一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法与流程

本发明涉及的云台追踪技术领域，尤其涉及一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统。

背景技术：

在电力行业，无人机巡检优势出众，效率比传统人工巡检高出40倍，还为电力公司工作人员免去了许多风险；在民用领域，无人机可用于地图测绘、地质勘测、灾害监测、气象探测、空中交通管制、边境巡逻监控、通信中继、农药喷洒等，在军事领域无人机同样有广泛的应用。

但在实际使用的过程中，受到复杂场景的影响，无人机的操作性大大下降，失控坠毁，图传及控制信号容易受干扰等情况时常发生，且当无人机偏离控制接收器时信号强度大大降低，传回图像模糊，导致作业失误。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统存在无人机偏离控制接收器时信号强度大大降低，传回图像模糊的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统，包括，

无人机端，包括采集单元、与所述采集单元连接的传输单元以及无人机，所述采集单元和传输单元均设置于所述无人机上；以及，

地面云台端，包括接收单元、与所述接收单元连接的控制单元以及与所述控制单元建立连接的响应单元，所述接收单元与所述传输单元建立连接。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述采集单元包括第一北斗定位模块和图像采集模块，所述第一北斗定位模块用于获取无人机的第一北斗定位信息，所述图像采集模块用于获取图像采集信息；

其中，所述第一北斗定位信息为无人机的坐标信息。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述传输单元包括第一lora数传模块和图像传输天线，所述第一北斗定位模块和图像采集模块分别通过所述第一lora数传模块和图像传输天线发送第一北斗定位信息和图像采集信息。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述接收单元的第二lora数传模块和面阵天线通过无线通讯分别接收所述第一北斗定位模块的第一北斗定位信息和所述图像传输天线的图像采集信息。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述地面云台端的第二北斗定位模块采集的第二北斗定位信息、第一北斗定位信息和图像采集信息输送至所述控制单元；

其中，所述控制单元接收并计算第二北斗定位信息与第一北斗定位信息的坐标偏差。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述响应单元包括图像显示模块、水平舵机和垂直舵机，所述控制单元均与所述面阵天线、图像显示模块、水平舵机和垂直舵机建立连接；

其中，所述控制单元根据坐标偏差调节所述响应单元的面阵天线的角度。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台方法，包括步骤，

无人机端通过第一lora数传模块发送第一北斗定位信息，同时通过图像传输天线发送图像采集信息发送至地面云台端；

地面云台端的第二lora数传模块通过无线通信接收到第一北斗定位信息；

地面云台端的控制单元通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定；

控制单元控制地面云台端上响应单元的水平舵机和垂直舵机打角是面阵天线的法线方向变化；

其中，所述地面云台端的控制单元通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定还包括步骤：

若是，控制单元根据第二北斗定位信息进行初始化标定；

控制单元开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块和第二北斗定位模块的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差；

其中，所述地面云台端的控制单元通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定还包括步骤：

若否，控制单元开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块和第二北斗定位模块的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：所述地面云台端的控制单元通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定的步骤包括：

地面云台端第一次接收到第一北斗定位模块a和第二北斗定位模块传来的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息；

控制单元以第二北斗定位模块的定位信息作为中心原点o，建立基于经纬度及高度的三维空间直角坐标系，以北为x轴正方向，西为y轴正方向，垂直x-o-y平面向上为z轴正方向，并设定范围分区；

以y轴正方向取距原点米的a点作为标准位置比较点；

控制单元控制水平舵机和垂直舵机初始化偏转角度，使面阵天线的法线方向指向y轴正方向，初始化标定完成；

其中，第一北斗定位信息和第二北斗定位信息均为坐标信息，坐标信息包括经度、纬度和高度。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：控制单元开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块和第二北斗定位模块的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差的具体包括：

控制单元解析第一北斗定位模块的第一北斗定位信息；

控制单元比较第一北斗定位模块和第二北斗定位模块的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，若第一北斗定位信息和第二北斗定位信息不相同，则判断存在偏差。

