CN103744372B

CN103744372B - 无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统

Info

Publication number: CN103744372B
Application number: CN201310720203.3A
Authority: CN
Inventors: 王锐; 蔡艳辉; 彭向阳; 胡锐; 王柯; 李谦; 麦晓明; 张金铎; 余欣; 马远向
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd; Chinese Academy of Surveying and Mapping
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd; Chinese Academy of Surveying and Mapping
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103744372A

Abstract

本发明提供一种无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统，通过整合本地钟晶振信号和GPS时间信号获得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，实现多传感器的时间同步。整个过程，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，准确测量各个传感器动作的时间坐标，实现多传感器的时间同步。

Description

无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统

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多传感器时间同步方法与系统。

背景技术

基于无人直升机多传感器系统的电力安全巡线技术，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，多种传感器信息也极大地方便了电力线路安全状况探查的完全性和准确性。

其传感器类型主要包括可见光相机、红外热像仪、紫外成像仪、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。由于每个传感器设备都有自己的工作时钟，并且互不相同，有的设备没有外部协同接口和机制。

一方面，无人机电路巡检系统存在多种类型的传感器，简单基于GPS的时间同步方法是无法简单实现这么多类型传感器高精度时间同步的，另一方面无人机电力巡检系统的电力巡检过程，是一个运动的过程，空间上位置的差异同样会引起在GPS时间同步方法出现较大偏差，基于上述原因如果在无人机电力巡检系统采用现有的时间同步方法必然实现复杂且同步效果差，多种类型传感器无法精准时间就意味着各个传感器之间无法很好的协调工作，无人机电力巡检的结果会存在比较大的误差，其巡检结果也无法真实、准确反映被巡检的电力线路的情况。

发明内容

基于此，有必要针对现有时间同步方法用于无人机电路巡检上时存在实现复杂、同步效果差问题，提供一种实现简单，同步效果好的无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统。

一种无人机电力巡检的多传感器时间同步方法，包括步骤：

获取无人机中时钟晶振的时间信号；

接收外部GPS信号，解析所述外部GPS信号，获取PPS脉冲信号和NMEA协议的语句；

将所述时钟晶振的时间信号与所述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；

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升沿或下降沿到达的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间；

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；

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。

一种无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，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升沿或下降沿到达的时间，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。

本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统，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，所以同步效果能够更好，所以本发明可以无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统准确测量各个传感器动作的时间坐标，为建立各传感器间数据的交互提供基础，能够很好帮助各个传感器之间协调工作，以使无人机电力巡检的结果会存在比较大的准确，真实、准确反映被巡检的电力线路的情况。

附图说明

图1为本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步方法第一个实施例的流程示意图；

图2为本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步方法第二个实施例的流程示意图；

图3为本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步系统第一个实施例的结构示意图；

图4为本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步系统第二个实施例的结构示意图；

图5为本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步系统其中一个具体实施例的结构示意图。

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多传感器时间同步方法，包括步骤：

S100：获取无人机中时钟晶振的时间信号。

这里说的无人机中时钟晶振的时间信号可以理解为无人机自身携带的一个时间信号，这个时间信号是某种时钟晶振模块产生的时间信号，无人机中时钟晶振的时间信号可以理解为无人机本地时间信号。

S200：接收外部GPS信号，解析所述外部GPS信号，获取PPS脉冲信号和NMEA协议的语句。

因为GPS信号的频率是一个稳定值，所以GPS信号可以作为基准时间信号，另外GPS目前常用来对物品进行全球地理位置定位，这里接收的是外部从卫星发射过来的GPS信号，在接收到GPS信号后，维持一个GPS绝对时间系统，并解析GPS信号获得PPS脉冲信号和NMEA协议的语句。PPS脉冲信号为GPS秒脉冲信号，PPS脉冲信号一秒钟一个，它的作用是用来指示整秒的时间，而该时间通常是用PPS秒脉冲的上升沿来标示，因为GPS可以给出UTC时间，但用户收到时是会有延时的，那么为了精确授时，引入PPS信号上升沿来标示UTC的整秒时间，精度可以到纳秒级，而且没有累积误差。NMEA协议是GPS传输数据的一种数据格式，便于GPS数据正确传输到下一器件中。

