CN108227754A - 一种双轴云台自动跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双轴云台自动跟踪方法，包括：计算当前位置下无人机机载端与地面端云台在经纬度上的距离及在高度上的距离；根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于地面端云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；控制地面端云台根据所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端。另外，本发明还提供了一种双轴云台自动跟踪系统。与现有技术相比，本发明在无人机距离较远时可实现小误差对准，并且水平方向可以连续旋转不绕线，具有环境适应能力强，数据传输距离远，抗干扰能力强等优点，更加符合市场的需求。

Description

一种双轴云台自动跟踪方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机云台跟踪技术，具体涉及的是一种双轴云台自动跟踪方法及系统。

背景技术

为了提高信息传输效率和地面通信站的安全，利用无人机为通信平台并在地面站使用定向天线通信的研究受到广泛关注。而目前的定向天线对准研究多集中在通信双方均为相对静止情况，实时性要求较低，天线姿态角的对准方法较为简单，难以实时高精度确定无人机位置。

目前无人机地面站使用定向天线对无人机进行定位，需手动操作，定向天线需人工手动对准无人机，方向定位不准确，而且在无人机飞出视距后便会有跟踪困难，尤其是在遇到雨、雾等恶劣天气情况下更是难以操作，误差较大；另外地面站定向天线云台水平方向会连续旋转，容易绕线。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种可根据自身以及无人机的移动位置自行对准的双轴云台自动跟踪方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种双轴云台自动跟踪方法，用于地面端对无人机机载端的跟踪，所述地面端包括主控制器、电机驱动器、云台、定向天线、第二数传模块和第二GPS模块，其中所述方法包括：

计算当前位置下无人机机载端与地面端云台在经纬度上的距离及在高度上的距离；

根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于地面端云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；

控制地面端云台根据所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端。

进一步地，所述计算当前位置下无人机机载端与地面端云台在经纬度上的距离及在高度上的距离，包括：

在地面端云台处于任意初始位置时，控制无人机起飞到指定位置并悬停，此时根据无人机GPS信号及云台GPS信号，计算出当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离。

进一步地，根据获取的云台经纬度，计算无人机机载端相对于云台的位置(Δx,Δy,Δz,),并根据所述云台的位置对应计算出偏航角的值和俯仰角的值。

进一步地，所述控制地面端云台根据所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端，之后包括：

实时获取云台当前的角度值并与所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂进行比较，并在根据当前角度值对云台转动角度进行校准。

另外，本发明还提供了一种双轴云台自动跟踪系统，包括无人机机载端和地面端，

所述无人机机载端上安装有第一GPS模块和第一数传模块，所述第一GPS模块用于获取当前无人机机载端的GPS信号，所述第一数传模块用于将获取的无人机机载端GPS信号发送给地面端；

所述地面端包括主控制器、电机驱动器、云台、定向天线、第二数传模块和第二GPS模块；所述第二GPS模块与所述主控制器连接，用于获取云台GPS信号，并发送给所述主控制器；所述定向天线安装在云台上，用于对无人机机载端进行跟踪；所述云台通过电机驱动器与所述主控制器连接，用于根据主控制器的控制按照对应角度转动；所述第二数传模块与所述主控制器连接，用于建立与所述第一数传模块的通信连接，获取来自第一数传模块的无人机机载端GPS信号，并发送给所述主控制器；

其中，所述主控制器用于根据所述云台GPS信号和所述无人机机载端GPS信号，计算当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离，以及根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；并控制电机驱动器驱动所述云台按照所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动。

进一步地，所述地面端还包括一与所述主控制器联接的磁编码器，所述磁编码器用于实时获取当前云台的角度值并反馈给所述主控制器；所述主控制器根据当前角度值与计算所得的偏航角θ₁和俯仰角θ₂进行比较校准。

进一步地，所述主控制器用于根据获取的云台经纬度，计算无人机机载端相对于云台的位置(Δx,Δy,Δz,),并根据所述云台的位置对应计算出，偏航角的值和俯仰角的值。

进一步地，所述地面端还包括安装在云台上的步进电机，所述电机驱动器通过步进电机与定向天线连接，并根据电机驱动器对应驱动步进电机工作，以控制定向天线指向无人机机载端。

与现有技术相比，本发明提供的双轴云台自动跟踪方法，在无人机距离较远时可实现小误差对准，并且水平方向可以连续旋转不绕线，具有环境适应能力强，数据传输距离远，抗干扰能力强等优点，更加符合市场的需求。

