專利名稱：一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于兩個(gè)移動(dòng)物體間的無線跟蹤技術(shù)，特別是涉及一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)移動(dòng)載體天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置的需求也隨之提高，為實(shí)現(xiàn)遙感無人機(jī)“機(jī)——地”實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，需要在一系列關(guān)鍵技術(shù)問題上取得突破，地面車載定向天線的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制就是其中的一個(gè)迫切需要解決的問題。 地面車載通信系統(tǒng)由于受到平臺(tái)的體積、重量和功耗等條件的限制，為了保證數(shù)據(jù)通訊鏈路的暢通，必須采用具有方向性高增益的天線。目前國(guó)內(nèi)近程無人駕駛機(jī)測(cè)控系統(tǒng)定向天線多采用單通道單脈沖跟蹤技術(shù)，通過信號(hào)強(qiáng)度及相位關(guān)系來進(jìn)行方位角度判斷，其系統(tǒng)裝置構(gòu)造比較復(fù)雜，成本費(fèi)用很高，維護(hù)檢修技術(shù)要求較高；在無人機(jī)的天線跟蹤系統(tǒng)中，最常用的是圓錐掃描體制的跟蹤天線，它是從機(jī)載射頻信號(hào)檢測(cè)出現(xiàn)在指向的誤差來糾正天線指向，其精度較高，其作用距離也很遠(yuǎn)，但造價(jià)昂貴，設(shè)備裝置較為復(fù)雜，同時(shí)隱蔽性較差；在遙控遙測(cè)系統(tǒng)中所使用的全向天線，由于存在增益低、干擾大，多徑效應(yīng)等問題；迄今為止，該領(lǐng)域尚無實(shí)用的用于車載移動(dòng)天線自動(dòng)定向跟蹤系統(tǒng)的產(chǎn)品，雖然不少單位和個(gè)人進(jìn)行了該應(yīng)用領(lǐng)域的研究，但由于某些關(guān)鍵元件和控制技術(shù)不過關(guān)，沒有取得突破性進(jìn)展，總體來說，有的系統(tǒng)裝置不僅造價(jià)高，而且技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大?，F(xiàn)有技術(shù)中，作為裝載定向天線的地面移動(dòng)站，在系統(tǒng)設(shè)備的裝置結(jié)構(gòu)上只是將天線安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，采用繞線與固定不動(dòng)的底座連接，但該現(xiàn)有技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1容易導(dǎo)致繞線的纏繞；2、不能對(duì)無人機(jī)過頂情況進(jìn)行有效處理，導(dǎo)致過頂時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大從而帶來天線定向不準(zhǔn)；3、系統(tǒng)裝置構(gòu)建復(fù)雜，成本效用高。綜上所述，本實(shí)用新型是在現(xiàn)有的無人機(jī)技術(shù)、無線跟蹤技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)創(chuàng)新與整合，開發(fā)一種應(yīng)用方便、簡(jiǎn)單易行、便于維護(hù)，經(jīng)改進(jìn)的天線自動(dòng)定向跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地指向無人駕駛飛機(jī)的控制裝置
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，在考慮到本系統(tǒng)控制裝置使用中無人駕駛飛機(jī)存在過頂、近距離飛行等特點(diǎn)，本實(shí)用新型基本構(gòu)思的核心技術(shù)是使用數(shù)字引導(dǎo)的跟蹤方式為主的天線跟蹤系統(tǒng)控制裝置，同時(shí)輔助以航程推算跟蹤模式，幅度跟蹤橫式和手動(dòng)跟蹤模式，其跟蹤精度完全能滿足系統(tǒng)要求，并且這一系統(tǒng)控制裝置不需要機(jī)載信標(biāo)，能降低機(jī)載設(shè)備的重量和提高飛行效率，本天線跟蹤系統(tǒng)可使車載天線系統(tǒng)控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，能降低遙測(cè)車載地面站的復(fù)雜程度，從而能實(shí)現(xiàn)集無人駕駛飛機(jī)操作控制平臺(tái)、天線定向跟蹤系統(tǒng)、遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)為一體的多功能車載移動(dòng)地面站。[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)解決方案是—種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，包括一定向天線、一控制系統(tǒng)，所述定向天線與所述控制系統(tǒng)連接，其特殊之處在于該天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置還包括可傾斜任意角度旋轉(zhuǎn)的一天線基座、用于獲取所述定向天線的方位角和俯仰角數(shù)據(jù)的電子羅盤設(shè)備、用于接收遙控信號(hào)并實(shí)時(shí)給出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息的GPS接收器、連接所述天線基座與所述控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電子羅盤設(shè)備和GPS接收器與所述控制系統(tǒng)連接。作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述天線基座包括設(shè)置在該天線基座上的傾角傳感
