无人机避障系统的目标信号处理装置、无人机避障系统的制作方法
【专利摘要】一种无人机避障系统的目标信号处理装置，包括：模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器、CFAR检测电路；所述模数转换器、所述FFT数字信号处理芯片、所述求模电路、所述非相参积累器、所述CFAR检测电路依次连接，所述模数转换器接入测试目标的差拍信号，所述CFAR检测电路与飞控系统连接。本实用新型还提供一种无人机避障系统。通过本实用新型方案提高了获取目标信号的准确率、缩小装置和系统的体积。
【专利说明】无人机避障系统的目标信号处理装置、无人机避障系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无人机避障【技术领域】，特别是涉及一种无人机避障系统的目标信号处理装置、无人机避障系统。
【背景技术】
[0002]架空电力线的覆盖区域广，穿越的地形复杂，部分地区还存在环境条件恶劣的问题，电力线、杆塔长期在野外暴露，在不断受到外界因素的影响下，容易出现断股、腐蚀、杆塔倾斜等故障的发生，为了及时掌握线路的运行的状况和及时排除线路存在的安全隐患，电力部门每年都要花费巨大的人力和物力进行巡线工作。无人机技术的发展为架空电力线路的巡线提供了新的移动平台，为了飞行安全考虑，无人机的避障系统成为了研究的热点之一 O
[0003]传统技术中也有无人直升机避障系统。避障系统包括机载信号采集模块以及设置于飞控系统内的机载避障分析模块。将采集的模拟信号转换为数字信号后，将周围的环境信息发送给分析模块，机载避障分析模块发送指令给飞控系统，由飞控系统控制计算机发送给无人机。传统技术中的避障系统直接将获取的信息进行分析，误差较大，并且系统设计复杂，需要一些大型器件组成，体积庞大。
实用新型内容
[0004]基于此，有必要针对装置体积大、获取目标距离信号误差大的问题，提供一种无人机避障系统的目标信号处理装置、无人机避障系统。
[0005]一种无人机避障系统的目标信号处理装置，包括:模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器、CFAR检测电路；
[0006]所述模数转换器、所述FFT数字信号处理芯片、所述求模电路、所述非相参积累器、所述CFAR检测电路依次连接，所述模数转换器接入测试目标的差拍信号，所述CFAR检测电路与飞控系统连接。
[0007]上述无人机避障系统的目标信号处理装置，通过设有依次连接的模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器和CFAR检测电路，从而实现通过FFT数字信号处理芯片避免了目标信号在时域混叠的情况。求模电路对初始目标距离信号进行求模，既提高了数据处理速度，又不影响数据处理效果。非相参积累器将各个信号幅度值进行非相参积累，直到完成多个信号周期的积累，从而提高弱信号的信噪比。CFAR检测电路在混有杂波干扰的目标信号中以最大概率检测出目标距离信号，提高了目标信号的准确率，同时模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器和CFAR检测电路可以集成处理，克服了系统大规模设计，具有体积小的优势。
[0008]一种无人机避障系统，包括:如上述所述的无人机避障系统的目标信号处理装置、射频收发系统、机载避障分析处理器以及通信端口 ；
[0009]所述射频收发系统与所述目标信号处理装置的模数转化器连接，所述目标信号处理装置的CFAR检测电路通过通信端口与机载避障分析处理器连接，机载避障分析处理器设于飞控系统中。
[0010]上述无人机避障系统，通过射频收发系统发送并接收回波信号，并获得差拍信号。通过FFT数字信号处理芯片避免了目标信号在时域混叠的情况。求模电路对初始目标距离信号进行求模，既提高了数据处理速度，又不影响数据处理效果。非相参积累器将各个信号幅度值进行非相参积累，直到完成多个信号周期的积累，从而提高弱信号的信噪比。CFAR检测电路在混有杂波干扰的目标信号中以最大概率检测出目标距离信号，提高了目标信号的准确率，同时模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器和CFAR检测电路可以集成处理，克服了系统大规模设计，具有体积小的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本实用新型无人机避障系统的目标信号处理装置实施例的结构示意图；
[0012]图2为本实用新型实施例中CFAR检测电路结构示意图；
