基于嵌入式的無人機(jī)勘察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：研究基于嵌入式的微小遙感無人機(jī)勘察系統(tǒng)，以ARM內(nèi)核的S3C2410控制芯片作為系統(tǒng)的微控制器，設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的總體架構(gòu)方案。該系統(tǒng)結(jié)合了無線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感技術(shù)與嵌入式技術(shù)，以模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸功能。采用無線射頻模塊XT09-SI負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制操作，運(yùn)用DM368視頻協(xié)處理對(duì)高壓縮率的H.264標(biāo)準(zhǔn)的圖像進(jìn)行壓縮編碼，通過UCOSII終端操作系統(tǒng)顯示勘察結(jié)果數(shù)據(jù)的顯示。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該無人機(jī)勘察系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、精度高、性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境的空中勘察。

關(guān)鍵詞：嵌入式;H.264;無人機(jī);勘察

隨著遙感、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，微小無人機(jī)的設(shè)計(jì)逐步被深究。小型無人機(jī)由于其高度靈活機(jī)動(dòng)性、信息化強(qiáng)、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，近幾年在軍事、高空拍攝、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通過搭載在機(jī)體上的各類傳感器單元獲取所需的數(shù)據(jù)信息，如圖像的采集，能夠?qū)μ囟ㄌ厥猸h(huán)境進(jìn)行有效的勘察。但目前，無人機(jī)的地面控制站主要使用功耗高、體積大的PCI總線采集技術(shù)，一定程度限制了無人機(jī)的高度靈活性等優(yōu)點(diǎn)。因此，以32位ARM微處理器為核心、DM368作為協(xié)處理器，設(shè)計(jì)出一種基于嵌入式的實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸和處理速度快的無人機(jī)勘察系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由飛行控制系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、地面控制站三大遙感技術(shù)組成，飛行過程包括飛行器的起飛、飛行軌跡、任務(wù)處理和回收等過程，其中飛行控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。圖1為無人機(jī)勘察系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。圖中傳感器單元由陀螺儀、GPS等組成，采用無線射頻模塊XT09-SI負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸?shù)降孛婵刂普静鬟_(dá)地面控制站的控制指令，形成飛行控制-飛行管理-飛行任務(wù)實(shí)施，完成無人機(jī)的信息接收、信息處理、信息輸出的功能，實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)圍繞著以以ARM為內(nèi)核的S3C2410搭建起主控制處理模塊，采用小型的CCD攝像機(jī)和DM368視頻協(xié)處理組成對(duì)音頻和視頻的采集，無線射頻模塊XT09-SI作為數(shù)據(jù)的傳輸和接收通道的媒介，在無人機(jī)飛行器上搭載GPS、陀螺儀、磁航向等多種傳感器單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)的精確采集和改變飛行軌跡等功能。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)的采集和傳輸及接收是無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜部分，為了有利于系統(tǒng)后期的功能拓展和硬件維護(hù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。采用XT09-SI無線射頻模塊作為該電路的數(shù)據(jù)傳輸模塊。該無線傳輸模塊與微控制器的電路接口采用串行通信原理，硬件連接示意圖如圖2所示。數(shù)據(jù)間通信使用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，并設(shè)計(jì)高速光耦隔離6N137模塊對(duì)電路提高抗干擾能力，通過接收地面控制站的指令，完成無人機(jī)的飛控的控制、數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等功能。

2.2 圖像視頻傳輸模塊

DM368模塊是基于ARM 926EJ處理器的低功耗數(shù)字多媒體處理芯片，DM368模塊采用的是完成符合PAL制式視頻標(biāo)準(zhǔn)，可接Flash Memory或者FPGA等設(shè)備，支持H.264、MPPEG4等圖像編碼技術(shù)，芯片內(nèi)部集成32 k RAM、16 kROM、豐富的外部接口等資源，集圖像和音頻采集于一體，可以穩(wěn)定高效的管理數(shù)據(jù)通信、視頻壓縮編碼等任務(wù)。由于視頻數(shù)據(jù)在發(fā)射端和接收端會(huì)存在偏差，為了減少誤差，需對(duì)H.264幀圖像壓縮編碼算法進(jìn)行優(yōu)化。常用的H.264處理方法有對(duì)編碼紋理負(fù)責(zé)區(qū)域的4×4像素和區(qū)域平坦的16x16像素兩種算法，幀的預(yù)測(cè)可以看成是由簡(jiǎn)單的加法和移位運(yùn)算來減少預(yù)測(cè)模式從而提高編碼的效應(yīng)。16x16像素預(yù)測(cè)模式由垂直預(yù)測(cè)、水平預(yù)測(cè)、DC預(yù)測(cè)以及平面預(yù)測(cè)4種模式，4種模式的函數(shù)為：

本系統(tǒng)對(duì)圖像的幀算法通過對(duì)16x16像素預(yù)測(cè)編碼采用加法器和移位器運(yùn)算，對(duì)計(jì)算方程進(jìn)行優(yōu)，減少數(shù)據(jù)占用空間，使視頻傳輸效率提高。采用的算法如下：

2.3 主控制器模塊

無人機(jī)勘察系統(tǒng)的主控制器選用具有高性能、低功耗32位內(nèi)核S3C2410，工作頻率最高可達(dá)到266 MHz，擁有高效的信號(hào)處理能力，片上集成豐富的資源，高達(dá)24個(gè)外部中斷源，能夠滿足多路中斷處理，提高處理器的資源利用率，3路URAT，I2C、PWM、SPI等多路通信接口，片外存儲(chǔ)器的接口拓展有Nor Flash、SDRAM，通過總線方式與微處理器相連，拓展儲(chǔ)存數(shù)據(jù)空間，并且具有高數(shù)據(jù)傳輸?shù)腄AM通道。S3C2410芯片通過SPI接口和RS-232接口與XT09-SI無線模塊以及其他傳感器單元模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

3 軟件設(shè)計(jì)

無人機(jī)勘察工程中，地面控制站對(duì)無人機(jī)的控制方式有手動(dòng)航模操作、遙控指令控制、程序預(yù)定控制等操作，操作系統(tǒng)要求滿足能夠管理多任務(wù)和判斷優(yōu)先級(jí)。在目前的嵌入式操作系統(tǒng)中有Linux、UC/OS、UC/GUI等多種，都具備各自的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)勘察系統(tǒng)要求軟件的編寫可靠、簡(jiǎn)單易操作，因此，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用可管理64個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的UCOSII。要實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的飛行控制，軟件編程的重點(diǎn)在于對(duì)UC/OS操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)拓展，建立起RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。以下是操作系統(tǒng)的部分示意代碼。

4 系統(tǒng)測(cè)試

地面監(jiān)控平臺(tái)是這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，監(jiān)控中心上位機(jī)采用Qt開發(fā)，通過Socket編程，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和無人機(jī)控制程序之間能夠雙向通信，實(shí)時(shí)接收無人機(jī)采集到的信息和發(fā)送控制指令，完成所需的飛行任務(wù)。地面監(jiān)控平臺(tái)能過得到無人機(jī)采集到各類傳感器單元的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)在窗口顯示出來。本次實(shí)驗(yàn)讓無人機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的飛行測(cè)試，系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)。圖3是監(jiān)控系統(tǒng)接收到的部分信息。