基于單片機的無人機自追蹤系統(tǒng)設計

胡靖琨　徐坤　蔡斯倫　張旭君

摘 要

該項目旨在解決無人機追蹤問題，設計了基于單片機的天線控制系統(tǒng)。系統(tǒng)單片機通過接收到的無人機GPS信息和自身GPS信息來計算方位角和俯仰角，并生成控制命令傳送至伺服電機控制模塊，單片機通過控制伺服電機的轉(zhuǎn)動，使得天線實時指向無人機飛行位置。這些設計將使系統(tǒng)能夠準確地跟蹤信號，實現(xiàn)無人機自追蹤的功能。

關鍵詞

GPS;天線;控制;云臺;跟蹤

中圖分類號： G633.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.69

0 引言

近年來，隨著科技的迅速發(fā)展，無人機作為探測工具從軍用逐漸轉(zhuǎn)為民用，也得到了越來越多的關注。其在環(huán)保領域、電力巡檢、影視拍攝、人員搜救等許多領域也是應用的越來越廣泛，并有著廣闊前景。在許多領域中，需要確保無人機能夠飛行的穩(wěn)定并且與地面基站建立起良好的信號，這關系著基站是否能夠準確的收到無人機發(fā)送回來的數(shù)據(jù)以及無人機發(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)丟包并且同時提高接受增益和抗干擾能力，本系統(tǒng)采用了定向天線來實時跟蹤無人機，確保定向天線的波瓣寬度能夠始終的覆蓋無人機。目前，現(xiàn)有的自動跟蹤方法有步進跟蹤、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)缺點后，發(fā)現(xiàn)程序跟蹤是一種較為簡單有效的方法。針對無人機自動跟蹤的算法模型中，平面模型應用較為廣泛，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算量過大。經(jīng)過比較分析后，本文選用了圓球模型來進行無人機跟蹤的算法計算，并把其計算得出的方位角和俯仰角通過單片機轉(zhuǎn)換成控制指令來控制伺服電機對目標的跟蹤。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊接收到無人機傳遞過來的經(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上，接著把定向天線當前的GPS數(shù)據(jù)傳遞到單片機，確定系統(tǒng)自身的位置信息，對所有數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出定向天線需要轉(zhuǎn)動的方位角度，隨后單片機通過指令控制系統(tǒng)的兩個伺服電機進行轉(zhuǎn)動，使得天線實時指向無人機，從而實現(xiàn)自動跟蹤的效果[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，設A點為系統(tǒng)位置點，其位置坐標為（X1，Y1，Z1），D為無人機飛行點，其位置坐標為（X2，Y2，Z2），其中X1、X2，Y1、Y2，Z1、Z2分別表示A、D兩點的緯度、經(jīng)度和海拔高度。以真北N為0度起點，由東向南向西順時針旋轉(zhuǎn)360度，地球半徑設為R。

因為地球是個球體，如果AD兩點很靠近（例如相距1km），那么可以當做平面三角形求夾角，把兩點的經(jīng)度、緯度各自做差，差值作為平面三角形兩臨邊的長度，接著使用反正切函數(shù)得到其方位角度，再根據(jù)D點與A點的垂直距離當作海拔高度求出其俯仰角。但是如果將計算結果與實際測量值進行比較，就會發(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。這種近似利用平面幾何知識解決問題的算法只適合于低緯度地區(qū)，如果在高緯度地區(qū)使用這種方法進行求解，會使得結果誤差較大，而且誤差會隨著緯度的增大而增大。因為在不同的緯度位置，相同的經(jīng)度差所對應的球面距離是不一樣的。因此，為了使測量結果更準確，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，D為無人機飛行點，D在地面的投影為B，O為球心，把二面角A-ON-B設為ON，弧AB為AB兩點的球面距離，AC方向為觀測點的正北方向，∠DAQ的為天線的仰角，設為Γ，∠QAC為方位角，設為Θ，另設a，b，n為A，B，N三點對弧的兩端點與地心O連線所夾的角.則根據(jù)三面角余弦公式：

3 結語

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

參考文獻

[1]查長流，丁希侖，俞玉樹， et al.無人機定向天線自跟蹤系統(tǒng)研究[J].北京航空航天大學學報，2016，42（4）：737-744.

[2]張小斌.OpenStack 企業(yè)云平臺架構與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3]李正周，趙峰，楊士德，et al.基于梯度法的對空中目標搜索與跟蹤[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（5）：1078-1081.

[4]郭倩倩，周曉慧.基于GPS的無人機天線自動跟蹤系統(tǒng)[J].計算機應用與軟件，2017（6）.

[5]王俊鳳，雷斌.卡爾曼預測在自動跟蹤云臺中的應用[J].國外電子測量技術，2006，25（10）：53-55 .

[6]孫興邦.衛(wèi)星天線自動跟蹤算法的研究[D].大連：大連海事大學，2008.

[7]馮磊，劉強，韓小軍.動中通步進跟蹤系統(tǒng)的設計與仿真[J].無線電工程，2014，44（3）：73-76.

[8]杜利明，柴海莉.基于GPS信息的天線自跟蹤設計[J].微計算機信息，2008，24（25）.