无人机避障系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及无人机避障系统，包括：雷达信号收发子系统、信号处理子系统以及通信控制子系统；雷达信号收发子系统包括：接收控制模块，用于对获取的回波信号进行解调与滤波得到基带信号，并将基带信号发送至信号处理子系统；发射控制模块，用于根据发射控制信号生成调制信号，并采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号；信号处理子系统，用于生成发射控制信号，以及对从接收控制模块接收的基带信号进行分析以生成避障数据；通信控制子系统，用于发送避障数据至无人机的飞行控制模块。根据本发明实施例的无人机避障系统能够实现小型化和轻型化，使雷达避障系统能够应用在小型无人机中。
【专利说明】
无人机避障系统
技术领域
[0001]本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机避障系统。
【背景技术】
[0002]随着无人机技术的迅速发展，无人机已经广泛应用于航拍、测绘和物资运输投放等诸多领域。在无人机的飞行过程中，避障是一个至关重要的问题。目前无人机采用的避障方法主要包括视觉避障、超声避障、ToF(Time ofFlight，飞行时间)红外光避障和雷达避障。其中，视觉避障在黑暗环境以及灰尘烟雾环境下很难正常工作，排除虚警能力也比较弱;超声避障的温度稳定性较差，容易受温度变化而影响避障精度，且长距离探测与目标鉴另IJ能力较差;ToF红外光避障容易受灰尘烟雾以及楼宇光污染的影响，目标鉴别和排除虚警能力也较弱;现有的雷达避障基于中低频，雷达体积较大，很难在无人机上安装使用。
【发明内容】
[0003]技术问题
[0004]有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何在无人机中采用雷达避障。
[0005]解决方案
[0006]为了解决上述技术问题，根据本发明的一实施例，提供了一种无人机避障系统，包括:
[0007]雷达信号收发子系统，与所述雷达信号收发子系统连接的信号处理子系统，以及与所述信号处理子系统连接的通信控制子系统；
[0008]所述雷达信号收发子系统，包括:
[0009]接收天线，用于接收回波信号，
[0010]接收控制模块，与所述接收天线和所述信号处理子系统连接，用于从所述接收天线获取所述回波信号，对获取的所述回波信号进行解调与滤波，得到基带信号，并将所述基带信号发送至所述信号处理子系统；
[0011 ]发射天线，用于发送发射信号，
[0012]发射控制模块，与所述发射天线和所述信号处理子系统连接，用于从所述信号处理子系统接收发射控制信号，根据所述发射控制信号生成调制信号，并采用所述调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号；
[0013]所述信号处理子系统，用于生成所述发射控制信号，以根据所述发射控制信号控制所述发射控制模块生成所述发射信号，以及对从所述接收控制模块接收的所述基带信号进行分析，以生成避障数据；
[0014]所述通信控制子系统，用于发送所述避障数据至无人机的飞行控制模块，以使所述飞行控制模块根据所述避障数据进行避障导航控制。
[0015]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述极高频的载波信号采用70GHz的载波信号。
[0016]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述接收控制模块包括:
[0017]解调器，与所述接收天线连接，用于对从所述接收天线获取的所述回波信号进行解调；
[0018]基带滤波器，与所述解调器连接，用于对解调后的回波信号进行滤波，得到基带信号；
[0019]第一控制器，与所述基带滤波器和所述信号处理子系统连接，用于发送所述基带信号至所述信号处理子系统。
[0020]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述发射控制模块包括:
[0021]第二控制器，与所述信号处理子系统连接，用于从所述信号处理子系统接收发射控制信号；
[0022]振荡器，与所述第二控制器连接，用于根据所述发射控制信号生成调制信号；
[0023]调制器，与所述振荡器和所述发射天线分别连接，用于采用所述调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号。
[0024]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述信号处理子系统包括:
[0025]CPU平台，与所述接收控制模块连接，用于对从所述接收控制模块接收的所述基带信号进行分析，以生成避障数据；
[0026]雷达处理平台，与所述发射控制模块连接，用于生成所述发射控制信号，并将所述发射控制信号发送至所述发射控制模块。
[0027]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述避障数据包括飞行模式控制指令、方向控制指令和/或速度控制指令。
