CN102109850B - 一种无人机便携式天线自动跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电接收天线控制系统，具体说是一种无人机便携式天线自动跟踪系统。具体包括机械平台及安装在其上的天线；机械平台上设有ARM控制装置和驱动装置，ARM控制装置的输入端连接位姿传感器及无人机地面站的PC机，输出端与驱动装置相连接。本发明具有结构紧凑，重量轻，便于携带，操作容易，功耗低，并能够实现天线自动实时跟踪无人机的特点，并且能够准确获得无人机回传的视频信息，提高通信质量。
Description
技术领域
本发明涉及无线电接收天线控制系统，具体说是一种无人机便携式天线自动跟踪系统。
背景技术
无人机近些年来备受各国青睐，它不仅可以用于战场监视，提前预警等军事领域，在民用领域更有广阔的应用前景。它可以携带高清晰可见光或红外摄像系统，能方便的进入人类无法抵达的地区进行空中侦察和空中摄影，可以用来进行地形测绘、灾情监测等，特别是在要求快速信息获取与实时影像回传等方面的应用上，接收天线的方向是否正确，是保证图像传输质量、消除重影和抗干扰的重要因素。目前人们已经发明了一些不同形式的天线自动跟踪控制系统，例如申请日为2004.5.20、申请号为200410045441.X、发明名称为天线伺服跟踪系统的中国专利，采用计算机控制系统，功耗高，不适宜野外作业，并且成本较高，只能实现水平方向的控制，精度有限。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的控制系统成本高、功耗高、不适宜野外作业等缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种便携式、低功耗的无人机便携式天线自动跟踪系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
无人机便携式天线自动跟踪系统，包括机械平台及安装在其上的天线；机械平台上设有ARM控制装置和驱动装置，ARM控制装置的输入端连接位姿传感器及无人机地面站的PC机，输出端与驱动装置相连接。
所述机械平台包括三角架、壳体及水平转台，其中三角架位于机械平台最下方，壳体安装在三角架上，水平转台设置在壳体的顶端。
所述驱动装置包括水平驱动装置及俯仰驱动装置，分别驱动天线实现水平转动及俯仰摆动；所述水平驱动装置安装在水平转台上、并容置于壳体的内部空间，俯仰驱动装置与水平驱动装置连接、与水平驱动装置连动。
所述水平驱动装置包括水平电机、第一齿轮及滑环，其中水平电机安装在水平转台上，滑环通过第三轴承安装在水平转台上，水平电机通过第一齿轮驱动滑环转动；滑环的顶部与俯仰驱动装置相连。
所述俯仰驱动装置包括俯仰电机、转动杆、连接件及第一支架，俯仰电机通过第一支架与水平驱动装置连接，转动杆的一端与俯仰电机的输出轴相连、另一端通过连接件安装在第二支架上，天线插接在转动杆内。
所述位姿传感器包括水平角度传感器、俯仰角度传感器和天线位置传感器，检测天线的水平指向角度的水平角度传感器设于机械平台的水平转台上，检测天线的俯仰角度的俯仰角度传感器与天线的俯仰转动电机的输出轴固连，检测天线的位置信息的天线位置传感器设于机械平台的水平转台上。
所述ARM控制装置具有ARM模块、串口驱动芯片和多个串口驱动接口；ARM模块的天线输入端和无人机地面站的PC机输入端通过串口驱动芯片和相应串口接口接有天线位置传感器和无人机地面站的PC机；ARM模块的其他输入端通过其他串口驱动接口分别与俯仰角度传感器、天线水平角度传感器相连；ARM模块的输出端通过串口驱动接口分别与水平驱动装置及俯仰驱动装置相连。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.结构紧凑，重量轻，便于携带，操作容易，功耗低，并能够实现天线自动实时跟踪无人机，以准确获得无人机回传的视频信息，提高通信质量。
