CN108232410B - 一种无人机的天线辐射方向调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机结构技术领域，尤其是涉及一种节约收发无线电信号的功率消耗的无人机的天线辐射方向调节器。本发明包括一个可控马达，马达连接定向天线，还包括信号强度检测电路、信号比较电路，马达控制器；信号强度检测电路检测定向天线实时接收的遥控器信号的强度，信号比较电路比较遥控器信号的强度与预设的信号强度阈值。本发明天线采用“工”字型结构，信号强度检测电路引入增益增强技术，进行定向天线接收信号强度检测；所述信号比较电路当中代表信号强度阈值的比较电压的电压值稳定可靠，不随温度和工艺变化，并且具有误码率容错机制，避免误检测。本发明采用全数字的结构，具有输出相位精确连续、检测分辨率精确、天线方向转换迅速、灵活性大、可编程的优点，因此可以得到广泛的使用。
Description
技术领域
本发明属于无人机结构技术领域，尤其是涉及一种节约收发无线电信号的功率消耗的无人机的天线辐射方向调节器。
背景技术
研究适合于无人机应用的数传天线，是目前无人机遥控系统必须攻克的关键技术之一。主要关键技术难点与解决途径：阵列天线组阵技术，涉及到天线单元、组阵方式、多波束体制等诸多因素，还要综合考虑体积、功耗、成本等因素，是系统综合技术，需要综合攻关。
无人机飞行过程中要不断和遥控器进行无线通信，目前无人机普遍在机身下方的支腿处安装全向天线，全向天线面向全部方向发射电磁辐射，以及接收遥控器传输的无线电信号。定向天线在波束角范围内具有高通信增益，可以改善通信效果，特别是节约收发无线电信号的功率消耗，因此如果能够应用在无人机上是非常有利的。但是，由于无人机本身飞行过程中方向位置不断变化，很容易造成遥控器偏离到定向天线的有效波束角的范围之外，这样会造成无人机与遥控器之间通信中断或者通信延迟变大，导致无人机失控甚至坠毁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节约收发无线电信号的功率消耗，并且保障信号可靠收发的无人机天线辐射方向调节器。
一种无人机的天线辐射方向调节器，包括一个可控马达，马达连接定向天线，还包括信号强度检测电路、信号比较电路，马达控制器；信号强度检测电路检测定向天线实时接收的遥控器信号的强度，信号比较电路比较所接收的遥控器信号的强度与预设的信号强度阈值，如果遥控器信号的强度低于所述阈值，则由马达控制器控制马达转动定向天线，调节该定向天线的有效波束角的方向，直至接收信号强度回复到所述阈值以上。
所述的定向天线包括介质基板，所述介质基板上嵌入矩形贴片单元，辐射由矩形贴片单元的开路端的边缘场产生，矩形贴片单元上进行了缺口添加，缺口选取100Ω微带线宽度的5倍，天线的贴片选择并行馈电结构；馈源处选择50Ω的输入阻抗；而矩形贴片单元馈电处的边缘阻抗在100Ω到400Ω之间，定向天线的矩形贴片单元与带线之间加入一段四分之一波长阻抗变换器；矩形贴片单元间距为0.6-0.8个工作波长；矩形贴片单元和介质基板的底面添加理想导体边界PEC，工作中心频率设置为10GHz，扫频范围为9.5-10.5GHz。
优选的是，所述的信号强度检测电路由限制幅度放大器电路相互级联，每级限制幅度放大器电路的输出端连接一个包络检测单元，所有的包络检测单元连接到信号输出端，信号输出端输出表示遥控器信号强度的电压信号；并且所述信号输出端连接并联电容电阻结构，并联电容电阻结构接地。
优选的是，所述的限制幅度放大器电路包括激励信号产生模块，激励信号产生模块的相位累加器在参考时钟源和外部输入频率控制字的控制下计算出相位信息，然后根据相位信息在ROM中进行查找，产生数字信号序列，数字信号序列通过转换器转换成模拟电压信号，合成特定频率的正弦波，用于对遥控器信号进行激励放大。
优选的是，所述的限制幅度放大器的模拟通路模块由程控放大器与低通滤波器串联构成，对遥控器信号做噪声的初步滤除。
优选的是，所述的信号比较电路内设置有存储电压模块、误码率检测单元、电压保留单元、比较结果确认单元；误码率检测单元确认已有的检测误码率；存储电压模块用于根据预设的信号强度阈值产生比较电压；电压保留单元，根据误码率计算比较电压保留时间；比较结果确认单元，用于比较信号强度检测单元输出的电压信号与比较电压的大小。
优选的是，所述的马达控制器对用于输出转向操作的无人机的马达进行控制，对连接至转向轴的转向构件的通过施加转向扭矩以及施加所述辅助扭矩而进行的转向操作进行控制，包括：转向属性计算器，所述转向属性计算器计算作为转向状态的指标的转向状态量，其中，作用属性指标指被施加至所述转向轴的转向扭矩的施加方向，旋转属性旋转指所述转向轴的旋转方向；补偿值计算器，基于所述转向状态来计算指令补偿值；指令值计算器，通过使用指令补偿值来计算与所述马达的驱动有关的转换值，转换值是通过使用函数或映射对表示所述转向轴的运动状态的物理量进行转换而计算出的转换值。
