CN106291528B - 一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法 - Google Patents

一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法，该多旋翼飞行器包括外部+5V电源，该系统包括均与外部+5V电源相连的电源模块、射频模块、中频处理模块和控制模块；电源模块将外部+5V电源转化为+2.5V电压，为中频处理模块提供参考电压；射频模块用于微波雷达信号的发送接收以及所发送雷达波的控制；中频处理模块用于对射频模块输出的信号通过模拟电路进行模拟信号处理；控制模块用于对中频处理模块输出信号的模数转换，并使用数字信号处理的方法求得速度和距离，同时通过无线与上位机进行通讯。本发明可实时检测飞行器自身真实的运动参数；由于微波雷达的原理，本发明受外界天气及室内外情况的影响较小。

Description

一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法
技术领域
本发明涉及用于多旋翼飞行器的传感器领域，尤其涉及一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法。
背景技术
多旋翼飞机(尤其是四旋翼飞行器，下文简称飞行器)，是目前一个非常热门的研究领域。Van Blyenburgh P.的《UAVs:an Overview》一文中提到空中机器人可以大大减少人力劳动成本，同时又适合进入一些危险、狭小的场所，因此被认为有很大的发展潜力。
然而，Bristeau P J,Callou F,Vissiere D等人的《The Navigation andControl technology inside the AR.Drone micro UAV》一文提到，实现飞行器的自主飞行和任务执行的前提，是对自身飞行运动参数的准确测量。例如，在紧急降落时，外界GPS等定位方法可能会失效，必须采用自身的高度和速度感知来确保安全；在空中自主飞行时，飞行器本身也需要有感知外界和躲避障碍的能力。这些都要求飞行器拥有机载检测设备来实时检测自身的运动参数。同时这些运动参数的获取需要达到不受室内外情况影响，且光照、天气等情况对其测量影响小等要求。
目前针对多旋翼飞机的高度和速度测量，通常有机器视觉、超声破雷达、激光雷达等方法。但这几种方法都容易收到环境的干扰，无法满足全天候测量需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有多旋翼飞行器在空中飞行时难以获得与真实地表的相对速度值和高度值的问题，本发明提出了一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统及方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统，所述多旋翼飞行器包括外部+5V电源，所述系统包括电源模块、射频模块、中频处理模块和控制模块；其中，所述外部+5V电源为电源模块、射频模块、中频处理模块以及控制模块供电；所述电源模块将外部+5V电源转化为+2.5V电压，为中频处理模块提供参考电压；所述射频模块用于微波雷达信号的发送接收以及所发送雷达波的控制；所述中频处理模块用于对射频模块输出的信号通过模拟电路进行模拟信号处理；所述控制模块用于对中频处理模块输出信号的模数转换，并使用数字信号处理的方法求得速度和距离，同时通过无线与上位机进行通讯。
进一步地，所述电源模块由稳压芯片IC2、电容C7、电容C8、电阻R8、电位器P4组成；其中，外部+5V电源分别与稳压芯片IC2电源输入端和电容C7的正端相连；电容C7的负端、电容C8的负端和电位器P4中间段均接地；稳压芯片IC2的电压输出端分别与电阻R8一端和电容C8正端相连；稳压芯片IC2的电压调制端分别与电阻R8另一端和电位器P4右端相连。
进一步地，所述控制模块由微处理器芯片、电阻R9和XBee无线传输模块组成；微处理器的数据发送端和数据接收端分别与XBee无线传输模块的数据接收端和数据发送端相连；微处理器的基准电压外部输入端、微处理器的电源输入端均与外部+5V电源相连；微处理器的模拟接地端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端和微处理器的接地端均接地。
