CN103744371A - 无人机电力巡检的传感器集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机电力巡检的传感器集成电路，包括传感器信号集中控制器、传感器时间同步模块和控制计算机，传感器信号集中控制器将传感器的输入、输出接口以及电源接口集成，优化整个传感器集成电路的结构，传感器时间同步模块利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，协调传感器的工作，控制计算机控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出。整个集成电路结构优化简单，能有效增加携带的传感器数量，传感器时间同步模块实现传感器时间软同步，能高效协调好无人机电力巡检所携带的多传感器，以使其多传感器协调正常工作，提高无人机电力巡检的性能与效果。

Description

无人机电力巡检的传感器集成电路

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，特别是涉及无人机电力巡检的传感器集成电路。

背景技术

无人直升机电力巡检技术，是我国高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务工作的一种最新的需求，该技术一方面可以极大地提高目前人工巡线的工作效率、降低人员消耗，特别是复杂地形、障碍条件下电力线路安全巡检，另一方面，无人携带的多种传感器能够准确采集电力线路各项数据信息，极大的确保了电力线路安全状况探查的完整性和准确性。

正如之前所述，无人直升机在进行电力巡检时，需要携带大量的传感器，以便准确采集到电力线路及其周围环境上各项数据信息。目前，无人机在进行电力巡检一般会携带有像可见光高清相机、红外温度热像仪、紫外传感器、高清数字视频、高密度激光扫描仪、高精度POS系统、伺服稳定平台等传感器。

一方面，无人机携带传感器种类数量越多，那么它进行电力巡检获取的数据种类也就越多，电力巡检的效果也就越好，越能真实、准确反映电力线路存在或出现的问题，所以工作人员希望将更多的传感器加载到无人机上进行电力巡检；而另一方面，无人机的载重和携带空间是非常有限的，所以无人机在电力巡检能够携带的传感器数量是有限的，再加上多种传感器之间又需要复杂的外围设备支持才能协调工作，例如，多种传感器的时钟电路，多种传感器之间信号协调转换电路、多种数据采集存储电路以及多种传感器的控制电路等。

现在有无人机电力巡检的传感器集成电路复杂各个组成部分不容易协调同步，严重制约了无人机携带传感器种类的数量，也影响了无人电力巡检的效果和准确性。

发明内容

基于此，有必要针对现在有无人机电力巡检的传感器集成电路复杂、各个组成部分不容易协调同步的问题，提供一种简单、高协调性能的无人机电力巡检的传感器集成电路，增加无人机电力巡检所能携带的传感器数量，协调好无人机电力巡检所携带的多传感器，以使其多传感器协调正常工作，提高无人机电力巡检的性能与效果。

一种无人机电力巡检的传感器集成电路，包括传感器信号集中控制器、传感器时间同步模块以及控制计算机；

所述传感器信号集中控制器分别与所述传感器时间同步模块和所述控制计算机连接，所述传感器时间同步模块与所述控制计算机连接；

所述传感器信号集中控制器用于将传感器的输入接口、输出接口以及电源接口集成，所述传感器时间同步模块用于利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间同步，协调传感器的工作，所述控制计算机用于控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出。

本发明无人机电力巡检的传感器集成电路，包括传感器信号集中控制器、传感器时间同步模块和控制计算机，传感器信号集中控制器将传感器的输入接口、输出接口以及电源接口集成，优化复杂的接口，优化整个传感器集成电路的结构，传感器时间同步模块利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，协调传感器的工作，控制计算机控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出，确保数据在无人机内安全高效的交互传输。整个集成电路结构优化简单，能有效增加无人机电力巡检所能携带的传感器数量，传感器时间同步模块利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，能高效协调好无人机电力巡检所携带的多传感器，以使其多传感器协调正常工作，提高无人机电力巡检的性能与效果。

附图说明

图1为本发明无人机电力巡检的传感器集成电路第一个实施例的模块示意图；

图2为本发明无人机电力巡检的传感器集成电路中传感器时间同步模块第一种结构示意图；

图3为本发明无人机电力巡检的传感器集成电路中传感器时间同步模块第二种结构示意图；

图4为无人机电力巡检多传感器系统的其中一种框架示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，一种无人机电力巡检的传感器集成电路，包括传感器信号集中控制器100、传感器时间同步模块200以及控制计算机300；

所述传感器信号集中控制器100将分别与所述传感器时间同步模块200和所述控制计算机300连接，所述传感器时间同步模块200与所述控制计算机300连接；

所述传感器信号集中控制器100用于将传感器的输入接口、输出接口以及电源接口集成，所述传感器时间同步模块200用于利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，协调传感器的工作，所述控制计算机300用于控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出。

