基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)自追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡靖琨　徐坤　蔡斯倫　張旭君

摘 要

該項(xiàng)目旨在解決無(wú)人機(jī)追蹤問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的天線控制系統(tǒng)。系統(tǒng)單片機(jī)通過(guò)接收到的無(wú)人機(jī)GPS信息和自身GPS信息來(lái)計(jì)算方位角和俯仰角，并生成控制命令傳送至伺服電機(jī)控制模塊，單片機(jī)通過(guò)控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得天線實(shí)時(shí)指向無(wú)人機(jī)飛行位置。這些設(shè)計(jì)將使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地跟蹤信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自追蹤的功能。

關(guān)鍵詞

GPS;天線;控制;云臺(tái);跟蹤

中圖分類號(hào)： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.69

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的迅速發(fā)展，無(wú)人機(jī)作為探測(cè)工具從軍用逐漸轉(zhuǎn)為民用，也得到了越來(lái)越多的關(guān)注。其在環(huán)保領(lǐng)域、電力巡檢、影視拍攝、人員搜救等許多領(lǐng)域也是應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，并有著廣闊前景。在許多領(lǐng)域中，需要確保無(wú)人機(jī)能夠飛行的穩(wěn)定并且與地面基站建立起良好的信號(hào)，這關(guān)系著基站是否能夠準(zhǔn)確的收到無(wú)人機(jī)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)發(fā)送圖片的質(zhì)量。因此，為了保證收發(fā)的數(shù)據(jù)不出現(xiàn)丟包并且同時(shí)提高接受增益和抗干擾能力，本系統(tǒng)采用了定向天線來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤無(wú)人機(jī)，確保定向天線的波瓣寬度能夠始終的覆蓋無(wú)人機(jī)。目前，現(xiàn)有的自動(dòng)跟蹤方法有步進(jìn)跟蹤、圓錐掃描跟蹤、單脈沖單通道跟蹤和程序跟蹤等[1-4]，在分析了幾種跟蹤的優(yōu)缺點(diǎn)后，發(fā)現(xiàn)程序跟蹤是一種較為簡(jiǎn)單有效的方法。針對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)跟蹤的算法模型中，平面模型應(yīng)用較為廣泛，但是受到地理位置的影響較大，在高緯度地區(qū)的誤差會(huì)比在低中緯度地區(qū)的誤差大，圓球模型適用于任何地區(qū)，并且其誤差均小于1°，橢球模型精度高但其計(jì)算量過(guò)大。經(jīng)過(guò)比較分析后，本文選用了圓球模型來(lái)進(jìn)行無(wú)人機(jī)跟蹤的算法計(jì)算，并把其計(jì)算得出的方位角和俯仰角通過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成控制指令來(lái)控制伺服電機(jī)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收到無(wú)人機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的經(jīng)緯度、海拔高度的位置信息，這些位置信息被傳送到單片機(jī)上，接著把定向天線當(dāng)前的GPS數(shù)據(jù)傳遞到單片機(jī)，確定系統(tǒng)自身的位置信息，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出定向天線需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方位角度，隨后單片機(jī)通過(guò)指令控制系統(tǒng)的兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得天線實(shí)時(shí)指向無(wú)人機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的效果[3-4]。系統(tǒng)整體組成如圖1所示。

2 跟蹤系統(tǒng)算法

基于GPS技術(shù)，設(shè)A點(diǎn)為系統(tǒng)位置點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為（X1，Y1，Z1），D為無(wú)人機(jī)飛行點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為（X2，Y2，Z2），其中X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2分別表示A、D兩點(diǎn)的緯度、經(jīng)度和海拔高度。以真北N為0度起點(diǎn)，由東向南向西順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360度，地球半徑設(shè)為R。

因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)球體，如果AD兩點(diǎn)很靠近（例如相距1km），那么可以當(dāng)做平面三角形求夾角，把兩點(diǎn)的經(jīng)度、緯度各自做差，差值作為平面三角形兩臨邊的長(zhǎng)度，接著使用反正切函數(shù)得到其方位角度，再根據(jù)D點(diǎn)與A點(diǎn)的垂直距離當(dāng)作海拔高度求出其俯仰角。但是如果將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者之間的誤差比較大，而這種誤差在某些地區(qū)甚至能直接觀察出來(lái)。這種近似利用平面幾何知識(shí)解決問(wèn)題的算法只適合于低緯度地區(qū)，如果在高緯度地區(qū)使用這種方法進(jìn)行求解，會(huì)使得結(jié)果誤差較大，而且誤差會(huì)隨著緯度的增大而增大。因?yàn)樵诓煌木暥任恢?，相同的?jīng)度差所對(duì)應(yīng)的球面距離是不一樣的。因此，為了使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，我們采用了一種在任何區(qū)域都適合的圓球模型，將地球近似看成一個(gè)圓形球體[6]。圓球模型如圖2所示。

圖中A表示系統(tǒng)位置點(diǎn)，D為無(wú)人機(jī)飛行點(diǎn)，D在地面的投影為B，O為球心，把二面角A-ON-B設(shè)為ON，弧AB為AB兩點(diǎn)的球面距離，AC方向?yàn)橛^測(cè)點(diǎn)的正北方向，∠DAQ的為天線的仰角，設(shè)為Γ，∠QAC為方位角，設(shè)為Θ，另設(shè)a，b，n為A，B，N三點(diǎn)對(duì)弧的兩端點(diǎn)與地心O連線所夾的角.則根據(jù)三面角余弦公式：

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)定向天線實(shí)時(shí)跟蹤的需求，在進(jìn)行三種模型算法的綜合對(duì)比后，本文采用圓球模型來(lái)代替平面模型和橢球模型，并且設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的天線自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制器。該控制器主要包含無(wú)線收發(fā)模塊、GPS模塊、伺服電機(jī)控制模塊等模塊，使用的模塊成本較低但具有較高的可靠性與實(shí)用性。在將地球近似看成一個(gè)圓形球體后，選用圓球模型跟蹤算法能夠較為準(zhǔn)確的滿足定向天線的實(shí)時(shí)追蹤。該設(shè)計(jì)整體上由單片機(jī)上的無(wú)線收發(fā)模塊接收無(wú)人機(jī)上GPS模塊傳輸?shù)奈恢眯畔亩答伒絾纹瑱C(jī)主控制器中并生成控制命令，使得兩個(gè)舵機(jī)控制定向天線準(zhǔn)確快捷的追蹤無(wú)人機(jī)飛行，從而使得定向天線的波瓣能夠始終覆蓋到無(wú)人機(jī)上，從而達(dá)到信號(hào)穩(wěn)定的效果，成本低且具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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