Verfahren zur Sichtlinienregelung eines elektrooptischen Sensorsystems; Zielverfolgungssystem mit Sichtlinienregelung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sichtlinienregelung eines elektrooptischen Sensorsystems während der Verfolgung eines Zielobjekts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein zugehöriges Zielverfolgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Bei der Verfolgung von Zielobjekten werden oftmals elektrooptische Sensorsysteme eingesetzt, deren Sichtlinie geregelt wird, um diese dem sich bewegenden Zielobjekt nachzuführen. Dies kann beispielsweise durch eine Videobildverarbeitung erfolgen. Elektrooptische Sensoren, die das geregelte Sensorsystem beinhaltet, erfassen dabei ein Videobild des zu verfolgenden Zielobjekts und dieser Videodatenstrom wird mit Hilfe eines Videograbbers aufgezeichnet. Mittels einer nachgeschaiteten Verarbeitung des Videobilds wird eine Winkeldifferenz in Azimut und Elevation zwischen der Sichtlinie des Sensorsystems und dem verfolgten Zielobjekt ermittelt. Die gemessene Winkeldifferenz wird als sogenannte Trackablage bezeichnet.

Ausgehend von der Videobildverarbeitung wird diese Trackablage als Messgröße einer Sichtlinienregelung zurückgeführt. Ziel ist es dabei, die Winkeldifferenz zwischen der Sichtlinie und dem Zielobjekt im Idealfal! zu Null zu regein. Im Realfall ist sie zumindest sehr klein zu halten. Insbesondere bei hochdynamischen Zielszenarien, z.B. bei Flugabwehr- anwendungen, ist es ferner notwendig, dass die Trackablage unterhalb einer bestimmten Grenze gehalten wird, damit das verfolgte Zielobjekt nicht aus dem Sichtfeld (FOV - Field of View) der elektrooptischen Sensoren des Sensorsystems verschwindet, sondern über den gesamten zeitlichen Verlauf des Zielszenarios verfolgt werden kann.

