車載定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前言

在無線圖像傳輸通信系統(tǒng)中，要獲得較高的接收增益，需要定向接收天線對準(zhǔn)信號(hào)發(fā)射源。本文針對由指揮車和被控車輛組成的應(yīng)用平臺(tái)，利用磁羅盤和GPS的定向、定位技術(shù)設(shè)計(jì)了車載定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，定向接收天線和磁羅盤固定在指揮車云臺(tái)上，GPS接收機(jī)天線安裝在指揮車上。通過隨動(dòng)系統(tǒng)控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使定向接收天線實(shí)時(shí)對準(zhǔn)移動(dòng)中的被控車輛，以達(dá)到圖像的最佳接收效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由GPS接收機(jī)、磁羅盤、定向天線云臺(tái)和以PIC18F458單片機(jī)為核心的測控計(jì)算機(jī)組成，共分為數(shù)據(jù)采集、隨動(dòng)控制和機(jī)械傳動(dòng)三部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1中，①為指揮車上的GPS接收機(jī)，②為定向天線云臺(tái)上的磁羅盤，③為定向天線云臺(tái)，④為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，⑤為直流力矩電機(jī)，⑥為功率放大器，⑦為測控計(jì)算機(jī)（PIC18F458），⑧為目標(biāo)車輛的GPS（通過數(shù)據(jù)電臺(tái)傳送）。

數(shù)據(jù)采集處理部分由指揮車上的GPS接收機(jī)、磁羅盤和測控計(jì)算機(jī)等組成。指揮車和被控車輛通過GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)獲取自己的坐標(biāo)位置，指揮車上 GPS數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到指揮車上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)。被控車輛GPS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)無線電臺(tái)發(fā)送到指揮車上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，再通過串口傳給測控計(jì)算機(jī)。由磁羅盤獲取定向天線云臺(tái)當(dāng)前方向角，通過串口傳送到測控計(jì)算機(jī)。通過指揮車和被控車輛的坐標(biāo)位置，計(jì)算出兩者之間的方位角，并與由磁羅盤得到的當(dāng)前方向角比較，得到云臺(tái)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)的隨動(dòng)控制部分采用下載到測量控制計(jì)算機(jī)中的數(shù)字PID控制算法。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差（本系統(tǒng)即為指揮車、被控車輛之間的方位角與云臺(tái)當(dāng)前方向角的偏差），利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量對被控對象進(jìn)行控制。通過實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試，確定PID控制器的參數(shù)。

機(jī)械傳動(dòng)部分主要由功率放大器、減速器、直流力矩電機(jī)、定向天線云臺(tái)等構(gòu)成。該部分接收控制信號(hào)和反饋角度信息，完成云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

該車載定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)是典型的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。計(jì)算得到指揮車和目標(biāo)車輛的方位角，采集磁羅盤得到當(dāng)前方向角為反饋信息，兩者之差為機(jī)械部分的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過PID數(shù)字調(diào)節(jié)器、D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大器、力矩電機(jī)、減速齒輪帶動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使定向天線指向目標(biāo)車輛，當(dāng)控制信號(hào)減小為零時(shí)，定向天線云臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。從而達(dá)到定向接收天線實(shí)時(shí)對準(zhǔn)移動(dòng)目標(biāo)的最佳通信狀態(tài)。定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵部分是以PIC18F458單片機(jī)為核心的測控計(jì)算機(jī)。PIC18F458是美國微芯公司推出的采用RISC設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型單片機(jī)，它指令周期短、處理能力強(qiáng)、運(yùn)算能力高，并帶有豐富的外圍模塊。

測控計(jì)算機(jī)具有豐富的外部接口，在本系統(tǒng)中，用到了兩路串口，一路D/A輸出。測控計(jì)算機(jī)的配置框圖如圖3所示。

外圍兩路RS232串口分別用于磁羅盤、指揮車監(jiān)控計(jì)算機(jī)(工控機(jī))與測控計(jì)算機(jī)通信。測控計(jì)算機(jī)的數(shù)字量控制信息經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，作為定向天線云臺(tái)的模擬量轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，達(dá)到定向天線云臺(tái)系統(tǒng)的隨動(dòng)功能。

方位角計(jì)算

在隨動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)中，天線的指向由指揮車和被控車輛決定，根據(jù)兩車接收到的GPS數(shù)據(jù)來計(jì)算定向天線的方位角。方位角是指以天線旋轉(zhuǎn)軸為軸，以地理北極為起始點(diǎn)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)到天線指向的方位所經(jīng)過的角度。當(dāng)指揮車上的定向天線對準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)，此時(shí)圖像的傳輸效果最佳。

按照地球模型畫出GPS方位角圖示，如圖4所示。

圖中，A為指揮車，B為被控車輛。它們的坐標(biāo)分別為(λ1，φ1)，(λ2，φ2)，θ1為兩車的經(jīng)度之差，θ2為兩車的緯度之差，O為地心，O1為被控車輛的緯度平面圓的圓心，R為地球半徑，r為被控車輛的緯度平面圓的半徑。其中，θ1=∣λ1-λ2∣，θ2=∣φ1-φ2∣。

方位角的計(jì)算：

由于指揮車和被控車輛的方位不同，方位角T取值如下：

（1）指揮車在目標(biāo)的東北方向（包括北）時(shí)，T=π+∠BAC

（2）指揮車在目標(biāo)的西北方向（包括西）時(shí)，T=π-∠BAC

（3）指揮車在目標(biāo)的西南方向（包括南）時(shí)，T=∠BAC

（4）指揮車在目標(biāo)的東南方向（包括東）時(shí)，T=2π-∠BAC

T∈[0°，360°]

PID控制算法

在隨動(dòng)控制中，采用數(shù)字PID技術(shù)，控制規(guī)律通過執(zhí)行固化到測量控制計(jì)算機(jī)中的控制程序?qū)崿F(xiàn)。在實(shí)際使用中，要求系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好、控制時(shí)間短、超調(diào)量小。

PID控制器由比例控制器、積分控制器、微分控制器線性組合而成，共同對被控對象進(jìn)行控制，其控制表達(dá)式為： u(k)=K_{P}?e(k)+Ki?∑e(k)+ Kd?[(e(k)-e( k-1)]。本系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。

結(jié)束語

該車載定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了天線的隨動(dòng)功能，接近了通信系統(tǒng)中定向天線對準(zhǔn)目標(biāo)源的理想狀態(tài)，經(jīng)過野外現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)動(dòng)作迅速、超調(diào)量小，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，取得了較滿意的使用效果，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的參考價(jià)值。