CN103279058B - 一种面向无人机电力巡检用的光纤imu数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，包括信号输入模块、信号采集与预处理模块、数据通信接口模块；信号输入模块包括3路加速度计脉冲信号、3路陀螺脉冲信号和3路数字温度信号，通过光耦电路隔离发送给FPGA。信号采集与预处理模块由FPGA芯片及其外围配置电路实现，并行接收陀螺、加速度计和温度脉冲信号，完成数据的平滑和预处理。数据通信模块通过串口RS422实现与上位机的通信，其一方面将数据打包发送给上位机进行解算或存储。另一方面实现IMU与GPS的时间同步，保证数据的可靠性。本发明实现了一种轻小型，通用型，高可靠性的数据采集系统，对实现基于无人机的电力线路巡检系统的集成研发具有重要的实践意义。

Description

一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，可用于设计出体积小、重量小、较长寿命和高可靠性的惯性测量单元，适用于航空遥感领域，实现高分辨率实时对地观测成像。

背景技术

我国电网现行高压输电线路运维模式和巡检方式是通过维护人员依靠地面交通工具或徒步行走、利用手持仪器或肉眼来巡查设施处理缺陷的，已不能适应现代化电网的发展和安全运行需要。针对这种高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务需求，我国开展了复杂地形条件下超视距无人直升机电力线路安全巡检系统关键技术的研究。而小型高精度惯性测量单元（IMU），和光学、激光雷达等任务载荷固联在一起，用于直接敏感遥感载荷的运动信息，并通过导航计算机的解算从而得到载体的位置、速度和姿态等全部运动参数。

无人机电力巡检系统采用国内先进成熟的z5直升机系统，其承载的整个吊舱重量45Kg,而飞行平台对于负载的多传感器系统总重量要求小于25Kg，整体结构尺寸小于40cm×40cm×60cm。多传感器系统主要包括POS系统和遥感载荷。POS系统则通过自行研制，为载荷提供位置、速度、姿态等信息。而遥感载荷主要包含10Kg的激光扫描仪，1.5Kg的紫外扫描仪，0.5Kg的红外摄像仪，1.5Kg×2=3Kg的CCD数码相机及5Kg的集成载荷辅助安装组件。激光扫描仪获得激光点云数据，可自动识别电力线测定安全距离对危险地物进行预警；紫外摄像仪获得紫外视频和影像，实现电力导线外伤探测，绝缘缺陷检测；红外摄像仪获得红外视频及影像，探测电力线由于电流过热导致的故障；CCD相机获得高分辨率航空影像，通过二维图像对电力线路及电力走廊浏览、查看等。为实现无人机电力巡检的任务需求，这些载荷是系统中不可或缺的重要组成部分。因此为达到多传感器重量小于25Kg，功耗体积等指标要求，需优化POS系统，要求POS系统中的IMU重4.5Kg，功耗小于35W，其中陀螺仪、加速度计和I/F转换电路模块选用的都是配套成品，功耗稳定，重量体积固定，因此需在保持数据采集板功能的基础上，优化其体积重量，降低其功耗。同时，基于POS数据的定位测量精度要求达到3～5m，由此对于光纤IMU数据采集系统提出了重量体积小、精度高、功耗低，可靠性高的要求。

