CN109959927A - 电力巡线无人机雷达高度表系统 - Google Patents

Abstract

一种电力巡线无人机雷达高度表系统，包括：射频前端：内置有射频芯片，用于控制发送波形和接收回波；Arm芯片，使用该芯片内DAC模块控制射频芯片，使用ADC模块通过GPIO接口接收I、Q数据，并通过DMA通道将数据送入CPU进行解算；CPU将解算出的距离值通过接口与无人机飞控系统和地面站进行数据交互；外部电路：包含时钟模块，滤波模块等，为Arm芯片提供配套服务；电源模块：为本系统提供电源。不仅在工作效率上可以大幅提高，也能大大减少野外工作，降低人工巡线成本。

Description

电力巡线无人机雷达高度表系统

技术领域

本发明属于无人机雷达高度表领域，具体说是一种电力巡线无人机雷达高度表系统。

背景技术

由于人们生活质量不断提高，国内电网不断扩大，长距离输电网络线路增长迅速，而且很多输电线路分布在宗山峻岭之中，为了日常电力维护、巡查，防止和预防电力事故发生等工作，需要对电力线缆进行日常巡检、巡查。目前，电力巡查的主要工作内容还是由人工进行翻山越岭对现有的电力线缆进行巡查。工作量大，在野外及深山中尤其辛苦。因此急需要一种工具代替人工进行定高巡查、巡线，以节约劳动力。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺点和不足，本发明提供了一种电力巡线无人机雷达高度表系统，不仅在工作效率上可以大幅提高，也能大大减少野外工作，降低人工巡线成本。

本发明的技术要点是，一种电力巡线无人机雷达高度表系统，包括：

射频前端：内置有射频芯片，用于控制发送波形和接收回波；Arm芯片，使用该芯片内DAC模块控制射频芯片，使用ADC模块通过GPIO接口接收I、Q数据，并通过DMA通道将数据送入CPU进行解算；CPU将解算出的距离值通过接口与无人机飞控系统和地面站进行数据交互；

外部电路：包含时钟模块，滤波模块等，为Arm芯片提供配套服务；

电源模块：为本系统提供电源。

进一步的，射频前端，还包括接收天线和发送天线，各自使用独立通道。

进一步的，CPU使用RS232、CAN总线及IIC总线与飞控系统进行数据交互，CPU通过2.4GHz WiFi模块与地面站进行数据交互。

进一步的，上述系统，还包括：

AD数据输入模块：通过Arm芯片的ADC模块采集一路I、Q数据；

去直流模块：对I、Q数据中的每一个数据分别减去各自数据总和的均值；

FFT计算、门限检测模块：对去直流后的I、Q数据进行FFT变换，将时域数据转换成频域数据，并对计算后的复数取模；将频域数据进行门限检测，找出门限点幅度最大的一个点；

解算距离模块：根据FFT计算、门限检测模块得出上扫频过门限最大点坐标为up_max_index，该点对应的频率为fd_up，下扫频过门限最大点坐标为down_max_index，该点对应的频率为fd_down，进而计算得出高度H。

进一步的，上述系统还包括：数据处理模块，对解算出的高度H进行数据处理，以达到过滤、稳定数据的目的。

更进一步的，解算距离模块中高度H为：

其中C为光速，C＝3*108°；T为周期；B为调制带宽。

更进一步的，数据处理模块中对高度H进行数据处理，包括滤波处理模块，采用α-β滤波器，其常增益滤波器的预测方程为X(k+1/k)＝ΦX(k/k)，滤波方程为X(k+1/k+1)＝X(k+1/k)+K[Z(k+1)-H(k+1/k)]，其中，X(k/k)为k时刻的滤波值，X(k+1/k)为k时刻对下一个时刻的预测值，Z(k)是k时刻的观测值；

当目标运动方程采用常速度模型时，常数增益矩阵K＝[α,β/T]^T,其状态转移矩阵此模型的量测矩阵为H＝[1，0]。

更进一步的，α-β滤波器满足常数增益矩阵K，状态转移矩阵Φ、量测矩阵H分别为上述表达式描述的常增益滤波器，即

其中，0＜α＜1，0＜β＜1。

作为更进一步的，数据处理模块中对高度H进行数据处理，还包括数据平滑处理模块，

设窗长因子为Y，根据数据稳定性调整，窗内数据按照先进先出原则一次进入窗内计算，在窗中去掉最大高度值和最小高度值后的计算均值，得到最后输出高度，计算公式如下：

本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：可以有效补偿目标在运动过程中产生的多普勒频移，保证无人机在飞行中高度表解算距离的准确性。滤波方法与划窗方法相结合，提高了整个系统在高度解算时对于数据跳变、奇异值的剔除，并且增加数据稳定性与连续性。本发明的系统不仅可以与地面站通信交互数据也可以将距离解算信息传输至无人机飞控系统，飞控系统可以直接使用此距离信息进行相应的数据融合解算实时高度。

