無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統的製作方法
2023-11-08 11:47:37
無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統的製作方法
【專利摘要】一種無人機避障系統的目標信號處理裝置，包括：模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器、CFAR檢測電路；所述模數轉換器、所述FFT數位訊號處理晶片、所述求模電路、所述非相參積累器、所述CFAR檢測電路依次連接，所述模數轉換器接入測試目標的差拍信號，所述CFAR檢測電路與飛控系統連接。本實用新型還提供一種無人機避障系統。通過本實用新型方案提高了獲取目標信號的準確率、縮小裝置和系統的體積。
【專利說明】無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及無人機避障【技術領域】，特別是涉及一種無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統。
【背景技術】
[0002]架空電力線的覆蓋區域廣，穿越的地形複雜，部分地區還存在環境條件惡劣的問題，電力線、杆塔長期在野外暴露，在不斷受到外界因素的影響下，容易出現斷股、腐蝕、杆塔傾斜等故障的發生，為了及時掌握線路的運行的狀況和及時排除線路存在的安全隱患，電力部門每年都要花費巨大的人力和物力進行巡線工作。無人機技術的發展為架空電力線路的巡線提供了新的移動平臺，為了飛行安全考慮，無人機的避障系統成為了研究的熱點之一 O
[0003]傳統技術中也有無人直升機避障系統。避障系統包括機載信號採集模塊以及設置於飛控系統內的機載避障分析模塊。將採集的模擬信號轉換為數位訊號後，將周圍的環境信息發送給分析模塊，機載避障分析模塊發送指令給飛控系統，由飛控系統控制計算機發送給無人機。傳統技術中的避障系統直接將獲取的信息進行分析，誤差較大，並且系統設計複雜，需要一些大型器件組成，體積龐大。
實用新型內容
[0004]基於此，有必要針對裝置體積大、獲取目標距離信號誤差大的問題，提供一種無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統。
[0005]一種無人機避障系統的目標信號處理裝置，包括:模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器、CFAR檢測電路；
[0006]所述模數轉換器、所述FFT數位訊號處理晶片、所述求模電路、所述非相參積累器、所述CFAR檢測電路依次連接，所述模數轉換器接入測試目標的差拍信號，所述CFAR檢測電路與飛控系統連接。
[0007]上述無人機避障系統的目標信號處理裝置，通過設有依次連接的模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器和CFAR檢測電路，從而實現通過FFT數位訊號處理晶片避免了目標信號在時域混疊的情況。求模電路對初始目標距離信號進行求模，既提高了數據處理速度，又不影響數據處理效果。非相參積累器將各個信號幅度值進行非相參積累，直到完成多個信號周期的積累，從而提高弱信號的信噪比。CFAR檢測電路在混有雜波幹擾的目標信號中以最大概率檢測出目標距離信號，提高了目標信號的準確率，同時模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器和CFAR檢測電路可以集成處理，克服了系統大規模設計，具有體積小的優勢。
[0008]一種無人機避障系統，包括:如上述所述的無人機避障系統的目標信號處理裝置、射頻收發系統、機載避障分析處理器以及通信埠 ；
[0009]所述射頻收發系統與所述目標信號處理裝置的模數轉化器連接，所述目標信號處理裝置的CFAR檢測電路通過通信埠與機載避障分析處理器連接，機載避障分析處理器設於飛控系統中。
