摘 要： 針對小型無人機航拍系統(tǒng)的功能要求和存在的問題，設(shè)計了一種圖像和GPS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。系統(tǒng)以ARM單片機為核心，采用無線通信方式將串口采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站，并在上位機上顯示。對數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送和上位機編程等關(guān)鍵問題作了分析，并給出了設(shè)計方案。實地試驗表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可滿足無人機航拍系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞： 無人機；STM32；無線傳輸；圖像采集

　無人機系統(tǒng)作為一種高端的遙控設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事偵查、遠程監(jiān)控和地質(zhì)測繪等領(lǐng)域。通常無人機系統(tǒng)的首要任務(wù)是將實時采集到的圖像信號通過無線通信設(shè)備傳送到地面基站。國外對于這方面的研究較早，但由于技術(shù)封鎖等原因，目前可供借鑒的資料很少，加之我國在該方面研究起步較晚，致使我國在無人機無線視頻圖像傳輸領(lǐng)域的技術(shù)較落后?，F(xiàn)階段的無人機圖像采集技術(shù)主要有兩種方式：一種是采用模擬傳輸方式，其頻率使用率較低，系統(tǒng)易受干擾，其圖像質(zhì)量較差，信道編碼效率不高，且抗多徑干擾較差；另一種是采用模擬的CCD攝像頭通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片變?yōu)閿?shù)字信號，再由控制器進行壓縮和處理，這樣不僅加重了控制器的負(fù)擔(dān)，而且也易造成系統(tǒng)功耗較大。同時，由于小型飛行器的載重及能量供給非常有限，對機載部分的功耗、重量和安裝尺度等都提出了更為嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計了一種基于CMOS攝像頭和數(shù)字圖像處理芯片的圖像和GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、傳輸速率高、傳輸距離遠、帶有數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強功能的特點[1-12]。
　地面基站作為無人機系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，擔(dān)負(fù)著采集及分析飛行數(shù)據(jù)、驗證及評價飛行效果和保證飛行安全等重要任務(wù)。因而，一個好的無人機系統(tǒng)常常需要有功能強大的地面基站平臺才能發(fā)揮最好的飛行效果。本文設(shè)計了一種利用VB編程軟件在PC機上實現(xiàn)的具有航跡記錄與預(yù)測、手動控制飛行、飛行狀態(tài)監(jiān)控和視頻圖像顯示等功能的地面基站平臺。地面實驗表明該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用效果[9]。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
　本系統(tǒng)包括機載的視頻圖像采集系統(tǒng)和地面基站平臺兩部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件由攝像頭模塊、GPS數(shù)據(jù)采集模塊、STM32微控制器和NRF905無線通信模塊構(gòu)成。

