無人機電力巡檢中光纖IMU數據采集系統設計

摘 要： 無人機電力巡檢作為處理電力線路日常維護和應急處置的高效手段，已逐步取代傳統的巡檢方式而被廣泛應用。為實現電力線路的安全巡檢，針對無人機電力安全巡檢的飛行平臺和特殊環境，在此設計了一種光纖IMU數據采集系統，通過石英加速度計和光纖陀螺儀敏感載體的加速度和角速度信息，利用FPGA并行處理的特點及其豐富的I/O接口，實時采集其輸出的原始脈沖數據，并利用多個數字溫度傳感器通過分布式網絡點測試結構實現對光纖IMU多點溫度信息的采集。最后將數據打包發送給上位機進行存儲、分析和濾波等處理，從而計算出無人機電力巡檢所需的位置、速度和姿態等信息，最終實現無人機電力線路的安全巡檢工作。

關鍵詞： 電力巡檢； FPGA； 光纖IMU； 數據采集系統； 上位機

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0034?04

0 引 言

無人機電力安全巡檢主要是針對我國高壓、特高壓電力線路日常安全維護和應急處置等業務需求，通過研制無人機多傳感器集成的電力線路安全巡檢系統裝備[1]，完成復雜地形條件下超視距無人直升機電力線路安全巡檢，促進我國電網線路安全、高壓巡檢和應急保障技術的發展進步。而慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）主要通過陀螺儀和加速度計等傳感器敏感載體的加速度和角度率信息通過數據采集系統將這些原始數據傳遞給導航計算機進行濾波計算，從而為無人機電力巡檢系統中光學、激光雷達等載荷提供高精度的位置、姿態基準[2]，同時為慣性穩定平臺提供精確的指向。

目前國內采用測量單元的主要有撓性、光纖和激光三種，針對無人機電力巡檢的飛行平臺和特殊環境，對多傳感器系統的重量、體積和功耗有較嚴格的限制，這就要求IMU重量體積小，功耗低，精度高。其中，光纖陀螺相對于撓性陀螺，具有啟動快，精度高，可靠性高等一系列優點[1]，而相對于激光陀螺，光纖陀螺的重量體積小，功耗低。因此，本文設計了一種基于FPGA硬件平臺的無人機電力巡檢用的光纖IMU數據采集系統，與上位機系統通過相應的串口通信電路實現光纖陀螺和加速度計輸出信號和溫度信號的采集、存儲。

1 無人機電力巡檢系統結構

無人機巡檢系統主要是利用飛行平臺系統、POS系統、穩定平臺系統、多傳感器系統、電力線路走廊三維建模及可視化系統等多種系統組合，通過各軟件系統之間數據交換、程序調用和設置外部通信接口，獲取、處理多種傳感器數據并進行電力線路故障診斷，最終完成無人機電力系統的巡檢。系統結構如圖1所示。

圖1中，光纖慣性測量單元IMU通過慣性測量組件敏感載體的加速度和角速率信息，在利用數據采集系統將其采集、存儲，發送給導航計算機計算出位置、速度和姿態信息，并組合差分GPS數據，最終獲得高精度的位置、速度姿態信息[1]。其一方面輸出載荷的角速率信息和實時位置信息，以便于穩定平臺隔離掉外部擾動對載荷的影響，進而對其進行姿態調整；另一方面，通過后處理提供高精度的航跡和姿態信息，以便于激光、紅外、紫外、CCD相機等傳感器通過外方位元素計算出影像數據，為后期基于多種傳感器進行電力線走廊的故障診斷識別提供一致的數據基礎。

由此可見，數據采集系統能否采集到準確、可靠，能如實反映載機運動狀態的特征信息直接影響到無人機電力巡檢系統能否高效完成巡檢工作，為此給出了光纖IMU數據采集系統的設計。

2 數據采集系統總體設計

2.1 總體結構設計

數據采集系統主要完成IMU的數據采集、數據同步和數據發送。為滿足POS系統短時間高精度測量載荷相位中心的要求，必須實現對慣性器件的高頻、高精度采樣，而可編程邏輯器件（FPGA）是最佳選擇，其運行速度快，核心頻率可以達到幾百MHz，可輕松實現對脈沖信號的高頻采集；I/O接口資源豐富，可以很容易連接陀螺信號、加速度信號、溫度信號以及GPS秒脈沖信號等，可實現大規模系統的設計；內部邏輯程序可以并行運行，同時處理不同任務，可以實現對3路陀螺數據和加速度計數據以及溫度數據的并行采樣，進一步提高采樣速率；同時其可以通過PCB板設計實現硬件系統，通過程序設計實現軟件設計，具有較高的可靠性和非常大的靈活性、自由性。因此本數據采集系統采用FPGA作為核心器件[1]，基于Xilinx ISE軟件開發環境利用VHDL語言對其內部邏輯進行編程實現對IMU慣性器件的數據采集[1]，其結構如圖2所示。

圖中光纖陀螺測量的角速度信息以角增量的形式輸出并根據內部電路轉化為脈沖信號，而加速度計測量的加速度信息以電流信號輸出，需通過對應的I/F轉換電路轉換為脈沖信號。光纖陀螺的溫度信號由數字溫度傳感器18b20直接輸出數字信號，而加速度計的內置溫度傳感器輸出為模擬溫度信號，需要通過搭建A/D轉換電路和運放電路實現信號的采集，增加了系統的重量、體積和功耗。因此，本文同樣采用數字溫度傳感器18b20直接實現加速度計的數字溫度信號的采集。最終通過FPGA的邏輯電路實現對陀螺和加速度計脈沖信號以及多路數字溫度信號的采集，并利用串口發送給上位機，實現數據的采集和存儲。