[0010]上述無人機避障系統，通過射頻收發系統發送並接收回波信號，並獲得差拍信號。通過FFT數位訊號處理晶片避免了目標信號在時域混疊的情況。求模電路對初始目標距離信號進行求模，既提高了數據處理速度，又不影響數據處理效果。非相參積累器將各個信號幅度值進行非相參積累，直到完成多個信號周期的積累，從而提高弱信號的信噪比。CFAR檢測電路在混有雜波幹擾的目標信號中以最大概率檢測出目標距離信號，提高了目標信號的準確率，同時模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器和CFAR檢測電路可以集成處理，克服了系統大規模設計，具有體積小的優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型無人機避障系統的目標信號處理裝置實施例的結構示意圖；
[0012]圖2為本實用新型實施例中CFAR檢測電路結構示意圖；
[0013]圖3為本實用新型無人機避障系統其中一個實施例的結構示意圖；
[0014]圖4為本實用新型無人機避障系統實施例中RS422協議字符傳輸格式示意圖；
[0015]圖5為本實用新型無人機避障系統另一個實施例的結構示意圖；
[0016]圖6為本實用新型實施例中求模電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]以下針對本實用新型無人機避障系統的目標信號處理裝置、無人機避障系統的各實施例進行詳細的描述。
[0018]如圖1所示，為本實用新型無人機避障系統的目標信號處理裝置實施例的結構示意圖，包括:模數轉換器110、FFT數位訊號處理晶片120、求模電路130、非相參積累器140、CFAR檢測電路150。模數轉換器110、FFT數位訊號處理晶片120、求模電路130、非相參積累器140、CFAR檢測電路150依次連接，模數轉換器110接入測試目標的差拍信號，CFAR檢測電路150與飛控系統連接。
[0019]模數轉換器110即A/D轉換器，差拍信號為模擬信號，模數轉換器110將獲取的模擬信號轉換為數位訊號。差拍信號是通過向目標發送射頻信號返回的回波信號進行混頻後得到的信號。在一個實施例中，還包括射頻收發系統，射頻收發系統與模數轉換器110連接，其中，射頻收發系統包括毫米波雷達天線、接收天線和混頻裝置。毫米波雷達天線和接收天線分別與混頻裝置連接。通過毫米波雷達天線向目標發送射頻信號，通過接收天線接收毫米波雷達天線向目標發送射頻信號後散射的回波信號，通過混頻裝置將回波信號與射頻信號混頻得到差拍信號。為了能多方位發送射頻信號和多方位接收回波信號，毫米波雷達天線和接收天線可以為帶有機械掃描的毫米波雷達天線和帶有機械掃描的接收天線。
[0020]FFT數位訊號處理晶片120是具有數位訊號處理的一種晶片，本實用新型中是利用該晶片所具有的數字處理功能中的FFT處理功能，即快速傅立葉變換的數位訊號處理功能。即該FFT數位訊號處理晶片120將數位訊號經過快速傅立葉變換得到頻域圖，根據頻域圖獲取初始目標距離信號。
[0021]FFT數位訊號處理晶片120主要是將數位訊號經過快速傅立葉變換(FastFourier Transform, FFT)得到目標信號的頻域圖，根據頻域圖可以獲取初始目標距離信號，從而避免目標信號在時域混疊的情況。
[0022]避障系統測距信息的精度是系統的關鍵，需選擇滿足要求的FFT單元技術平臺。本實施例可以採用FFT IP核(intellectual property core)來實現。這種FFT核數據流結構有三種，分別為Streaming、Buefferd Burst、Burst數據流結構。在一個具體實施例中，基於信號處理要求，可以選用的數據流結構為Radix_4, Burst結構。
[0023]求模電路130，用於將初始目標距離信號進行求模，獲得信號幅度值。