进一步地，所述射频模块由微波雷达芯片和电压控制芯片组成；所述微波雷达芯片的压控振荡器端口与电压控制芯片的电压控制输出端相连；电压控制芯片的电压控制输出端与微处理器的第二模拟输入端口相连；电压控制芯片的控制输入端、串行时钟输入端、串行数据输入端、片选端分别与微处理器的第五、第六、第七、第八模拟输出端口相连。
进一步地，所述中频处理模块由运放芯片IC1、电容C1-C6、电阻R1-R7、电位器P1、电位器P2、电位器P3组成；所述运放芯片IC1由运放IC1A、运放IC1B、运放IC1C、运放IC1D组成；运放芯片IC1的正电源端与外部+5V电源相连；运放芯片IC1的负电源端接地；电容C1的一端与射频模块中微波雷达芯片的原始I信号输出端相连；电容C1的另一端分别与电容C2的一端和C5的一端相连；电容C2的另一端分别与电阻R2的一端和电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电阻R3的一端相连后接运放IC1A的正输入端；电位器P1的右端和电阻R1的一端相连后接运放IC1A的负输入端；电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电阻R4的一端以及运放IC1A的输出端相交于一点；电阻R4的另一端和电容C4的一端相连后接电位器P2的中端；电位器P2的右端与电阻R5的一端相连后接运放IC1C的负输入端；电阻R5的另一端与运放IC1C的输出端相连；电容C5的另一端与电阻R6的一端相连；电阻R6的另一端与电位器P3的中端相连后接运放IC1B的负输入端；电位器P3的右端、电阻R7的一端以及运放IC1B的输出端相交于一点；电阻R7的另一端与电容C6的一端相连；电阻R3的另一端、电位器P1的中端、电容C4的另一端、运放IC1C的正输入端、运放IC1B的正输入端、电容C6的另一端均与电源模块的输出端相连；其中运放IC1C的输出端作为第一输出口，输出中频处理后的距离测量信号；电阻R7与电容C6的公共端作为第二输出口，输出中频处理后的速度测量信号；第一输出口与微处理器的第三模拟输入端口相连；第二输出口与微处理器的第四模拟输入端口相连。
利用上述的微波雷达测速测距系统的测距测速方法，具体包括如下步骤：
(1)将微波雷达测速测距系统安装在多旋翼飞行器上，上位机通过无线与微波雷达测速测距系统相连，选择微波雷达测速测距系统采用的测量模式，所述测距模式包括速度测量模式和距离测量模式，默认先进入速度测量模式；同时将射频模块中的微波雷达芯片对准被测目标；
(2)当处于速度测量模式时，首先进行测量初值的确定，并关闭射频模块中的电压控制芯片，使之不产生调制信号；之后，进入测速循环，微处理器开始定时采样中频处理模块中的第二输出口输出的速度测量信号，依次进行窗函数处理、快速傅里叶变换(FFT)、线性调频Z变换(CZT)、频谱分析，最终得到速度值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测速循环，否则，跳转至距离测量模式；
(3)当处于距离测量模式时，首先进行测量初值的确定，并开启射频模块中的电压控制芯片，使之产生三角调制信号；之后，进入测距循环，微处理器开始定时同步采样射频模块中电压控制芯片的输出信号和中频处理模块的第一输出口输出的距离测量信号，并依次进行获取单一周期数据、窗函数处理、快速傅里叶变换(FFT)、线性调频Z变换(CZT)、频谱分析，最终得到距离值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测距循环，否则，跳转至速度测量模式。
进一步地，所述微处理器定时采样具体如下：设定采样的时间间隔和采样时长，使得微处理器可以在采样时长内进行等间隔时间的采样；当定时器时间到达采样时间间隔时，触发定时器中断，打开模拟-数字转换器(ADC)，接着打开定时器进行下一个时间间隔的定时；此时定时与模拟数字(AD)采样同时进行，以确保采样时间间隔的准确性；当模拟数字(AD)采样完成后，立刻触发模拟-数字转换器(ADC)中断，将获取到的数字量传送到数据运算的输入变量中；如此反复，当达到采样时长后，定时器停止，并结束采样。
本发明的有益效果在于：
1、可搭载于飞行器上并由飞行器供电满足了飞行器机载检测设备实时检测自身的运动参数的要求。
2、基于微波雷达测量方法可以很大程度上的减小天气因素导致的测量误差，并可以同时适应室内外的测量。
3、通过XBee无线传输模块，可以实现测速、测距两种模式的切换，并实时无线传输测量数据。
4、使用微处理器实现所有运算，提高了系统的可靠性；同时减轻了数据传输量和上位机的运算量。