S300：将所述时钟晶振的时间信号与所述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。

这里，是将无人机本地时钟信号和PPS脉冲信号以及所述NMEA协议的语句整合，最终获得GPS绝对时间信号，由于GPS绝对时间信号是以GPS信号作为基准生成的，而GPS信号是一种频率稳定的信号，所以能够确保GPS绝对时间信号准确，剔除了外部因素对时间信号的干扰。

S400：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升沿或下降沿到达的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间。

传感器在启动各项操作时，都会发出一个工作触发脉冲信号，在这里接收各个传感器的工作触发脉冲信号，并且利用之前获得的GPS绝对时间信号去检测整个传感器的工作触发脉冲信号，最后获得传感器各项操作的绝对GPS时间。

S500：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。

无人机飞行参数和位置参数可以通过外部GPS信号获取，或者综合无飞机自身设备检测的到飞行参数，在获取了这些数据之后，计算传感器工作触发脉冲时间相应的空间位置，不同的传感器空间位置不一样这里需要准确的计算，再根据传感器脉冲时间对应的空间位置和外部GPS信号，计算得出传感器运动位置的同步补偿时间。为了详细解释本步骤中的同步补偿时间，下面将用实例说明：

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。假设:

t₁,t₂,...,t_k,,t_k+1是POS系统100Hz空间运动状态的输出时间，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的空间位置，

V_X,V_Y,V_Z是POS系统在t_k,时间的运动速度，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的姿态位置，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的角速度，

空间运动状态的输出时间，

t_S是传感器触发时间。则：

\{\begin{matrix} x_{s} = x_{k} + V_{x} (t_{S} - t_{k}) \\ y_{s} = y_{k} + V_{y} (t_{S} - t_{k}) \\ z_{s} = z_{k} + V_{z} (t_{S} - t_{k}) \end{matrix}

\{\begin{matrix} h_{s} = h_{k} + V_{h} (t_{S} - t_{k}) \\ p_{s} = p_{k} + V_{p} (t_{S} - t_{k}) \\ r_{s} = r_{k} + V_{r} (t_{S} - t_{k}) \end{matrix}

S600：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。

在精准获得传感器的各项操作的绝对GPS时间之后，再对其进行运动位置的同步补偿，减小因空间位置差异带来的时间同步不准确的误差，实现无人机电力巡检的多传感器准确的时间同步。

本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步方法，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，所以同步效果能够更好，所以本发明可以无人机电力巡检的多传感器时间同步方法准确测量各个传感器动作的时间坐标，为建立各传感器间数据的交互提供基础，能够很好帮助各个传感器之间协调工作，以使无人机电力巡检的结果会存在比较大的准确，真实、准确反映被巡检的电力线路的情况。

如图2所示，在其中一个实施例中，所述步骤S400之后还有步骤：

S420：记录并存储所述传感器的各项操作的绝对GPS时间。

记录并存储传感器的各项操作的绝对GPS时间，能够便于在下一步骤中直接读取以及用户的查看，另外重要数据的储存确保的数据的安全，有效防止意外出现导致数据丢失。

在其中一个实施例中，所述无人机飞行参数包括为无人机飞行姿态参数、飞行速度参数以及飞行方位参数，所述无人机位置参数包括无人机地理坐标位置参数。

如图3所示，一种无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，其特征在于，包括POS系统100、ARM处理系统200和时钟晶振模块300，所述ARM处理系统200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300、所述POS系统100分别与所述ARM处理系统200连接；

所述时钟晶振模块300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200，所述POS系统100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200，所述ARM处理系统200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200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升沿或下降沿到达的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间，所述POS系统100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200，所述ARM处理系统200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。

本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，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，所以同步效果能够更好，所以本发明可以无人机电力巡检的多传感器时间同步系统准确测量各个传感器动作的时间坐标，为建立各传感器间数据的交互提供基础，能够很好帮助各个传感器之间协调工作，以使无人机电力巡检的结果会存在比较大的准确，真实、准确反映被巡检的电力线路的情况。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述ARM处理系统200包括ARM嵌入式系统220和总线扩展模块240，所述ARM嵌入式系统220与所述总线扩展模块240连接，所述总线扩展模块240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220可以理解为一种用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240上设置有与多种类型传感器匹配的接口。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述POS系统100包括相互连接的GPS接收机120和IMU的组合系统140，所述GPS接收机120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140，所述IMU组合系统140将所述外部GPS解析为PPS脉冲信号和NMEA协议的语句。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述无人机电力巡检的多传感器时间同步系统还包括控制计算机400，所述控制计算机与400所述ARM处理系统200连接。

