警用旋翼機(jī)數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 警用旋翼機(jī)系統(tǒng)以小型無人旋翼機(jī)為工作平臺(tái)，主要應(yīng)用于執(zhí)勤和處突現(xiàn)場(chǎng)的偵察和監(jiān)視。其中數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)包括旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)、視頻信息采集處理和傳輸子系統(tǒng)。給出了旋翼機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和視頻采集、處理模塊的數(shù)據(jù)接口圖。視頻采集和處理模塊中，分別選用SAA7111A為視頻采集芯片和Hi3510為視頻處理、壓縮芯片，通過高帶寬的WIMAX模塊進(jìn)行無線傳輸。滿足圖像處理的高壓縮比和低失真要求。
關(guān)鍵詞 旋翼機(jī)；視頻處理；無線數(shù)據(jù)傳輸

    旋翼機(jī)是一種介于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的飛行器。早在上世紀(jì)二三十年代就開始研制，它產(chǎn)生時(shí)間比直升機(jī)早，由于軍方不重視、駕駛員操作不當(dāng)、經(jīng)常引起飛行事故等原因，使得旋翼機(jī)的研制一度陷入低谷。近年來，由于其自身一系列優(yōu)點(diǎn)，旋翼機(jī)又成為國內(nèi)外的研制熱點(diǎn)。
    設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)以旋翼機(jī)為飛行平臺(tái)，根據(jù)任務(wù)需求，搭載了CCD高分辨率攝像機(jī)，從控制邏輯上分為旋翼機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)和視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)兩部分，設(shè)計(jì)上是統(tǒng)一的整體。

1 旋翼機(jī)平臺(tái)簡(jiǎn)介
    旋翼機(jī)平臺(tái)由最基本的機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)、尾面和起落架構(gòu)成，其中動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)或電源、旋翼系統(tǒng)和螺旋槳組成。旋翼機(jī)與直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的最大區(qū)別就在于動(dòng)力系統(tǒng)的不同。
    旋翼機(jī)的前行動(dòng)力是由螺旋槳產(chǎn)生的推／拉或其它類似于這種推／拉力的供能方式提供，升力是由前方氣流吹動(dòng)旋翼自轉(zhuǎn)提供。同時(shí)，由于旋翼采用自轉(zhuǎn)的方式，不需要像直升機(jī)一樣用尾槳抵消旋翼產(chǎn)生的扭力，結(jié)構(gòu)比直升機(jī)簡(jiǎn)單很多，其氣動(dòng)效率也比直升機(jī)高，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高；操作、維護(hù)方便；起降距離短，不需要專門機(jī)場(chǎng)；可靠性高等特點(diǎn)曾一度被稱為“最安全的飛行器”。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，優(yōu)良的任務(wù)平臺(tái)才能確保各種任務(wù)載荷正常工作。旋翼機(jī)平臺(tái)控制部分按完成功能的不同可以劃分為數(shù)傳電臺(tái)、獲取平臺(tái)狀態(tài)信息傳感器部分、平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電源模塊?？刂谱酉到y(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    獲取平臺(tái)狀態(tài)信息的傳感器有角速度陀螺儀、氣壓高度計(jì)、加速度計(jì)、數(shù)字羅盤、GPS導(dǎo)航模塊。其中，角速度陀螺儀、氣壓高度計(jì)和加速度計(jì)采集模擬信號(hào)，需經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至平臺(tái)控制單片機(jī)，數(shù)字羅盤和GPS導(dǎo)航模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)直接傳輸至單片機(jī)。
    平臺(tái)控制單片機(jī)是控制子系統(tǒng)的核心計(jì)算部件，它在每個(gè)控制周期內(nèi)利用PID控制算法，實(shí)時(shí)處理采集的傳感器數(shù)據(jù)，將得到的旋翼機(jī)平臺(tái)姿態(tài)和位置信息，通過數(shù)傳電臺(tái)傳輸至地面指揮、遙控中心。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際計(jì)算出的控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持平臺(tái)穩(wěn)定飛行。
2．2 視頻采集與處理電路設(shè)計(jì)
    視頻采集與處理模塊關(guān)鍵芯片的選取主要考慮3個(gè)因素：
    (1)旋翼機(jī)上CCD攝像機(jī)在高空對(duì)地面物體進(jìn)行拍攝，要在遠(yuǎn)距離采集高質(zhì)量視頻信號(hào)，攝像機(jī)必須具備良好聚焦和變倍性能。
    (2)結(jié)合圖像傳輸失真要求和無線傳輸帶寬實(shí)際情況，要選擇合適的視頻編碼壓縮算法和壓縮方式。
    (3)為方便搭建邏輯控制電路，選取系列化具有通用無縫接口的采集芯片和編碼壓縮芯片。[!--empirenews.page--]
    為滿足上述要求，選用sAA7111A為視頻采集芯片，Hi3510為視頻壓縮和控制芯片。
    SAA7111A采用總線控制，其中SCL為串行時(shí)鐘，SDA為串行數(shù)據(jù)信號(hào)。SAA7111A具有4路模擬輸入端AI11、AI12、AI21和AI22，從某輸入端輸入的視頻圖像信號(hào)經(jīng)模擬處理后，一路經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字亮度和色度信號(hào)，另一路通過緩沖器輸出到AOUT端用于監(jiān)視。在進(jìn)行亮度信號(hào)和色度信號(hào)處理后，亮度信號(hào)的其中一路將送到色度信號(hào)處理器進(jìn)行處理，產(chǎn)生的亮度信號(hào)(Y)和色差信號(hào)(UV)經(jīng)格式化后從16位的視頻輸出端口(VPO)輸出；另一路亮度信號(hào)則進(jìn)入同步分離器，并且通過數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生相應(yīng)的行同步信號(hào)(HS)和場(chǎng)同步信號(hào)(VS)。同時(shí)，PLL將驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，以產(chǎn)生HS鎖定的時(shí)鐘信號(hào)LLC和LL2。其內(nèi)部功能如圖2所示。