Die Leistungsfähigkeit der Sichtlinienregelung, mit welcher die Sichtlinie des Sensorsystems dem Zielobjekt nachgeführt wird, hängt von der Dynamik der Regelschleifen in Azimut und Elevation ab. Diese wird maßgeblich durch die Grenzfrequenz der Regelkreise bestimmt, wobei eine hohe Grenzfrequenz der Regelkreise eine hohe Leistungsfähigkeit der Sichtlinienregelung sicherstellt. Durch die Erfassung und Verarbeitung des Videobildes sowie durch die Kommunikation zwischen der Rechnerkarte der Videobiidverarbeitung und der Rechnerkarte der Sichtlinienregelung treten jedoch Verzögerungszeiten auf. Diese Verzögerungszeiten limitieren die Grenzfrequenz der Sichtlinienregelkreise aufgrund der auftretenden Phasenverschiebung, was wiederum die Leistungsfähigkeit der Sichtlinienregelung einschränkt. Beispielsweise ist es bei einem konventionellen Ansatz zur Sichtlinienregelung bekannt, diese innerhalb der Software auf der Rechnerkarte der Videobiidverarbeitung durchzuführen. Zumeist basiert die Sichtlinienregelung auf einem PID-Regler und wird mit der Abtastrate der elektrooptischen Sensoren bzw. der Videobiidverarbeitung abgearbeitet. Diese liegt typischerweise in der Größenordnung von 25Hz. Die Sichtlinienregelung kommandiert dann eine Richtgeschwindigkeit von der Rechnerkarte der Videobiidverarbeitung an die Rechnerkarte des Sensorsystems, deren Software die unterlagerte Regelung des Sensorsystems zur Ansteuerung der Sichtlinie über die Richtgeschwindigkeit beinhaltet. Es liegt somit eine Geschwindigkeitsschnittstelle zwischen Videobiidverarbeitung mit Sichtlinienregelung und Sensorsystem mit unterlagerter Regelung vor. Die wenigen Freiheitsgrade bei der Einsteilung der Sichtlinienregelung, die geringe Einsicht in die Dynamik der Regelschleifen sowie die geringe Abtastrate erschweren jedoch bei diesem Ansatz den Umgang mit den zuvor erwähnten Verzögerungszeiten durch die Bildverarbeitung und die Kommunikation zwischen den Rechnerkarten. Daher kann nur eine unzureichende Grenzfrequenz der Regelkreise erzielt werden, so dass nur eine geringe Leistungsfähigkeit der Sichtlinienregelung sichergestellt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein leistungsstärkeres Verfahren zur Sichtlinienregelung eines elektrooptischen Sensorsystems bei der Zielverfolgung bereitzustellen, mit dem eine höhere Grenzfrequenz erzielt werden kann. Insbesondere soll das Verfahren dabei die Möglichkeit bieten, Verzögerungszeiten durch die Videobildverarbeitung und/oder die Kommunikation zwischen den Rechnerkarten zu berücksichtigen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein zugehöriges Zielverfolgungssystem bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-10. Ferner wird die Aufgabe durch ein Zielverfolgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Sichtlinienregelung eines elektrooptischen Sensorsystems während der Verfolgung eines Zielobjekts und sieht vor, dass Sensoren des Sensorsystems ein Videobild des verfolgten Zielobjekts erfassen und eine Videobildverarbeitung aus dem Videobild eine Winkeldifferenz zwischen der Sichtiinie des Sensorsystems und dem verfolgten Zielobjekt ermittelt. Diese ermittelte Winkeldifferenz wird einer Sichtlinienregeiung als Messgröße zugeführt, welche die Sichtlinie des Sensorsystems über eine Richtgeschwindigkeit ansteuert. Erfindungsgemäß erfolgt die Sichtlinienregelung dabei beobachterbasiert innerhalb einer Software auf einer Rechnerkarte des elektrooptischen Sensorsystems, wobei ein Beobachter eine geschätzte Winkeldifferenz erzeugt, welche einem Regler zugeführt wird, der eine kommandierte Richtgeschwindigkeit an eine unterlagerte Regelung des Sensorsystems übergibt, welche die Sichtlinie über eine Richtgeschwindigkeit ansteuert. Dabei ermittelt die Videobildverarbeitung die Winkeldifferenz vorzugsweise in Azimut und Elevation. Das vorteilhafte Konzept dieser Vorgehensweise setzt sich aus mehreren Aspekten zusammen, wobei ein wesentlicher Vorteil die Sichtlinienregelung innerhalb der Software auf der Rechnerkarte des Sensorsystems ist. Dies ermöglicht höhere Abtastraten als bei Lösungen mit einer Sichtlinienregelung auf der Rechnerkarte der Videobildverarbeitung, da die Rechnerkarte des Sensorsystems speziell an Regelungsaufgaben angepasst ist. Beispielsweise kann die Abtastrate auf der Rechnerkarte des Sensorsystems hierdurch bei etwa 1kHz liegen, was im Vergleich zu konventionellen Lösungen eine quasi-kontinuierliche Ansteuerung der unterlagerten Regelung des Sensorsystems bedeutet.