[0013]图3为本实用新型无人机避障系统其中一个实施例的结构示意图；
[0014]图4为本实用新型无人机避障系统实施例中RS422协议字符传输格式示意图；
[0015]图5为本实用新型无人机避障系统另一个实施例的结构示意图；
[0016]图6为本实用新型实施例中求模电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下针对本实用新型无人机避障系统的目标信号处理装置、无人机避障系统的各实施例进行详细的描述。
[0018]如图1所示，为本实用新型无人机避障系统的目标信号处理装置实施例的结构示意图，包括:模数转换器110、FFT数字信号处理芯片120、求模电路130、非相参积累器140、CFAR检测电路150。模数转换器110、FFT数字信号处理芯片120、求模电路130、非相参积累器140、CFAR检测电路150依次连接，模数转换器110接入测试目标的差拍信号，CFAR检测电路150与飞控系统连接。
[0019]模数转换器110即A/D转换器，差拍信号为模拟信号，模数转换器110将获取的模拟信号转换为数字信号。差拍信号是通过向目标发送射频信号返回的回波信号进行混频后得到的信号。在一个实施例中，还包括射频收发系统，射频收发系统与模数转换器110连接，其中，射频收发系统包括毫米波雷达天线、接收天线和混频装置。毫米波雷达天线和接收天线分别与混频装置连接。通过毫米波雷达天线向目标发送射频信号，通过接收天线接收毫米波雷达天线向目标发送射频信号后散射的回波信号，通过混频装置将回波信号与射频信号混频得到差拍信号。为了能多方位发送射频信号和多方位接收回波信号，毫米波雷达天线和接收天线可以为带有机械扫描的毫米波雷达天线和带有机械扫描的接收天线。
[0020]FFT数字信号处理芯片120是具有数字信号处理的一种芯片，本实用新型中是利用该芯片所具有的数字处理功能中的FFT处理功能，即快速傅里叶变换的数字信号处理功能。即该FFT数字信号处理芯片120将数字信号经过快速傅里叶变换得到频域图，根据频域图获取初始目标距离信号。
[0021]FFT数字信号处理芯片120主要是将数字信号经过快速傅里叶变换(FastFourier Transform, FFT)得到目标信号的频域图，根据频域图可以获取初始目标距离信号，从而避免目标信号在时域混叠的情况。
[0022]避障系统测距信息的精度是系统的关键，需选择满足要求的FFT单元技术平台。本实施例可以采用FFT IP核(intellectual property core)来实现。这种FFT核数据流结构有三种，分别为Streaming、Buefferd Burst、Burst数据流结构。在一个具体实施例中，基于信号处理要求，可以选用的数据流结构为Radix_4, Burst结构。
[0023]求模电路130，用于将初始目标距离信号进行求模，获得信号幅度值。
[0024]本实施例求模电路可以包括第一乘法器和第二乘法器、一个加法器和一个平方根器，它们都可以利用IP核来实现。如图6所示，为本实用新型实施例中求模电路结构示意图，所述第一乘法器610和所述第二乘法器620分别与所述加法器630连接，所述加法器630与所述平方根器640连接。比如将FFT数字信号处理芯片输出的27位数据经过尺度变换缩减为16位数据。由于计算模值需要系统延迟，还可以包括第四延时器。延迟为12个时钟周期，故需一个12周期的延时器,用以延迟fft_index的输出，以保证计算模值与fft_index同步，延迟器可以用内部寄存器逐级延迟来实现。
[0025]其中，将FFT数字信号处理芯片输出数据进行数据位，只是对FFT后信号频谱幅度进行乘除，既提高了数据处理速度又不影响数据处理效果。每一个FFT点数对应一个信号幅度值，而对FFT输出数据进行求模需要一定的计算时间，求模电路中的延迟器是为保证fft_index点数和相对应处模值的一致性。
[0026]非相参积累器140是一种将各信号幅度值进行非相参积累，获得非相参积累数据的积累器。本实施例中的非相参积累器是为了提高弱信号信噪比，以便实现对高压输电线的有效探测。可以采用一个RAM作为读取中间数据的暂存单元。RAM的大小为2048X21位，RAM在积累过程中要完成读数据、数据累加和写数据这三种功能，而每个功能都需要花费一到两个时钟周期，由于FFT的运算速率为10MHz，而系统内部的时钟为100MHz，故而在一个fftjndex的数据周期内有十个系统时钟周期，则把RAM的读写和累加过程放在这一个fft_index周期内完成。
[0027]在积累信号有效的时间段对回波信号进行FFT，FFT做完后对其输出信号求模，并进行信号累加，直到完成N个信号周期的积累，实现提高弱信号信噪比。
