基于無人機(jī)的圖像和GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)*

陳貽國，潘日敏，申 燊

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理信息與工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

無人機(jī)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(yuǎn)程監(jiān)控和地質(zhì)測(cè)繪等領(lǐng)域。通常無人機(jī)系統(tǒng)的首要任務(wù)是將實(shí)時(shí)采集到的圖像信號(hào)通過無線通信設(shè)備傳送到地面基站。國外對(duì)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(jī)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(jī)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(hào)，再由控制器進(jìn)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(shí)，由于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、重量和安裝尺度等都提出了更為嚴(yán)格的要求。本文設(shè)計(jì)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(yuǎn)、帶有數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強(qiáng)功能的特點(diǎn)[1-12]。

地面基站作為無人機(jī)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(yàn)證及評(píng)價(jià)飛行效果和保證飛行安全等重要任務(wù)。因而，一個(gè)好的無人機(jī)系統(tǒng)常常需要有功能強(qiáng)大的地面基站平臺(tái)才能發(fā)揮最好的飛行效果。本文設(shè)計(jì)了一種利用VB編程軟件在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)的具有航跡記錄與預(yù)測(cè)、手動(dòng)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(tái)。地面實(shí)驗(yàn)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(jī)載的視頻圖像采集系統(tǒng)和地面基站平臺(tái)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(jī)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(jī)進(jìn)行通信，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能。（1）機(jī)載微控制器通過控制指令控制VC0706圖像處理芯片實(shí)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(jī)載微控制器將GPS接收機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)按照國家標(biāo)準(zhǔn)的GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)輸出格式（GB/T 20512-2006）進(jìn)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(jìn)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(jī)上。由此，實(shí)現(xiàn)了圖像和GPS定位信息的采集、傳輸和上位機(jī)顯示的功能。

2 相關(guān)問題及設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)時(shí)性等問題，同時(shí)，需要考慮到STM32微控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量有限[1]，對(duì)圖像數(shù)據(jù)需要進(jìn)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(jìn)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(dá)到115200b/s[4]，而STM32F103RBT6微控制器的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)中定義了兩塊容量為1 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，并且在接收數(shù)據(jù)時(shí)使用微控制器內(nèi)嵌DMA模塊。初始化時(shí)，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(dòng)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(jìn)行發(fā)送部分的處理。當(dāng)一塊數(shù)據(jù)接收完成后，會(huì)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(jìn)行數(shù)據(jù)接收。在程序中，首先定義了一個(gè)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(gè)容量為1 KB的存儲(chǔ)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：

由于GPS接收機(jī)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(jìn)行信息編碼，因而需要對(duì)從接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼從而得到能進(jìn)行處理和識(shí)別的數(shù)據(jù)。GPS接收機(jī)采用的是Gstar GS-89模塊，該模塊能夠檢測(cè)當(dāng)前位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度、標(biāo)準(zhǔn)定位時(shí)間和接收衛(wèi)星數(shù)等信息。GPS接收機(jī)輸出的信息是以語句的形式進(jìn)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(hào)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(duì)GPGGA語句的解碼最重要。GPRMC語句的格式如下：

其中，（1）表示定位時(shí)間，（2）、（3）表示緯度，（4）、（5）表示經(jīng)度，（9）表示海拔高度。對(duì)上述數(shù)據(jù)的解碼是系統(tǒng)獲取GPS數(shù)據(jù)的重點(diǎn)，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(jī)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(jìn)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(yuǎn)通信距離可達(dá)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(jī)上進(jìn)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(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)傳送。而系統(tǒng)中需要進(jìn)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(shí)傳送的方法，即利用GPS接收機(jī)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(shí)間則進(jìn)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(shí)采用了發(fā)送32個(gè)相同數(shù)據(jù)的方法與地面基站的接收機(jī)進(jìn)行同步。

2.3 上位機(jī)編程

上位機(jī)編程采用了Visual Basic編程語言。該編程語言是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，不僅簡(jiǎn)單易學(xué)，而且功能強(qiáng)大。

上位機(jī)需要解決的主要問題是如何進(jìn)行圖像的顯示。由于傳送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)為JPEG格式，本文采用了一個(gè)較為巧妙的方法，即先打開一個(gè)空的JPEG格式的文件，然后在有數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)時(shí)就檢測(cè)該數(shù)據(jù)是否為圖像的數(shù)據(jù)頭（0xff，0xd8）或數(shù)據(jù)尾（0xff，0xd9），并將數(shù)據(jù)寫入到打開的圖像文件中。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)尾時(shí)，就將圖像文件顯示出來。其編程語句如下。

本文針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的特性以及要求，提出了一種基于STM32微處理器實(shí)現(xiàn)圖像和GPS數(shù)據(jù)采集、傳輸以及在上位機(jī)顯示的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過靜態(tài)的地面測(cè)試證明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能，而且傳輸速度較快，可以滿足無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求；該系統(tǒng)運(yùn)行良好，抗干擾能力強(qiáng)，有很好的繼承性和維護(hù)性。本系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究具有一定的參考價(jià)值。采用STM32微處理器，可以大大降低無人機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)難度，縮短設(shè)計(jì)周期。此外，STM32微處理器還支持串口燒錄和在線仿真，可以大大減少軟件設(shè)計(jì)的成本。隨著ARM單片機(jī)功能的不斷提升，基于ARM技術(shù)的STM32系列單片機(jī)以它特有的優(yōu)勢(shì)將在高新技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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