[0028]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述CPU平台包括FPGA模块和SRAM。
[0029]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述雷达处理平台包括ADC、DAC、FFT模块和DMA控制器；
[0030]所述DMA控制器用于将数据从第一存储器传输到第二存储器中，并在传输过程中执行预设打包和拆包指令，所述第一存储器为系统RAM、闪存或者TCM，所述第二存储器为存放操作数的RAM或者存放旋转因子的RAM。
[0031]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述通信控制子系统包括FlexRay通信接口，还包括第一CAN通信接口或者CAN-FD通信接口。
[0032]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，所述系统还包括:
[0033]与所述信号处理子系统连接的电源管理子系统，用于为各个子系统供电，包括电源管理模块和第二 CAN通信接口。
[0034]有益效果
[0035]通过雷达信号收发子系统、信号处理子系统和通信控制子系统组成无人机避障系统，在雷达信号收发子系统中，采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号，根据本发明实施例的无人机避障系统能够实现小型化和轻型化，使雷达避障系统能够应用在小型无人机中，且具有较强的长距离探测能力、目标鉴别能力和排除虚警能力，不受温度变化以及外界环境变化的影响，在黑暗、灰尘烟雾等恶劣条件下仍能正常工作，拥有较好的全天候避障能力，能够长时间持续进行避障导航。
[0036]根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
【附图说明】
[0037]包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
[0038]图1示出根据本发明一实施例的无人机避障系统的结构框图；
[0039]图2示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中接收控制模块的结构框图；
[0040]图3示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中发射控制模块的结构框图；
[0041]图4示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中信号处理子系统的结构框图；
[0042]图5示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中雷达处理平台的结构框图；
[0043]图6示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中雷达处理平台的另一结构框图；
[0044]图7示出根据本发明另一实施例的无人机避障系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0045]以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0046]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0047]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0048]实施例1
[0049]图1示出根据本发明一实施例的无人机避障系统的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图1所示，该系统主要包括:
[0050]雷达信号收发子系统11，与雷达信号收发子系统11连接的信号处理子系统12，以及与信号处理子系统12连接的通信控制子系统13。
[0051]本发明实施例采用高度集成的系统模块构建整个无人机避障系统。其中，雷达信号收发子系统11将外部环境与该无人机避障系统相连接，主要用于雷达信号的发射与接收。信号处理子系统12主要用于对雷达信号收发子系统11进行控制，以及对雷达信号收发子系统11接收的雷达信号进行处理。通信控制子系统13主要用于完成该无人机避障系统与无人机的飞行控制模块之间的通信控制。
[0052]雷达信号收发子系统11，包括:
[0053]接收天线111，用于接收回波信号，
[0054]接收控制模块112，与接收天线111和信号处理子系统12连接，用于从接收天线111获取回波信号，对获取的回波信号进行解调与滤波，得到基带信号，并将基带信号发送至信号处理子系统12。
[0055]其中，回波信号为发射信号碰到障碍物反射回来的信号。
[0056]发射天线113，用于发送发射信号，
[0057]发射控制模块114，与发射天线113和信号处理子系统12连接，用于从信号处理子系统12接收发射控制信号，根据发射控制信号生成调制信号，并采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号。
