微小型無人機(jī)無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    微型無人偵察機(jī)的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)獲取與無線傳輸。國(guó)外對(duì)此問題早有研究，但由于技術(shù)的封鎖，目前可供借鑒的資料較少。例如美國(guó)研制的“黑寡婦”圖像無線傳輸系統(tǒng)，采用調(diào)頻體制，視頻發(fā)射器重1．4 g(占整機(jī)的12％)，有效傳輸距離1．5 km。美國(guó)桑德斯公司的MicroStar微型飛行器也配備有圖像無線傳輸系統(tǒng)，其中攜帶的偵察微型攝像機(jī)重4 g，每秒可拍攝30幀清晰的地面畫面。搭載的PRISM無線電通信信息傳送系統(tǒng)，重6g，有效傳輸范圍達(dá)到了5 km。國(guó)內(nèi)在該方面的研究起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，主要采用模擬傳輸方式，頻率使用率低，系統(tǒng)易受干擾。而研究較成熟的無人機(jī)載圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量指標(biāo)、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時(shí)，由于微小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對(duì)機(jī)載部分的功耗、重量、安裝尺寸等都提出了更為嚴(yán)格的要求。因此，開發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無線傳輸系統(tǒng)尤為重要。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無人偵察機(jī)的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無線數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好及傳輸可靠等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)原理
    微型無人機(jī)要求提供實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無線傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內(nèi)存以及無線網(wǎng)卡等組成。

    由于受微型無人機(jī)的載荷所限，該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機(jī)采集視頻信號(hào)，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉(zhuǎn)化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，且無線通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，因此需要對(duì)數(shù)字視頻圖像進(jìn)行編碼壓縮，在保證一定畫質(zhì)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量。壓縮工作通常可以選用軟件或?qū)Ｓ糜布硗瓿?。然而專用編碼壓縮軟件代碼規(guī)模較大，設(shè)備要求高，且機(jī)載微處理器功能有限，使其應(yīng)用受到限制。為保證系統(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專用編碼芯片對(duì)采集后得到的數(shù)字圖像進(jìn)行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調(diào)度管理，同時(shí)，微處理器通過RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機(jī)鏡頭的控制信號(hào)，如變倍、變焦等。機(jī)載云臺(tái)也通過RS485獲得用戶的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，并通過水平和垂直方向的位置改變來響應(yīng)用戶的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開發(fā)后，為系統(tǒng)加入了基于開放的802．11協(xié)議的無線加密傳輸模塊，為系統(tǒng)的安全工作帶來保證，避免了無線視頻系統(tǒng)的安全漏洞。

2 硬件設(shè)計(jì)
    微型無人機(jī)視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊2個(gè)子系統(tǒng)，是整個(gè)微型無人機(jī)視頻系統(tǒng)中的核心部分。
    本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價(jià)格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統(tǒng)添加額外的濾波器。同時(shí)，ADV7180還提供了DNR／CTI的影像強(qiáng)化輸出調(diào)整，ADLLT更獨(dú)步全球提供給系統(tǒng)在弱信號(hào)的處理上強(qiáng)有力的支持，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn)。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡(jiǎn)化，只需設(shè)定少數(shù)的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無需為影像編碼器設(shè)定繁瑣復(fù)雜的程序。
    視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸所設(shè)計(jì)的MPEG-4專屬芯片。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP幀比率與動(dòng)態(tài)調(diào)整質(zhì)量，是特殊場(chǎng)合監(jiān)控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存要求。[!--empirenews.page--]

    主控芯片選取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微處理器，見圖3。它使用．ARM 922 T核，工作頻率高達(dá)200 MHz，內(nèi)部帶有存儲(chǔ)器管理單元(MMU)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，是視頻采集和處理模塊的核心，可達(dá)到D1分辨率實(shí)時(shí)編碼壓縮的效能。
    無線傳輸模塊采用Ralink公司提供的RT2561芯片方案的無線網(wǎng)卡，符合IEEE 802．11b／g／n標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率高達(dá)128 Mb／s(自適應(yīng))。支持標(biāo)準(zhǔn)32位Mini-PCI接口；具有MIMO天線技術(shù)，使傳輸更穩(wěn)定距離更廣；支持Windows／Linux／WinCE等操作系統(tǒng)；工作頻率范圍為2．412～2．484 GHz；傳輸功率為18 dBm(典型值)。MCU4010和MCP440A如圖4所示，RT2561如圖5所示。