Weitere Vorteile bringt die Umsetzung der Sichtlinien regelung als beobachterbasierte Regelungsstruktur mit sich. Dies ermöglicht es, verschiedene Einflüsse des Systems auf die Winkeldifferenz als Messgröße zu berücksichtigen. Beispielsweise kann das Systemmodell des Beobachters wenigstens die unterlagerte Regelung des Sensorsystems nachbilden, welche die Sichtlinie über eine Richtgeschwindigkeit ansteuert.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der unterlagerten Regelung erzeugte Richtgeschwindigkeit transformiert und integriert wird, um die Sichtlinie über den Winkel der Sichtlinie anzusteuern. In diesem Fall kann das Systemmodell des Beobachters auch wenigstens diese Transformation und Integration der Richtgeschwindigkeit in den Winkel der Sichtlinie nachbilden. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Beobachter verschiedene Verzögerungszeiten des Systems nachbildet. Beispielsweise erfolgt die Videobildverarbeitung vorzugsweise innerhalb einer Software auf einer Rechnerkarte der Videobildverarbeitung, und das Systemmodell des Beobachters bildet wenigstens eine Verzögerungszeit nach, die durch die Videobildverarbeitung und/oder die Kommunikation der Winkeldifferenz zwischen der Rechnerkarte der Videobildverarbeitung und der Rechnerkarte des Sensorsystems entsteht. Derartige Verzögerungszeiten können somit explizit im Systemmodell des Beobachters berücksichtigt werden, wodurch es insbesondere möglich wird, den Abgriff der geschätzten Winkeldifferenz vor der Berücksichtigung einer Verzögerungszeit im Systemmodell des Beobachters durchzuführen und diese dem Regler der Sichtlinienregelung bereitzustellen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher von dem Beobachter eine geschätzte Winkeldifferenz an den Regler und somit die unterlagerte Regelung übergeben, bevor das Systemmodell des Beobachters eine Verzögerungszeit nachbildet. Damit kann die Grenzfrequenz der Sichtlinienregelung und die Dynamik im Vergleich zu konventionellen, nicht beobachterbasierten Regelungen höher ausgelegt werden. Hierdurch lässt sich die Leistungsfähigkeit der Regelung verbessern, und das Konzept ermöglicht ferner große Freiheitsgrade bei der Einstellung der Regelung und erlaubt eine große Einsicht in die Dynamik der Regelschleifen.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Verzögerungszeit im Systemmodell des Beobachters durch einen Filter erster Ordnung berücksichtigt. Mit diesem kann die Phasenverschiebung, die aufgrund einer oder mehrerer Verzögerungszeiten entsteht, angenähert werden. Dabei können die Signalanteile oberhalb der Eckfrequenz des Filters erster Ordnung mit -20dB/Dekade abgedämpft werden. Hierdurch wird die Robustheit gegenüber Abweichungen zwischen der reai auftretenden Verzögerungszeit und der innerhalb des Systemmodells des Beobachters mit Hilfe des Filters berücksichtigten Verzögerungszeit erhöht.

Von der Erfindung umfasst ist ferner ein Zielverfolgungssystem zur Verfolgung eines Zieiobjekts, umfassend ein elektrooptisches Sensorsystem, eine Videobildverarbeitung und eine Sichtlinienregelung zur Nachführung der Sichtlinie des Sensorsystems während der Verfolgung des Zielobjekts. Dabei ist mit Sensoren des Sensorsystems ein Videobild des verfolgten Zielobjekts erfassbar, und die Videobildverarbeitung ist zur Ermittlung einer Winkeldifferenz zwischen der Sichtlinie des Sensorsystems und dem verfolgten Zielobjekt aus diesem Videobild ausgebildet. Das Zielverfolgungssystem weist ferner Mittel zur Verarbeitung der ermittelten Winkeldifferenz als Messgröße und zur Ansteuerung der Sichtlinie des Sensorsystems über eine Richtgeschwindigkeit auf. Erfindungsgemäß ist die Sichtlinienregelung beobachterbasiert innerhalb einer Software auf der Rechnerkarte des Sensorsystems realisiert und umfasst einen Beobachter, der Mittel zur Erzeugung einer geschätzten Winkeldifferenz aufweist. Die Sichtlinienregelung umfasst ferner einen Regler, der mit der geschätzten Winkeidifferenz als Messgröße eine kommandierte Richtgeschwindigkeit erzeugen kann, welche an eine unterlagerte Regelung des Sensorsystems übergebbar ist, durch welche die Sichtlinie über eine Richtgeschwindigkeit ansteuerbar ist.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen. Von den Abbildungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschema zum grundsätzlichen Prinzip der

Sichtlinienregelung bei der Zielverfolgung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zum grundsätzlichen Prinzip der

Sichtlinienregelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren; und Fig. 3 ein Blockschaltbild der Sichtlinienregelung gemäß Fig. 2 mit dem Systemmodell des Beobachters im Detail.

