今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
關鍵詞：GPS；電子羅盤；CAN總線；閉環控制
樊江
男，新疆克拉瑪依人，北京交通大學03級碩士研究生，研究方向為移動機器人，人工智能，自動控制。
1 引言
在車載無線通信系統中，為了提高通信的質量，車上的天線往往采用定向天線。定向天線只有在天線方向圖的主瓣方向增益最大。當天線主瓣方向對準目標點時，信號最強，傳輸質量最好。本系統的設計初衷，就是在汽車的高速行駛過程中，能夠控制車載云臺的轉動，使得天線能夠始終自動對中目標點，從而提高無線通信的抗干擾性，保證通信的質量。
2 天線自動對中的控制原理
本文的研究與設計基于車載云臺與目標點都處于同一水平面的假設，即只控制云臺的航向角，不涉及天線的仰角。
圖1 天線云臺控制原理
如圖1所示，圖中左下方為裝有云臺天線的移動車輛，云臺固定在車體的中心點O，車上配有GPS和數字羅盤兩種傳感器，Target為目標點，點P是目標點的中心。x軸正方向表示車內磁羅盤測得的航向角為90o的方向，y軸正方向表示磁羅盤測得的航向角為零的方向，角度按逆時針方向增加。圖中畫出了具有一般意義下移動車輛與目標點之間的位置關系。
通常目標點中心點P的GPS坐標是已知的，如果未知則可通過測定得到。裝在移動車輛上的GPS可以測得點O的地理位置信息，連接O、P兩點，則指向目標點的矢量與地理真北的夾角β即是指向性天線的參考航向角，β可由O、P兩點的GPS數據經過坐標轉換和計算得出。數字羅盤水平安裝在云臺天線的頂部，方向與指向性天線主瓣方向平行，測得的航向角α(天線實際位置與地理真北的夾角)即是天線的實際航向角。則與夾角θ就是天線云臺實際要旋轉的角度，不難得出θ=α-β。只要控制天線云臺從轉動到，就可實現定向天線對準目標點。
3 系統的硬件設計
整個天線控制系統的控制框圖如圖2所示。核心的控制模塊分為上、下位機兩個模板。上位機的功能包括：通過鍵盤向MCU發送控制命令，LCD顯示當前狀態和下位機傳送過來的信息，通過CAN總線與下位機通信，備用的串口擴展模塊也可以接收來自GPS和數字羅盤的數據。下位機有兩種工作模式：自主模式和人工模式。在自主模式下，下位機接收GPS和數字羅盤的數據，然后計算轉角θ的大小，輸出控制脈沖串控制電機的轉動，并通過電位器測得云臺轉角的反饋量；在人工模式下，通過接收來自上位機的控制命令，由人直接控制云臺的轉動，便于消除誤差。
圖2 天線控制系統框圖
這樣設計的目的是為了增強使用的通用性和方便性。下位機模板安裝在云臺底部，當沒有上位機時也可以正常工作。上位機可以固定在駕駛室，通過LCD反饋給駕駛員控制信息。
3.1 Microchip的PIC18F458單片機
上、下位機的MCU選用了Microchip公司的PIC18F458，其性能指標見表1。
表1 PIC18F458主要性能指標一覽
測控模板需要處理大量來自傳感器反映行車狀態的信號，Microchip PIC18F458片上的34個I/O端口能較好的滿足需求，且便于今后的功能擴展；片上含有集成的CAN控制器和USART接口，方便與汽車上的其它電子單元進行通訊；PIC18F458工作溫度在-40℃-125℃，能夠適應環境的要求。
3.2 CAN通信模塊
上位機和下位機之間的數據傳送是通過CAN(Controller Area Network)總線來完成的。CANBUS是德國Bosh公司于80年代初期為解決現代汽車控制系統中眾多的數據交換而開發的一種串行通信系統。由于它具有實時性能好、可靠性高、便于擴充等優點，因此在汽車控制領域得到了廣泛應用。因此，在云臺天線項目的研制中，將CANBUS作為測量控制模板和人機交互模板的數據通信方案。
仔細研究上、下位機間要傳送的數據，定制數據通信的格式和約定，協調上、下位機間的通信。CAN傳送的數據經過鎖存、光電隔離后，經CAN收發器PCA82C250輸出。表2為約定的CAN總線數據傳輸格式。