目前，国内外采用的IMU主要分为挠性、光纤、和激光三种，根据无人机电力线路安全巡检飞行环境的特殊性，即无人机电力安全巡检主要是针对平地以及复杂地形条件下的高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处理，其相对高度变化在300～500米之间，温度梯度和温度变化速率比较小。而对于国内采用的陀螺IMU，其中挠性陀螺IMU体积重量最小，使用环境温度动态范围较小，在-30°～+60°之间，但其随机漂移较为严重，且对飞行环境的振动干扰最敏感，容易产生误差，测量精度较低，难以达到无人机电力巡检的高精度要求；而目前国内针对航空遥感应用较多的是激光陀螺，激光陀螺IMU的各项测量精度高，但其重量体积大，根据我国当前的激光陀螺技术，难以设计实现符合无人机电力巡检系统所要求的轻小型陀螺IMU；而光纤陀螺IMU虽然受环境温度影响较大，但是考虑无人机巡线的高度变化范围在300～500米之间，其温度梯度变化和温度速率变化都很小，因此对光纤IMU影响不大。同时，其重量体积相对于激光IMU较小，而测量精度相对于挠性IMU较高，符合无人机电力巡检的重量体积小、精度高、抗干扰能力强等要求。由此，选择光纤IMU作为其惯性测量单元。而目前使用的光纤IMU的数据采集系统，也是主要由信号输入模块、数据采集模块和数据通信模块三部分组成，但在其数据采集模块中对加速度计的温度采集直接采用其内置的模拟温度传感器AD590进行采集，需要配置运放电路和A/D转换电路，将其转换为数字脉冲信号在发送给FPGA。同时，数据通信模块中串口通信采用5V的串口芯片，而FPGA的电压为3.3V，需要额外增加5V到3.3V的电平转换电路。由此导致了数据采集板的面积为102mm×74mm，面积过大制约了IMU结构体的设计，也增加了其重量。同时，采集板过多的配置芯片和电路，增大了其功耗和重量，导致电磁干扰的机率大，可靠性降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，在降低重量，缩小体积的同时，保证通用性同时提高其可靠性，实现数字温度信号的采集。

本发明的技术解决方案是：一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块1、信号采集与预处理模块2、数据通信模块3；信号输入模块包括由石英挠性加速度计输出的X、Y、Z轴向的3路加速度计脉冲信号4和由高精度光纤陀螺仪（即偏置漂移可达0.01°/h）输出的X、Y、Z轴向的3路陀螺脉冲信号5以及由数字温度传感器17分别采集输出的陀螺仪温度信号、加速度计温度信号和数据采集板温度信号共3路数字温度信号6，其中3路加速度计脉冲信号4和3路陀螺脉冲信号5通过光耦隔离电路7隔离发送给数据采集与预处理模块2，3路数字温度信号6则利用三条单线分别串联多个数字温度传感器形成分布式网络点测试，直接读取每一条单线上的环境温度信息，并通过3路并行温度采集通道发送给数据采集与预处理模块2，数据采集与预处理模块2对这些信息进行平滑与预处理之后，将其发送给数据通信模块3，数据通信模块3则利用串口将IMU通过惯性器件采集到的角速度和加速度原始脉冲数据和数字温度数据打包输出给上位机16，同时接收GPS18发出的PPS秒脉冲并输出时间同步IPS脉冲给上位机16，保证数据采集系统与上位机16时间上的同步。

所述的信号采集与预处理模块2包括FPGA芯片8、配置芯片9、电源转换模块11、电源模块12、时钟电路10。其中FPGA芯片8完成3路陀螺脉冲信号5、3路加速度计脉冲信号4和3路数字温度信号6的采集与预处理并将数据发送给上位机16，配置芯片9为FPGA芯片8存储软件程序，电源模块12提供模拟5V和数字5V电源，电源转换模块11实现5V到1.2V、2.5V和3.3V的电压转换，分别为FPGA8、配置芯片9、时间同步模块13、数据输出模块15供电。时钟电路10提供独立的频率为25MHz的时钟信号。

所述的数据通信模块3包括数据输出模块15、时间同步模块13和串口扩展模块14；数据输出模块15、时间同步模块13和串口扩展模块14均采用串口进行通信；数据输出模块15将FPGA芯片8采集到的陀螺和加速度计原始数据和温度数据，按照时间进行打包，通过串口输出至上位机16，同时FPGA芯片8通过时间同步模块13接收GPS18输出的PPS秒脉冲，在陀螺、加速度计和温度数据输出的时候输出一路同步信息IPS脉冲给上位机，实现IMU与GPS18的时间同步；串口扩展模块4引入3个串口芯片，扩展出12路输入输出，用于与上位机16的通信。