ο作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述控制系統(tǒng)主要包括控制接口系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還包括采用內(nèi)核CorteX-M3單片機(jī)STM32作為該控制系統(tǒng)的主控芯片。作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述電子羅盤設(shè)備與GPS接收器分別固定設(shè)于天線基座上。作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述電子羅盤設(shè)備是采用三維電子羅盤。作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、控制器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)用新型的工作原理是天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置的主要作用是在無人駕駛飛機(jī)飛行過程中，以一定的精度連續(xù)跟蹤目標(biāo)，使目標(biāo)始終處于主波束的中心線附近，從而以最大的接收增益和發(fā)射增益可靠地連續(xù)接收遙測(cè)信號(hào)、發(fā)送遙控信號(hào)。本實(shí)用新型提供的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是1、采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案，將天線、控制系統(tǒng)、電子羅盤設(shè)備和GPS接收器、 角度傾斜傳感器等設(shè)備直接安裝于同一轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的天線基座上，能實(shí)現(xiàn)真正的360度任意旋轉(zhuǎn)而不需要考慮繞線的纏繞問題。2、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制方便，天線跟蹤控制精度高，控制系統(tǒng)采用通過GPS接收器給出的載體經(jīng)緯度及高度的測(cè)量數(shù)據(jù)與三維電子羅盤數(shù)據(jù)信息解算目標(biāo)角度和移動(dòng)角度，并給出當(dāng)前天線基座的航向角與俯仰角，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，提高跟蹤精度以控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而使天線基座轉(zhuǎn)動(dòng)，使定向天線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地指向空中的無人駕駛飛機(jī)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定向?qū)?zhǔn)，使得無人駕駛飛機(jī)的飛行效率得以提高。3、當(dāng)?shù)孛嬲疽苿?dòng)和發(fā)生傾斜時(shí)，能夠自動(dòng)地進(jìn)行非水平角度補(bǔ)償。4、對(duì)于飛機(jī)過頂?shù)奶厥馇闆r，采用電機(jī)最小移動(dòng)角法處理。5、由于利用嵌入式系統(tǒng)的小型化特點(diǎn)，同時(shí)采用了低廉的STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控芯片，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備裝置簡(jiǎn)單、成本低、計(jì)算簡(jiǎn)便、可靠性好，能夠滿足系統(tǒng)控制裝置的性能要求。本實(shí)用新型可適應(yīng)于陸地車載移動(dòng)地面站或水上移動(dòng)站安裝使用，同時(shí)還可以結(jié)合天線角跟蹤系統(tǒng)裝置一起配合使用，以提高自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制裝置的可靠性。

圖1是本實(shí)用新型的組成結(jié)構(gòu)框圖。[0022]圖2是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。圖3是本實(shí)用新型的系統(tǒng)工作流程圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)敘述。圖1、圖2、圖3示出了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，包括一定向天線、一控制系統(tǒng)，所述定向天線與所述控制系統(tǒng)連接，其構(gòu)造特征是該天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置還包括可傾斜任意角度旋轉(zhuǎn)的一天線基座、用于獲取所述定向天線的方位角和俯仰角數(shù)據(jù)的電子羅盤設(shè)備、用于接收遙控信號(hào)并實(shí)時(shí)給出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息的GPS接收器、連接所述天線基座與所述控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在本實(shí)施例中，所述天線基座包括固定連接于該天線基座上的傾角傳感器。