附图说明

图1为本发明自动跟踪方法的工作原理流程图；

图2为本发明自动跟踪系统的原理示意图；

图3为本发明的系统原理结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对目前无人机地面站使用定向天线对无人机进行定位，存在方向定位不准确、跟踪困难，操作难度大以及容易绕线等问题，本发明的目的在于提供一种双轴云台自动跟踪方法，该方法在云台任意初始位置时，控制无人机起飞并悬停，然后接收无人机GPS信号与云台本身GPS信号，并计算出当前两者在经纬度与高度的距离，以此计算出云台yaw(偏转角)角与pitch(俯仰角)角需要转动角度，之后则驱动步进电机进行首次跟踪，且在首次跟踪完成时，手动将云台天线对准无人机，并对初始姿态误差进行校准，然后进入全自动跟踪状态，系统使用磁编码器作为反馈，将理论角度与当前角度进行比较，防止步进电机出现丢步等异常状况，因此天线能够时刻对准目标，得到最佳的接收强度。

请参阅图图2所示，本发明提供了一种双轴云台自动跟踪系统，该系统包括无人机机载端和地面端，其中无人机机载端上安装有第一GPS模块和第一数传模块，第一GPS模块用于获取当前无人机机载端的GPS信号，第一数传模块用于将获取的无人机机载端GPS信号发送给地面端。

地面端包括主控制器、电机驱动器、云台、定向天线、第二数传模块、磁编码器、遥控器、电源模块和第二GPS模块；电源模块与主控制器连接，用于对主控制器供电；第二GPS模块与主控制器连接，用于获取云台的GPS信号，并发送给主控制器。

定向天线安装在云台上，用于对无人机机载端进行跟踪，云台通过电机驱动器与所述主控制器连接，云台上安装有步进电机，电机驱动器通过步进电机与定向天线连接，并根据电机驱动器对应驱动步进电机工作，以控制云台按照对应角度转动，使得定向天线指向无人机机载端。

遥控器与主控制器连接，用于输入控制指令，以实现对无人机机载端的远程遥控控制。

第二数传模块与主控制器连接，用于建立与所述第一数传模块的通信连接，获取来自第一数传模块的无人机机载端GPS信号，并发送给所述主控制器。

磁编码器与主控制器连接，用于实时获取当前云台的角度值并反馈给主控制器；主控制器根据当前角度值与计算所得的偏航角θ1和俯仰角θ2进行比较校准。

本发明磁编码器可以防止步进电机出现丢步等异常状况，将磁编码器角度与理论角度进行比较，如果差值超出允许范围，驱动电机继续跟踪。

电源模块与主控制器连接，用于实现对主控制器的供电。

其中，主控制器用于根据云台GPS信号和无人机机载端GPS信号，计算当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离，以及根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；并控制电机驱动器驱动所述云台按照所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，以控制云台按照对应角度转动，使得定向天线指向无人机机载端。

另外，本发明航向角度控制电机可与多通道滑环配合，可实现航向角度360度的连续旋转，从而能防止出现绕线的问题，提高跟踪速度与效果。

本发明机载端上还设设计有一键返回到初始位置的功能，当调整好初始位置后，记录此时磁编码器的角度值，在任何时刻，只要按下返回初始位置按键，步进电机都能够驱动云台返回到初始位置，而且在更换电池后可以不用调整初始位置，直接进入全自动跟踪状态。

如图1、图3所示，本发明还提供了一种双轴云台自动跟踪方法，用于地面端对无人机机载端的跟踪，其具体包括步骤：

首先，系统初始位于手动控制状态，通过罗盘与水平仪并使用遥控器调整云台姿态，使云台水平，并面朝正北方向，此时为云台初始姿态。

地面端云台处于初始姿态位置时，控制无人机起飞到指定位置并悬停，将此时的无人机位置、姿态等信息通过数传发送到地面端。

接着地面端根据无人机GPS信号及云台GPS信号，计算出当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离。

然后根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于地面端云台的偏航角yaw角(θ₁)和俯仰角pitch角(θ₂)(见图3)；

对于航向角，本发明设定正北方向为零度，顺时针方向为正，逆时针方向为负；对于俯仰角，云台所在平面以上为正，以下为负。

其中计算先需要获取云台的经纬度，根据经纬度计算出无人机机载端相对于云台的位置(Δx,Δy,Δz,),并根据所述云台的位置对应计算出偏航角的值和俯仰角的值。

云台根据接收到的无人机信息与自身位置信息，计算出当前经、纬度所对应地球半径以及无人机和云台之间经纬度距离差和高度差，并计算出云台需要转动的yaw角(对应于上述偏航角θ₁)与pitch角(对应于上述俯仰角θ₂)(见图3)，驱动步进电机驱动云台按照所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端，实现首次跟踪。