5、设计了模拟电路对雷达输出中频信号进行处理，可以降低数字信号处理时的成本和运算时间。
6、整个系统体积约100立方厘米，质量约100克，具有体积小、质量轻，对飞行器的空气动力学模型的影响可忽略。
附图说明
图1是本发明测量系统的结构示意图；
图2是本发明测量系统的电源模块电路图；
图3是本发明测量系统的控制模块示意图；
图4是本发明测量系统的射频模块的示意图；
图5是本发明测量系统的中频处理模块电路图；
图6是本发明测量系统的实施例示意图；
图7是本发明测量方法的流程图；
图8是本发明测量方法中采样部分的程序流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统，所述多旋翼飞行器包括外部+5V电源，所述系统包括电源模块、射频模块、中频处理模块和控制模块；其中，所述外部+5V电源为电源模块、射频模块、中频处理模块以及控制模块供电；所述电源模块将外部+5V电源转化为+2.5V电压，为中频处理模块提供参考电压；所述射频模块用于微波雷达信号的发送接收以及所发送雷达波的控制；所述中频处理模块用于对射频模块输出的信号通过模拟电路进行模拟信号处理；所述控制模块用于对中频处理模块输出信号的模数转换，并使用数字信号处理的方法求得速度和距离，同时通过无线传输与上位机进行通讯。
如图2所示，电源模块由稳压芯片IC2、电容C7、电容C8、电阻R8、电位器P4组成；其中，外部+5V电源分别与稳压芯片IC2电源输入端和电容C7的正端相连；电容C7的负端、电容C8的负端和电位器P4中间段均接地；稳压芯片IC2的电压输出端分别与电阻R8一端和电容C8正端相连；稳压芯片IC2的电压调制端分别与电阻R8另一端和电位器P4右端相连；所述稳压芯片IC2可以采用STMicroelectronics公司LM317T型号产品，但不限于此。
如图3所示，控制模块由微处理器、电阻R9和XBee无线传输模块组成；微处理器的数据发送端TX3和数据接收端RX3分别与XBee无线传输模块的数据接收端RX和数据发送端TX相连；微处理器的基准电压外部输入端AREF、微处理器的电源输入端均与外部+5V电源相连；微处理器的模拟接地端AGND与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端和微处理器的接地端GND均接地。同时上位机配备另一块配对的XBee无线传输模块，实现对微波雷达测速测距系统的控制和数据获取。所述微处理器可以采用PJRC品牌的Teensy 3.1型号产品，但不限于此；XBee无线传输模块可以采用Digi International公司的XBee-PRO900HP型号产品，但不限于此。
如图4所示，射频模块由微波雷达芯片和电压控制芯片组成；微波雷达芯片可以发送和接收微波雷达波，其压控振荡器端口与电压控制芯片的电压控制输出端相连；电压控制芯片通过串行外设接口来改变其输出电压的波形，从而改变微波雷达芯片发出的雷达波。其中电压控制芯片的电压控制输出端与微处理器的模拟输入端口A2相连；电压控制芯片的控制输入端FSYNC、串行时钟输入端CLK、串行数据输入端DAT、片选端CS分别与微处理器的模拟输出端口A5、A6、A7、A8相连；所述微波雷达芯片可采用RFbeam公司K-LC5型号产品，但不限于此；所述电压控制芯片可采用使用Microchip公司MCP41010型号和AnalogDevices公司的AD9833型号芯片组成的模块，但不限于此。
如图5所示，中频处理模块由运放芯片IC1、电容C1-C6、电阻R1-R7、电位器P1、电位器P2、电位器P3组成；运放芯片IC1由运放IC1A、运放IC1B、运放IC1C、运放IC1D组成；运放芯片IC1正电源端与外部+5V电源相连；运放芯片IC1的负电源端接地；电容C1的一端与射频模块中微波雷达芯片的原始I信号输出端相连；电容C1的另一端分别与电容C2的一端和C5的一端相连；电容C2的另一端分别与电阻R2的一端和电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电阻R3的一端相连后接运放IC1A的正输入端；电位器P1的右端和电阻R1的一端相连后接运放IC1A的负输入端；电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电阻R4的一端以及运放IC1A的输出端相交于一点；电阻R4的另一端和电容C4的一端相连后接电位器P2的中端；电