附图说明

本发明共有附图3幅：

图1为发射波形示意图；

图2为实施例中电力巡线无人机雷达高度表系统结构框图；

图3为实施例中模块类信号处理方法流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本申请所涉及的雷达高度表的工作频率在24GHz、60GHz或77GHz，采用FMCW连续波调频体制。使用FMCW体制，主要是因为此体制下，距离分辨率较高，能满足应用场景的需要。调制波形采用对称三角波，此波形不仅可以实时检测无人机在静止时与被测物，如地面，之间的距离，也能实时检测无人机在飞行时与被测物，如地面，之间的距离。本设备可以通过多种通信接口交互数据，不仅能将数据下发至地面站，而且可以将数据传至无人机飞控系统，飞控系统可将本设备实时解算的高度值与GPS、气压计等其他设备解算高度进行数据融合处理。为飞控系统进行数据融合提供一个稳定、精确的数据源。

本实施方式的雷达高度表系统的测距范围在1m～50m，距离分辨率0.5m，雷达中心频率为24.128GHz，发射波形使用对称三角波，周期为2ms，带宽300M。发射波形示意图如图1所示。

实施例1

本实施例提供一种电力巡线无人机雷达高度表系统，包括：

射频前端：内置有英飞凌射频芯片，用于控制发送波形和接收回波；发送天线和接收天线使用一发一收独立通道；

Arm芯片，使用该芯片内DAC模块控制射频芯片，使用ADC模块通过GPIO接口接收I、Q数据，并通过DMA通道将数据送入处理模块CPU进行解算，不占用其他外设时钟；处理模块CPU进行相关解算，包括FFT计算，高度解算等，并将解算出的距离值通过接口与无人机飞控系统和地面站进行数据交互；优选的，CPU使用RS232、CAN总线及IIC总线与飞控系统进行数据交互，CPU通过2.4GHz WiFi模块与地面站进行数据交互。

RS232接口：Arm芯片输出TTL电平转换成232电平，可用MAXIM公司的max3232芯片进行电平转换。

IIC接口使用Arm芯片内部的IIC总线，可与外部IIC总线直接连接。

CAN总线接口：可用MICROCHIP公司的MCP2515芯片进行电平转换；

2.4GHz WiFi模块：2.4GHz频段下传输距离远，且抗干扰能力强。

外部电路：包含时钟模块，滤波模块等，为Arm芯片提供配套服务；即Arm芯片工作时各通信接口的配套电路。

电源模块：为本系统提供电源。

实施例2

本实施例提供一种电力巡线无人机雷达高度表系统信号处理方法，通过一路IQ数据解算雷达到被测物的距离，且上扫频与下扫频在解算距离步骤之前处理方法相同；

上述方法具体包括：

S1，AD数据输入：通过Arm芯片的ADC模块采集一路I、Q数据；

S2，去直流：对I、Q数据中的每一个数据分别减去各自数据总和的均值，以此来去除直流分量的影响。

S3，FFT计算、门限检测：对去直流后的I、Q数据进行FFT变换，将时域数据转换成频域数据，并对计算后的复数取模；将频域数据进行CFAR门限检测，找出门限点幅度最大的一个点；主要是考虑到无人机飞行时需要相对于地面稳定计算相对高度，且雷达散射截面RCS相对于地面较小，所以计算时取过门限幅度最大点符合计算要求。

S4，解算距离：根据步骤S3得出上扫频过门限最大点坐标为up_max_index，该点对应的频率为fd_up，下扫频过门限最大点坐标为down_max_index，该点对应的频率为fd_down，进而计算得出高度H：