[0058]其中，调制信号可以为线性调频信号。该发射控制模块114由于频稳度高，因此无需锁相环即可产生线性调频信号。发射天线113对调制后得到的发射信号进行发射。在本发明实施例中，通过采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号，能够实现小型化和轻型化，使该无人机避障系统能够应用在小型无人机中。
[0059]该雷达信号收发子系统11可以采用半全双工工作模式，以支持多通道的并行运行，从而在较宽的探测区域内实现较高的空间分辨率和检测精度。
[0060]信号处理子系统12，用于生成发射控制信号，以根据发射控制信号控制发射控制模块114生成发射信号，以及对从接收控制模块112接收的基带信号进行分析，以生成避障数据。
[0061]该信号处理子系统12对回波信号对应的基带信号进行分析，以进行无人机行进方向上的目标鉴别避障，从而实现无人机的自主避障飞行。
[0062]通信控制子系统13，用于发送避障数据至无人机的飞行控制模块，以使飞行控制模块根据避障数据进行避障导航控制。
[0063]在一种可能的实现方式中，通信控制子系统13用于实现和保障无人机避障系统与无人机的飞行控制模块之间的实时通信。
[0064]通常，30-300GHZ属于极高频。在本发明实施例中，极高频的载波信号可以采用70GHz的载波信号。
[0065]图2示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中接收控制模块112的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图2所示，该接收控制模块112包括:
[0066]解调器1121，与接收天线111连接，用于对从接收天线111获取的回波信号进行解调；
[0067]基带滤波器1122，与解调器1121连接，用于对解调后的回波信号进行滤波，得到基带信号；
[0068]第一控制器1123，与基带滤波器1122和信号处理子系统12连接，用于发送基带信号至信号处理子系统12。
[0069]在接收天线111接收回波信号后，解调器1121对回波信号进行下变频解调处理，得到解调后的回波信号，并将解调后的回波信号传输给基带滤波器1122。基带滤波器1122对解调后的回波信号进行滤波，得到基带信号，并将基带信号传输给第一控制器1123。第一控制器1123将基带信号发送给信号处理子系统12，以使信号处理子系统12根据该基带信号进行分析。
[0070]其中，基带滤波器1122可采用集成式基带滤波器1122。
[0071]图3示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中发射控制模块114的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图3所示，该发射控制模块114包括:
[0072]第二控制器1141，与信号处理子系统12连接，用于从信号处理子系统12接收发射控制信号；
[0073]振荡器1142，与第二控制器1141连接，用于根据发射控制信号生成调制信号；
[0074]调制器1143，与振荡器1142和发射天线113分别连接，用于采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号。
[0075]雷达收发子系统在进行信号发射时，振荡器1142产生调制信号，该调制信号可以为调频信号。调制器1143实现对调制信号的射频调制放大。
[0076]其中，振荡器1142可以具有较佳的相位噪声性能。调制器1143可以支持调制速率为lOOMHz/lOOns的快速调制。调制器1143还可以采用双相调制器1143，以提高检测精度并屏蔽寄生信号。
[0077]图4示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中信号处理子系统12的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图3所示，该信号处理子系统12包括:
[0078]CPU (Central Processing Unit，中央处理器)平台121，与接收控制模块112连接，用于对从接收控制模块112接收的基带信号进行分析，以生成避障数据；
[0079]雷达处理平台122，与发射控制模块114连接，用于生成发射控制信号，并将发射控制信号发送至发射控制模块114。
[0080]其中，CPU平台121用于对从接收控制模块112接收的基带信号进行信号分析计算，并生成避障数据，以使无人机的飞行控制模块根据该避障数据进行避障导航控制。雷达处理平台122通过生成发射控制信号来控制雷达信号收发子系统11发射雷达信号，从而实现对雷达信号产生的相关控制。
[0081]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，避障数据包括飞行模式控制指令、方向控制指令和/或速度控制指令。
[0082]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，CPU平台121包括？？6六(？丨61(1Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)模块和SRAM(Static Random AccessMemory，静态随机存取存储器)。