位器P2的右端与电阻R5的一端相连后接运放IC1C的负输入端；电阻R5的另一端与运放IC1C的输出端相连；电容C5的另一端与电阻R6的一端相连；电阻R6的另一端与电位器P3的中端相连后接运放IC1B的负输入端；电位器P3的右端、电阻R7的一端以及运放IC1B的输出端相交于一点；电阻R7的另一端与电容C6的一端相连；电阻R3的另一端、电位器P1的中端、电容C4的另一端、运放IC1C的正输入端、运放IC1B的正输入端、电容C6的另一端均与电源模块的输出端相连；其中运放IC1C的输出端作为第一输出口(OUT1)，输出中频处理后的距离测量信号；电阻R7与电容C6的公共端作为第二输出口(OUT2)，输出中频处理后的速度测量信号。第一输出口(OUT1)与微处理器的模拟输入端口A3相连；第二输出口(OUT2)与微处理器的模拟输入端口A4相连；所述运放芯片IC1可以采用Texas Instruments公司LMV324型号产品，但不限于此。
实施例：
如图6所示，将微波雷达测速测距系统安装在多旋翼飞行器上，上位机通过无线与微波雷达测速测距系统相连，选择微波雷达测速测距系统采用的测量模式，所述测距模式包括速度测量模式和距离测量模式，默认先进入速度测量模式；同时将射频模块中的微波雷达芯片对准被测目标；
如图7所示，当处于速度测量模式时，首先进行测量初值的确定，并关闭射频模块中的电压控制芯片，使之不产生调制信号；之后，进入测速循环，微处理器开始定时采样中频处理模块中的第二输出口输出的速度测量信号，依次进行窗函数处理、快速傅里叶变换(FFT)、线性调频Z变换(CZT)、频谱分析，最终得到速度值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测速循环，否则，跳转至距离测量模式；
当处于距离测量模式时，首先进行测量初值的确定，并开启射频模块中的电压控制芯片，使之产生三角调制信号；之后，进入测距循环，微处理器开始定时同步采样射频模块中电压控制芯片的输出信号和中频处理模块的第一输出口输出的距离测量信号，并依次进行获取单一周期数据、窗函数处理、快速傅里叶变换(FFT)、线性调频Z变换(CZT)、频谱分析，最终得到距离值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测距循环，否则，跳转至速度测量模式。
程序框架中的微处理器采样程序流程图如图8所示。首先，设定采样的时间间隔和采样时长，使得微处理器可以在采样时长内进行等间隔时间的采样；当定时器时间到达采样时间间隔时，触发定时器中断，打开模拟-数字转换器(ADC)，接着打开定时器进行下一个时间间隔的定时；此时定时与模拟数字(AD)采样同时进行，以确保采样时间间隔的准确性；当模拟数字(AD)采样完成后，立刻触发模拟-数字转换器(ADC)中断，将获取到的数字量传送到数据运算的输入变量中；如此反复，当达到采样时长后，定时器停止，并结束采样程序。
当开启飞行器，并将射频模块中的微波雷达芯片对准地面，即可测量相对与真实地表的速度值和距离值。达到飞行器机载检测设备实时检测自身运动参数的目的。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于多旋翼飞行器的微波雷达测速测距系统，所述多旋翼飞行器包括外部+5V电源，其特征在于，所述系统包括电源模块、射频模块、中频处理模块和控制模块；其中，所述外部+5V电源为电源模块、射频模块、中频处理模块以及控制模块供电；所述电源模块将外部+5V电源转化为+2.5V电压，为中频处理模块提供参考电压；所述射频模块用于微波雷达信号的发送接收以及所发送雷达波的控制；所述中频处理模块用于对射频模块输出的信号通过模拟电路进行模拟信号处理；所述控制模块用于对中频处理模块输出信号的模数转换，并使用数字信号处理的方法求得速度和距离，同时通过无线与上位机进行通讯；
所述电源模块由稳压芯片IC2、电容C7、电容C8、电阻R8、电位器P4组成；其中，外部+5V电源分别与稳压芯片IC2电源输入端和电容C7的正端相连；电容C7的负端、电容C8的负端和电位器P4中间端均接地；稳压芯片IC2的电压输出端分别与电阻R8一端和电容C8正端相连；稳压芯片IC2的电压调制端分别与电阻R8另一端和电位器P4右端相连；
所述控制模块由微处理器、电阻R9和XBee无线传输模块组成；微处理器的数据发送端和数据接收端分别与XBee无线传输模块的数据接收端和数据发送端相连；微处理器的基准电压外部输入端、微处理器的电源输入端均与外部+5V电源相连；微处理器的模拟接地端与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端和微处理器的接地端均接地；
