無人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制系統(tǒng)設計

摘要：無人機相比較衛(wèi)星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點。為了滿足科學遙感實驗、完成遙感作業(yè)任務、協(xié)調無人機電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴展多路串口及USB接口以實現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設備的通信，同時設計了相機驅動模塊及三自由度步進電機驅動模塊。通過無人機航空遙感實驗證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實驗要求。
關鍵詞：無人機；遙感；AT89S52；姿態(tài)控制

0 引言
無人機技術作為人類早期航空的重要組成部分，已有一百多年的歷史，在軍事領域得到了廣泛的應用，主要西方國家都將其當作未來空軍最具優(yōu)勢和前景的發(fā)展方向。近年來，無人機的應用范圍已經(jīng)由最初的軍事領域拓展至民用領域和科研領域。我國無人機工業(yè)起步雖晚，但發(fā)展迅速．已步入世界前列?，F(xiàn)代社會中，遙感技術已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的重要手段。隨著信息科學與相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各國對遙感數(shù)據(jù)的需求急劇增長，然而對于許多發(fā)展中和不發(fā)達國家而言發(fā)展耗資巨大的航天遙感系統(tǒng)目前存在技術上和資金上的困難。將無人機作為航空攝影和對地觀測的遙感平臺為解決這種困難提供了一種新的技術途徑，為遙感應用注入了新鮮血液。
無人機相比較衛(wèi)星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點。然而，傳統(tǒng)的無人機并不是為遙感目的而設計的，同樣，許多遙感設備也不是專門為無人機設計的，其結果是導致了他們之間的集成困難，為了滿足遙感科學實驗、定標遙感與真實性檢驗、遙感傳感器試驗等遙感實驗巨大需求，無人機航空遙感實驗平臺是一個很好的解決方案。無人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制系統(tǒng)能夠協(xié)調無人機航空遙感平臺中電子吊艙的多組件的工作，實時對遙感影像傳感器進行姿態(tài)控制，對于獲得良好有效的遙感數(shù)據(jù)起到至關重要的作用。

1 系統(tǒng)功能及結構
系統(tǒng)的目標是滿足無人機航空遙感作業(yè)需求。該系統(tǒng)控制無人機按照預定的作業(yè)計劃任務或者接受人工遙控執(zhí)行遙感作業(yè)，協(xié)調電子吊艙中多組件的工作，與數(shù)傳電臺、自動駕駛儀、穩(wěn)定云臺、航姿系統(tǒng)以及CCD／相機相連。
系統(tǒng)功能包括：
(1)接收數(shù)傳電臺命令，將命令分流到穩(wěn)定云臺和CCD／相機；
(2)接收航姿系統(tǒng)和自動駕駛儀的時間、經(jīng)度、緯度、高度、俯仰、滾動、航向等參數(shù)，將其存儲在控制系統(tǒng)中并由數(shù)傳電臺回傳至地面飛行控制站；
(3)根據(jù)航姿系統(tǒng)參數(shù)生成電機驅動參數(shù)，驅動穩(wěn)定云臺，保持穩(wěn)定云臺處于穩(wěn)定水平(或垂直)狀態(tài)；
(4)數(shù)據(jù)存儲，存儲作業(yè)任務及航姿系統(tǒng)和自動駕駛儀的相關參數(shù)，并能夠通過USB接口導入地面飛行控制站。
無人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1虛線內部分所示，系統(tǒng)由MCU(微控制器)、電源、數(shù)據(jù)存儲器、RAM擴展、4路串口擴展、1路USB擴展、步進電機驅動、CCD／相機驅動及電源共8個子模塊組成。MCU是整個系統(tǒng)的核心部分，負責與其數(shù)據(jù)存儲器、4路串口擴展、1路USB擴展及RAM擴展模塊間的通信，并根據(jù)作業(yè)計劃產(chǎn)生CCD／相機和步進電機的控制信號，控制相應的驅動模塊。電源模塊負責給
各子模塊供電。核心器件選用美國ATMEL公司開發(fā)的一款采用CMOS工藝低功耗、高性能的8位微處理器AT89S52。該芯片片內集成8 KB ISP(In System Programmable)可重復擦寫高密度非易失性Flash。全面兼容Intel 80C51的輸出引腳及指令系統(tǒng)。從而不需要額外擴展程序存儲器，同時也能快速的處理數(shù)據(jù)處理任務。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
2．1 4路串口擴展電路
4路串口擴展電路由TL16C554A芯片實現(xiàn)。TL16C554A是一個整合4個通道即TL16C550C的增強型異步通信組件(ACE)。它的每個通道能從外圍設備或MODEM接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)串--并轉換；同時，它也可以從CPU端接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)并--串轉換。CPU可以在工作時隨時查詢每一個通道的完整狀態(tài)，監(jiān)視各種命令的執(zhí)行及任何發(fā)生的錯誤。
TL16C554A四通道異步通信組件可以置于交替于交替FIFO模式，該模式激活內部FIFO以使16個字節(jié)(加上接收FIFO中每個字節(jié)的3位誤差數(shù)據(jù))可以同時存儲在接收與發(fā)送模式中。FIFO工作模式具有自動流控特點，可以極大地降低軟件開銷，并且可以通過輸出信號和輸入信號自動控制串行數(shù)據(jù)流來提高系統(tǒng)效率。所有邏輯均在片內以便使系統(tǒng)開銷最小，使系統(tǒng)效率最高。這2個引腳端還用于對直接存儲器訪問(DMA)傳送信號。每個異步通信組件都含有一個可編程的波特率發(fā)生器，可以將定時基準時鐘輸入除以1到216-1之間的任意數(shù)。