表2 CAN總線數據傳輸格式
3.3 RS232通信模塊
PIC18F458帶有一個USART模塊，但是電子羅盤和GPS都要使用RS232串口，所以必須對MCU進行串口的擴展。SP2339是采用低功耗CMOS工藝設計的串口擴展芯片，可將MCU原有的一個串口擴展成為3個全雙工串口，子串口的波特率最高可以達到9600bps。
GPS接收機采用GRAMIN GPS25-LVS OEM板卡設計。該板卡具有12個通道，可以同時跟蹤多達12顆衛星，能夠滿足陸地導航的靈敏度需求與動態需求。GPS25-LVS板卡外接電源和GPS天線后，就可通過RS232串口與MCU通信。在整個控制系統工作之前，先由上位機讀取目標點GPS接收機輸出信息，將提取出來的經緯度數據保存在EEPROM中。
數字羅盤由TDCM3二維數字羅盤模塊制成。TDCM3采用了低功耗微處理器，具有干擾檢測，自動校準功能。航向精度為±3°，分辨率為0.5°，最高數據傳輸速率19200bps，輸出格式為：Status+θMSB+θLSB。當狀態位Status=80H時，羅盤工作正常；Status=81H時，羅盤輸出錯誤，航向角θ的計算公式為：θ=(θMSB×256+θLSB)/2。
3.4 電位器數據采集模塊
天線云臺相對于移動車輛的角度是由電位器測量得到的，電位器的滿量程對應于云臺轉過一周(360°)的角度。因此，在確定了電位器的零點之后，可以通過測量電位器的電壓值來得到天線云臺相對于車輛實際轉過的角度。
將電位器的電壓值作為云臺實際角位移的反饋量傳送給MCU，從而構成一個閉環控制系統，如圖3所示：
圖3 天線云臺角位移控制系統框圖
4 系統的軟件設計
上位機的軟件完成以下功能：目標點位置坐標的輸入、存儲(使用EEPROM)和顯示；當前車輛的位置更新及顯示；通過鍵盤輸入控制命令，進行手動與自動模式的切換；在手動模式下，用鍵盤實現轉動角度的選擇。RS232串口和CAN總線數據的傳輸均采用中斷方式(下位機與此相同)，且串口的中斷優先級最高，對鍵盤的輸入采用掃描的方式。
下位機的軟件要完成的功能包括：從上位機接收目標點GPS數據，實時采集移動機器人的GPS位置數據和數字羅盤的數據，從而計算出θ的大小；響應手動和自動模式之間的切換；采集電位器的數據；輸出脈沖串，驅動電機帶動天線云臺轉動。
5 結束語
本文設計了全自動車載云臺天線控制系統，并用PIC單片機實現了天線自動對中目標點，對于提高車載無線通信系統的工作質量提供了一種可行性方案。
本系統是建立在GPS、數字羅盤、電位器等傳感器測量數據的基礎上的，所以傳感器的測量精度是系統運行狀況的關鍵。GPS的一個重大問題就是低的更新速率(1秒鐘更新一次)，甚至有的時候接收不到衛星信號。磁羅盤由于受到其它磁場的干擾，測量精度也需要進一步提高。但對于一般的應用，本文提供的方案所達到的精度能夠符合要求。本系統已安裝在清華智能車THMR-V上，用于智能車向指揮站(目標點)傳輸圖像。
參考文獻：
[1] PIC18FXX8 Data Sheet. Microchip Technology Inc，2003 .
[2] GPS 25LP SERIES GPS SENSOR BOARDS TECHNICAL SPECIFICATION. GARMIN Corporation，2000.
[3] TDCM3 DIGITAL COMPASS MODULE DATA SHEET. TOPTEAM TECHNOLOGY CO.,LTD，2001.
[4] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計[M]. 北京航空航天大學出版社，1996.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號