一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统技术方案

一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，包括信号输入模块、信号采集与预处理模块、数据通信接口模块；信号输入模块包括3路加速度计脉冲信号、3路陀螺脉冲信号和3路数字温度信号，通过光耦电路隔离发送给FPGA。信号采集与预处理模块由FPGA芯片及其外围配置电路实现，并行接收陀螺、加速度计和温度脉冲信号，完成数据的平滑和预处理。数据通信模块通过串口RS422实现与上位机的通信，其一方面将数据打包发送给上位机进行解算或存储。另一方面实现IMU与GPS的时间同步，保证数据的可靠性。本发明专利技术实现了一种轻小型，通用型，高可靠性的数据采集系统，对实现基于无人机的电力线路巡检系统的集成研发具有重要的实践意义。

【技术实现步骤摘要】
一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统
本专利技术涉及一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，可用于设计出体积小、重量小、较长寿命和高可靠性的惯性测量单元，适用于航空遥感领域，实现高分辨率实时对地观测成像。
技术介绍
我国电网现行高压输电线路运维模式和巡检方式是通过维护人员依靠地面交通工具或徒步行走、利用手持仪器或肉眼来巡查设施处理缺陷的，已不能适应现代化电网的发展和安全运行需要。针对这种高压电力线路日常安全维护和应急处置等业务需求，我国开展了复杂地形条件下超视距无人直升机电力线路安全巡检系统关键技术的研究。而小型高精度惯性测量单元(IMU)，和光学、激光雷达等任务载荷固联在一起，用于直接敏感遥感载荷的运动信息，并通过导航计算机的解算从而得到载体的位置、速度和姿态等全部运动参数。无人机电力巡检系统采用国内先进成熟的z5直升机系统，其承载的整个吊舱重量45Kg,而飞行平台对于负载的多传感器系统总重量要求小于25Kg，整体结构尺寸小于40cm×40cm×60cm。多传感器系统主要包括POS系统和遥感载荷。POS系统则通过自行研制，为载荷提供位置、速度、姿态等信息。而遥感载荷主要包含10Kg的激光扫描仪，1.5Kg的紫外扫描仪，0.5Kg的红外摄像仪，1.5Kg×2＝3Kg的CCD数码相机及5Kg的集成载荷辅助安装组件。激光扫描仪获得激光点云数据，可自动识别电力线测定安全距离对危险地物进行预警；紫外摄像仪获得紫外视频和影像，实现电力导线外伤探测，绝缘缺陷检测；红外摄像仪获得红外视频及影像，探测电力线由于电流过热导致的故障；CCD相机获得高分辨率航空影像，通过二维图像对电力线路及电力走廊浏览、查看等。为实现无人机电力巡检的任务需求，这些载荷是系统中不可或缺的重要组成部分。因此为达到多传感器重量小于25Kg，功耗体积等指标要求，需优化POS系统，要求POS系统中的IMU重4.5Kg，功耗小于35W，其中陀螺仪、加速度计和I/F转换电路模块选用的都是配套成品，功耗稳定，重量体积固定，因此需在保持数据采集板功能的基础上，优化其体积重量，降低其功耗。同时，基于POS数据的定位测量精度要求达到3～5m，由此对于光纤IMU数据采集系统提出了重量体积小、精度高、功耗低，可靠性高的要求。目前，国内外采用的IMU主要分为挠性、光纤、和激光三种，根据无人机电力线路安全巡检飞行环境的特殊性，即无人机电力安全巡检主要是针对平地以及复杂地形条件下的高压、特高压电力线路日常安全维护和应急处理，其相对高度变化在300～500米之间，温度梯度和温度变化速率比较小。而对于国内采用的陀螺IMU，其中挠性陀螺IMU体积重量最小，使用环境温度动态范围较小，在-30～+60之间，但其随机漂移较为严重，且对飞行环境的振动干扰最敏感，容易产生误差，测量精度较低，难以达到无人机电力巡检的高精度要求；而目前国内针对航空遥感应用较多的是激光陀螺，激光陀螺IMU的各项测量精度高，但其重量体积大，根据我国当前的激光陀螺技术，难以设计实现符合无人机电力巡检系统所要求的轻小型陀螺IMU；而光纤陀螺IMU虽然受环境温度影响较大，但是考虑无人机巡线的高度变化范围在300～500米之间，其温度梯度变化和温度速率变化都很小，因此对光纤IMU影响不大。同时，其重量体积相对于激光IMU较小，而测量精度相对于挠性IMU较高，符合无人机电力巡检的重量体积小、精度高、抗干扰能力强等要求。由此，选择光纤IMU作为其惯性测量单元。而目前使用的光纤IMU的数据采集系统，也是主要由信号输入模块、数据采集模块和数据通信模块三部分组成，但在其数据采集模块中对加速度计的温度采集直接采用其内置的模拟温度传感器AD590进行采集，需要配置运放电路和A/D转换电路，将其转换为数字脉冲信号在发送给FPGA。同时，数据通信模块中串口通信采用5V的串口芯片，而FPGA的电压为3.3V，需要额外增加5V到3.3V的电平转换电路。由此导致了数据采集板的面积为102mm×74mm，面积过大制约了IMU结构体的设计，也增加了其重量。同时，采集板过多的配置芯片和电路，增大了其功耗和重量，导致电磁干扰的机率大，可靠性降低。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，在降低重量，缩小体积的同时，保证通用性同时提高其可靠性，实现数字温度信号的采集。本专利技术的技术解决方案是：一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块1、信号采集与预处理模块2、数据通信模块3；信号输入模块包括由石英挠性加速度计输出的X、Y、Z轴向的3路加速度计脉冲信号4和由高精度光纤陀螺仪(即偏置漂移可达0.01°/h)输出的X、Y、Z轴向的3路陀螺脉冲信号5以及由数字温度传感器17分别采集输出的陀螺仪温度信号、加速度计温度信号和数据采集板温度信号共3路数字温度信号6，其中3路加速度计脉冲信号4和3路陀螺脉冲信号5通过光耦隔离电路7隔离发送给数据采集与预处理模块2，3路数字温度信号6则利用三条单线分别串联多个数字温度传感器形成分布式网络点测试，直接读取每一条单线上的环境温度信息，并通过3路并行温度采集通道发送给数据采集与预处理模块2，数据采集与预处理模块2对这些信息进行平滑与预处理之后，将其发送给数据通信模块3，数据通信模块3则利用串口将IMU通过惯性器件采集到的角速度和加速度原始脉冲数据和数字温度数据打包输出给上位机16，同时接收GPS18发出的PPS秒脉冲并输出时间同步IPS脉冲给上位机16，保证数据采集系统与上位机16时间上的同步。所述的信号采集与预处理模块2包括FPGA芯片8、配置芯片9、电源转换模块11、电源模块12、时钟电路10。其中FPGA芯片8完成3路陀螺脉冲信号5、3路加速度计脉冲信号4和3路数字温度信号6的采集与预处理并将数据发送给上位机16，配置芯片9为FPGA芯片8存储软件程序，电源模块12提供模拟5V和数字5V电源，电源转换模块11实现5V到1.2V、2.5V和3.3V的电压转换，分别为FPGA8、配置芯片9、时间同步模块13、数据输出模块15供电。时钟电路10提供独立的频率为25MHz的时钟信号。所述的数据通信模块3包括数据输出模块15、时间同步模块13和串口扩展模块14；数据输出模块15、时间同步模块13和串口扩展模块14均采用串口进行通信；数据输出模块15将FPGA芯片8采集到的陀螺和加速度计原始数据和温度数据，按照时间进行打包，通过串口输出至上位机16，同时FPGA芯片8通过时间同步模块13接收GPS18输出的PPS秒脉冲，在陀螺、加速度计和温度数据输出的时候输出一路同步信息IPS脉冲给上位机，实现IMU与GPS18的时间同步；串口扩展模块4引入3个串口芯片，扩展出12路输入输出，用于与上位机16的通信。本专利技术的原理是：利用光纤陀螺仪和石英加速度计分别敏感载荷的角速度信息和加速度信息，并以脉冲形式输出，利用数字温度传感器代替模拟温度传感器，敏感器件的环境温度并直接以数字形式输出，省去运放电路和A/D转换电路，在并将这些脉冲信号经光电耦合器隔离干扰后发送给FPGA.利用配置芯片为FPGA提供下载接口和存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块(1)、信号采集与预处理模块(2)、数据通信模块(3)；信号输入模块包括由石英挠性加速度计输出的X、Y、Z轴向的3路加速度计脉冲信号(4)和由高精度光纤陀螺仪输出的X、Y、Z轴向的3路陀螺脉冲信号(5)以及由数字温度传感器(17)分别采集输出的陀螺仪温度信号、加速度计温度信号和数据采集板温度信号共3路数字温度信号(6)，其中3路加速度计脉冲信号(4)和3路陀螺脉冲信号(5)通过光耦隔离电路(7)隔离发送给数据采集与预处理模块(2)，3路数字温度信号(6)则利用三条单线分别串联多个数字温度传感器形成分布式网络点测试，直接读取每一条单线上的环境温度信息，并通过3路并行温度采集通道发送给数据采集与预处理模块(2)，数据采集与预处理模块(2)对这些信息进行平滑与预处理之后，将其发送给数据通信模块(3)，数据通信模块(3)则利用串口将IMU通过惯性器件采集到的角速度和加速度原始脉冲数据和数字温度数据打包输出给上位机(16)，同时接收GPS(18)发出的PPS秒脉冲并输出时间同步IPS脉冲给上位机(16)，保证数据采集系统与上位机(16)时间上的同步。...

