微小型無人機無線數(shù)字視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言
微型無人偵察機的首要任務(wù)是實現(xiàn)圖像信息的實時獲取與無線傳輸。國外對此問題早有研究，但由于技術(shù)的封鎖，目前可供借鑒的資料較少。例如美國研制的“黑寡婦”圖像無線傳輸系統(tǒng)，采用調(diào)頻體制，視頻發(fā)射器重1．4 g(占整機的12％)，有效傳輸距離1．5 km。美國桑德斯公司的MicroStar微型飛行器也配備有圖像無線傳輸系統(tǒng)，其中攜帶的偵察微型攝像機重4 g，每秒可拍攝30幀清晰的地面畫面。搭載的PRISM無線電通信信息傳送系統(tǒng)，重6g，有效傳輸范圍達到了5 km。國內(nèi)在該方面的研究起步較晚，技術(shù)相對落后，主要采用模擬傳輸方式，頻率使用率低，系統(tǒng)易受干擾。而研究較成熟的無人機載圖像實時傳輸系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量指標、信道編碼效率等均不高，且抗多徑干擾差。同時，由于微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、安裝尺寸等都提出了更為嚴格的要求。因此，開發(fā)適用于微型飛行器的微小攝像與無線傳輸系統(tǒng)尤為重要。本文所研究的主要內(nèi)容以某微型無人偵察機的需求為背景，提出了一種視頻圖像的無線數(shù)字傳輸方式，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、實時性好及傳輸可靠等特點。

1 系統(tǒng)原理
微型無人機要求提供實時、高質(zhì)量的偵察圖像。本文所采用的攝像與無線傳輸系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由圖像傳感器、視頻壓縮編碼芯片、微處理芯片、FLASH芯片和SDRAM內(nèi)存以及無線網(wǎng)卡等組成。

由于受微型無人機的載荷所限，該系統(tǒng)首先選用重量較輕的高分辨率模擬攝像機采集視頻信號，然后利用圖像編碼器將采集到的模擬圖像，轉(zhuǎn)化生成分辨率較高的數(shù)字圖像。編碼后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)量巨大，且無線通信信道的帶寬有限，難以保證視頻圖像的實時傳輸，因此需要對數(shù)字視頻圖像進行編碼壓縮，在保證一定畫質(zhì)的前提下盡可能減少數(shù)據(jù)量。壓縮工作通常可以選用軟件或?qū)Ｓ糜布硗瓿?。然而專用編碼壓縮軟件代碼規(guī)模較大，設(shè)備要求高，且機載微處理器功能有限，使其應(yīng)用受到限制。為保證系統(tǒng)最優(yōu)功能狀態(tài)，選用MPEG-4專用編碼芯片對采集后得到的數(shù)字圖像進行硬件編碼壓縮，生成MPEG-4碼流，實時性好，可靠性高。模塊工作和碼流流向由ARM微處理器調(diào)度管理，同時，微處理器通過RS 485和攝像模塊相連，傳輸攝像機鏡頭的控制信號，如變倍、變焦等。機載云臺也通過RS485獲得用戶的遠程控制信號，并通過水平和垂直方向的位置改變來響應(yīng)用戶的不同僨察需求。在完成數(shù)字視頻偵察系統(tǒng)的開發(fā)后，為系統(tǒng)加入了基于開放的802．11協(xié)議的無線加密傳輸模塊，為系統(tǒng)的安全工作帶來保證，避免了無線視頻系統(tǒng)的安全漏洞。

2 硬件設(shè)計
微型無人機視頻處理與傳輸系統(tǒng)主要包括視頻采集及處理模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊2個子系統(tǒng)，是整個微型無人機視頻系統(tǒng)中的核心部分。
本文視頻編碼器采用的編碼器是ADI公司的ADV7180，它是ADI首次發(fā)表的低價格低消耗功率但提供高質(zhì)量影像輸出的影像編碼器。在它的輸入前端有階梯狀濾波器，不用為系統(tǒng)添加額外的濾波器。同時，ADV7180還提供了DNR／CTI的影像強化輸出調(diào)整，ADLLT更獨步全球提供給系統(tǒng)在弱信號的處理上強有力的支持，使傳輸?shù)膱D像更加平穩(wěn)。擁有智能型影像處理器的ADV7180在控制上也更為簡化，只需設(shè)定少數(shù)的暫存器就可輸出高質(zhì)量影像，無需為影像編碼器設(shè)定繁瑣復(fù)雜的程序。
視頻壓縮芯片采用的是Imagia公司的MPG-440A，如圖2所示，它是針對網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸所設(shè)計的MPEG-4專屬芯片。MPG-440A支持高階影像數(shù)字監(jiān)控功能，包含D1分辨率、防偽水印、動態(tài)調(diào)整IP幀比率與動態(tài)調(diào)整質(zhì)量，是特殊場合監(jiān)控用的最佳影像處理器，可產(chǎn)生最小比特率并符合長時間儲存要求。