車載GPS定向天線云臺隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

　　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，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(jī)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(shí)時(shí)對準(zhǔn)移動中的被控車輛，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、隨動控制和機(jī)械傳動三部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1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，作為定向天線云臺的模擬量轉(zhuǎn)動信號，達(dá)到定向天線云臺系統(tǒng)的隨動功能。

　　方位角計(jì)算

　　在隨動功能的實(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

　?。?）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隨動系統(tǒng)實(shí)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(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。