本发明的原理是：利用光纤陀螺仪和石英加速度计分别敏感载荷的角速度信息和加速度信息，并以脉冲形式输出，利用数字温度传感器代替模拟温度传感器，敏感器件的环境温度并直接以数字形式输出，省去运放电路和A/D转换电路，在并将这些脉冲信号经光电耦合器隔离干扰后发送给FPGA.利用配置芯片为FPGA提供下载接口和存储空间。利用电源模块引入5V的数字电源和模拟电源，为整个数据采集系统供电，其中5V的模拟电源只为光电耦合器供电。利用电源转换模块将5V的数字电源转换为3.3V、2.5V和1.2V的数字电压，分别为各个模块提供电压。采用25MHz的时钟电路给整个数据采集系统提供统一的时钟信号，保证FPGA的正常工作。同时通过3.3V的串口芯片与FPGA直接相连，将GPS输出的PPS秒脉冲发送给FPGA，在由FPGA输出IPS同步脉冲给上位机，从而保证IMU与外部载荷的时间同步。在时间同步的基础上，将各路脉冲信号通过光耦隔离输送给FPGA进行预处理，在通过数据输出模块利用串口将数据打包发送给上位机，实现数据的采集，同时可根据实际情况，利用串口扩展模块改变数据的输出设置，实现数据采集系统的可扩展性。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明针对电路板体积过大，芯片功能繁琐，配置过多的问题，引入3.3V的串口通信芯片，可与FPGA直接相连进行通信，省略了电平转换电路；同时，采用数字温度采集电路代替模拟温度采集电路，省略了运放电路和A/D转换电路，从而减小了重量体积，降低了功耗。

附图说明

图1为本发明结构组成示意图；

图2为FPGA及其配置芯片结构示意图；

图3为本发明数据通信模块示意图；

图4为数字温度传感器DS18B20典型电路图；

图5为多点数字温度传感器测量结构图；

图6为本发明总体信号流程图；

具体实施方式

如图1所示，一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块1、信号采集与预处理模块2、数据通信模块3；信号输入模块中的3路加速度计脉冲信号4分为X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-6个通道输入；3路陀螺脉冲信号5分为X+、X-、Y+、Y-、Z+、Z-6个通道输入；3路数字温度信号6采用1-wrie系列的高精度数字式温度传感器17DS18B20输出为数字脉冲信号。数字温度传感器17采用直插式安放在电路板上。将角速度和加速度脉冲信号一起通过光电耦合器电路7隔离，提高抗干扰性，在将其和3路数字温度信号6一并输入到FPGA芯片8中。同时通过软件编程，将实现数据采集和时间同步功能的编码程序预先输入到FPGA芯片8的配置芯片9中。其中，时间同步功能通过时间同步模块13保持与外部GPS18的时间一致。在FPGA芯片8外围中扩展十五路脉冲计数器，利用时钟电路10提供独立的时钟信号，采用边沿检测方式进行计数，并且在同步脉冲的上升沿锁存计数器的计数值，当FPGA芯片8收到传感器传来的脉冲数据时，程序便开始工作，并保存相应的数据，最后通过数据输出模块15将其传送到上位机16，完成数据采集的工作。

