываемые изображения предварительно оконтуривают (см. патент США 5150228, МПК G03B 1/16, опубликован 22.09.1992 г.).
Недостатками аналога - коррелятора являются: сложная оптическая схема, чувствительность к вибрации, что не позволяет использовать его в мобильных робототехнических системах.
1
2
2
1
Известен способ измерения рассогласования в автоматических следящих устройствах, основанный на дифференциальном методе построения пеленгационных характеристик двух каналов, при котором в каждом канале вычисляются два значения корреляционной функции:  где х - аргумент эталонной (опорной) функции В(х), а X - измеряемая величина смещения (рассогласования) текущей функции В(х-Х) относительно опорной В(х), ΔХ - фиксированное значение смещения функции В(х), с опережением В(х-ΔХ) и запаздыванием В(х+ΔХ), применяемое для вычисления корреляционных функций K(X) и K(Х), позволяющих построить пеленгационные характеристики ΔК(Х)=К(Х)-К(Х) в автоматических следящих устройствах для определения знака (направления смещения) и величины (модуля) рассогласования X. Исполнительные устройства по вычисленному знаку и значению устраняют рассогласование в требуемом направлении и на вычисленную величину (см. Мелик-Шахназаров A.M., Маркатун М.Г. Цифровые измерительные системы корреляционного типа. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 53-60).
Недостатком известного способа является вывод об аналогичности сигналов в каналах измерения, однако, если в каждом канале обрабатываются разнотипные сигналы, то они требуют различных алгоритмов обработки.
Y
Z
Известно устройство для автоматического сопровождения объекта слежения с двумя независимыми идентичными каналами вычисления рассогласований U и U, состоящее из видеоусилителя, порогового устройства, генератора стандартных импульсов, линии задержки, блока записи, блока измерения параметра Т, блока памяти, четырех умножителей, четырех фильтров, двух вычитателей и двух усилителей с автоматической регулировкой усиления, при этом аналоговый вход видеоусилителя является входом устройства, входом порогового устройства является выход видеоусилителя, входом генератора стандартных импульсов является выход порогового устройства, входом линии задержки является выход генератора стандартных импульсов, на вход блока управления поступают синхронизирующие импульсы, входами блока записи являются выход блока управления и первый выход линии задержки, входом блока измерения параметра Т является выход блока записи, входами блока памяти являются выход блока измерения параметра Т и выход блока записи, входом блока памяти эталонного изображения является выход блока записи, первыми входами первого, второго, третьего и четвертого умножителей являются соответствующие выходы блока памяти эталонного изображения и вторыми входами - второй выход линии задержки, входами первого, второго, третьего и четвертого фильтров низких частот являются выходы первого, второго, третьего и четвертого умножителей, соответственно, входами первого вычитателя являются выходы первого и второго фильтров низких частот, входами второго вычитателя - выходы третьего и четвертого фильтров низких частот, входами первого и второго усилителей с автоматической регулировкой усиления являются выходы первого и второго вычитателей, соответственно, выходы усилителей с автоматической регулировкой усиления являются выходами устройства-прототипа, сигналы с которых поступают на приводы следящей системы для устранения рассогласования (см. пат. РФ №2284552, кл. G01S 13/66, опубл. 27.09.2006).
Недостатком данного известного устройства является решение о независимости каналов вычисления рассогласований, ошибочность которой приводит к возникновению методических ошибок и, как следствие, снижению точности определения рассогласований по обоим каналам Z и Y, уменьшению надежности сопровождения объекта слежения.
изм
изм
изм
изм
*
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому положительному результату и принятым авторами за прототип является способ измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройство для его осуществления, основанный на построении дифференциальных корреляционных функций, когда сдвинутые на фиксированные значения ±Т и ±τ эталонные изображения объекта слежения по каналам Y и Z соответственно, перемножают на текущее изображение, а результат интегрируют, тем самым формируя корреляционные функции и вычитанием создают пеленгационные характеристики для обоих каналов. Пеленгационные характеристики формируют сигналы, учитывающие направление рассогласования указанием знаков чисел пропорциональных этим рассогласованиям у и z по двум каналам, соответственно. При этом дополнительно вычисляется оценочное значение ошибки измеренных значений рассогласований у и z по двум каналам как модуль их произведения  и увеличиваются модули сигналов измеренных значений рассогласований в каждом канале  и  на оценочное значение ошибки δ (см. пат. РФ №2282874, кл. G01S 13/66, опубл. 27.08.2006, бюл. №24).