　該系統(tǒng)以STM32F103RBT6微控制器為核心，機載微控制器通過串口1和串口2分別與VC0706圖像處理芯片和GPS接收機進行通信，主要實現(xiàn)以下幾個功能。（1）機載微控制器通過控制指令控制VC0706圖像處理芯片實現(xiàn)控制攝像頭拍照、圖像數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)字圖像傳輸?shù)热蝿?wù)。（2）機載微控制器將GPS接收機發(fā)出的數(shù)據(jù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機數(shù)據(jù)輸出格式（GB/T 20512-2006）進行解碼。再將采集到的圖像數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)按照事先約定好的通信協(xié)議通過NRF905無線通信模塊與地面基站的STM32微控制器進行通信，基站的微控制器再將數(shù)據(jù)通過內(nèi)嵌的USB接口傳送到上位機上。由此，實現(xiàn)了圖像和GPS定位信息的采集、傳輸和上位機顯示的功能。
2 相關(guān)問題及設(shè)計方案
　本系統(tǒng)大體可分為圖像和GPS數(shù)據(jù)采集、無線通信以及上位機編程三部分。
2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
　圖像數(shù)據(jù)采集需要克服數(shù)據(jù)量大、傳輸實時性等問題，同時，需要考慮到STM32微控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)儲存容量有限[1]，對圖像數(shù)據(jù)需要進行分批傳輸。數(shù)字?jǐn)z像頭采集一幅480×640的圖像數(shù)據(jù)量為307 200 B，而經(jīng)過VC7076處理芯片進行壓縮率為30%的壓縮處理后，數(shù)據(jù)量可以減少為92 160 B左右[6]。STM32微控制器的串口傳輸速率可以達到115 200 b/s[4]，而STM32F103RBT6微控制器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器只有20 KB，無法保存一幅完整的圖像數(shù)據(jù)。由于NRF905無線發(fā)射模塊每次最多發(fā)射32 B的數(shù)據(jù)，因此VC7076中接收數(shù)據(jù)只需要微控制器發(fā)送起始地址和結(jié)束地址指令即可。所以，在微控制器的軟件設(shè)計中定義了兩塊容量為1 KB的數(shù)據(jù)存儲塊，并且在接收數(shù)據(jù)時使用微控制器內(nèi)嵌DMA模塊。初始化時，設(shè)置DMA數(shù)據(jù)為串口數(shù)據(jù)輸入，這樣每當(dāng)微控制器的串口接收到1 B的數(shù)據(jù)，就可以通過DMA模塊自動地保存到相應(yīng)的地址中而不需要微控制器內(nèi)部CPU的參與，這使得CPU可以空閑出來進行發(fā)送部分的處理。當(dāng)一塊數(shù)據(jù)接收完成后，會觸發(fā)DMA中斷，CPU就可以在中斷中重新配置起始地址和結(jié)束地址，使得微控制器能夠循環(huán)進行數(shù)據(jù)接收。在程序中，首先定義了一個用于數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的結(jié)構(gòu)體，其中的數(shù)據(jù)成員是兩個容量為1 KB的存儲數(shù)據(jù)塊和用于指示接收和發(fā)送所用的數(shù)據(jù)塊指針。數(shù)據(jù)接收的軟件流程圖如圖2所示。

　該軟件程序初始定義為：
struct Image_get_send
{
unsignedchar dat_array[2][1024]；
unsigned char send_flag；
unsigned char get_flag；
}
　由于GPS接收機發(fā)出的數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式發(fā)出，并且按照GB/T 20512-2006標(biāo)準(zhǔn)進行信息編碼，因而需要對從接收機接收到的數(shù)據(jù)進行解碼從而得到能進行處理和識別的數(shù)據(jù)。GPS接收機采用的是Gstar GS-89模塊，該模塊能夠檢測當(dāng)前位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度、標(biāo)準(zhǔn)定位時間和接收衛(wèi)星數(shù)等信息。GPS接收機輸出的信息是以語句的形式進行發(fā)送的，總共有5種語句，每條語句都以$開頭，并以回車結(jié)束，同一語句中的不同數(shù)據(jù)之間采用逗號隔開。其中，GPGGA語句包含當(dāng)前的定位信息，也是應(yīng)用最廣的語句，因而，對GPGGA語句的解碼最重要。GPRMC語句的格式如下：
　＄GPGGA，（1），（2），（3），（4），（5），（6），（7），（8），（9），M，（10），M，（11），（12）＊hh（CR）（LF）
　其中，（1）表示定位時間，（2）、（3）表示緯度，（4）、（5）表示經(jīng)度，（9）表示海拔高度。對上述數(shù)據(jù)的解碼是系統(tǒng)獲取GPS數(shù)據(jù)的重點，解碼的軟件流程圖如圖3所示。

2.2 無線通信系統(tǒng)
　無人機與地面基站之間數(shù)據(jù)的傳送需要使用無線通信系統(tǒng)來進行。系統(tǒng)的無線通信部分采用的是NRF905-33A無線模塊，該模塊的最遠通信距離可達到3 km，非常適于小范圍內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)，而且重量輕，適于在無人機上進行攜帶。
　NRF905-33A無線模塊一次只能傳送32 B，微控制器每次需要等待無線模塊傳送完成后才能進行下一次的數(shù)據(jù)傳送。而系統(tǒng)中需要進行GPS和圖像兩種數(shù)據(jù)的傳送。為了提高無線通信的速率和通信的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用了分時傳送的方法，即利用GPS接收機每隔1 s更新一次定位數(shù)據(jù)的特性，將GPS數(shù)據(jù)的傳送設(shè)定為1 s傳送一次，而其他時間則進行圖像數(shù)據(jù)傳送。為了區(qū)分圖像數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，在每次不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時采用了發(fā)送32個相同數(shù)據(jù)的方法與地面基站的接收機進行同步。
2.3 上位機編程