車載定向天線云臺隨動系統(tǒng)設(shè)計

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信號發(fā)射源。本文針對由指揮車和被控車輛組成的應用平臺，利用磁羅盤和GPS的定向、定位技術(shù)設(shè)計了車載定向天線云臺隨動系統(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上，GPS接收機天線安裝在指揮車上。通過隨動系統(tǒng)控制云臺轉(zhuǎn)動，使定向接收天線實時對準移動中的被控車輛，以達到圖像的最佳接收效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該系統(tǒng)主要由GPS接收機、磁羅盤、定向天線云臺和以PIC18F458單片機為核心的測控計算機組成，共分為數(shù)據(jù)采集、隨動控制和機械傳動三部分，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，②為定向天線云臺上的磁羅盤，③為定向天線云臺，④為傳動機構(gòu)，⑤為直流力矩電機，⑥為功率放大器，⑦為測控計算機（PIC18F458），⑧為目標車輛的GPS（通過數(shù)據(jù)電臺傳送）。

　　數(shù)據(jù)采集處理部分由指揮車上的GPS接收機、磁羅盤和測控計算機等組成。指揮車和被控車輛通過GPS接收機實時獲取自己的坐標位置，指揮車上GPS數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到指揮車上的監(jiān)控計算機。被控車輛GPS數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)無線電臺發(fā)送到指揮車上的監(jiān)控計算機，再通過串口傳給測控計算機。由磁羅盤獲取定向天線云臺當前方向角，通過串口傳送到測控計算機。通過指揮車和被控車輛的坐標位置，計算出兩者之間的方位角，并與由磁羅盤得到的當前方向角比較，得到云臺應轉(zhuǎn)動的角度數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)的隨動控制部分采用下載到測量控制計算機中的數(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當前方向角的偏差），利用比例、積分、微分計算出控制量對被控對象進行控制。通過實際系統(tǒng)的調(diào)試，確定PID控制器的參數(shù)。

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

　　該車載定向天線云臺隨動系統(tǒng)是典型的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。計算得到指揮車和目標車輛的方位角，采集磁羅盤得到當前方向角為反饋信息，兩者之差為機械部分的控制信號，控制信號經(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、減速齒輪帶動云臺轉(zhuǎn)動，使定向天線指向目標車輛，當控制信號減小為零時，定向天線云臺停止轉(zhuǎn)動。從而達到定向接收天線實時對準移動目標的最佳通信狀態(tài)。定向天線云臺隨動系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計及算法實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

　　測控計算機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。測控計算機的配置框圖如圖3所示。

　　外圍兩路RS232串口分別用于磁羅盤、指揮車監(jiān)控計算機(工控機)與測控計算機通信。測控計算機的數(shù)字量控制信息經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，作為定向天線云臺的模擬量轉(zhuǎn)動信號，達到定向天線云臺系統(tǒng)的隨動功能。

方位角計算

　　在隨動功能的實現(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，順時針方向旋轉(zhuǎn)到天線指向的方位所經(jīng)過的角度。當指揮車上的定向天線對準目標時，此時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∣。

　　方位角的計算：

　　由于指揮車和被控車輛的方位不同，方位角T取值如下：

　?。?）指揮車在目標的東北方向（包括北）時，T=π+∠BAC

　?。?）指揮車在目標的西北方向（包括西）時，T=π-∠BAC

　?。?）指揮車在目標的西南方向（包括南）時，T=∠BAC

　?。?）指揮車在目標的東南方向（包括東）時，T=2π-∠BAC

　　T∈[0°，360°]

PID控制算法

　　在隨動控制中，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算機中的控制程序?qū)崿F(xiàn)。在實際使用中，要求系統(tǒng)動態(tài)性能好、控制時間短、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，共同對被控對象進行控制，其控制表達式為： 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隨動系統(tǒng)實現(xiàn)了天線的隨動功能，接近了通信系統(tǒng)中定向天線對準目標源的理想狀態(tài)，經(jīng)過野外現(xiàn)場測試，該系統(tǒng)動作迅速、超調(diào)量小，達到了設(shè)計要求，取得了較滿意的使用效果，在實際應用中具有較大的參考價值。