    Hi3510采用高壓縮比、低失真度的H．264編碼方式和BP H 264算法，具有ARM926KJ-S、DSP雙處理器內(nèi)核以及硬件加速引擎的多核高集成度的SoC構(gòu)架，視頻處理功能強(qiáng)大。具有獨(dú)立的16 kB指令Cache和16 kB數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)嵌16 kB指令緊耦合存儲(chǔ)器和8 kB數(shù)據(jù)緊耦合存儲(chǔ)器以及DSP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌32×16 MAC和Java硬件加速器，內(nèi)置MMU，支持多種開放式操作系統(tǒng)，最高工作主頻可達(dá)240 MI·s-1，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    在使用SAA7111A前必須先對(duì)Hi3510中DSP的I2C控制模塊進(jìn)行初始化，通過SAA7111A上的I2C總線接口引腳(SDA)和引腳(SCL)來設(shè)定SAA711 1A寄存器的工作參數(shù)。I2C模塊初始化結(jié)構(gòu)如下：
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    SAA7111A可采用外部和內(nèi)部?jī)煞N時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘輸入時(shí)，需要在XTAL和XTALI引腳間接入頻率為24．576 MHz的石英晶體振蕩器。采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，則在XTALI引腳接入24．576 MHz的時(shí)鐘信號(hào)。
    設(shè)置SAA7111A芯片工作時(shí)鐘為24．576 MHz，數(shù)據(jù)輸出格式為4：2：2，分辨率為720×576，幀頻為25 f·s-1。視頻采集芯片SAA7111A通電后，并不是立即采集模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，它必須由Hi3510通過I2C總線對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置后，才能正常工作。視頻采集芯片SAA7111A與Hi3510的接口連接框圖如圖4所示。

2．3 視頻采集與處理模塊設(shè)計(jì)
    為滿足全方位多角度信息采集需要，系統(tǒng)通過安裝直流型云臺(tái)控制攝像機(jī)工作，該類云臺(tái)大都采用直流步進(jìn)電機(jī)，具有轉(zhuǎn)速高和可變速的優(yōu)點(diǎn)，適合需要快速捕捉目標(biāo)的場(chǎng)合。視頻采集與處理模塊工作時(shí)，首先通過Hi3510芯片控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)區(qū)域，再由高精度CCD模擬攝像機(jī)將采集的模擬信號(hào)傳輸至采集芯片SAA7111A，由SAA7111A生成數(shù)字視頻，通過Hi3510視頻壓縮處理芯片轉(zhuǎn)化成為H．264格式的壓縮視頻碼流；其中一路視頻流被傳輸至機(jī)載存儲(chǔ)模塊，另一路傳輸至以太網(wǎng)通信模塊(RTL8201CP)，通過WiMAX終端的無線射頻模塊發(fā)送出去。視頻采集與處理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)的控制子系統(tǒng)傳輸通道較穩(wěn)定，在PPM遙控下旋翼機(jī)平臺(tái)基本能正常工作；SAA7111A視頻采集芯片能快速、實(shí)時(shí)地采集地面圖像信息，Hi3510處理芯片采用H．264編碼方式，滿足圖像處理的高壓縮比和低失真要求。