[0083]图5示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中雷达处理平台122的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图5所示，该雷达处理平台122包括:
[0084]ADC(Analog-to_Digital Converter，模数转换器)1221、DAC(Digital-to-AnalogConverter数模转换器)1222、FFT(Fast Fourier Transformat1n，快速傅里叶变换)模块1223和DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)控制器1224。
[0085]其中，ADC1221用于将模拟信号转换为数字信号。ADC1221可采用Σ-Δ型ADCjlJ如，主要技术指标为8X Σ Δ-1OMHz的ADCJDC1221还可以采用逐次逼近寄存器型(Successive Approximat1n Register，SAR)ADC，例如，寄存器的主要技术指标为4X 12-bit SAR-1MHz的ADC，在此不作限定。DAC1222用于将数字信号转换为模拟信号。DAC1222可以采用主要技术指标为2MS/s 8-bit的DAC，在此不作限定。FFT模块1223用于实现信号的快速傅里叶变换。
[0086]DMA控制器1224用于将数据从第一存储器传输到第二存储器中，并在传输过程中执行预设打包和拆包指令，第一存储器为系统RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、闪存或者TCM(Tightly Coupled Memory，紧致耦合内存)，第二存储器为存放操作数的RAM或者存放旋转因子的RAM。在本发明实施例中，DMA控制器1224主要用于传输该无人机避障系统中带编解码信息的载波数据。
[0087]该DMA控制器1224具有独立于CPU的后台批量数据传输能力，在传输过程中执行预设打包和拆包指令，从而减少存储，实现处理器与存储空间之间的快速数据交换。
[0088]图6示出根据本发明一实施例的无人机避障系统中雷达处理平台122的另一结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。如图6所示，该雷达处理平台122包括:
[0089]ADC1221、DAC1222 和信号处理工具箱 1220。
[0090]该信号处理工具箱1220包括FFT模块1223、DMA控制器1224、复制(Copy)模块1225和调度(Scheduler)模块 1226。
[0091]对于上述系统，在一种可能的实现方式中，通信控制子系统13包括FlexRay通信接口，还包括第一CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)通信接口或者CAN-FD(Controller Area Network-Flexible Data rate，带灵活数据传输速率的控制器局域网络)通信接口。
[0092]通信控制子系统13通过上述通信接口连接无人机的飞行控制模块以及信号处理子系统12，用于实现无人机避障系统的避障数据到无人机的飞行控制模块的传递。其中，FlexRay通信接口能够实现高达20Mbps的双通道数据传输，可以连接到其他控制器。第一CAN通信接口或者CAN-Π)通信接口可以实现高达3Mbps的任意数据传输，可以连接到无人机的其他组件中。
[0093]这样，通过雷达信号收发子系统、信号处理子系统和通信控制子系统组成无人机避障系统，在雷达信号收发子系统中，采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号，根据本发明实施例的无人机避障系统能够实现小型化和轻型化，使雷达避障系统能够应用在小型无人机中，能够实现无人机的前方碰撞警告、防撞侦测、自适应巡航控制、自动避障飞行及定高等，能够有效地避开障碍物，保证安全飞行，且操作简单、避障检测精度较高，且具有较强的长距离探测能力、目标鉴别能力和排除虚警能力，不受温度变化以及外界环境变化的影响，在黑暗、灰尘烟雾等恶劣条件下仍能正常工作，拥有较好的全天候避障能力，能够长时间持续进行避障导航。
[0094]实施例2
[0095]图7示出根据本发明另一实施例的无人机避障系统的结构框图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。图7中标号与图1-6相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。
[0096]如图7所示，图7所示的系统与图1所示系统的主要区别在于，该系统还包括:
[0097]与信号处理子系统12连接的电源管理子系统14，用于为各个子系统供电，包括电源管理模块和第二 CAN通信接口。
[0098]其中，电源管理模块可以包括电源管理芯片。电源管理模块可以集成多种性能和增强型的模块设计，将外接电源的电压转换为雷达信号收发子系统11和信号处理子系统12中各个组件、模块所需的工作电压，从而实现对各个组件、模块进行供电。第二CAN通信接口的波特率可以为40Kb/s至IMb/s。第二 CAN通信接口可以具有局部和总线故障诊断、保护功能以及故障安全操作模式。
