车载定向天线稳定跟踪平台的研究与开发

摘要

图像的无线传输是遥控系统的关键技术。在THMR-V的临场感遥控系统中，移动指挥站THMR-V（指挥站）使用定向天线接收室外移动机器人站（移动站）摄像头得到的图像信息。但是移动站和指挥站处于不断的运动中，如果定向天线不能对准移动站，会造成图像模糊或图像丢失，所以需要解决定向天线的实时对中问题。本文以THMR-V临场感遥控系统为应用背景，研究开发了一套速度快、精度高、实时性较好的车载定向天线稳定跟踪平台，该平台可以抵消由于运动载体的长距离移动和载体的角运动带来的干扰，使得指挥站的定向天线能够始终自动指向移动站，从而提高图像无线传输的抗干扰性和可靠性。
　　结合项目实际需求，对车载定向天线稳定跟踪平台的总体方案进行了深入的研究，选择了单轴转动机械结构，降低了系统成本和设计难度；确定了“GPS/电子罗盘组合”的稳定方案和“程序跟踪+闭环”的跟踪方式，提高了控制速度和精度。并根据总体方案，完成了以DSP为控制核心，以GPS、电子罗盘及光码盘为位姿传感器的稳定跟踪平台的软硬件设计，并对各个模块进行了详细讨论。
　　本文对稳定跟踪平台关键技术进行了研究，主要包括积分分离PID算法和速度前馈算法、改进的梯形加减速控制、遥控系统中的临场感技术和无缝切换技术，并详细介绍了实现方法。文中重点研究了定向天线的跟踪原理，给出了基于GPS地理位置坐标的天线目标方位角和天线伺服目标角的求解方法。分析并计算了天线的载荷情况，提出了提高定向天线稳定性能的有效措施。
　　最后，本文为THMR-V临场感遥控系统设计了基于力反馈和无缝切换技术的遥控器，协调监控系统完成对移动站的远程遥控。
　　本文研究开发的车载定向天线稳定跟踪平台基本达到预期设计要求，并成功应用于THMR-V的临场感遥控系统中。

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Contents

1 绪 论

1.1室外移动机器人概述

1.2室外移动机器人的发展水平及典型系统

1.3 稳定跟踪平台概述及研究现状

1.4 课题来源与研究意义

1.5论文研究的主要内容

2 稳定跟踪平台关键技术研究

2.1位置伺服控制系统概述

2.2 PID控制算法研究

2.3加减速控制方法研究

2.4临场感技术与无缝切换技术研究

2.5本章小结

3 定向天线跟踪原理及载荷分析

3.1相关坐标系定义

3.2定向天线跟踪原理

3.3定向天线目标方位角计算

3.4天线载荷分析

3.5本章小结

4 稳定跟踪平台总体设计

4.1定向天线机械结构设计

4.2稳定平台选取

4.3跟踪方式确立

4.4 本系统总体框图

4.5位姿传感器选型

4.6执行电机选择

4.7本章小结

5 稳定跟踪平台硬件电路设计

5.1稳定跟踪平台硬件总体规划

5.2系统电源

5.3 DSP最小系统

5.5 D/A模块

5.6 串口扩展与通信电路

5.7光码盘位置检测电路

5.8电机驱动模块

5.9本章小结

6 稳定跟踪平台软件开发

6.1系统软件平台框图

6.2主程序及定时中断程序设计

6.3位姿信号采集程序

6.4位置伺服算法实现

6.5串口通信

6.6遥控器模块

6.7本章小结

7 总结和展望

致谢

攻读学位期间发表的论文

参考文献