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.

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):

1. название;

2. поле для ввода целевого угла;

3. кнопка для управления вращением и отображения состояния системы;

4. текущее значение угла;

5. циферблат.

Принцип передачи данных в процессе удаленного управления АФУ описан ниже и отображен на рисунке 2.

1. Пользователь задает все необходимые параметры для поворота антенны на веб-странице управления (рисунок 1).

2. Данные передаются по локальной сети на микропроцессор ESP-32 (фото 5).

3. 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.

4. 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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.