3 系統軟硬件實現

3.1 FPGA脈沖采集系統設計

根據光纖慣性測試組件的構成，光纖陀螺輸出、溫度輸出以及經過I/F轉換后的加速度計輸出均為脈沖信號，因此通過設計FPGA脈沖計數電路實現對脈沖信息的采集。系統的核心處理器FPGA采用Xilinx公司生產的XC3S400，工作頻率可達200 MHz，配置芯片選用XCF02S。FPGA通過Xilinx ISE軟件開發環境利用VHDL語言對其內部邏輯進行編程，實現輸入脈沖信號的計數采集，再將采集的光纖陀螺和加速度計信號、溫度信號輸出信息通過通用串口形式與上位機通信，上位機通過相應的軟件實現數據的采集和存儲。其最小應用系統包括時鐘電路、電源模塊，配置電阻和存儲器等問題。時鐘電路采用25 MHz的貼片無源晶體振蕩器作為時鐘源，根據系統所需時鐘頻率對其編程設置；電源模塊采用LD1117系列的電壓轉換模塊，將供電電壓5 V轉換為3.3 V，2.5 V和1.2 V的穩定電壓，分別為FPGA提供3.3 V的bank電壓，2.5 V的參考電壓和1.2 V的內核電壓，同時為數字溫度采集DS18B20芯片和RS 422串口電路提供3.3 V的電壓；而在FPGA的每個電壓處都會配置0.1 μF的貼片電容濾除噪聲，保證FPGA可靠性。

3.2 溫度采集電路設計

溫度采集電路是數據采集系統設計中重要的一環，因為光纖IMU中的慣性測量組件對溫度比較敏感，隨著環境溫度的變化，慣性儀表的零偏和標度因數將會產生變化，直接影響器件的輸出精度，而在無人機電力巡檢中，巡檢地勢高度以及四季天氣環境的變化，都會引起其內外部溫度大小的變化，從而影響數據輸出的精度，因此需要對陀螺儀，加速度計以及采集電路板的周圍環境進行溫度監控并在后期軟件處理中給予溫度補償。

本文主要采用美國Dallas公司生產的單總線數字式溫度傳感器，可用一根I/O數據線傳輸多個溫度點的外置DS18B20芯片。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接測溫度，不需要A/D轉換器，測溫范圍在55～125 ℃之間，測量精度為0.1 ℃，符合無人機電力巡檢的溫度測量要求。在此系統中采用串并相結合的方法，擴展2路溫度脈沖計數器，其結構如圖3所示。

圖3 溫度采集結構圖

其中DQ1測量數據采集板的溫度，而DQ2用一根數據線串聯8個DS18B20，在每一通道處配置4.7 kΩ的電阻，分別測量3個加速度計的溫度、3個陀螺的溫度、I/F板的環境溫度以及IMU結構體的內部溫度，從而形成分布式網絡點測試結構。其主要基于Xilinx ISE軟件開發環境利用VHDL語言對其內部邏輯進行編程，從而實時監測各個慣性器件和IMU內部數據采集系統各部分的溫度。其程序設計流程如圖4所示。

3.3 數據通信電路設計

數據通信部分主要包括時間同步模塊和數據輸出模塊。數據輸出模塊主要是將陀螺數據、加速度計數據和多路溫度數據打包發送給上位機。而時間同步模塊要是完成IMU與GPS的時間同步，利用GPS的PPS秒脈沖作為時鐘基準輸入給IMU，同時利用IMU輸出的IPS作為同步脈沖輸出，保證二者輸出數據的同步性。二者的數據通信電路以RS 422接口形式提供，將采集的陀螺和加速度計的數據以及溫度數據以ASCII碼的形式通過串行接口發送給上位機，上位機利用設計的數據采集軟件實現數據的接收、解碼和儲存等相關處理，通信電路主要包括兩方面：波特率產生模塊和發送模塊。

波特率產生模塊：系統外接25 MHz的無源晶振，通過分頻產生同步422通信所需要的115 200 b/s的波特率。波特率的計算：[1115 200125×106=217]個系統時鐘周期，為得到50%的占空比的波特率時鐘，因為[2172]=108.5不是整數，因此使得計數器在計數到108時將輸出置高，之后在計數到216時將輸出置低并重新計數，就可實現所需的波特率的時鐘。

發送模塊：RS 422串口采用3.3 V的MAX3488芯片，發送模塊如圖5所示，其中PPS是由GPS輸入的秒脈沖，IPS則由IMU輸出，保持與GPS的時間同步。IMUorderin則是由上位機輸入的命令，同時通過IMUdataout輸出數據給上位機，從而完成數據的傳送接收。

4 系統實現

基于上述最小系統和外圍電路的設計，構建了輕小型式光纖IMU數據采集系統，應用于無人機電力巡檢系統中，圖6為其硬件實物圖，電源模塊板為整個系統提供電源，數據采集板和[IF]轉換板一起固定在結構體側面，三個軸向的光纖陀螺和加速度計的輸出以及溫度信號通過數據采集電路板進行采集，并通過RS 422接口發送給導航計算機，從而實現光纖陀螺IMU和溫度信息的采集。

5 結 語

研制無人機多傳感器集成的電力線路安全巡檢系統裝備，完成現場性能測試和適應性巡檢，對促進我國電網線路巡檢具有重要的意義。而光纖IMU數據采集系統是無人直升機電路巡檢裝備中必不可少的部分。本文從系統結構和硬件實現兩方面給予了分析設計，最終實現了穩定的光纖IMU數據采集系統，保證無人機電力巡檢中各傳感器的正常工作，促進我國電力巡檢事業的快速發展。

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