Недостатком данного способа измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройства для его осуществления - прототипа является однократность коррекции методической ошибки, обеспечивающая лишь частичное уменьшение погрешности измерения в каждом канале.
Раскрытие изобретения
изм
изм
Технической задачей изобретения является разработка способа итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройстве для его осуществления, обладающего повышением точности определения рассогласования по обоим измерительным каналам Y, Z, и, соответственно, и надежностью сопровождения объекта слежения, благодаря многократной коррекции сигналов рассогласования у и z итерационным методом с учетом оцениваемых величин ошибок рассогласования .
изм
изм
Технический результат, который получается с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению точности определения рассогласований по обоим каналам Y и Z, приближая измеренные сигналы рассогласований у и z к их истинным значениям и, как следствие, надежности сопровождения объекта слежения.
Технический результат достигается с помощью способа итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах дифференциального типа, основанного на многократной коррекции сигналов рассогласования, уточнением оценочных величин ошибок рассогласования путем подстановки в корректирующие выражения уточняемых на каждом шаге значений рассогласований, определяемых по формулам:
при этом неизменными значениями остаются знаки рассогласований и первоначальные результаты измерений, отличающийся тем, что определяемые в блоке итераций рассогласования многократно корректируются в каждом канале итерационным методом - пошагово к полученным на предыдущем шаге значениям рассогласований добавляются оценочные значения уточняемых ошибок рассогласования  с учетом направлений рассогласований в каждом канале, соответственно, по формуле:
изм
где      у - измеренное значение рассогласования в канале Y,
изм
z - измеренное значение рассогласования в канале Z,
изм
sign(y) - знак измеренного значения рассогласования в канале Y, соответствующий направлению рассогласования по оси y,
изм
sign(z) - знак измеренного значения рассогласования в канале Z, соответствующий направлению рассогласования по оси z.
Технический результат достигается с помощью устройства для автоматического сопровождения объекта слежения, содержащего видеоусилитель, пороговое устройство, генератор стандартных импульсов, линию задержки, блок записи, блок управления, первый блок памяти, блок измерения параметра Т, первый, второй, третий и четвертый умножители, первый, второй, третий и четвертый фильтры низких частот, первый вычитатель, второй вычитатель, пятый умножитель, два функциональных преобразователя, при этом оно дополнительно снабжено блоком итераций, состоящим из второго блока памяти, пятого умножителя и двух идентичных функциональных преобразователей, видеоусилитель, аналоговый вход которого является входом устройства, соединен с пороговым устройством, входом которого является выход видеоусилителя, а пороговое устройство соединено с генератором стандартных импульсов, входом которого является выход порогового устройства, линию задержки, входом которой является выход генератора стандартных импульсов, а первый выход подключен к блоку записи, входами которого являются первый выход линии задержки и выход блока управления, на вход которого поступают синхронизирующие импульсы, выход блока записи соединен с первым входом первого блока памяти и входом блока измерения параметра Т, выход которого подключен ко второму входу первого блока памяти, выходы первого блока памяти соединены с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого умножителей, соответственно, вторые входы которых соединены со вторым выходом линии задержки, выходы первого, второго, третьего и четвертого умножителей, соответственно, подключены ко входам первого, второго, третьего и четвертого фильтров низких частот, соответственно, выходы первого и второго фильтров низких частот соединены соответственно с первым и вторым входами первого вычитателя, а выходы третьего и четвертого фильтров низких частот соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя, выход первого вычитателя соединен с первыми входами пятого умножителя, первого и второго функциональных преобразователей, выход второго вычитателя соединен со вторым входом пятого умножителя и первыми входами третьего и четвертого функциональных преобразователей, выход умножителя соединен со вторыми входами функциональных преобразователей и, соответственно, выход первого функционального преобразователя соединен с первым входом второго блока памяти, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом второго блока памяти, первый и второй выходы второго блока памяти подключены к соответствующим входам шестого умножителя, выход которого соединен со вторыми входами второго и четвертого функциональных преобразователей и, соответственно, выходы второго и четвертого функциональных преобразователей подключены к третьему и четвертому входам второго блока памяти, соответственно, и к  входам усилителей с автоматической регулировкой усиления привода следящей системы по каналам Y и Z, соответственно.
