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        一種雙CPU主從式毫米波雷達(dá)系統(tǒng)

        2019-01-07 07:26:14,,
        關(guān)鍵詞:雙口障礙物雷達(dá)

        , , ,

        (1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 山東濟(jì)南 250003;2.國網(wǎng)山東省電力公司, 山東濟(jì)南 250001;3.山東魯能智能技術(shù)有限公司, 山東濟(jì)南 250101)

        0 引言

        我國國土遼闊,人口數(shù)量居世界首位,為了保障人民群眾的安全用電,電力設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。根據(jù)統(tǒng)計資料,2012年底,全國35 kV及以上輸電線路回路長度達(dá)到102.1×104km,居世界第一;2016年底,我國35 kV及以上輸電線路總里程達(dá)到175.6×104km,增幅達(dá)到72%。當(dāng)前,我國已經(jīng)成為世界電網(wǎng)發(fā)展的絕對引領(lǐng)者。電網(wǎng)規(guī)模增長與運檢人員配置的矛盾日益突出,如贛西供電公司輸電班組人均運維線路長度42.5 km,嚴(yán)格按照輸電線路狀態(tài)巡視周期要求,要完成巡視任務(wù),每個班組每個月平均耗時需28個工作日,狀態(tài)巡視難以按周期完成[1]。

        目前,國網(wǎng)公司正逐步采用無人機(jī)技術(shù)來提高架空輸電線路的運行效率和質(zhì)量,無人機(jī)已成為電網(wǎng)巡檢的重要技術(shù)手段。無人機(jī)作業(yè)的優(yōu)點是在無需拉閘斷電的情況下,即可對輸電線路進(jìn)行近距離檢測。與傳統(tǒng)人工巡線方式相比,該技術(shù)不僅能大幅度提高工作效率,有效保障巡線作業(yè)人員的人身安全,降低巡線成本,而且還能大大縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間[2]。據(jù)美國相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計,每10 000 h飛行任務(wù)中,經(jīng)常低空作業(yè)的直升機(jī)平均會發(fā)生10次事故,而高空飛行的固定翼飛機(jī)僅為大約0.3。飛控手在地面對無人機(jī)進(jìn)行遙控操作,僅僅通過飛控手肉眼觀察,很難從根本上解決無人機(jī)撞機(jī)電力線等障礙物。為了提高無人機(jī)的防撞性能,需要增強(qiáng)無人機(jī)感知障礙物與及時避讓障礙物的能力。

        電力巡檢無人機(jī)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,為避免無人機(jī)飛行中碰撞障礙物或線路,確保飛行安全,必須要考慮無人機(jī)自動檢測障礙物并避讓的技術(shù)[3]。目前,用于無人機(jī)避障的技術(shù)手段主要有光學(xué)探測器、紅外探測器、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)[4]。光學(xué)探測器基于視覺基礎(chǔ)探測目標(biāo),天氣因素對探測效果影響很大,環(huán)境光線過強(qiáng)會大大減弱光學(xué)傳感器的探測距離,霧天、霧霾天氣下由于空氣中漂浮微小顆粒物,會阻礙光線傳播,從而使光學(xué)傳感器性能大幅度降低。紅外探測器價格便宜,實現(xiàn)原理簡單,但測量距離近,方向性較差,并且容易受到太陽光的干擾。激光雷達(dá)測量的準(zhǔn)確性和測距的精度高,但雨霧天氣對它的測距會有影響,在沙塵天氣中無法使用。毫米波雷達(dá)成本低,測量距離比紅外探測器大,毫米波波長大于光波,可以繞過空氣中的霧粒,雖然精度略低于光學(xué)傳感器,但能滿足無人機(jī)的避障精度要求,是唯一一種可滿足無人機(jī)全天候工作要求的避障傳感器。

        1 毫米波雷達(dá)測距原理

        毫米波雷達(dá)測距可分為發(fā)射、接收、處理三部分。連續(xù)調(diào)頻毫米波信號通過發(fā)射天線發(fā)出,電磁波遇到障礙物以后會反射回來,之后被雷達(dá)接收天線接收,雷達(dá)接收機(jī)把接收到的回波信號和參考信號混頻,從而得到一個差頻信號,把差頻信號進(jìn)行放大、濾波等處理后,通過采樣變?yōu)閿?shù)字基帶信號,把數(shù)字信號進(jìn)行FFT頻譜分析后,就可以提取出目標(biāo)的距離信息,如圖1所示。

        去斜率處理方法的原理如圖2所示,其基本原理是采用與發(fā)射信號相同的線性調(diào)頻信號作為本振信號,與目標(biāo)回波信號進(jìn)行差拍處理。毫米波在n個發(fā)射周期的發(fā)射信號復(fù)數(shù)形式可以表示為

        (1)

        t=0時,假設(shè)有一個距離為R的點目標(biāo)徑向速度為v,第n個調(diào)制周期的接收信號可以表示為

        (2)

        (3)

        (4)

        對差拍信號進(jìn)行傅里葉變換,得到其頻譜:

        (5)

        化簡后計算出正單邊譜:

        (6)

        (7)

        假設(shè)點目標(biāo)在靜止?fàn)顟B(tài)時的差頻信號表示為

        (8)

