CN107783115A - 旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统 - Google Patents

Abstract

旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，属于雷达领域，用于实现旋翼无人机远距离复杂环境防撞，技术要点是：一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；所述天线分系统形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号。

Description

旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统

技术领域

本发明属于雷达领域，涉及一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统。

背景技术

近几年，随着技术的不断发展，民用小型旋翼无人机价格越来越低，被广泛用于航拍、电影拍摄、农药喷洒、现场救援、大地遥感测绘、高压线电网巡视等领域。但是因为旋翼无人机低空飞行时易发生与障碍物之间的碰撞，导致旋翼无人机的损坏。目前威胁旋翼无人机室外低空飞行安全的物体主要有树木等自然物体以及电力线、电线杆、建筑物等人造物体。

无人机发展多年，早就能透过GPS判定无人机在平面上的位置，藉此进行定点悬停。但是，如何让无人机感知距离，回避障碍，一直都是个很大的难题。

最早的测距方式其实有点像倒车雷达，透过类似蝙蝠的“听觉”，向测距对像射出电波，感知反射后判定物件的方向和位置。法国无人机公司Parrot旗下的AR.Drone无人机，最早就透过超声波方式往下方测距，让无人机能固定在同一高度上飞行；而零度无人机的探索者第二代(XIROXplorer2)则采用特殊红外线方式360度测距，藉此回避障碍物。然而，雷达式测距的最大限制是：它需要先发射电波，然后侦察电波反射；在续航力和电波发射功率的限制下，很难进行长距离的测距：例如ParrotBebopDrone的超声波定高，最高距离只有8米，而零度探索者2的最大回避半径，则只有6米。大疆Phantom4或是YuneecTyphoonH透过双目感应器，只要在光线良好的环境下，它的自动避障距离比超声波雷达式避障要远得多：大疆的双目感应器可以判断最远约15米的障碍，比ParrotBebopDrone远了接近一倍。但是采用视觉实现避障，环境变化会对其避障功能产生巨大的影响，大大影响其避障功能。

发明内容

本发明提供了一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，目的在于得到一种雷达系统，以实现旋翼无人机远距离复杂环境防撞。

本发明采用如下技术方案：

一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；

所述天线分系统形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号；

所述射频分系统，产生发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，实现输出线性调频连续波；

所述信号调理分系统，对中频模拟信号的滤波和幅值放大；

所述信号处理分系统，使信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到AD采集通道中，并进行信号处理且输出。

进一步的，所述天线分系统包括发射天线和接收天线，所述接收天线是由三行接收天线通过背面馈电网络组成的两个接收天线，使用微带矩形贴片形成组阵；所述发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。

进一步的，所述信号处理分系统，包括ARM芯片、电源模块、串口模块和CAN模块，所述AMR芯片将信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到ARM芯片自带的四路AD采集通道中，由ARM芯片进行信号处理，通过串口模块和/或CAN模块输出。

进一步的，天线分系统包括发射天线和接收天线，所述射频分系统包括压控振荡器和混频器，所述信号处理分系统包括信号调理电路和PLL锁相环，所述信号处理分系统包括A/D转换器和ARM芯片，ARM芯片的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM芯片的另一端。

有益效果：本发明提供了一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，以实现旋翼无人机远距离复杂环境防撞。

附图说明

图1无人机防撞毫米波雷达系统工作框图；

图2信号调理分系统整体设计框图；

图3无人机防撞雷达信号处理分系统硬件整体设计框图。

具体实施方式

实施例1：本实施例主要介绍的是采用毫米波雷达实现无人机的避障功能。毫米波雷达与其他的探测方式相比，主要有探测性能稳定、环境适应良好、尺寸小、价格低，可以在相对恶劣的雨雪天气使用等优点。

针对旋翼无人机外场飞行过程中对其飞行环境感知能力的不足，尤其是对复杂环境中障碍物的避障能力不足或是缺乏，或是避障时间过短导致无法及时躲避障碍物，从而导致的旋翼无人机碰撞，造成无人机损坏等现象，本实施例提供了一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，通过对无人机飞行前方环境中雷达检测范围内多个障碍物，包括静止目标以及动态目标，可以得到无人机之间的相对距离、相对速度以及方位角的解算。如果一定时间内对目标障碍物的位置进行实时计算，就可以得到动目标障碍物的轨迹以及航迹从而可以判定目标的绝对速度和运动方向，可以对动目标未来的位置进行预测以及跟踪，或是静止目标的实时空间位置的跟踪，根据无人机的飞行速度，提前做好避障路径的规划。

