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在無(wú)線(xiàn)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(xiàn)對準信號發(fā)射源。本文針對由指揮車(chē)和被控車(chē)輛組成的應用平臺，利用磁羅盤(pán)和GPS的定向、定位技術(shù)設計了車(chē)載定向天線(xiàn)云臺隨動(dòng)系統。在該系統中，定向接收天線(xiàn)和磁羅盤(pán)固定在指揮車(chē)云臺上，GPS接收機天線(xiàn)安裝在指揮車(chē)上。通過(guò)隨動(dòng)系統控制云臺轉動(dòng)，使定向接收天線(xiàn)實(shí)時(shí)對準移動(dòng)中的被控車(chē)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(pán)、定向天線(xiàn)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(dòng)控制和機械傳動(dòng)三部分，系統的結構示意圖如圖1所示。 圖1中，①為指揮車(chē)上的GPS接收機，②為定向天線(xiàn)云臺上的磁羅盤(pán)，③為定向天線(xiàn)云臺，④為傳動(dòng)機構，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(chē)輛的GPS（通過(guò)數據電臺傳送）。 數據采集處理部分由指揮車(chē)上的GPS接收機、磁羅盤(pán)和測控計算機等組成。指揮車(chē)和被控車(chē)輛通過(guò)GPS接收機實(shí)時(shí)獲取自己的坐標位置，指揮車(chē)上 GPS數據通過(guò)串口發(fā)送到指揮車(chē)上的監控計算機。被控車(chē)輛GPS數據通過(guò)數據無(wú)線(xiàn)電臺發(fā)送到指揮車(chē)上的監控計算機，再通過(guò)串口傳給測控計算機。由磁羅盤(pán)獲取定向天線(xiàn)云臺當前方向角，通過(guò)串口傳送到測控計算機。通過(guò)指揮車(chē)和被控車(chē)輛的坐標位置，計算出兩者之間的方位角，并與由磁羅盤(pán)得到的當前方向角比較，得到云臺應轉動(dòng)的角度數據。 系統的隨動(dòng)控制部分采用下載到測量控制計算機中的數字PID控制算法。PID控制器是根據系統的誤差（本系統即為指揮車(chē)、被控車(chē)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(jìn)行控制。通過(guò)實(shí)際系統的調試，確定PID控制器的參數。 機械傳動(dòng)部分主要由功率放大器、減速器、直流力矩電機、定向天線(xiàn)云臺等構成。該部分接收控制信號和反饋角度信息，完成云臺的轉動(dòng)。 該車(chē)載定向天線(xiàn)云臺隨動(dòng)系統是典型的閉環(huán)負反饋控制系統。計算得到指揮車(chē)和目標車(chē)輛的方位角，采集磁羅盤(pán)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(guò)PID數字調節器、D/A轉換器、功率放大器、力矩電機、減速齒輪帶動(dòng)云臺轉動(dòng)，使定向天線(xiàn)指向目標車(chē)輛，當控制信號減小為零時(shí)，定向天線(xiàn)云臺停止轉動(dòng)。從而達到定向接收天線(xiàn)實(shí)時(shí)對準移動(dòng)目標的最佳通信狀態(tài)。定向天線(xiàn)云臺隨動(dòng)系統控制結構如圖2所示。 系統硬件設計及算法實(shí)現 系統硬件設計 該系統硬件的關(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(pán)、指揮車(chē)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(jīng)D/A轉換器，作為定向天線(xiàn)云臺的模擬量轉動(dòng)信號，達到定向天線(xiàn)云臺系統的隨動(dòng)功能。 方位角計算 在隨動(dòng)功能的實(shí)現中，天線(xiàn)的指向由指揮車(chē)和被控車(chē)輛決定，根據兩車(chē)接收到的GPS數據來(lái)計算定向天線(xiàn)的方位角。方位角是指以天線(xiàn)旋轉軸為軸，以地理北極為起始點(diǎn)，順時(shí)針?lè )较蛐D到天線(xiàn)指向的方位所經(jīng)過(guò)的角度。當指揮車(chē)上的定向天線(xiàn)對準目標時(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)在目標的東北方向（包括北）時(shí)，T=π+∠BAC （2）指揮車(chē)在目標的西北方向（包括西）時(shí)，T=π-∠BAC （3）指揮車(chē)在目標的西南方向（包括南）時(shí)，T=∠BAC （4）指揮車(chē)在目標的東南方向（包括東）時(shí)，T=2π-∠BAC T∈[0°，360°] PID控制算法 在隨動(dòng)控制中，采用數字PID技術(shù)，控制規律通過(guò)執行固化到測量控制計算機中的控制程序實(shí)現。在實(shí)際使用中，要求系統動(dòng)態(tài)性能好、控制時(shí)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(xiàn)性組合而成，共同對被控對象進(jìn)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(yǔ) 該車(chē)載定向天線(xiàn)云臺隨動(dòng)系統實(shí)現了天線(xiàn)的隨動(dòng)功能，接近了通信系統中定向天線(xiàn)對準目標源的理想狀態(tài)，經(jīng)過(guò)野外現場(chǎng)測試，該系統動(dòng)作迅速、超調量小，達到了設計要求，取得了較滿(mǎn)意的使用效果，在實(shí)際應用中具有較大的參考價(jià)值。 |