所述的马达控制器还包括马达驱动保护电路，具体包括电源、单片机、驱动芯片、驱动桥、升压芯片、电源保护开关电路以及相保护开关电路，所述的电源保护开关电路分别与电源、驱动桥和升压芯片连接，所述的升压芯片与单片机、电源保护开关电路和相保护电路连接，所述的单片机与升压芯片、驱动芯片和驱动桥连接，所述的驱动芯片与单片机和驱动桥连接，所述的驱动桥分别与电源保护开关电路、驱动芯片和相保护开关电路连接；所述的电源保护开关电路由输入、输出和控制部分组成，所述的输入部分连接电源，输出部分连接驱动桥，控制部分连接升压芯片。
所述的电源电路为5路输出；主电路采用单端反激式变换电路，220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后，供给电源、驱动桥和升压芯片，采用功率MOSFET作为功率开关管，在电源的变压器原边设置RCD缓冲电路。
本发明的有益效果在于：
本发明采用“工”字型结构定向天线，信号强度检测电路引入增益增强技术，进行定向天线接收信号强度检测；所述信号比较电路当中代表信号强度阈值的比较电压的电压值稳定可靠，不随温度和工艺变化，并且具有误码率容错机制，避免误检测。本发明采用全数字的结构，具有输出相位精确连续、检测分辨率精确、天线方向转换迅速、灵活性大、可编程的优点，因此可以得到广泛的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明系统结构图。
图2示出了信号强度检测电路结构示意图。
图3示出了信号比较电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种无人机的天线辐射方向调节器，包括一个可控马达，马达连接定向天线，还包括信号强度检测电路、信号比较电路，马达控制器；信号强度检测电路检测定向天线实时接收的遥控器信号的强度，信号比较电路比较遥控器信号的强度与预设的信号强度阈值，如果遥控器信号的强度低于阈值，则由马达控制器控制马达转动定向天线，调节该定向天线的有效波束角的方向，直至接收信号强度回复到阈值以上。
所述的定向天线是在介质基板上嵌入矩形贴片单元，辐射由矩形贴片单元的开路端的边缘场产生，矩形贴片单元上进行了缺口添加，缺口选取100Ω微带线宽度的5倍，天线的贴片选择并行馈电结构；馈源处选择50Ω的输入阻抗；而矩形贴片单元馈电处的边缘阻抗在100Ω到400Ω之间，定向天线矩形贴片单元与带线之间加入一段四分之一波长阻抗变换器；矩形贴片单元间距为0.6-0.8个工作波长；矩形贴片单元和介质基板的底面添加理想导体边界PEC，工作中心频率设置为10GHz，扫频范围为9.5-10.5GHz。在传统的矩形贴片上进行了缺口添加的新型设计，该设计目的是为了使得在定向天线能够和馈电点达到良好匹配，同时缺口的增加能够降低微带馈线和辐射单元之间的影响，使得其增益损耗降低。但是如果缺口过大，将影响辐射单元面积，降低了定向天线的增益，影响天线的辐射面积，所以缺口宽度的设置需要慎重设计。为了使得所设计的带缺口定向天线单元具有良好的匹配以及较好的增益和方向性，我们将通过Ansoft HFSS的优化分析软件对其进行参数的扫描分析及优化，其中主要分析贴片的宽度和长度、缺口宽度以及微带线的宽度对定向天线的回波损耗的影响。而在优化的过程中，为了减小优化数据之间的互相影响，在进行优化分析时候，我们要注意优化的优先级。微带贴片的谐振频率点随著贴片的宽度和长度增大而减小。当该微带贴片的长度和宽度分别取9.1mm和9.0mm的时候，其S11值能够达到43.6094dB，虽然频率点此时为9.99GHz，有轻微的偏移，但是其在10GHz的时候，其S11值依然能够达到-26.29dB，远远低于普通天线的基本标准-10dB。我们在金属条结构单元中部引入了缺口，使得中部变细，这种结构也被称之为“工”字型结构，这种结构可以使得负介电常数和负磁导率在同一频段实现。同时还可以通过改变中间缺口的尺寸和金属条宽度及中部宽度，可以很容易调节磁谐振频率。