旋翼无人机远距离避障毫米波雷达的实现原理主要是通过天线向无人机飞行的前方一定波束空间辐射电磁能量，使其在空中传播，其中部分辐射能量被离无人机雷达某个距离上的反射障碍物目标所截获，障碍物目标将截获的能量重新辐射到许多方向上，其中一部分重新辐射的能量返回到无人机雷达天线上，被雷达天线所接收。前方障碍物的相关信息经过接收机放大和合适的信号处理后，在接收机输出端做出目标回波信号是否存在的判决，此时，目标的位置和其他可能有关目标的信息就得到了，例如相对速度以及方位角等信息。本实施例主要是针对人，树、墙、网以及高压线等无人机飞行前方存在的危险碰撞目标进行避障。

本实施例所设计的毫米波雷达的工作频率在24GHz或77GHz，采用FMCW连续波体制，采用线性调频其距离分辨率高。波形可以采用线性调频三角波FMCW、锯齿波以及恒频波或是这几种波形的组合波形。采用单一的三角波发射波形，可以对目标进行距离以及速度方位角的检测、锯齿波主要是对目标距离以及方位角的检测，恒频波是对目标速度以及方位角的解算，同时由这几种波形组合而成的波形，可以实现多目标距离、速度以及方位角的解算，虚警率更低等特点，可以根据不同的应用场景选择发射波形，从而达到不同的应用领域。

本实施例设计的旋翼无人机的最大飞行速度为40km/h，无人机防撞的雷达最大测距为60m，比目前市面上的无人机防撞距离高出很多倍。

无人机防撞毫米波雷达系统的工作原理是利用发射信号和回波信号之间的频率差来确定被测目标的距离、速度。该系统一般由调制信号发生器、压控振荡器(VCO)、发射器、接收器、混频器及信号处理模块、数字信号处理模块等组成。其组成框图如图1所示。

如图1所示，本实施例把旋翼无人机远距离复杂环境防撞系统主要分为天线分系统，射频分系统，信号调理分系统、信号处理分系统以及报警控制系统等。

本实施例给出无人机防撞毫米波雷达的基本工作原理为：

1、通过ARM芯片通过控制PLL锁相环来发射线性调频三角波，即输出具有一定幅值和频率的调制信号(本实施例为线性调频连续三角波)，采用锁相环可以是发射波形数据更精准，从而提高系统的性能.

2、压控振荡器VCO在PLL锁相环的作用下产生一定范围内的发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，从而实现线性调频连续波FMCW的工作模式。

3、发射信号一路通过发射器辐射到无人机飞行前方的空间中，另一路则与反射回来的回波信号进行混频。回波信号与之前的发射信号相比，其频率已经发生变化，经混频器之后得到的信号就是差频信号。

4、无人机飞行前方目标信息就包含在此差频信号中。通过将差频信号经过信号调理即信号放大滤波后输入到ARM芯片进行AD采样。

5、在ARM芯片中将采样后的两路IQ数据进行数字信号处理。数字信号处理主要包括FFT时频变化，CFAR门限检测以及距离、速度解耦计算、方位角的计算，对于一些场合可能需要进行动目标显示(MTI)技术和动目标检测(MTD)技术等。

6、然后经过一定的信号处理得到目标的距离、速度、角度等相关信息，通过CAN或是其他通信方式接入到无人机主控制器中或是输出通过无线传输方式传回到上位机或是手机等终端进行实时显示。

7、通过对无人机前方危险障碍物距离、速度以及方位的计算，无人机主控制器根据对前方目标实时更新的数据信息进行数据处理，主要包括滤波预测等处理，可以采用卡尔曼滤波以及预测等方法进行，通过滤波以及预测算法对其前方障碍目标可以做到实时检测以及跟踪，通过判断前方目标距离以及速度方位角，结合无人机自身的飞行速度，提前规划好避障策略，从而使得无人机完成整个避障过程。

下面根据各个分系统，详细介绍分系统的主要功能和设计方法。

天线分系统主要任务是形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号。本实施例所设计的天线阵包括一个发射天线、两行接收天线单元，采用微带矩形贴片形式组阵收发天线均通过过孔与背面微波电路连接。该天线发射波束可以根据应用场景进行设计，可选择水平方向采用比相法或是比幅发法进行测角或是俯仰方向测角。本实施例选择微带天线主要是由于，微带天线具有以下优点：体积小、重量轻、低剖面、低成本，并且除了在馈电点处要开出引线外，不破坏载体的机械机械结构；性能多样化，设计的微带元最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整，实现多种几何方式；能与有源器件、电路集成为统一的组件，适合大规模生产，简化整机的制作和调试，大大降低成本。