Сущность способа итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах достигается тем, что выполняется многократная коррекция итерационным методом оценочных величин ошибок рассогласования  путем их вычисления по формуле:
выч i
где у - полученное значение рассогласования в канале Y на i-ом шаге итерации,
выч i
z - полученное значение рассогласования в канале Z на i-ом шаге итерации.
изм
изм
Полученные оценочные величины ошибок рассогласования  добавляются к результатам, полученным на предыдущих шагах итерации - к модулям сигналов вычисляемых значений рассогласований в каждом канале  и  в каждом канале Y и Z с учетом направлений рассогласований, обозначаемых их знаковыми значениями sign(y) и sign(z).
изм
изм
В прототипе значения величин рассогласований определяются с учетом первоначально измеренных значений у и z в каналах Y и Z, соответственно, по формуле:
В предлагаемом изобретении итерационно - пошагово вычисляемые рассогласования уточняются в каждом канале:
изм
где      у - измеренное значение рассогласования в канале Y,
изм
z - измеренное значение рассогласования в канале Z,
изм
sign(y) - знак измеренного значения рассогласования в канале Y, соответствующий направлению рассогласования по оси у,
изм
sign(z) - знак измеренного значения рассогласования в канале Z, соответствующий направлению рассогласования по оси z.
Предлагаемый способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах отличается тем, что получаемые рассогласования уточняются в каждом канале итерационным методом - пошагово к полученным на предыдущем шаге значениям рассогласований добавляются оценочные величины уточненных значений ошибок рассогласования  с учетом направлений рассогласований в каждом канале соответственно.
Таким образом, технический результат достигается с помощью устройства для автоматического сопровождения объекта слежения, содержащего видеоусилитель 1, аналоговый вход которого является входом устройства, пороговое устройство 2, входом которого является выход видеоусилителя 1, генератор 3 стандартных импульсов, входом которого является выход порогового устройства 2, линию 4 задержки, входом которой является выход генератора 3 стандартных импульсов, а выход подключен к блоку 5 записи, входами которого являются первый выход линии 4 задержки и выход блока 6 управления, на вход которого поступают синхронизирующие импульсы. Выход блока 5 записи соединен с первым входом первого блока 7 памяти и входом блока 8 измерения параметра Т, выход которого подключен ко второму входу первого блока 7 памяти. Выходы первого блока 7 памяти соединены с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого умножителей 9, 10, 11, 12, соответственно, вторые входы которых соединены со вторым выходом линии 4 задержки. Выходы первого, второго, третьего и четвертого умножителей 9, 10, 11, 12, соответственно, подключены к входам первого, второго, третьего и четвертого фильтров 13, 14, 15, 16 низких частот, соответственно. Выходы первого и второго фильтров 13, 14 низких частот соединены соответственно с первым и вторым входами первого вычитателя 17, а выходы третьего и четвертого фильтров 15, 16 низких частот соединены соответственно с первым и вторым входами второго вычитателя 18. Выход первого вычитателя 17 соединен с первыми входами пятого умножителя 19, первого и второго функциональных 20, 21 преобразователей. Выход второго вычитателя 18 соединен со вторым входом пятого умножителя 19 и первыми входами третьего и четвертого функциональных преобразователей 22, 23. Выход умножителя 19 соединен со вторыми входами функциональных преобразователей 20 и 22, соответственно. Выход первого функционального преобразователя 20 соединен с первым входом второго блока 24 памяти, выход второго функционального 22 преобразователя соединен со вторым входом второго блока 24 памяти. Первый и второй выходы второго блока 24 памяти подключены к соответствующим входам шестого умножителя 25, выход которого соединен со вторыми входами второго и четвертого функциональных преобразователей 21 и 23, соответственно. Выходы второго и четвертого функциональных преобразователей 21 и 23 подключены к третьему и четвертому входам второго блока 24 памяти, соответственно, и к входам усилителей 26 и 27 с автоматической регулировкой усиления (АРУ) привода следящей системы по каналам Y и Z, соответственно. Предлагаемое устройство дополнительно имеет блок итераций, состоящий из второго блока 24 памяти, умножителя 25 и двух функциональных преобразователей 21, 23.