[0028]CFAR检测电路150是一种检测电路，用于采用恒虚警检测方法对非相参积累数据进行检测，获得目标距离信号。
[0029]CFAR检测电路对回波信号进行恒虚警检测是在混有杂波干扰的目标回波中以最大概率检测出目标信号。
[0030]在一个实施例中，CFAR检测电路150可以选用单元平均选大恒虚警检测CFAR(Constant False-Alarm Rate)方法,采用左右16个参考数据单元和2个保护单元的设计。如图2所示，CFAR检测电路包括加减法器210、第一延时单元220、第二延时单元230、第三延时单元240、第一比较器250和第二比较器260 ；
[0031]加减法器的加法输入端与非相参积累器的输出端连接，加减法器输出端分别与加减法器的加法输入端、第一延时单兀和第一比较器连接，第一延时单兀、第一比较器、第二比较器依次连接，第二延时单元的输入端与非相参积累器的输出端连接，第二延时单元的输出端分别与加减法器的减法输入端和第三延时器连接，第三延时器与第二比较单元连接。
[0032]上述无人机避障系统的目标信号处理装置，模数转换器将模数转换后的信号经过快速傅里叶变换得到目标信号的频域图，从频域图中提取初始目标距离信号，从而避免了目标信号在时域混叠的情况。求模电路对初始目标距离信号进行求模，既提高了数据处理速度，又不影响数据处理效果。非相参积累器将各个信号幅度值进行非相参积累，直到完成多个信号周期的积累，从而提高弱信号的信噪比。CFAR检测电路采用恒虚警检测方法对非相参积累数据进行检测，获得目标距离信号。在混有杂波干扰的目标信号中以最大概率检测出目标距离信号，提高了目标信号的准确率，同时由这几个单元组成的目标信号处理装置体积小。
[0033]根据上述无人机避障系统的目标信号处理装置，本方案还提供一种无人机避障系统，如图3所示，包括:上述的无人机避障系统的目标信号处理装置310、射频收发系统320、机载避障分析处理器330以及通信端口 340 ；
[0034]无人机避障系统的目标信号处理装置310包括依次连接的模数转换器311、FFT数字信号处理芯片312、求模电路313、非相参积累器314、CFAR检测电路315 ；
[0035]射频收发系统320与无人机避障系统的目标信号处理装置310的模数转化器311连接，无人机避障系统的目标信号处理装置310的CFAR检测电路315通过通信端口 340与机载避障分析处理器330连接，机载避障分析处理器330设于飞控系统中。
[0036]射频收发系统是向目标发送射频信号并接收回波信号，并将回波信号和射频信号混频为差拍信号的系统。在一个实施例中，射频收发系统包括毫米波雷达天线、接收天线和混频装置。毫米波雷达天线和接收天线分别与混频装置连接。通过毫米波雷达天线向目标发送射频信号，通过接收天线接收毫米波雷达天线向目标发送射频信号后散射的回波信号，通过混频装置将回波信号与射频信号混频得到差拍信号。为了能多方位发送射频信号和多方位接收回波信号，毫米波雷达天线和接收天线可以为带有机械扫描的毫米波雷达天线和带有机械扫描的接收天线。
[0037]模数转换器311即A/D转换器，将获取的模拟信号转换为数字信号。
[0038]FFT数字信号处理芯片312是数字信号处理的一种芯片，利用该芯片其中一种数字信号处理功能，即快速傅里叶变换的数字信号处理功能。即该FFT数字信号处理芯片312将数字信号经过快速傅里叶变换得到频域图，根据频域图获取初始目标距离信号。
[0039]FFT数字信号处理芯片主要是将数字信号经过快速傅里叶变换(Fast FourierTransform, FFT)得到目标信号的频域图，根据频域图可以获取初始目标距离信号，从而避免目标信号在时域混叠的情况。
[0040]避障系统测距信息的精度是系统的关键，需选择满足要求的FFT单元技术平台。本实施例可以采用FFT IP核(intellectual property core)来实现。这种FFT核数据流结构有三种，分别为Streaming、Buefferd Burst、Burst数据流结构。在一个具体实施例中，基于信号处理要求，可以选用的数据流结构为Radix_4, Burst结构。
[0041]求模电路313，用于将初始目标距离信号进行求模，获得信号幅度值。
[0042]本实施例求模电路可以包括第四延时器、第一乘法器和第二乘法器、一个加法器和一个平方根器，它们都可以利用IP核来实现。比如将FFT数字信号处理芯片输出的27位数据经过尺度变换缩减为16位数据。由于计算模值需要系统延迟，延迟为12个时钟周期，故需一个12周期的延时器,用以延迟fft_index的输出，以保证计算模值与fft_index同步，延迟器可以用内部寄存器逐级延迟来实现。