        式中,τ0=2R/c。差頻頻率為

        (9)

        由式(9)可得差頻頻率fb和距離R成正比關(guān)系[5],所以傅里葉變換后頻率為f1的譜線對應(yīng)的目標(biāo)距離為

        R1=f1cτ/2B

        (10)

        2 基于DSP28335/STM320F103的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計

        主處理器選擇TI公司設(shè)計的TMS320F28335,這是業(yè)界首款浮點數(shù)字信號控制器,具有150 MHz的高速處理能力,具備32 bit浮點處理器,6個DMA通道支持ADC,McBSP和EMIF,有多達(dá)18路的PWM輸出,其中6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)。系統(tǒng)采用主從設(shè)計,DSP28335與STM32F103通過雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,STM32F103在系統(tǒng)功能上負(fù)責(zé)控制毫米波雷達(dá)的發(fā)射、外接LCD顯示屏的顯示,以及對外通信接口的控制,可以通過通信指令對雷達(dá)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,外接顯示屏用于實時顯示與當(dāng)前參數(shù)查詢。DSP28335則充分節(jié)省資源,用于進(jìn)行回波信號的處理計算,最終獲得距離信息,之后將距離信息存儲于雙口RAM中,STM32F103通過雙口RAM獲得距離信息并用于LCD屏幕顯示與串口距離信息的發(fā)送。

        如圖3所示,在功能劃分上,DSP28335僅用于回波信號經(jīng)功率放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理,由于運算量較大,盡可能地節(jié)約DSP28335的片內(nèi)資源,障礙物的距離信息最終在DSP28335中運算獲得,之后通過操作地址總線與數(shù)據(jù)總線存儲于雙口RAM中。STM32F103相對于DSP28335運算能力較差,因此在該系統(tǒng)中分配為LCD顯示、串口通信、參數(shù)儲存、信號發(fā)射等對運算速度要求相對較低的功能。目標(biāo)的距離信息在DSP28335存儲到雙口RAM后,STM32F103可以實時獲取該輸入值,雙口RAM可供DSP28335與STM32F103同時讀寫,方便快捷。

        如圖4所示,STM32F103控制壓控振蕩器產(chǎn)生本振信號,之后經(jīng)過功分器、倍頻器產(chǎn)生兩路相同的發(fā)射波,其中一路作為本振信號用于接收電路比較,另一路則經(jīng)過功率放大通過發(fā)射天線發(fā)射。其中VCO選型芯片為TGV2240,經(jīng)測試該芯片在18.640~19.040 GHz之間線性度最高。倍頻器芯片選型為HMC579,該芯片是ADI公司研制的一款寬帶有源倍頻器,采用GaAs PHEMT技術(shù)。由3 dBm信號驅(qū)動時,該倍頻器提供13 dBm的典型輸出功率,在32~46 GHz的頻率下工作。功率放大器選擇TriQuint公司的TGA4522芯片,這是一款性能優(yōu)良的商用MMIC放大芯片,采用0.15 μm pHEMT技術(shù)工藝,能在33~47 GHz頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)15 dB以上的增益。

        圖5為毫米波雷達(dá)接收模塊的組成,其中低噪放大器管芯采用XL1000芯片,該芯片具有噪聲低、增益高的特點;混頻器選用Hittite公司的HMC329管芯,尺寸僅為0.85 mm×0.55 mm,是一款高性能寬帶雙平衡混頻管芯。

        3 程序處理

        該系統(tǒng)為雙CPU處理系統(tǒng),DSP28335與STM32F103均需一套程序獨立運行,二者的合理配合是整體系統(tǒng)性能優(yōu)秀的保障。程序處理流程如圖6所示。

        系統(tǒng)程序運行方式如圖6所示,系統(tǒng)上電以后,兩個CPU系統(tǒng)進(jìn)行初始化,STM32系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)取,并進(jìn)行相應(yīng)配置,隨時監(jiān)控是否有外部數(shù)據(jù)請求,并負(fù)責(zé)發(fā)射毫米波信號。同時,以DSP28335為主的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行毫米波信號的接收處理,最終計算出距離信息存儲于雙口RAM中,供STM32進(jìn)行調(diào)取。

        4 結(jié)束語

        由電力線所引起的無人直升機(jī)事故頻頻發(fā)生, 因而確保無人機(jī)飛行安全一個很重要的方面就是對電力線的檢測[6],無人機(jī)避障技術(shù)的應(yīng)用是無人機(jī)安全巡檢輸電線路的保證。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)能滿足無人機(jī)避障全天候的工作要求,在成本和通用性上優(yōu)于其他避障技術(shù)。本文的創(chuàng)新點在于將調(diào)頻連續(xù)波應(yīng)用于無人機(jī)避障雷達(dá),并通過雙CPU主從搭配架構(gòu)設(shè)計,主CPU最大程度保證回波信號的運算處理,從CPU負(fù)責(zé)人機(jī)交互與上位機(jī)通信,并可通過從機(jī)設(shè)置報警上限及其他系統(tǒng)參數(shù),主從CPU通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,最大程度保證數(shù)據(jù)利用效率。

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