警用旋翼機(jī)數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 警用旋翼機(jī)系統(tǒng)以小型無人旋翼機(jī)為工作平臺(tái)，主要應(yīng)用于執(zhí)勤和處突現(xiàn)場(chǎng)的偵察和監(jiān)視。其中數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)包括旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)、視頻信息采集處理和傳輸子系統(tǒng)。給出了旋翼機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和視頻采集、處理模塊的數(shù)據(jù)接口圖。視頻采集和處理模塊中，分別選用SAA7111A為視頻采集芯片和Hi3510為視頻處理、壓縮芯片，通過高帶寬的WIMAX模塊進(jìn)行無線傳輸。滿足圖像處理的高壓縮比和低失真要求。
關(guān)鍵詞 旋翼機(jī)；視頻處理；無線數(shù)據(jù)傳輸

旋翼機(jī)是一種介于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的飛行器。早在上世紀(jì)二三十年代就開始研制，它產(chǎn)生時(shí)間比直升機(jī)早，由于軍方不重視、駕駛員操作不當(dāng)、經(jīng)常引起飛行事故等原因，使得旋翼機(jī)的研制一度陷入低谷。近年來，由于其自身一系列優(yōu)點(diǎn)，旋翼機(jī)又成為國(guó)內(nèi)外的研制熱點(diǎn)。
設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理及傳輸系統(tǒng)以旋翼機(jī)為飛行平臺(tái)，根據(jù)任務(wù)需求，搭載了CCD高分辨率攝像機(jī)，從控制邏輯上分為旋翼機(jī)平臺(tái)控制系統(tǒng)和視頻數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)兩部分，設(shè)計(jì)上是統(tǒng)一的整體。

1 旋翼機(jī)平臺(tái)簡(jiǎn)介
旋翼機(jī)平臺(tái)由最基本的機(jī)身、動(dòng)力系統(tǒng)、尾面和起落架構(gòu)成，其中動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)或電源、旋翼系統(tǒng)和螺旋槳組成。旋翼機(jī)與直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的最大區(qū)別就在于動(dòng)力系統(tǒng)的不同。
旋翼機(jī)的前行動(dòng)力是由螺旋槳產(chǎn)生的推／拉或其它類似于這種推／拉力的供能方式提供，升力是由前方氣流吹動(dòng)旋翼自轉(zhuǎn)提供。同時(shí)，由于旋翼采用自轉(zhuǎn)的方式，不需要像直升機(jī)一樣用尾槳抵消旋翼產(chǎn)生的扭力，結(jié)構(gòu)比直升機(jī)簡(jiǎn)單很多，其氣動(dòng)效率也比直升機(jī)高，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高；操作、維護(hù)方便；起降距離短，不需要專門機(jī)場(chǎng)；可靠性高等特點(diǎn)曾一度被稱為“最安全的飛行器”。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)
旋翼機(jī)平臺(tái)控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，優(yōu)良的任務(wù)平臺(tái)才能確保各種任務(wù)載荷正常工作。旋翼機(jī)平臺(tái)控制部分按完成功能的不同可以劃分為數(shù)傳電臺(tái)、獲取平臺(tái)狀態(tài)信息傳感器部分、平臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電源模塊?？刂谱酉到y(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

獲取平臺(tái)狀態(tài)信息的傳感器有角速度陀螺儀、氣壓高度計(jì)、加速度計(jì)、數(shù)字羅盤、GPS導(dǎo)航模塊。其中，角速度陀螺儀、氣壓高度計(jì)和加速度計(jì)采集模擬信號(hào)，需經(jīng)過模／數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至平臺(tái)控制單片機(jī)，數(shù)字羅盤和GPS導(dǎo)航模塊產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)直接傳輸至單片機(jī)。
平臺(tái)控制單片機(jī)是控制子系統(tǒng)的核心計(jì)算部件，它在每個(gè)控制周期內(nèi)利用PID控制算法，實(shí)時(shí)處理采集的傳感器數(shù)據(jù)，將得到的旋翼機(jī)平臺(tái)姿態(tài)和位置信息，通過數(shù)傳電臺(tái)傳輸至地面指揮、遙控中心。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際計(jì)算出的控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作，保持平臺(tái)穩(wěn)定飛行。
2．2 視頻采集與處理電路設(shè)計(jì)
視頻采集與處理模塊關(guān)鍵芯片的選取主要考慮3個(gè)因素：
(1)旋翼機(jī)上CCD攝像機(jī)在高空對(duì)地面物體進(jìn)行拍攝，要在遠(yuǎn)距離采集高質(zhì)量視頻信號(hào)，攝像機(jī)必須具備良好聚焦和變倍性能。
(2)結(jié)合圖像傳輸失真要求和無線傳輸帶寬實(shí)際情況，要選擇合適的視頻編碼壓縮算法和壓縮方式。
(3)為方便搭建邏輯控制電路，選取系列化具有通用無縫接口的采集芯片和編碼壓縮芯片。