一种基于FPGA的多旋翼无人机有源降噪装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于fpga的多旋翼无人机有源降噪，属于无人机技术领域。

背景技术：

无人机技术是当前公安研究及应用的热门方向，因此研究无人机降噪是十分必要的。无人机降噪技术是无人机研究领域中必不可少的。目前，无人机降噪方法有多种，如：低噪声电机的应用、阻尼技术的使用等等。这些方法或设备中，有的价格昂贵，有的电机转速达不到参数要求，特别是当下很多所谓的低噪声电机，在现实使用中根本达不到所标的噪声指标。为了降低噪声、提高信号传输性能、降低制造成本、减轻无人机重量，设计一种新型的基于fpga的多旋翼无人机有源降噪装置是必要的。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于fpga的多旋翼无人机有源降噪装置，具有降低电机噪声、提高信号传输性能的特点，且降噪效果较好、硬件成本低、重量轻、结构简单易实现。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于fpga的多旋翼无人机有源降噪装置，包括fpga主控单元、无源降噪单元、驻极体传声器单元和次级声源，所述驻极体传声器单元和次级声源通过信号线与fpga主控单元连接，所述无源降噪单元包括外壳、吸音层，所述外壳罩于多旋翼无人机电机外，所述吸音层设置于外壳的内表面，且所述吸音层与多旋翼无人机电机之间设置有间隙。所述驻极体传声器单元、次级声源均设置于吸音层上。

优选的：所述外壳包括柱体外壳、半球体外壳，所述半球体外壳安装在柱体外壳上。

优选的：所述驻极体传声器单元包括第一驻极体传声器、第二驻极体传声器，所述第一驻极体传声器、第二驻极体传声器均安装在半球体外壳与柱体外壳的交接处，且所述第一驻极体传声器、第二驻极体传声器关于多旋翼无人机电机的转轴对称。

优选的：所述次级声源为环形形状，且所述次级声源绕多旋翼无人机电机一周。

优选的：所述柱体外壳高度与多旋翼无人机电机高度相同。所述柱体外壳的直径是多旋翼无人机电机直径的两倍。

优选的：所述外壳采用碳纤维制成，所述吸音层采用聚氨酯泡沫制成。

优选的：所述fpga主控单元包括fpga芯片、电源电路、振荡电路和存储电路，存储电路包括sdram电路和eeprom电路。电源电路、振荡电路、sdram电路和eeprom电路都分别与fpga芯片相连。所述fpga芯片采用ep4ce22f17c8芯片。

优选的：所述电源电路包括第八稳压芯片u8、第二稳压芯片u2、第三稳压芯片u3、第一继电器j1、第一开关sw1、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15、第三十七电容c37、第三十八电容c38和第三十九电容c39，其中，第一继电器j1的2脚和3脚直接接地。第一继电器j1的1脚依次连接第一开关sw1和第二稳压芯片u2后输出3.3v电压，第十电容c10并联在第二稳压芯片u2的1脚和2脚之间，第十一电容c11并联在第十电容c10两端。第八稳压芯片u8的3脚与第一开关sw1连接，第八稳压芯片u8的2脚输出1.2v电压，第三十八电容c38并联在第八稳压芯片u8的1脚和2脚之间，第三十九电容c39并联在第三十八电容c38两端。第三稳压芯片u3的3脚与第一开关sw1连接，第三稳压芯片u3的2脚输出2.5v电压，第十四电容c14并联在第三稳压芯片u3的1脚和2脚之间，第十五电容c15并联在第十四电容c14两端。第十二电容c12的一端连接在第一开关sw1和第二稳压芯片u2的3脚之间的连接线上，另一端直接接地，第十三电容c13并联在第十二电容c12两端。

优选的：振荡电路包括有源晶振y1、第三十七电容c37和第二十二电阻r22。所述十二电阻r22一端与有源晶振y1的3脚连接，另一端连接到fpga芯片的m15引脚，有源晶振y1的2脚直接接地，有源晶振y1的4脚连接3.3v电压，第三十七电容c37的一端连接在有源晶振y1的4脚上，另一端直接接地。

优选的：sdram电路采用mt48lc4m16a2芯片，用于数据缓存。mt48lc4m16a2芯片的地址引脚a0～a11分别接入fpga芯片的n9、r10、t10、r11、t11、r12、t12、p9、p11、r13、t13、m10引脚。数据引脚dq0～dq15分别接入fpga芯片的n14、p15、p16、r16、n16、n15、l14、l13、l16、l15、k16、k15、j16、j15、j14、j13引脚。控制引脚cs、clk、ras、cas、we、cke、ba0、ba1、ldqm、udqm分别接入fpga芯片的t6、l7、r7、t7、l8、m8、n8、p8、n11、t14引脚。

eeprom电路使用epcs64si16n芯片，用于程序存储。epcs64si16n芯片的data、dclk、ncs、asdi引脚分别接入fpga的h2、h1、d2、c1引脚。