在本實(shí)施例中，所述控制系統(tǒng)主要包括控制接口系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還包括采用內(nèi)核Cortex-M3單片機(jī)STM32作為該控制系統(tǒng)的主控芯片，所述的電子羅盤設(shè)備和GPS 接收器與所述的該控制接口系統(tǒng)連接，控制接口系統(tǒng)通過串口電路連接控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在本實(shí)施例中，所述電子羅盤設(shè)備與GPS接收器分別固定設(shè)于天線基座上。在本實(shí)施例中，所述電子羅盤設(shè)備是采用三維電子羅盤。在本實(shí)施例中，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、控制器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。本實(shí)用新型采用GPS定位、三維電子羅盤導(dǎo)向、步進(jìn)電機(jī)控制等方式的三位一體綜合系統(tǒng)跟蹤控制方案，以及快速捕捉跟隨算法，其基本思想是控制系統(tǒng)通過三維電子羅盤設(shè)備直接敏感到當(dāng)前載體的航向角、俯仰角為翻滾角等姿態(tài)信息交天線控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理，通過接收GPS信號(hào)測(cè)得當(dāng)前載體的方位坐標(biāo)信息，再通過計(jì)算機(jī)的坐標(biāo)變換和姿態(tài)解算得出目標(biāo)角度和移動(dòng)角度，當(dāng)?shù)孛嬲疽苿?dòng)和發(fā)生傾斜時(shí)，通過伺服控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)地進(jìn)行角度補(bǔ)償，保持天線基座平臺(tái)的穩(wěn)定；對(duì)于無人駕駛飛機(jī)過頂?shù)奶厥馇闆r，本系統(tǒng)采用天線基座電機(jī)最小移動(dòng)角法處理，使得俯仰角完成從-5° 180°的控制，避免通過控制方位角180°旋轉(zhuǎn)而造成跟蹤的延遲，對(duì)于近距離跟蹤天線擺動(dòng)問題，采用放寬在近距離時(shí)的跟蹤誤差，即隨著飛機(jī)距離的不同，采用不同的誤差門限。同時(shí)采用基于ARM公司新一代的內(nèi)核CorteX-M3的單片機(jī)STM32作為控制系統(tǒng)的主控芯片，在滿足方向精度要求內(nèi)盡量減小計(jì)算復(fù)雜度。控制裝置各系統(tǒng)部分的主要功能是定向天線是遙控遙測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，這里選用S波段的角度反射天線，能滿足現(xiàn)行遙側(cè)系統(tǒng)的頻段要求，同時(shí)具有較高的增益以及較寬的波瓣角度。天線基座是用于安裝定向天線、GPS接收器、電子羅盤設(shè)備、傳感器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，要求具有一定的精度和足夠的強(qiáng)度，考慮到無人駕駛飛機(jī)的飛行規(guī)律， 如存在過頂飛行的狀態(tài)，天線基座的運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍應(yīng)達(dá)到方位角士420°，俯仰角-5° 185°，同時(shí)減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到定向天線跟蹤速度的要求。GPS接收器主要用于讀取定向天線方位軸和俯仰軸的經(jīng)緯度位置數(shù)據(jù)，并將采集檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息傳送到控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，從而形成閉環(huán)控制姿態(tài)定位。三維電子羅盤設(shè)備主要完成當(dāng)前的天線基座方位角和俯仰角度為需要回轉(zhuǎn)的天線航向角與俯仰角測(cè)量數(shù)據(jù)并將其姿態(tài)數(shù)據(jù)信息傳送到控制系統(tǒng)進(jìn)行解算處理，給出天線對(duì)無人駕駛機(jī)方向角和俯仰角的理論數(shù)值。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要完成天線基座任意傾斜角度的控制，具有較高的精度，同時(shí)配合使用具有一定精度的傾角傳感器完成，主要由步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器、控制器等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)主要包括控制接口系統(tǒng)和天線控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用基于ARM公司新一代的內(nèi)核CorteX-M3的單片機(jī)STM32作為控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主控芯片，用于與GPS接收器、三維電子羅盤設(shè)備、傾角傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)處理遙測(cè)和地面站位置的數(shù)據(jù)，解算數(shù)字跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)與舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)工作的狀態(tài)進(jìn)行判斷， 完成工作狀態(tài)的切換、跟蹤系統(tǒng)的監(jiān)視、顯示，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的交互控制。