2.采用了双转动平台，通过获取水平角度和俯仰角度，通过计算获得的数据控制天线与无人机的位置关系，进而达到对无人机的控制。
3.使用了高集成度的单片机芯片作为控制系统，实用性和准确性得到了提高。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明机械结构示意图；
图3为本发明部分机械结构放大示意图；
图4为本发明电气结构框图；
图5为本发明电气原理图；
图6为本发明程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图4所示，本发明一种无人机便携式天线自动跟踪系统，包括机械平台19及安装在其上的天线1；机械平台19上设有ARM控制装置20和驱动装置21，ARM控制装置20的输入端连接位姿传感器22及无人机地面站的PC机23，输出端与驱动装置21相连接。
如图2和图3所示，机械平台19包括三角架18、壳体17及水平转台9，其中三角架18位于机械平台19最下方，壳体17安装在三角架18上，水平转台9设置在壳体17的顶端。
驱动装置21包括水平驱动装置及俯仰驱动装置，本实施例的水平驱动装置及俯仰驱动装置均采用型号为CW230的集成驱动模块用以提高驱动能力，此集成驱动模块还可细分水平驱动装置及俯仰驱动装置内设置电机的步距角以提高控制精度，同时可以控制电机的正反转，提高电机转动的灵活性；该水平驱动装置及俯仰驱动装置分别驱动天线1实现水平转动及俯仰摆动；水平驱动装置安装在水平转台9上、并容置于壳体17的内部空间，俯仰驱动装置与水平驱动装置连接、与水平驱动装置连动；
水平驱动装置包括水平电机16、第一齿轮15及滑11，其中水平电机16设置在电机座13内，电机座13安装在水平转台9上，滑环11通过第三轴承12安装在水平转台9上，滑环两边分别设有第一齿轮15和第二齿轮14，水平电机16通过第一齿轮15驱动滑环11转动；滑环11的顶部与俯仰驱动装置2相连，水平转台9通过滑环11与三角架18相接实现水平360°任意旋转而不绕线。俯仰驱动装置包括俯仰电机2、转动杆4、连接件5及第一支架3；第一支架3通过第二轴承10固接在水平转台9上，俯仰电机2通过第一支架3与水平驱动装置连接，转动杆4的一端与俯仰电机2的输出轴相连、另一端通过连接件5安装在第二支架8上，天线1插接在转动杆4内。
位姿传感器22包括水平角度传感器、俯仰角度传感器6和天线位置传感器，本实施例采用罗盘型号为HMR3300作为水平角度传感器，该检测天线1的水平指向角度的水平角度传感器设于机械平台19的水平转台9上，以地磁北极为零点测量天线的水平指向角度；采用滑动变阻器作为俯仰角度传感器6，该检测天线1的俯仰角度的俯仰角度传感器6与天线1的俯仰转动电机2的输出轴固连，并通过第一轴承7固接在第二支架8上；采用型号为LEA-5S的GPS定位设备作为天线的位置传感器，该检测天线的位置信息的天线位置传感器设于机械平台19的水平转台9上。
ARM控制装置20放置在水平转台9上，如图5所示，本实施例的ARM控制装置采用型号为LPC236820的单片机，该单片机具有ARM模块U2、2个串口驱动接口、2个A/D接口J4和2个定时器驱动接口；其中，串口驱动芯片U1采用的是型号为MAX232的单片机；ARM模块U2内存有控制程序，串口驱动接口分别为第一接口J1、第二接口J2，A/D接口分别为第三A/D接口J3、第四A/D接口J4，定时器驱动接口分别为第五定时器驱动接口J5和第六定时器驱动接口J6；ARM模块U2输入端通过与串口驱动芯片U1相连后，通过第一接口J1连接无人机地面站的PC机、通过第二接口J2连接天线位置传感器；ARM模块输入端通过第三A/D接口J3接有天线水平角度传感器和通过第四A/D接口J4与俯仰角度传感器6相连，ARM模块U2输出端通过第五定时器驱动接口J5与水平电机16相连及通过第六定时器驱动接口J6与俯仰电机2相连。