本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：

1.当电机转动时产生噪声，噪声被吸音层吸收一部分，剩下的噪声被外壳反射，发射后的噪声又被吸音层吸收，由于吸音层与多旋翼无人机电机之间设置有间隙，因此未被吸收的噪音由进入到另一侧的吸音层内进行吸收，剩下的噪声又被外壳反射出去，因此电机转动时产生噪声，可以在外壳内进行多次吸收-反射，使得噪音衰减，完成降噪。

2.驻极体传声器单元采集反射后的噪声，并将声信号转换为数字信号传入fpga主控单元中。在fpga主控单元内部计算出与电机噪声频率、振幅都相同，但相位相反的声波数字信号，最后由次级声源输出该声波，使其与原噪声在空间相互抵消，以此达到进一步降噪目的。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图2(a)为本实用新型ep4ce22f17c8芯片的bank1引脚图。

图2(b)为本实用新型ep4ce22f17c8芯片的bank2引脚图。

图2(c)为本实用新型ep4ce22f17c8芯片的bank3引脚图。

图2(d)为本实用新型ep4ce22f17c8芯片的bank4引脚图。

图2(e)为本实用新型ep4ce22f17c8芯片的bank5引脚图。

图3为本实用新型的电源电路连接示意图。

图4为本实用新型的振荡电路连接示意图。

图5为本实用新型的sdram连接示意图。

图6为本实用新型的eeprom连接示意图。

图7为本实用新型的无源降噪模块设计示意图。

图8为本实用新型的外壳孔与传动轴距离示意图。

图9为本实用新型的驻极体传声模块和次级声源模块位置示意图。

图10为本实用新型的驻极体传声模块和次级声源模块连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于fpga的多旋翼无人机有源降噪装置，如图1所示，fpga主控单元、无源降噪单元、驻极体传声器单元和次级声源4，所述驻极体传声器单元和次级声源通过信号线与fpga主控单元连接，所述无源降噪单元包括外壳1、吸音层2，所述外壳1罩于多旋翼无人机电机外，所述吸音层2设置于外壳1的内表面，且所述吸音层2与多旋翼无人机电机之间设置有间隙。所述驻极体传声器单元、次级声源4均设置于吸音层2上，无源降噪单元独立于装置外部。

所述fpga主控单元包括fpga芯片、电源电路、振荡电路和存储电路，存储电路包括sdram电路和eeprom电路。电源电路、振荡电路、sdram电路和eeprom电路都分别与fpga芯片相连。所述fpga芯片采用ep4ce22f17c8芯片。

如图2所示，为fpga芯片ep4ce22f17c8的引脚图。如图2a为该芯片的bank1引脚图。如图2b为该芯片的bank2引脚图。如图2c为该芯片的bank3引脚图。如图2d为该芯片的bank4引脚图。如图2e为该芯片的bank5引脚图。

如图3所示，所述电源电路包括第八稳压芯片u8、第二稳压芯片u2、第三稳压芯片u3、第一继电器j1、第一开关sw1、第十电容c10、第十一电容c11、第十二电容c12、第十三电容c13、第十四电容c14、第十五电容c15、第三十七电容c37、第三十八电容c38和第三十九电容c39，其中，第一继电器j1的2脚和3脚直接接地。第一继电器j1的1脚依次连接第一开关sw1和第二稳压芯片u2后输出3.3v电压，第十电容c10并联在第二稳压芯片u2的1脚和2脚之间，第十一电容c11并联在第十电容c10两端。第八稳压芯片u8的3脚与第一开关sw1连接，第八稳压芯片u8的2脚输出1.2v电压，第三十八电容c38并联在第八稳压芯片u8的1脚和2脚之间，第三十九电容c39并联在第三十八电容c38两端。第三稳压芯片u3的3脚与第一开关sw1连接，第三稳压芯片u3的2脚输出2.5v电压，第十四电容c14并联在第三稳压芯片u3的1脚和2脚之间，第十五电容c15并联在第十四电容c14两端。第十二电容c12的一端连接在第一开关sw1和第二稳压芯片u2的3脚之间的连接线上，另一端直接接地，第十三电容c13并联在第十二电容c12两端，第八稳压芯片u8、第二稳压芯片u2、第三稳压芯片u3分别为稳压芯片ams1117-1.2、ams1117-3.3、ams1117-2.5，稳压芯片ams1117-1.2、ams1117-3.3、ams1117-2.5为驻极体传声器单元、fpga主控单元、次级声源4提供所需电压，数字地和模拟地提供完整的地平面。