[0024]本實施例求模電路可以包括第一乘法器和第二乘法器、一個加法器和一個平方根器，它們都可以利用IP核來實現。如圖6所示，為本實用新型實施例中求模電路結構示意圖，所述第一乘法器610和所述第二乘法器620分別與所述加法器630連接，所述加法器630與所述平方根器640連接。比如將FFT數位訊號處理晶片輸出的27位數據經過尺度變換縮減為16位數據。由於計算模值需要系統延遲，還可以包括第四延時器。延遲為12個時鐘周期，故需一個12周期的延時器,用以延遲fft_index的輸出，以保證計算模值與fft_index同步，延遲器可以用內部寄存器逐級延遲來實現。
[0025]其中，將FFT數位訊號處理晶片輸出數據進行數據位，只是對FFT後信號頻譜幅度進行乘除，既提高了數據處理速度又不影響數據處理效果。每一個FFT點數對應一個信號幅度值，而對FFT輸出數據進行求模需要一定的計算時間，求模電路中的延遲器是為保證fft_index點數和相對應處模值的一致性。
[0026]非相參積累器140是一種將各信號幅度值進行非相參積累，獲得非相參積累數據的積累器。本實施例中的非相參積累器是為了提高弱信號信噪比，以便實現對高壓輸電線的有效探測。可以採用一個RAM作為讀取中間數據的暫存單元。RAM的大小為2048X21位，RAM在積累過程中要完成讀數據、數據累加和寫數據這三種功能，而每個功能都需要花費一到兩個時鐘周期，由於FFT的運算速率為10MHz，而系統內部的時鐘為100MHz，故而在一個fftjndex的數據周期內有十個系統時鐘周期，則把RAM的讀寫和累加過程放在這一個fft_index周期內完成。
[0027]在積累信號有效的時間段對回波信號進行FFT，FFT做完後對其輸出信號求模，並進行信號累加，直到完成N個信號周期的積累，實現提高弱信號信噪比。
[0028]CFAR檢測電路150是一種檢測電路，用於採用恆虛警檢測方法對非相參積累數據進行檢測，獲得目標距離信號。
[0029]CFAR檢測電路對回波信號進行恆虛警檢測是在混有雜波幹擾的目標回波中以最大概率檢測出目標信號。
[0030]在一個實施例中，CFAR檢測電路150可以選用單元平均選大恆虛警檢測CFAR(Constant False-Alarm Rate)方法,採用左右16個參考數據單元和2個保護單元的設計。如圖2所示，CFAR檢測電路包括加減法器210、第一延時單元220、第二延時單元230、第三延時單元240、第一比較器250和第二比較器260 ；
[0031]加減法器的加法輸入端與非相參積累器的輸出端連接，加減法器輸出端分別與加減法器的加法輸入端、第一延時單兀和第一比較器連接，第一延時單兀、第一比較器、第二比較器依次連接，第二延時單元的輸入端與非相參積累器的輸出端連接，第二延時單元的輸出端分別與加減法器的減法輸入端和第三延時器連接，第三延時器與第二比較單元連接。
[0032]上述無人機避障系統的目標信號處理裝置，模數轉換器將模數轉換後的信號經過快速傅立葉變換得到目標信號的頻域圖，從頻域圖中提取初始目標距離信號，從而避免了目標信號在時域混疊的情況。求模電路對初始目標距離信號進行求模，既提高了數據處理速度，又不影響數據處理效果。非相參積累器將各個信號幅度值進行非相參積累，直到完成多個信號周期的積累，從而提高弱信號的信噪比。CFAR檢測電路採用恆虛警檢測方法對非相參積累數據進行檢測，獲得目標距離信號。在混有雜波幹擾的目標信號中以最大概率檢測出目標距離信號，提高了目標信號的準確率，同時由這幾個單元組成的目標信號處理裝置體積小。
[0033]根據上述無人機避障系統的目標信號處理裝置，本方案還提供一種無人機避障系統，如圖3所示，包括:上述的無人機避障系統的目標信號處理裝置310、射頻收發系統320、機載避障分析處理器330以及通信埠 340 ；
[0034]無人機避障系統的目標信號處理裝置310包括依次連接的模數轉換器311、FFT數位訊號處理晶片312、求模電路313、非相參積累器314、CFAR檢測電路315 ；
