微小型无人机无线数字视频传输系统的设计与实现

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        0 引言

  微型无人侦察机的首要任务是实现图像信息的实时获取与无线传输。国外对此问题早有研究,但由于技术的封锁,目前可供借鉴的资料较少。例如美国研制的“黑寡妇”图像无线传输系统,采用调频体制,视频发射器重1.4 g(占整机的12%),有效传输距离1.5 km。美国桑德斯公司的MicroStar微型飞行器也配备有图像无线传输系统,其中携带的侦察微型摄像机重4 g,每秒可拍摄30帧清晰的地面画面。搭载的PRISM无线电通信信息传送系统,重6g,有效传输范围达到了5 km。国内在该方面的研究起步较晚,技术相对落后,主要采用模拟传输方式,频率使用率低,系统易受干扰。而研究较成熟的无人机载图像实时传输系统,其图像质量指标、信道编码效率等均不高,且抗多径干扰差。同时,由于微小型飞行器的载重及能量供给非常有限,对机载部分的功耗、重量、安装尺寸等都提出了更为严格的要求。因此,开发适用于微型飞行器的微小摄像与无线传输系统尤为重要。本文所研究的主要内容以某微型无人侦察机的需求为背景,提出了一种视频图像的无线数字传输方式,该系统具有体积小、功耗低、实时性好及传输可靠等特点。

  1 系统原理

  微型无人机要求提供实时、高质量的侦察图像。本文所采用的摄像与无线传输系统组成框图如图1所示,主要由图像传感器、视频压缩编码芯片、微处理芯片、FLASH芯片和SDRAM内存以及无线网卡等组成。

 

  由于受微型无人机的载荷所限,该系统首先选用重量较轻的高分辨率模拟摄像机采集视频信号,然后利用图像编码器将采集到的模拟图像,转化生成分辨率较高的数字图像。编码后的数字图像数据量巨大,且无线通信信道的带宽有限,难以保证视频图像的实时传输,因此需要对数字视频图像进行编码压缩,在保证一定画质的前提下尽可能减少数据量。压缩工作通常可以选用软件或专用硬件来完成。然而专用编码压缩软件代码规模较大,设备要求高,且机载微处理器功能有限,使其应用受到限制。为保证系统最优功能状态,选用MPEG-4专用编码芯片对采集后得到的数字图像进行硬件编码压缩,生成MPEG-4码流,实时性好,可靠性高。模块工作和码流流向由ARM微处理器调度管理,同时,微处理器通过RS 485和摄像模块相连,传输摄像机镜头的控制信号,如变倍、变焦等。机载云台也通过RS485获得用户的远程控制信号,并通过水平和垂直方向的位置改变来响应用户的不同偾察需求。在完成数字视频侦察系统的开发后,为系统加入了基于开放的802.11协议的无线加密传输模块,为系统的安全工作带来保证,避免了无线视频系统的安全漏洞。

  2 硬件设计

  微型无人机视频处理与传输系统主要包括视频采集及处理模块、无线数据传输模块2个子系统,是整个微型无人机视频系统中的核心部分。

  本文视频编码器采用的编码器是ADI公司的ADV7180,它是ADI首次发表的低价格低消耗功率但提供高质量影像输出的影像编码器。在它的输入前端有阶梯状滤波器,不用为系统添加额外的滤波器。同时,ADV7180还提供了DNR/CTI的影像强化输出调整,ADLLT更独步全球提供给系统在弱信号的处理上强有力的支持,使传输的图像更加平稳。拥有智能型影像处理器的ADV7180在控制上也更为简化,只需设定少数的暂存器就可输出高质量影像,无需为影像编码器设定繁琐复杂的程序。

  视频压缩芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A,如图2所示,它是针对网络视频传输所设计的MPEG-4专属芯片。MPG-440A支持高阶影像数字监控功能,包含D1分辨率、防伪水印、动态调整IP帧比率与动态调整质量,是特殊场合监控用的最佳影像处理器,可产生最小比特率并符合长时间储存要求。

 

  主控芯片选取的是Imagia公司的MCP4010-32位RISC嵌入式微处理器,见图3。它使用.ARM 922 T核,工作频率高达200 MHz,内部带有存储器管理单元(MMU),具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性,是视频采集和处理模块的核心,可达到D1分辨率实时编码压缩的效能。

  无线传输模块采用Ralink公司提供的RT2561芯片方案的无线网卡,符合IEEE 802.11b/g/n标准,传输速率高达128 Mb/s(自适应)。支持标准32位Mini-PCI接口;具有MIMO天线技术,使传输更稳定距离更广;支持Windows/Linux/WinCE等操作系统;工作频率范围为2.412~2.484 GHz;传输功率为18 dBm(典型值)。MCU4010和MCP440A如图4所示,RT2561如图5所示。

 

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