基于數(shù)話同傳的無人機車外控制器設(shè)計

劉春輝，熊小軍，丁軻佳

（北京航空航天大學(xué) 無人駕駛飛行器設(shè)計研究所，北京100083）

無人機是一種有動力、可控制、能承載多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)并可重復(fù)使用的戰(zhàn)術(shù)飛行器，其零傷亡風險和高機動性等優(yōu)勢引起了各國軍方的高度重視。無人機飛行過程可簡單劃分為起飛、高空飛行和降落三部分。高空飛行階段飛行環(huán)境相對穩(wěn)定，常采用無人機自主飛行方式，無需對其飛行姿態(tài)做太多人為干預(yù)。但是在起飛和降落階段無人機的速度變化大，姿態(tài)調(diào)整頻繁，起降場地地形、氣候等諸多復(fù)雜因素對無人機的安全造成巨大威脅，是無人機實驗任務(wù)飛行中的事故多發(fā)時段，因此在起降階段進行即時、準確的人為調(diào)整是保障無人機飛行安全的重要手段。現(xiàn)階段部分無人機型號采用有線的車載地面站外部（車外）控制器方式，讓地面操作人員通過近距離觀察無人機的姿態(tài)來實時遙控無人機。

無人機車外控制器使用示意圖見圖1。

國內(nèi)車外控制器設(shè)計研制之初考慮到地面站內(nèi)人員和車外人員的交流，加入了語音通信功能，但開始只是應(yīng)用對講機進行通話，而對講機是單工通信機制，通話時易形成競爭；后來部分單位在有線車外控制器的信號傳輸線纜上增加了模擬語音，實現(xiàn)了車內(nèi)測控臺和車外控制人員的雙工通信，而模擬語音容易自激，通話易受干擾[1]。

圖1 無人機車外控制器使用示意圖

基于已有無人機系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗，設(shè)計了一種數(shù)字語音和遙控數(shù)據(jù)共同傳輸?shù)男滦蜔o人機車外控制器。本文將對其設(shè)計組成、尤其是數(shù)話同傳技術(shù)的實現(xiàn)方法進行詳細說明，最后對其測試和應(yīng)用環(huán)境進行介紹。

1 車外控制器的設(shè)計組成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計組成

無人機車外控制器系統(tǒng)設(shè)計組成見圖2。

(1)車外控制器遙控數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和采集

通過車外操縱手對車外控制器各機構(gòu)(搖桿、開關(guān)和微調(diào))的操縱，引起內(nèi)部電位器和電開關(guān)變化進而引起電信號的變化。變化的電壓通過信號調(diào)理電路發(fā)送到微處理器（MCU），由 MCU內(nèi)部的AD模塊進行處理；變化的數(shù)字量直接輸入到MCU。MCU把當前的遙控數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示屏上。

圖2 無人機車外控制器系統(tǒng)設(shè)計組成

(2)車外控制器語音數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和采集

車外操縱手可通過麥克將自己的語音輸入到AD模塊，數(shù)字語音以9.6 kb/s的速率被音頻編碼器（ENCODER）編碼接收，同遙控數(shù)據(jù)一起被 MCU采集，速率為1 Mb/s。

(3)車外控制器遙控和語音數(shù)據(jù)的傳輸

遙控和語音數(shù)據(jù)在MCU中被組成的遙控/語音數(shù)據(jù)復(fù)合幀以20 ms的幀周期更新，通過對外的RS232/RS422可切換接口輸出至地面站[2]，便于不同的地面站兼容。

(4)方艙語音數(shù)據(jù)的接收

由于采用雙工通信，地面站方艙內(nèi)人員的語音數(shù)據(jù)通過RS232/RS422接口輸入到車外控制器的MCU中，MCU對語音數(shù)據(jù)幀中的語音數(shù)據(jù)進行提取，以1 Mb/s的速率發(fā)送到音頻解碼器(DECODER)進行解碼，以9.6 kb/s的速率輸入到DA電路產(chǎn)生模擬語音，語音可通過耳機被車外操縱手接聽。

需要說明的是，方艙里內(nèi)置一個語音采集器，其內(nèi)部的語音采集、接收和發(fā)送模塊與車外控制器內(nèi)部設(shè)計原理一致；車外控制器和語音采集器之間可采用長度為120 m的線纜連接，擴大了車外操作手的活動范圍。

1.2 硬件設(shè)計關(guān)鍵點

(1)芯片的選型

MCU采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F022單片機，其外圍電路主要包括信號調(diào)理電路,數(shù)字和模擬信號經(jīng)調(diào)理后輸入至C8051F022；RS232/RS422接口電路由MAX3232和MAX3490構(gòu)成；數(shù)字語音編解碼電路的音頻AD/DA部分選用AD/DA復(fù)合功能芯片CSP1027，數(shù)字音頻編碼/解碼芯片采用美國DVSI公司生產(chǎn)的AMBE1000[3]。AMBE1000編碼器的輸出幀和解碼器的輸入幀分別見圖3和圖4。

圖4 解碼器的輸入幀

如圖3和圖4所示，編碼器輸出幀和解碼器輸入幀的結(jié)構(gòu)類似，包含幀頭 Header和 ID值(共占 1個 B)及24 B的壓縮語音數(shù)據(jù)，不同的是輸出幀包含4 B狀態(tài)位，輸入幀包含4 B控制位，微處理器可根據(jù)輸出幀狀態(tài)位對語音數(shù)據(jù)進行處理，該狀態(tài)位也可直接作為輸入幀的控制位輸入至解碼器。為便于和8 bit MCU接口通信，AMBE的信道接口采用被動并行模式。