[0035]射頻收發系統320與無人機避障系統的目標信號處理裝置310的模數轉化器311連接，無人機避障系統的目標信號處理裝置310的CFAR檢測電路315通過通信埠 340與機載避障分析處理器330連接，機載避障分析處理器330設於飛控系統中。
[0036]射頻收發系統是向目標發送射頻信號並接收回波信號，並將回波信號和射頻信號混頻為差拍信號的系統。在一個實施例中，射頻收發系統包括毫米波雷達天線、接收天線和混頻裝置。毫米波雷達天線和接收天線分別與混頻裝置連接。通過毫米波雷達天線向目標發送射頻信號，通過接收天線接收毫米波雷達天線向目標發送射頻信號後散射的回波信號，通過混頻裝置將回波信號與射頻信號混頻得到差拍信號。為了能多方位發送射頻信號和多方位接收回波信號，毫米波雷達天線和接收天線可以為帶有機械掃描的毫米波雷達天線和帶有機械掃描的接收天線。
[0037]模數轉換器311即A/D轉換器，將獲取的模擬信號轉換為數位訊號。
[0038]FFT數位訊號處理晶片312是數位訊號處理的一種晶片，利用該晶片其中一種數位訊號處理功能，即快速傅立葉變換的數位訊號處理功能。即該FFT數位訊號處理晶片312將數位訊號經過快速傅立葉變換得到頻域圖，根據頻域圖獲取初始目標距離信號。
[0039]FFT數位訊號處理晶片主要是將數位訊號經過快速傅立葉變換(Fast FourierTransform, FFT)得到目標信號的頻域圖，根據頻域圖可以獲取初始目標距離信號，從而避免目標信號在時域混疊的情況。
[0040]避障系統測距信息的精度是系統的關鍵，需選擇滿足要求的FFT單元技術平臺。本實施例可以採用FFT IP核(intellectual property core)來實現。這種FFT核數據流結構有三種，分別為Streaming、Buefferd Burst、Burst數據流結構。在一個具體實施例中，基於信號處理要求，可以選用的數據流結構為Radix_4, Burst結構。
[0041]求模電路313，用於將初始目標距離信號進行求模，獲得信號幅度值。
[0042]本實施例求模電路可以包括第四延時器、第一乘法器和第二乘法器、一個加法器和一個平方根器，它們都可以利用IP核來實現。比如將FFT數位訊號處理晶片輸出的27位數據經過尺度變換縮減為16位數據。由於計算模值需要系統延遲，延遲為12個時鐘周期，故需一個12周期的延時器,用以延遲fft_index的輸出，以保證計算模值與fft_index同步，延遲器可以用內部寄存器逐級延遲來實現。
[0043]其中，將FFT數位訊號處理晶片輸出數據進行數據位，只是對FFT後信號頻譜幅度進行乘除，既提高了數據處理速度又不影響數據處理效果。每一個FFT點數對應一個信號幅度值，而對FFT輸出數據進行求模需要一定的計算時間，求模電路中的延遲器是為保證fft_index點數和相對應處模值的一致性。
[0044]非相參積累器314是一種積累器，該非相參積累起用於將各信號幅度值進行非相參積累，獲得非相參積累數據。本實施例中的非相參積累器是為了提高弱信號信噪比，以便實現對高壓輸電線的有效探測。可以採用一個RAM作為讀取中間數據的暫存單元。RAM的大小為2048X21位，RAM在積累過程中要完成讀數據、數據累加和寫數據這三種功能，而每個功能都需要花費一到兩個時鐘周期，由於FFT的運算速率為10MHz，而系統內部的時鐘為100MHz，故而在一個fft_index的數據周期內有十個系統時鐘周期，則把RAM的讀寫和累加過程放在這一個fft_index周期內完成。
[0045]在積累信號有效的時間段對回波信號進行FFT，FFT做完後對其輸出信號求模，並進行信號累加，直到完成N個信號周期的積累，實現提高弱信號信噪比。
[0046]CFAR檢測電路315是一種檢測電路，用於採用恆虛警檢測方法對非相參積累數據進行檢測，獲得目標距離信號。
[0047]CFAR檢測電路對回波信號進行恆虛警檢測是在混有雜波幹擾的目標回波中以最大概率檢測出目標信號。
