車載GPS定向天線云臺隨動系統設計與研究

　　前言

　　在無線圖像傳輸通信系統中，要獲得較高的接收增益，需要定向接收天線對準信號發射源。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、定位技術設計了車載定向天線云臺隨動系統。在該系統中，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。通過隨動系統控制云臺轉動，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。

　　系統結構設計

　　該系統主要由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，共分為數據采集、隨動控制和機械傳動三部分，系統的結構示意圖如圖1所示。

　　系統硬件設計及算法實現

　　系統硬件設計

　　該系統硬件的關鍵部分是以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、指揮車監控計算機(工控機)與測控計算機通信。測控計算機的數字量控制信息經D/A轉換器，作為定向天線云臺的模擬量轉動信號，達到定向天線云臺系統的隨動功能。

　　方位角計算

　　在隨動功能的實現中，天線的指向由指揮車和被控車輛決定，根據兩車接收到的GPS數據來計算定向天線的方位角。方位角是指以天線旋轉軸為軸，以地理北極為起始點，順時針方向旋轉到天線指向的方位所經過的角度。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：

　　（1）指揮車在目標的東北方向（包括北）時，T=π+∠BAC

　　（2）指揮車在目標的西北方向（包括西）時，T=π-∠BAC

　　（3）指揮車在目標的西南方向（包括南）時，T=∠BAC

　　（4）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，采用數字PID技術，控制規律通過執行固化到測量控制計算機中的控制程序實現。在實際使用中，要求系統動態性能好、控制時間短、超調量小。

　　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)]。本系統主流程圖如圖5所示。

　　結束語

　　該車載定向天線云臺隨動系統實現了天線的隨動功能，接近了通信系統中定向天線對準目標源的理想狀態，經過野外現場測試，該系統動作迅速、超調量小，達到了設計要求，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。