Существенным отличительным признаком, отраженным в формуле изобретения, является блок итераций, обеспечивающий повышение точности определения рассогласования по каналам Y, Z и, соответственно, надежности сопровождения объекта слежения.
выч0
выч0
изм
изм
Технический результат изобретения достигнут за счет многократной коррекции итерационным методом оценочных величин ошибки вычисленных значений рассогласований от первоначальных значений у и z, вычисляемых в прототипе, до пошагово уточняемых величин рассогласований по каждому каналу путем увеличения модулей сигналов вычисляемых значений рассогласований в каждом канале  и  на оценочное значение ошибки  с учетом направлений рассогласований, обозначаемых их знаковыми  значениями sign(y) и sign(z), благодаря применению нового блока и новых связей в схеме устройства для автоматического сопровождения объекта слежения.
Краткое описание чертежей
На чертеже проиллюстрирован способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах и устройство для его осуществления, структурная схема системы слежения, общий вид.
Осуществление изобретения
Способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах основан на многократной коррекции получаемого рассогласования в каждом измерительном канале двумерных следящих систем дифференциального типа путем уточнения оценочных величин ошибок рассогласования.
изм
изм
Первоначально измеренные в двумерных следящих системах дифференциального типа значения сигналов рассогласования y и z в измерительных каналах Y и Z определяются с ошибками – реальные рассогласования больше измеренных, что является особенностью рассматриваемых следящих систем, причем, с увеличением рассогласования растет численное значение ошибки его измерения. В данных следящих системах каналы измерений являются взаимозависимыми – нулевое рассогласование в одном канале позволяет безошибочно измерять рассогласование в ортогональном канале, а рост рассогласования в одном канале влечет увеличение ошибки измерения в другом.
Поэтому в представляемом способе для приближения измеренного рассогласования к истинному предлагается добавлять оценочное значение ошибки рассогласования к измеренным результатам рассогласований, а, определяя ошибку рассогласования, учитывать полученные значения рассогласований в обоих каналах. Многократное повторение данного процесса позволит с каждой итерацией осуществлять асимптотическое приближение к истинному значению рассогласования в каждом измерительном канале.
изм
изм
Предлагаемый способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах отличается многократной коррекцией в блоке итераций первоначально измеренных значений сигналов рассогласования y и z в измерительных каналах Y и Z с учетом определяемых значений ошибок рассогласований на каждом шаге итерации
В процессе итераций неизменными значениями остаются знаки рассогласований и первоначальные результаты измерений. Способ итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах достигается тем, что выполняют многократную коррекцию итерационным методом оценочных величин ошибок рассогласования  путем их вычисления по формуле:
выч i
где      у - значение рассогласования в канале Y на i-ом шаге итерации,
выч i
z - значение рассогласования в канале Z на i-ом шаге итерации.
изм
изм
Полученные оценочные значения ошибок рассогласования  добавляют к результатам, полученным на предыдущих шагах итерации - к модулям сигналов получаемых значений рассогласований в каждом канале  и  с учетом направлений рассогласований, обозначаемых их знаковыми значениями sign(y) и sign(z).
изм
изм
В прототипе значения величин рассогласований определяют с учетом первоначально измеренных значений у и z в каналах Y и Z, соответственно, по формуле:
изм
где      у - измеренное значение рассогласования в канале Y,
изм
z - измеренное значение рассогласования в канале Z,
изм
sign(y) - знак измеренного значения рассогласования в канале Y, соответствующий направлению рассогласования по оси у,
изм
sign(z) - знак измеренного значения рассогласования в канале Z, соответствующий направлению рассогласования по оси z.
Таким образом, к полученным на предыдущем шаге значениям рассогласований добавляются оценочные значения уточняемых ошибок рассогласования  с учетом направлений рассогласований в каждом канале соответственно, а также отличается тем, что получаемые рассогласования уточняются в каждом канале итерационным методом - пошагово к полученным на предыдущем шаге значениям рассогласований добавляются оценочные значения ошибок, скорректированные по сравнению с ранее полученными значениями рассогласований. В процессе итераций сохраняются значения направлений рассогласований в каждом канале и первоначально измеренные значения рассогласований.