[0048]在一個實施例中，CFAR檢測電路315可以選用單元平均選大恆虛警檢測CFAR(Constant False-Alarm Rate)方法,採用左右16個參考數據單元和2個保護單元的設計。如圖2所示，CFAR檢測電路包括加減法器210、第一延時單元220、第二延時單元230、第三延時單元240、第一比較器250和第二比較器260 ；
[0049]加減法器的加法輸入端與非相參積累器的輸出端連接，加減法器輸出端分別與加減法器的加法輸入端、第一延時單兀和第一比較器連接，第一延時單兀、第一比較器、第二比較器依次連接，第二延時單元的輸入端與非相參積累器的輸出端連接，第二延時單元的輸出端分別與加減法器的減法輸入端和第三延時器連接，第三延時器與第二比較單元連接。
[0050]機載避障分析處理器330設於飛控系統中。是一種用於根據CFAR檢測電路發送的目標距離信號進行避障分析的處理器。
[0051]比如機載避障分析處理器330可以將獲得的目標距離信號與預設的距離門限值進行比較對比得出目標方位，並通過內置的避障策略發出相應的控制指令給飛控系統，從而通過飛控系統控制無人機。
[0052]上述無人機避障系統，通過射頻收發系統發送並接收回波信號，並獲得差拍信號。通過FFT數位訊號處理晶片避免了目標信號在時域混疊的情況。求模電路對初始目標距離信號進行求模，既提高了數據處理速度，又不影響數據處理效果。非相參積累器將各個信號幅度值進行非相參積累，直到完成多個信號周期的積累，從而提高弱信號的信噪比。CFAR檢測電路在混有雜波幹擾的目標信號中以最大概率檢測出目標距離信號，提高了目標信號的準確率，同時模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器和CFAR檢測電路可以集成處理，克服了系統大規模設計，具有體積小的優勢。
[0053]在其中一個實施例中，無人機避障系統可以採用RS-422通信協議進行傳輸數據。RS-422協議是一種串行異步通信協議，能夠實現收發數據的串/並轉換。在沒有數據傳送時，通信線一直處於邏輯I狀態，而當有數據傳送時，數據兩頭必須加上起始位和停止位。起始位為邏輯0，而後是數據位，按照低位在前、高位在後的原則傳輸。根據不同的編碼規貝1J，數據位有可能是5位、6位、7位或8位。數據位之後是校驗位，可以根據需要選擇奇校驗、偶校驗或者是沒有校驗位。最後是停止位，為邏輯I。接收端接收到停止位，即認為上一字符傳送完畢，開始準備接受下一字符，一旦接收到0，就認為是新字符的起始位。如圖4所示，為RS422協議字符傳輸格式示意圖,410表示高電位，420表示地電位位O為起始位，位7為停止位。
[0054]本系統發送的數據可以為數據包的形式，包括幀頭、數據單元和異或及和校驗三部分，選用的波特率為19200bit/s，數據位個數為8位，單幀字符無校驗位。
[0055]射頻系統的開關機狀態受飛控系統控制。飛控系統發來的數據包括幀頭、控制指令和校驗三部分，在每個幀裡，由起始位、數據位和停止位三部分組成。針對每幀的接收，在無數據傳輸時，線路處於空閒狀態並保持為邏輯I。有數據傳輸時首先檢測到發送開始位0，判斷開始為O是否有效，若開始位O有效則進行數據的接收，接收完8位數據後，若檢測到結束位1，則認為數據接收結束並儲存在寄存器內，否則回到線路空閒狀態進行數據的接收。
[0056]CFAR檢測電路向飛控系統發送部分按照波特時鐘，檢測到發送數據使能信號後首先發送開始位邏輯0，然後按照從低位到高位的順序依次發送數據位，本系統可以設計沒有校驗位，故而數據位發送完畢之後，直接發送停止位邏輯I。
[0057]在其中一個實施例中，如圖5所示，為本實用新型無人機避障系統另一個實施例的結構示意圖，避障系統還包括俯仰驅動系統510，俯仰驅動系統與射頻收發系統連接，控制射頻收發系統的轉動方位，其中，射頻收發系統包括帶有機械掃描的毫米波雷達天線、帶有機械掃描的接收天線和混頻裝置。從而可以實現大範圍伺服掃描，加大掃描範圍。
[0058]在其中一個實施例中，避障系統還包括傳輸控制器，傳輸控制器設於CFAR檢測電路和通信埠之間，傳輸控制器用於檢測不同距離的目標距離信號個數為預設個數時，將預設個數的不同距離的目標距離信號同時發送至飛控系統的機載避障分析處理器，其中預設個數至少為2。