本发明工作原理如下：
如图1所示，本发明ARM控制装置20通过串口驱动接口获得无人机地面23站提供的无人机的位置信息，ARM控制装置20通过串口驱动接口获得水平角度传感器测量天线的水平指向角度信息，通过A/D模块获得俯仰角度传感器6测量天线的俯仰指向角度信息，通过串口驱动接口获得天线位置传感器测量天线的位置信息，将采集到的天线位置信息与无人机的位置信息经过计算来确定无人机当前相对天线的水平偏角β和俯仰偏角α，同时通过串口驱动接口采集水平角度传感器的数据，通过存储在ARM控制装置20的数据确定上一状态天线水平指向角及俯仰指向角度，将天线上一状态指向和当前状态指向对比，算出水平电机16应该转动的角度及俯仰电机2应该转动的角度，接着ARM控制装置20控制相应电机转动相应角度以保证天线1指向无人机。
如图6所示，本发明控制流程如下：
ARM控制装置系统初始化；
ARM控制装置读取天线位置传感器采集的天线位置信息；
判断天线位置信息是否正确；
如果正确，ARM控制装置读取无人机地面站的PC机发送的无人机位置信息；
判断无人机位置信息是否正确；
如果不正确，返回ARM控制装置读取无人机地面站的PC机发送的无人机位置信息步骤；
如果正确，通过程序计算出天线和无人机两点连线方位角；
水平角度传感器和俯仰角度传感器采集天线当前角度信息；
通过程序计算出角度差；
ARM控制装置根据角度差控制电机驱动天线跟踪；
返回并继续天线位置传感器采集天线位置信息步骤。
Claims (1)
1.一种无人机便携式天线自动跟踪系统，包括机械平台(19)及安装在其上的天线(1)；其特征在于：机械平台(19)上设有ARM控制装置(20)和驱动装置(21)，ARM控制装置(20)的输入端连接位姿传感器(22)及无人机地面站的PC机(23)，输出端与驱动装置(21)相连接；
所述机械平台(19)包括三角架(18)、壳体(17)及水平转台(9)，其中三角架(18)位于机械平台(19)最下方，壳体(17)安装在三角架(18)上，水平转台(9)设置在壳体(17)的顶端；
所述驱动装置(21)包括水平驱动装置及俯仰驱动装置，分别驱动天线(1)实现水平转动及俯仰摆动；所述水平驱动装置安装在水平转台(9)上、并容置于壳体(17)的内部空间，俯仰驱动装置与水平驱动装置连接、与水平驱动装置连动；
所述水平驱动装置包括水平电机(16)，第一齿轮(15)及滑环(11)，其中水平电机(16)安装在水平转台(9)上，滑环(11)通过第三轴承(12)安装在水平转台(9)上，水平电机(16)通过第一齿轮(15)驱动滑环(11)转动；滑环(11)的顶部与俯仰驱动装置(2)相连；
所述俯仰驱动装置包括俯仰电机(2)、转动杆(4)、连接件(5)及第一支架(3)，俯仰电机(2)通过第一支架(3)与水平驱动装置连接，转动杆(4)的一端与俯仰电机(2)的输出轴相连、另一端通过连接件(5)安装在第二支架(8)上，天线(1)插接在转动杆(4)内；
所述位姿传感器(22)包括水平角度传感器、俯仰角度传感器(6)和天线位置传感器，检测天线(1)的水平指向角度的水平角度传感器设于机械平台(19)的水平转台(9)上，检测天线(1)的俯仰角度的俯仰角度传感器(6)与天线(1)的俯仰电机(2)的输出轴固连，检测天线的位置信息的天线位置传感器设于机械平台(19)的水平转台(9)上；
所述ARM控制装置(20)具有ARM模块(U2)，串口驱动芯片(U1)和多个串口驱动接口；ARM模块(U2)的天线输入端和无人机地面站的PC机输入端通过串口驱动芯片(U1)和相应串口接口接有天线位置传感器和无人机地面站的PC机(23)；ARM模块(U2)的其他输入端通过其他串口驱动接口分别与俯仰角度传感器(6)、天线水平角度传感器相连；ARM模块(U2)的输出端通过串口驱动接口分别与水平驱动装置及俯仰驱动装置相连。
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