车载定向天线云台随动系统设计

前言
　　在无线图像传输通信系统中，要获得较高的接收增益，需要定向接收天线对准信号发射源。本文针对由指挥车和被控车辆组成的应用平台，利用磁罗盘和GPS的定向、定位技术设计了车载定向天线云台随动系统。在该系统中，定向接收天线和磁罗盘固定在指挥车云台上，GPS接收机天线安装在指挥车上。通过随动系统控制云台转动，使定向接收天线实时对准移动中的被控车辆，以达到图像的最佳接收效果。

系统结构设计

　　该系统主要由GPS接收机、磁罗盘、定向天线云台和以PIC18F458单片机为核心的测控计算机组成，共分为数据采集、随动控制和机械传动三部分，系统的结构示意图如图1所示。


　　图1中，①为指挥车上的GPS接收机，②为定向天线云台上的磁罗盘，③为定向天线云台，④为传动机构，⑤为直流力矩电机，⑥为功率放大器，⑦为测控计算机（PIC18F458），⑧为目标车辆的GPS（通过数据电台传送）。

　　数据采集处理部分由指挥车上的GPS接收机、磁罗盘和测控计算机等组成。指挥车和被控车辆通过GPS接收机实时获取自己的坐标位置，指挥车上 GPS数据通过串口发送到指挥车上的监控计算机。被控车辆GPS数据通过数据无线电台发送到指挥车上的监控计算机，再通过串口传给测控计算机。由磁罗盘获取定向天线云台当前方向角，通过串口传送到测控计算机。通过指挥车和被控车辆的坐标位置，计算出两者之间的方位角，并与由磁罗盘得到的当前方向角比较，得到云台应转动的角度数据。

　　系统的随动控制部分采用下载到测量控制计算机中的数字PID控制算法。PID控制器是根据系统的误差（本系统即为指挥车、被控车辆之间的方位角与云台当前方向角的偏差），利用比例、积分、微分计算出控制量对被控对象进行控制。通过实际系统的调试，确定PID控制器的参数。

　　机械传动部分主要由功率放大器、减速器、直流力矩电机、定向天线云台等构成。该部分接收控制信号和反馈角度信息，完成云台的转动。

　　该车载定向天线云台随动系统是典型的闭环负反馈控制系统。计算得到指挥车和目标车辆的方位角，采集磁罗盘得到当前方向角为反馈信息，两者之差为机械部分的控制信号，控制信号经过PID数字调节器、D/A转换器、功率放大器、力矩电机、减速齿轮带动云台转动，使定向天线指向目标车辆，当控制信号减小为零时，定向天线云台停止转动。从而达到定向接收天线实时对准移动目标的最佳通信状态。定向天线云台随动系统控制结构如图2所示。


系统硬件设计及算法实现

系统硬件设计

　　该系统硬件的关键部分是以PIC18F458单片机为核心的测控计算机。PIC18F458是美国微芯公司推出的采用RISC设计的增强型单片机，它指令周期短、处理能力强、运算能力高，并带有丰富的外围模块。

　　测控计算机具有丰富的外部接口，在本系统中，用到了两路串口，一路D/A输出。测控计算机的配置框图如图3所示。


　　外围两路RS232串口分别用于磁罗盘、指挥车监控计算机(工控机)与测控计算机通信。测控计算机的数字量控制信息经D/A转换器，作为定向天线云台的模拟量转动信号，达到定向天线云台系统的随动功能。

方位角计算

　　在随动功能的实现中，天线的指向由指挥车和被控车辆决定，根据两车接收到的GPS数据来计算定向天线的方位角。方位角是指以天线旋转轴为轴，以地理北极为起始点，顺时针方向旋转到天线指向的方位所经过的角度。当指挥车上的定向天线对准目标时，此时图像的传输效果最佳。

　　按照地球模型画出GPS方位角图示，如图4所示。


　　图中，A为指挥车，B为被控车辆。它们的坐标分别为(λ1，φ1)，(λ2，φ2)，θ1为两车的经度之差，θ2为两车的纬度之差，O为地心，O1为被控车辆的纬度平面圆的圆心，R为地球半径，r为被控车辆的纬度平面圆的半径。其中，θ1=∣λ1-λ2∣，θ2=∣φ1-φ2∣。

方位角的计算：

　　

　　由于指挥车和被控车辆的方位不同，方位角T取值如下：

　　（1）指挥车在目标的东北方向（包括北）时，T=π+∠BAC

　　（2）指挥车在目标的西北方向（包括西）时，T=π-∠BAC

　　（3）指挥车在目标的西南方向（包括南）时，T=∠BAC

　　（4）指挥车在目标的东南方向（包括东）时，T=2π-∠BAC

　　T∈[0°，360°]

PID控制算法

　　在随动控制中，采用数字PID技术，控制规律通过执行固化到测量控制计算机中的控制程序实现。在实际使用中，要求系统动态性能好、控制时间短、超调量小。

　　PID控制器由比例控制器、积分控制器、微分控制器线性组合而成，共同对被控对象进行控制，其控制表达式为： u(k)=K_{P}?e(k)+Ki?∑e(k)+ Kd?[(e(k)-e( k-1)]。本系统主流程图如图5所示。