[0059]比如，檢測出最前位於五個不同距離處的目標信號；將這五個檢測到的五個目標信號分別賦予五個變量，並將五個目標信息下傳給飛控系統，從而發送至飛控系統，目的是給地面操控人員一個具體的前方目標環境信息。
[0060]在其中一個實施例中，如圖5所示，避障系統還包括顯示器520，顯示器通過通信埠與CFAR檢測電路連接，顯示器可以顯示目標距離信號。
[0061]在其中一個實施例中，無人機避障系統與飛控系統之間採用RS-422通信協議進行傳輸數據。
[0062]以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本實用新型專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。因此，本實用新型專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種無人機避障系統的目標信號處理裝置，其特徵在於，包括:模數轉換器、FFT數位訊號處理晶片、求模電路、非相參積累器、CFAR檢測電路； 所述模數轉換器、所述FFT數位訊號處理晶片、所述求模電路、所述非相參積累器、所述CFAR檢測電路依次連接，所述模數轉換器接入測試目標的差拍信號，所述CFAR檢測電路與飛控系統連接。
2.根據權利要求1所述的無人機避障系統的目標信號處理裝置，其特徵在於，所述CFAR檢測電路包括加減法器、第一延時單元、第二延時單元、第三延時單元、第一比較器和第二比較器； 所述加減法器的加法輸入端與所述非相參積累器的輸出端連接，所述加減法器輸出端分別與所述加減法器的加法輸入端、第一延時單元和第一比較器連接，第一延時單元、第一比較器、第二比較器依次連接，第二延時單元的輸入端與所述非相參積累器的輸出端連接，第二延時單元的輸出端分別與所述加減法器的減法輸入端和第三延時器連接，第三延時器與第二比較單元連接。
3.根據權利要求1或2所述的無人機避障系統的目標信號處理裝置，其特徵在於，所述求模電路包括第一乘法器、第二乘法器、加法器、平方根器，所述第一乘法器和所述第二乘法器分別與所述加法器連接，所述加法器與所述平方根器連接。
4.根據權利要求1或2所述的無人機避障系統的目標信號處理裝置，其特徵在於，還包括射頻收發系統，所述射頻收發系統與所述模數轉換器連接，所述射頻收發系統包括帶有機械掃描的毫米波雷達天線、帶有機械掃描的接收天線和混頻裝置，所述毫米波雷達天線和所述接收天線分別與所述混頻裝置連接。
5.一種無人機避障系統，其特徵在於，包括:如權利要求1至3任意一項所述的無人機避障系統的目標信號處理裝置、射頻收發系統、機載避障分析處理器以及通信埠 ； 所述射頻收發系統與所述目標信號處理裝置的模數轉化器連接，所述目標信號處理裝置的CFAR檢測電路通過通信埠與機載避障分析處理器連接，機載避障分析處理器設於飛控系統中。
6.根據權利要求5所述的無人機避障系統，其特徵在於，還包括俯仰驅動系統，所述俯仰驅動系統與所述射頻收發系統連接，控制所述射頻收發系統的轉動方位，其中，所述射頻收發系統包括帶有機械掃描的毫米波雷達天線、帶有機械掃描的接收天線和混頻裝置。
7.根據權利要求5或6所述的無人機避障系統，其特徵在於，還包括顯示器，所述顯示器通過通信埠與CFAR檢測電路連接。
8.根據權利要求5或6所述的無人機避障系統，其特徵在於，所述無人機避障系統與飛控系統之間採用RS-422通信協議進行傳輸數據。
【文檔編號】G01S13/93GK203950037SQ201420269945
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月23日 優先權日:2014年5月23日
【發明者】王柯, 麥曉明, 楊維順, 饒章權, 彭向陽, 韓正偉, 王銳 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 中國人民解放軍總參謀部第六十研究所