在本實(shí)施方式中，定向天線跟蹤角度與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)天線實(shí)際對(duì)機(jī)角度與理論對(duì)機(jī)角度差越大時(shí)，天線轉(zhuǎn)速也越大，以提高系統(tǒng)裝置跟蹤的相應(yīng)時(shí)間；當(dāng)天線實(shí)際對(duì)機(jī)角度與理論對(duì)機(jī)角度差越小時(shí)，天線轉(zhuǎn)速也越小，以提高跟蹤系統(tǒng)控制的精度。在本實(shí)施方式中，涉及到電路和控制系統(tǒng)部分均可采用現(xiàn)有的技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施方式中，為了保證天線跟蹤系統(tǒng)控制裝置的可靠性，控制系統(tǒng)還采用異常數(shù)據(jù)處理方法，即以處理剔除野值為主，不僅僅從數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行處理，同時(shí)還考慮到無人駕駛飛機(jī)的飛行特點(diǎn)，對(duì)于無人駕駛飛機(jī)方位的數(shù)據(jù)處理可針對(duì)數(shù)字引導(dǎo)模式、航程推算模式、手動(dòng)模式的三種跟蹤模式所采用不同的濾波模型，針對(duì)不同的飛行狀態(tài)采用不同的模型能夠更好的提高野值剔除的能力，對(duì)于無人駕駛飛機(jī)高度的數(shù)據(jù)處理，也應(yīng)該分成2個(gè)部分，即穩(wěn)定高度飛行和機(jī)動(dòng)爬高(降落)飛行，穩(wěn)定高度飛行可以使用固定數(shù)值的卡爾曼濾波的處理方法和相應(yīng)的野值剔除方法，對(duì)于機(jī)動(dòng)爬高(降落)飛行可以使用等加速度或者等速的卡爾曼濾波模型，上述措施的采用保證了天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置的可靠性和定向天線朝向的準(zhǔn)確性。從而實(shí)現(xiàn)了定向天線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地指向飛機(jī)。最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，包括一定向天線、一控制系統(tǒng)，所述定向天線與所述控制系統(tǒng)連接，其特征是該天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置還包括可傾斜任意角旋轉(zhuǎn)的一天線基座、用于獲取所述定向天線的方位角和俯仰角數(shù)據(jù)的電子羅盤設(shè)備、 用于接收遙控信號(hào)并實(shí)時(shí)給出的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息的GPS接收器、連接所述天線基座與所述控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述電子羅盤設(shè)備和GPS接收器與所述控制系統(tǒng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，其特征是 所述天線基座還包括設(shè)置在該天線基座上的傾角傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，其特征是 所述控制系統(tǒng)包括采用內(nèi)核CorteX-M3單片機(jī)STM32作為該控制系統(tǒng)的主控芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，其特征是 所述電子羅盤設(shè)備與GPS接收器分別固定設(shè)于天線基座上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，其特征是 所述電子羅盤設(shè)備是采用三維電子羅盤。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置，其特征是 所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、控制器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種無人駕駛飛機(jī)天線定向跟蹤系統(tǒng)控制裝置。包括定向天線、控制系統(tǒng)，該裝置還包括天線基座、用于獲取天線方位角和俯仰角數(shù)據(jù)的電子羅盤設(shè)備、用于接收遙控信號(hào)實(shí)時(shí)給出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息的GPS接收器、連接天線基座與控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述定向天線、電子羅盤設(shè)備及GPS接收器與控制系統(tǒng)連接，天線基座上設(shè)有可傾斜任意角度的傾角傳感器，控制系統(tǒng)包括采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，電子羅盤設(shè)備與GPS接收器固定設(shè)于天線基座上，電子羅盤設(shè)備為三維電子羅盤，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)、控制器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，本實(shí)用新型采用GPS定位、電子羅盤導(dǎo)向、電機(jī)控制三位一體綜合系統(tǒng)方案。本實(shí)用新型具有裝置簡(jiǎn)化、高效可靠、成本低、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01Q3/08GK202084642SQ201120149198
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
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