基于FPGA的无人机光电吊舱控制系统设计与实现

摘要

随着经济的快速发展，高压架空输电线的距离和范围也不断的的增加，传统的巡检方式已经越来越不适合高压电力线路的巡检。近几年，随着无人机的快速发展，为电力巡检提供了一种新型的巡检方式：无人机巡检。无人机巡检是利用安装在无人机光电吊舱上的可见光、红外热像仪等光学设备获取电力线、杆塔、绝缘子等目标的图像信息，实现对电力线的遥测巡检。在无人机飞行过程中，光电稳定吊舱为光电成像设备提供一个稳定的工作环境，实现对运动目标的实时捕获、跟踪。目前某型号无人机巡线吊舱控制系统采用FPGA+DSP处理架构，完成吊舱的稳定控制和目标的跟踪控制，电路系统元件多，相对体积大，重量较重。为了进一步提升系统的性能与指标，本文对原系统进行了改进，采用以Kintex-7系列的单片FPGA作为控制系统的处理芯片，完成了跟踪算法的移植；系统配置了Microblaze软核处理器实现了图像跟踪算法。本改进进一步提高了系统的可靠性，减小了电路系统的重量和体积，满足了降低光电吊舱的载荷重量要求。
　　本文根据系统的要求和组成，划分功能模块，设计了总体架构，并以此框架完成了硬件电路设计；基于光电吊舱隔离载体角运动的工作原理，在对系统的电气模块功能分析的基础上，建立了光电吊舱稳定控制回路和光电吊舱跟踪控制回路的数学模型，并根据稳定精度和跟踪精度的要求，应用MATLAB中进行仿真验证，证明了模型的正确性。在此基础上，基于 VHDL语言完成了控制算法程序编写和调试；基于 C语言，在Microblaze中完成图像相关跟踪、质心跟踪、多模跟踪等跟踪算法设计和调试。试验结果表明，本文设计的基于FPGA光电巡线吊舱系统，能够实现平台的稳定和跟踪等功能，基本满足指标要求。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究的主要内容和章节安排

2光电吊舱系统总体方案设计

2.1 光电吊舱系统组成

2.2系统的主要技术指标

2.3系统的主要功能

2.4光电吊舱控制架构的设计

2.5光电吊舱控制系统的总体设计

2.6 系统主要器件的选型

2.7 本章小结

3控制系统硬件电路设计

3.1光电吊舱硬件电路总体设计

3.2图像采集与图像输出模块设计

3.3旋转变压器模块设计

3.4光电吊舱通信模块设计

3.5电流采样模块设计

3.6电机驱动模块的设计

3.7 PCB布局布线

3.8本章小结

4光电巡线吊舱的控制回路设计

4.1 两轴平台结构组成

4.2空间坐标系定义

4.3 隔离载体角运动原理

4.4光电吊舱控制系统的数学模型

4.5 MATLAB的控制回路设计与仿真

4.6本章小结

5光电吊舱控制系统的FPGA程序设计与实现

5.1 光电吊舱控制系统软件总体设计

5.2 SOPC开发流程

5.3 控制系统设计

5.4 PWM产生模块

5.5 图像的灰阶模式转换

5.6图像跟踪器的设计

5.7 跟踪算法流程

5.8本章小结

6 光电巡线吊舱控制系统的调试

6.1 光电巡线吊舱硬件电路单板调试

6.2 光电寻线吊舱的跟踪效果测试

6.3 本章小结

7总结与展望

7.1总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得成果

致谢