CN109786967A - 一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，主要由外层保护壳，承重转动模块和跟踪调节模块组成；所述承重转动模块包括步进电机a、步进电机b、转动钢架a、转动钢架b、支撑钢架3、转动轴承和转轴；所述跟踪调节模块由步进电机a、步进电机b、电子罗盘、微处理器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪组成，所述电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪采集到的数据单向传向微处理器，微处理器通过处理来控制步进电机a和步进电机b转动，进而主动调整姿态。本发明采用电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪更精确得出偏移位置；使用主动预测跟踪的处理方法来消除姿态调整过程的滞后性，实现由船和地面高精度的直接通讯。
Description
技术领域
本发明属于姿态调整***技术领域，特别涉及一种面向船—地通讯或者船—船通讯的能够自动跟踪发射源或接收源的姿态调整***。
背景技术
不同于一般相对固定的地面天线，船载天线在实际工作环境中会受船舶航向运动、船体起伏颠簸以及大风气流影响发生各种不确定运动，从而导致船载天线偏离最佳的发射或接收电磁波方向，故船载天线需要进行俯仰、方位转动调节瞄准目标源。目前专利中主要的姿态调整***是对卫星进行跟踪的姿态调整***，缺乏船—船间通讯和船—地间通讯的船载姿态调整***的发明设计，无法满足不经过卫星直接由船和地面的直接通讯的需求，如：陆上连线船上现场直播。
发明内容
为满足技术背景中的需求，本发明提供一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***。
本发明的技术方案：
一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，主要由外层保护壳、承重转动模块和跟踪调节模块组成，承重转动模块和跟踪调节模块位于外层保护壳内部；
所述外层保护壳由耐腐蚀塑料壳2组成，可以长时间在海上高湿度高盐度环境工作；
所述承重转动模块包括步进电机a1、步进电机b4、转动钢架a5、转动钢架b6、支撑钢架3、转动轴承7和转轴8；
所述转动钢架a5、转动钢架b6和支撑钢架3为正方形结构，表面均涂有耐腐蚀的涂料，以适应船舶航行中的高湿度，高盐度环境；
所述支撑钢架3下边和转轴8固定相连，所述支撑钢架3上边和步进电机a1固定相连；支撑钢架3套装于转动钢架a5外部，所述转动钢架a5下边和转轴8活动相连，固定在支撑钢架3上边的步进电机a1输出轴和转动钢架a5上边活动相连，转动钢架a5可绕转轴8和步进电机a1所在轴线转动；所述转动轴承7与转动钢架a5一边固定相连，所述步进电机b4与转动钢架a5另一边固定相连；所述转动钢架a5套装于转动钢架b6外部，所述转动钢架b6一边与转动轴承7活动相连，转动钢架b6另一边与步进电机b4活动相连，转动钢架b6可绕转动轴承7和步进电机b4所在轴线转动；
所述跟踪调节模块主要由步进电机a1、步进电机b4、电子罗盘9、微处理器10、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12组成；所述电子罗盘9、微处理器10、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12均固定在外层保护壳内部；
所述步进电机a1和步进电机b4运作时能以0.18°的步距角转动，步进电机a1工作能带动转动钢架a5转动，从而调节方位角；步进电机b4工作能带动转动钢架b6转动，从而调节仰俯角；
本发明所述微处理器10基于PID算法思想，该算法所用公式为：
Y(i)＝KP*e(i)+KD*(de(i)/dt)+KIΔy(i-1)
其中，KP表示比例增益系数，KD表示微分增益系数，KI表示积分增益系数，Y(i)表示第i次某轴的角速度，e(i)表示第i次某轴的角速度，de(i)/dt表示第i次某轴的角速度的变化率，Δy(i-1)表示第i-1次的偏差。
工作开始时通过读取三轴陀螺仪12传回的数据得到角速度e(i)，通过微分得到de(i)/dt，该值用于对未来运动的预测，以实现主动调整姿态消除滞后性，接着根据上述公式求得第i次某轴的角速度，其中Δy(i-1)表示返回值Y(i-1)控制步进电机a1和步进电机b4调整后的姿态和初始姿态对比得到偏差，所述调整后的姿态通过电子罗盘9和三轴陀螺仪12精确测得，所述Δy(i-1)表示主动调整的偏差，引入该值可以使调整算法误差降低。
本发明的有益效果：本发明采用电子罗盘、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪更加精确得出偏移位置；其中三轴加速度传感器在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在，而有误差。三轴陀螺仪在较短时间内则比较准确而较长时间则会由于漂移而存有误差。三轴加速度传感器和三轴陀螺仪可以相互消除误差，使用电子罗盘校准测量偏航角度的陀螺仪的漂移值，三者搭配调节使用能精确得到偏离位置，从而进行精确调整；通过使用主动预测跟踪的处理方法来消除姿态调整过程的滞后性。
附图说明
图1为本发明***的主视图。
图2为本发明***的俯视图。
图3为本发明***的侧视图。
图4为本发明***的主动预测跟踪处理方法的程序框图。
图5为本发明***的跟踪调节模块电流链接示意图。
图中：1步进电机a；2耐腐蚀塑料壳；3支撑钢架；4步进电机b；5转动钢架a；6转动钢架b；7转动轴承；8转轴；9电子罗盘；10微处理器；11三轴加速度传感器；12三轴陀螺仪。
具体实施方式
以下结合技术方案和说明书附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，主要由外层保护壳、承重转动模块和跟踪调节模块组成；