【技术特征摘要】
1.一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：包括信号输入模块(1)、信号采集与预处理模块(2)、数据通信模块(3)；信号输入模块包括由石英挠性加速度计输出的X、Y、Z轴向的3路加速度计脉冲信号(4)和由高精度光纤陀螺仪输出的X、Y、Z轴向的3路陀螺脉冲信号(5)以及由数字温度传感器(17)分别采集输出的陀螺仪温度信号、加速度计温度信号和数据采集板温度信号共3路数字温度信号(6)，其中3路加速度计脉冲信号(4)和3路陀螺脉冲信号(5)通过光耦隔离电路(7)隔离发送给数据采集与预处理模块(2)，3路数字温度信号(6)则利用三条单线分别串联多个数字温度传感器形成分布式网络点测试，直接读取每一条单线上的环境温度信息，并通过3路并行温度采集通道发送给数据采集与预处理模块(2)，数据采集与预处理模块(2)对这些信息进行平滑与预处理之后，将其发送给数据通信模块(3)，数据通信模块(3)则利用串口将IMU通过惯性器件采集到的角速度和加速度原始脉冲数据和数字温度数据打包输出给上位机(16)，同时接收GPS(18)发出的PPS秒脉冲并输出时间同步IPS脉冲给上位机(16)，保证数据采集系统与上位机(16)时间上的同步。2.根据权利要求1所述的一种面向无人机电力巡检用的光纤IMU数据采集系统，其特征在于：所述的信号采集与预处理模块(2)包括FPGA芯片(8)、配置芯片...

【专利技术属性】
技术研发人员：李保文，
申请(专利权)人：李保文，
类型：发明
国别省市：陕西,61