2 數(shù)話同傳技術(shù)的實現(xiàn)

2.1 MCU程序設(shè)計

實現(xiàn)車外控制器數(shù)話同傳功能的關(guān)鍵點之一是微處理器程序的設(shè)計。

MCU的程序流程圖如圖5所示。AMBE1000為主機端提供了編碼包準備好信號EPR和解碼包空信號DPE，在設(shè)計上將這兩個信號分別輸入到C8051F022的外部中斷INT0和INT1端口，以中斷方式讀取和寫入語音數(shù)據(jù)；與方艙語音采集器的數(shù)據(jù)通信通過C8051F022內(nèi)部UART0功能模塊實現(xiàn)。中斷優(yōu)先級設(shè)定的先后順序為 INT0→INT1→UART0。

圖5 微處理器程序流程圖

微處理器的主程序在完成初始化中斷設(shè)置和優(yōu)先級后，讀取C8051F022內(nèi)部Flash的比例指令零點偏移（范圍為0～255，標準零點為127，實際中零點常發(fā)生偏移，可利用按鍵調(diào)準）后，循環(huán)采集按鍵和進行LCD顯示刷新。為便于進程間通信，程序定義了兩個bool型變量用作發(fā)送標志和接收標志，3個語音數(shù)組分別用于存儲從編碼緩沖區(qū)讀出的數(shù)據(jù) （語音數(shù)組1）、待寫入解碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)（語音數(shù)組2）和存儲靜音數(shù)據(jù)的數(shù)組（靜音數(shù)組）。

由EPR信號觸發(fā)的外部中斷0處理程序首先讀取AMBE1000編碼器緩沖區(qū)至語音數(shù)組1，組成遙控/語音幀，設(shè)置發(fā)送標志并啟動UART0發(fā)送中斷。進入串口中斷0后，首先判斷中斷類型為發(fā)送中斷還是接收中斷，若為發(fā)送中斷則啟動發(fā)送進程，將遙控/語音幀發(fā)送至車內(nèi)采集盒，之后取消發(fā)送標志；若為接收中斷，則啟動串口接收進程，接收方艙語音采集盒發(fā)來的語音數(shù)據(jù)，更新語音數(shù)組2，設(shè)置接收標志。由DPE信號觸發(fā)的外部中斷1處理程序首先判斷接收標志是否有效，若無效則寫靜音數(shù)組至AMBE1000編碼緩沖區(qū)，若有效則寫語音數(shù)組2至AMBE1000編碼緩沖區(qū)，之后取消接收標志，退出中斷程序。

2.2 數(shù)字語音和遙控數(shù)據(jù)復(fù)用

由上述介紹可知，遙控/語音幀的發(fā)送周期是由AMBE1000的DPE信號觸發(fā)的，DPE信號的產(chǎn)生周期為20 ms，而方艙語音采集盒為異步接收，對遙控/語音幀的到達周期沒有嚴格要求，因此20 ms的發(fā)送周期滿足系統(tǒng)設(shè)計要求[4]。

在遙控/語音幀的設(shè)計中，數(shù)字語音和遙控數(shù)據(jù)的復(fù)用成為實現(xiàn)數(shù)話同傳技術(shù)的關(guān)鍵點，這里遙控/語音幀在設(shè)計上采用40 B/幀，幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 遙控/語音幀幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)在設(shè)計上包含2 B幀頭，1 B幀標識，10 B的遙控數(shù)據(jù)，1 B語音狀態(tài)字，24 B的語音數(shù)據(jù)和2 B幀尾。

串口0采用波特率為 38 400 b/s，發(fā)送單幀遙控/語音幀占用的時間為：(40×8)÷38400≈8.33 ms，滿足 20 ms/幀的發(fā)送周期。

3 車外控制器的測試與應(yīng)用

在實驗室階段，車外控制器通過RS232接口發(fā)送至上位機調(diào)試，經(jīng)串口調(diào)試助手實時記錄的數(shù)據(jù)見圖7。其中EB90為幀頭，EE16為幀尾，帶下劃線的數(shù)據(jù)為幀頭、語音狀態(tài)字和語音數(shù)據(jù)。

在實際應(yīng)用中，基于數(shù)話同傳技術(shù)的車外控制器已參加過數(shù)次重大科研項目的飛行實驗。經(jīng)實際檢驗，語音通話質(zhì)量良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，驗證了其設(shè)計的合理性，為數(shù)話同傳技術(shù)拓展了應(yīng)用范圍。

圖7 實時記錄的遙控/語音數(shù)據(jù)幀

[1]劉春輝，熊小軍，馮瑩.無人機遙控方式的智能管理策略[J].航空兵器，2010(4)：3-7.

[2]田峰，杜洪根.無人機地面站控制系統(tǒng)設(shè)計[J].軍事測控技術(shù)，2005，13(11).

[3]馬連川，高倍力.鐵路無線列調(diào)中數(shù)話兼容的實現(xiàn)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，2003，6(27)：6-10.

[4]劉春輝，張曉林.無人直升機雙模式地面操控系統(tǒng)設(shè)計[J].航空兵器，2009，4：24-28.