作为本发明所述基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统及方法的一种优选方案，其中：控制单元控制地面云台端上响应单元的水平舵机和垂直舵机打角是面阵天线的法线方向变化的步骤包括：

控制单元读取第一北斗定位模块的第一北斗定位信息第一北斗定位模块的第一北斗定位信息即点b，投影到x-o-y平面上即点c；

控制单元根据经纬度确定两点距离法，计算出第一北斗定位模块和第二北斗定位模块的在x-o-y坐标面的投影距离|oc|，计算出点c与标准位置比较点a的距离|ac|；

计算出水平舵机方位打角∠aoc及垂直舵机仰打角∠boc；

控制单元根据方位角、仰角及中解析出的空间区域，分别计算出控制水平舵机和垂直舵机需输出的pwm波的脉冲宽度；

控制单元控制水平舵机和垂直舵机旋转，使面阵天线的法线与无人机端的图像传输天线的夹角尽量小，并返回时刻检测无人机位置变化；

其中，根据经纬度确定两点距离法具体为：

假设a(lat1，lng1)，o(lat2，lng2)，在球面上求a与o的距离即计算

式中，wa和wb分别为a与o的纬度，ja和jb分别为a与o的经度。

本发明的有益效果：本发明通过北斗定位，能更准确的跟踪到无人机的位置，配合面阵天线，确保了追踪的大致位置正确，又通过舵机转动使无人机始终在辐射范围内，提高了无人机控制的稳定性，即提高了无人机偏离控制接收器时信号强度，保证了传回图像精确度，避免导致作业失误情况发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的系统结构示意图。

图2为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的系统细化结构示意图。

图3为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的实物结构示意图。

图4为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的面阵天线调节示意图。

图5为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的方法流程框图。

图6为本发明基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的方法判断流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1和图2，提供了一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统的整体结构示意图，如图1，一种基于北斗定位的自动跟踪天线云台系统包括无人机端100，包括采集单元101、与采集单元101连接的传输单元102以及无人机103，采集单元101和传输单元102均设置于无人机103上；以及，地面云台端200，包括接收单元201、与接收单元201连接的控制单元202以及与控制单元202建立连接的响应单元203，接收单元201与传输单元102建立连接。

具体的，本发明主体结构包括无人机端100和地面云台端200，通过设置的无人机端100和地面云台端200之间相互配合，能更准确的跟踪到无人机的位置，配合面阵天线，确保了追踪的大致位置正确，又通过舵机转动使无人机始终在辐射范围内，提高了无人机控制的稳定性，即提高了无人机偏离控制接收器时信号强度，保证了传回图像精确度，避免导致作业失误情况发生，其中，无人机端100，包括采集单元101、与采集单元101连接的传输单元102以及无人机103，采集单元101和传输单元102均安装在无人机103上，操作员通过遥控器的遥控杆和按键控制无人机103的起飞、降落、方向，其采集单元101用于定位坐标和采集图像，而传输单元102用于传输采集单元101采集到定位坐标和采集图像；以及，地面云台端200，起到启动调控的作用，其包括接收单元201、与接收单元201连接的控制单元202以及与控制单元202建立连接的响应单元203，接收单元201与传输单元102建立连接，控制单元202为mcu控制器，本实施例中，其型号为stm32f103。

进一步的，采集单元101包括第一北斗定位模块101a和图像采集模块101b，第一北斗定位模块101a用于获取无人机的第一北斗定位信息，图像采集模块101b用于获取图像采集信息，图像采集信息为无人机103当前的视野，其中，第一北斗定位信息为无人机的坐标信息，坐标信息包括无人机的经度(lng)、纬度(lat)和高度(height)坐标，其图像采集信息用于了解无人机当前的状态和对图像做二次开发提取有用的信息，需说明的是，图像采集模块101b为摄像机，其根据用途可以分为获取视野的摄像头和获取特殊需求图像的摄像头。