控制计算机能够协调好无人机电力巡检的多传感器时间同步系统各个组成部件的工作状态，提升整个系统的性能。

在其中一个实施例中，所述无人机电力巡检的多传感器时间同步系统还包括RS232接口，所述RS232接口将所述POS系统与所述ARM处理系统连接。

RS232C是美国电子工业协会制定的一种串行物理接口标准，包括一个主通道和一个辅助通道。高性能的接口能够确保数据安全高速的传输。

在其中一个实施例中，所述时钟晶振模块为压控钟振时钟信号模块。

为了更进一步详细解释本发明无人机电力巡检的多传感器时间同步方法与系统，下面将以高清相机、扫描仪等传感器，结合图5详细说明整个技术方案的实现过程。

1、ARM处理系统数据准备过程。

ARM处理系统基于ARM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，同时根据测时板自身的时钟和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。

2、当接入的传感器为高清相机，需要同步曝光时间时。

高清相片曝光时间测量采用了高清相机的曝光脉冲来触发GPS绝对时间测量系统，实现高精度曝光时间测量。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端子脉冲上升沿或者下降沿作为相机曝光“事件”，触发GPS绝对时间测量系统，实现高精度曝光时间测量。

3、当视频帧信号的传感器接入时。

高清摄像机、红外热像仪、紫外探测仪都是数字视频输出，同时输出25帧/秒的脉冲帧信号，将25帧/秒的脉冲信号直接输入GPS绝对时间测量系统，实现高精度曝光时间测量。

4、当扫描仪等类似传感器接入时。

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。

5、对上述2-4中传感器测量获得的高精度GPS时间进行运动补偿。

t₁,t₂,...,t_k,,t_k+1是POS系统100Hz空间运动状态的输出时间，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的空间位置，

V_X,V_Y,V_Z是POS系统在t_k,时间的运动速度，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的姿态位置，

x_k,y_k,z_k,是POS系统在t_k,时间的角速度，

空间运动状态的输出时间，

t_S是传感器触发时间。则：

\{\begin{matrix} x_{s} = x_{k} + V_{x} (t_{S} - t_{k}) \\ y_{s} = y_{k} + V_{y} (t_{S} - t_{k}) \\ z_{s} = z_{k} + V_{z} (t_{S} - t_{k}) \end{matrix}

\{\begin{matrix} h_{s} = h_{k} + V_{h} (t_{S} - t_{k}) \\ p_{s} = p_{k} + V_{p} (t_{S} - t_{k}) \\ r_{s} = r_{k} + V_{r} (t_{S} - t_{k}) \end{matrix}

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

1.一种无人机电力巡检的多传感器时间同步方法，其特征在于，包括步骤：

获取无人机中时钟晶振的时间信号；

2.根据权利要求1所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步方法，其特征在于，所述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升沿或下降沿到达的时间，得到所述传感器的各项操作的绝对GPS时间之后还有步骤：

记录并存储所述传感器的各项操作的绝对GPS时间。

3.根据权利要求1或2所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步方法，其特征在于，所述无人机飞行参数包括为无人机飞行姿态参数、飞行速度参数以及飞行方位参数，所述无人机位置参数包括无人机地理坐标位置参数。

4.一种无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，其特征在于，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；

5.根据权利要求4所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，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。

6.根据权利要求4或5所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，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。

7.根据权利要求4或5所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，其特征在于，还包括控制计算机，所述控制计算机与所述ARM处理系统连接。

8.根据权利要求4或5所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，其特征在于，还包括RS232接口，所述RS232接口将所述POS系统与所述ARM处理系统连接。

9.根据权利要求4或5所述的无人机电力巡检的多传感器时间同步系统，其特征在于，所述时钟晶振模块为压控钟振时钟信号模块。