如图4所示，振荡电路包括有源晶振y1、第三十七电容c37和第二十二电阻r22。所述十二电阻r22一端与有源晶振y1的3脚连接，另一端连接到fpga芯片的m15引脚，有源晶振y1的2脚直接接地，有源晶振y1的4脚连接3.3v电压，第三十七电容c37的一端连接在有源晶振y1的4脚上，另一端直接接地，100mhz有源晶振y1为该装置提供系统时钟信号。

如图5所示。sdram芯片mt48lc4m16a2用，于数据缓存。mt48lc4m16a2芯片的地址引脚a0～a11分别接入fpga芯片的n9、r10、t10、r11、t11、r12、t12、p9、p11、r13、t13、m10引脚。数据引脚dq0～dq15分别接入fpga芯片的n14、p15、p16、r16、n16、n15、l14、l13、l16、l15、k16、k15、j16、j15、j14、j13引脚。控制引脚cs、clk、ras、cas、we、cke、ba0、ba1、ldqm、udqm分别接入fpga芯片的t6、l7、r7、t7、l8、m8、n8、p8、n11、t14引脚。sdram与cpu频率同步，共享一个时钟周期。sdram内含两个交错的存储阵列，当cpu从一个存储阵列访问数据的同时，另一个已准备好读写数据，通过两个存储阵列的紧密切换，读取效率得到成倍提高。

如图6所示，eeprom电路采用epcs64si16n芯片，用于存储控制系统正常运行的所有程序。epcs64si16n的data、dclk、ncs、asdi引脚分别接入fpga的h2、h1、d2、c1引脚。

fpga主控单元是整个系统的控制与计算部分，控制各部分协调工作，同时也进行数字信号分析与产生的计算。

如图7所示，所述无源降噪单元包括外壳1、吸音层2，所述外壳1罩于多旋翼无人机电机外，所述吸音层2设置于外壳1的内表面，且所述吸音层2与多旋翼无人机电机之间设置有间隙。所述驻极体传声器单元、次级声源4均设置于吸音层2上，外壳1选用碳纤维材料制成，罩于电机外，仅在电机传动轴处留有孔，便于外接螺旋桨。吸音层2采用吸声材料聚氨酯泡沫制成，贴于外壳1内侧。所述外壳1包括柱体外壳11、半球体外壳12，所述半球体外壳12安装在柱体外壳11上，外壳下半部分的柱体外壳11高度p0与电机高度p1相等。柱体外壳11的直径l0与电机直径l1的比值应越大越好，综合考虑无人机的载重及便携，l0的大小为l1的2倍。外壳上半部分半球体外壳12高度h0略低于电机传动轴的高度，吸声材料的最内侧到电机的距离t0为1mm。

如图8所示，中心孔与传动轴的距离x0应尽可能小，本专利中x0为1mm。

如图9所示，所述驻极体传声器单元包括第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32，所述第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32均安装在半球体外壳12与柱体外壳11的交接处，且所述第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32关于多旋翼无人机电机的转轴对称。第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32分别半嵌入聚氨酯泡沫中，且位于柱体与半球体的交界处，以电机传动轴为轴，呈轴对称排列。次级声源4采用环形形状，半嵌入聚氨酯泡沫中，且刚好绕电机一周，距离装置底部的高度p2为1/2的p0。

如图10所示，第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32的信号输出端分别接入fpga芯片的k1、l2引脚，接地端同时接地。次级声源c的信号输入端接入fpga芯片的l1引脚，接地端接地。

本实用新型的工作过程为：当电机转动时产生噪声，噪声被聚氨酯泡沫吸收一部分，剩下的噪声被高阻尼的碳纤维外壳反射。半嵌入泡沫中的驻极体传声器a、b采集反射后的噪声，并将声信号转换为数字信号传入fpga芯片中。在fpga芯片内部计算出与电机噪声频率、振幅都相同，但相位相反的声波数字信号，最后由次级声源c输出该声波，使其与原噪声在空间相互抵消，以此达到降噪目的。

当电机转动时产生噪声，该噪声在无源降噪单元中被聚氨酯泡沫吸收一部分，剩下的噪声被高阻尼的碳纤维外壳反射，反射后的噪音被聚氨酯泡沫吸收，未被吸收的噪音穿过电机被另一侧的聚氨酯泡沫吸收，剩下的噪声被另一侧的高阻尼的碳纤维外壳反射，经过多次的反射吸收，使得噪音降低，完成降低。另外，半嵌入泡沫中的第一驻极体传声器31、第二驻极体传声器32采集反射后的噪声，并将声信号转换为数字信号传入fpga芯片中，在fpga芯片内部计算出与电机噪声频率、振幅都相同，但相位相反的声波数字信号，随后将数字信号输出至次级声源。次级声源输出该声波，使其与原噪声在空间相互抵消，以此达到降噪目的。本实用新型针对多旋翼无人机的电机噪声，具有降低电机噪声、提高信号传输性能的特点，且降噪效果较好、硬件成本低、重量轻、结构简单易实现。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。