单位文秘网 2022-02-07 08:13:28 点击: 次
摘 要: 无人机电力巡检作为处理电力线路日常维护和应急处置的高效手段,已逐步取代传统的巡检方式而被广泛应用。为实现电力线路的安全巡检,针对无人机电力安全巡检的飞行平台和特殊环境,在此设计了一种光纤IMU数据采集系统,通过石英加速度计和光纤陀螺仪敏感载体的加速度和角速度信息,利用FPGA并行处理的特点及其丰富的I/O接口,实时采集其输出的原始脉冲数据,并利用多个数字温度传感器通过分布式网络点测试结构实现对光纤IMU多点温度信息的采集。最后将数据打包发送给上位机进行存储、分析和滤波等处理,从而计算出无人机电力巡检所需的位置、速度和姿态等信息,最终实现无人机电力线路的安全巡检工作。
关键词: 电力巡检; FPGA; 光纤IMU; 数据采集系统; 上位机
中图分类号: TN911⁃34 文献标识码: A 文章编号: 1004⁃373X(2013)16⁃0034⁃04
0 引 言
无人机电力安全巡检主要是针对我国高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务需求,通过研制无人机多传感器集成的电力线路安全巡检系统装备[1],完成复杂地形条件下超视距无人直升机电力线路安全巡检,促进我国电网线路安全、高压巡检和应急保障技术的发展进步。而惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)主要通过陀螺仪和加速度计等传感器敏感载体的加速度和角度率信息通过数据采集系统将这些原始数据传递给导航计算机进行滤波计算,从而为无人机电力巡检系统中光学、激光雷达等载荷提供高精度的位置、姿态基准[2],同时为惯性稳定平台提供精确的指向。
目前国内采用测量单元的主要有挠性、光纤和激光三种,针对无人机电力巡检的飞行平台和特殊环境,对多传感器系统的重量、体积和功耗有较严格的限制,这就要求IMU重量体积小,功耗低,精度高。其中,光纤陀螺相对于挠性陀螺,具有启动快,精度高,可靠性高等一系列优点[1],而相对于激光陀螺,光纤陀螺的重量体积小,功耗低。因此,本文设计了一种基于FPGA硬件平台的无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统,与上位机系统通过相应的串口通信电路实现光纤陀螺和加速度计输出信号和温度信号的采集、存储。
1 无人机电力巡检系统结构
无人机巡检系统主要是利用飞行平台系统、POS系统、稳定平台系统、多传感器系统、电力线路走廊三维建模及可视化系统等多种系统组合,通过各软件系统之间数据交换、程序调用和设置外部通信接口,获取、处理多种传感器数据并进行电力线路故障诊断,最终完成无人机电力系统的巡检。系统结构如图1所示。
图1中,光纤惯性测量单元IMU通过惯性测量组件敏感载体的加速度和角速率信息,在利用数据采集系统将其采集、存储,发送给导航计算机计算出位置、速度和姿态信息,并组合差分GPS数据,最终获得高精度的位置、速度姿态信息[1]。其一方面输出载荷的角速率信息和实时位置信息,以便于稳定平台隔离掉外部扰动对载荷的影响,进而对其进行姿态调整;另一方面,通过后处理提供高精度的航迹和姿态信息,以便于激光、红外、紫外、CCD相机等传感器通过外方位元素计算出影像数据,为后期基于多种传感器进行电力线走廊的故障诊断识别提供一致的数据基础。
由此可见,数据采集系统能否采集到准确、可靠,能如实反映载机运动状态的特征信息直接影响到无人机电力巡检系统能否高效完成巡检工作,为此给出了光纤IMU数据采集系统的设计。
2 数据采集系统总体设计
2.1 总体结构设计
数据采集系统主要完成IMU的数据采集、数据同步和数据发送。为满足POS系统短时间高精度测量载荷相位中心的要求,必须实现对惯性器件的高频、高精度采样,而可编程逻辑器件(FPGA)是最佳选择,其运行速度快,核心频率可以达到几百MHz,可轻松实现对脉冲信号的高频采集;I/O接口资源丰富,可以很容易连接陀螺信号、加速度信号、温度信号以及GPS秒脉冲信号等,可实现大规模系统的设计;内部逻辑程序可以并行运行,同时处理不同任务,可以实现对3路陀螺数据和加速度计数据以及温度数据的并行采样,进一步提高采样速率;同时其可以通过PCB板设计实现硬件系统,通过程序设计实现软件设计,具有较高的可靠性和非常大的灵活性、自由性。因此本数据采集系统采用FPGA作为核心器件[1],基于Xilinx ISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程实现对IMU惯性器件的数据采集[1],其结构如图2所示。
图中光纤陀螺测量的角速度信息以角增量的形式输出并根据内部电路转化为脉冲信号,而加速度计测量的加速度信息以电流信号输出,需通过对应的I/F转换电路转换为脉冲信号。光纤陀螺的温度信号由数字温度传感器18b20直接输出数字信号,而加速度计的内置温度传感器输出为模拟温度信号,需要通过搭建A/D转换电路和运放电路实现信号的采集,增加了系统的重量、体积和功耗。因此,本文同样采用数字温度传感器18b20直接实现加速度计的数字温度信号的采集。最终通过FPGA的逻辑电路实现对陀螺和加速度计脉冲信号以及多路数字温度信号的采集,并利用串口发送给上位机,实现数据的采集和存储。