射频分系统的设计方法主要是根据无人机防撞毫米波雷达的应用场景和功能需求进行设计，主要完成任务是压控振荡器VCO在PLL锁相环的作用下产生一定范围内的发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，从而实现线性调频连续波工作模式。射频分系统射频前端主要由收发集成芯片BGT24MTR12与锁相环ADF4158两个部分组成。其中英飞凌雷达芯片BGT24MTR12是英飞凌公司专门为24G汽车雷达定制，里面集成了包括VCO，PA，LNA，MIXER等发射和接收通道的所有射频模块，该芯片体积小，价格低，性能稳定；ADF4158为ADI公司推出的业界唯一的汽车雷达应用的PLL，其功能多样，使用方便可靠。工作时，由ADF4158产生所需发射波形(一般为三角波，锯齿波及其组合)，然后驱动雷达芯片VCO调谐管脚，VCO根据调谐管脚电压产生对应射频信号，其中一路射频信号经过PA放大送到发射天线，另外一路经过分频器6分频，送到ADF4158输入进行锁定。发射信号遇到目标反射，回波经过接收天线送到低噪放大器LNA，LNA将信号放大后经过混频器MIXER下变频至中频模拟信号输出。使用ADF4158进行锁定的目的是为了使VCO输出频率更加稳定。

信号调理分系统主要是实现中频模拟信号的滤波和幅值放大等功能，包含信号放大和滤波两部分。具体设计方法可以参考图2，所示。

信号处理分系统硬件部分采用单ARM处理结构；主要电路包括ARM处理模块、电源模块、串口模块和CAN模块。

ARM处理模块主要是将信号调理电路输出的四路I/Q中频信号线通过信号调理模块，进入到ARM自带的四路AD采集通道。经过一定的信号处理后通过串口或CAN口输出结果。串口和CAN口根据不同场景可以进行选择。

电源模块提供整个信号处理模块的电压。并且提供给射频前端模块和信号调理模块5V和3.3V电压。电源输入采用宽范围输入电压，兼容12V和24V。

无人机防撞雷达基带信号处理模块整体设计框图如图3：

信号处理分系统软件部分主要进行控制射频前端锁相环PLL发射波形和对回波信号进行接收、解算并输出测量结果。

报警控制分系统主要是通过对信号处理分系统所获得无人机前方危险障碍物距离、速度以及方位的进一步计算，实现无人机主控制器根据对前方目标实时更新的距离、速度、角度等数据信息，进行滤波预测等处理，控制器根据计算的出的数据，结合无人机自身飞行状态，包括飞行速度等，提前做出报警以及控制决策，从而使得无人机可以在复杂环境中自主完成避障过程。

以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造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创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，包括天线分系统、射频分系统、信号调理分系统、信号处理分系统；

所述天线分系统形成雷达探测所需的发射和接收波束，并将发射信号向指定区域辐射，并接收指定区域内的目标散射回波信号；

所述射频分系统，产生发射信号且发射信号的频率按照调制信号的规律进行变化，实现输出线性调频连续波；

所述信号调理分系统，对中频模拟信号的滤波和幅值放大；

所述信号处理分系统，使信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到AD采集通道中，并进行信号处理且输出。

2.如权利要求1所述的旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，所述天线分系统包括发射天线和接收天线，所述接收天线是由三行接收天线通过背面馈电网络组成的两个接收天线，使用微带矩形贴片形成组阵；所述发射天线、接收天线通过过孔与背面微波电路连接。

3.如权利要求1所述的旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，所述信号处理分系统，包括ARM芯片、电源模块、串口模块和CAN模块，所述AMR芯片将信号调理分系统输出的四路I/Q中频信号，采集到ARM芯片自带的四路AD采集通道中，由ARM芯片进行信号处理，通过串口模块和/或CAN模块输出。

4.如权利要求1所述的旋翼无人机远距离复杂环境防撞毫米波雷达系统，其特征在于，天线分系统包括发射天线和接收天线，所述射频分系统包括压控振荡器和混频器，所述信号处理分系统包括信号调理电路和PLL锁相环，所述信号处理分系统包括A/D转换器和ARM芯片，ARM芯片的一端连接于信号发生器，信号发生器连接于压控振荡器，压控振动器分别连接于发射器和混频器的第一端，混频器的第二端连接接收器，混频器的第三端连接信号调理电路，信号调理电路连接A/D转换器，A/D转换器连接ARM芯片的另一端。