进一步的，传输单元102包括第一lora数传模块102a和图像传输天线102b，第一北斗定位模块101a和图像采集模块101b分别通过第一lora数传模块102a和图像传输天线102b发送第一北斗定位信息和图像采集信息；需说明，本发明采用第一lora数传模块102a和第二lora数传模块201a进行数据传输，其低功耗，远距离的传输特性使得位置信息在系统内传输更高效，能耗也更低。

实施例2

参照图2，该实施例不同于第一个实施例的是：地面云台端200包括接收单元201、与接收单元201连接的控制单元202以及与控制单元202建立连接的响应单元203，接收单元201与传输单元102建立连接，通过双北斗定位能够校准面阵天线，提高了自动跟踪云台追踪的精确程度，保证回传图像的清晰。具体的，接收单元201的第二lora数传模块201a和面阵天线201b通过无线通讯分别接收第一北斗定位模块101a的第一北斗定位信息和图像采集模块101b的图像采集信息；地面云台端200的第二北斗定位模块204采集的第二北斗定位信息、第一北斗定位信息和图像采集信息输送至控制单元202，第二北斗定位信息为云台端的坐标；其中，控制单元202接收并计算第二北斗定位信息与第一北斗定位信息的坐标偏差。

进一步的，响应单元203包括图像显示模块203a、水平舵机203c和垂直舵机203b，控制单元202均与阵天线203a、图像显示模块203a、水平舵机203c和垂直舵机203b建立连接；其中，控制单元202根据坐标偏差调节响应单元203的面阵天线201b的角度，需说明的是，图像显示模块203a为lcd显示屏、平板或电脑。

实施例3

参照图2，该实施例不同于第一个实施例的是：本方案为基于北斗定位的自动跟踪天线云台方法，包括步骤，

s1：无人机端100通过第一lora数传模块102a发送第一北斗定位信息，同时通过图像传输天线102b发送图像采集信息发送至地面云台端200；

s2：地面云台端200的第二lora数传模块201a通过无线通信接收到第一北斗定位信息。

s3：地面云台端200的控制单元202通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定；

进一步的，地面云台端200的控制单元202通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定还包括步骤：

若是，控制单元202根据第二北斗定位信息进行初始化标定；

控制单元202开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差；

进一步的，地面云台端200的控制单元202通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定还包括步骤：

若否，控制单元202开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差；

需说明，控制单元202开启跟踪模式，计算第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否有偏差的还包括：

若有，则进入步骤s4；

若无，则进入步骤s1。

其中，判断是否有偏差的具体包括：

控制单元202解析第一北斗定位模块101a的第一北斗定位信息；

控制单元202比较第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，若第一北斗定位信息和第二北斗定位信息不相同，则判断存在偏差。

进一步的，地面云台端200的控制单元202通过接线接收到第一北斗定位信息和第二北斗定位信息，判断是否需要初始标定的步骤包括：

s31：地面云台端200第一次接收到第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204传来的第一北斗定位信息和第二北斗定位信息；其中，第一北斗定位信息和第二北斗定位信息均为坐标信息，坐标信息包括经度(lng)、纬度(lat)和高度(height)；

s32：控制单元202以第二北斗定位模块204的定位信息作为中心原点o，建立基于经纬度及高度的三维空间直角坐标系，以北为x轴正方向，西为y轴正方向，垂直x-o-y平面向上为z轴正方向，并设定范围分区；

s33：以y轴正方向取距原点500米的a点(即与原点经度相差约0.005度)作为标准位置比较点；

s34：控制单元202控制水平舵机203c和垂直舵机203b初始化偏转角度，即对垂直和水平舵机输出脉冲宽度为0.5ms(周期为20ms)的pwm波，使面阵天线201b的法线方向指向y轴正方向，初始化标定完成。

s4：控制单元202控制地面云台端200上响应单元203的水平舵机203c和垂直舵机203b打角使面阵天线201b的法线方向变化；具体的，通过stm32f103mcu发送pwm信号驱动舵机转动进而带动面阵天线转动；