[0099]这样，通过雷达信号收发子系统、信号处理子系统和通信控制子系统组成无人机避障系统，在雷达信号收发子系统中，采用调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号，根据本发明实施例的无人机避障系统能够实现小型化和轻型化，使雷达避障系统能够应用在小型无人机中，且具有较强的长距离探测能力、目标鉴别能力和排除虚警能力，不受温度变化以及外界环境变化的影响，在黑暗、灰尘烟雾等恶劣条件下仍能正常工作，拥有较好的全天候避障能力，能够长时间持续进行避障导航;通过电源管理子系统实现对整个无人机避障系统的供电管理。
[0100]以上所述，仅为本发明的【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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种无人机避障系统，其特征在于，包括: 雷达信号收发子系统，与所述雷达信号收发子系统连接的信号处理子系统，以及与所述信号处理子系统连接的通信控制子系统； 所述雷达信号收发子系统，包括: 接收天线，用于接收回波信号， 接收控制模块，与所述接收天线和所述信号处理子系统连接，用于从所述接收天线获取所述回波信号，对获取的所述回波信号进行解调与滤波，得到基带信号，并将所述基带信号发送至所述信号处理子系统； 发射天线，用于发送发射信号， 发射控制模块，与所述发射天线和所述信号处理子系统连接，用于从所述信号处理子系统接收发射控制信号，根据所述发射控制信号生成调制信号，并采用所述调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号； 所述信号处理子系统，用于生成所述发射控制信号，以根据所述发射控制信号控制所述发射控制模块生成所述发射信号，以及对从所述接收控制模块接收的所述基带信号进行分析，以生成避障数据； 所述通信控制子系统，用于发送所述避障数据至无人机的飞行控制模块，以使所述飞行控制模块根据所述避障数据进行避障导航控制。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述极高频的载波信号采用70GHz的载波信号。3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述接收控制模块包括: 解调器，与所述接收天线连接，用于对从所述接收天线获取的所述回波信号进行解调；基带滤波器，与所述解调器连接，用于对解调后的回波信号进行滤波，得到基带信号；第一控制器，与所述基带滤波器和所述信号处理子系统连接，用于发送所述基带信号至所述信号处理子系统。4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述发射控制模块包括: 第二控制器，与所述信号处理子系统连接，用于从所述信号处理子系统接收发射控制信号； 振荡器，与所述第二控制器连接，用于根据所述发射控制信号生成调制信号； 调制器，与所述振荡器和所述发射天线分别连接，用于采用所述调制信号调制极高频的载波信号以生成发射信号。5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述信号处理子系统包括: CPU平台，与所述接收控制模块连接，用于对从所述接收控制模块接收的所述基带信号进行分析，以生成避障数据； 雷达处理平台，与所述发射控制模块连接，用于生成所述发射控制信号，并将所述发射控制信号发送至所述发射控制模块。6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述避障数据包括飞行模式控制指令、方向控制指令和/或速度控制指令。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述CRJ平台包括FPGA模块和SRAM。8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述雷达处理平台包括ADC、DAC、FFT模块和DMA控制器； 所述DMA控制器用于将数据从第一存储器传输到第二存储器中，并在传输过程中执行预设打包和拆包指令，所述第一存储器为系统RAM、闪存或者TCM，所述第二存储器为存放操作数的RAM或者存放旋转因子的RAM。9.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述通信控制子系统包括FlexRay通信接口，还包括第一CAN通信接口或者CAN-FD通信接口。10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括: 与所述信号处理子系统连接的电源管理子系统，用于为各个子系统供电，包括电源管理模块和第二 CAN通信接口。
【文档编号】G05D1/10GK105974936SQ201610266800
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】冯伟明
【申请人】北京博瑞空间科技发展有限公司