車(chē)載GPS定向天線云臺(tái)隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

　　前言

　　在無(wú)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(duì)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)射源。本文針對(duì)由指揮車(chē)和被控車(chē)輛組成的應(yīng)用平臺(tái)，利用磁羅盤(pán)和GPS的定向、定位技術(shù)設(shè)計(jì)了車(chē)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(pán)固定在指揮車(chē)云臺(tái)上，GPS接收機(jī)天線安裝在指揮車(chē)上。通過(guò)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(duì)準(zhǔn)移動(dòng)中的被控車(chē)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(pán)、定向天線云臺(tái)和以PIC18F458單片機(jī)為核心的測(cè)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。

　　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(cè)控計(jì)算機(jī)。PIC18F458是美國(guó)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(cè)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(cè)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(pán)、指揮車(chē)監(jiān)控計(jì)算機(jī)(工控機(jī))與測(cè)控計(jì)算機(jī)通信。測(cè)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(chē)和被控車(chē)輛決定，根據(jù)兩車(chē)接收到的GPS數(shù)據(jù)來(lái)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?lè)较蛐D(zhuǎn)到天線指向的方位所經(jīng)過(guò)的角度。當(dāng)指揮車(chē)上的定向天線對(duì)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(huà)出GPS方位角圖示，如圖4所示。

　　圖中，A為指揮車(chē)，B為被控車(chē)輛。它們的坐標(biāo)分別為(λ1，φ1)，(λ2，φ2)，θ1為兩車(chē)的經(jīng)度之差，θ2為兩車(chē)的緯度之差，O為地心，O1為被控車(chē)輛的緯度平面圓的圓心，R為地球半徑，r為被控車(chē)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(chē)和被控車(chē)輛的方位不同，方位角T取值如下：

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

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

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

　?。?）指揮車(chē)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(guò)執(zhí)行固化到測(cè)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(duì)被控對(duì)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(yǔ)

　　該車(chē)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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)源的理想狀態(tài)，經(jīng)過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(mǎn)意的使用效果，在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的參考價(jià)值。