изм
изм
оп
оп
оп
оп
оп
оп
оп
изм
изм
изм
изм
изм
изм
изм
изм
выч i
выч i
выч i
выч i
Y
Z
Для реализации приведенного способа предложено устройство итерационного измерения рассогласования в двумерных следящих системах, измеряющее рассогласования у и z по каналам Y и Z, соответственно, (см. чертеж), содержащее видеоусилитель 1, аналоговый вход которого является входом устройства для автоматического сопровождения объекта слежения, пороговое устройство 2, входом которого является выход видеоусилителя 1, генератор 3 стандартных импульсов, входом которого является выход порогового устройства 2, линию 4 задержки, входом которой является выход генератора 3 стандартных импульсов, блок 5 записи, входами которого являются первый выход линии 4 задержки и выход блока 6 управления, по командам которого производится перезапись эталонного цифрового контура объекта слежения f(t), на вход которого поступают синхронизирующие импульсы (СИ). Выход блока 5 записи соединен с первым входом первого блока 7 памяти и входом блока 8 измерения параметра Т, вычисляющий высоту Т пакетов N импульсов эталонного цифрового контура объекта слежения f(t) по каналу Y. Выход блока 8 измерения параметра Т подключен ко второму входу первого блока 7 памяти эталонного цифрового контура объекта слежения f(t), выполненного с возможностью формирования сдвинутых эталонов цифрового контура объекта слежения по каналу Y на вычисленную величину ±Т, и ±τ эталонов цифрового контура объекта слежения по каналам Y и Z, соответственно, где параметр τ - период следования синхронизирующих импульсов (СИ) по каналу Z, формируемых генератором 3 стандартных импульсов. Выходы первого блока 7 памяти соединены с первыми входами первого f(t+T), второго f(t-T), третьего f(t+τ) и четвертого f(t-τ) умножителей 9, 10, 11, 12, соответственно, вторые входы которых соединены со вторым выходом линии 4 задержки; первый, второй, третий и четвертый фильтры 13, 14, 15, 16 низких частот, соответственно, входами которых являются выходы первого, второго, третьего и четвертого умножителей 9, 10, 11, 12, соответственно; первый 17 и второй 18 вычитатели, входами первого вычитателя 17 являются выходы первого и второго фильтров низких частот 13, 14, соответственно, входами второго вычитателя 18 - выходы третьего и четвертого фильтров 15, 16 низких частот, соответственно. На выходах первого и второго вычитателей 17, 18 формируются сигналы у и z, соответствующие измеренным рассогласованиям в каналах Y и Z, поступающие на первый и второй входы пятого умножителя 19, соответственно, на выходе которого формируется произведение сигналов y⋅z. Выход вычитателя 17 подключен к первым входам первого и второго функциональных 20, 21 преобразователей, выход вычитателя 18 подключен к первым входам третьего и четвертого функциональных 22, 23 преобразователей. В первом и третьем функциональных преобразователях формируются сигналы sign(y) и sign(z), соответственно, и, кроме того, учитывая сигналы y⋅z на выходе умножителя 19, формируются сигналы  и , подаваемые, соответственно, на первый и второй входы второго блока 24 памяти. Полученные сигналы  и  используются для начала i итерационных операций в блоке итераций. Сигналы у и z с первого и второго блока 24 памяти поступают на первый и второй входы шестого умножителя 25, где формируется сигнал произведения уz, поступающий на вторые входы второго и четвертого функциональных 21 и 23 преобразователей, формирующих сигналы  и , соответственно. Для обеспечения итераций выходы второго и четвертого функциональных преобразователей 21 и 23 подключены к третьему и четвертому входам блока 24 памяти, соответственно, и к входам усилителей 26 и 27 АРУ привода следящей системы по каналам Y и Z соответственно, являющихся выходами устройства для автоматического сопровождения объекта слежения, сигналы рассогласований U и U с которых поступают на приводы следящей системы (на чертеже не показана) для устранения рассогласования.
Эффективность предлагаемого решения проверена и подтверждена компьютерным моделированием.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет следующие преимущества:
вычi
вычi
- повышение точности определения рассогласования по обоим каналам Y и Z, и, как следствие, надежности сопровождения объекта слежения, за счет многократного определения итерационным методом оценочных значений ошибок  полученных в блоке итераций рассогласований у и z по каналам Y и Z, соответственно, как модуль их произведения  и увеличением модулей сигналов полученных рассогласований  и  на многошагово уточняемое оценочное значение ошибки , реализованного в новом блоке итераций, и новыми связями в схеме устройства.