Кейс: создание программно-аппаратного комплекса удаленного управления антенной для радиоспорта по КВ
Разработка комплекса удаленного управления поворотом механического антенно-фидерного устройства (АФУ) весом более 3,5 тонн для радиоспорта – ключевой шаг к победе на соревнованиях. Решение должно обеспечивать плавный поворот антенны на необходимый угол и остановку в требуемом положении, управляясь по принципу «нажал и забыл» с любого устройства с доступом в интернет. В кейсе рассмотрим логику, этапы и результат разработки.
Предметная область
Антенно-фидерное устройство (Антенна) заказчика высотой более 60 метров используется для участия в соревнованиях по радиоспорту на коротких волнах (далее — КВ). Особенность этого сооружения — необходимость вращения по азимуту и предоставление возможности выбора азимута нескольким операторам из одной команды, участвующим в соревнованиях. Поскольку на результат влияют секунды и доли секунд, потраченные оператором на управление оборудованием, большое значение имеет эргономика процесса.
Антенно-фидерное устройство (АФУ) — это совокупность антенны и фидерного тракта, которая входит как составная часть в радиоэлектронное изделие, образец или комплекс.
Азимут — это угол между направлением линии радиосвязи и направлением на северный географический полюс.
Запрос заказчика
Необходимо предоставить каждому оператору возможность назначать азимут основного лепестка диаграммы направленности данного АФУ со своего удаленного рабочего места через удобный веб-интерфейс. Управление должно работать по принципу «нажал и забыл». После подачи команды на поворот АФУ должно повернуться на нужный угол и остановиться в правильном положении. Учитывая вес устройства, превышающий 3,5 тонны, задача становится нетривиальной: для того, чтобы осуществить бесперебойный поворот АФУ, необходима настройка определенной скорости и плавности хода.
Успех в соревнованиях по радиосвязи на КВ зависит не только от мастерства спортсмена, но и от качества используемого оборудования, которое формируется спортсменом самостоятельно.
Решение должно обеспечивать удаленное управление поворотом механического антенно-фидерного устройства. Ранее заказчик использовал аналогичное решение с ограниченными настройками и неудобным процессом управления. Кроме того, в предыдущем решении не был реализован веб-интерфейс, и управление происходило только с одного фиксированного рабочего места, на которое сигналы обратной связи поступали по проводам.
Потребовалось новое решение с возможностью удаленного управления и получения данных о состоянии антенны по локальной сети.
Цель и задачи проекта
Цель: обеспечить удаленное управление поворотом механического антенно-фидерного устройства с возможностью настройки угла поворота азимута через веб-приложение с интерфейсом, интуитивно понятным для заказчика.
Задачи:
- разработка веб-страницы для управления углом поворота антенны;
- установка пользовательских настроек: регулирование скорости, настройка IP-адреса;
- обработка ошибок и логирование изменений;
- подбор аппаратуры для прототипирования ПАКа.
Дата старта и завершения проекта
Январь — Май 2024
Реализация
Для того, чтобы перейти к этапам реализации, рассмотрим механизм, находящийся у основания антенны (фото 2).
В поворотном механизме есть перфорированный диск с нанесенным на него «Кодом Грея» (фото 3), который считывается элементами датчика угла.
Управление и настройка механизма поворота осуществляется через подключение к двигателю (фото 4) преобразователя частот IDS-Drive (фото 6), команды которому передает микропроцессор ESP-32 (фото 5), исполняющий разработанную программу.
Возможность удаленного управления обеспечивается подключением микропроцессора к сети через Ethernet-кабель. Это позволяет администратору с ПК, подключенного к той же сети, управлять частотой запуска двигателя и регулировать скорость вращения антенны.
Аппаратура для управления собирается в корпус (фото 7) и вместе с датчиком угла поворота устанавливается на перфорированный диск с «Кодом Грея».
Удаленное управление поворотным механизмом осуществляется через веб-интерфейс (рисунок 1).