优选的，传感器信号集中控制器可以外置，以便更多的空间用于携带传感器。具体来说，由于采购的传感器都是成型的产品，其外观和主要的支撑都不能够直接拆卸，安装和固定孔也几乎不能修改，需要将传感器信号集中控制部分单独设计，同时减少传感器安装舱内的复杂度。外置的传感器信号集中控制器传感器的信号输入输出和电源都集中到一起，直接安装到无人机机身内部，可以减少系统传感器吊舱的重量，同时也便于机载计算机的连线和控制，实现多传感器吊舱与控制的分离，方便结构安装。

传感器时间同步模块采用基于GPS时间系统的软同步技术实现多个传感器的协同工作。具体来说，基于GPS时间系统的软同步具体包括如下步骤：首先通过外部GPS时钟脉冲和本地时钟系统相结合，产生一个本地时间测量系统，通过各个传感器的工作触发脉冲，实现本地GPS绝对时间测量系统与其他各个传感器设备的连接，本地高精度GPS绝对时间测量系统实时检测外部传感器触发脉冲，测量该脉冲上沿或下沿达到的时刻，完成各个传感器设备的相关操作的时间测量，并将测量的数据实时输出记录，通过各个传感器脉冲事件的绝对时间，进行相互补偿，实现软同步。

本发明无人机电力巡检的传感器集成电路，包括传感器信号集中控制器、传感器时间同步模块和控制计算机，传感器信号集中控制器将传感器的输入接口、输出接口以及电源接口集成，优化复杂的接口，优化整个传感器集成电路的结构，传感器时间同步模块利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，协调传感器的工作，控制计算机控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出，确保数据在无人机内安全高效的交互传输。整个集成电路结构优化简单，能有效增加无人机电力巡检所能携带的传感器数量，传感器时间同步模块利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，能高效协调好无人机电力巡检所携带的多传感器，以使其多传感器协调正常工作，提高无人机电力巡检的性能与效果。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述传感器时间同步模块200具体包括POS系统220、ARM处理系统240和时钟晶振模块260，所述ARM处理系统240上设置有与多种类型传感器匹配的接口；

所述时钟晶振模块260、所述POS系统220分别与所述ARM处理系统240连接；

所述时钟晶振模块260生成时钟晶振信号，并发送所述时钟晶振信号到所述ARM处理系统240，所述POS系统220接收外部GPS信号，解析所述外部GPS信号为PPS脉冲信号和NMEA协议的语句，发送所述PPS脉冲信号和所述NMEA协议的语句到所述ARM处理系统240，所述ARM处理系统240将所述时钟晶振信号与所述PPS脉冲信号以及所述NMEA协议的语句整合，得到GPS绝对时间信号，所述ARM处理系统240通过所述与多种类型传感器匹配的接口，接收传感器的工作触发脉冲，利用所述GPS绝对时间信号，检测所述传感器的工作触发脉冲上沿或下沿达到的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间，所述POS系统220获取无人机飞行参数和位置参数，计算传感器工作触发脉冲时间相应的空间位置，根据传感器工作触发脉冲时间相应的空间位置和所述外部GPS信号，计算所述传感器运动位置的同步补偿时间，发送所述传感器运动位置的同步补偿时间到所述ARM处理系统240，所述ARM处理系统240根据所述传感器的各项操作的绝对GPS时间和所述传感器运动位置的同步补偿时间，对所述传感器进行时间同步处理。

在本实施例中，传感器时间同步模块通过整合本地钟晶振信号和GPS信号中的PPS脉冲信号和NMEA协议的语句获得GPS绝对时间信号，再利用GPS绝对时间信号检测多传感器器的工作触发脉冲，获得传感器的各项操作的绝对GPS绝对时间，充分考虑无人机在电力巡检过程中传感器运动位置的差异，计算传感器运动位置的同步补偿时间，最后根据传感器的各项操作的绝对GPS绝对时间及其运动位置的同步补偿时间精准实现多传感器的时间同步。整个过程，采用相同的GPS绝对时间信号去检测不同传感器的工作出发脉冲，能够简单获得不同类型传感器的各项操作的绝对GPS绝对时间，且充分考虑位置差异带来时间同步上的差异，进行了基于运动位置的时间补偿，所以能够很好的实现时间同步。

在其中一个实施例中，所述控制计算机设置有网络接口、USB接口以及标准RS232/RS422串行口。

控制计算机上设置有如网络接口、USB接口等多种接口便于计算机与外部设备连接，进行数据交互，另外还设置有像RS232/RS422这种标准的串行口确保与外部设备进行数据交互的效率和安全。