信号强度检测单元的主要功能是根据输入信号的幅度产生电压信号表示，这个电压与输入信号的幅度呈dB线性关系。所述的信号强度检测电路由限制幅度放大器电路相互级联，每级限幅器的输出端连接一个包络检测单元，所有的包络检测单元连接到信号输出端，信号输出端输出表示遥控器信号强度的电压信号；并且所述信号输出端连接并联电容电阻结构，并联电容电阻结构接地。所述的限制幅度放大器电路包括激励信号产生模块，激励信号产生模块的相位累加器在参考时钟源和外部输入频率控制字的控制下计算出相位信息，然后根据相位信息在ROM中进行查找，产生数字序列，数字信号序列通过转换器转换成模拟电压信号，合成特定频率的正弦波。所述的限制幅度放大器的模拟通路模块由程控放大器与低通滤波器串联构成，程控放大器采用程控仪表放大器AD8250实现信号增益；低通滤波器采用两片LTC1563-2级联的方式进行抗混叠滤波，对被测信号做噪声的初步滤除。信号强度检测电路能为基带芯片提供射频信号接收强度的指示。在许多无线通信系统中，要求信号强度指示器不仅能提供较宽的动态检测范围，而且对于检测的准确度也随着系统整体的不同而提高。传统的信号强度指示器虽然对提高动态检测范围都做出了一定的分析，并且都能在一定的基础上提高系统强度指示器的动态范围，可是都没有对信号强度指示器的误差产生以及减少做出分析，有的分析也只是简单地给出不准确的结果，没有深入建模推导同时传统的结构既没有实现较小的误差，也都没有给出其在温度和工艺变化时测量误差的变化。本发明利用系统建模分析信号强度指示器电路和反指数运放电路的方法，并分析了减小其误差的可能。为了简化分析，限幅器电路采用一阶数学模型，根据推导的结果结合实际要求以及功耗和动态范围综合考虑来设计所需要的放大器级数和对应每级的增益大小。为了保证设计的准确度，本发明引入增益增强技术，使得设计的电路指示电压的电压不随温度和工艺变化。采用全数字的结构，具有输出相位精确连续、频率分辨率精确、频率转换迅速、灵活性大、可编程的优点，因此可以得到广泛的使用。
所述的信号比较电路内设置有存储电压模块、误码率检测单元、电压保留单元、比较结果确认单元；误码率检测单元确认已有的检测误码率；存储电压模块用于根据预设的信号强度阈值产生比较电压；电压保留单元，根据误码率计算比较电压保留时间；比较结果确认单元，用于比较信号强度检测单元输出的电压信号与比较电压的大小。
所述的马达控制器对用于输出转向操作的无人机的马达进行控制，对连接至转向轴的转向构件的通过施加转向扭矩以及施加所述辅助扭矩而进行的转向操作进行控制，包括：转向属性计算器，所述转向属性计算器计算作为转向状态的指标的转向状态量，其中，作用属性指标指被施加至所述转向轴的转向扭矩的施加方向，旋转属性旋转指所述转向轴的旋转方向；补偿值计算器基于所述转向状态来计算指令补偿值；指令值计算器通过使用指令补偿值来计算与所述马达的驱动有关的转换值，转换值是通过使用函数或映射对表示所述转向轴的运动状态的物理量进行转换而计算出的转换值。
所述的马达控制器还包括马达驱动保护电路，具体包括电源、单片机、驱动芯片、驱动桥、升压芯片、电源保护开关电路以及相保护开关电路，所述的电源保护开关电路分别与电源、驱动桥和升压芯片连接，所述的升压芯片与单片机、电源保护开关电路和相保护电路连接，所述的单片机与升压芯片、驱动芯片和驱动桥连接，所述的驱动芯片与单片机和驱动桥连接，所述的驱动桥分别与电源保护开关电路、驱动芯片和相保护开关电路连接；所述的电源保护开关电路由输入、输出和控制部分组成，所述的输入部分连接电源，输出部分连接驱动桥，控制部分连接升压芯片。所述的电源电路为5路输出，各路均为20V/0.5A；输出电压纹波±0.5％；工作频率为40kHz；输入交流电压范围(1±10％)*220V；主电路采用单端反激式变换电路，220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后，供给电源、驱动桥和升压芯片，采用功率MOSFET作为功率开关管，在电源的变压器原边设置RCD缓冲电路。所述的单片机采用KS51和KS57系列4位单片机、KS86和KS88系列8位单片机、KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机中的一种；所述的升压芯片采用CS5171、CS5172、CS5173、CS5174中的一种，升压芯片最低输入电压2.7V，最大输出电流1.5A，输出电压范围1.25V-40V。所述的驱动芯片采用AHX2021和AHX2023两种型号中的一种；所述的驱动桥采用ir2110全桥驱动电路。驱动芯片内部集成了四个dmos管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在驱动芯片引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。驱动芯片引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。
本发明的有益效果在于：
本发明采用“工”字型结构定向天线，信号强度检测电路引入增益增强技术，进行定向天线接收信号强度检测；所述信号比较电路当中代表信号强度阈值的比较电压的电压值稳定可靠，不随温度和工艺变化，并且具有误码率容错机制，避免误检测。本发明采用全数字的结构，具有输出相位精确连续、检测分辨率精确、天线方向转换迅速、灵活性大、可编程的优点，因此可以得到广泛的使用。