其中C为光速，C＝3*108°；T为周期，T＝2ms；B为调制带宽，B＝300MHz。

实施例3

作为对实施例2的补充，上述方法还包括：S5，对解算出的高度H进行数据处理，此步骤主要是进行解算高度后处理，即起到提出数据异常点、平滑数据作用。

S5中对高度H进行数据处理，包括滤波处理的步骤：采用α-β滤波器，其常增益滤波器的预测方程为X(k+1/k)＝ΦX(k/k)，滤波方程为X(k+1/k+1)＝X(k+1/k)+K[Z(k+1)-H(k+1/k)]，其中，X(k/k)为k时刻的滤波值，X(k+1/k)为k时刻对下一个时刻的预测值，Z(k)是k时刻的观测值；

当目标运动方程采用常速度模型时，常数增益矩阵K＝[α,β/T]^T,其状态转移矩阵此模型的量测矩阵为H＝[1，0]；

α-β滤波器满足常数增益矩阵K，状态转移矩阵Φ、量测矩阵H分别为上述表达式描述的常增益滤波器，即

其中，0＜α＜1，0＜β＜1。可以根据公式计算得到α和β的取值，

即和其中k为次数，α和β随着k的变化取不同的值，实际在使用中，这两个参数会趋于定值。

S5中对高度H进行数据处理，还包括数据平滑处理的步骤，

设窗长因子为Y，根据数据稳定性调整，窗内数据按照先进先出原则一次进入窗内计算，在窗中去掉最大高度值和最小高度值后的计算均值，得到最后输出高度，计算公式如下：

该实施例，提高了整个系统在高度解算时对于数据跳变、奇异值的剔除，并且增加数据稳定性与连续性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，包括：

射频前端：内置有射频芯片，用于控制发送波形和接收回波；Arm芯片，使用该芯片内DAC模块控制射频芯片，使用ADC模块通过GPIO接口接收I、Q数据，并通过DMA通道将数据送入CPU进行解算；CPU将解算出的距离值通过接口与无人机飞控系统和地面站进行数据交互；

外部电路：包含时钟模块，滤波模块等，为Arm芯片提供配套服务；

电源模块：为本系统提供电源。

2.根据权利要求1所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，射频前端，还包括接收天线和发送天线，各自使用独立通道。

3.根据权利要求1或2所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，CPU使用RS232、CAN总线及IIC总线与飞控系统进行数据交互，CPU通过2.4GHz WiFi模块与地面站进行数据交互。

4.根据权利要求1所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，上述系统，还包括：

AD数据输入模块：通过Arm芯片的ADC模块采集一路I、Q数据；

去直流模块：对I、Q数据中的每一个数据分别减去各自数据总和的均值；

FFT计算、门限检测模块：对去直流后的I、Q数据进行FFT变换，将时域数据转换成频域数据，并对计算后的复数取模；将频域数据进行门限检测，找出门限点幅度最大的一个点；

解算距离模块：根据FFT计算、门限检测模块得出上扫频过门限最大点坐标为up_max_index，该点对应的频率为fd_up，下扫频过门限最大点坐标为down_max_index，该点对应的频率为fd_down，进而计算得出高度H。

5.根据权利要求4所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，上述系统还包括：数据处理模块，对解算出的高度H进行数据处理，以达到过滤、稳定数据的目的。

6.根据权利要求4所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，解算距离模块中高度H为：

其中C为光速，C＝3*10⁸；T为周期；B为调制带宽。

7.根据权利要求5所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，数据处理模块中对高度H进行数据处理，包括滤波处理模块，采用α-β滤波器，其常增益滤波器的预测方程为X(k+1/k)＝ΦX(k/k)，滤波方程为X(k+1/k+1)＝X(k+1/k)+K[Z(k+1)-H(k+1/k)]，其中，X(k/k)为k时刻的滤波值，X(k+1/k)为k时刻对下一个时刻的预测值，Z(k)是k时刻的观测值；

当目标运动方程采用常速度模型时，常数增益矩阵K＝[α,β/T]^T,其状态转移矩阵此模型的量测矩阵为H＝[1，0]。

8.根据权利要求7所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，α-β滤波器满足常数增益矩阵K，状态转移矩阵Φ、量测矩阵H分别为上述表达式描述的常增益滤波器，即

其中，0＜α＜1，0＜β＜1。

9.根据权利要求5所述电力巡线无人机雷达高度表系统，其特征在于，数据处理模块中对高度H进行数据处理，还包括数据平滑处理模块，

设窗长因子为Y，根据数据稳定性调整，窗内数据按照先进先出原则一次进入窗内计算，在窗中去掉最大高度值和最小高度值后的计算均值，得到最后输出高度，计算公式如下：