在其中一个实施例中，所述控制计算机包括控制单元、数据采集单元、数据输出单元和存储单元，所述数据采集单元、所述数据输出单元以及所述存储单元分别与所述控制单元连接；

所述数据采集单元用于根据控制单元的指令采集传感器数据，所述数据输出单元，用于根据控制单元的指令输出数据，所述存储单元，用于根据控制单元指令存储数据，所述控制单元，用于对接收到数据进行处理输出，并协调所述数据采集单元、所述数据输出单元和所述存储单元的工作。

控制计算机包括控制单元、数据采集单元、数据输出单元和存储单元，数据采集单元、数据输出单元和存储单元都接收控制单元的控制协调工作，确保数据输入输出的协调稳定，存储单元能有效保存相关数据，确保数据的安全。

在其中一个实施例中，所述存储单元为固态硬盘。

固态硬盘是一种永久性存储器或非永久性存储器的外部存储设备，其具有读写速度快、低功耗、无噪音、抗震动、低热量、体积小、工作温度范围大等特点。

在其中一个实施例中，无人机电力巡检的传感器集成电路还包括电源，所述电源与所述传感器信号集中控制器连接。

如图3所示，在其中一个实施例中，所述ARM处理系统240包括ARM嵌入式系统242和总线扩展模块244，所述ARM嵌入式系统242与所述总线扩展模块244连接，所述总线扩展模块244上设置有所述与多种类型传感器匹配的接口。

ARM嵌入式系统可以理解为一种基于ARM芯片的嵌入式系统主要用于对数据的计算和处理，总线扩展模块上设置有与多种类型传感器匹配的接口。

如图3所示，在其中一个实施例中，所述POS系统220包括相互连接的GPS接收机222和IMU的组合系统224，所述GPS接收机222接收所述外部GPS信号，并传输所述外部GPS信号到IMU的组合系统224，所述IMU组合系统224将所述外部GPS解析为PPS脉冲信号和NMEA协议的语句。

在其中一个实施例中，所述时钟晶振模块260为压控钟振时钟信号模块。

为了更进一步详细说明本发明无人机电力巡检的传感器集成电路的技术方案及其带来的效果，下面将采用一具体实施例结合图4详细说明本发明无人机电力巡检的传感器集成电路的实际应用。

图4为某种无人机电力巡检多传感器系统，其包括了红外传感器一台、紫外/可见光叠加传感器一台、可见光相机两架、三维激光扫描仪一台、高精度POS一台、两轴稳定平台一个。在本发明无人机电力巡检的传感器集成电路对其进行作用时，本发明无人机电力巡检的传感器集成电路的传感器时间同步模块对其传感器进行时间同步，其具体过程如下：

步骤一：通过GPS信号，维持一个GPS绝对时间系统，同时通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议的语句实现GPS绝对时间的传递。多传感器集成系统中采用基于ARM的芯片实现高精度GPS绝对时间测量系统，通过同时接收POS系统的PPS脉冲信号和NMEA协议的语句，实现GPS绝对时间保持，同时根据高精度时钟测量系统自身的时钟和ARM芯片逻辑构成一个GPS绝对时间测量系统，同时通过外部脉冲触发实现与其他各个传感器设备的连接，完成各个设备的相关操作的时间测量。

步骤二：传感器脉冲事件包括相机曝光脉冲、视频帧脉冲、扫描仪自身PPS时钟同步事件等。相机的PC端子在相机拍照时会输出幅值约600mV、脉宽和曝光时间基本对应的脉冲，脉冲前沿为曝光开始，后沿为曝光结束。利用PC端子脉冲上沿或者下沿作为相机曝光“事件”，触发GPS绝对时间测量系统，实现高精度曝光时刻测量。高清摄像机、红外热像仪、紫外探测仪提供25帧/秒的脉冲帧信号输出，将25帧/秒的脉冲信号直接输入GPS绝对时间测量系统，实现高精度视频帧曝光时刻测量。三维激光扫描仪自身有时钟脉冲同步机制，通过把1PPS脉冲和NMEA协议语句同时送到其外部GPS接口，就可以保证其内部时钟和UTC时钟同步，自动实现其点云数据的高精度GPS时间测量。

步骤三：运动补偿就是根据POS的100Hz标准的时间、位置、速度和方位，以及传感器脉冲的绝对GPS时间，内差传感器准确的空间位置，间接实现传感器数据的时钟同步。

在完成传感器时间同步之后，协调无人机携带的传感器工作，下面以三维激光扫描仪、红外传感器、紫外传感器、相机等进行说明。

三维激光扫描仪工作需要GPS高精度时钟脉冲和外部NEMA语句的输入、观测数据采用网络接口传输，扫描仪的控制直接通过网络接口发送命令。因此三维激光扫描仪正常工作需要RS232接口、RJ45网络接口和外部脉冲的输入。

