基于單片機的無人機自追蹤系統設計

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。系統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動，使得天線實時指向無人機飛行位置。這些設計將使系統能夠準確地跟蹤信號，實現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，隨著科技的迅速發展，無人機作為探測工具從軍用逐漸轉為民用，也得到了越來越多的關注。其在環保領域、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送回來的數據以及無人機發送圖片的質量。因此，為了保證收發的數據不出現丟包并且同時提高接受增益和抗干擾能力，本系統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缺點后，發現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，在高緯度地區的誤差會比在低中緯度地區的誤差大，圓球模型適用于任何地區，并且其誤差均小于1°，橢球模型精度高但其計算量過大。經過比較分析后，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換成控制指令來控制伺服電機對目標的跟蹤。

1 系統組成

系統通過無線收發模塊接收到無人機傳遞過來的經緯度、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數據傳遞到單片機，確定系統自身的位置信息，對所有數據進行綜合分析，得出定向天線需要轉動的方位角度，隨后單片機通過指令控制系統的兩個伺服電機進行轉動，使得天線實時指向無人機，從而實現自動跟蹤的效果[3-4]。系統整體組成如圖1所示。

2 跟蹤系統算法

基于GPS技術，設A點為系統位置點，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得到其方位角度，再根據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，就會發現兩者之間的誤差比較大，而這種誤差在某些地區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，如果在高緯度地區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控制器。該控制器主要包含無線收發模塊、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模塊接收無人機上GPS模塊傳輸的位置信息從而反饋到單片機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，從而達到信號穩定的效果，成本低且具有實際的應用價值。

參考文獻

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