如图2所示，为本发明的FPGA芯片8及其配置芯片9结构示意图。包括FPGA Interface20配置接口模块及其配套的FLASH PROM19，其中FPGA芯片8和FLASH PROM19分别采用XILINX公司的Spartan-3XC3S400和XCF02SVO20C,二者属于系列配套产品，所以二者的下载连接引脚是固定配置的，避免了兼容问题的出现，同时根据二者的芯片资料信息，为二者配置4.7KΩ大小的电阻，另外，引脚M0，M1，M2是专用的模式选择引脚，此处只利用一个主FPGA,故使这三个引脚接地。对于FPGA芯片8和FLASH PROM19的电源供电主要是通过电源模块12和电源转换模块11实现。其中电源模块12主要引入模拟5V和数字5V电源，其中模拟5V电源为光耦7提供模拟电源，数字5V则为电源转换模块11提供数字电源并利用电源转换模块11将数字5V电源转化为数字为1.2V、2.5V和3.3V的电压，为FPGA芯片8提供所需的3.3V的bank电压，2.5V的参考电压和1.2V的内核电压，并为配置芯片9XCF02SVO20C提供3.3V和2.5的电压，保证FPGA芯片8和FLASH PROM19的正常工作。

如图3所示，为本发明的数据通信模块3示意图。主要包括数据输出模块15和时间同步模块13。采用VHDL语言编程29通过边界扫描JTAG下载到FPGA芯片8，通过时钟电路10引入脉冲触发，同时分频115200的波特率28，外围采用串口RS422进行通信，实际线路传输采用双绞线，增加其抗干扰能力。其中对于数据输出模块15，FPGA芯片8将会按软件编程把接收到的IMU原始数据和温度信息分为30个字节21，按照时间进行打包，具体字节分配为：2个字节的包头22，4个字节的IMU序号23，12个字节的陀螺数据24，6个字节的加速度计数据25，4个字节的温度数据26，2个字节的包尾27。根据115200的波特率28通过RS422输出至上位机16。同时，FPGA芯片8通过时间同步模块13接收GPS18输出的PPS秒脉冲，在进行数据输出的时候输出一路IPS同步脉冲30给上位机16，实现IMU与GPS18和上位机16的时间同步。

如图4所示，为数字温度传感器17DS18B20原理图。器件只有3根外部引脚，其中VDD和GND为电源引脚，另一根DQ线则用于I/O总线，因此称为一线式数据总线。其中，电源方式检测36用于检测供电方式，主要分为数据总线供电又称寄生供电和外部电源供电两种模式。64位光刻ROM和一线口37记录了多个DS18B20器件的识别信息，主机通过发生匹配ROM命令后，可向其发出特定的操作指令。便笺式存储器38以16位二进制的形式存储温度传感器的检测结果，包括8个连续字节，前两个字节是测得的数字温度值，第3、4字节是TH34、TL35,第5个字节是配置寄存器，这3个字节的值保存在可擦除的只读寄存器中，掉电后数据不丢失。第6、7、8个字节内部保留。第9个字节是循环冗余检验CRC字节，由CRC发生器31产生。存储器和控制逻辑32主要用于控制器件时序逻辑的发生并存储数据。因为温度传感器DS18B20属于1-Wire总线器件，所以其在实际应用编程中必须采用严格的信号时序，以保证数据的完整性。其主要有6中信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、读1。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号，并且发送所有的命令和数据都是字节的低位在前。

如图5所示，为本发明的多个数字温度传感器分布式网络点测试结构图，主要包括八个数字温度传感器DS18B20，通过3路并行通道39将数字温度数据传送给FPGA芯片8，而FPGA芯片8则利用串口将数据发送给上位机16。其中DS18B20（1）40通过直插方式焊接在数据采集电路板上，单独形成一路采集通道，主要测量电路板的温度。而根据DS18B20的测试原理，利用一根单总线将DS18B20（2）41和DS18B20（3）42、DS18B20（4）43、DS18B20（5）44串联在一起，形成第二路采集通道，同时也将DS18B20（6）45、DS18B20（7）46、DS18B20（8）47串联在一起，形成第三路采集通道，从而最终形成分布式网络点温度采集结构。其中DS18B20（2）41测量IMU结构体内部的温度，而DS18B20（3）42、DS18B20（4）43和DS18B20（5）44分别测量三个加速度计周围的环境温度，DS18B20（6）45、DS18B20（7）46、DS18B20（8）47主要分别测量三个陀螺仪的周围环境温度。在硬件系统实现的基础上，利用单总线结构，按照温度传感器严格的读写时序编写温度测量、转换与采集程序，将数据发送给FPGA芯片8，最终完成多点数字温度数据的采集。