Claims (8)
1.一种无人机的天线辐射方向调节器，包括一个可控马达，马达连接定向天线，还包括信号强度检测电路、信号比较电路，马达控制器；信号强度检测电路检测定向天线实时接收的遥控器信号的强度，信号比较电路比较所接收的遥控器信号的强度与预设的信号强度阈值，如果遥控器信号的强度低于所述阈值，则由马达控制器控制马达转动定向天线，调节该定向天线的有效波束角的方向，直至接收信号强度回复到所述阈值以上；
其中，所述的马达控制器对用于输出转向操作的无人机的马达进行控制，对连接至转向轴的转向构件的通过施加转向扭矩以及施加所述转向扭矩而进行的转向操作进行控制，包括：转向属性计算器，所述转向属性计算器计算作为转向状态的指标的转向状态量，其中，作用属性指标指被施加至所述转向轴的转向扭矩的施加方向，旋转属性旋转指所述转向轴的旋转方向；补偿值计算器，基于所述转向状态来计算指令补偿值；指令值计算器，通过使用指令补偿值来计算与所述马达的驱动有关的转换值，转换值是通过使用函数或映射对表示所述转向轴的运动状态的物理量进行转换而计算出的转换值。
2.根据权利要求1所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述定向天线包括介质基板，所述介质基板上嵌入矩形贴片单元，辐射由矩形贴片单元的开路端的边缘场产生，矩形贴片单元上进行了缺口添加，缺口选取100Ω微带线宽度的5倍，天线的贴片选择并行馈电结构；馈源处选择50Ω的输入阻抗；而矩形贴片单元馈电处的边缘阻抗在100Ω到400Ω之间，定向天线的矩形贴片单元与微带线之间加入一段四分之一波长阻抗变换器；矩形贴片单元间距为0.6-0.8个工作波长；矩形贴片单元和介质基板的底面添加理想导体边界PEC，工作中心频率设置为10GHz，扫频范围为9.5-10.5GHz。
3.根据权利要求1所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的信号强度检测电路由限制幅度放大器电路相互级联，每级限制幅度放大器电路的输出端连接一个包络检测单元，所有的包络检测单元连接到信号输出端，信号输出端输出表示遥控器信号强度的电压信号；并且所述信号输出端连接并联电容电阻结构，并联电容电阻结构接地。
4.根据权利要求3所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的限制幅度放大器电路包括激励信号产生模块，激励信号产生模块的相位累加器在参考时钟源和外部输入频率控制字的控制下计算出相位信息，然后根据相位信息在ROM中进行查找，产生数字信号序列，数字信号序列通过转换器转换成模拟电压信号，合成特定频率的正弦波，用于对遥控器信号进行激励放大。
5.根据权利要求3所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的限制幅度放大器的模拟通路模块由程控放大器与低通滤波器串联构成，对遥控器信号做噪声的初步滤除。
6.根据权利要求1所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的信号比较电路内设置有存储电压模块、误码率检测单元、电压保留单元、比较结果确认单元；误码率检测单元确认已有的检测误码率；存储电压模块用于根据预设的信号强度阈值产生比较电压；电压保留单元，根据误码率计算比较电压保留时间；比较结果确认单元，用于比较信号强度检测单元输出的电压信号与比较电压的大小。
7.根据权利要求1所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的马达控制器还包括马达驱动保护电路，具体包括电源、单片机、驱动芯片、驱动桥、升压芯片、电源保护开关电路以及相保护开关电路，所述的电源保护开关电路分别与电源、驱动桥和升压芯片连接，所述的升压芯片与单片机、电源保护开关电路和相保护电路连接，所述的单片机与升压芯片、驱动芯片和驱动桥连接，所述的驱动芯片与单片机和驱动桥连接，所述的驱动桥分别与电源保护开关电路、驱动芯片和相保护开关电路连接；所述的电源保护开关电路由输入、输出和控制部分组成，所述的输入部分连接电源，输出部分连接驱动桥，控制部分连接升压芯片。
8.根据权利要求7所述的天线辐射方向调节器，其特征在于，所述的电源电路为5路输出；主电路采用单端反激式变换电路，220V交流输入电压经桥式整流、电容滤波变为直流后，供给电源、驱动桥和升压芯片，采用功率MOSFET作为功率开关管，在电源的变压器原边设置RCD缓冲电路。
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