所述射频模块由微波雷达芯片和电压控制芯片组成；所述微波雷达芯片的压控振荡器端口与电压控制芯片的电压控制输出端相连；电压控制芯片的电压控制输出端与微处理器的第二模拟输入端口相连；电压控制芯片的控制输入端、串行时钟输入端、串行数据输入端、片选端分别与微处理器的第五、第六、第七、第八模拟输出端口相连；
所述中频处理模块由运放芯片IC1、电容C1-C6、电阻R1-R7、电位器P1、电位器P2、电位器P3组成；所述运放芯片IC1由运放IC1A、运放IC1B、运放IC1C组成；运放芯片IC1的正电源端与外部+5V电源相连；运放芯片IC1的负电源端接地；电容C1的一端与射频模块中微波雷达芯片的原始I信号输出端相连；电容C1的另一端分别与电容C2的一端和C5的一端相连；电容C2的另一端分别与电阻R2的一端和电容C3的一端相连；电容C3的另一端与电阻R3的一端相连后接运放IC1A的正输入端；电位器P1的右端和电阻R1的一端相连后接运放IC1A的负输入端；电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电阻R4的一端以及运放IC1A的输出端相交于一点；电阻R4的另一端和电容C4的一端相连后接电位器P2的中端；电位器P2的右端与电阻R5的一端相连后接运放IC1C的负输入端；电阻R5的另一端与运放IC1C的输出端相连；电容C5的另一端与电阻R6的一端相连；电阻R6的另一端与电位器P3的中端相连后接运放IC1B的负输入端；电位器P3的右端、电阻R7的一端以及运放IC1B的输出端相交于一点；电阻R7的另一端与电容C6的一端相连；电阻R3的另一端、电位器P1的中端、电容C4的另一端、运放IC1C的正输入端、运放IC1B的正输入端、电容C6的另一端均与电源模块的输出端相连；其中运放IC1C的输出端作为第一输出口，输出中频处理后的距离测量信号；电阻R7与电容C6的公共端作为第二输出口，输出中频处理后的速度测量信号；第一输出口与微处理器的第三模拟输入端口相连；第二输出口与微处理器的第四模拟输入端口相连。
2.利用权利要求1所述的微波雷达测速测距系统的测距测速方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将微波雷达测速测距系统安装在多旋翼飞行器上，上位机通过无线与微波雷达测速测距系统相连，选择微波雷达测速测距系统采用的测量模式，所述测距模式包括速度测量模式和距离测量模式，默认先进入速度测量模式；同时将射频模块中的微波雷达芯片对准被测目标；
（2）当处于速度测量模式时，首先进行测量初值的确定，并关闭射频模块中的电压控制芯片，使之不产生调制信号；之后，进入测速循环，微处理器开始定时采样中频处理模块中的第二输出口输出的速度测量信号，依次进行窗函数处理、快速傅里叶变换（FFT）、线性调频Z变换（CZT）、频谱分析，最终得到速度值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测速循环，否则，跳转至距离测量模式；
（3）当处于距离测量模式时，首先进行测量初值的确定，并开启射频模块中的电压控制芯片，使之产生三角调制信号；之后，进入测距循环，微处理器开始定时同步采样射频模块中电压控制芯片的输出信号和中频处理模块的第一输出口输出的距离测量信号，并依次进行获取单一周期数据、窗函数处理、快速傅里叶变换（FFT）、线性调频Z变换（CZT）、频谱分析，最终得到距离值，并通过XBee模块无线传输给上位机；当上位机不改变测量的运动参数类型时，系统始终处于测距循环，否则，跳转至速度测量模式。
3.根据权利要求2所述的测距测速方法，其特征在于，所述微处理器定时采样具体如下：设定采样的时间间隔和采样时长，使得微处理器可以在采样时长内进行等间隔时间的采样；当定时器时间到达采样时间间隔时，触发定时器中断，打开模拟-数字转换器（ADC），接着打开定时器进行下一个时间间隔的定时；此时定时与模拟数字（AD）采样同时进行，以确保采样时间间隔的准确性；当模拟数字（AD）采样完成后，立刻触发模拟-数字转换器（ADC）中断，将获取到的数字量传送到数据运算的输入变量中；如此反复，当达到采样时长后，定时器停止，并结束采样。
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