所述外层保护壳由耐腐蚀塑料壳2组成；所述承重转动模块包括步进电机a1、步进电机b4、转动钢架a5、转动钢架b6、支撑钢架3、转动轴承7和转轴8；所述转动钢架a5、转动钢架b6和支撑钢架3为正方形结构；所述支撑钢架3下边和转轴8固定相连，所述支撑钢架3上边和步进电机a1固定相连；支撑钢架3套装于转动钢架a5外部，所述转动钢架a5下边和转轴8活动相连，所述步进电机a1和转动钢架a5上边活动相连，转动钢架a5可绕转轴8和步进电机a1所在轴线转动；所述转动轴承7与转动钢架a5一边固定相连，所述步进电机b4与转动钢架a5另一边固定相连；所述转动钢a5套装于转动钢架b6外部，所述转动钢架b6一边与转动轴承7活动相连，转动钢架b6另一边与步进电机b4活动相连，转动钢架b6可绕转动轴承7和步进电机b4所在轴线转动；
所述跟踪调节模块主要由步进电机a1、步进电机b4、电子罗盘9、微处理器10、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12组成；所述电子罗盘9、微处理器10、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12均固定在外层保护壳内部；步进电机a1、步进电机b4、电子罗盘9、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12均与微处理器10相连，电子罗盘9、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12采集到的数据单向传向微处理器10，微处理器10将数据进行处理，从而控制步进电机a1和步进电机b4转动，进而主动调整姿态。
本发明所述微处理器10基于PID算法思想，该算法所用公式为：
Y(i)＝KP*e(i)+KD*(de(i)/dt)+KIΔy(i-1)
其中，KP表示比例增益系数，KD表示微分增益系数，KI表示积分增益系数，Y(i)表示第i次某轴的角速度，e(i)表示第i次某轴的角速度，de(i)/dt表示第i次某轴的角速度的变化率，Δy(i-1)表示第i-1次的偏差。
实际工作过程中，将船载天线固定于转动钢架b6框内，当船载天线受船舶航向运动、船体起伏颠簸以及大风气流影响发生各种不确定运动时，电子罗盘9、三轴加速度传感器11和三轴陀螺仪12将采集到的数据发送到微处理器10，微处理器10对船载天线运动进行预测，进一步控制步进电机a1和步进电机b4转动，从而主动调整船载天线姿态，使船载天线相对目标始终保持最佳方向。
Claims (8)
1.一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述的高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***主要由外层保护壳、承重转动模块和跟踪调节模块组成，承重转动模块和跟踪调节模块位于外层保护壳内部；
所述承重转动模块包括步进电机a(1)、步进电机b(4)、转动钢架a(5)、转动钢架b(6)、支撑钢架(3)、转动轴承(7)和转轴(8)；所述支撑钢架(3)下边和转轴(8)固定相连，所述支撑钢架(3)上边固定有步进电机a(1)；支撑钢架(3)套装于转动钢架a(5)外部，所述转动钢架a(5)下边和转轴(8)活动相连，固定在支撑钢架(3)上边的步进电机a(1)输出轴和转动钢架a(5)上边活动相连，转动钢架a(5)可绕转轴(8)和步进电机a(1)所在轴线转动；所述转动轴承(7)与转动钢架a(5)一边固定相连，所述步进电机b(4)与转动钢架a(5)另一边固定相连；所述转动钢架a(5)套装于转动钢架b(6)外部，所述转动钢架b(6)一边与转动轴承(7)活动相连，转动钢架b(6)另一边与步进电机b(4)活动相连，转动钢架b(6)可绕转动轴承(7)和步进电机b(4)所在轴线转动；
所述跟踪调节模块主要由步进电机a(1)、步进电机b(4)、电子罗盘(9)、微处理器(10)、三轴加速度传感器(11)和三轴陀螺仪(12)组成；所述电子罗盘(9)、微处理器(10)、三轴加速度传感器(11)和三轴陀螺仪(12)均固定在外层保护壳内部，步进电机a(1)、步进电机b(4)、电子罗盘(9)、三轴加速度传感器(11)和三轴陀螺仪(12)均与微处理器(10)相连，电子罗盘(9)、三轴加速度传感器(11)和三轴陀螺仪(12)采集到的数据单向传向微处理器(10)，微处理器(10)进一步处理，进而控制步进电机a(1)和步进电机b(4)转动，进而主动调整姿态。
2.根据权利要求1所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述微处理器(10)基于PID算法思想，该算法所用公式为：
Y(i)＝KP*e(i)+KD*(de(i)/dt)+KIΔy(i-1)
其中，KP表示比例增益系数，KD表示微分增益系数，KI表示积分增益系数，Y(i)表示第i次某轴的角速度，e(i)表示第i次某轴的角速度，de(i)/dt表示第i次某轴的角速度的变化率，Δy(i-1)表示第i-1次的偏差。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述步进电机a(1)和步进电机b(4)运作时以0.18°的步距角转动，步进电机a(1)工作带动转动钢架a(5)转动，从而调节方位角；步进电机b(4)工作带动转动钢架b(6)转动，从而调节仰俯角。
4.根据权利要求1或2所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述转动钢架a(5)、转动钢架b(6)和支撑钢架(3)为正方形结构，表面均涂有耐腐蚀的涂料，以适应船舶航行中的高湿度，高盐度环境。
5.根据权利要求3所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述转动钢架a(5)、转动钢架b(6)和支撑钢架(3)为正方形结构，表面均涂有耐腐蚀的涂料，以适应船舶航行中的高湿度，高盐度环境。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述外层保护壳由耐腐蚀塑料壳(2)组成。
7.根据权利要求3所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述外层保护壳由耐腐蚀塑料壳(2)组成。
8.根据权利要求4所述的一种高精度实时跟踪的船载天线姿态控制***，其特征在于，所述外层保护壳由耐腐蚀塑料壳(2)组成。
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