其中，控制单元202控制地面云台端200上响应单元203的水平舵机203c和垂直舵机203b打角(即舵机转动的角度)是面阵天线的法线方向变化的步骤包括：

s41：控制单元202读取第一北斗定位模块101a的第一北斗定位信息第一北斗定位模块101a的第一北斗定位信息即点b，投影到x-o-y平面上即点c；

s42：控制单元202根据经纬度确定两点距离法，计算出第一北斗定位模块101a和第二北斗定位模块204的在x-o-y坐标面的投影距离|oc|，计算出点c与标准位置比较点a的距离|ac|；

s43：计算出水平舵机方位打角∠aoc及垂直舵机仰打角∠boc；

s44：控制单元202根据方位角、仰角及s41中解析出的空间区域，分别计算出控制水平舵机203c和垂直舵机203b需输出的pwm波的脉冲宽度；

s45：控制单元202控制水平舵机203c和垂直舵机203b旋转，使面阵天线201b的法线与无人机端100的图像传输天线102b的夹角尽量小，并返回时刻检测无人机位置变化；

其中，根据经纬度确定两点距离法具体为：

假设a(lat1，lng1)，o(lat2，lng2)，在球面上求a与o的距离即计算

式中，wa和wb分别为a与o的纬度，ja和jb分别为a与o的经度；

其中，计算水平舵机方位打角∠aoc及垂直舵机仰打角∠boc具体为：

补偿角的判断中，基于当前位置坐标a(lat1，lng1)及空间区域划分，若处在第一、二卦限，则无需角度修正；若处在第三、四卦限，则垂直方向角度需增补90度，垂直方向角度需增补90度。

最终给予舵机的脉冲的占空比，其脉冲值计算如下：

基于水平及垂直偏角，计算得到当前时刻应偏离水平位置的脉冲值motorpulse_n0及偏离垂直位置的脉冲值motorpulse_n1。

motorpulse_n0＝(dir_angle*180/pi)*least_per+160。

式中，dir_angle为水平转角(修正后)，least_per旋转1度对于的pwm占空比。

motorpulse_n1＝(ver_angle*180/pi)*least_per+160。

式中，ver_angle为垂直转角(修正后)，least_per旋转1度对于的pwm占空比。

本发明提供通过北斗定位，能更准确的跟踪到无人机的位置，配合面阵天线，与传统云台相比，既通过定位芯片确保了追踪的大致位置正确，又通过舵机转动使无人机始终在辐射范围内；通过对自动跟踪天线云台系统进行校准，可以让系统在每次工作时更高效可靠，提高了系统控制的稳定性；在无人机追踪模式时，系统根据实时位置更新计算值，根据实际情况修正了转动的偏离误差，进一步提高了自动跟踪云台追踪的精确程度，实现回传图像的清晰，无延时；整个方法只需要根据无人位置信息的计算即可自动实现，复位校准方法均操作简单，上电即可使用，便于实现推广。

具体过程：自动跟踪天线云台系统开机后，将无人机103放于地面云台端200附近，按下地面云台端200上的初始化键，mcu控制器根据第一北斗定位模块通过第一lora数传模块102a传回的位置信息；初始标定的地面云台端200所在位置，并建立虚拟空间坐标系；初始标定一经写入后除地面云台端200转移位置等情况下原则上无需再次操作；mcu控制器根据第一lora数传模块102a的值进行计算，根据无人机103所在位置信息，计算出其相对地面云台端200的水平及竖直距离，并进入主动跟踪模式；自动跟踪天线云台系统在主动跟踪后；mcu控制器根据无人机103所在空间位置，判断出是否需要加入补偿角，根据相关距离最终计算出水平及竖直舵机的打角角度，进而实现实时跟踪，使无人机103尽可能处在面阵天线的辐射中央，进而达到图像的清晰回传，无延时；无人机飞出规定区域，显示屏会出现提醒，此时需降落无人机，改变地面云台位置。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。