[0043]其中，将FFT数字信号处理芯片输出数据进行数据位，只是对FFT后信号频谱幅度进行乘除，既提高了数据处理速度又不影响数据处理效果。每一个FFT点数对应一个信号幅度值，而对FFT输出数据进行求模需要一定的计算时间，求模电路中的延迟器是为保证fft_index点数和相对应处模值的一致性。
[0044]非相参积累器314是一种积累器，该非相参积累起用于将各信号幅度值进行非相参积累，获得非相参积累数据。本实施例中的非相参积累器是为了提高弱信号信噪比，以便实现对高压输电线的有效探测。可以采用一个RAM作为读取中间数据的暂存单元。RAM的大小为2048X21位，RAM在积累过程中要完成读数据、数据累加和写数据这三种功能，而每个功能都需要花费一到两个时钟周期，由于FFT的运算速率为10MHz，而系统内部的时钟为100MHz，故而在一个fft_index的数据周期内有十个系统时钟周期，则把RAM的读写和累加过程放在这一个fft_index周期内完成。
[0045]在积累信号有效的时间段对回波信号进行FFT，FFT做完后对其输出信号求模，并进行信号累加，直到完成N个信号周期的积累，实现提高弱信号信噪比。
[0046]CFAR检测电路315是一种检测电路，用于采用恒虚警检测方法对非相参积累数据进行检测，获得目标距离信号。
[0047]CFAR检测电路对回波信号进行恒虚警检测是在混有杂波干扰的目标回波中以最大概率检测出目标信号。
[0048]在一个实施例中，CFAR检测电路315可以选用单元平均选大恒虚警检测CFAR(Constant False-Alarm Rate)方法,采用左右16个参考数据单元和2个保护单元的设计。如图2所示，CFAR检测电路包括加减法器210、第一延时单元220、第二延时单元230、第三延时单元240、第一比较器250和第二比较器260 ；
[0049]加减法器的加法输入端与非相参积累器的输出端连接，加减法器输出端分别与加减法器的加法输入端、第一延时单兀和第一比较器连接，第一延时单兀、第一比较器、第二比较器依次连接，第二延时单元的输入端与非相参积累器的输出端连接，第二延时单元的输出端分别与加减法器的减法输入端和第三延时器连接，第三延时器与第二比较单元连接。
[0050]机载避障分析处理器330设于飞控系统中。是一种用于根据CFAR检测电路发送的目标距离信号进行避障分析的处理器。
[0051]比如机载避障分析处理器330可以将获得的目标距离信号与预设的距离门限值进行比较对比得出目标方位，并通过内置的避障策略发出相应的控制指令给飞控系统，从而通过飞控系统控制无人机。
[0052]上述无人机避障系统，通过射频收发系统发送并接收回波信号，并获得差拍信号。通过FFT数字信号处理芯片避免了目标信号在时域混叠的情况。求模电路对初始目标距离信号进行求模，既提高了数据处理速度，又不影响数据处理效果。非相参积累器将各个信号幅度值进行非相参积累，直到完成多个信号周期的积累，从而提高弱信号的信噪比。CFAR检测电路在混有杂波干扰的目标信号中以最大概率检测出目标距离信号，提高了目标信号的准确率，同时模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器和CFAR检测电路可以集成处理，克服了系统大规模设计，具有体积小的优势。
[0053]在其中一个实施例中，无人机避障系统可以采用RS-422通信协议进行传输数据。RS-422协议是一种串行异步通信协议，能够实现收发数据的串/并转换。在没有数据传送时，通信线一直处于逻辑I状态，而当有数据传送时，数据两头必须加上起始位和停止位。起始位为逻辑0，而后是数据位，按照低位在前、高位在后的原则传输。根据不同的编码规贝1J，数据位有可能是5位、6位、7位或8位。数据位之后是校验位，可以根据需要选择奇校验、偶校验或者是没有校验位。最后是停止位，为逻辑I。接收端接收到停止位，即认为上一字符传送完毕，开始准备接受下一字符，一旦接收到0，就认为是新字符的起始位。如图4所示，为RS422协议字符传输格式示意图,410表示高电位，420表示地电位位O为起始位，位7为停止位。
[0054]本系统发送的数据可以为数据包的形式，包括帧头、数据单元和异或及和校验三部分，选用的波特率为19200bit/s，数据位个数为8位，单帧字符无校验位。
[0055]射频系统的开关机状态受飞控系统控制。飞控系统发来的数据包括帧头、控制指令和校验三部分，在每个帧里，由起始位、数据位和停止位三部分组成。针对每帧的接收，在无数据传输时，线路处于空闲状态并保持为逻辑I。有数据传输时首先检测到发送开始位0，判断开始为O是否有效，若开始位O有效则进行数据的接收，接收完8位数据后，若检测到结束位1，则认为数据接收结束并储存在寄存器内，否则回到线路空闲状态进行数据的接收。