Fig. 1 zeigt ein Blockschema des grundsätzlichen Prinzips der Sichtlinienregelung bei der Zielverfolgung, wobei die Sichtlinie eines elektrooptischen Sensorsystems 10 auf ein sich bewegendes Zielobjekt 20 geregelt bzw. nachgeführt wird. Dabei erfassen die Sensoren des Sensorsystems 10 ein Videobild des verfolgten Zielobjekts 20, und eine Videoverarbeitung 30 ermittelt mittels dieses Videobilds eine Winkeldifferenz in Azimut und Elevation zwischen der Sichtlinie des Sensorsystems 10 und dem verfolgten Zielobjekt. Ausgehend von dieser Videoverarbeitung 30 wird die Winkeidifferenz (Trackablage) als Messgröße einer Sichtlinienregelung 40 zugeführt, welche die Sichtline des Sensorsystems 0 regelt. Die Erfindung sieht nun vor, die Sichtlinienregelung beobachterbasiert innerhalb der Software der Rechnerkarte des Sensorsystems umzusetzen. Fig. 2 zeigt dazu ein Blockschaltbild zum grundsätzlichen Prinzip der erfindungsgemäßen Sichtiinienverfolgung, in dem die jeweiligen Rechnerkarten der Videobildverarbeitung 30 und des Sensorsystems doppelt gestrichelt dargestellt sind. Die Videobildverarbeitung 30 erfolgt innerhalb der Software auf der Rechnerkarte 31 , was vorzugsweise auch eine Videobiidaufzeichnung umfasst. Das Sensorsystem weist eine weitere Rechnerkarte 1 1 mit einer Software auf, welche neben der unterlagerten Regelung des Sensorsystems auch die Sichtlinienregelung durchführt. Die Komponenten dieser beobachterbasierten Sichtlinienregelung 40 sind dabei gestrichelt umgrenzt, während die unterlagerte Regelung des Sensorsystems durch die Funktionseinheit 12 dargestellt ist.