Описание компонентов страницы (рисунок 1):
- название;
- поле для ввода целевого угла;
- кнопка для управления вращением и отображения состояния системы;
- текущее значение угла;
- циферблат.
Принцип передачи данных в процессе удаленного управления АФУ описан ниже и отображен на рисунке 2.
- Пользователь задает все необходимые параметры для поворота антенны на веб-странице управления (рисунок 1).
- Данные передаются по локальной сети на микропроцессор ESP-32 (фото 5).
- Микропроцессор ESP-32 отдает команды частотному преобразователю IDS Drive (фото 6), который подключён к двигателю АФУ. Передача данных между микропроцессором и частотным преобразователем осуществляется в формате UART, а частотный преобразователь принимает данные в формате RS-485. Для преобразования этих форматов используется адаптер HW-097.
- Частотный преобразователь IDS-Drive подключен к двигателю с помощью кабеля (фото 4). Это позволяет запустить двигатель с заданной скоростью, и поворотный механизм поворачивает антенну в нужную сторону на заданный угол.
Разработка и настройка ПАКа проводилась в четыре этапа.
- Построение логики взаимодействия микропроцессора ESP-32 с частотным преобразователем IDS-Drive.
Важным элементом реализации логики взаимодействия микропроцессора с частотным преобразователем стала организация канала связи между ними. Поскольку микропроцессор передает команды в формате UART, а частотный преобразователь принимает данные в формате RS-485, был использован преобразователь HW-097, который позволяет преобразовать один формат в другой. После этого была реализована логика передачи команд от микропроцессора к частотному преобразователю для выполнения нужных операций. - Получение текущего угла поворота антенны. Как было описано ранее, угол поворота антенны считывается с перфорированного диска в формате «кода Грея», который установлен на самой антенне (фото 3). После считывания этот код преобразуется в двоичный формат, а затем конвертируется в угловую величину, что позволяет получить точное значение угла поворота.
- Реализация логики управления поворотом антенны, подбор и сохранение оптимальных настроек.
В ходе разработки и тестирования ПАКа были учтены особенности работы механизма АФУ:
• снижение скорости поворота механизма для обеспечения плавного хода и точного достижения целевого угла;
• досрочная остановка механизма АФУ при возникновении ошибок для предотвращения повреждений или аварийных ситуаций. Это позволяет оперативно изменить настройки и запустить процесс заново по другому сценарию;
• определение оптимального направления поворота, что сокращает время достижения целевого угла.
В настройки ПАКа были добавлены ряд параметров: максимально разрешенная частота для достижения необходимой скорости поворота, сетевые параметры (например, настройка IP-адреса), и другие настройки. Все параметры сохраняются в памяти ПАКа, и при необходимости можно сбросить настройки до исходного состояния с помощью кнопки на микропроцессоре ESP-32. - Создание веб-страниц для управления поворотным механизмом.
По запросу заказчика разработаны две веб-страницы:
• основная страница для выполнения главной функции системы — управления процессом поворота антенны и отслеживания ее текущего состояния (рисунок 1);
• панель администратора, которая позволяет настраивать параметры ПАКа, а также просматривать журнал событий и сообщений, возникающих в процессе работы системы.
Результат
Одним из главных преимуществ созданного ПАКа является возможность удаленного управления и мониторинга состояния механизма через локальную сеть с высокой скоростью передачи данных и сохранением информации о максимальной частоте.
Интеграция веб-страницы с устройством обеспечивает бесперебойную передачу данных в режиме real-time: пользователь может в реальном времени отслеживать текущий угол поворота антенны, а также задавать необходимые параметры для изменения направления.
Кроме того, ПАК способен обрабатывать состояние поворотного механизма и отображать до 10 различных типов ошибок на экране. Например, могут быть выявлены такие ошибки, как перегрев, перенапряжение или перегрузка двигателя. Устранение этих ошибок осуществляется в соответствии с документацией по частотному преобразователю IDS-Drive, что позволяет оперативно реагировать на возникающие неисправности и предотвращать их развитие.
Таким образом, был создан программно-аппаратный комплекс, который полностью соответствует поставленным задачам.