当云台首次跟踪完毕后，使用瞄准仪与遥控器进行手动校准，补偿因初始位置调整精度不足造成的误差，使云台对准无人机。

校准完毕，记录校准角度并切换到自动跟踪模式；以及随时切换到手动模式，进行二次校准，校准完毕，切换到自动跟踪模式，并记录校准角度。

在自动跟踪过程中，使用编码器角度值作为反馈，当电机出现丢步等异常，无法到达预期角度位置时，根据编码器当前角度信息与理论角度信息进行比较，超出允许范围时，驱动电机继续运动直到预期位置。

按下返回初始位置按键，云台将停止自动跟踪与手动控制功能，直接回到初始位置，并结束本次跟踪。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双轴云台自动跟踪方法，用于地面端对无人机机载端的跟踪，其特征在于，所述地面端包括主控制器、电机驱动器、云台、定向天线、第二数传模块和第二GPS模块，其中所述方法包括：

计算当前位置下无人机机载端与地面端云台在经纬度上的距离及在高度上的距离；

根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于地面端云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；

控制地面端云台根据所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端。

2.如权利要求1所述的双轴云台自动跟踪方法，其特征在于，所述计算当前位置下无人机机载端与地面端云台在经纬度上的距离及在高度上的距离，包括：

在地面端云台处于任意初始位置时，控制无人机起飞到指定位置并悬停，此时根据无人机GPS信号及云台GPS信号，计算出当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离。

3.如权利要求2所述的双轴云台自动跟踪方法，其特征在于，根据获取的云台经纬度，计算无人机机载端相对于云台的位置(Δx,Δy,Δz,),并根据所述云台的位置对应计算出偏航角的值和俯仰角的值。

4.如权利要求3所述的双轴云台自动跟踪方法，其特征在于，所述控制地面端云台根据所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动，并将地面端定向天线对准无人机机载端，之后包括：

实时获取云台当前的角度值并与所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂进行比较，并在根据当前角度值对云台转动角度进行校准。

5.一种双轴云台自动跟踪系统，包括无人机机载端和地面端，其特征在于，

所述无人机机载端上安装有第一GPS模块和第一数传模块，所述第一GPS模块用于获取当前无人机机载端的GPS信号，所述第一数传模块用于将获取的无人机机载端GPS信号发送给地面端；

所述地面端包括主控制器、电机驱动器、云台、定向天线、第二数传模块和第二GPS模块；所述第二GPS模块与所述主控制器连接，用于获取云台GPS信号，并发送给所述主控制器；所述定向天线安装在云台上，用于对无人机机载端进行跟踪；所述云台通过电机驱动器与所述主控制器连接，用于根据主控制器的控制按照对应角度转动；所述第二数传模块与所述主控制器连接，用于建立与所述第一数传模块的通信连接，获取来自第一数传模块的无人机机载端GPS信号，并发送给所述主控制器；

其中，所述主控制器用于根据所述云台GPS信号和所述无人机机载端GPS信号，计算当前位置下无人机机载端与地面端在经纬度上的距离及在高度上的距离，以及根据所述经纬度距离和高度距离计算无人机相对于云台的偏航角θ₁和俯仰角θ₂；并控制电机驱动器驱动所述云台按照所述偏航角θ₁和俯仰角θ₂对应转动。

6.如权利要求5所述的双轴云台自动跟踪系统，其特征在于，所述地面端还包括一与所述主控制器联接的磁编码器，所述磁编码器用于实时获取当前云台的角度值并反馈给所述主控制器；所述主控制器根据当前角度值与计算所得的偏航角θ₁和俯仰角θ₂进行比较校准。

7.如权利要求6所述的双轴云台自动跟踪系统，其特征在于，所述主控制器用于根据获取的云台经纬度，计算无人机机载端相对于云台的位置(Δx,Δy,Δz,),并根据所述云台的位置对应计算出，偏航角的值和俯仰角的值。

8.如权利要求7所述的双轴云台自动跟踪系统，其特征在于，所述地面端还包括安装在云台上的步进电机，所述电机驱动器通过步进电机与定向天线连接，并根据电机驱动器对应驱动步进电机工作，以控制定向天线指向无人机机载端。