Aus der Trajektorie 21 des Zielobjekts ergibt sich der Winkel 22 des Zielobjekts, welcher mit dem Winkel 55 der Sichtlinie verglichen wird, um eine Winkeldifferenz in Azimut und Elevation zwischen der Sichtlinie und dem Zielobjekt zu ermitteln. Dabei gilt die dargestellte Regelstruktur sowohl für die Regelschleife der Azimut- als auch der Elevationsachse der Sichtlinienregelung. Die gemessene Winkeldifferenz bzw. Trackablage wird der Videobildverarbeitung 30 zugeführt, welche innerhalb der Software auf ihrer Rechnerkarte 31 eine Videobildaufzeichnung- und Verarbeitung durchführt. Die Videobildverarbeitung 30 kommandiert dann die Trackablage 51 von ihrer Rechnerkarte 31 an die Rechnerkarte 1 1 des Sensorsystems 10 und somit als Messgröße an die Sichtünienregelstruktur 40. Hierbei liegt eine Positionsschnittstelle zwischen Videobildverarbeitung und Sensorsystem mit Sichtlinienregelung und unterlagerter Regelung vor, und die Kommunikation zwischen den beiden Rechnerkarten 31 und 1 1 ist als Ursache für eine Verzögerungszeit in Fig. 2 mit der Einheit 50 dargestellt. Die Sichtünienregelstruktur 40 umfasst einen Beobachter 41 und einen Regler 42. Der Beobachter 41 bildet verschiedene Komponenten des Systems nach und erzeugt so eine geschätzte Trackabiage 60, die dem Regler 42 der Sichtlinienregelung 40 bereitgestellt wird. Dieser Regler 42 übergibt eine kommandierte Richtgeschwindigkeit 52 an die unterlagerte Regelung 12 des Sensorsystems, die eine Richtgeschwindigkeit 53 an eine Komponente 54 übermittelt, welche eine Transformation und Integration durchführt. Daraus ergibt sich der Winkel 55 der Sicht nie, der mit dem Winkel 22 des Zielobjekts verglichen wird. Ferner wird die kommandierte Richtgeschwindigkeit 52 wieder als Eingangsgröße dem Beobachter 41 bereitgestellt. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild mit der Sichtlinienregelstruktur 40 im Detail, wobei das Systemmodell des Beobachters 41 der Sichtlinienregelstruktur 40 verschiedene Modelle umfasst. Dabei handelt es sich um ein Modell 43 der unterlagerten Regelung 12, ein Modell 44 der Transformation und Integration 54 und ein Modell 45 der Verzögerungszeiten. Dieses Modell 45 der Verzögerungszeiten kann die Verzögerungszeit abbilden, welche durch die Videobildverarbeitung 30 entsteht, aber auch die Verzögerungszeit durch die Kommunikation 50 zwischen den Rechnerkarten 31 und 11 . Ferner sind drei Korrekturglieder 46, 47 und 48 vorgesehen, und die geschätzte Trackablage 60, welche durch das Modell 43 der unterlagerten Regelung und das Modell 44 der Transformation und Integration erzeugt wurde, wird vorzugsweise vor dem Modell 45 der Verzögerungszeiten abgegriffen und dem Regler 42 bereitgestellt, welcher wiederum eine kommandierte Richtgeschwindigkeit an die unterlagerte Regelung 12 des Sensorsystems übergibt. Die Abtastrate liegt dabei beispielsweise im Bereich von 1kHz auf der Rechnerkarte 1 des Sensorsystems 0, was zu einer quasi-kontinuierlichen Ansteuerung der unterlagerten Regelung 12 des Sensorsystems 10 führt. Zumindest ist die Abtastrate der Rechnerkarte 1 1 des Sensorsystems 10 vorzugsweise höher als die der Rechnerkarte 31 der Videobildverarbeitung 30, um die Vorteile der beobachterbasierten Sichtlinienregeleung auf der Rechnerkarte 1 1 des Sensorsystems 10 gegenüber konventionellen Lösungen mit Sichtlinienregelung innerhalb der Software der Rechnerkarte eine Videobildverarbeitung nutzen zu können. Die Berücksichtigung von Verzögerungszeiten erfolgt im Systemmodell des Beobachters 41 beispielsweise in Form eines Filters erster Ordnung, d.h. eines PT1 -Gliedes. Das Modell 43 der Verzögerungszeiten kann so die Phasenverschiebung, die aufgrund der Verzögerungszeiten durch die Videobildverarbeitung 30 und die Kommunikation 50 zwischen den Rechnerkarten 31 und 11 entsteht, annähern. Zusätzlich werden Signalanteile oberhalb der Eckfrequenz des Filters mit -20dB/Dekade abgedämpft. Die geschätzte Trackablage 60' unter Berücksichtigung der Verzögerungszeit wird dann nach dem Modell 45 der Verzögerungszeiten an einem Subtraktionspunkt von der Winkeldifferenz 51 subtrahiert. Ferner wird die kommandierte Richtgeschwindigkeit 52 wieder über einen Subtraktionspunkt der Sichtlinienregelung 40 und somit dem Modell 43 der unterlagerten Regelung zugeführt.

Bezugszeichenliste: 10 Sensorsystem, elektrooptisch

11 Rechnerkarte des Sensorsystems

20 Zieiobjekt

21 Trajektorie des Zielobjekts

22 Winkel des Zielobjekts

30 Videobildverarbeitung

31 Rechnerkarte der Videobildverarbeitung

40 Sichtlinienregelung

41 Beobachter

42 Regler

43 Modell der unterlagerten Regelung

44 Model! der Transformation und Integration

45 Modell der Verzögerungszeiten

46,47,48 Korrekturgüed

50 Kommunikation

51 Winkeldifferenz , Trackablage

52 Kommandierte Richtgeschwindigkeit

53 Richtgeschwindigkeit

54 Transformation und Integration

55 Winkel der Sichtiinie

60 Geschätzte Winkeldifferenz/Trackablage ohne

Verzögerungszeit

60' Geschätzte Winkeldifferenz/Trackabiage mit

Verzögerungszeit