红外传感器提供数字图象输出同时提供模拟图象输出，其数据传输接口为RJ45网络接口，控制命令也通过网络接口传输，视频帧脉冲单独输出。

紫外传感器的控制命令采用了RS232接口，为了记录模拟器图象，需要数字图象卡进行模拟图象的数字化转换和记录，由于紫外传感器内嵌摄像机芯，提供三路模拟图象输出，需同时输出三路视频图象的帧脉冲。

相机采用了USB接口进行数据传输和设备控制，其曝光脉冲通过专用的闪光灯接口输出快门开启时刻对应的脉冲。

本发明无人机电力巡检的传感器集成电路中控制计算机的存储数据的过程。

传感器数据的存储系统包括三维激光扫描仪数据的存储、红外数字图象数据的存储、相片数据的存储、可见光视频和紫外光斑图象视频、POS原始数据存储、高精度测时数据存储、传感器状态日志数据存储。

三维激光扫描仪数据的存储既可以直接存放在扫描仪内部存储空间，也可以直接存放在控制计算机硬盘内。

红外数字图象数据直接存放在控制计算机内。

相片数据存储可以直接存放相机的SD卡内，也可实时存放在控制计算机硬盘内。

可见光视频和紫外光斑图象视频直接通过视频卡采集，存放在控制计算机内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，包括传感器信号集中控制器、传感器时间同步模块以及控制计算机；

所述传感器信号集中控制器分别与所述传感器时间同步模块和所述控制计算机连接，所述传感器时间同步模块与所述控制计算机连接；

所述传感器信号集中控制器用于将传感器的输入接口、输出接口以及电源接口集成，所述传感器时间同步模块用于利用GPS时间系统的软时间同步实现传感器时间软同步，协调传感器的工作，所述控制计算机用于控制传感器的工作状态以及传感器数据的采集、存储和输出。

2.根据权利要求1所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述传感器时间同步模块具体包括POS系统、ARM处理系统和时钟晶振模块，所述ARM处理系统上设置有与多种类型传感器匹配的接口；

所述时钟晶振模块、所述POS系统分别与所述ARM处理系统连接；

所述时钟晶振模块生成时钟晶振信号，并发送所述时钟晶振信号到所述ARM处理系统，所述POS系统接收外部GPS信号，解析所述外部GPS信号为PPS脉冲信号和NMEA协议的语句，发送所述PPS脉冲信号和所述NMEA协议的语句到所述ARM处理系统，所述ARM处理系统将所述时钟晶振信号与所述PPS脉冲信号以及所述NMEA协议的语句整合，得到GPS绝对时间信号，所述ARM处理系统通过所述与多种类型传感器匹配的接口，接收传感器的工作触发脉冲，利用所述GPS绝对时间信号，检测所述传感器的工作触发脉冲上沿或下沿达到的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间，所述POS系统获取无人机飞行参数和位置参数，计算传感器工作触发脉冲时间相应的空间位置，根据传感器工作触发脉冲时间相应的空间位置和所述外部GPS信号，计算所述传感器运动位置的同步补偿时间，发送所述传感器运动位置的同步补偿时间到所述ARM处理系统，所述ARM处理系统根据所述传感器的各项操作的绝对GPS时间和所述传感器运动位置的同步补偿时间，对所述传感器进行时间同步处理。

3.根据权利要求1或2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述控制计算机设置有网络接口、USB接口以及标准RS232/RS422串行口。

4.根据权利要求1或2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述控制计算机包括控制单元、数据采集单元、数据输出单元和存储单元，所述数据采集单元、所述数据输出单元以及所述存储单元分别与所述控制单元连接；

所述数据采集单元用于根据控制单元的指令采集传感器数据，所述数据输出单元，用于根据控制单元的指令输出数据，所述存储单元，用于根据控制单元指令存储数据，所述控制单元，用于对接收到数据进行处理输出，并协调所述数据采集单元、所述数据输出单元和所述存储单元的工作。

5.根据权利要求4所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述存储单元为固态硬盘。

6.根据权利要求1或2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，还包括电源，所述电源与所述传感器信号集中控制器连接。

7.根据权利要求2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述ARM处理系统包括ARM嵌入式系统和总线扩展模块，所述ARM嵌入式系统与所述总线扩展模块连接，所述总线扩展模块上设置有所述与多种类型传感器匹配的接口。

8.根据权利要求2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述POS系统包括相互连接的GPS接收机和IMU的组合系统，所述GPS接收机接收所述外部GPS信号，并传输所述外部GPS信号到IMU的组合系统，所述IMU组合系统将所述外部GPS解析为PPS脉冲信号和NMEA协议的语句。

9.根据权利要求2所述的无人机电力巡检的传感器集成电路，其特征在于，所述时钟晶振模块为压控钟振时钟信号模块。

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