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    地面站采用便攜式設(shè)計(jì)，主要用來接收無人機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送回的視頻信號(hào)，并將其顯示出來，包括接收天線、筆記本計(jì)算機(jī)或PDA。該系統(tǒng)采用的接收天線為TDJ-2400BKC-Y室外板狀定向天線，其具有增益高、前后輻射比大、三維尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是一種高質(zhì)量的室外通信天線，非常符合無人機(jī)在野外條件下的戰(zhàn)術(shù)需求。其頻率范圍為2 400～2 483 MHz，增益為10 dBi，水平面波瓣寬度為110°。

3 軟件設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)采用基于Web服務(wù)器的B／S(Browser／Server)服務(wù)機(jī)制，B／S服務(wù)機(jī)制是隨著Internet技術(shù)的興起，對(duì)C／S(Client／Server)服務(wù)機(jī)制的改進(jìn)，由于其先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)、優(yōu)越的可管理性和可維護(hù)性及簡(jiǎn)單方便的應(yīng)用模式，正成為視頻監(jiān)控系統(tǒng)最流行的應(yīng)用方式。它能將地面站的視頻偵察系統(tǒng)控制、偵察視頻瀏覽、開關(guān)量的控制、攝像云臺(tái)控制等在IE瀏覽器中予以實(shí)現(xiàn)，不用另行安裝軟件，使視頻偵察系統(tǒng)的操作、配制簡(jiǎn)單化，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)性，客戶端在普通PC機(jī)、PDA等操作系統(tǒng)上均能運(yùn)行，非常適合戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)的野外作業(yè)。下面分別介紹本系統(tǒng)服務(wù)器端和客戶端的主要功能：
    (1)服務(wù)器端主要功能：響應(yīng)Web連接服務(wù)，采集視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。
    (2)機(jī)載微處理器作為服務(wù)器，響應(yīng)客戶端的連接請(qǐng)求，并提供ActiveX控件的下載，利用Linux視頻子系統(tǒng)提供的API函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集代碼，接收MPG-440A傳送的MPEG-4格式二進(jìn)制視頻數(shù)據(jù)。將接收到的數(shù)據(jù)整理后，通過Socket通訊以組播方式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到瀏覽器客戶端。
    (3)客戶端部分的主要功能：連接機(jī)載Web服務(wù)器并下載ActiveX控件。
    (4)為了減輕視頻服務(wù)器客戶端操作的負(fù)擔(dān)，提高軟件升級(jí)和維護(hù)的方便性，設(shè)計(jì)中將地面站的視頻圖像接收和視頻圖像顯示部分封裝在ActiveX控件中，在運(yùn)行Linux的ARM串臺(tái)上移植嵌入式Web服務(wù)器Boa，響應(yīng)地面站的連接請(qǐng)求，并將ActiveX控件嵌入到網(wǎng)頁(yè)中發(fā)布。地面站通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器時(shí)，ActiveX控件就會(huì)經(jīng)過網(wǎng)頁(yè)傳輸?shù)娇蛻舳瞬⒆詣?dòng)下載安裝。一旦視頻偵察系統(tǒng)服務(wù)器端部分和ActiveX控件建立通信，就可通過Socket進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的組播傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 飛行實(shí)驗(yàn)
    該系統(tǒng)在某戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)上進(jìn)行了搭載飛行試驗(yàn)，飛行高度約為200 m，攝像鏡頭的視角45°，平均飛行速度約為15 m／s。發(fā)射模塊將攝像頭拍攝到的數(shù)字視頻信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送回地面，通過瀏覽器顯示的視頻截圖如圖6所示。機(jī)載飛行試驗(yàn)表明，在3 km范圍內(nèi)，機(jī)載攝像與無線傳輸系統(tǒng)能較好地完成MAV攝像和傳輸任務(wù)，該系統(tǒng)尺寸小、重量輕、功耗低、工作穩(wěn)定，滿足MAV有效載荷的基本要求。但由于無人機(jī)本身的重量輕，慣性很小，在低速飛行狀態(tài)時(shí)，氣流擾動(dòng)和機(jī)體本身的振動(dòng)對(duì)攝像和傳輸?shù)馁|(zhì)量有影響，還需適當(dāng)采取減振措施，減少圖像在傳輸過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)。

5 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的基于ARM的嵌入式微小型無人機(jī)無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和Linux下的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)在MCU4010嵌入式微處理器的協(xié)調(diào)和調(diào)度下統(tǒng)一工作，采甩專用MPEG-4音視頻編碼芯片MPG-440A將采集生成的數(shù)字視頻予以編碼壓縮處理，穩(wěn)定可靠，成本低，采用B／S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以組播方式傳輸，節(jié)省系統(tǒng)資源，易于維護(hù)，升級(jí)方便，使用簡(jiǎn)單。通過機(jī)載實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)基本滿足微小型無人機(jī)的要求，能夠做到實(shí)時(shí)傳輸回無人機(jī)偵察范圍內(nèi)的視頻圖像。