[0056]CFAR检测电路向飞控系统发送部分按照波特时钟，检测到发送数据使能信号后首先发送开始位逻辑0，然后按照从低位到高位的顺序依次发送数据位，本系统可以设计没有校验位，故而数据位发送完毕之后，直接发送停止位逻辑I。
[0057]在其中一个实施例中，如图5所示，为本实用新型无人机避障系统另一个实施例的结构示意图，避障系统还包括俯仰驱动系统510，俯仰驱动系统与射频收发系统连接，控制射频收发系统的转动方位，其中，射频收发系统包括带有机械扫描的毫米波雷达天线、带有机械扫描的接收天线和混频装置。从而可以实现大范围伺服扫描，加大扫描范围。
[0058]在其中一个实施例中，避障系统还包括传输控制器，传输控制器设于CFAR检测电路和通信端口之间，传输控制器用于检测不同距离的目标距离信号个数为预设个数时，将预设个数的不同距离的目标距离信号同时发送至飞控系统的机载避障分析处理器，其中预设个数至少为2。
[0059]比如，检测出最前位于五个不同距离处的目标信号；将这五个检测到的五个目标信号分别赋予五个变量，并将五个目标信息下传给飞控系统，从而发送至飞控系统，目的是给地面操控人员一个具体的前方目标环境信息。
[0060]在其中一个实施例中，如图5所示，避障系统还包括显示器520，显示器通过通信端口与CFAR检测电路连接，显示器可以显示目标距离信号。
[0061]在其中一个实施例中，无人机避障系统与飞控系统之间采用RS-422通信协议进行传输数据。
[0062]以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种无人机避障系统的目标信号处理装置，其特征在于，包括:模数转换器、FFT数字信号处理芯片、求模电路、非相参积累器、CFAR检测电路； 所述模数转换器、所述FFT数字信号处理芯片、所述求模电路、所述非相参积累器、所述CFAR检测电路依次连接，所述模数转换器接入测试目标的差拍信号，所述CFAR检测电路与飞控系统连接。
2.根据权利要求1所述的无人机避障系统的目标信号处理装置，其特征在于，所述CFAR检测电路包括加减法器、第一延时单元、第二延时单元、第三延时单元、第一比较器和第二比较器； 所述加减法器的加法输入端与所述非相参积累器的输出端连接，所述加减法器输出端分别与所述加减法器的加法输入端、第一延时单元和第一比较器连接，第一延时单元、第一比较器、第二比较器依次连接，第二延时单元的输入端与所述非相参积累器的输出端连接，第二延时单元的输出端分别与所述加减法器的减法输入端和第三延时器连接，第三延时器与第二比较单元连接。
3.根据权利要求1或2所述的无人机避障系统的目标信号处理装置，其特征在于，所述求模电路包括第一乘法器、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别与所述加法器连接，所述加法器与所述平方根器连接。
4.根据权利要求1或2所述的无人机避障系统的目标信号处理装置，其特征在于，还包括射频收发系统，所述射频收发系统与所述模数转换器连接，所述射频收发系统包括带有机械扫描的毫米波雷达天线、带有机械扫描的接收天线和混频装置，所述毫米波雷达天线和所述接收天线分别与所述混频装置连接。
5.一种无人机避障系统，其特征在于，包括:如权利要求1至3任意一项所述的无人机避障系统的目标信号处理装置、射频收发系统、机载避障分析处理器以及通信端口 ； 所述射频收发系统与所述目标信号处理装置的模数转化器连接，所述目标信号处理装置的CFAR检测电路通过通信端口与机载避障分析处理器连接，机载避障分析处理器设于飞控系统中。
6.根据权利要求5所述的无人机避障系统，其特征在于，还包括俯仰驱动系统，所述俯仰驱动系统与所述射频收发系统连接，控制所述射频收发系统的转动方位，其中，所述射频收发系统包括带有机械扫描的毫米波雷达天线、带有机械扫描的接收天线和混频装置。
7.根据权利要求5或6所述的无人机避障系统，其特征在于，还包括显示器，所述显示器通过通信端口与CFAR检测电路连接。
8.根据权利要求5或6所述的无人机避障系统，其特征在于，所述无人机避障系统与飞控系统之间采用RS-422通信协议进行传输数据。
【文档编号】G01S13/93GK203950037SQ201420269945
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】王柯, 麦晓明, 杨维顺, 饶章权, 彭向阳, 韩正伟, 王锐 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 中国人民解放军总参谋部第六十研究所