如图6所示，为本发明的总体信号流程图，主要是在数据采集与预处理模块2中实现。通过输入外接电源，系统进行自检查看是否能正常工作，如果不能正常工作，将会返回并输出错误信息。如果能正常工作，将首先判别系统的数据采集过程是否结束，如果没有结束，系统将通过时钟电路10产生时钟信号，则FPGA芯片8将会根据软件编写的程序分别采集陀螺仪和加速度计输出的脉冲信号以及温度传感器17输出的数字温度信号，同时输出时间同步脉冲，最后通过串口RS422将数据打包输出给上位机16，同时反馈给上一层，结束采集过程。

Claims (3)

1.一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块(1)、信号采集与预处理模块(2)、数据通信模块(3)；信号输入模块包括由石英挠性加速度计输出的X、Y、Z轴向的3路加速度计脉冲信号(4)和由高精度光纤陀螺仪输出的X、Y、Z轴向的3路陀螺脉冲信号(5)以及由数字温度传感器(17)分别采集输出的陀螺仪温度信号、加速度计温度信号和数据采集板温度信号共3路数字温度信号(6)，其中3路加速度计脉冲信号(4)和3路陀螺脉冲信号(5)通过光耦隔离电路(7)隔离发送给数据采集与预处理模块(2)，3路数字温度信号(6)则利用三条单线分别串联多个数字温度传感器形成分布式网络点测试，直接读取每一条单线上的环境温度信息，并通过3路并行温度采集通道发送给数据采集与预处理模块(2)，数据采集与预处理模块(2)对这些信息进行平滑与预处理之后，将其发送给数据通信模块(3)，数据通信模块(3)则利用串口将IMU内惯性器件采集到的角速度和加速度原始脉冲数据和IMU内数字温度传感器采集到的数字温度信号数据打包输出给上位机(16)，同时接收GPS(18)发出的PPS秒脉冲并输出时间同步IPS脉冲给上位机(16)，保证数据采集系统与上位机(16)时间上的同步。

2.根据权利要求1所述的一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：所述的信号采集与预处理模块(2)包括FPGA芯片(8)、配置芯片(9)、电源转换模块(11)、电源模块(12)、时钟电路(10)；其中FPGA芯片(8)完成3路陀螺脉冲信号(5)、3路加速度计脉冲信号(4)和3路数字温度信号(6)的采集与预处理并将数据发送给上位机(16)，配置芯片(9)为FPGA芯片(8)存储软件程序，电源模块(12)提供模拟5V和数字5V电源，电源转换模块(11)实现5V到1.2V、2.5V和3.3V的电压转换，分别为FPGA(8)、配置芯片(9)、时间同步模块(13)、数据输出模块(15)供电；时钟电路(10)提供独立的频率为25MHz的时钟信号。

3.根据权利要求1所述的一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：所述的数据通信模块(3)包括数据输出模块(15)、时间同步模块(13)和串口扩展模块(14)；数据输出模块(15)、时间同步模块(13)和串口扩展模块(14)均采用串口进行通信；数据输出模块(15)将FPGA芯片(8)采集到的陀螺和加速度计原始数据和温度数据，按照时间进行打包，通过串口输出至上位机(16)，同时FPGA芯片(8)通过时间同步模块(13)接收GPS(18)输出的PPS秒脉冲，在陀螺、加速度计和温度数据输出的时候输出一路同步信息IPS脉冲给上位机，实现IMU与GPS(18)的时间同步；串口扩展模块(4)引入3个串口芯片，扩展出12路输入输出，用于与上位机(16)的通信。