3 系统软硬件实现
3.1 FPGA脉冲采集系统设计
根据光纤惯性测试组件的构成,光纤陀螺输出、温度输出以及经过I/F转换后的加速度计输出均为脉冲信号,因此通过设计FPGA脉冲计数电路实现对脉冲信息的采集。系统的核心处理器FPGA采用Xilinx公司生产的XC3S400,工作频率可达200 MHz,配置芯片选用XCF02S。FPGA通过Xilinx ISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程,实现输入脉冲信号的计数采集,再将采集的光纤陀螺和加速度计信号、温度信号输出信息通过通用串口形式与上位机通信,上位机通过相应的软件实现数据的采集和存储。其最小应用系统包括时钟电路、电源模块,配置电阻和存储器等问题。时钟电路采用25 MHz的贴片无源晶体振荡器作为时钟源,根据系统所需时钟频率对其编程设置;电源模块采用LD1117系列的电压转换模块,将供电电压5 V转换为3.3 V,2.5 V和1.2 V的稳定电压,分别为FPGA提供3.3 V的bank电压,2.5 V的参考电压和1.2 V的内核电压,同时为数字温度采集DS18B20芯片和RS 422串口电路提供3.3 V的电压;而在FPGA的每个电压处都会配置0.1 μF的贴片电容滤除噪声,保证FPGA可靠性。
3.2 温度采集电路设计
温度采集电路是数据采集系统设计中重要的一环,因为光纤IMU中的惯性测量组件对温度比较敏感,随着环境温度的变化,惯性仪表的零偏和标度因数将会产生变化,直接影响器件的输出精度,而在无人机电力巡检中,巡检地势高度以及四季天气环境的变化,都会引起其内外部温度大小的变化,从而影响数据输出的精度,因此需要对陀螺仪,加速度计以及采集电路板的周围环境进行温度监控并在后期软件处理中给予温度补偿。
本文主要采用美国Dallas公司生产的单总线数字式温度传感器,可用一根I/O数据线传输多个温度点的外置DS18B20芯片。与传统的热敏电阻相比,它能够直接测温度,不需要A/D转换器,测温范围在55~125 ℃之间,测量精度为0.1 ℃,符合无人机电力巡检的温度测量要求。在此系统中采用串并相结合的方法,扩展2路温度脉冲计数器,其结构如图3所示。
图3 温度采集结构图
其中DQ1测量数据采集板的温度,而DQ2用一根数据线串联8个DS18B20,在每一通道处配置4.7 kΩ的电阻,分别测量3个加速度计的温度、3个陀螺的温度、I/F板的环境温度以及IMU结构体的内部温度,从而形成分布式网络点测试结构。其主要基于Xilinx ISE软件开发环境利用VHDL语言对其内部逻辑进行编程,从而实时监测各个惯性器件和IMU内部数据采集系统各部分的温度。其程序设计流程如图4所示。
3.3 数据通信电路设计
数据通信部分主要包括时间同步模块和数据输出模块。数据输出模块主要是将陀螺数据、加速度计数据和多路温度数据打包发送给上位机。而时间同步模块要是完成IMU与GPS的时间同步,利用GPS的PPS秒脉冲作为时钟基准输入给IMU,同时利用IMU输出的IPS作为同步脉冲输出,保证二者输出数据的同步性。二者的数据通信电路以RS 422接口形式提供,将采集的陀螺和加速度计的数据以及温度数据以ASCII码的形式通过串行接口发送给上位机,上位机利用设计的数据采集软件实现数据的接收、解码和储存等相关处理,通信电路主要包括两方面:波特率产生模块和发送模块。
波特率产生模块:系统外接25 MHz的无源晶振,通过分频产生同步422通信所需要的115 200 b/s的波特率。波特率的计算:[1115 200125×106=217]个系统时钟周期,为得到50%的占空比的波特率时钟,因为[2172]=108.5不是整数,因此使得计数器在计数到108时将输出置高,之后在计数到216时将输出置低并重新计数,就可实现所需的波特率的时钟。
发送模块:RS 422串口采用3.3 V的MAX3488芯片,发送模块如图5所示,其中PPS是由GPS输入的秒脉冲,IPS则由IMU输出,保持与GPS的时间同步。IMUorderin则是由上位机输入的命令,同时通过IMUdataout输出数据给上位机,从而完成数据的传送接收。
4 系统实现
基于上述最小系统和外围电路的设计,构建了轻小型式光纤IMU数据采集系统,应用于无人机电力巡检系统中,图6为其硬件实物图,电源模块板为整个系统提供电源,数据采集板和[IF]转换板一起固定在结构体侧面,三个轴向的光纤陀螺和加速度计的输出以及温度信号通过数据采集电路板进行采集,并通过RS 422接口发送给导航计算机,从而实现光纤陀螺IMU和温度信息的采集。
5 结 语
研制无人机多传感器集成的电力线路安全巡检系统装备,完成现场性能测试和适应性巡检,对促进我国电网线路巡检具有重要的意义。而光纤IMU数据采集系统是无人直升机电路巡检装备中必不可少的部分。本文从系统结构和硬件实现两方面给予了分析设计,最终实现了稳定的光纤IMU数据采集系统,保证无人机电力巡检中各传感器的正常工作,促进我国电力巡检事业的快速发展。
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